基于IEC61131 - 3的PAS上位机软件的设计与实现 - 杨学喜-

1、工业控制计算机2010年第23卷第3期PAS 控制系统是重庆川仪总厂有限公司开发的一种基于客户机/服务器结构的分布式控制系统(DCS ,本文以IEC61131-3编程语言规范为基础,在VC+6.0平台下设计开发了PAS 控制系统上位机软件PASTOOL-Config 。该软件由功能块算法库、控制算法编辑、编译和仿真等模块组成,实现了对控制系统的程序编辑、运行方式控制、设置和控制策略仿真调试等操作。1IEC61131-3的控制系统上位机软件开发1.1IEC61131-3的控制系统上位机软件结构IEC61131-3的控制系统上位机软件选择了符合IEC61131-3的编程语言功能块图(FBD 。由于

2、在工业控制中的特殊要求,控制系统除了符合IEC61131-3标准的各种规定还应该提供专有的组织方式和运行模式,软件模型总体结构如图1所示,由工程管理器、FBD 编辑环境、功能块库及实例化程序、编译模块、仿真调试程序这几大模块构成。以控制算法编辑器为主体、为用户提供标准FBD 编程语言和友好的图形化编程界面,并集成编译和仿真模块,提供程序编译、数据类型检查、离线仿真及组态等功能。1.2功能块算法库开发在PAS 上位机软件中功能块算法的代码是以静态链接库的形式提供的,功能块参数随着功能块实体的产生而产生。按照功能块执行功能的不同,功能块划分为10大类,依次为:逻辑运算类、位运算类、数学运算类、三角

3、函数类、代数函数类、比较运算类、选择运算类、开关量信号处理类、模拟量信号处理类、控制类。在每一类中根据具体的需求设计了相应的功能块,如在控制类中设计了脉冲序列、伺服放大、PID 调节等功能块。1.2.1功能块参数功能块是IEC61131-3中体现面向对象思想的元素,它具有类型和实例之分,因此在上位机软件中把功能块实例分为两个部分:装载功能块参数的数据区和封装功能块算法的代码区。算法相对系统是稳定的,参数是相对活泼的元素,它会随着每个实体的产生而产生。功能块的参数根据其作用分为以下四种,下面以普通PID 功能块图为例来说明:1输入使能参数:该参数可以激活输入引脚,使能功能块中的所有算法;2输入参

4、数:功能块实例的输入引脚;3输出参数:功能块实例的输出引脚;4内含参数:一些系统关键的组态参数,如PID 实例的自动调节输出的上、下限。系统中的所有功能块,需要定义一个统一的结构来描述它的外部信息。这些信息包括功能块的名称、位号、位图类型、输入引脚的个数、输出引脚的个数、输入引脚的类型、输出引脚的类型、输入引脚的值、输出引脚的值以及功能块各引脚的位置信息它用来方便功能块之间的连线。1.2.2功能块的算法功能块的算法是相对稳定的,一旦完成某个功能块算法的基于IEC61131-3的PAS 上位机软件的设计与实现Design and Realization of PAS Host-computer

5、Software Based on IEC61131-3杨学喜(重庆邮电大学网络化控制与智能仪器仪表教育部重点实验室,重庆400065郭海平陈学军(中国四联仪器仪表集团有限公司四联技术中心,重庆401121摘要以IEC61131-3编程语言规范为基础,通过对软件模型及功能块图的分析,设计了基于IEC61131-3标准的上位机软件,给出了软件的整体架构、功能块库、控制策略编辑、编译和仿真模块的实现方法。通过对控制策略的软仿真,验证了该控制系统上位机软件设计的正确性和可靠性。关键词:IEC61131-3,软件模型,功能块,组态AbstractIn this paper,through the ex

6、patiate and analyse about the software model and the function block diagram based on IEC61131-3specification.This paper design a PC software based on the IEC61131-3standard,the software is given the structure,function block libraries,edit the control strategy,the compiler and simulation methods modu

7、le.Through control strategy of the soft simulation,validate that the design of the control system configuration is correctly and effectively.Keywords :IEC61131-3,software model,function block,configuration图 1上位机软件总体结构图2功能块图31基于IEC61131-3的PAS 上位机软件的设计与实现 编程,并通过调试和试用证明它确能正确执行所规定的功能,就不允许用户再修改此功能块算法。在PA

8、S 上位机软件中功能块的开发过程中,将所有功能块的算法处理函数集中放在一个源文件(.c 文件中,通过编译生成了一个静态的功能块库(.dll 文件;并向外部以头文件(.h 文件的形式提供函数调用的接口。下面以增量式PID 功能块为例介绍一下功能块的算法,增量式PID 控制表达式:U K =K P *(E K -E K-1+K I *E K +K D *(E K -2*E K-1-E K-2在PAS 上位机软件功能块库中PID 功能块的函数调用接口如下所示:PAS_APIstruct RESULT_PID FUNC_PID(float SP,float PV,floatKP,float TI,fl

9、oat TD,bool AM,float MAN,float DI,bool AD,float AH,float AL,float OH,float OL,bool TS,float IK,float PK 其中,函数的参数包括功能块实例中除使能引脚以外所有输入引脚值、所有内含参数的值;函数返回值包括功能块输出引脚值,以及值的状态等。1.3控制算法编辑模块开发该模块实现的功能是实现遵循IEC61131-3标准的可视化程序开发平台,提供功能块图的编辑环境,用于接收用户的输入(FBD ,并将其存储为对应的文件。对于FBD 语言,我们以链表的方式记载程序信息,其中链表中的一个结点对功能块中一个连线、

10、输入/输出块或功能块等。其主要的部分在于功能的图形化显示和功能块连接。控制算法编辑模块的类关系如图3所示。功能块图形化显示的类为CDrawTool ,根据其不同的画面元素派生出一些子类如算法块类CControlTool ,输入块类CInputTool ,输出块类COutputTool ,连线类CLineTool 。这些类分别针对不同的画面元素在工作窗口内的操作进行位置的改变和确定。功能块图中元素实例化的基类为CDrawObj ,定义了它们共有的属性和操作。从绘图类中根据不同的画面元素又派生出一些子类如算法块类CDrawControl ,输入块类CDrawInput ,输出块类CDra-wOut

11、put ,连线类CDrawLine 。这些类又和图形化显示的类一一对应起来,实现每种算法块的实例化,同时将功能块串行化,形成组态链路关系。 图3控制算法编辑模块的类关系1.4控制算法编译模块开发功能块图的编译实现难点是功能图形单元的参数检查、图形单元间关系分析及关系文件生成。功能单元图元、参数检查及数据类型完毕后,遍历所有功能块图端子及输入输出块进行合法性检查确定没有错误后遍历所有逻辑关系生成组态文件。功能块文件的编译以单个的图形单元为基础,通过分析单元之间的连接关系,最终形成编译结果。对单个图形单元的编译,即是对该图元的参数进行分析处理,包括参数是否存在判断、类型匹配判断、地址合法性判断、功

12、能块执行号合法性判断等,函数实现流程见图4。在图元编译过程中,需要进行类型匹配检查,即允许的类型与实际的类型进行匹配分析。在参数逐个检查完毕后,需要进行参数一致性判断。在功能块图元中,许多情况需要多个参数,多个参数的类型存在某种约束。如小于比较指令(标识符为“”,其所带的输入参数有2个,即参与比较大小的两个数值。可能的数据类型有:位、字、整型、浮点数、时间类型、状态类型等,还可能为常数数据。但是参与运算的两个数据。其类型必须一致,即整型只能与整型比较,而与时间类型数值运算则为非法。1.5控制算法仿真模块开发调试仿真是软件平台的重要组成部分,它负责在上位机软件平台上模拟系统的各种行为。仿真分为离

13、线仿真和在线仿真两种方式:离线仿真不需要控制器的参与,但需要调用仿真平台提供的功能块库函数进行运算,并把所有功能块引脚值显示在功能块实例的引脚边。在线仿真需要和控制器进行通讯,向控制器发送取内存值命令,读取程序中所有功能块实例引脚的内存值,并实现数据的显示。它不需要调用仿真平台提供的功能块库函数。在PAS 上位机软件中,提供了连续仿真、周期仿真、中断仿真、仿真回放、仿真暂停和仿真停止的功能。2控制系统仿真运行首先组态工程师根据控制系统的需要,选择相应的功能块和变量放在仿真平台中间的功能块图(FBD 编辑区;然后对功能块的输入引脚和输出引脚以及变量进行连线并规定功能块的执行顺序,同时通过双击功能

14、块实例的图元设置功能块的内含参数;最后,通过点击编译按钮进行编译待编译成功后,就进入可仿真状态。下面以过程控制中的流量控制为例说明仿真的过程。图5中将变量AI-01-1-1-01/AO-1-2-01与控制站I /O 模块中的模拟量输入/输出通道建立映射关系,这样从该模拟量输入通道采集到的流量值就存储在这个变量中,后通过数字滤波功能块(FILTE 以及转换成百分数功能块(t%将流量值以百分数形式传入到PID 调节模块的测量值(INP 端,其中转换成百分数功能块(t%的最大值(MAX 与最小值(MIN 需要与具体的电磁流量计的量程范围向对应。本案例选取的流量计当口径为300mm 时,流量范围为12

15、7.35089.4m 3/h 。最后将测量值(INP 与设定值(SP 相比较,通过PID 运算产生调节输出存储在变量AO-1-2-01中,这样产生的输出就能驱动阀门定位器达到对流量进行控制的目的。如图5所示,当仿真开始运行前对通道变量AI-01-1-1-01赋值为2000m 3/h ,然后通过点击周期仿真的按钮将控制系统运行一个周期后的结果显示在功能块的端子上,工程设计人员根据运算的结果就能判断控制系统逻(下转第35页图4编译模块流程图32工业控制计算机2010年第23卷第3期(上接第32页辑设计的正确性。通过连续仿真或周期仿真观察运行的结果表明测量值(INP 逐渐与设定植(SP 相接近,最终

16、达到稳定状态。图5仿真平台运行界面PAS 上位机软件使组态工程师能够在软件平台上很方便的对系统行为进行仿真和模拟,并判断基于功能块的控制回路设计的正确性和可靠性。3结束语PAS 控制系统上层软件作为川仪PAS 控制系统配套软件是基于IEC6ll31-3标准开发,可以方便地进行功能扩充或升级。例如增加一种新的功能块,仅需要在数据库的功能块图(FBD 单元表中追加该功能块的类型名称、位号、绘图参数及引脚类型等信息。使用该软件进行逻辑功能组态,简单方便且高效,可实现复杂的控制功能。同时利用仿真平台提供的连续仿真、周期仿真,中断仿真以及回放显示等功能,能够对控制系统的行为进行仿真和模拟。参考文献1葛益

17、军,王文海.基于IEC61131-3的编程系统的设计与实现J .制造业自动化,2006(72黄延延,林跃,于海斌.软PLC 技术研究及实现J .计算机工程,2004(13邢建春,王双庆,关光炳.IEC61131-3工业自动化系统的控制逻辑上位机软件标准J .世界仪表与自动化,20034魏江,章凌,黄文君,等.基于DCS 的多语言编程软件的设计与实现J .化工自动化及仪表,2005,32(2:39-425高金源,夏洁.计算机控制系统M .北京:清华大学出版社,2007收稿日期:2009.8.21 改,添加如下配置选项定义:#define CONFIG_FEC21/FEC0缺省启用,此处启用第二个

18、FEC#defineCONFIG_FEC_SHARED_PHY1/允许使用FEC0的MDIO 接口控制两个PHY 对函数fec_request_intrs(struct net_device 觹dev中关于MCU 引脚配置部分进行修改。当然要启用网络协议栈功能,还需要对内核网络部分进行配置。4.4USB 接口移植系统使用片上USB 收发器并使用PLL 提供时钟,需要修改/arch /m68k /coldfire /usb /xcvr.c 中函数xcvr_init 关于USB 时钟部分。配置内核与USB 相关的选项如下:.Device driverHID DevicesUSB Human Int

19、erface Device(full HIDsupport SCSI device supportSCSI devices supportlegacy /proc /scsi support SCSI disk supportprobe all LUNs on each SCSI device USB supportSupport for Host-side USB 觹USB device filesystemEHCI HCD(USB2.0support 觹Full speed ISO transacions USB Mass Storage support-select transceive

20、r (on-chip (FL /LS only-4.5添加系统调用FPGA 实现的IP Core 通过系统调用提供给用户,这比封装设备处理效率更高,主要包括扩展的两个UART 控制器、IRIG-B 解码器、和LCD 控制器等。以newsyscall 为例给出添加系统调用的方法:1在kernelsys.c 中添加newsyscall(int number源码实现asmlinkage int sys_newsyscall(int number邀.妖2在archm68kcoldfireentry.s 的系统调用入口表中添加:.long sys_newsyscall3在inclueasm-m68kunistd.h