于IEC61131-3的控制软件平台的设计与实现.

1、科技信息1. .引言基于I E C 6 1 1 3 1 3标准P L C具有通用性好、兼容性高、价格低廉、 编程方便、易于与网络相连等优点，欧美等西方国家都把基于I E C 6 1 1 3 1 3标准P L C作为一个重点对象进行研究开发。嵌入式P LC是架构在嵌入式系统上的P L C系统，具有非常广泛的应用前 景，在自动化领域采用基于嵌入式P L C系统来代替传统硬P L C产品已经成为一 个趋势。本文采用德国3 S公司的C o D e S y s构架P L C系统，对研究嵌入式P L C系统具有重要的实践意义。2. IEC61131 3编程语言简介I EC 6 1 1 3 1 -3编程语言

2、标准是第一个为工业控制系统提供标准化编程 语言的国际标准。该标准针对工业控制系统所阐述的软件设计概念、模型等，适应 当今世界软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进的设计技术。它极大地 推动了工业控制系统软件设计的发展，对现场总线设备的软件设计业产生了很大的影响。符合I E C 6 1 1 3 1 3标准的软件系统是一个结构完美、可重复使用、可 维护的工业控制系统软件。它不仅能应用于可编程控制器，而且能应用于流程控制 和制造过程软件中，因此，它是新型的，先进的工业控制编程系统。3. 1IEC61131 3标准编程语言的主要内容IEC61 13 1 3编程语言标准分为公用元素和编程语言两部分

3、。公用元 素部分除了说明各种编程语言中使用的字符集、标识符、关键字等外，还定义了数据的外部表示、数据类型、变量和程序组织单元等，并对顺序功能图的基本元素等 进行了定义。与传统的可编程控制器编程语言不同，在公共元素中，编程语言标准还定义了配置、资源、任务和存取路径等基本概念。I EC 6 1 1 3 1 -3的编程语言部分还定义了两大类编程语言：文本化编程 语言和图形化编程语言。文本化编程语言包括指令表编程语言（I L）和结构化文 本编程语言（ST）,图形化编程语言包括梯形图编程语言（LD）和功能图块编程语言（FBD）o在标准中定义的顺序功能图（SFC）既没有归入文本化编程语言，也没有 归入图形

4、化编程语言，它被作为公共元素予以定义。这表示顺序功能图既可用于文本化编程语言，也可用于图形化编程语言。如下 图描述它们的关系。图1IEC61131 3标准的层次结构I EC 6 1 1 3 1 3标准的公用元素中还包含语言元素，如标识符、分界 符、关键字等。标准将顺序功能表图作为公共元素，因为它的动作和转换条件可以用标准规定的其他四种编程语言来编程。2 . 2IEC61131 3标准编程语言的发展I EC 6 1 1 3 1 3标准被市场广泛接受和支持之后，得到了良好的维护和 发展，在应用过程中发现的缺陷逐步被改进；同时为了使用技术的进步和市场要求 的环境，I E C 6 1 1 3 1 3标

5、准也进行了适当的修订。I E C 6 1 1 3 1 3 标准的第三次修订将于I E C 6 1 4 9 9标准相协调。3 .国内外基于I E C 6 1 1 3 1 3标准编程系统现状3 . 1国内现状近些 年来，国内致力于自主知识产权的I E C 6 1 1 3 1 3编程系统开发的有亚控科技、浙大中自、大连理工大学计控研究所以及北京凯迪恩自动控制技术公司等，其 中亚控科技的K i n g A c t已经投入使用，浙大中自的S u n y I E C实现了I EC 6 1 1 3 1 3标准中的五种控制语言，是目前国内自行开发并拥有自主知识 产权的编程系统达到了较高的技术水平，极大地促进和

6、加快了国内自动控制设备的 发展。4 . 2国外现状国外商品化工业控制软件的编程系统平台模式是专业化、集中化，即由为数不 多的且专门从事功课控制基础软件的小型企业承担，他们向工控界提供一类不具体 依赖于特定P LC或其他控制系统硬件产品的开放式编程软件包，如加拿大I C S Triple x公司的I s a GRAF ,德国KW公司的MULT I PROG,德 国Infotea m公司的O p e n P C S ,德国3 S公司的CoDeSys。许 多的工业控制设备厂商（包括西门子、横河电机、欧姆龙、三菱电机、ABB公司 等）都购买了这些商品化基础软件的使用权，并在此基础上进行工作量不大的二次

7、 开发，或在此基础上将其高附加值的诀窍和控制算法嵌入其中。5 .基于I E C 6 1 1 3 1 3标准的嵌入式P L C系统的构成本系统硬件设 备包括x 8 6 P C平台，奔腾(p e n t i u m) 2处理器，标准PCI插槽板， IO板，AD板，网线，路由器，人机界面，驱动器，驱动设备(自选)。软件系统采用德国3 S公司的C o D e S y s编译环境，支持五种控制语言 的编程，符合I E C 6 1 1 3 1 3标准。整个P L C系统由编译系统和运行系统、人机界面、外围设备以及驱动设备五部分组成。以运行于L 1 n u x系统之上 的C。D e S y s运行系统为核心

8、，进行数据采集，传输。其中人机界面、驱动器、和其他的设备是通过I n t e r n e t进行网络互联通信的。整个系 统总体设计如图2所示。图2基于I E C 6 1 1 3 1 3标准的嵌入式P L C系统的总体结构6 .嵌入式运行环境系统的设计简述嵌入式PLC系统由编译系统和运行系统、人机界面、外围设备以及驱动设备 五部分组成。最主要的两部分是编译系统和运行系统。在连接编译系统和运行系统 之前需要先配置编译系统，添加IO设备描述文基于IEC61131-3标准嵌入式PLC系统探析太原科技大学电子信息工程学院张学超杨铁梅毕友明摘要本系统使用德国3s公司开发的CoDeSys软件搭建PLC系统框

9、架， 系统符合IEC61131-3标准，以运行系统为核心，采用Tcp网络协议进行数据转发以及使用共享内存技术，实现人机界面、CoDeSys编译环境以及驱动器之间资料的实时交互。整个系统按照PLC程序设计的逻辑流程运行，达到控制系统的要求。关键词IEC61131-3标准CoDeSys Tcp共享内存I E C 6 1 1 3 1 3 标准公共元素编程语言图形类文本类作者简介：张学超（1985-）,男，在读硕士研究生，主要研究方向， 控制理论与控制工程；杨铁梅（1967-）,女，教授，硕士生导师，主要研究方 向：主要从事智能检测技术与故障诊断方面的研究工作等。博士专家论坛件，加载IO设备。再配置运

10、行环境，在运行系统中添加I。设备驱动，在配置文件里设置组件，使运行系统支持编译环境。运行系统和编译系统的连接原理如图3所示。ChinaAll rights reserved. Publishing Hous* http Wwwwcnl6. net'a三三m二2-rm：l 二图3编译系统和运行系统连接运行原理5 . 1 C o D e s y s编译系统的配置在C。D e S y s编译环境中添加设备，需先添加设备描述文件XML文件。描述文件添加成功后，才能在添加设备中找到相应的设备组件。设备描述文件包括六个部分：Ty p e s > ParameterFi terFlags>

11、; S tr i n g s > F i 1 e s > Dev i ce> Modu 1 esoType定义各种数据类型，基于标准数据类型的基础上，可根据需要自定义数据类型。P a r amet e r F i t e r F 1 a g s是用于描述设备的参数。Devie是描述设备组件信息。设备描述文件基本格式如下所示。< D e v i c e D e s c r i p t i< T y p e s name s p a c e =""/>< S t ringsnamespace=" 1 o c a< D e

12、 v i c e I d e n t i f i cat i on><Type>8 0 0 0< /T ypeXld>16100001 </ I d ><Version>Vl. 0. 0. 0</Ve r s i onX/Dev i c eldent i f i cat i on> <Dev i celn fo><Name n ame=" local: typename" >CoDeSysDevice </N a m e >(Descriptionname=" l

13、ocal: typedescri pt i on" >CoDeSysDev i c e</De s c r i pt i on></De v i c e ></Dev i ceDesc r ipt i on>按照设备描述文件的格式，同时可以为系统其他设备的描述文件，尤其是IO模块设备的添加。编写I O的设备描述文件IO Configuratio n. devdesc。添加设备后添加映射如图4所示：ChinaAll rights reserved. Publishing House, http:/www. 1 Ura onl，图4在CoDe S

14、y s添加设备并且建立I O映射编译环境中添加设备描述文件后，开放式的C。D e S y s就是为本系统服务 的编译环境。在这个开放的编译环境里面，可以采用通用的五种编程语言，编辑P L C程序指令流程。5 . 2运行系统的配置执行底层C o D 6 S y s的运行系统，编译系统可通过网络搜索网络上正在运 行的运行系统，激活连接状态，系统即为可用。在编译系统中添加I O设备的描述 文件，只是用于上层人机界面的友好操作，本身并没有实际的意义。只有在底层添 加支持IO设备的1 1 b库文件，才能真正完成对硬件的读写操作。C o d e s y s支持L i b库的二次开发。开发相应的驱动程序，只

15、需要将1 i b组件在C o d e s y s运行系统中加载。7 .嵌入式运行系统架构阐述在完成上述配置之后，在编译系统上编写好的P LC程序，经过编译后，已经可以将程序下载到运行系统中，并且为IO设备添加 设备描述文件和相应的li b驱动库文件，P L C程序中可以直接操作硬件I。信 息，给出信号指令。Ta s k在指定的时间内对系统硬件信息进行扫描处理。这是 一个基本的嵌入式系统基本构成。运行系统的基本程序执行流程如图5所示。应用到实际工业的系统运行需加载HMI人机界面以及驱动器。完成三部分之 间的信息传输是整个系统架构的核心。在编译系统和运行系统连接的基础上，重新 处理运行系统，将运行

16、系统作为一个核心，创建服务器和客户端，HMI和驱动器之间的通信。开辟共享内存区，以实现HMI和PLC之间的通信，以及PLC和驱动器之间的通信。架构图 形见图2基于I E C 6 1 1 3 1 3标准的嵌入式P L C系统的总体结构。图5嵌入式P L C运行系统程序执行流程图创建客户端和服务器端需要创建S o c k e t通信接口，函数原型如下：i n tsocket (intdomain, inttype, intprotocoB i n d函数将s o c k e t与本机上的一个端口相关联，随后就可以在该端 口监听服务请求。intbind (intsockfd, structsocka

17、ddr*m y addr, intaddrlen);面向连接的客户程序使用Connect函数来配置socket并与远端服 务器建立一个T C P连接。intconnect (intsockfd, structsockadd r*serv _ addr, intaddrlen) ; Listen 函数使 s o c k e t处于被动的监听模式，并为该s o c k e t建立一个输入数据队列，将到达 的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。intlisten (intsockfd, intbacklog);accept ()函数让服务器接收客户的连接请求。在建立好输入队列后，服务器就调用a

18、 c c e p t函数，然后睡眠并等待客户 的连接请求。intaccept (intsockfd, void*addr, int* a d d r 1 e n );数据传输Send ()和recv ()这两个函数用于面向连接的socket上进行 数据传输。intsend (intsockfd, constvoid*msg, in tlen, intflags); recv ()函数原型为：intrecv (intsockfd, void*buf, intlen, unsignedint flags);运行系统主要核心代码如下所示：/创建核心代码连接HMI的服务器端和连接驱动器的客户端代码1

19、n t B uildServer () WORD i = 0;/创建服务器端去接受HMI信息g Se rve r. m_ Se rve r = open _ s ocke t _ s e rv er _ tcp (SERVER_ IP, g Server.mw Port,AF_I NET);(下转第 2 6 页)start _ socket _ server _ tcp (g Server, m Server, (p tmSockFunc) g _ Server.m pAcp tFunc, ptmSe rve rRevNe tFunc) g Server, m_ pRevFunc);/创建客户

20、端去接收驱动器信息g Cl ients. m_Cl ient = open _ socket (0, S I EMENS_S ERVER_I P, 0,g_C 1 ients. m_w P ort, AF_INET, S OCK_S TR EAM);start _ socket (g Cl ients. m_Client, g Cl ients. m_p R e v F u n c ) ; /创建线程HMI读取P L C编译 环境的信息intnResul t = 0;pthread _ at t r _ t thread _ at t rl; pthread at t r _ i n i t

21、(&thread _ at t rl);pthread _ attr _ setstacks ize (&thread attrl, 32*1024);if ( (nResul t = pthread _ create (&g Read PLCTh read, & th read _ at t r 1,_R eadFromPLCData, NULL) ) ! = 0)perror (" createtheplcreadingf romthr eaderror!n");pth read _ at t r _ de s t roy (&t

22、h read _ at t r 1); return。；8 .结束语本系统根据P L C的基本构成原理及其运行于L i n u x上的C o d e s y s 运行环境确立了较为完整的PLC系统架构，将编译环境，运行系统以及HMI三 方面通过Tc p网络通信的方式有机的结合起来，形成一个能够进行数据采集，传 输，按照PLC程序命令执行的系统。并且系统遵循编程语言多样化，同时具有标 准化和开放性，易于扩展。同时降低对硬件的依赖性。可以移植到其他系统。参考文献1彭瑞，何衍庆等.IEC61131-3编程语言及应用基础M .机械 工业出版社，2009.12祝永华，郁炜.叶文通.PLC的网络化发展趋势

23、.电气时代，2003, (6 : 86-873付虑红，李晓帆，项进解.软PLC(SoftPLC技术、产品及控制方案探讨. 微计算机信息，20004 Miroslaw CHMIEL,Edward HR YN XIEwlcE , Adam MILIK , et a1. A New Compact Programmable Logic Controller with Integrated Program-ming Equipment ,the 5th IFAC Workshop on ProgrAmmAble Devices And Systems 2001(PDS2001 , Nov22-23,

24、Gliwice , PolAnd , 2001.101-1065 Marek Sniezek , Josef VOtl Stackelberg , A fail safe Programmable Logic controller,Annual R eview in Control , 2003, 27(1 ： 63-72(上接第2 4页)象导前区和惰性区的传递函数，Wm 1 (s)、Wm2 (s)分别为导前汽温 和过热汽温的测量单元，各环节的传递函数分别为6:Wc 1 ( s) =25Wm 1 (s) =Wm2 (s) = 0. 1mA /CWol (s)=/m AW o2 (s) =C/mA图2基于专家P I D控制器的主汽温喷水减温控制系统图3设定值阶跃响应曲线图4对象惯性变化后设定值阶跃响应曲线图5对象增益变化后设定值阶跃响应曲线图3为设定值r作超超临界机组主汽温额定温度的1 0 %的阶跃变化时，专家 P I D控制系统与常规审级P I D控制系统响应曲线的比较，可以看出，专家P ID控制系统的动态响应无超调量且调节时间有了较大的改善，控制系统的性能有了 明显提高。为了验证本文所提出的超超临界机组主汽温专家PID控制方法的鲁棒性，在Wo 1 ( s )保持不变的情况下(1)假定过热汽温对象的惯性时间常数发生变化，变化后