《JBT 13214-2017工业机械电气设备及系统 开放式数控系统PLC编程语言》专题研究报告

《JB/T13214-2017工业机械电气设备及系统

开放式数控系统PLC编程语言》专题研究报告目录目录目录目录目录目录目录目录目录一、开放式数控系统

PLC

编程语言标准：为何是工业

4.0

落地的关键“语法

”？二、专家：标准如何统一纷繁复杂的

PLC

编程语言“方言

”？三、前瞻未来工厂：从标准看

PLC

编程语言的技术融合与智能化演进路径四、标准核心框架剖析：构建开放式数控系统

PLC

编程的统一模型与接口五、编程语言元素精讲：标准对数据类型、程序组织单元的规范与深层意义六、热点聚焦：标准如何应对工业互联网与边缘计算场景下的编程新挑战？七、实施疑点攻坚：基于标准进行系统集成与移植的关键技术与实践指南八、标准赋能实践：从规范文本到高效、可靠工业应用程序的转化之道九、安全与可靠性：剖析标准中隐含的功能安全与信息安全保障逻辑十、超越标准本身：从

JB/T

13214-2017

展望中国智能制造软件生态的未来开放式数控系统PLC编程语言标准：为何是工业4.0落地的关键“语法”？工业4.0的互联互通之困与“语言”障碍当前工业4.0与智能制造的核心是实现设备、系统、数据的广泛互联与智能协同。然而，底层控制设备，尤其是不同厂商数控系统中的PLC编程单元，长期存在编程语言、接口、数据定义的巨大差异，形成了严重的“信息孤岛”和“语言障碍”。这种异构性极大阻碍了生产线的柔性重构、工艺知识的数字化封装与复用、以及上层MES/ERP系统与底层设备的无缝对接。JB/T13214-2017的出台，正是为了建立一套在开放式数控系统语境下通用的PLC编程“普通话”，为更高层次的自动化与智能化奠定基础。标准作为技术基座：连接OT与IT的桥梁角色解析该标准不仅仅是编程语法规范，更是连接操作技术（OT）与信息技术（IT）的关键桥梁。在OT层面，它规范了如何直接、可靠地驱动机械与IO；在IT层面，它通过标准化的编程模型和数据接口，使得控制逻辑能够被更上层的软件系统识别、解析、甚至动态优化。标准定义的统一编程环境，使得控制程序本身成为可管理、可追溯、可集成的数字化资产，支撑了数字孪生、预测性维护等高级应用的实现。从“封闭”到“开放”：标准带来的范式转变与产业价值1在标准发布前，数控系统PLC编程往往绑定于特定硬件，程序移植性差，人才技能也被锁死在特定平台。JB/T13214-2017推动的“开放性”，本质是实现了编程语言与硬件平台的解耦。这种范式转变带来的产业价值巨大：它降低了用户对单一厂商的依赖，促进了基于标准的第三方工具链和应用生态发展，缩短了设备调试与产线升级周期，最终提升了整个装备制造业的自主创新能力和市场响应速度。2专家：标准如何统一纷繁复杂的PLC编程语言“方言”？IEC61131-3国际框架的本土化与行业化适配策略本标准并非凭空创造，其核心框架基于国际电工委员会（IEC）的IEC61131-3标准，这是工控领域编程语言的国际通用规范。专家的视角在于，JB/T13214-2017并非简单翻译，而是结合中国工业机械，特别是数控系统行业的实际需求进行了关键性适配。它着重明确了在开放式数控系统这一特定应用场景下，如何选用和限定IEC61131-3中的语言特性（如更强调结构化文本ST和功能块图FBD在复杂逻辑中的使用），并定义了与数控功能（如插补、轴控制）的专用接口，实现了国际标准与行业实践的有机结合。0102统一编程模型：解构标准中的软件模型与通信模型标准统一“方言”的核心手段是定义了明确的统一编程模型。这包括软件模型和通信模型。软件模型规定了程序组织单元（如程序、功能块、函数）的层级结构和执行控制方式，确保了程序结构的清晰与可预测性。通信模型则规定了程序内部以及程序与外部数控核心、其他设备之间的数据交换机制（如全局变量、访问路径、通信功能块）。通过这两个模型，不同厂商只需遵循同一套“建筑规范”，其生产的“房屋”（控制系统）便能实现“管道”（数据与控制流）的互联互通。标准化接口与数据类型：消除语义二义性的技术基石语言“方言”差异的另一个根源是接口和数据类型的私有化定义。本标准强力规范了两个方面：一是与数控系统服务的接口，定义了PLC程序如何以标准化方式调用刀具补偿、坐标变换等数控专用功能；二是数据类型，不仅包括了IEC61131-3定义的基本类型（布尔、整数、实数等），更关键的是对应用于机械控制的结构化数据类型（如位置数据、轴状态数据）进行了标准化。这从根源上消除了数据语义的二义性，确保了A厂商编写的控制算法，使用B厂商的数控系统时，对“位置”的理解完全一致。前瞻未来工厂：从标准看PLC编程语言的技术融合与智能化演进路径PLC与CNC的融合：从“并列”到“嵌合”的编程体验变迁传统数控系统中，PLC（负责逻辑控制）与CNC（负责轨迹计算）常作为两个相对独立的单元协同工作。本标准面向“开放式数控系统”，预示着二者将走向更的融合。未来的编程体验，将不再是分别编写PLC梯形图和CNCG代码，而是在一个统一的编程环境中，使用标准化的PLC语言功能块直接操作“轴对象”、“路径对象”，实现运动控制与逻辑控制的无缝嵌合。这将简化复杂协同运动的编程难度，提升代码的整体性和执行效率。AI算法模块的集成：预测性维护与自适应加工的程序化实现随着边缘智能的发展，未来的PLC编程语言需要具备集成轻量化AI模型的能力。基于本标准建立的统一编程框架，可以预定义用于设备状态监测（振动、温度分析）或工艺参数优化（切削参数自适应）的AI功能块。程序员可以通过调用这些标准功能块，像使用定时器、计数器一样，将预测性维护逻辑或自适应控制算法直接嵌入到控制程序中，使设备具备本地实时智能决策能力，这是实现智能化单机设备的关键一步。云-边-端协同编程框架的雏形：标准对分布式控制的支撑未来工厂是云、边、端协同的体系。JB/T13214-2017中关于通信模型和程序组织的定义，为分布式控制提供了基础。例如，一个复杂的加工单元程序，其子程序或功能块可以被部署在边缘计算网关或云端进行预处理或优化计算，再通过标准化接口将指令下发至本地PLC执行。标准化的编程语言使得这种跨层级的功能分割与协同成为可能，支持构建更加灵活、计算资源可动态调配的分布式控制架构。标准核心框架剖析：构建开放式数控系统PLC编程的统一模型与接口开放式数控系统架构下的PLC定位与角色再定义1标准首先在宏观架构上对PLC进行了重新定位。在开放式数控系统中，PLC不再是一个独立的黑箱部件，而是系统软件架构中的一个核心逻辑执行层。它通过标准化的应用程序接口（API）与数控内核、人机界面（HMI）、驱动单元等进行交互。这种角色再定义，将PLC从硬件实体抽象为逻辑功能实体，强调了其软件定义控制的属性，为软件化、虚拟化PLC的发展铺平了道路。2通信功能块的标准化设计：实现内外数据交互的“通用端口”1为了实现PLC与系统内外部组件的流畅通信，标准必须定义一套通用的“通信端口”，这就是标准化的通信功能块。这些功能块对常见的通信操作（如发送/接收消息、读写共享数据、事件触发）进行了封装和规范化。无论底层物理网络是现场总线、工业以太网还是内部总线，程序员都使用同一套通信功能块进行编程。这极大地提升了程序在不同硬件平台上的可移植性，并降低了网络编程的复杂性。2资源、任务与程序执行控制模型的精确描述1标准核心框架的另一个支柱是对执行控制模型的精确描述。它定义了“资源”的概念（可视为一个虚拟的PLC），资源包含一个或多个“任务”。每个任务可以周期性地或由事件触发执行一个或多个“程序”。标准详细规定了任务的类型（周期、中断）、优先级调度机制以及程序在任务中的调用关系。这套模型确保了多任务环境下控制程序行为的确定性和实时性，是编写可靠、高效控制程序的根本保障。2编程语言元素精讲：标准对数据类型、程序组织单元的规范与深层意义扩展数据类型：面向机械控制的专业化数据封装1除了继承IEC61131-3的基础数据类型，本标准的一大亮点是定义或推荐了面向工业机械控制的扩展数据类型。例如，针对位置信息，可能定义包含X、Y、Z坐标及姿态的结构体；针对轴控制，定义包含命令位置、实际位置、状态字、错误码的结构体。这种专业化封装，将零散的数据聚合成有明确业务含义的对象，提升了程序的可读性和可维护性。更重要的是，它实现了控制逻辑与物理概念的直接映射，使编程更贴近工程师的思维。2程序组织单元（POU）的严谨分层：从函数、功能块到程序的生态标准严格遵循并强化了程序组织单元的分层思想。最底层是“函数”（无内部状态，相同输入产生相同输出），用于实现纯计算。上一层是“功能块”（拥有内部状态，是面向对象思想的体现），用于封装具有特定状态的控制功能（如电机驱动器、阀门组）。最顶层是“程序”，是功能块和函数的有机组合，完成特定控制任务。这种分层结构强制了代码的模块化、可重用性设计，是构建复杂、可维护控制系统软件的工程学基础。编程语言的语法与语义约束：确保代码的确定性与可靠性1标准不仅列出了可用的语言特性（如ST语言的表达式、语句），更关键的是对其语法和语义进行了严格约束。例如，明确规定变量声明的位置与作用域、禁止使用可能引起非确定性的语言特性、规定运算的精度和溢出处理方式。这些约束看似限制了编程的“灵活性”，实则通过消除歧义，确保了在任何兼容标准的系统上，同一段程序的行为都是一致的、可预测的。这是工业软件高可靠性要求的根本体现，也是标准的核心价值之一。2热点聚焦：标准如何应对工业互联网与边缘计算场景下的编程新挑战？OPCUA信息模型与PLC编程语言的映射与集成工业互联网要求设备能够提供具有语义信息的数据。OPCUA是当前主流的工业互操作标准。一个热点趋势是如何将JB/T13214-2017定义的PLC内部变量、功能块接口，自动或半自动地映射为OPCUA服务器中的节点和信息模型。标准需要为这种映射提供指导，例如，定义如何将PLC中的结构化数据类型转换为OPCUA中的复杂对象类型。这使得控制程序中的数据能够以富含语义的方式直接暴露给上层系统，实现“即插即用”式数据采集。面向微服务架构的控制功能封装与动态部署01在边缘计算场景中，控制功能可能以“微服务”的形式存在，并支持动态部署与更新。本标准规范的、高度模块化的功能块编程模式，恰好为控制功能的微服务化封装提供了天然基础。未来，一个符合标准的功能块，配合其标准化的接口描述，可以被打包为一个独立的、可在边缘侧安全部署和调用的微服务。这将实现控制逻辑的“热插拔”和在线升级，极大提升系统的灵活性和可维护性。02时间敏感网络（TSN）下的确定性与通信编程简化工业互联网对实时性要求极高，时间敏感网络（TSN）是关键支撑技术。当PLC运行在TSN网络上时，其通信的确定性需要得到保障。JB/T13214-2017的标准化通信功能块，可以与TSN的配置管理相结合。未来，编程开发环境可以依据标准接口，自动生成或辅助配置TSN所需的流量调度参数，从而将对复杂网络技术的依赖封装在底层，让程序员仍能使用简洁的标准功能块进行确定性的网络通信编程。实施疑点攻坚：基于标准进行系统集成与移植的关键技术与实践指南遗留系统（棕色地带）向标准系统迁移的策略与平滑过渡方案对于大量使用非标准PLC程序的现有设备（棕色地带），如何向新标准迁移是实施的首要疑点。实践中需要采取渐进式策略：首先，在新项目中强制采用新标准；对于旧系统改造，可以引入“适配层”或“包装器”，将旧的非标准程序模块封装成符合标准接口的功能块，使其能够与新标准程序共存。同时，利用标准开发环境的代码分析工具，对旧代码进行结构分析和部分自动重构，降低迁移成本和风险。不同厂商标准符合性测试与互操作性验证方法论即使声称符合JB/T13214-2017，不同厂商的实现细节仍可能存在差异，导致互操作问题。实施的关键在于建立严格的符合性测试与互操作性验证流程。这包括：对标准中定义的每个强制性特性进行测试；编写基础功能（如标准通信、数据类型运算）的测试套件，在不同厂商的系统中交叉运行；进行集成测试，将A厂商编写的功能块在B厂商的运行时环境中调用。通过这种方法论，及早发现并解决兼容性问题。性能优化与实时性保障：在标准框架下挖掘硬件潜力采用标准化编程有时会被担心带来性能开销。实施攻坚点在于如何在遵循标准的同时进行优化。这包括：利用开发环境的编译器优化功能；合理设计程序组织单元，将实时性要求高的代码放在高优先级任务中；精细配置任务的周期和看门狗时间；对于性能瓶颈部分，在标准允许范围内使用特定于硬件的高效功能块或指令。核心原则是，标准不禁止性能优化，而是为优化提供了一个稳定、统一的平台。标准赋能实践：从规范文本到高效、可靠工业应用程序的转化之道基于模型的开发（MBD）流程与标准的结合应用标准为基于模型的开发提供了完美的目标框架。开发人员可以在Simulink等工具中，利用图形化方式进行控制算法建模和仿真。然后，通过代码生成技术，自动将模型转换为符合JB/T13214-2017标准的ST或FBD代码。这种实践不仅提高了开发效率，更重要的是，它将设计、仿真、实现环节串联起来，实现了“模型即文档”、“模型即代码”，确保了最终产品与控制设计的高度一致，提升了软件质量。版本管理与团队协作：标准如何支撑现代软件工程实践复杂的机械控制系统开发必然涉及团队协作和版本管理。标准的模块化特性（POU）天然支持将控制程序分解为多个由不同工程师负责的、相对独立的单元。结合Git等现代版本控制系统，可以对每个功能块、函数进行独立的版本跟踪、分支管理和合并。标准化的接口保证了这些独立开发的模块能够清晰、无歧义地集成。这使得工业控制软件开发也能融入DevOps等先进工程实践，提升协同效率。调试、诊断与维护：标准化编程带来的全生命周期便利性01标准化的编程语言和接口，极大地便利了控制系统的调试、诊断与后期维护。统一的符号和数据结构，使得任何熟悉该标准的工程师都能快速理解程序逻辑。标准化的诊断功能块和错误代码，提供了一致的故障信息报告机制。在线调试工具可以基于标准语义进行变量监控、断点设置和程序跟踪，其行为在不同厂商的工具间具有高度可预期性。这降低了系统全生命周期的运维成本和技术依赖。02安全与可靠性：剖析标准中隐含的功能安全与信息安全保障逻辑编程语言子集与安全编码规范：构筑功能安全的软件基础对于涉及安全控制的应用，标准通常推荐或强制使用一个更严格、更确定的编程语言子集（如禁用某些指针操作、强制变量初始化）。JB/T13214-2017作为基础标准，为在其之上构建功能安全（如符合IEC61508、ISO13849）的软件组件提供了可能。它通过清晰的程序结构、确定性的执行模型和严格的数据类型，为编写高完整性软件奠定了基础。结合额外的安全编码规范，可以从根源上减少因软件缺陷导致安全风险的可能性。数据与访问安全模型：在互联环境中保护控制核心1在开放式、互联的系统中，信息安全至关重要。标准虽然主要聚焦于功能，但其定义的通信接口和访问路径，需要与信息安全机制协同设计。例如，对PLC中关键变量的读写操作，应能集成身份认证和权限校验机制。标准化的通信功能块应支持加密和完整性校验选项。标准为这些安全机制的植入提供了清晰的接口位置，使得安全功能能够以模块化、标准化的方式添加到控制系统中，而不破坏原有的程序逻辑。2确定性行为与故障隔离：软件可靠性的内生机制1可靠性源于系统行为的确定性。本标准通过前述的执行控制模型（任务调度）、通信模型（同步/异步机制）和语言语义约束，最大限度地确保了程序的确定性行为。同时，程序组织单元的概念提供了天然的故障隔离边界：一个功能