北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司　張海偉

和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)

北京和利時(shí)系統(tǒng)工程有限公司張海偉

1　和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)簡(jiǎn)介

IEC 61131-3是旨在規(guī)范可編程控制器（Programmable Controller，簡(jiǎn)稱PLC）編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展和完善，已被廣大PLC使用者和生產(chǎn)廠商所認(rèn)可和支持。和利時(shí)自主化的可編程軟件平臺(tái)從設(shè)計(jì)之初就遵循IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，是和利時(shí)各種可編程控制器統(tǒng)一的軟件解決方案。

目前和利時(shí)自主化的IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)已經(jīng)成功應(yīng)用于以下產(chǎn)品：和利時(shí)自主的小型與大型可編程控制器、運(yùn)動(dòng)控制器等。這些產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用在核電、火電、化工、軌道交通、煤礦、運(yùn)動(dòng)控制等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。

和利時(shí)在總結(jié)多年應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的主要特點(diǎn)后，從2005年開(kāi)始進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，推出了IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)AutoThink。和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)AutoThink具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)。

2　和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)主要特點(diǎn)

圖1為和利時(shí)自主化的IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)主界面圖，同其他的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境相類似，左邊是工程管理樹(shù)，用戶可以通過(guò)工程管理樹(shù)管理整個(gè)用戶工程；中間是用戶邏輯、數(shù)據(jù)和設(shè)備組態(tài)區(qū)域；右邊是基本函數(shù)、功能塊算法以及支持的設(shè)備庫(kù)，最下方是信息輸出窗口。

圖1　IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的主界面圖

本部分從程序邏輯組態(tài)方式、設(shè)備組態(tài)方式、程序調(diào)試方式、程序的編譯執(zhí)行方式、用戶知識(shí)成果保護(hù)方式、運(yùn)動(dòng)控制功能支持等主要方面介紹和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)主要特點(diǎn)。

2.1程序邏輯組態(tài)方式

（1）任務(wù)的調(diào)度機(jī)制

? 多任務(wù)：包括周期觸發(fā)、事件觸發(fā)和自由運(yùn)行類型任務(wù)。

? 優(yōu)先級(jí)：高優(yōu)先級(jí)搶占低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，同一優(yōu)先級(jí)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度。

（2）多種編程語(yǔ)言的支持

支持IEC61131-3描述的5種編程語(yǔ)言中的4種：

? 梯形圖LD；

? 功能塊圖FBD；

? 結(jié)構(gòu)化文本ST；

? 順序功能圖SFC。

（3）數(shù)據(jù)的組織方式

采用結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)組織形式，支持用戶自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

采用表格化的定義和使用變量的方式，如圖2所示，用戶不必記復(fù)雜語(yǔ)法規(guī)則。

圖2　表格化的定義和使用變量的方式

2.2設(shè)備組態(tài)方式

（1）圖形化組態(tài)

采用圖形化的設(shè)備組態(tài)方式，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際部署完全對(duì)應(yīng)。圖3是支持八軸運(yùn)動(dòng)控制器MC1008以及擴(kuò)展I/O模塊所組成的硬件部署圖。

（2）支持多種通用現(xiàn)場(chǎng)總線

支持多種通用的現(xiàn)場(chǎng)總線，比如EtherCAT、RTEX、PROFIBUS DP、POWERLINK、Modbus RTU和Modbus TCP等總線協(xié)議。

圖3　八軸運(yùn)動(dòng)控制器MC1008以及擴(kuò)展I/O模塊所組成的硬件部署圖

2.3程序調(diào)試方式

AutoThink為程序設(shè)計(jì)人員提供如下調(diào)試功能：

? PC機(jī)上軟件邏輯仿真；

? 運(yùn)行時(shí)變量的讀和寫(xiě)操作；

? 運(yùn)行時(shí)支持所有變量的強(qiáng)制；

? 斷點(diǎn)調(diào)試；

? 軟件示波器。

2.4編譯型的執(zhí)行方式

（1）采用編譯型的執(zhí)行方式

編譯器將用戶的邏輯直接編譯成為可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼，PLC運(yùn)行系統(tǒng)直接調(diào)度可執(zhí)行的PLC編程軟件下裝的二進(jìn)制代碼，具有更高的執(zhí)行效率。

（2）支持主流的處理器架構(gòu)

支持主流的處理器架構(gòu)，包括X86、PPC、ARM。如果需要，可以快速支持其他類型的處理器。

2.5用戶知識(shí)成果保護(hù)方式

通過(guò)以下方式保護(hù)用戶知識(shí)成果：

? 支持以封裝庫(kù)的方式組織程序邏輯。用戶可以把關(guān)鍵代碼封裝成庫(kù)，以庫(kù)的形式提供給使用者，使其看不到源代碼；

? 用戶二進(jìn)制邏輯不能上載；

? 支持二進(jìn)制簽名：編譯出來(lái)的一套可執(zhí)行代碼僅可以運(yùn)行在某一臺(tái)機(jī)器或者某幾臺(tái)機(jī)器；

? 支持PLC登錄時(shí)密碼確認(rèn)；

? 支持用戶程序加密，包括用戶整個(gè)工程的加密和單個(gè)POU的加密。

2.6運(yùn)動(dòng)控制功能

在運(yùn)動(dòng)控制方面，支持如下功能：

? 伺服控制中的位置開(kāi)環(huán)控制、位置閉環(huán)控制和力矩控制；

? 單軸定位運(yùn)動(dòng)；

? 電子齒輪和電子凸輪；

? 直線、圓弧、球弧、螺旋線、樣條曲線等的插補(bǔ)；

? 運(yùn)動(dòng)疊加；

? 多種機(jī)器設(shè)備找原點(diǎn)方式；

? 基于硬件的到位輸出信號(hào)；

? 基于硬件的信號(hào)沿對(duì)應(yīng)的位置捕捉。

2.7其他通用功能

? 數(shù)據(jù)掉電保持

掉電保持有以下方式：掉電的瞬間將待保護(hù)的數(shù)據(jù)寫(xiě)到掉電保持區(qū)；周期地將待保護(hù)的數(shù)據(jù)寫(xiě)到掉電保持區(qū)。

? 冗余

在可靠性要求較高的場(chǎng)合，支持控制器冗余。

? 不停機(jī)在線修改邏輯

用戶可以在線修改工程中的任務(wù)配置、硬件部署、變量、程序邏輯，對(duì)于沒(méi)有變化的部分，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)都是無(wú)擾動(dòng)的。

? 參數(shù)回讀

用戶在整定一些與現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)的參數(shù)（如PID類參數(shù)）時(shí)，整定好之后，可以一鍵將這個(gè)值寫(xiě)到離線工程中作為該參數(shù)的初始值。

3　和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 可編程控制系統(tǒng)架構(gòu)

AutoThink是工業(yè)控制程序的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，工業(yè)控制程序設(shè)計(jì)人員通過(guò)它實(shí)現(xiàn)符合現(xiàn)場(chǎng)控制要求的程序；RTS是運(yùn)行在硬件中的可編程控制器運(yùn)行系統(tǒng)?？删幊炭刂破髟诳刂葡到y(tǒng)中，需要監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的IO設(shè)備、同數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控軟件SCADA類系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以及與其他智能設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

AutoThink和RTS在工業(yè)控制系統(tǒng)中位置如圖4所示：

圖4　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

AutoThink通過(guò)提供“AutoThink服務(wù)提供層”允許其他應(yīng)用程序?qū)ζ溥M(jìn)行操控，完成對(duì)用戶工程的操作等功能；通過(guò)“RTS服務(wù)適配層”與PLC運(yùn)行系統(tǒng)RTS進(jìn)行信息交互，完成用戶程序的下裝、監(jiān)控、調(diào)試等功能。

RTS通過(guò)提供“RTS服務(wù)提供層”與其他產(chǎn)品如SCADA、AutoThink或者其他PLC進(jìn)行信息交互，由于遵循標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，互聯(lián)互通性好。RTS通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備的信息交互。為了實(shí)現(xiàn)與多種I/O設(shè)備的通訊，可編程控制系統(tǒng)支持通用的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，如PROFIBUS DP、POWERLINK、EtherCAT等。

可編程控制器硬件之上的操作系統(tǒng)層通過(guò)“硬件適配層”將硬件實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)隱藏，對(duì)于不同的硬件系統(tǒng)，我們僅需要修改“硬件適配層”即可；運(yùn)行于硬件之上的操作系統(tǒng)可能會(huì)不同，比如我們可采用的操作系統(tǒng)FreeRTOS、VxWorks、Linux + 實(shí)時(shí)補(bǔ)丁等。運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的RTS通過(guò)“操作系統(tǒng)適配層”來(lái)隱藏不同操作系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，更換操作系統(tǒng)僅僅需要修改“操作系統(tǒng)適配層”即可。

3.2AutoThink層次化模塊化設(shè)計(jì)

和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件AutoThink軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上分為三層：最上層是界面顯示層，用戶可以根據(jù)自己的需要來(lái)配置顯示界面；第二層是邏輯結(jié)構(gòu)層，該層抽象出了用戶界面無(wú)關(guān)的邏輯數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；第三層是通訊服務(wù)層，在這一層會(huì)處理多種服務(wù)，提供不同的服務(wù)處理程序，如以太網(wǎng)通訊、串口通訊等。如圖5所示：

圖5　AutoThink層次化模塊化結(jié)構(gòu)圖

（1）顯示層

顯示層或者說(shuō)是界面層，包括了AutoThink的框架、控制語(yǔ)言視圖、硬件配置視圖、變量視圖以及各種與顯示相關(guān)的配置功能等。不同的可編程控制器產(chǎn)品，通過(guò)顯示選項(xiàng)的配置，可以有不同風(fēng)格的界面展示。

（2）邏輯結(jié)構(gòu)層

邏輯結(jié)構(gòu)層包含了組態(tài)軟件核心組件，包括控制語(yǔ)言、硬件配置、數(shù)據(jù)組態(tài)、資源鏈接等。

（3）通訊服務(wù)層

目前包括串口以及以太網(wǎng)口的通訊驅(qū)動(dòng)及服務(wù)處理，都是AutoThink與目標(biāo)機(jī)交互的通道，為邏輯結(jié)構(gòu)層提供服務(wù)接口。

4　和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)的典型應(yīng)用

作為各種可編程控制器的統(tǒng)一軟件解決方案，和利時(shí)自主化的IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)，已經(jīng)成功應(yīng)用于以下主要工業(yè)控制領(lǐng)域。

（1）數(shù)字化火電廠

在高端大型火電站全廠一體化控制系統(tǒng)中，和利時(shí)產(chǎn)品可全面替代進(jìn)口。例如，福建鴻山1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組——目前中國(guó)按現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)設(shè)計(jì)、控制規(guī)模最大的百萬(wàn)機(jī)組項(xiàng)目。提供DCS、DEH、MEH和FMEH一體化現(xiàn)場(chǎng)總線控制，在DCS現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層全面采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制數(shù)量達(dá)3626臺(tái)，DCS控制點(diǎn)數(shù)達(dá)13058點(diǎn)。

（2）數(shù)字化核電廠

目前業(yè)績(jī)遍及中國(guó)所有核電站并成功出口巴基斯坦。

（3）裝備自動(dòng)化

在裝備自動(dòng)化中，已經(jīng)成為哈汽、上汽、東汽、北重、武汽、南汽、青汽、杭汽等大型裝備控制系統(tǒng)的供應(yīng)商。

（4）化工自動(dòng)化

和利時(shí)已經(jīng)成為全球最大的化工公司德國(guó)某化工公司控制系統(tǒng)的供應(yīng)商。

（5）小型機(jī)器設(shè)備自動(dòng)化

多軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用：多線切割機(jī)。該切割機(jī)主要用于硬脆材料的切割，如磁性材料、壓電材料、藍(lán)寶石等。

5　總結(jié)

和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)AutoThink具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，遵循IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，具有豐富的功能，具有較好的模塊化和層次化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，具有較好的可擴(kuò)展性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制中。

今后，和利時(shí)IEC 61131-3編程軟件平臺(tái)需要根據(jù)行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累不斷完善，不斷提高標(biāo)準(zhǔn)的符合度，致力于成為通用性好、功能完備且易用性好的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。