IEC 1131-3軟件：一種先進(jìn)的工業(yè)控制編程系統(tǒng)

　　符合IEC 1131-3的軟件系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)完美、可重復(fù)使用、可維護(hù)的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件，不但能被應(yīng)用在PLC（可編程控制器），而且還能被應(yīng)用在控制工業(yè)及制造過(guò)程的一切軟件中，是一種先進(jìn)的工業(yè)控制編程系統(tǒng)。

　　IEC 1131-3標(biāo)準(zhǔn)包括兩部分：編程和公共元素。編程部分描述了兩個(gè)重要模型：IEC 軟件模型和通訊模型。公共元素定義了編程系統(tǒng)中需要的的數(shù)據(jù)類型。本文將通過(guò)對(duì)IEC 1131-3標(biāo)準(zhǔn)的這兩個(gè)部分的描述，從理論上分析、闡述IEC 1131-3編程系統(tǒng)所具有的優(yōu)點(diǎn)，并讓我們學(xué)習(xí)到IEC 1131-3所闡述的先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想。

　　一、 IEC 1131-3的兩個(gè)重要模型

　　IEC 1131-3標(biāo)準(zhǔn)有兩個(gè)模型：IEC 軟件模型和通訊模型。這兩個(gè)模型構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)符合IEC 1131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的編程系統(tǒng)的概念基礎(chǔ)，它們不但是IEC 1131-3編程系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的PLC編程系統(tǒng)的重要標(biāo)志，而且也是IEC 1131-3編程系統(tǒng)優(yōu)越于傳統(tǒng)的PLC編程系統(tǒng)的原因所在。IEC 軟件模型從理論上描述了如何將一個(gè)復(fù)雜的程序分解為若干個(gè)小的不同的可管理部分，并且在各個(gè)被分解部分之間有清晰的和規(guī)范的接口的方法；描述了一臺(tái)PLC如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立程序的同時(shí)裝載、運(yùn)行；描述了系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)程序執(zhí)行的完全控制等。通訊模型同樣從理論上描述了不同程序組織單元（POU – Program Organization Units）之間如何交換信息的方法。程序組織單元包括程序，功能塊和功能。

　　為了更好地描述IEC 軟件模型，我們先通過(guò)一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)描述IEC 1131-3軟件與實(shí)際系統(tǒng)的關(guān)系，然后再進(jìn)一步說(shuō)明1131-3軟件模型。
　　
　　二、IEC 1131-3軟件與實(shí)際系統(tǒng)的關(guān)系

　　如圖1為一采用PLC的直接數(shù)字控制系統(tǒng)。來(lái)自物理傳感器的連續(xù)信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字采樣信號(hào)后，PLC控制系統(tǒng)就可以運(yùn)行諸如比例，積分，微分（PID）等算法產(chǎn)生控制信號(hào)輸出，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置位置的控制。在圖1中，IEC 1131-3軟件假設(shè)，來(lái)自傳感器或變送器

　　圖一 應(yīng)用PLC系統(tǒng)的直接數(shù)字控制系統(tǒng)

　　的外部數(shù)值被直接放在一段特定的內(nèi)存區(qū)，同時(shí)，程序運(yùn)行后產(chǎn)生的結(jié)果也被放在一段特定的內(nèi)存區(qū)，更新這些內(nèi)存區(qū)數(shù)值，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)執(zhí)行器或顯示器的驅(qū)動(dòng)。到PLC的I/O裝置的內(nèi)存映射并沒(méi)有定義在標(biāo)準(zhǔn)中，它會(huì)隨著不同的PLC廠商有很大的不同。
　　
　　三、IEC 軟件模型

　　IEC 1131-3軟件模型如圖二所示。該軟件模型是一種分層結(jié)構(gòu)，每一層隱藏了其下層的許多特征。IEC 1131-3具有的這種分層結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了IEC 1131-3軟件優(yōu)越于傳統(tǒng)的PLC軟件的理論基礎(chǔ)，是IEC 1131-3軟件先進(jìn)性的體現(xiàn)。下面我們先描述軟件模型的各個(gè)部分的概念，同時(shí)分析、總結(jié)IEC 1131-3編程系統(tǒng)所具有的優(yōu)點(diǎn)。

　　1. 配置、資源、程序和任務(wù)

　　在模型的最上層是軟件“配置”，它等同于一個(gè)PLC軟件，使用在一個(gè)具體應(yīng)用的定義PLC行為的整個(gè)軟件中，它與配置系統(tǒng)的實(shí)際過(guò)程是不同的。如在一個(gè)復(fù)雜的由多臺(tái)PLC組成的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，每臺(tái)PLC中的軟件就是一個(gè)獨(dú)立的“配置”。一個(gè)“配置”可與其它的IEC“配置”通過(guò)定義的接口進(jìn)行通訊。

　　在每一個(gè)配置中，有一個(gè)或多個(gè)“資源”，“資源”不僅為運(yùn)行程序提供了一個(gè)支持系統(tǒng)，而且它反映了PLC的物理結(jié)構(gòu)，在程序和PLC物理I/O通道之間提供了一個(gè)接口。一個(gè)IEC程序只有在裝入“資源”后才能執(zhí)行?！百Y源”通常放在PLC內(nèi)，但也可以放在其它系統(tǒng)內(nèi)。

　　一個(gè)IEC程序可以用不同的IEC編程語(yǔ)言來(lái)編寫。典型的IEC程序由許多互連的功能塊組成，各功能塊之間可互相交換數(shù)據(jù)。一個(gè)程序可以讀寫I/O變量，并且能夠與其它的程序通訊。一個(gè)程序中的不同部分的執(zhí)行通過(guò)“任務(wù)”來(lái)控制。

　　“任務(wù)”被配置以后，可以控制一系列程序和/或功能塊周期性地執(zhí)行程序或由一個(gè)的特定的事件觸發(fā)開(kāi)始執(zhí)行程序。IEC程序或功能塊通常保持完全的待用狀態(tài)，只有當(dāng)是由一個(gè)特定的被配置的任務(wù)來(lái)周期性地執(zhí)行或由一個(gè)特定的變量狀態(tài)改變來(lái)觸發(fā)執(zhí)行的情況，IEC程序或功能塊才會(huì)執(zhí)行。

　　2． 功能塊和功能

　　功能塊概念是IEC 1131-3標(biāo)準(zhǔn)編程系統(tǒng)的一個(gè)重要的特征。任何功能塊可以用其它的更小的更易管理的功能塊來(lái)編程，這樣就可以由許多的功能塊創(chuàng)建一個(gè)有層次的結(jié)構(gòu)合理的程序。IEC 1131-3還允許程序設(shè)計(jì)人員利用現(xiàn)有的功能塊和其它的軟件元件生成新的功能塊。
　　
　　圖二：IEC軟件模型

　　功能也是IEC 1131-3標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)重要概念，但在軟件模型中未表現(xiàn)出來(lái)，它常常使人們與功能塊混淆。功能是一些在程序執(zhí)行過(guò)程中的軟件元件，這些軟件元件對(duì)一系列特定的輸入值會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出結(jié)果，如算術(shù)功能COS(),SIN()等。IEC 1131-3標(biāo)準(zhǔn)中有大量的用于處理不同數(shù)據(jù)類型的功能。

　　3． 變量和存取路徑

　　在配置、系統(tǒng)資源、程序、功能或功能塊內(nèi)，可以聲明和使用局部變量、全局變量、直接變量。局部變量是僅僅能在配置、資源、程序、功能或功能塊內(nèi)聲明和存取的變量；全局變量在一個(gè)程序（或配置）內(nèi)聲明，它能被程序（配置）內(nèi)的所有軟件元件存??；直接變量

　　是PLC程序的內(nèi)存區(qū)直接用地址變量來(lái)表示的變量。

　　存取路徑提供了在不同的配置之間交換數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備。每一配置內(nèi)的變量可被

　　其它遠(yuǎn)程配置存取。配置之間存取數(shù)據(jù)和信息可采用基于以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場(chǎng)總線或通過(guò)底板總線交換數(shù)據(jù)。

　　四、 軟件模型到實(shí)際系統(tǒng)的映射

　　IEC 軟件模型到實(shí)際系統(tǒng)的映射，針對(duì)不同的系統(tǒng)有如下的不同的映射關(guān)系：

　　1． 具有一個(gè)主處理器的小型系統(tǒng)：小型系統(tǒng)的模型典型地退化為一個(gè)配置、一個(gè)資源和一條程序。

　　2． 具有多處理器的較復(fù)雜系統(tǒng)：整個(gè)PLC被看作一個(gè)配置，每個(gè)處理器用一個(gè)資源描述，一個(gè)資源支持一條或多條程序。

　　3． 對(duì)于分散PLC 系統(tǒng)：分散PLC 系統(tǒng)將包含多個(gè)配置，一個(gè)配置對(duì)應(yīng)多個(gè)處理器，每個(gè)處理器用一個(gè)資源描述，一個(gè)資源支持一條或多條程序。

　　IEC 軟件模型可以充分地適應(yīng)于從簡(jiǎn)單到較復(fù)雜PLC系統(tǒng)，甚至是非常復(fù)雜的PLC系統(tǒng)，這就大大地?cái)U(kuò)展了傳統(tǒng)PLC的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域。

　　五、 IEC 軟件模型的優(yōu)點(diǎn)

　　IEC 軟件模型具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　 1．在一臺(tái)PLC中同時(shí)裝載、啟動(dòng)和執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立的程序：IEC 1131-3標(biāo)準(zhǔn)允許一個(gè)“配置”內(nèi)有多個(gè)“資源”，每個(gè)“資源”能夠支持多個(gè)程序，這使得在一臺(tái)PLC中可以同時(shí)裝載、啟動(dòng)和執(zhí)行多個(gè)獨(dú)立的程序，而傳統(tǒng)的PLC程序只能同時(shí)運(yùn)行一個(gè)程序。

　　2．實(shí)現(xiàn)對(duì)程序執(zhí)行的完全控制能力：IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的這種“任務(wù)”機(jī)制，保證了PLC系統(tǒng)對(duì)程序執(zhí)行的完全控制能力。傳統(tǒng)PLC程序只能順序掃描、執(zhí)行程序，對(duì)某一段程序不能按用戶的實(shí)際要求定時(shí)執(zhí)行，而IEC 1131-3 程序允許程序的不同部分在不同的時(shí)間、以不同的比率并行執(zhí)行，這大大地?cái)U(kuò)大了PLC的應(yīng)用范圍。

　　3．IEC軟件模型能夠適應(yīng)很廣范圍的不同的PLC結(jié)構(gòu)：IEC軟件模型是一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的軟件模型，它不是針對(duì)具體的PLC系統(tǒng)，而是具有很強(qiáng)的適用性。

　　 4. IEC軟件模型既能適合小型的PLC系統(tǒng)，也可適合較大的分散系統(tǒng)。

　　5. IEC軟件支持程序組織單元的重用特性：軟件的重用性是IEC軟件的重要優(yōu)點(diǎn)。

　　6. IEC軟件支持分層設(shè)計(jì):一個(gè)復(fù)雜的IEC軟件通?？梢酝ㄟ^(guò)一層層的分解，最終分解為可管理的程序單元。

　　六、通訊模型

　　根據(jù)不同的通訊要求，IEC 1131標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以下四種通訊模型：

　　1． 內(nèi)部通訊：在程序、功能塊和功能內(nèi)部之間可以互相連接以形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)信息可以通過(guò)這個(gè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

　　2． 局變量通訊：全局變量可以被用來(lái)在功能塊與其它的程序組織單元之間交換數(shù)據(jù)信息。

　　3． 外部變量通訊：IEC 1131的第五部分定義了一個(gè)通訊功能塊家族來(lái)通過(guò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)交換數(shù)據(jù)。

　　4． 使用存取路徑通訊：存取變量提供了一種方法用于從遠(yuǎn)程設(shè)備存取特定的變量。丁一在IEC 1131的第五部分的通訊功能塊還能讀寫遠(yuǎn)程配置中的ACCESS變量。

　　IEC 1131標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的這四種通訊模型，使得不但在IEC編程系統(tǒng)內(nèi)部的通訊靈活、便捷，而且還有效地支持了IEC編程系統(tǒng)的功能擴(kuò)展對(duì)通訊提出的要求，使得新一代編程系統(tǒng)可以更有效地適應(yīng)未來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線、遠(yuǎn)程通訊等新技術(shù)發(fā)展的要求。

　　七、公共元素

　　公共元素描述了IEC 1131-3五種編程語(yǔ)言、IEC 軟件模型及通訊模型中需用到的全部公共編程元素的變量和數(shù)據(jù)類型，給出了如何命名這些軟件元素、聲明變量、變量及數(shù)據(jù)類型的初始化等規(guī)則，是實(shí)現(xiàn)IEC 1131-3編程系統(tǒng)不可缺少的有機(jī)組成部分。

　　八、結(jié)論

　　IEC 1131-3軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大、設(shè)計(jì)思想和技術(shù)先進(jìn)并能很好地適應(yīng)未來(lái)發(fā)展的編程系統(tǒng)。