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1、SoftPLC技术及其在过程控制中的应用2006-9-13一、前言SoftPLC技术被称为用于PLC的软逻辑控制技术。SoftPLC系统采用纯软件的方式使得兼容PC的硬件能够完成实际PLC的逻辑控制工作。通常这意味着PC在运行的时候其自身已经成为一个专用的控制器，进而失去了大多数用户界面的功能。然而，有些SoftPLC使用一块带微处理器的功能模块置于PC总线之上的方式来完成PLC的逻辑控制功能，同时与宿主PC共享内存中的实时数据。此外，当系统正在运行操作员界面(OI)等程序时，其他一些SoftPLC利用一个实时环境使得宿主PC能够有部分时间去处理相应的控制逻辑。为了更好地描述和体现SoftPL
2、C技术的特点，本文将结合美国ICONICS公司开发研制的软逻辑控制组态软件ControlWorX32加以介绍，以供同仁参考。二、ControlWorX32组态软件ControlWorX32是美国ICONICS公司开放研制的GENESIS32系列工业控制组态软件之一，GENESIS32工业控制组态软件还包括GraphWorX32(用于图形化人机界面开发的组态软件)、TrendWorX32(用于实时和历史数据记录管理的组态软件)、AlarmWorX32(用于报警和事件记录管理的组态软件)，以及OPCToolWorX(专用于OPC设备驱动程序开发的工具软件包)等。ControlWorX32是一个完全
3、基于IEC1131-3标准的开放性控制系统应用程序组态软件，同时也是WindowsNT平台下的基于OPC技术规范连接的开放性控制系统容器。兼容于现有的工业标准，能够非常方便地满足建立、测试、调试PLC软逻辑控制程序和生产过程控制应用，为基于坚固WindowsNT的实时过程控制应用提供了广泛的连接特性。ControlWorX32图形化控制组态工具提供了全套符合IEC1131-3标准的程序设计语言。所要求设计的控制系统应用程序可以采用五种IEC1131-3标准程序设计语言的一种，或者任何几种语言的混合体。ControlWorX32提供了先进的IEC工程管理方式和开发工具包，也提供了一种坚固的运行程
4、序内核和一套完善的调试功能，有利于对控制应用程序进行离线测试。ControlWorX32采用了一个高性能多任务软逻辑和过程控制引擎，而且运行于WindowsNT平台之上，为过程控制应用程序提供了毫秒级的执行时间间隔。依靠OPC自动化技术规范，很容易集成到任何基于OPC连接的HMI/SCADA系统中去。另外，只要采用开放性通信技术标准，如Interbus-S、CAN、Profibus、DeviceNet、FF、HART等现场总线技术，也可以非常容易连接到各种现场总线设备和控制装置中去。如图1所示，该图展现了ControlWorX32的组成结构。三、IEC1131标准图1ControlWorX32
5、组成结构示意图十几年前，我们就已经听到可编程控制器(PLC)工业领域内有关标准化问题的争论。现在争论的焦点则倾向于通过开发和出版标准化的产品，以便能够在各个工业领域内得到交叉应用，正如IEC1131标准(即众所周知的IEC61131标准)的出现。当前，许多PLC和控制系统制造商均将其产品向标准化的方向发展。并且，相当多的工业用户也仍然面临着是否采用符合IEC1131标准化工业控制产品的选择。在1979年，国际电工委员会(IEC)内部的一个工作组已经完成了人们期待已久的可编程控制器(PLC)标准的制定，主要包括硬件设计、安装、测试、文档归类、程序设计和通信。工作组的目的是为可编程控制器(PLC)
6、的程序设计建立一套一致的编程方式，鼓励人们采用快速的软件开发方式。这种努力的结果使得开发商、最终用户和生产制造者有一个可以共同依赖的标准，也就是IEC1131标准。IEC1131标准为现有的现场自动化控制系统制定了标准化的多程序设计语言，固定的指令集和不同的编程概念。常规PLC在应用过程中的最大障碍在于不同的PLC工作平台与不同的PLC生产制造商之间存在着互相兼容性问题，其结果将会导致工业用户在硬件和软件上造成极大的投资浪费。IEC1131标准为所有的PLC程序开发定义了标准化的程序设计语言，规范了PLC与程序设计系统之间的接口，不同的工程项目具有相同的程序设计方法和指令集，相同的操作和数据处
7、理，以及程序设计结构。采用IEC1131标准进行PLC和程序设计系统开发的最大优点在于所有的操作平台使用同样的编程概念，大大降低了自动化控制系统的费用投入和开发时间周期。IEC1131标准主要包含以下五个方面的内容：第一部分：所描述的为一般信息，主要针对可编程控制器(PLC)及其相关联的外围设备的应用和选择提供一般性的描述，包括对标准条款的定义，相关特征的识别等，即IEC1131-1标准。第二部分：设备与测试需求，主要针对可编程控制器(PLC)及其相关联的外围设备提供设备和测试需求，包括对功能特征、服务条件、特征解释、一般性安全信息以及可应用测试的最小要求等，即IEC1131-2标准。第三部分
8、：可编程控制器(PLC)程序设计语言，主要针对可编程控制器(PLC)指定一套统一的程序设计语言的语法和语义，即IEC1131-3标准。第四部分：用户在线指导，为可编程控制器(PLC)工业用户在开发一个自动化工程项目时提供更好的开发建议和帮助，对系统分析从单元选择到整体维护提供非常有益的注释，即IEC1131-4标准。第五部分：通信，主要包含来自于不同生产制造商的可编程控制器(PLC)之间的通信，同样也包括其他使用制造业信息技术规范(MMS)的非可编程控制器(PLC)设备与可编程控制器(PLC)之间的通信，即IEC1131-5标准。IEC1131标准的前两部分内容在于规定了相应的技术规范，第三部
9、分主要确定了标准化的五种程序设计语言。IEC1131-3标准还增加了如下内容的修改：.变量的声明类似于其他高级程序设计语言中的变量声明；.数据类型的声明成为可能；.可以进一步区分全局数据变量和局部数据变量；.程序设计全部采用助记符形式进行开发。四、ControlWorX32组态软件技术特点ControlWorX32组态软件包含开发和运行两部分。系统开发部分可以运行于Windows95/98或者WindowsNT平台之上；而运行环境只能置于WindowsNT平台之上。如图2所示的开发环境人机界面。与大多数基于IEC1131-3标准的SoftPLC(软逻辑控制)技术组态软件一样，ControlWo
10、rX32同样具有如下特点：1广泛的OPC连接特性依靠通用的OPC连接工业技术标准，OPC客户应用程序可以连接到任何OPC服务器应用程序上，连接到DCS系统、PLC系统、I/O系统，以及标准现场总线网络系统等。OPC服务器驱动程序可以来自于ICONICS公司，或者是其他第三方驱动程序软件生产开发商提供的。所提供的OPC服务器设备驱动程序可以连接到Interbus-S、CAN、Profibus、DeviceNet、FF、HART等现场总线设备上。2支持五种IEC1131-3标准程序设计语言.SFC-顺序功能图表；.LD梯形逻辑图表；.ST结构化文本语言；.IL指令表；.FBD-功能模块图表；3丰富
11、的指令集.IEC1131-3标准程序设计语言的所有指令；.数字与算法函数；.位移动操作函数；.数据类型转换函数；.PID控制算法功能模块、定时器、计数器等；4实时多任务运行.周期性任务(固定时间间隔)；图2ControlWorX32组态环境人机界面.事件任务(中断)；.缺省任务(周期性循环)；5支持的数据类型.任何位操作类型：BOOL(1)、BYTE(8)、WORD(16)、DWORD(32)；.任何数字操作类型：SINT(8)、INT(16)、DINT(32)、REAL(32)；6相关技术数据.速度：0.5ms/1000位操作(NT环境)；.程序存储容量：可设置到大约30000行IL(指令表
12、)；.I/O数量：可组态成64KB输入和64KB输出；.内存总量：64KB可设置；.数据模块总线：可设置；.定时器和计数器总线：无限，或者只限于内存容量；.PLC任务总数：32PLC任务；7附加特性.模块化程序管理机制；.当软逻辑控制任务执行时，在线修改程序；.全统计诊断功能；.基于OPC连接技术规范的全球性通用I/O接口，便于控制组态；.全文档和硬件实时驱动程序开发工具包；五、ControlWorX32组态软件的程序设计语言ControlWorX32组态软件所依赖的IEC1131-3标准为可编程控制器(PLC)定义了五种程序设计语言。即两种文本化程序设计语言(IL：指令列表与ST：结构化文本
13、)和两种图形化程序设计语言(FBD：功能模块图表与LD：梯形图表)，以及一种组织化程序设计语言(SFC：顺序功能图表)。IL(指令列表)由一系列在每一行提供一条操作指令的顺序指令表组成，这些顺序指令大多数与微处理器的宏汇编程序设计语言的指令相兼容。这是一种可修改的程序设计方式，但对于没有程序设计经验的工业用户来讲，这种程序设计方式已经被证实是非常麻烦和旷日持久的。对于构建复杂的应用来讲，事实上IL(指令列表)能够为此提供强大的基本功能。然而，在一个小型临界状态运行的应用程序中，优化代码是极为重要的。图3是一个采用IL(指令列表)编程的例子，变量RUN_TIMER被定义成TON类型。最后一行定义
14、的采样周期为1秒，变量run_pluse将被置位，有效输出位将使得电机发生旋转。图3采用IL(指令列表)编程代码的例子ST(结构化文本)是一种类似于Pascal的高级程序设计语言。如果符号地址被使用，ST(结构化文本)程序类似于句子，这种编程方式非常有利于新手的学习。对于复杂的数学计算任务和控制算法ST(结构化文本)是一种极好的程序设计语言。ST(结构化文本)程序设计语言使用起来非常简单，而且不同于具有冗长代码的LD(梯形图表)或者FBD(功能模块图表)。图4是一个采用ST(结构化文本)程序设计语言编写的部分代码的例子。变量TIMER被定义作为TON类型，采用一个1秒钟的定时器进行初始化。当所
15、定时的时间到达后，则脉冲变量将会置位。然后，脉冲变量使得变量计数器增加，因而设置输出变量输出1时为真。这种循环将继续进行下去，直到所有输出变量被重新设置。图4采用ST(结构化文本)编程代码的例子FBD(功能模块图表)程序设计语言允许工业用户采用图形化功能模块以组态的方式开发应用程序，这些功能模块可以从IEC标准功能模块库中提取。在分散型控制系统中，控制工程师采用FBD(功能模块图表)进行控制系统的组态将会更加得心应手。图5是一个采用FBD(功能模块图表)程序设计语言编程的例子。变量Start将会启动电机的运行。AND功能模块将传送电源到第一个定时器模块TON。经过1000ms以后，输出变量O1将置位，同时第二个
