IEC61131-3編程語言的現狀與發展

王明武，張士勇，陳應舒

WANG Ming-wu, ZHANG Shi-yong, CHEN Ying-shu

（陜西理工學院 機械工程學院，漢中 723003）

0 引言

IEC61131-3是 IEC61131國際標準的第三部分，是第一個為工業自動化控制系統的軟件設計提供標準化編程語言的國際標準。該標準將現代軟件的概念和現代軟件工程的機制與傳統的PLC編程語言成功地結合，又對各種工業控制系統的編程語言、軟件設計的概念和軟件模型等進行了標準化，適應了當今世界軟件、工業控制系統的發展方向，是一種非常先進的設計技術，彌補或克服了傳統PLC，DCS等控制系統的弱點。

1 IEC61131-3標準的產生和特點

1.1 產生原因

傳統的PLC編程語言和系統的局限性體現在以下幾個方面：1）對制造商的依賴性：不同PLC 產品的梯形圖符號和編程變化很大，移植性較差。2）數據封裝能力有限：很難將復雜的程序分解為幾個簡單的子程序。3）程序的可重用性較差。4）不支持數據結構。5）僅支持有限的對順序操作功能的編程。6）程序執行有一定的局限性：程序滿足不了實時性或多任務的控制系統要求。7）執行算術操作的局限性較大。

1.2 IEC61131-3 標準的特點

IEC61131-3和傳統PLC編程系統相比，它在以下幾方面有著突出的特點：1）良好的結構化編程環境：支持進行“自上而下” 或“自下而上”的程序編程。2）極強的數據類型檢測功能。3）支持全面的程序執行控制功能：所有任務的掃描方式和速度不一定相同，從而滿足靈活的程序執行控制的需要。4）極強的復雜順序控制功能。5）支持數據結構。6）可靈活地選擇編程語言。7）獨立于制造商的編程系統：提供了獨立于制造商標準的編程語言和程序執行方法。

2 IEC61131標準的主要內容

IEC61131-3 將標準分為兩個部分：公共元素和編程語言。公共元素部分規范了數據類型、變量的定義，給出了軟件模型、通信模型、程序組織單元，以及順序功能圖等。 IEC61131-3標準規定了兩大類編程語言，即文本化編程語言和圖形化編程語言。前者包括指令表和結構文本，后者則有梯形圖，功能塊圖。

2.1 軟件模型

IEC61131-3軟件模型允許將面向實際的應用結構分成各種單元，具體的軟件模型如圖1所示。圖中列出了基本的編程語言元素及其相互關系，包括程序和功能塊，以及支持將PLC程序裝入PLC系統的配置元素，如配置，資源、任務、全局變量和存取路徑等。這種分級調用結構，構成了該標準優越于傳統的控制軟件的理論基礎。IEC61131-3使用配置將PLC系統的所有資源結集成組，并給它們提供數據交換的手段；資源是將任務分配給一個PLC系統的物理資源；任務的目的在于規定程序及其功能塊的運行期特性，從而控制一系列程序或功能塊周期性地執行程序或由一個的特定的事件觸發開始執行程序。程序中的不同部分的執行通過 “任務” 來控制。在配置、系統資源、程序、功能或功能塊內，可以聲明和使用局部變量、全局變量、直接變量。存取路徑提供了不同配置之間交換數據和信息的設備，每一配置內的變量可被其他遠程配置存取，配置之間存取數據和信息可通過網絡交換數據。

圖1 IEC61131-3 軟件模型

2.2 IEC61131通訊模型

IEC 61131標準規定了以下五種通訊模型：程序內部通訊、全局變量通訊、調用參數通訊、存取路徑通訊以及通信功能塊通訊等。 前三種模式用于一個配置內的通信，通過內部變量和全局變量的建立可以在一個配置內的程序、功能塊和功能之間相互連接形成一個網絡，數據信息可以通過這個內部的網絡進行通訊。存取路徑通訊模式用于各個配置之間的數據交換，它可用于配置和程序層，供了一種方法用于從遠程設備存取特定的變量。IEC 61131-5 部分還定義了一個通訊功能塊模式，通訊塊是用于從發送方向接收方傳送數據包的專用功能塊。IEC61131 標準規定的這些通訊模型，不但使得在 IEC編程系統內部的通訊靈活、便捷，而且還有效地支持了IEC編程系統的功能擴展對通訊提出的要求。

3 IEC 61499標準

由于工業通信技術的飛速發展，特別是現場總線和以太網在工業中的實際應用，給工業自動化的體系結構帶來了巨大影響。由于IEC61131-3只給出了單一的集中 PLC 系統的配置機制，為了適應分布式結構的軟件要求，PLCOpen 組織對IEC61131-3 進行了適當的擴展，制訂了IEC 61499《工業過程測量和控制系統用功能塊》標準，目的在于對IEC61131-3進行適當的擴展。

圖2 IEC 61499 系統模型

依照IEC61499構建的系統從上到下層次結構為系統、設備、資源和功能塊，其系統模型如圖2所示，包括與被控過程的接口、與通信網絡的接口，以及隱含的分布式應用程序。一個實際的控制過程可以分布于幾個設備，一個設備可以配置幾個程序，程序部件通過通信網絡互連交換信息而形成分布式系統。功能塊是系統軟件封裝和重用的基本單元，這些功能塊的控制算法依然用IEC61131-3語言來編程。資源是功能塊的容器，設備包含單條或多條資源。

4 應用實例——電梯控制系統

在一個IEC 61131-3系統中，應針對具體的實際應用情況來選擇最方便和最合適的編程語言進行編程，充分利用編程系統軟件的可重用性、可分層性的特點等編寫出質量優良的程序。一般來說，編寫涉及到多邏輯控制、開關量的應用選擇梯形圖作為開發語言較合適；對于涉及到多算法的應用，選擇結構化文本程序較合適；而對于具有較復雜的順序邏輯要求的場合，選擇順序功能流程圖開發較合適等。

PowerPro軟件平臺基于Windows環境，采用符合IEC61131-3國際標準的編程軟件編寫應用程序，具有五種編程語言并且可以相互轉化，支持用戶自定義函數功能庫，大大提高了程序的可重用性，并且具有離線仿真功能，使用戶能在程序試運行之前測試邏輯的正確與否極大地方便了程序的調試。筆者利用該軟件平臺實現了電梯控制系統的設計和仿真。

首先，在軟件平臺中需確定系統的配置、資源和任務屬性，然后把每一個程序與任務關聯。本系統任務名是LiftControl，根據電梯需要實現的功能及先后動作順序把Logic、Simulation和Sequence程序與任務關聯起來，以 50ms 固定的時間間隔，執行各個程序。其次，根據控制的要求和編程的需要，選擇合適的語言編寫各個程序組織單元。Logic程序使用梯形圖編程，完成樓層狀態的判斷；Sequence程序采用順序功能圖編程，采用多個跳步轉移的狀態流程圖模擬電梯運行的方案，狀態之間的轉移條件則用結構文本編程，該程序完成電梯的呼叫及動作等功能；Simulation程序則用結構化文本進行編程，完成電梯及轎門的位置判斷及動作。Sequence程序編程窗口如圖3所示。

圖3 電梯控制程序

最后，利用視圖環境，繪制組態了電梯控制系統的仿真界面，程序名稱為Lift_simulation，仿真結果如圖4所示。按鈕黃色代表層呼叫按鈕按下，紅色代表沒有按下，左側的豎條代表電梯的當前位置。當電梯停層，轎廂會進行模擬打開。

圖4 電梯控制仿真運行

5 結論

IEC 61131-3標準是一個功能強大、設計思想和技術先進的編程系統，該標準并不局限于PLC市場，還適用于運動控制、集散控制系統和現場總線系統等。本文在基于IEC61131-3 標準的PowerPro軟件平臺上模擬實現了四層電梯的控制系統，較好地仿真了電梯的實際運行過程。通過實踐證明，選用IEC61131-3語言進行控制系統編程，可以根據實際需要靈活地選擇相應地編程語言，具有程序可靠性和移植性等特點，軟件開發效率都將得到大大的提高。

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