和利時IEC 61131-3編程軟件平臺

北京和利時系統工程有限公司　張海偉

和利時IEC 61131-3編程軟件平臺

北京和利時系統工程有限公司張海偉

1　和利時IEC 61131-3編程軟件平臺簡介

IEC 61131-3是旨在規范可編程控制器（Programmable Controller，簡稱PLC）編程語言的國際標準，經過十多年的發展和完善，已被廣大PLC使用者和生產廠商所認可和支持。和利時自主化的可編程軟件平臺從設計之初就遵循IEC 61131-3標準，是和利時各種可編程控制器統一的軟件解決方案。

目前和利時自主化的IEC 61131-3編程軟件平臺已經成功應用于以下產品：和利時自主的小型與大型可編程控制器、運動控制器等。這些產品已經應用在核電、火電、化工、軌道交通、煤礦、運動控制等業務領域。

和利時在總結多年應用經驗和國內外產品的主要特點后，從2005年開始進行自主開發，推出了IEC 61131-3編程軟件平臺AutoThink。和利時IEC 61131-3編程軟件平臺AutoThink具有自主知識產權，遵循IEC61131-3標準。

2　和利時IEC 61131-3編程軟件平臺主要特點

圖1為和利時自主化的IEC 61131-3編程軟件平臺主界面圖，同其他的集成開發環境相類似，左邊是工程管理樹，用戶可以通過工程管理樹管理整個用戶工程；中間是用戶邏輯、數據和設備組態區域；右邊是基本函數、功能塊算法以及支持的設備庫，最下方是信息輸出窗口。

圖1　IEC 61131-3編程軟件平臺集成開發環境的主界面圖

本部分從程序邏輯組態方式、設備組態方式、程序調試方式、程序的編譯執行方式、用戶知識成果保護方式、運動控制功能支持等主要方面介紹和利時IEC 61131-3編程軟件平臺主要特點。

2.1程序邏輯組態方式

（1）任務的調度機制

? 多任務：包括周期觸發、事件觸發和自由運行類型任務。

? 優先級：高優先級搶占低優先級任務，同一優先級時間片輪轉調度。

（2）多種編程語言的支持

支持IEC61131-3描述的5種編程語言中的4種：

? 梯形圖LD；

? 功能塊圖FBD；

? 結構化文本ST；

? 順序功能圖SFC。

（3）數據的組織方式

采用結構化的數據組織形式，支持用戶自定義數據結構。

采用表格化的定義和使用變量的方式，如圖2所示，用戶不必記復雜語法規則。

圖2　表格化的定義和使用變量的方式

2.2設備組態方式

（1）圖形化組態

采用圖形化的設備組態方式，與現場設備實際部署完全對應。圖3是支持八軸運動控制器MC1008以及擴展I/O模塊所組成的硬件部署圖。

（2）支持多種通用現場總線

支持多種通用的現場總線，比如EtherCAT、RTEX、PROFIBUS DP、POWERLINK、Modbus RTU和Modbus TCP等總線協議。

圖3　八軸運動控制器MC1008以及擴展I/O模塊所組成的硬件部署圖

2.3程序調試方式

AutoThink為程序設計人員提供如下調試功能：

? PC機上軟件邏輯仿真；

? 運行時變量的讀和寫操作；

? 運行時支持所有變量的強制；

? 斷點調試；

? 軟件示波器。

2.4編譯型的執行方式

（1）采用編譯型的執行方式

編譯器將用戶的邏輯直接編譯成為可執行的二進制代碼，PLC運行系統直接調度可執行的PLC編程軟件下裝的二進制代碼，具有更高的執行效率。

（2）支持主流的處理器架構

支持主流的處理器架構，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用戶知識成果保護方式

通過以下方式保護用戶知識成果：

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

? 用戶二進制邏輯不能上載；

? 支持二進制簽名：編譯出來的一套可執行代碼僅可以運行在某一臺機器或者某幾臺機器；

? 支持PLC登錄時密碼確認；

? 支持用戶程序加密，包括用戶整個工程的加密和單個POU的加密。

2.6運動控制功能

在運動控制方面，支持如下功能：

? 伺服控制中的位置開環控制、位置閉環控制和力矩控制；

? 單軸定位運動；

? 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；

? 運動疊加；

? 多種機器設備找原點方式；

? 基于硬件的到位輸出信號；

? 基于硬件的信號沿對應的位置捕捉。

2.7其他通用功能

? 數據掉電保持

掉電保持有以下方式：掉電的瞬間將待保護的數據寫到掉電保持區；周期地將待保護的數據寫到掉電保持區。

? 冗余

在可靠性要求較高的場合，支持控制器冗余。

? 不停機在線修改邏輯

用戶可以在線修改工程中的任務配置、硬件部署、變量、程序邏輯，對于沒有變化的部分，對現場都是無擾動的。

? 參數回讀

用戶在整定一些與現場相關的參數（如PID類參數）時，整定好之后，可以一鍵將這個值寫到離線工程中作為該參數的初始值。

3　和利時IEC 61131-3編程軟件平臺系統架構

3.1 可編程控制系統架構

AutoThink是工業控制程序的集成開發環境，工業控制程序設計人員通過它實現符合現場控制要求的程序；RTS是運行在硬件中的可編程控制器運行系統。可編程控制器在控制系統中，需要監控現場的IO設備、同數據采集與監控軟件SCADA類系統進行數據交互以及與其他智能設備進行數據交互。

AutoThink和RTS在工業控制系統中位置如圖4所示：

圖4　控制系統結構框圖

AutoThink通過提供“AutoThink服務提供層”允許其他應用程序對其進行操控，完成對用戶工程的操作等功能；通過“RTS服務適配層”與PLC運行系統RTS進行信息交互，完成用戶程序的下裝、監控、調試等功能。

RTS通過提供“RTS服務提供層”與其他產品如SCADA、AutoThink或者其他PLC進行信息交互，由于遵循標準的通訊協議，互聯互通性好。RTS通過現場總線協議棧，實現與現場I/O設備的信息交互。為了實現與多種I/O設備的通訊，可編程控制系統支持通用的現場總線協議，如PROFIBUS DP、POWERLINK、EtherCAT等。

可編程控制器硬件之上的操作系統層通過“硬件適配層”將硬件實現細節隱藏，對于不同的硬件系統，我們僅需要修改“硬件適配層”即可；運行于硬件之上的操作系統可能會不同，比如我們可采用的操作系統FreeRTOS、VxWorks、Linux + 實時補丁等。運行于操作系統之上的RTS通過“操作系統適配層”來隱藏不同操作系統的具體實現細節，更換操作系統僅僅需要修改“操作系統適配層”即可。

3.2AutoThink層次化模塊化設計

和利時IEC 61131-3編程軟件AutoThink軟件結構設計上分為三層：最上層是界面顯示層，用戶可以根據自己的需要來配置顯示界面；第二層是邏輯結構層，該層抽象出了用戶界面無關的邏輯數據結構；第三層是通訊服務層，在這一層會處理多種服務，提供不同的服務處理程序，如以太網通訊、串口通訊等。如圖5所示：

圖5　AutoThink層次化模塊化結構圖

（1）顯示層

顯示層或者說是界面層，包括了AutoThink的框架、控制語言視圖、硬件配置視圖、變量視圖以及各種與顯示相關的配置功能等。不同的可編程控制器產品，通過顯示選項的配置，可以有不同風格的界面展示。

（2）邏輯結構層

邏輯結構層包含了組態軟件核心組件，包括控制語言、硬件配置、數據組態、資源鏈接等。

（3）通訊服務層

目前包括串口以及以太網口的通訊驅動及服務處理，都是AutoThink與目標機交互的通道，為邏輯結構層提供服務接口。

4　和利時IEC 61131-3編程軟件平臺的典型應用

作為各種可編程控制器的統一軟件解決方案，和利時自主化的IEC 61131-3編程軟件平臺，已經成功應用于以下主要工業控制領域。

（1）數字化火電廠

在高端大型火電站全廠一體化控制系統中，和利時產品可全面替代進口。例如，福建鴻山1000MW超超臨界燃煤發電機組——目前中國按現場總線技術設計、控制規模最大的百萬機組項目。提供DCS、DEH、MEH和FMEH一體化現場總線控制，在DCS現場設備層全面采用現場總線技術，現場總線控制數量達3626臺，DCS控制點數達13058點。

（2）數字化核電廠

目前業績遍及中國所有核電站并成功出口巴基斯坦。

（3）裝備自動化

在裝備自動化中，已經成為哈汽、上汽、東汽、北重、武汽、南汽、青汽、杭汽等大型裝備控制系統的供應商。

（4）化工自動化

和利時已經成為全球最大的化工公司德國某化工公司控制系統的供應商。

（5）小型機器設備自動化

多軸聯動的運動控制器應用：多線切割機。該切割機主要用于硬脆材料的切割，如磁性材料、壓電材料、藍寶石等。

5　總結

和利時IEC 61131-3編程軟件平臺AutoThink具有完全自主知識產權，遵循IEC 61131-3標準，具有豐富的功能，具有較好的模塊化和層次化系統結構，具有較好的可擴展性，已經廣泛應用于工業控制中。

今后，和利時IEC 61131-3編程軟件平臺需要根據行業的發展和應用經驗的積累不斷完善，不斷提高標準的符合度，致力于成為通用性好、功能完備且易用性好的集成開發環境。