工控編程語言IEC 61131-3的現(xiàn)狀和發(fā)展
| 摘要: IEC 61131-3是可編程序控制器的編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，它將現(xiàn)代軟件的概念和現(xiàn)代軟件工程的機制與傳統(tǒng)的PLC編程語言成功地結(jié)合，使它在工業(yè)控制領(lǐng)域的影響越出PLC的界限，成為DCS、PC控制、運動控制,以及SCADA的編程系統(tǒng)事實上的標(biāo)準(zhǔn)。本文綜述了該標(biāo)準(zhǔn)成功的原因，它的優(yōu)勢和不足，目前和今后的發(fā)展，以及推廣應(yīng)用的活動。 關(guān)鍵詞： 編程語言，工業(yè)控制, PLC，DCS, IEC 61131,IEC 61499, 功能塊, 分布式控制 1993年國際電工委員會（IEC）正式頒布了可編程控制器的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 1131（以后改稱IEC 61131），其中的第三部分關(guān)于編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了可編程控制器的編程語言及其基本元素。這一標(biāo)準(zhǔn)為可編程控制器軟件技術(shù)的發(fā)展，乃至整個工業(yè)控制軟件技術(shù)的發(fā)展，起了舉足輕重的推動作用。它是全世界控制工業(yè)第一次制定的有關(guān)數(shù)字控制軟件技術(shù)的編程語言標(biāo)準(zhǔn)。此前，國際上沒有出現(xiàn)過有實際意義的，為制定通用的控制語言而開展的標(biāo)準(zhǔn)化活動。這顯然是注意到由于DCS（分散控制系統(tǒng)）等以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的控制裝置在發(fā)展進程中過于專有化，給用戶帶來的大量不便?？梢哉f，沒有編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化便沒有今天PLC走向開放式系統(tǒng)的堅實基礎(chǔ)。 國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131概況 1992年以后，可編程序控制器國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131的各個部分陸續(xù)頒布施行。已正式頒布的有： IEC 61131-1 通用信息 （1992） IEC 61131-2 裝置要求與測試 （1992） IEC 61131-3 編程語言 （1993） IEC 61131-4 用戶導(dǎo)則 （1995） IEC 61131-5 通信服務(wù)規(guī)范 （2000） IEC 61131-7 模糊控制編程軟件工具實施 （2000） IEC 61131-8 IEC 61131-3語言實現(xiàn)導(dǎo)則 （2001） 2000年8月由PLCopen組織向IEC提出增加IEC 61131-X 功能安全性,這主要是依據(jù)《IEC 61508與安全有關(guān)的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)的功能安全性》，結(jié)合PLC的具體情況提出。目前尚處在草案階段。 中國的工業(yè)過程測量和控制標(biāo)準(zhǔn)化委員會按與IEC國際標(biāo)準(zhǔn)等效的原則，組織翻譯出版工作。于1995年12月29日以GB/T15969.1,15969.2,15969.3,15969.4 頒布了PLC的國家標(biāo)準(zhǔn)。 該標(biāo)準(zhǔn)只涉及IEC 61131的第一、第二、第三和第四部分，沒有納入1995年以后出版的第五部分通信服務(wù)規(guī)范 ，第七部分模糊控制編程軟件工具，第八部分IEC 61131-3語言的實現(xiàn)導(dǎo)則。目前正在啟動該標(biāo)準(zhǔn)的修訂和補充工作，為第二版的正式頒布進行準(zhǔn)備。傳統(tǒng)的梯形圖編程語言的嚴(yán)重不足傳統(tǒng)的PLC最常用的編程語言是梯形圖。它雖然遵從了廣大電氣自動化人員的專業(yè)習(xí)慣，易學(xué)易用，但是也存在許多難以克服的缺點：[1,2] ☆不同廠商的PLC產(chǎn)品其梯形圖的符號和編程規(guī)則均不一致。程序的可移植性差。 ☆程序可復(fù)用性差。為了減少重復(fù)勞動，現(xiàn)代軟件編程特別強調(diào)程序的可重復(fù)使用。傳統(tǒng)的梯形圖編程很難在調(diào)用子程序時通過變量賦值實現(xiàn)相同的邏輯算法和策略的反復(fù)使用。 ☆缺乏足夠的程序封裝能力。一般要求將一個復(fù)雜的程序分解為若干個不同功能的程序模塊?；蛘哒f，人們在編程時希望用不同的功能模塊組合成一個復(fù)雜的程序，梯形圖編程難以實現(xiàn)個程序模塊之間具有清晰接口的模塊化，也難以對外部隱藏程序模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)從而實現(xiàn)程序模塊的封裝。 ☆不支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。梯形圖編程不支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，無法實現(xiàn)將數(shù)據(jù)組織成如Pascal、C語言等高級語言中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)那樣的數(shù)據(jù)類型。對于一些復(fù)雜應(yīng)用的編程，它幾乎無能為力。 ☆程序執(zhí)行具有局限性。由于傳統(tǒng)PLC按掃描方式組織程序的執(zhí)行，因此整個程序的指令代碼完全按順序逐條執(zhí)行。對于要求即時響應(yīng)的程序應(yīng)用（如執(zhí)行事件驅(qū)動的程序模塊），具有很大的局限性。 ☆進行順序控制功能編程時，一般只能為每一個順控狀態(tài)定義一個狀態(tài)位，難以實現(xiàn)選擇或并行等復(fù)雜順控操作。 ☆傳統(tǒng)的梯形圖編程在算術(shù)運算處理、字符串或文字處理等方面均不能提供強有力支持。在IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中就面臨著在突破舊有的編程語言的不足的同時，又要繼承其合理和有效的部分。解決好這個問題，會大大地推動PLC編程工具的發(fā)展，推動PLC的開放性。 兼容并蓄是IEC 61131-3成功的基礎(chǔ)[3] IEC 61131-3的制定，集中了美國、加拿大、歐洲（主要是德國、法國）以及日本等7家國際性工業(yè)控制企業(yè)的專家和學(xué)者的智慧，以及數(shù)十年在工控方面的經(jīng)驗。在制定這一編程語言標(biāo)準(zhǔn)的過程中，PLC正處在其發(fā)展和推廣應(yīng)用的鼎盛時期。主要是在北美和日本，普遍運用梯形圖（LD）語言編程；在歐洲，則使用功能塊圖（FBD）和順序功能圖（SFC）；德國和日本，又常常采用指令表（IL）對PLC進行編程。為了擴展PLC的功能，特別是加強它的數(shù)據(jù)處理、文字處理，以及通信功能的能力，許多PLC還允許使用高級語言（如BASIC語言、C語言）。因此，制定這一標(biāo)準(zhǔn)的首要任務(wù)就是把現(xiàn)代軟件的概念和現(xiàn)代軟件工程的機制應(yīng)用于傳統(tǒng)的PLC編程語言。IEC 61133-3規(guī)定了二大類編程語言：文本化編程語言和圖形化編程語言。前者包括指令清單語言（IL）和結(jié)構(gòu)化文本語言（ST），后者包括梯形圖語言（LD）和功能塊圖語言（FBD）。至于順序功能圖（SFC），標(biāo)準(zhǔn)不把它單獨列入編程語言的一種，而是將它在公用元素中予以規(guī)范。這就是說，不論在文本化語言中，或者在圖形化語言中，都可以運用SFC的概念、句法和語法。于是，在我們現(xiàn)在所使用的編程語言中，可以在梯形圖語言中使用SFC，也可以在指令清單語言中使用SFC。 IEC 61131-3允許在同一個PLC中使用多種編程語言，允許程序開發(fā)人員對每一個特定的任務(wù)選擇最合適的編程語言，還允許在同一個控制程序中其不同的軟件模塊用不同的編程語言編制。這一規(guī)定妥善繼承了PLC發(fā)展歷史中形成的編程語言多樣化的現(xiàn)實，又為PLC軟件技術(shù)的進一步發(fā)展提供了足夠的空間。 自IEC 61131-3正式公布后，它獲得了廣泛的接受和支持: (1)國際上各大PLC廠商都宣布其產(chǎn)品符合該標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范（盡管這些公司的軟件工具距離標(biāo)準(zhǔn)的IEC 61131-3語言尚有一定距離），在推出其編程軟件新產(chǎn)品時，遵循該標(biāo)準(zhǔn)的各種規(guī)定。 (2)許多稍后推出的DCS產(chǎn)品，或者DCS的更新?lián)Q代產(chǎn)品，也遵照IEC 61131-3的規(guī)范，提供DCS的編程語言，而不像以前每個DCS廠商都搞自己的一套。 (3)以PC為基礎(chǔ)的控制作為一種新興控制技術(shù)正在迅速發(fā)展，大多數(shù)PC控制的軟件開發(fā)商都按照IEC 61131-3的編程語言標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范其軟件產(chǎn)品的特性。 (4)正因為有了IEC 61131-3，才真正出現(xiàn)了一種開放式的可編程控制器的編程軟件包，它不具體地依賴于特定的PLC硬件產(chǎn)品，這就為PLC的程序在不同機型之間的移植提供了可能。 總部設(shè)在荷蘭的國際性組織PLC open在推廣該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用并開發(fā)相關(guān)的軟件產(chǎn)品，以及謀求該標(biāo)準(zhǔn)的進一步發(fā)展進行了不懈的努力，獲得了廣泛的響應(yīng)和優(yōu)秀的成績。以上這些事實有力地說明了這個編程語言標(biāo)準(zhǔn)的生命力。 IEC軟件模型是面向未來的開放系統(tǒng)[4][5][6] 程序
可以看出，IEC軟件模型在傳統(tǒng)PLC的軟件模型的基礎(chǔ)上增加了許多內(nèi)容：
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