工控編程語言國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61131-3 及其影響
IEC61131-3是當(dāng)今世界第一個(gè)為工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)化編程語言 的國際標(biāo)準(zhǔn)。此前，國際上沒有出現(xiàn)過有實(shí)際意義、為制定通用的控制語言而開展的標(biāo)準(zhǔn)化 活動(dòng)。這顯然是注意到由于 DCS等以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的控制裝置在發(fā)展進(jìn)程中過于專有化，給用戶帶來的大量不便。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)將現(xiàn)代軟件的概念和現(xiàn)代軟件工程的機(jī)制與傳統(tǒng)的PLC編程語言成功地結(jié)合，又對當(dāng)代種類繁多的工業(yè)控制器中的編程概念及語言進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。它為可編程控制器軟件技術(shù)的發(fā)展，乃至整個(gè)工業(yè)控制軟件技術(shù)的發(fā)展，起著舉足輕重的推動(dòng)作用?？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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。為了使標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定適用于廣泛的應(yīng)用范圍，又能為 PLC制造廠商所接受和支持，IEC61131-3規(guī)定了二大類編程語言即文本化編程語言和圖形化編程語言。前者包括指令清單語 言（IL）和結(jié)構(gòu)化文本語言（ST）；后者則有梯形圖語言（LD）和功能塊圖語言（FBD）。在 標(biāo)準(zhǔn)的文本中沒有把順序功能圖（SFC）單獨(dú)列入編程語言，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(yùn)用 SFC的概念、句法 和語法。但習(xí)慣上也把它叫做另一種編程語言。
這五種編程語言都是依據(jù)工業(yè)控制的基本元器件及由其構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)或電路，采用某種在計(jì)算機(jī)上仿真它們的工作原理和功能而形成的。梯形圖（LD）語言是將并行動(dòng)作的機(jī)電元件（諸如繼電器觸點(diǎn)和線圈、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等）網(wǎng)絡(luò)加以模型化。功能塊圖（FBD）語言 則是將并行動(dòng)作的電子元件（諸如加法器、乘法器、移位寄存器、邏輯運(yùn)算門等）的網(wǎng)絡(luò)予以模型化。而結(jié)構(gòu)化文本（ST）語言將典型的信息處理任務(wù)（如在通用的高級語言 Pascal 中的使用數(shù)值算法）予以模型化。指令表（IL）語言卻是將匯編語言中控制系統(tǒng)的低層編程 予以模型化。順序功能圖（SFCs）將時(shí)間驅(qū)動(dòng)和事件驅(qū)動(dòng)的順序控制設(shè)備和算法模型化。 值得注意的是，IEC 61131-3 允許在同一個(gè) PLC中使用多種編程語言，允許程序開發(fā)人員對每一個(gè)特定的任務(wù)選擇最合適的編程語言，還允許在同一個(gè)控制程序中其不同的程序模 塊用不同的編程語言編制。這些規(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(shí)，又為 PLC軟件技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了足夠的空間。
IEC 61131-3 對工控市場的影響
自 IEC 61131-3 正式公布后，經(jīng)過十來年年的推廣應(yīng)用和不斷完善，它獲得了廣泛的接 受和支持，在工業(yè)控制領(lǐng)域中產(chǎn)生了重要的影響，被全球越來越多制造商和客戶所接受，并 且成為 DCS、PLC、IPC、PAC、運(yùn)動(dòng)控制以及 SCADA的編程系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。
首先，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不一定經(jīng)過PLCopen的認(rèn)證），在推出其編程軟件新產(chǎn)品時(shí)，都遵循該標(biāo)準(zhǔn)的各種規(guī)定。根據(jù) 美國的《控制工程》雜志2005年一份調(diào)查報(bào)告中關(guān)于PLC編程語言使用的百分比統(tǒng)計(jì)，IEC61131-3中所規(guī)范5種語言使用的比例很高?？紤]到在美國對IEC 61131-3的認(rèn)知度遠(yuǎn)不及歐 洲、中國和日本，由此可見此標(biāo)準(zhǔn)影響力之大。表1是依據(jù)美國《Control Engng》雜志分別 從2003年和2005年P(guān)LC應(yīng)用問卷調(diào)查中進(jìn)行了各種PLC編程語言應(yīng)用的統(tǒng)計(jì)。調(diào)查結(jié)果顯示， 梯形圖語言、功能塊圖語言和順序功能圖語言應(yīng)用的比例列前三位。
表1 PLC編程語言使用情況調(diào)查
其次，我們來看 IEC 61131-3 對 DCS控制策略組態(tài)的影響。以前，每個(gè) DCS廠商在控制策略的組態(tài)（也即編制控制運(yùn)算程序）時(shí)各搞一套，形成了風(fēng)格各異的編程組態(tài)工具。大致有：小功能塊圖編程組態(tài)，將每個(gè)塊的功能盡可能地劃小，這更適合于描述復(fù)雜的控制策略 組態(tài)（例如，在我國發(fā)電行業(yè)沿用至今的 SAMA圖轉(zhuǎn)換為控制策略編程時(shí)，用它更方便），對 組態(tài)的人員的技術(shù)能力要求較高；大功能塊編程組態(tài)，由于在設(shè)計(jì)功能塊時(shí)已有充分考慮，所以只要了解功能塊的輸入輸出特性，便可組態(tài)；面向問題的填表式組態(tài)工具，不同的控制 和運(yùn)算需要填寫不同的工作單，組態(tài)方法相當(dāng)繁雜。九十年代后期或更后一些推出的 DCS 產(chǎn)品，或者 DCS的更新?lián)Q代產(chǎn)品，如：Siemens的 PCS 7所采用的 STEP 7編程軟件、 美國 Moore公司 DCS/PLC混合控制系統(tǒng) APACS、Emerson Process 公司的 Delta V、ABB公司的DCS Freelance，Metso Automation 公司的 MAX 1000 DCS 都遵照 IEC 61131-3 的規(guī)范，提供以功能塊圖語言以及由 SFC演變而來的 CFC（連續(xù)功能圖）為主的 DCS的編程語言。第三，以 PC為基礎(chǔ)的控制作為一種控制技術(shù)已發(fā)展多年，近年來隨著用閃存替代了硬盤，用固定散熱器替代了風(fēng)扇冷卻，使得 IPC的硬件可靠性大大提高，從而更容易發(fā)揮 IPC 適應(yīng)各種需求的靈活性。IPC的應(yīng)用市場因而正在擴(kuò)大。不管怎么說，除了在美國還有一部分 IPC使用流程圖語言（如 OPTO 22的 SNAP IPC）外，大多數(shù) IPC控制的軟件開發(fā)商都按照 IEC 61131-3 的編程語言標(biāo)準(zhǔn)，來規(guī)范其軟件產(chǎn)品的特性。
第四，正因?yàn)橛辛?SPAN> 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，如加拿大 ICS Triplex 公司的 IsaGraf，德國 KW的 MULTIPROG，德國 Infoteam的 openPCS， 德國 3S公司的 CoDeSys。這些軟件不具體地依賴于特定的 PLC硬件產(chǎn)品。為數(shù)眾多的 PLC和 DCS生產(chǎn)廠商（包括像西門子、橫河電機(jī)、歐姆龍、三菱電機(jī)、ABB等）都在這些商品化 的基本編程軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行工作量不大的二次開發(fā)，并據(jù)此再將其高附加值的訣 竅和控制算法嵌入其中。例如西門子的編程軟件 STEP 7，就是在上述 openPCS軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上再二次開發(fā)的；歐姆龍的 CX編程軟件是以 MULTIPROG軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，再行二次開發(fā)的。同時(shí)，這種軟件的開發(fā)方式也為 PLC的程序在不同機(jī)型之間的移植提供了可能。
第五，值得注意的是近年來出現(xiàn)的工業(yè)控制產(chǎn)品新秀 PAC—可編程自動(dòng)控制器，除個(gè)別 例外(如 OPTO 22的 SNAP PAC)，其編程軟件毫無例外地都采用 IEC 61131-3作為它的一種 特征屬性。因此，我們也可以這樣來表述：如果其編程系統(tǒng)不符合 IEC 61131-3，那么，這 種控制系統(tǒng)就不宜稱之為一般意義上的 PAC。
最后，我們注意到一些提供運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)器和控制器的廠商（如德國的 Bosch Rexroth），建立了將符合 I EC 61131-3的邏輯控制、順序控制與運(yùn)動(dòng)控制結(jié)合為一體的軟件開發(fā)平臺(tái)（見圖 1）。廣泛應(yīng)用于印刷和紙張加工機(jī)械、玻璃加工機(jī)械、機(jī)器人和裝配系統(tǒng)、木材加工機(jī)械、塑料加工機(jī)械、食品加工和包裝機(jī)械、藥品包裝機(jī)械、紡織機(jī)械等的控制系統(tǒng)中。
圖 1 在公共的 IEC 61131-3 的編程平臺(tái)上建立的運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)解決方案
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