一种先进的工业控制编程系统

IEC61131-3是第一个为工业控制系统提供标准化编程语言的国际标准，该标准针对工业控制系统所阐述的的软件设计概念、模型等适应了当今世界软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进的设计技术，它不但极大地推动了工业控制系统的软件设计的进步，而且它的许多概念还对现场总线设备的软件设计产生了很大影响。符合IEC61131-3的软件系统是一个结构完美、可重复使用、可维护的工业控制系统软件，不但能被应用在PLC（可编程控制器），而且还能被应用在控制工业及制造过程的一切软件中，是一种先进的工业控制编程系统。

IEC61131-3标准包括两部分：编程和公共元素。编程部分描述了两个重要模型：IEC 软件模型和通讯模型。公共元素定义了编程系统中需要的的数据类型。本文将通过对IEC61131-3标准的这两个部分的描述，从理论上分析、阐述 IEC61131-3编程系统所具有的优点，并让我们学习到IEC61131-3所阐述的先进的设计思想。

一、IEC61131-3的两个重要模型

IEC61131-3标准有两个模型：IEC 软件模型和通讯模型。这两个模型构成了实现符合IEC61131-3国际标准的编程系统的概念基础，它们不但是IEC61131-3编程系统区别于传统的 PLC编程系统的重要标志，而且也是IEC61131-3编程系统优越于传统的PLC编程系统的原因所在。IEC 软件模型从理论上描述了如何将一个复杂的程序分解为若干个小的不同的可管理部分，并且在各个被分解部分之间有清晰的和规范的接口的方法；描述了一台PLC 如何实现多个独立程序的同时装载、运行；描述了系统如何实现对程序执行的完全控制等。通讯模型同样从理论上描述了不同程序组织单元（POU – Program Organization Units）之间如何交换信息的方法。程序组织单元包括程序，功能块和功能。

为了更好地描述IEC 软件模型，我们先通过一个实际的应用系统来描述IEC61131-3软件与实际系统的关系，然后再进一步说明61131-3软件模型。

二、IEC61131-3软件与实际系统的关系

如图1为一采用PLC的直接数字控制系统。来自物理传感器的连续信号被转换为数字采样信号后，PLC控制系统就可以运行诸如比例，积分，微分（PID）等算法产生控制信号输出，最终实现对装置位置的控制。在图1中，IEC61131-3软件假设，来自传感器或变送器



图一 应用PLC系统的直接数字控制系统

外部数值被直接放在一段特定的内存区，同时，程序运行后产生的结果也被放在一段特定的内存区，更新这些内存区数值，即实现了对执行器或显示器的驱动。到PLC的I/O装置的内存映射并没有定义在标准中，它会随着不同的PLC厂商有很大的不同。

三、IEC 软件模型

IEC61131-3软件模型如图二所示。该软件模型是一种分层结构，每一层隐藏了其下层的许多特征。IEC61131-3具有的这种分层结构，构成了 IEC61131-3软件优越于传统的PLC软件的理论基础，是IEC61131-3软件先进性的体现。下面我们先描述软件模型的各个部分的概念，同时分析、总结IEC61131-3编程系统所具有的优点。 　

1.配置、资源、程序和任务

在模型的最上层是软件“配置”，它等同于一个PLC软件，使用在一个具体应用的定义PLC行为的整个软件中，它与配置系统的实际过程是不同的。如在一个复杂的由多台PLC组成的自动化生产线中，每台PLC中的软件就是一个独立的“配置”。一个“配置”可与其它的IEC“配置”通过定义的接口进行通讯。

在每一个配置中，有一个或多个“资源”，“资源”不仅为运行程序提供了一个支持系统，而且它反映了PLC的物理结构，在程序和PLC物理I/O通道之间提供了一个接口。一个IEC程序只有在装入“资源”后才能执行。“资源”通常放在PLC内，但也可以放在其它系统内。

一个IEC程序可以用不同的IEC编程语言来编写。典型的IEC程序由许多互连的功能块组成，各功能块之间可互相交换数据。一个程序可以读写I/O变量，并且能够与其它的程序通讯。一个程序中的不同部分的执行通过“任务”来控制。

“任务”被配置以后，可以控制一系列程序和/或功能块周期性地执行程序或由一个的特定的事件触发开始执行程序。IEC程序或功能块通常保持完全的待用状态，只有当是由一个特定的被配置的任务来周期性地执行或由一个特定的变量状态改变来触发执行的情况，IEC程序或功能块才会执行。

2．功能块和功能

功能块概念是IEC61131-3标准编程系统的一个重要的特征。任何功能块可以用其它的更小的更易管理的功能块来编程，这样就可以由许多的功能块创建一个有层次的结构合理的程序。IEC61131-3还允许程序设计人员利用现有的功能块和其它的软件元件生成新的功能块。


图二：IEC软件模型

功能也是IEC61131-3标准中的一个重要概念，但在软件模型中未表现出来，它常常使人们与功能块混淆。功能是一些在程序执行过程中的软件元件，这些软件元件对一系列特定的输入值会产生相应的输出结果，如算术功能COS（）,SIN（）等。IEC61131-3标准中有大量的用于处理不同数据类型的功能。

3． 变量和存取路径

在配置、系统资源、程序、功能或功能块内，可以声明和使用局部变量、全局变量、直接变量。局部变量是仅仅能在配置、资源、程序、功能或功能块内声明和存取的变量；全局变量在一个程序（或配置）内声明，它能被程序（配置）内的所有软件元件存取；直接变量是PLC程序的内存区直接用地址变量来表示的变量。存取路径提供了在不同的配置之间交换数据和信息的设备。每一配置内的变量可被其它远程配置存取。配置之间存取数据和信息可采用基于以太网的网络，现场总线或通过底板总线交换数据。