基于IEC61131标准编程语言的Phoenix Contact自动控制系统

德国 PHOENIX CONTACT公司是最早开发的现场总线的公司之一。80年代初，工业自动化控制领域发生了什么变化呢，计算机技术，IC 技术的迅猛发展，并成功地应用到PLC控制器上， PLC 控制器的能力越来越强，可带检测，变送器和执行器的点数和控制回路越来越多。越来越多的信号需要进行传输，而且需要越来越多点到点的电缆， 这样增加了线路敷设设计的复杂性，也增加了投资和安装，调试与维护的费用。系统的安全型和可靠性也大大降低。 因此用户迫切需要一种新的工业安装技术，通过采用这种技术可减少电缆极其相关的费用，并能将一部分的控制功能分散到现场输入/输出设备，提高系统的安全性和可靠性。

要实现新的工业安装技术的关键是要采用新的传输方法。常规的点到点的传输方法，即并联传输方法已明显地不能满足大量现场数据的传输任务，特别对于模拟量信号的传输更需要用特殊的导线，以提高传输的抗干扰能力。并联传输时，传输的信号越多,需要连接的导线也越多。同时采用并联传输方法的控制系统都属于封闭式的控制系统。很难实现不同系统之间的信号交换。而采用串联传输方法就可将以上问题迎刃而解。在这种实践和用户的需要的情况下，德国PHOENIX公司在86年就首先开发了采用串联传输方法的INTERBUS现场总线。十多年来INTREBUS总线现已广泛地应用于汽车工业，仓储及传送技术，烟草工业，造纸工业，包装工业，食品工业等等。1996年成为DIN19825德国标准，1998年成为EN50254欧洲标准，2000年成为IEC61158国际标准。全球1000多个生产厂家提供2500多种总线产品，目前已经超过400万节点，四十多万个系统应用在世界各地，使得INTERBUS成为国际上应用最广泛的现场总线之一。

但是现场总线的出现仅仅解决了现场信号传输的问题，并没有解决控制器革新的问题。从下图可以看到所有的现场输入信号通过现场总线送入PLC控制器，经过PLC控制器的处理后，又通过现场总线送入现场的执行器。但是仅仅只有现场总线不能解决控制系统的问题。所以从90年代开始开发Phoenix的PLC控制器。但是开发什么样的控制器，是采用现成PLC的形式，如SIEMENS，AEG，AB的方式，还是采用以PC为硬件平台的嵌入式PLC或软PLC。是采用自己标准的控制编程语言，还是采用具有国际标准的IEC61131的语言？终于在95年，PhoenixContact推出了基于PC控制技术和采用IEC61131标准的INTERBUS现场总线的PLC控制软件PCWORX

2PC-WorX基于PC控制技术和采用IEC61131标准的INTERBUS现场总线的PLC控制软件整个现代化控制系统是由三大部分组成，即管理层，控制层和现场总线层。为了完成自动控制的任务，我们不仅需要有一套PLC的编程控制程序，而且也需要现场总线的组态管理软件和HMI监控软件。Phoenix公司从95年开始，根据这种控制系统的需要开发了基于PC控制和INTERBUS现场总线技术和IEC61131标准的PLC控制的PC－WORX软件PC-WorX软件是第一次将现场总线的组态软件，PLC的控制软件以及系统监控软件集成一体的解决自动控制系统的完整软件包。它工作于WINDOWS的操作系统环境，采用基于PC技术的硬件平台，所有PHOENIX的嵌入式PLC或软PLC，无论是带有以太网的RFCStandalone的高性能控制器，还是FC系列的嵌入式PLC或者智能式的ILC200现场总线PLC控制器都可以应用这种软件。由于采用了PC机为硬件平台，现场数据，控制数据都在一个公共数据区中进行通信，使得系统更加可靠，迅速。PC－WORX使用OPC的开放接口，面向对象，可以与几乎所有的监控软件相结合。PC－WORX软件的结构采用模块化的方法，首先将IEC61131标准与现场总线技术结合起来，将信息技术领域的先进方法，如软件工程，网络通讯等引入工业控制领域的软件设计中来，成为一个在国际上具有独特风格，代表着今后自动化软件发展方向的新思想。PC－WORX针对现代控制的特点，分为System-WorX,Programm-WorX和Graph-WorXSystem-WorX

System-Worx是实现INTERBUS现场总线系统的软件管理工具。借助于System-WorX软件，用户可以方便地实现INTERBUS总线系统全部的设计，方案制定，现场调试和维修诊断的任务。在项目设计过程中，它可以作为总线组态软件，设置输入/输出信号的物理地址与逻辑地址的对应表。在现场调试过程中，借助于其监控，设备的参数设定对各种功能进行测试。当系统运行时，又可以提供总线运行状况的全部信息。值得提出的是System-WorX软件中还包含了过程数据预处理功能，即微型PLC，它的特点是，可以对一些实时性要求很高的输入/输出信号进行及时的处理。其采样周期在1ms以下。并对INTERBUS总线系统的模块进行组态和参数设定。在INTERBUS总线调试，运行和扩展时，对总线系统进行操作和诊断，将所有的组态数据通过一个公共的数据存贮区送入PROGRAMM－WORX和GRAPH－WORX

在PC－WORX的最新文本3.00，System-WorX又增加了下列功能：

开放式的总线控制软件，通过总线控制板可用于不同的PLC控制系统;

程序的扩展性强，灵活性高;

生成新的功能和服务程序;

未来的System-Worx将能够运用于所有的现场总线技术;

System-WorX软件支持整个系统或项目的实施，在项目设计，计划的过程中，借助于System-Worx软件可以作出总线的方案，在系统安装时可提供线路设计图，在系统调试上提供强大的诊断，监控功能。同时在系统运行时又具有在线监控的功能。下面简单地叙述一下System-WorX主要的三大功能

组态软件功能（configuration）：SYSTEMWORX组态软件支持项目设计人员进行总线的设计。采用SYSTEMWORX的软件可根据工况的实际提供相应的总线网络结构。其结构的显示采用模块图的方法，主观易懂。在组态图清楚地表示出系统的网络，即远程总线段，本地总线段，传输媒介是电缆或光缆。在调试时，组态软件还可以检查系统组态是否正确。SYSTEMWORX提供了一个INTERBUS模块数据库，这个数据库包含了INTERBUS的所有信息，比方模块的种类，数据长度，PCP通道等，通过了解这些信息，项目设计人员可以对INTERBUS的模块进行参数设定：

－自动地址分配和扩展

－可不连接具体的模块设置相应的参数

－设置特殊的参数

所有设置的数据和组态图可以保存或打印出来。同时数据也可以构成输出文件送入EPLANE－CAD系统，自动生成一个接线布线图，大大减少了编写说明书的工作量。SYSTEMWORX对INTREBUS总线的输入输出的地址进行组态，同时通过变量的设赋值置将过程数据(processdata)映照到PLC的数据地址上。以上表示PLCVar1的地址现在已对应于INTERBUS10.0模块的输入输出地址。PLC52的地址对应于INTERBUS的10.1的模块。这样PLC控制器通过编程就可以得到现场总线的输入输出信号。SYSTEMWORX可以独立地对INTERBUS的总线系统进行调试，然后与PLC控制器进行现场数据的通讯。从理论上来讲，采用SYSTEMWORX软件的INTERBUS总线系统可以与任何的PLC控制系统相结合，构成一个现场总线控制系统。所以INTERBUS是一种开放式的总线系统。

总线监视功能（monitoring）：总线监控功能监视整个现场总线系统的运行状态，使用人员可根据总线的状态采取现场措施，一步一步地对子网络进行调试。SYSTEMWORX同时也提供了总线网络的变结构功能，能够根据设计的要求，关断或连接总线的某个子总线段。总线监控功能给安装，操作人员提供了一个现场调试，维修的有力的工具，它能完成下列功能：

控制或操作整个总线网络或子总线段

辨识和确定安装时以及部件的错误

现场总线的模块具有输入/输出的状态显示

在调试时可以设置输出的状态

可以保存某些智能设备的参数

诊断功能（diagnose）：如果一个工业控制设备处于运行状态，对于一个现场操作人员来说，最重要的是，减少设备的停机时间。这对一个现场总线来说，可靠性和强大的诊断功能，即设备出错时，能够采用现场总线的诊断功能，迅速找出错误，恢复运行。SYSTEMWORX提供这种功能，当系统出错时，能够迅速地找出错误，确定出错的地点以及纠正的方法。

SYSTEMWORX的诊断功能有以下的功能：

信号传输出错：

无论是随机干扰或固定干扰，SYSTEMWORX能确定出错的地点

找坏的模块

诊断出短路的电缆

诊断出开路的电缆

具有光缆的诊断功能

当错误被排除后，SYSTEMWORX还能保存出错的历史数据，进行数据统计。系统性地分析总线的情况，提出一些预防措施。所有的数据可以通过RS232的通信接口送入EPLAN的软件中。

Program-WorX

Program-WorX是根据IEC61131国际编程标准的软PLC控制语言。它具有5种标准的PLC编程语言：梯形图，语句表，功能块图，结构文本和顺序语句。PROGRAM－WORX采用国际标准的语言提供了一个强大的根据IEC61131－3的功能块和子程序。同时也提供了一系列的扩展功能，如设定中断，强置输入/输出量，同时显示各功能块的状态，寻找函数，总线帮助等等。PROGRAM－WORX的程序中的数据与其它的模块是共享的，通过国际标准的ST，LD，SFC，FBD，IL五种编程语言提供了灵活，多样的编程方式，尤其是加入中文注释的控制程序,因其易懂而直观得到厂方的一致好评。

因为IEC61131－3的五种标准编程语言已在许多文章中作了详细的介绍，在所列的参考书也有大量的编程实例，所以这里仅仅介绍一下PC－WorX如何于基于IEC61131国际标准相结合，成为一个PLC控制软件的。Program-WorX实际上由两部分组成:

a)MULTIPROG（由Phoenix子公司KW开发的软件）符合IEC61131国际标准的编程系统，它支持所有五种IEC61131－3的编程语言。程序员能根据自己的喜好和编程的要求来选择任何基于文本的编程语言（IL及ST）或图形语言（LD，FBD和SFC）进行编程。IL，FBD和SFC三种图形语言能够在同一个工作区上混合使用，此外，在创建程序时，能在IL，LD和FBD之间交叉编译。除了五种IEC标准语言外，MULTIPROG还支持SFC的扩展语言MSFC（机器顺序功能块）。MSFC主要应用于汽车工业，机械制造行业，它可以任意的在线切换运行状态，从自动运行状态到手动运行状态。便于在线实时现场调试，以及故障诊断。因而有很好的实用性。

MULTIPROG是基于32位的Windows技术，因而，通过用户界面可清晰地预览用户生成的项目，可浮动窗口，工具条等的设计最大程度地加强了用户界面的方便性。快捷管理器使得用户能象编译向导和交叉引用窗口那样轻松自如地对每一个菜单项定义快捷键。编译向导有一个包含所有的数据类型，操作数据，关键字，功能和功能块的库。双击相应的项就能将它插入到适当的工作区中，编译向导能够被所有IEC编译器调用。交叉引用窗口包含了在项目中用到了的全部数据，例如功能块（FB），局部变量和全部变量等。这样就可以快速生成用户的程序。

在文本编译器中分割窗口，允许同时显示不同的窗口和程序的不同部分和句法重点。结合具有的拖放功能，图形编译器既支持基于网络的编写也支持本地的编写，用户能获得建立网络应用程序所需要的全部支持，同时用户库和项目的功能，功能块都使用有区别的颜色来表示，使得结构更加明了。双击用户定义的功能和功能块会直接打开相应的帮助框。

b).PLC操作系统ProConOs

ProConOS是一个PLC控制器的实时操作系统，因为WindowsNT特别适用于控制系统方便地编写程序，但是不能满足控制系统对程序执行的实时要求，因此必须开发多任务的内核，用于ProConOS，ProConOS被称为内核模式的驱动器安装接口。由于ProConOS的模块化设计，使得ProConOS具有一定的伸缩性和灵活性。也使得更多的硬件和软件部件能简单的集成在内核中。ProConOS即可以作为一个独立的高性能系统，也可以作为控制系统的一个组成部分，比方这里PC－WORX中的Programm-WorX就采用了ProConOS作为嵌入式PLC的操作系统。采用ProConOS的OPC服务器可以与基于Windows的OPC客户机之间进行数据交换，这种OPC服务器自动读写OPC配置变量，并将他们传送到OPC客户器。因此网络中不同控制系统中的数值能够以一种表现方式被显示。由于PC－WORX采用了ProConOS，作为嵌入式PLC不在用户模式下运行，具有实时操作的优先权，从而保证了系统的可靠性，在WindowsNT的工作环境下，尽管INTELCPU有50us的跳动，也不影响PLC的实时应用。即使在蓝屏的情况下，嵌入式PLC也能正常工作。

Graph-WorX

Graph-WorX实际上是开放性的标准接口。即PC－WORX采用OPC的接口，可与所有的监控软件（Genesis,Intouch等）.INTERBUSOPCServer是一个INTERBUS网络中的数据与上位监控软件系统进行数据交换的接口。OPC（OLEforProcessControl）提供了自动控制系统的标准数据接口。同时可以在管理层中（SCADA/MES-系统）直接对INTERBUS进行控制。PC-WORX运用了IEC61131－5的通讯标准，通过INTERBUS或ETHERNET可以直接与智能式的总线模块进行通讯。

95年开始，PhoenixContact首先提出并研制了PC为基础的控制板，并采用国际标准IEC61131-3的编程语言，开发研究一套完整的基于PC机技术的控制软件PCWORX。这套完整的、首次将现场总线管理软件、PLC控制软件以及监控软件接口OPC有机地结合起来，克服了过去PLC控制机与上位机进行通讯，软件的不兼容、无一致性的接口的问题。此套软件，它的优点也在实践中不断地得到证明。至此以后，PC机的控制器将逐渐地取代PLC控制器这一事实也不断被人们接受。几乎所有的咨询机构都认为到2005年，PC为基础的控制机将占市场份额的50％以上，而PhoenixContact以PC为基础的控制机（RFC，FC）和软件包PCWORX正反映了控制技术今后发展的方向。目前PhoenixContact生产各类型的PC为基础的控制机，不仅有ISA总线，PCI总线控制板，也有与ETHERNET相连接的远程RFC控制器。这些控制器不仅可以用PCWORX也可以直接使用高级语言来编制。目前这种方法正在日益发展和得到广泛的应用。