现场总线控制系统功能块组态软件设计本科毕业论文(编辑修改稿)

现场总线控制系统功能块组态软件设计本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

器远程监控系统 开发具有现实意义和可行性。 现场总线控制系统功能块组态软件设计 –5– MODBUS 协议采用 Master– Slave 技术，是一种问答方式的通信协议。 一个 Master 可以对应一个或多个 Slave，只有 Master 才可进行初始化的询问，为 Slave 分配地址，对所有的 Slave 发送广播信息。 MODBUS 协议在点对点通信时采用 RS232/RS422 串口通信标准。 多点通信时则采用 RS485 串口通信标准。 现代自动控制系统和 IEC611313 国际标准 在工业控制领域， PLC 技术的发展在上世纪 90 年代经历了一次高潮。 这得益 于微电子、网络通信和控制技术的迅猛发展。 但随着技术的进步和市场要求的提高，传统的 PLC越来越暴露出其在数据封装能力，程序可重用性 ,顺序操作编程等方面的不足。 这些缺陷导致了不同制造商 PLC 平台的不兼容，也给工程技术人员的学习和操作带来了极大的不便。 统一的编程规则成为技术人员的迫切需求。 IEC61131 标准正是在这种情况下应运而生。 IEC611313 是 IEC 61131 国际标准的第三部分 [12][13][14], 是第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准。 该标准提供给用户一种良好结构 、自上而下或自下而上的程序开发方法，提供全套的配置集成，允许程序分解成功能块和软件元素，进行完全的程序控制。 程序不同部分在不同时间，以不同周期或平行的运行。 提供了一套统一的应用于 PLC 的语法和语义。 IEC611313 包括 5 种编程语言，即指令表、结构化文本、梯型图、功能块图和顺序功能图。 规范了编程语言、 PLC与编程系统的接口、字符集和工程管理，使得所有 PLC使用相同的概念，平台程序可以互相移植，从而整体降低自动化控制系统的费用。 这些都是在工业控制系统所阐述的软件设计的概念和软件模型等的基础上制定的，适应了当 今世界软件、工业控制系统的发展方向。 符合 IEC 611313的软件系统是一个结构完善、可重复使用、可维护的工业控制系统软件。 标准最初主要用于可编程序控制器 PLC 的编程系统，但随着可编程序控制器 PLC技术、编程语言等的不断进步也在不断地进行着补充和完善。 目前该标准同样也适用于过程控制领域、分散型控制系统、基于控制系统的软逻辑、 SCADA 等。 IEC 611313 国际标准在技术上的实现是高水平的，因此有足够的发展空间和变动余地，这也使得该标准能很好地适应工业控制的发展和要求。 因此 IEC 611313 标准在 1993 颁布之后被国际用户和开发商团体广泛接受，目前得到全世界的认可。 世界顶尖的工业控制商接受了这个编程模型，各种软件公司提供相应的开发工具。 IEC 611313国际标准已对整个控制领域形成了巨大的冲击，采用或应用符合 IEC 611313 国际标准的组态产品，已经成为国际工业控制领域的一大趋势。 现场总线控制系统功能块组态软件设计 –6– IEC 611313 及其功能块编程 IEC 61131 标准提供给用户一种良好结构、自上而下或自下而上的程序开发方法，提供全套的配置集成，允许程序分解成功能块和软件元素，进行完全的程序控制，程序不同部 分在不同时间，以不同周期或平行的运行。 IEC 61131 将特定应用的控制系统称为配置，包括硬件的分配、过程资源划分、输入输出通道分配、内存地址分配及系统的性能分析。 一个配置中可定义一个或多个资源，资源可以理解为可执行的过程处理设备，像一个 CPU。 一个资源中可以定义一个或多个任务。 由任务控制一套程序或 /和功能块的执行，可以周期或由事件驱动。 程序可以使用 5 种语言的任何一种。 典型程序由功能块、函数组成，包括数据结构和逻辑。 与一个资源、一个任务、运行于一个闭环系统的传统PLC 相比， IEC 611313 是开放和先进 的。 IEC 611313标准中提供了 4种内部操作语言和一个结构化语言定义： （ 1）顺序功能图 (SFC)是 IEC 611313 标准的中心语言，用于工业控制软件的结构化的内部组织。 SFC 语言源于 Petri Nets，用于解决面向序列的问题。 它将控制过程周期分成定义好的步骤，并由转移条件隔开。 步骤描述了行为，对应程序组织单元；转换描述了条件，对应程序组织单元的逻辑联系，它决定其他语言描述行为的执行顺序。 不管是平行的执行逻辑或有多个选项的过程都很容易地用 SFC 表示。 （ 2）功能块图（ FBD）是图形化的编程语言， 使用 IEC 功能块库中的功能块进行图形化程序开发，主要用于过程工业。 允许用户基于存在的功能块组成更复杂的控制过程。 功能块图的支持使 IEC 611313有较大的发展空间。 （ 3）结构化文本（ ST）是类 Pascal 的高级结构化语言，但更直观，可以实现不易用图形化语言实现的复杂应用。 ST 能够实现 IF 和 ELSE选择、 FOR 和 WHILE 循环，提供对结构化文本支持。 ST 像一般语言的语句，适合于编程新手，并能简化梯形图和功能块中的长代码。 （ 4）指令表（ IL）是寄存器级别的低级语言，由一套连续的指令组成，每行一条，很像微处理器的汇编语言。 IL一般用于熟练的编程人员。 （ 5）梯形图（ LD）是使用接触器和线圈的图形化编程方法，一般用于离散控制系统。 LD使用接触器表示输入元素，线圈表示输出结果，以用户最熟悉的方法取代逻辑等式和简单行为。 IEC 611313 的 5种语言中， FBD 最有生命力和发展前途。 FB（功能块）是控制 系统的基本构件，是一个包装好的控制程序，可以是任何 IEC 611313语言编写的控制逻辑和策略包装成的软件元素，可以在相同程序的不同部分或分散的其他程序中使用。 现场总线控制系统功能块组态软件设计 –7– 功能块能够封装数据和逻辑，超过了 FORTRAN 和 C语言所写的子程序，有面向对象的含义，其组成及对控制编程软件的贡献很像是现代电子电路中的集成芯片。 功能块的使用提高了系统可靠性。 数据封装避免了许多错误源，用户不必关心具体实现细节，只需关心与外部的接口和如何使用。 开发人员只需注重于实现，而不必关心使用。 功能块允许来自不同程序、项目、位置、公司甚至国家 的不同组件的结合。 IEC 611313 标准保证了功能块定义接口的使用，即定义的输入和输出参数。 由不同程序员设计的功能块可借助输入和输出参数进行交互，当然输入和输出参数必须是标准中定义的数据类型。 FB不仅利于结构化程序设计，长远地看还能加速应用开发，尤其对相近的应用开发有效。 现代控制系统的一个目标是代码重用，相同的控制逻辑无论硬件是 PLC、 DCS 或是 PC，均有相同的程序源代码，这个目标只有通过 FB 实现。 功能块的支持使得远程控制成为可能。 符合 IEC 611313标准的 DCS系统编程软件，必不可少地会使用 FB。 DCS中所有控制单元的控制逻辑一般都以 FB 的形式提供在编程环境中。 DCS 还需要提供一个现场总线通信系统中用于分散处理的 FB。 开放式现场总线控制系统 FCS 通过组态软件生成的参数及算法，不仅可以在控制器中运行，还可以在远程 I/O 或智能设备上运行，这就需要定义好的 FB，可以在智能仪表及执行机构中进行运算，实现真正的分布式控制。 可编程逻辑控制器 可编程逻辑控制器（ Program Logic Controller）是在工业环境中使用的数字操作的电子系统，它使用可编程存储器内部存储用户设计的指令，这些指 令用来实现特殊的功能，诸如逻辑运算、顺序操作、定时、计数以及算数运算和通过数字或模拟输入 /输出来控制各种类型的机械或过程。 [4][7][8] 1968 年美国 GM(通用汽车 )公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了 GM 公司装配线的要求。 可编程控制器从产生到现在，尽管只有四十几年的时间由于其编程简单、可靠性高、使用简单、维护容易等优点，使其得到了迅猛的发展，在冶金、机械、石油、化工、纺织、建筑、电力等领域都得到了广泛的应用。 随着 PLC 技术的进步和市场要求 的提高，传统的 PLC 越来越暴露出其在数据封装能力，程序可重用性，顺序操作编程等方面的不足。 这些缺陷导致了不同制造商 PLC 平台的不兼容，也给工程技术人员的学习和操作带来了极大的不便。 统一的编程规则成为技术人员的迫切需求。 现场总线控制系统功能块组态软件设计 –8– 组态软件 组态英文是 “ Configuration” ,组态就是用应用软件中提供的工具、方法、完成工程中某一具体任务的过程。 [5][6] 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动 控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。 组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。 对应于原有的 HMI（人机接口软件， Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的 HMI 的软件工具，或开发环境。 当前的组态软件产品有： iFIX 组态软件、悉雅特 citect 组态软件、紫金桥组态软件、 MCGS 组态软件、三维力控 ForceControl 组态软件、西门子 WinCC 组态软件、 Rockwell RSView32 组态软件等。 使用 组态软件开发系统工程的一般步骤： (1) 将所有 I/O 点的参数收集齐全，并填写表格，以备在监控组态软件和 PLC 上组态时使用。 (2) 搞清楚所使用的 I/O 设备的生产商、种类、型号、使用的通信接口类型，采用的通信协议，以便在定义 I/O 设备时做出准确选择。 (3) 将所有 I/O 点的 I/O 标识收集齐全，并填写表格， I/O 标识是唯一地确定一个I/O 点的关键字，组态软件通过向 I/O 设备发出 I/O 标识来请求其对应的数据。 在大多数情况下 I/O 标识是 I/O 点的地址或位号名称。 (4) 根据工艺过程绘制、设计画面结构和画面草 图。 (5) 按照第一步统计出的表格，建立实时数据库，正确组态各种变量参数。 (6) 根据第一步和第二步的统计结果，在实时数据库中建立实时数据库变量与 I/O点的一一对应关系，即定义数据连接。 (7) 根据第四步的画面结构和画面草图，组态每一幅静态的操作画面（主要是绘图）。 (8) 将操作画面中的图形对象与实时数据库变量建立动画连接关系，规定动画属性和幅度。 (9) 视用户需求，制作历史趋势，报警显示，以及开发报表系统。 之后，还需加上安全权限设置。 (10) 对组态内容进行分段和总体调试，视调试情况对软件进行 相应修改。 (11) 将全部内容调试完成以后，对上位软件进行最后完善（如：加上开机自动打开监控画面，禁止从监控画面退出等），让系统投入正式（或试）运行。 现场总线控制系统功能块组态软件设计 –9– 论文的主要工作 本文主要研究了 IEC611313 标准，介绍了组态软件 PLC_Config 的整体设计方案，对软件的各个模块进行了总体的描述，着重介绍了 PLC_Config 中的功能块组态的编辑和编译的设计和实现方法，解决了图形化编程语言的可视化编辑和编译的实现方法，功能块在 PLC_Config 和 PLC 嵌入式程序之间的表现形式的转化等关键问题。 本文的重点是功能块程序的编辑和编译的实现方法和思路。 在文章的最后，对 PLC_Config 进行了简单的测试应用，得到了理想的效果。 现场总线控制系统功能块组态软件设计 –10– 2 PLC_Config 组态软件设计和实现 概述 PLC_Config 主要有以下几个模块组成：现场设备管理模块、工程管理模块、可视化功能块组态模块、现场设备监控模块、通信服务模块及信息报告模块，各个模块之间的关系如图 21 所示。 可视化组态模块是整个组态软件的核心部分，实现了 PLC 应用组态的可视化操作。 现 场设备管理模块负责维护、修改控制策略。 现场设备监控模块负责监控现场网络的运行情况，同时也可强制过程变量的值。 文件管理模块 维护、生成、修改工程信息、组态现场设备管理模块 设备信息保存 现场设备管理 网络监控 可视化组态模块 基于功能块的控制回路编辑 功能块 参数组态 符号表编写、状态表编写 工程管理、 I/O 配置等 现场设备监控模块 创建监控画面，监控现场信息，监视过程变量，强制变量输出 信息报告模块 报告系统信息、操作信息、编译信息及通信信息 文件管理模块 维护、生成、修改工程信息、组态信息等。 通信服务模块 包括通信服务，如变量读写、设备声明、程序上载、程序下载等服务。 图 21 PLC_Config 的总体模块划分结构 现场总线控制系统功能块组态软件设计 –11– 信息等， 并保存功能块回路的组态信息。 通信服务模块提供了系统中的各类通信服务。 信息报告模块负责及时通报各类系统信息，如设备信息、网络信息、操作信息、编译信。