基于IEC61131 - 3的PAS上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) - 楊學(xué)喜-

1、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)2010年第23卷第3期PAS 控制系統(tǒng)是重慶川儀總廠有限公司開(kāi)發(fā)的一種基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)(DCS ,本文以IEC61131-3編程語(yǔ)言規(guī)范為基礎(chǔ),在VC+6.0平臺(tái)下設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了PAS 控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件PASTOOL-Config 。該軟件由功能塊算法庫(kù)、控制算法編輯、編譯和仿真等模塊組成,實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制系統(tǒng)的程序編輯、運(yùn)行方式控制、設(shè)置和控制策略仿真調(diào)試等操作。1IEC61131-3的控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)1.1IEC61131-3的控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)IEC61131-3的控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件選擇了符合IEC61131-3的編程語(yǔ)言功能塊圖(FBD 。由于

2、在工業(yè)控制中的特殊要求,控制系統(tǒng)除了符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的各種規(guī)定還應(yīng)該提供專有的組織方式和運(yùn)行模式,軟件模型總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由工程管理器、FBD 編輯環(huán)境、功能塊庫(kù)及實(shí)例化程序、編譯模塊、仿真調(diào)試程序這幾大模塊構(gòu)成。以控制算法編輯器為主體、為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)FBD 編程語(yǔ)言和友好的圖形化編程界面,并集成編譯和仿真模塊,提供程序編譯、數(shù)據(jù)類型檢查、離線仿真及組態(tài)等功能。1.2功能塊算法庫(kù)開(kāi)發(fā)在PAS 上位機(jī)軟件中功能塊算法的代碼是以靜態(tài)鏈接庫(kù)的形式提供的,功能塊參數(shù)隨著功能塊實(shí)體的產(chǎn)生而產(chǎn)生。按照功能塊執(zhí)行功能的不同,功能塊劃分為10大類,依次為:邏輯運(yùn)算類、位運(yùn)算類、數(shù)學(xué)運(yùn)算類、三角

3、函數(shù)類、代數(shù)函數(shù)類、比較運(yùn)算類、選擇運(yùn)算類、開(kāi)關(guān)量信號(hào)處理類、模擬量信號(hào)處理類、控制類。在每一類中根據(jù)具體的需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能塊,如在控制類中設(shè)計(jì)了脈沖序列、伺服放大、PID 調(diào)節(jié)等功能塊。1.2.1功能塊參數(shù)功能塊是IEC61131-3中體現(xiàn)面向?qū)ο笏枷氲脑?它具有類型和實(shí)例之分,因此在上位機(jī)軟件中把功能塊實(shí)例分為兩個(gè)部分:裝載功能塊參數(shù)的數(shù)據(jù)區(qū)和封裝功能塊算法的代碼區(qū)。算法相對(duì)系統(tǒng)是穩(wěn)定的,參數(shù)是相對(duì)活潑的元素,它會(huì)隨著每個(gè)實(shí)體的產(chǎn)生而產(chǎn)生。功能塊的參數(shù)根據(jù)其作用分為以下四種,下面以普通PID 功能塊圖為例來(lái)說(shuō)明:1輸入使能參數(shù):該參數(shù)可以激活輸入引腳,使能功能塊中的所有算法;2輸入?yún)?/p>

4、數(shù):功能塊實(shí)例的輸入引腳;3輸出參數(shù):功能塊實(shí)例的輸出引腳;4內(nèi)含參數(shù):一些系統(tǒng)關(guān)鍵的組態(tài)參數(shù),如PID 實(shí)例的自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出的上、下限。系統(tǒng)中的所有功能塊,需要定義一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)來(lái)描述它的外部信息。這些信息包括功能塊的名稱、位號(hào)、位圖類型、輸入引腳的個(gè)數(shù)、輸出引腳的個(gè)數(shù)、輸入引腳的類型、輸出引腳的類型、輸入引腳的值、輸出引腳的值以及功能塊各引腳的位置信息它用來(lái)方便功能塊之間的連線。1.2.2功能塊的算法功能塊的算法是相對(duì)穩(wěn)定的,一旦完成某個(gè)功能塊算法的基于IEC61131-3的PAS 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Design and Realization of PAS Host-computer

5、Software Based on IEC61131-3楊學(xué)喜(重慶郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)化控制與智能儀器儀表教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065郭海平陳學(xué)軍(中國(guó)四聯(lián)儀器儀表集團(tuán)有限公司四聯(lián)技術(shù)中心,重慶401121摘要以IEC61131-3編程語(yǔ)言規(guī)范為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)軟件模型及功能塊圖的分析,設(shè)計(jì)了基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的上位機(jī)軟件,給出了軟件的整體架構(gòu)、功能塊庫(kù)、控制策略編輯、編譯和仿真模塊的實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)對(duì)控制策略的軟仿真,驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。關(guān)鍵詞:IEC61131-3,軟件模型,功能塊,組態(tài)AbstractIn this paper,through the ex

6、patiate and analyse about the software model and the function block diagram based on IEC61131-3specification.This paper design a PC software based on the IEC61131-3standard,the software is given the structure,function block libraries,edit the control strategy,the compiler and simulation methods modu

7、le.Through control strategy of the soft simulation,validate that the design of the control system configuration is correctly and effectively.Keywords :IEC61131-3,software model,function block,configuration圖 1上位機(jī)軟件總體結(jié)構(gòu)圖2功能塊圖31基于IEC61131-3的PAS 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 編程,并通過(guò)調(diào)試和試用證明它確能正確執(zhí)行所規(guī)定的功能,就不允許用戶再修改此功能塊算法。在PA

8、S 上位機(jī)軟件中功能塊的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,將所有功能塊的算法處理函數(shù)集中放在一個(gè)源文件(.c 文件中,通過(guò)編譯生成了一個(gè)靜態(tài)的功能塊庫(kù)(.dll 文件;并向外部以頭文件(.h 文件的形式提供函數(shù)調(diào)用的接口。下面以增量式PID 功能塊為例介紹一下功能塊的算法,增量式PID 控制表達(dá)式:U K =K P *(E K -E K-1+K I *E K +K D *(E K -2*E K-1-E K-2在PAS 上位機(jī)軟件功能塊庫(kù)中PID 功能塊的函數(shù)調(diào)用接口如下所示:PAS_APIstruct RESULT_PID FUNC_PID(float SP,float PV,floatKP,float TI,fl

9、oat TD,bool AM,float MAN,float DI,bool AD,float AH,float AL,float OH,float OL,bool TS,float IK,float PK 其中,函數(shù)的參數(shù)包括功能塊實(shí)例中除使能引腳以外所有輸入引腳值、所有內(nèi)含參數(shù)的值;函數(shù)返回值包括功能塊輸出引腳值,以及值的狀態(tài)等。1.3控制算法編輯模塊開(kāi)發(fā)該模塊實(shí)現(xiàn)的功能是實(shí)現(xiàn)遵循IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的可視化程序開(kāi)發(fā)平臺(tái),提供功能塊圖的編輯環(huán)境,用于接收用戶的輸入(FBD ,并將其存儲(chǔ)為對(duì)應(yīng)的文件。對(duì)于FBD 語(yǔ)言,我們以鏈表的方式記載程序信息,其中鏈表中的一個(gè)結(jié)點(diǎn)對(duì)功能塊中一個(gè)連線、

10、輸入/輸出塊或功能塊等。其主要的部分在于功能的圖形化顯示和功能塊連接?？刂扑惴ň庉嬆K的類關(guān)系如圖3所示。功能塊圖形化顯示的類為CDrawTool ,根據(jù)其不同的畫(huà)面元素派生出一些子類如算法塊類CControlTool ,輸入塊類CInputTool ,輸出塊類COutputTool ,連線類CLineTool 。這些類分別針對(duì)不同的畫(huà)面元素在工作窗口內(nèi)的操作進(jìn)行位置的改變和確定。功能塊圖中元素實(shí)例化的基類為CDrawObj ,定義了它們共有的屬性和操作。從繪圖類中根據(jù)不同的畫(huà)面元素又派生出一些子類如算法塊類CDrawControl ,輸入塊類CDrawInput ,輸出塊類CDra-wOut

11、put ,連線類CDrawLine 。這些類又和圖形化顯示的類一一對(duì)應(yīng)起來(lái),實(shí)現(xiàn)每種算法塊的實(shí)例化,同時(shí)將功能塊串行化,形成組態(tài)鏈路關(guān)系。 圖3控制算法編輯模塊的類關(guān)系1.4控制算法編譯模塊開(kāi)發(fā)功能塊圖的編譯實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)是功能圖形單元的參數(shù)檢查、圖形單元間關(guān)系分析及關(guān)系文件生成。功能單元圖元、參數(shù)檢查及數(shù)據(jù)類型完畢后,遍歷所有功能塊圖端子及輸入輸出塊進(jìn)行合法性檢查確定沒(méi)有錯(cuò)誤后遍歷所有邏輯關(guān)系生成組態(tài)文件。功能塊文件的編譯以單個(gè)的圖形單元為基礎(chǔ),通過(guò)分析單元之間的連接關(guān)系,最終形成編譯結(jié)果。對(duì)單個(gè)圖形單元的編譯,即是對(duì)該圖元的參數(shù)進(jìn)行分析處理,包括參數(shù)是否存在判斷、類型匹配判斷、地址合法性判斷、功

12、能塊執(zhí)行號(hào)合法性判斷等,函數(shù)實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖4。在圖元編譯過(guò)程中,需要進(jìn)行類型匹配檢查,即允許的類型與實(shí)際的類型進(jìn)行匹配分析。在參數(shù)逐個(gè)檢查完畢后,需要進(jìn)行參數(shù)一致性判斷。在功能塊圖元中,許多情況需要多個(gè)參數(shù),多個(gè)參數(shù)的類型存在某種約束。如小于比較指令(標(biāo)識(shí)符為“”,其所帶的輸入?yún)?shù)有2個(gè),即參與比較大小的兩個(gè)數(shù)值?？赡艿臄?shù)據(jù)類型有:位、字、整型、浮點(diǎn)數(shù)、時(shí)間類型、狀態(tài)類型等,還可能為常數(shù)數(shù)據(jù)。但是參與運(yùn)算的兩個(gè)數(shù)據(jù)。其類型必須一致,即整型只能與整型比較,而與時(shí)間類型數(shù)值運(yùn)算則為非法。1.5控制算法仿真模塊開(kāi)發(fā)調(diào)試仿真是軟件平臺(tái)的重要組成部分,它負(fù)責(zé)在上位機(jī)軟件平臺(tái)上模擬系統(tǒng)的各種行為。仿真分為離

13、線仿真和在線仿真兩種方式:離線仿真不需要控制器的參與,但需要調(diào)用仿真平臺(tái)提供的功能塊庫(kù)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,并把所有功能塊引腳值顯示在功能塊實(shí)例的引腳邊。在線仿真需要和控制器進(jìn)行通訊,向控制器發(fā)送取內(nèi)存值命令,讀取程序中所有功能塊實(shí)例引腳的內(nèi)存值,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。它不需要調(diào)用仿真平臺(tái)提供的功能塊庫(kù)函數(shù)。在PAS 上位機(jī)軟件中,提供了連續(xù)仿真、周期仿真、中斷仿真、仿真回放、仿真暫停和仿真停止的功能。2控制系統(tǒng)仿真運(yùn)行首先組態(tài)工程師根據(jù)控制系統(tǒng)的需要,選擇相應(yīng)的功能塊和變量放在仿真平臺(tái)中間的功能塊圖(FBD 編輯區(qū);然后對(duì)功能塊的輸入引腳和輸出引腳以及變量進(jìn)行連線并規(guī)定功能塊的執(zhí)行順序,同時(shí)通過(guò)雙擊功能

14、塊實(shí)例的圖元設(shè)置功能塊的內(nèi)含參數(shù);最后,通過(guò)點(diǎn)擊編譯按鈕進(jìn)行編譯待編譯成功后,就進(jìn)入可仿真狀態(tài)。下面以過(guò)程控制中的流量控制為例說(shuō)明仿真的過(guò)程。圖5中將變量AI-01-1-1-01/AO-1-2-01與控制站I /O 模塊中的模擬量輸入/輸出通道建立映射關(guān)系,這樣從該模擬量輸入通道采集到的流量值就存儲(chǔ)在這個(gè)變量中,后通過(guò)數(shù)字濾波功能塊(FILTE 以及轉(zhuǎn)換成百分?jǐn)?shù)功能塊(t%將流量值以百分?jǐn)?shù)形式傳入到PID 調(diào)節(jié)模塊的測(cè)量值(INP 端,其中轉(zhuǎn)換成百分?jǐn)?shù)功能塊(t%的最大值(MAX 與最小值(MIN 需要與具體的電磁流量計(jì)的量程范圍向?qū)?yīng)。本案例選取的流量計(jì)當(dāng)口徑為300mm 時(shí),流量范圍為12

15、7.35089.4m 3/h 。最后將測(cè)量值(INP 與設(shè)定值(SP 相比較,通過(guò)PID 運(yùn)算產(chǎn)生調(diào)節(jié)輸出存儲(chǔ)在變量AO-1-2-01中,這樣產(chǎn)生的輸出就能驅(qū)動(dòng)閥門定位器達(dá)到對(duì)流量進(jìn)行控制的目的。如圖5所示,當(dāng)仿真開(kāi)始運(yùn)行前對(duì)通道變量AI-01-1-1-01賦值為2000m 3/h ,然后通過(guò)點(diǎn)擊周期仿真的按鈕將控制系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)周期后的結(jié)果顯示在功能塊的端子上,工程設(shè)計(jì)人員根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果就能判斷控制系統(tǒng)邏(下轉(zhuǎn)第35頁(yè)圖4編譯模塊流程圖32工業(yè)控制計(jì)算機(jī)2010年第23卷第3期(上接第32頁(yè)輯設(shè)計(jì)的正確性。通過(guò)連續(xù)仿真或周期仿真觀察運(yùn)行的結(jié)果表明測(cè)量值(INP 逐漸與設(shè)定植(SP 相接近,最終

16、達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖5仿真平臺(tái)運(yùn)行界面PAS 上位機(jī)軟件使組態(tài)工程師能夠在軟件平臺(tái)上很方便的對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行仿真和模擬,并判斷基于功能塊的控制回路設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。3結(jié)束語(yǔ)PAS 控制系統(tǒng)上層軟件作為川儀PAS 控制系統(tǒng)配套軟件是基于IEC6ll31-3標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā),可以方便地進(jìn)行功能擴(kuò)充或升級(jí)。例如增加一種新的功能塊,僅需要在數(shù)據(jù)庫(kù)的功能塊圖(FBD 單元表中追加該功能塊的類型名稱、位號(hào)、繪圖參數(shù)及引腳類型等信息。使用該軟件進(jìn)行邏輯功能組態(tài),簡(jiǎn)單方便且高效,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。同時(shí)利用仿真平臺(tái)提供的連續(xù)仿真、周期仿真,中斷仿真以及回放顯示等功能,能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的行為進(jìn)行仿真和模擬。參考文獻(xiàn)1葛益

17、軍,王文海.基于IEC61131-3的編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J .制造業(yè)自動(dòng)化,2006(72黃延延,林躍,于海斌.軟PLC 技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)J .計(jì)算機(jī)工程,2004(13邢建春,王雙慶,關(guān)光炳.IEC61131-3工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的控制邏輯上位機(jī)軟件標(biāo)準(zhǔn)J .世界儀表與自動(dòng)化,20034魏江,章凌,黃文君,等.基于DCS 的多語(yǔ)言編程軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J .化工自動(dòng)化及儀表,2005,32(2:39-425高金源,夏潔.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)M .北京:清華大學(xué)出版社,2007收稿日期:2009.8.21 改,添加如下配置選項(xiàng)定義:#define CONFIG_FEC21/FEC0缺省啟用,此處啟用第二個(gè)

18、FEC#defineCONFIG_FEC_SHARED_PHY1/允許使用FEC0的MDIO 接口控制兩個(gè)PHY 對(duì)函數(shù)fec_request_intrs(struct net_device 觹dev中關(guān)于MCU 引腳配置部分進(jìn)行修改。當(dāng)然要啟用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧功能,還需要對(duì)內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)部分進(jìn)行配置。4.4USB 接口移植系統(tǒng)使用片上USB 收發(fā)器并使用PLL 提供時(shí)鐘,需要修改/arch /m68k /coldfire /usb /xcvr.c 中函數(shù)xcvr_init 關(guān)于USB 時(shí)鐘部分。配置內(nèi)核與USB 相關(guān)的選項(xiàng)如下:.Device driverHID DevicesUSB Human Int

19、erface Device(full HIDsupport SCSI device supportSCSI devices supportlegacy /proc /scsi support SCSI disk supportprobe all LUNs on each SCSI device USB supportSupport for Host-side USB 觹USB device filesystemEHCI HCD(USB2.0support 觹Full speed ISO transacions USB Mass Storage support-select transceive

20、r (on-chip (FL /LS only-4.5添加系統(tǒng)調(diào)用FPGA 實(shí)現(xiàn)的IP Core 通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用提供給用戶,這比封裝設(shè)備處理效率更高,主要包括擴(kuò)展的兩個(gè)UART 控制器、IRIG-B 解碼器、和LCD 控制器等。以newsyscall 為例給出添加系統(tǒng)調(diào)用的方法:1在kernelsys.c 中添加newsyscall(int number源碼實(shí)現(xiàn)asmlinkage int sys_newsyscall(int number邀.妖2在archm68kcoldfireentry.s 的系統(tǒng)調(diào)用入口表中添加:.long sys_newsyscall3在inclueasm-m68kunistd.h