和利时IEC 61131-3编程软件平台

2016-09-27北京和利时系统工程有限公司张海伟

自动化博览 2016年6期

北京和利时系统工程有限公司　张海伟

北京和利时系统工程有限公司张海伟

1　和利时IEC 61131-3编程软件平台简介

IEC 61131-3是旨在规范可编程控制器（Programmable Controller，简称PLC）编程语言的国际标准，经过十多年的发展和完善，已被广大PLC使用者和生产厂商所认可和支持。和利时自主化的可编程软件平台从设计之初就遵循IEC 61131-3标准，是和利时各种可编程控制器统一的软件解决方案。

目前和利时自主化的IEC 61131-3编程软件平台已经成功应用于以下产品：和利时自主的小型与大型可编程控制器、运动控制器等。这些产品已经应用在核电、火电、化工、轨道交通、煤矿、运动控制等业务领域。

和利时在总结多年应用经验和国内外产品的主要特点后，从2005年开始进行自主开发，推出了IEC 61131-3编程软件平台AutoThink。和利时IEC 61131-3编程软件平台AutoThink具有自主知识产权，遵循IEC61131-3标准。

2　和利时IEC 61131-3编程软件平台主要特点

图1为和利时自主化的IEC 61131-3编程软件平台主界面图，同其他的集成开发环境相类似，左边是工程管理树，用户可以通过工程管理树管理整个用户工程；中间是用户逻辑、数据和设备组态区域；右边是基本函数、功能块算法以及支持的设备库，最下方是信息输出窗口。

图1　IEC 61131-3编程软件平台集成开发环境的主界面图

本部分从程序逻辑组态方式、设备组态方式、程序调试方式、程序的编译执行方式、用户知识成果保护方式、运动控制功能支持等主要方面介绍和利时IEC 61131-3编程软件平台主要特点。

2.1程序逻辑组态方式

（1）任务的调度机制

• 多任务：包括周期触发、事件触发和自由运行类型任务。

• 优先级：高优先级抢占低优先级任务，同一优先级时间片轮转调度。

（2）多种编程语言的支持

支持IEC61131-3描述的5种编程语言中的4种：

• 梯形图LD；

• 功能块图FBD；

• 结构化文本ST；

• 顺序功能图SFC。

（3）数据的组织方式

采用结构化的数据组织形式，支持用户自定义数据结构。

采用表格化的定义和使用变量的方式，如图2所示，用户不必记复杂语法规则。

图2　表格化的定义和使用变量的方式

2.2设备组态方式

（1）图形化组态

采用图形化的设备组态方式，与现场设备实际部署完全对应。图3是支持八轴运动控制器MC1008以及扩展I/O模块所组成的硬件部署图。

（2）支持多种通用现场总线

支持多种通用的现场总线，比如EtherCAT、RTEX、PROFIBUS DP、POWERLINK、Modbus RTU和Modbus TCP等总线协议。

图3　八轴运动控制器MC1008以及扩展I/O模块所组成的硬件部署图

2.3程序调试方式

AutoThink为程序设计人员提供如下调试功能：

• PC机上软件逻辑仿真；

• 运行时变量的读和写操作；

• 运行时支持所有变量的强制；

• 断点调试；

• 软件示波器。

2.4编译型的执行方式

（1）采用编译型的执行方式

编译器将用户的逻辑直接编译成为可执行的二进制代码，PLC运行系统直接调度可执行的PLC编程软件下装的二进制代码，具有更高的执行效率。

（2）支持主流的处理器架构

支持主流的处理器架构，包括X86、PPC、ARM。如果需要，可以快速支持其他类型的处理器。

2.5用户知识成果保护方式

通过以下方式保护用户知识成果：

• 支持以封装库的方式组织程序逻辑。用户可以把关键代码封装成库，以库的形式提供给使用者，使其看不到源代码；

• 用户二进制逻辑不能上载；

• 支持二进制签名：编译出来的一套可执行代码仅可以运行在某一台机器或者某几台机器；

• 支持PLC登录时密码确认；

• 支持用户程序加密，包括用户整个工程的加密和单个POU的加密。

2.6运动控制功能

在运动控制方面，支持如下功能：

• 伺服控制中的位置开环控制、位置闭环控制和力矩控制；

• 单轴定位运动；

• 电子齿轮和电子凸轮；

• 直线、圆弧、球弧、螺旋线、样条曲线等的插补；

• 运动叠加；

• 多种机器设备找原点方式；

• 基于硬件的到位输出信号；

• 基于硬件的信号沿对应的位置捕捉。

2.7其他通用功能

• 数据掉电保持

掉电保持有以下方式：掉电的瞬间将待保护的数据写到掉电保持区；周期地将待保护的数据写到掉电保持区。

• 冗余

在可靠性要求较高的场合，支持控制器冗余。

• 不停机在线修改逻辑

用户可以在线修改工程中的任务配置、硬件部署、变量、程序逻辑，对于没有变化的部分，对现场都是无扰动的。

• 参数回读

用户在整定一些与现场相关的参数（如PID类参数）时，整定好之后，可以一键将这个值写到离线工程中作为该参数的初始值。

3　和利时IEC 61131-3编程软件平台系统架构

3.1 可编程控制系统架构

AutoThink是工业控制程序的集成开发环境，工业控制程序设计人员通过它实现符合现场控制要求的程序；RTS是运行在硬件中的可编程控制器运行系统。可编程控制器在控制系统中，需要监控现场的IO设备、同数据采集与监控软件SCADA类系统进行数据交互以及与其他智能设备进行数据交互。

AutoThink和RTS在工业控制系统中位置如图4所示：

图4　控制系统结构框图

AutoThink通过提供“AutoThink服务提供层”允许其他应用程序对其进行操控，完成对用户工程的操作等功能；通过“RTS服务适配层”与PLC运行系统RTS进行信息交互，完成用户程序的下装、监控、调试等功能。

RTS通过提供“RTS服务提供层”与其他产品如SCADA、AutoThink或者其他PLC进行信息交互，由于遵循标准的通讯协议，互联互通性好。RTS通过现场总线协议栈，实现与现场I/O设备的信息交互。为了实现与多种I/O设备的通讯，可编程控制系统支持通用的现场总线协议，如PROFIBUS DP、POWERLINK、EtherCAT等。

可编程控制器硬件之上的操作系统层通过“硬件适配层”将硬件实现细节隐藏，对于不同的硬件系统，我们仅需要修改“硬件适配层”即可；运行于硬件之上的操作系统可能会不同，比如我们可采用的操作系统FreeRTOS、VxWorks、Linux + 实时补丁等。运行于操作系统之上的RTS通过“操作系统适配层”来隐藏不同操作系统的具体实现细节，更换操作系统仅仅需要修改“操作系统适配层”即可。

3.2AutoThink层次化模块化设计

和利时IEC 61131-3编程软件AutoThink软件结构设计上分为三层：最上层是界面显示层，用户可以根据自己的需要来配置显示界面；第二层是逻辑结构层，该层抽象出了用户界面无关的逻辑数据结构；第三层是通讯服务层，在这一层会处理多种服务，提供不同的服务处理程序，如以太网通讯、串口通讯等。如图5所示：

图5　AutoThink层次化模块化结构图

（1）显示层

显示层或者说是界面层，包括了AutoThink的框架、控制语言视图、硬件配置视图、变量视图以及各种与显示相关的配置功能等。不同的可编程控制器产品，通过显示选项的配置，可以有不同风格的界面展示。

（2）逻辑结构层

逻辑结构层包含了组态软件核心组件，包括控制语言、硬件配置、数据组态、资源链接等。

（3）通讯服务层

目前包括串口以及以太网口的通讯驱动及服务处理，都是AutoThink与目标机交互的通道，为逻辑结构层提供服务接口。

4　和利时IEC 61131-3编程软件平台的典型应用

作为各种可编程控制器的统一软件解决方案，和利时自主化的IEC 61131-3编程软件平台，已经成功应用于以下主要工业控制领域。

（1）数字化火电厂

在高端大型火电站全厂一体化控制系统中，和利时产品可全面替代进口。例如，福建鸿山1000MW超超临界燃煤发电机组——目前中国按现场总线技术设计、控制规模最大的百万机组项目。提供DCS、DEH、MEH和FMEH一体化现场总线控制，在DCS现场设备层全面采用现场总线技术，现场总线控制数量达3626台，DCS控制点数达13058点。

（2）数字化核电厂

目前业绩遍及中国所有核电站并成功出口巴基斯坦。

（3）装备自动化

在装备自动化中，已经成为哈汽、上汽、东汽、北重、武汽、南汽、青汽、杭汽等大型装备控制系统的供应商。

（4）化工自动化

和利时已经成为全球最大的化工公司德国某化工公司控制系统的供应商。

（5）小型机器设备自动化

多轴联动的运动控制器应用：多线切割机。该切割机主要用于硬脆材料的切割，如磁性材料、压电材料、蓝宝石等。