基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)作者:仲崇權(quán) 劉振堃 楊素英 張立勇 發(fā)布時(shí)間:200904-12 20:56：46來源：大連理工大學(xué)電子與信息工程學(xué)院繁體版 訪問數(shù)： 157 Abstract This paper introduces the architecture and characteristics of IEC 61499 standard， Function Blocks for Distributed IndustrialProcess Measurement and Control System （ IPMCS ）。 IEC 61499 functi歡迎訪問a

2、utooo。netAbstractThis paper introduces the architecture and characteristics of IEC 61499 standard, Function Blocks for Distributed IndustrialProcess Measurement and Control System （ IPMCS ）。 IEC 61499 function blocks are based on software component technology， and control systems constructed by func

3、tion blocks have lots of advantages e。g。 scalability, flexibility， objectorientation, while the system configuration is simple and fast。 Design patterns for constructing control systems under IEC 61499 context are also concerned in this article ,and a instance of test and simulation system is provid

4、ed。Key Words： IEC 61499 Function block Distributed control system Software component 摘要本文介紹分布式工業(yè)過程測(cè)量與控制系統(tǒng)（IPMCS）中的功能塊IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu).IEC 61499功能塊采用軟件組件技術(shù)，基于功能塊的控制系統(tǒng)具有可擴(kuò)展性、可伸縮性、面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn),且系統(tǒng)組態(tài)簡(jiǎn)單、快速。文中討論了使用IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)建構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，并給出一個(gè)測(cè)試和仿真實(shí)例系統(tǒng).關(guān)鍵詞:IEC 61499 功能塊 分布式控制系統(tǒng) 軟件組件引 言20世紀(jì)90年代以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、控制技術(shù)

5、的發(fā)展促使控制系統(tǒng)向數(shù)字式、分布式、開放可互操作和面向開放式互連網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）發(fā)展.與此同時(shí)，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中已開始應(yīng)用先進(jìn)制造、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能技術(shù)和專家系統(tǒng)。制造自動(dòng)化向計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）、精良生產(chǎn)、敏捷制造、整分制造系統(tǒng)(Holonic Manufacturing System）方向發(fā)展，過程工業(yè)向計(jì)算機(jī)集成過程系統(tǒng)(CIPS）發(fā)展。新型工業(yè)控制系統(tǒng)具有的一些控制要求和特點(diǎn)，如實(shí)時(shí)控制、分布控制、事件驅(qū)動(dòng)控制、智能控制，不僅實(shí)質(zhì)地提高了工業(yè)系統(tǒng)的控制功能，同時(shí)也對(duì)其系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提出了新形式和高要求。在工業(yè)實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域，硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展促使在

6、工業(yè)控制和自動(dòng)化的末端設(shè)備(傳感器和執(zhí)行器）里可嵌入的功能達(dá)到一個(gè)新高度。這些自治的智能末端設(shè)備節(jié)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)控制功能的基本單元，通過網(wǎng)絡(luò)可將它們連接起來形成一個(gè)完整系統(tǒng)。利用基本單元組成完整的控制系統(tǒng)，需要有體系化的框架、方法和工具。這些框架、方法和工具應(yīng)該支持這些設(shè)備中控制功能知識(shí)特征（IP）的廣泛使用,同時(shí)支持把這些設(shè)備組合成可伸縮、可變形自動(dòng)化(SFA)系統(tǒng)。這些框架、方法和工具的主要要求包括1： (a） 面向軟件組件，支持IP封裝、重用和移植；（b） 設(shè)備互操作性；（c） 分布和集成應(yīng)用的能力；（d） 可伸縮性；（e） 可擴(kuò)展性;（f） 可重構(gòu)性.在過去的十多年中,IEC TC65一直在

7、開發(fā)一系列的使用功能塊的標(biāo)準(zhǔn)滿足以上要求。其中的主要標(biāo)準(zhǔn)IEC 61499定義了分布式工業(yè)過程測(cè)量與控制系統(tǒng)中使用的功能塊。利用健壯、可重用、即插即用的軟件組件-功能塊對(duì)局部細(xì)節(jié)問題提供解決途徑，然后將所有的功能塊通過網(wǎng)絡(luò)連接、集成并形成分布式應(yīng)用以解決整體的工業(yè)控制問題，從而構(gòu)建全分布、全開放、面向?qū)ο蟮墓I(yè)控制系統(tǒng)。1IEC 61499功能塊標(biāo)準(zhǔn)11 概述IEC 61499是用于分布式工業(yè)過程測(cè)量與控制系統(tǒng)功能塊的標(biāo)準(zhǔn)。1990年，IEC TC65（國際電工協(xié)會(huì)第65技術(shù)委員會(huì)）收到一個(gè)將分布式工業(yè)過程測(cè)量與控制系統(tǒng)中的軟件模塊（稱“功能塊”)某些方面標(biāo)準(zhǔn)化的建議，其中特別強(qiáng)調(diào)了使用IEC

8、 61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)的IPMCS。功能塊同時(shí)也是可編程控制器使用的編程語言標(biāo)準(zhǔn)IEC 611313的基本組成部分之一，因此TC65決定制定功能塊的通用模型,這就是IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的由來.IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)是隨著系統(tǒng)控制功能分散化、智能化的要求出現(xiàn)的。利用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備、智能儀器和傳感器構(gòu)造的大型復(fù)雜控制系統(tǒng),控制功能可物理分散在許多設(shè)備中,不同設(shè)備中的軟件通過通訊網(wǎng)絡(luò)互連起來。利用IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)，由功能塊實(shí)現(xiàn)這些軟件單元,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行功能塊互連,可實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的控制功能。例如,智能壓力傳感器可定義成一個(gè)內(nèi)嵌的模擬輸入AI功能塊，它提供一組已定義的輸入和輸出，比如實(shí)際

9、測(cè)量壓力值、傳感器標(biāo)定值和錯(cuò)誤狀態(tài)。利用IEC 61499標(biāo)準(zhǔn),這些輸入和輸出可連接到其他功能塊的輸入和輸出，例如壓力傳感器錯(cuò)誤狀態(tài)就可連接到一個(gè)驅(qū)動(dòng)報(bào)警顯示的功能塊,而所有這些功能塊分散在一個(gè)分布式系統(tǒng)的不同設(shè)備中.這種方法為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了高度靈活性。IEC 61499功能塊能實(shí)現(xiàn)這種完全的分布式IPMCS，其關(guān)鍵在于采用軟件組件（software component）技術(shù)設(shè)計(jì)功能塊。組件是獨(dú)立于特定程序設(shè)計(jì)語言和應(yīng)用系統(tǒng)、可重用和自包含的軟件成分.組件技術(shù)是基于面向?qū)ο蟮?、支持拖放（drog and drop）和即插即用（plug and play）的軟件開發(fā)概念?；诮M件技術(shù)

10、的開發(fā)方法,具有開放型、易升級(jí)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn).目前主要有CORBA、COM和JavaBeans2三種組件技術(shù)規(guī)范，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)可自由選擇.IEC 61499功能塊是健壯的、可重用的軟件組件,一個(gè)功能塊提供對(duì)特定問題的解決方法，例如對(duì)閥的控制，或控制工廠的主體單元（如整條生產(chǎn)線)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)控制功能需要選擇特定功能塊，并按照IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)將它們進(jìn)行軟件互連,設(shè)計(jì)靈活，且系統(tǒng)可伸縮、可變形?？深A(yù)見將來的工業(yè)控制器和儀表可把功能塊作為設(shè)備固件的一部分，或從功能塊庫里選擇下載,而系統(tǒng)設(shè)計(jì)將成為功能塊選擇、組態(tài)和互連的簡(jiǎn)單工作.IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)分為體系結(jié)構(gòu)、軟件工具

11、要求、應(yīng)用規(guī)則和符合行規(guī)規(guī)則四部分。標(biāo)準(zhǔn)定義了一個(gè)通用體系結(jié)構(gòu),并制定了功能塊在分布式IPMCS中的應(yīng)用規(guī)則。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括：各種參考模型,如系統(tǒng)模型、設(shè)備模型、功能塊模型、管理模型等；IPMCS中功能塊的聲明規(guī)則、行為規(guī)則、應(yīng)用規(guī)則;管理應(yīng)用、資源和設(shè)備時(shí)功能塊的使用規(guī)則;設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、操作和維護(hù)分布式IPMCS的工程支持。此體系結(jié)構(gòu)以參考模型、文本語法和圖形表示為基礎(chǔ)，利用它們可以實(shí)現(xiàn)以下工程任務(wù):功能塊類型的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化；系統(tǒng)功能和元素的標(biāo)準(zhǔn)化；分布式IPMCS的規(guī)范化、分析和驗(yàn)證;分布式IPMCS的構(gòu)造、實(shí)現(xiàn)、操作和維護(hù)；實(shí)現(xiàn)以上功能的軟件工具間信息交互。12 IEC 61499體系結(jié)構(gòu)依

12、照IEC 61499構(gòu)建的系統(tǒng)從下到上層次結(jié)構(gòu)為功能塊、資源、設(shè)備和系統(tǒng).功能塊是系統(tǒng)基本單元,資源是功能塊的容器，設(shè)備包含單條或多條資源，而設(shè)備的互連形成分布式系統(tǒng).121 功能塊（Function Block）IEC 61499中，軟件封裝和重用的基本單元是功能塊。功能塊是一個(gè)軟件功能單元，它由一個(gè)由其類型決定的專有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)操作組成3。IEC 61499功能塊按功能分為基本功能塊、復(fù)合功能塊、服務(wù)接口功能塊（通訊功能塊和管理功能塊)和適配器（插件和插座)?；竟δ軌K由事件輸入和輸出、數(shù)據(jù)輸入和輸出、執(zhí)行控制表ECC、算法和內(nèi)部數(shù)據(jù)組成，如圖1所示。執(zhí)行控制表是一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)機(jī)，它

13、決定狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律、狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)與輸入事件的關(guān)系、執(zhí)行算法與進(jìn)入新狀態(tài)時(shí)發(fā)出事件的關(guān)系。算法決定功能塊的功能特性。特定事件發(fā)生時(shí)，其變化反映在相應(yīng)的事件輸入上，它驅(qū)動(dòng)相應(yīng)算法執(zhí)行，算法讀取輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)產(chǎn)生內(nèi)部數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的新值，最后發(fā)出一個(gè)事件并把它輸出到事件輸出上.功能塊的最大特征在于其封裝性，具有黑盒子特性。對(duì)于功能塊外部來說，算法、執(zhí)行控制表和內(nèi)部數(shù)據(jù)都是不可見的，而且使用功能塊時(shí)一般只需知道其外部接口，如圖2所示.功能塊MECH_CTL里包括事件輸入START、SENSE、ESTOP和事件輸出CMD，以及數(shù)據(jù)輸入SINGLE、HOME、END和數(shù)據(jù)輸出FW

14、D、REV。其中EVENT表示相應(yīng)外部接口是事件輸入或輸出，BOOL則表示相應(yīng)外部接口是數(shù)據(jù)輸入或輸出，且為布爾類型。事件接口和數(shù)據(jù)接口之間的垂直線連接，如圖中事件輸入SENSE與數(shù)據(jù)輸入HOME和END相關(guān)聯(lián)，表示SENSE事件到來時(shí)，功能塊將對(duì)HOME和END進(jìn)行采樣。圖1 基本功能塊的結(jié)構(gòu)圖2 功能塊外部接口IEC61499定義了描述功能塊的通用模型和方法，以圖形和文本兩種方式表示。為使功能塊定義易于保存和移植，采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML4定義系統(tǒng)、設(shè)備、資源和功能塊，這樣有可能在Internet上傳播功能塊的定義，并利用web瀏覽器查看它。122 資源（Resource）資源是包含在設(shè)備

15、里的一個(gè)功能單元。在一個(gè)設(shè)備里可以在不影響其他資源的情況下對(duì)一條資源執(zhí)行創(chuàng)建、構(gòu)造、參數(shù)化、啟動(dòng)、刪除操作。資源的功能，是接收來自過程和通訊接口的數(shù)據(jù)和事件、處理這些數(shù)據(jù)和事件，并給過程和通訊接口返回?cái)?shù)據(jù)和事件。一條資源包括一個(gè)本地應(yīng)用（或分布式應(yīng)用的本地部分)、過程映射、通訊映射和調(diào)度函數(shù).將服務(wù)接口功能塊SIFB和基本、復(fù)合功能塊聯(lián)合使用形成資源以提供一個(gè)分布式控制應(yīng)用的本地部分如圖3所示.123 設(shè)備(Device）設(shè)備是多條資源的容器，并提供這些資源與通訊網(wǎng)絡(luò)、傳感器和執(zhí)行器之間的接口。這些接口提供的服務(wù)由支持分布式應(yīng)用的專用資源中的SIFB完成.通訊網(wǎng)絡(luò)把各分散設(shè)備集成為一個(gè)完整的系

16、統(tǒng)。這樣，分布在不同物理設(shè)備中的功能塊形成了一個(gè)真正的分布式應(yīng)用，如圖4所示。圖3 IEC 61499資源模型圖4 分布式應(yīng)用的功能塊連接1。3 功能塊的優(yōu)勢(shì)功能塊由使用軟件組件中獲得很多優(yōu)勢(shì)5：(1）功能塊反映了現(xiàn)實(shí)世界。設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用時(shí)，一個(gè)功能塊表示控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)功能實(shí)體，各功能塊實(shí)體組合成控制系統(tǒng)。（2）功能塊是穩(wěn)定的。功能塊是已經(jīng)證明有效的軟件單元，一般不會(huì)有大變動(dòng),用戶可在不同應(yīng)用中使用同一功能塊.功能塊封裝的算法,在不同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可不做任何修改直接使用.(3）功能塊降低復(fù)雜性。用戶可使用一個(gè)功能塊而不用關(guān)心它內(nèi)部如何工作，因?yàn)楣δ軌K可隱藏其內(nèi)部算法的復(fù)雜性，開發(fā)一個(gè)應(yīng)用只

17、需創(chuàng)建并連接多個(gè)功能塊.（4）功能塊可重用。驗(yàn)證有效的功能塊可隨庫發(fā)布，因此可被其他開發(fā)者使用.功能塊的以上優(yōu)點(diǎn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者和最終用戶帶來以下益處:(1）利用功能塊開發(fā)應(yīng)用可大大減少控制軟件的數(shù)量。(2）開發(fā)控制系統(tǒng)的時(shí)間縮短。（3）使用相同功能塊的系統(tǒng)具有一致行為。（4）已證明有效的設(shè)計(jì)方案可重復(fù)使用2 基于功能塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式在IEC 61499體系架構(gòu)下,常用設(shè)計(jì)模式有三種6：分布式應(yīng)用、代理和MVC。21 分布式應(yīng)用利用此模式設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，首先根據(jù)所實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求用功能塊原始連接圖定義此分布式應(yīng)用，其中每個(gè)功能塊對(duì)應(yīng)相應(yīng)的控制功能。接著選擇適當(dāng)?shù)陌@些核心功能塊的資源，并根據(jù)

18、實(shí)現(xiàn)需要把資源包含在不同設(shè)備里。然后將應(yīng)用中的功能塊映射到相應(yīng)資源中的相應(yīng)功能塊。最后利用通訊服務(wù)接口功能塊實(shí)現(xiàn)不同資源和設(shè)備中的功能塊之間事件和數(shù)據(jù)的互連,以達(dá)到分布式應(yīng)用的信息流通訊要求。22 代理（proxy）代理模式通過建立一個(gè)遠(yuǎn)程服務(wù)器的本地代理而把客戶與服務(wù)器分離.當(dāng)客戶要求服務(wù)器提供服務(wù)時(shí)，它詢問本地代理.于是代理向原始服務(wù)器發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求。IEC 61499環(huán)境下這種模式的一種使用方法是利用SIFB為那些不兼容IEC 61499標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備提供代理.23 MVC（Model/View/Controller）IEC 61499環(huán)境下一般使用改進(jìn)MVC模式進(jìn)行IPMCS的建模、仿真和測(cè)

19、試。在此模式下,Model、View和Controller都是IEC 61499基本功能塊.Model塊表示受控系統(tǒng)或設(shè)備的行為，View塊表示與一個(gè)或多個(gè)Model塊關(guān)聯(lián)的圖形顯示,Controller塊封裝對(duì)一個(gè)或多個(gè)Model塊執(zhí)行的控制功能,并提供與其他Controller塊集成所需的事件和數(shù)據(jù)接口。同時(shí)，設(shè)備與用戶互作用由人機(jī)互作用HMI元素表示,它也是一個(gè)功能塊.改進(jìn)的MVC框圖如圖5。圖5 MVC的改進(jìn)框圖3系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真實(shí)例利用FBDT（FB Developer Kit）構(gòu)造的應(yīng)用DRILL_MVCL完成鉆孔機(jī)的控制和監(jiān)視功能。系統(tǒng)由MODEL、VIEW、CONTROL和HMI

20、四個(gè)設(shè)備組成，分別完成MVC模式下Model, View和Controller的功能，而HMI則處理人機(jī)互作用,如圖6所示。圖6 DRILL MVCL的結(jié)構(gòu)LL資源里的功能塊網(wǎng)絡(luò)每個(gè)設(shè)備中包含多條資源。以CONTROL設(shè)備為例,它含LOAD、SUPPLY、DRILL、UNLOAD和TAKEOFF資源，如圖7所示.LOAD資源控制工件的裝載，SUPPLY資源控制將工件通過傳送帶傳送至鉆孔機(jī)下，DRILL則控制鉆孔機(jī)對(duì)工件鉆孔，UNLOAD將鉆過孔的工件從鉆孔機(jī)處卸載，TAKEOFF則把工件從流程上取出.資源功能的實(shí)現(xiàn)依賴于其內(nèi)部功能塊集合.以CONTROL設(shè)備中的DRILL資源為例,它包含STA

21、RT，DRILL_SENSE，SLIDE_SENSE,CTL,SLIDE_ACT和SLIDE_SENSE功能塊，如圖6所示。START是啟動(dòng)功能塊，完成資源的初始化功能，由圖中事件連接可知，START發(fā)出COLD冷啟動(dòng)事件,導(dǎo)致DRILL_SENSE塊的INIT事件發(fā)生，它初始化后發(fā)出INI0事件,并依次導(dǎo)致SLIDE_SENSE、SLIDE_ACT和DRILL_ACT初始化.DRILL_SENSE和SLIDE_SENSE是SUBSCRIBER預(yù)定功能塊,它們從上游資源的PUBLISHER發(fā)布功能塊中獲取事件和數(shù)據(jù)；SLIDE_ACT和DRILL_ACT是發(fā)布功能塊，它們與下游資源中的預(yù)定功能

22、塊連接并把所需的事件和數(shù)據(jù)傳送過去。這四個(gè)塊都是通訊服務(wù)接口功能塊CSFIB,它們的作用在于形成此分布式應(yīng)用中指明的事件和數(shù)據(jù)流，完全服務(wù)于核心塊CTL。CTL塊完成滑片和鉆頭的控制功能。例如，DSENSE事件到來時(shí)，CTL采樣DHOME、DEND和DSPIN數(shù)據(jù)接口上的值，算法執(zhí)行后輸出ACT事件，并由DRILL_ACT發(fā)布出去，控制鉆頭鉆孔。利用運(yùn)行環(huán)境，DRILL_MVCL系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖8所示。HMI視圖表示相應(yīng)變量的當(dāng)前狀態(tài),用橙、白燈代表，并可進(jìn)行相應(yīng)控制。VIEW視圖是鉆孔流程的模擬視圖，圖中顯示一個(gè)在傳送帶上傳送的未鉆孔工件和滑片上的已鉆孔工件。圖8 DRILL_MVCL系統(tǒng)

23、的仿真運(yùn)行4 結(jié)束語為創(chuàng)建下一代工業(yè)分布式控制系統(tǒng)的新技術(shù)和新體系而導(dǎo)致了IEC 61499的產(chǎn)生，目前IEC 61499 PAS版處于國際標(biāo)準(zhǔn)（IS)的試驗(yàn)階段，但工業(yè)界已經(jīng)表示了對(duì)它的興趣?；谶@種新方法的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具和產(chǎn)品對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來的利益是可以預(yù)見的.西門子公司提出的對(duì)Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議擴(kuò)展的ProfiNet架構(gòu)以IEC 61499為核心，同時(shí)西門子又進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)了此標(biāo)準(zhǔn),提出了基于組件的自動(dòng)化CBA。Rockwell已經(jīng)表示了對(duì)IEC 61499的關(guān)注，IAONA組織也發(fā)布消息提出在現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備中使用此標(biāo)準(zhǔn)的意向.毫無疑問，依照開放標(biāo)準(zhǔn)如IEC61499實(shí)現(xiàn)的真正分布式控制，在不久的將來將改變工業(yè)控制的面貌。參考文獻(xiàn)1 James H。Christe