基于IEC61131 - 3的PAS上位機軟件的設計與實現 - 楊學喜-

1、工業(yè)控制計算機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發(fā)的一種基于客戶機/服務器結構的分布式控制系統(tǒng)(DCS ,本文以IEC61131-3編程語言規(guī)范為基礎,在VC+6.0平臺下設計開發(fā)了PAS 控制系統(tǒng)上位機軟件PASTOOL-Config 。該軟件由功能塊算法庫、控制算法編輯、編譯和仿真等模塊組成,實現了對控制系統(tǒng)的程序編輯、運行方式控制、設置和控制策略仿真調試等操作。1IEC61131-3的控制系統(tǒng)上位機軟件開發(fā)1.1IEC61131-3的控制系統(tǒng)上位機軟件結構IEC61131-3的控制系統(tǒng)上位機軟件選擇了符合IEC61131-3的編程語言功能塊圖(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標準的各種規(guī)定還應該提供專有的組織方式和運行模式,軟件模型總體結構如圖1所示,由工程管理器、FBD 編輯環(huán)境、功能塊庫及實例化程序、編譯模塊、仿真調試程序這幾大模塊構成。以控制算法編輯器為主體、為用戶提供標準FBD 編程語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、數據類型檢查、離線仿真及組態(tài)等功能。1.2功能塊算法庫開發(fā)在PAS 上位機軟件中功能塊算法的代碼是以靜態(tài)鏈接庫的形式提供的,功能塊參數隨著功能塊實體的產生而產生。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:邏輯運算類、位運算類、數學運算類、三角

3、函數類、代數函數類、比較運算類、選擇運算類、開關量信號處理類、模擬量信號處理類、控制類。在每一類中根據具體的需求設計了相應的功能塊,如在控制類中設計了脈沖序列、伺服放大、PID 調節(jié)等功能塊。1.2.1功能塊參數功能塊是IEC61131-3中體現面向對象思想的元素,它具有類型和實例之分,因此在上位機軟件中把功能塊實例分為兩個部分:裝載功能塊參數的數據區(qū)和封裝功能塊算法的代碼區(qū)。算法相對系統(tǒng)是穩(wěn)定的,參數是相對活潑的元素,它會隨著每個實體的產生而產生。功能塊的參數根據其作用分為以下四種,下面以普通PID 功能塊圖為例來說明:1輸入使能參數:該參數可以激活輸入引腳,使能功能塊中的所有算法;2輸入參

4、數:功能塊實例的輸入引腳;3輸出參數:功能塊實例的輸出引腳;4內含參數:一些系統(tǒng)關鍵的組態(tài)參數,如PID 實例的自動調節(jié)輸出的上、下限。系統(tǒng)中的所有功能塊,需要定義一個統(tǒng)一的結構來描述它的外部信息。這些信息包括功能塊的名稱、位號、位圖類型、輸入引腳的個數、輸出引腳的個數、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穩(wěn)定的,一旦完成某個功能塊算法的基于IEC61131-3的PAS 上位機軟件的設計與實現Design and Realization of PAS Host-computer

5、Software Based on IEC61131-3楊學喜(重慶郵電大學網絡化控制與智能儀器儀表教育部重點實驗室,重慶400065郭海平陳學軍(中國四聯儀器儀表集團有限公司四聯技術中心,重慶401121摘要以IEC61131-3編程語言規(guī)范為基礎,通過對軟件模型及功能塊圖的分析,設計了基于IEC61131-3標準的上位機軟件,給出了軟件的整體架構、功能塊庫、控制策略編輯、編譯和仿真模塊的實現方法。通過對控制策略的軟仿真,驗證了該控制系統(tǒng)上位機軟件設計的正確性和可靠性。關鍵詞: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上位機軟件總體結構圖2功能塊圖31基于IEC61131-3的PAS 上位機軟件的設計與實現 編程,并通過調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 上位機軟件中功能塊的開發(fā)過程中,將所有功能塊的算法處理函數集中放在一個源文件(.c 文件中,通過編譯生成了一個靜態(tài)的功能塊庫(.dll 文件;并向外部以頭文件(.h 文件的形式提供函數調用的接口。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 上位機軟件功能塊庫中PID 功能塊的函數調用接口如下所示: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,函數的參數包括功能塊實例中除使能引腳以外所有輸入引腳值、所有內含參數的值;函數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發(fā)該模塊實現的功能是實現遵循IEC61131-3標準的可視化程序開發(fā)平臺,提供功能塊圖的編輯環(huán)境,用于接收用戶的輸入(FBD ,并將其存儲為對應的文件。對于FBD 語言,我們以鏈表的方式記載程序信息,其中鏈表中的一個結點對功能塊中一個連線、

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。控制算法編輯模塊的類關系如圖3所示。功能塊圖形化顯示的類為CDrawTool ,根據其不同的畫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 。這些類分別針對不同的畫面元素在工作窗口內的操作進行位置的改變和確定。功能塊圖中元素實例化的基類為CDrawObj ,定義了它們共有的屬性和操作。從繪圖類中根據不同的畫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應起來,實現每種算法塊的實例化,同時將功能塊串行化,形成組態(tài)鏈路關系。 圖3控制算法編輯模塊的類關系1.4控制算法編譯模塊開發(fā)功能塊圖的編譯實現難點是功能圖形單元的參數檢查、圖形單元間關系分析及關系文件生成。功能單元圖元、參數檢查及數據類型完畢后,遍歷所有功能塊圖端子及輸入輸出塊進行合法性檢查確定沒有錯誤后遍歷所有邏輯關系生成組態(tài)文件。功能塊文件的編譯以單個的圖形單元為基礎,通過分析單元之間的連接關系,最終形成編譯結果。對單個圖形單元的編譯,即是對該圖元的參數進行分析處理,包括參數是否存在判斷、類型匹配判斷、地址合法性判斷、功

12、能塊執(zhí)行號合法性判斷等,函數實現流程見圖4。在圖元編譯過程中,需要進行類型匹配檢查,即允許的類型與實際的類型進行匹配分析。在參數逐個檢查完畢后,需要進行參數一致性判斷。在功能塊圖元中,許多情況需要多個參數,多個參數的類型存在某種約束。如小于比較指令(標識符為“”,其所帶的輸入參數有2個,即參與比較大小的兩個數值?？赡艿臄祿愋陀?位、字、整型、浮點數、時間類型、狀態(tài)類型等,還可能為常數數據。但是參與運算的兩個數據。其類型必須一致,即整型只能與整型比較,而與時間類型數值運算則為非法。1.5控制算法仿真模塊開發(fā)調試仿真是軟件平臺的重要組成部分,它負責在上位機軟件平臺上模擬系統(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,但需要調用仿真平臺提供的功能塊庫函數進行運算,并把所有功能塊引腳值顯示在功能塊實例的引腳邊。在線仿真需要和控制器進行通訊,向控制器發(fā)送取內存值命令,讀取程序中所有功能塊實例引腳的內存值,并實現數據的顯示。它不需要調用仿真平臺提供的功能塊庫函數。在PAS 上位機軟件中,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)仿真運行首先組態(tài)工程師根據控制系統(tǒng)的需要,選擇相應的功能塊和變量放在仿真平臺中間的功能塊圖(FBD 編輯區(qū);然后對功能塊的輸入引腳和輸出引腳以及變量進行連線并規(guī)定功能塊的執(zhí)行順序,同時通過雙擊功能

14、塊實例的圖元設置功能塊的內含參數;最后,通過點擊編譯按鈕進行編譯待編譯成功后,就進入可仿真狀態(tài)。下面以過程控制中的流量控制為例說明仿真的過程。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系,這樣從該模擬量輸入通道采集到的流量值就存儲在這個變量中,后通過數字濾波功能塊(FILTE 以及轉換成百分數功能塊(t%將流量值以百分數形式傳入到PID 調節(jié)模塊的測量值(INP 端,其中轉換成百分數功能塊(t%的最大值(MAX 與最小值(MIN 需要與具體的電磁流量計的量程范圍向對應。本案例選取的流量計當口徑為300mm 時,流量范圍為12

15、7.35089.4m 3/h 。最后將測量值(INP 與設定值(SP 相比較,通過PID 運算產生調節(jié)輸出存儲在變量AO-1-2-01中,這樣產生的輸出就能驅動閥門定位器達到對流量進行控制的目的。如圖5所示,當仿真開始運行前對通道變量AI-01-1-1-01賦值為2000m 3/h ,然后通過點擊周期仿真的按鈕將控制系統(tǒng)運行一個周期后的結果顯示在功能塊的端子上,工程設計人員根據運算的結果就能判斷控制系統(tǒng)邏(下轉第35頁圖4編譯模塊流程圖32工業(yè)控制計算機2010年第23卷第3期(上接第32頁輯設計的正確性。通過連續(xù)仿真或周期仿真觀察運行的結果表明測量值(INP 逐漸與設定植(SP 相接近,最終

16、達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖5仿真平臺運行界面PAS 上位機軟件使組態(tài)工程師能夠在軟件平臺上很方便的對系統(tǒng)行為進行仿真和模擬,并判斷基于功能塊的控制回路設計的正確性和可靠性。3結束語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標準開發(fā),可以方便地進行功能擴充或升級。例如增加一種新的功能塊,僅需要在數據庫的功能塊圖(FBD 單元表中追加該功能塊的類型名稱、位號、繪圖參數及引腳類型等信息。使用該軟件進行邏輯功能組態(tài),簡單方便且高效,可實現復雜的控制功能。同時利用仿真平臺提供的連續(xù)仿真、周期仿真,中斷仿真以及回放顯示等功能,能夠對控制系統(tǒng)的行為進行仿真和模擬。參考文獻1葛益

17、軍,王文海.基于IEC61131-3的編程系統(tǒng)的設計與實現J .制造業(yè)自動化,2006(72黃延延,林躍,于海斌.軟PLC 技術研究及實現J .計算機工程,2004(13邢建春,王雙慶,關光炳.IEC61131-3工業(yè)自動化系統(tǒng)的控制邏輯上位機軟件標準J .世界儀表與自動化,20034魏江,章凌,黃文君,等.基于DCS 的多語言編程軟件的設計與實現J .化工自動化及儀表,2005,32(2:39-425高金源,夏潔.計算機控制系統(tǒng)M .北京:清華大學出版社,2007收稿日期:2009.8.21 改,添加如下配置選項定義:#define CONFIG_FEC21/FEC0缺省啟用,此處啟用第二個

18、FEC#defineCONFIG_FEC_SHARED_PHY1/允許使用FEC0的MDIO 接口控制兩個PHY 對函數fec_request_intrs(struct net_device 觹dev中關于MCU 引腳配置部分進行修改。當然要啟用網絡協(xié)議棧功能,還需要對內核網絡部分進行配置。4.4USB 接口移植系統(tǒng)使用片上USB 收發(fā)器并使用PLL 提供時鐘,需要修改/arch /m68k /coldfire /usb /xcvr.c 中函數xcvr_init 關于USB 時鐘部分。配置內核與USB 相關的選項如下:.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)調用FPGA 實現的IP Core 通過系統(tǒng)調用提供給用戶,這比封裝設備處理效率更高,主要包括擴展的兩個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)調用的方法:1在kernelsys.c 中添加newsyscall(int number源碼實現asmlinkage int sys_newsyscall(int number邀.妖2在archm68kcoldfireentry.s 的系統(tǒng)調用入口表中添加:.long sys_newsyscall3在inclueasm-m68kunistd.h