工業(yè)控制編程語言標準IEC市公開課一等獎省賽課獲獎?wù)n件

監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集技術(shù)華東理工大學(xué)自動化系王華忠hzwang@工業(yè)控制編程語言標準IEC第1頁Ch6工業(yè)控制編程語言標準

IEC61131-3工業(yè)控制編程語言標準IEC第2頁一、IEC61131-3標準產(chǎn)生與特點工業(yè)控制編程語言標準IEC第3頁1、傳統(tǒng)PLC編程語言不足梯形圖語言規(guī)范不一致程序可復(fù)用性差缺乏足夠程序封裝能力不支持數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)程序執(zhí)行含有不足難以實現(xiàn)選擇或并行等復(fù)雜順控操作傳統(tǒng)梯形圖編程在算術(shù)運算處理、字符串或文字處理等方面均不能提供強有力支持工業(yè)控制編程語言標準IEC第4頁2、IEC61131-3標準產(chǎn)生

1992年以后，IEC陸續(xù)頒布施行可編程序控制器國際標準IEC61131各個部分。已正式頒布有：IEC61131-1通用信息，5月出版第二版）IEC61131-2裝置要求與測試，2月出版第二版）IEC61131-3編程語言，1月出版第二版）IEC61131-4用戶導(dǎo)則（1995）IEC61131-5通信服務(wù)規(guī)范）IEC61131-7含糊控制編程軟件工具實施（）IEC61131-8IEC61131-3語言應(yīng)用和實現(xiàn)導(dǎo)則（）工業(yè)控制編程語言標準IEC第5頁中國工業(yè)過程測量和控制標準化委員會按與IEC國際標準等效標準，組織翻譯出版工作。1995年12月29日頒布了PLC國家標準GB/T15969.1,15969.2,15969.3,15969.4，包括IEC61131第一、第二、第三和第四部分。GB/T15969.5《通信服務(wù)規(guī)范》在5月頒布出版，GB/T15969.8《IEC61131-3語言實現(xiàn)導(dǎo)則》，已于年8月實施。工業(yè)控制編程語言標準IEC第6頁IEC61131-3是當今世界第一個為工業(yè)自動化控制系統(tǒng)軟件設(shè)計提供標準化編程語言國際標準。以前，國際上沒有出現(xiàn)過為制訂通用控制語言而開展標準化活動。這顯然是注意到因為DCS等以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)控制裝置在發(fā)展進程中過于專有化，給用戶帶來大量不便。這一標準為可編程控制器軟件技術(shù)發(fā)展，乃至整個工業(yè)控制軟件技術(shù)發(fā)展，起了舉足輕重推進作用。能夠說，沒有編程語言標準化，便沒有今天PLC走向開放式系統(tǒng)堅實基礎(chǔ)。這個標準將當代軟件概念和當代軟件工程機制與傳統(tǒng)PLC編程語言成功地結(jié)合，又對當代種類繁多工業(yè)控制器中編程概念及語言進行了標準化。工業(yè)控制編程語言標準IEC第7頁3、特點IEC61131-3允許在同一個PLC中使用各種編程語言，允許程序開發(fā)人員對每一個特定任務(wù)選擇最適當編程語言，還允許在同一個控制程序中不一樣軟件模塊用不一樣編程語言編制，以充分發(fā)揮不一樣編程語言應(yīng)用特點。標準中多語言包容性很好地正視了PLC發(fā)展歷史中形成編程語言多樣化現(xiàn)實，為PLC軟件技術(shù)深入發(fā)展提供了足夠技術(shù)空間和自由度。

工業(yè)控制編程語言標準IEC第8頁4、優(yōu)勢采取當代軟件模塊化標準，主要內(nèi)容包含：編程語言支持模塊化，將慣用程序功效劃分為若干單元，并加以封裝，組成編程基礎(chǔ)。模塊化時，只設(shè)置必要、盡可能少輸入和輸出參數(shù)，盡可能降低交互作用和內(nèi)部數(shù)據(jù)交換。模塊化接口之間交互作用均采取顯性定義。將信息隱藏于模塊內(nèi)，對使用者來講只需了解該模塊外部特征（即功效、輸入和輸出參數(shù)），而無需了解模塊內(nèi)算法詳細實現(xiàn)方法。工業(yè)控制編程語言標準IEC第9頁IEC61131-3支持自頂而下（TopDown）和自底而上（BottomUp）程序開發(fā)方法。自頂而下開發(fā)過程是用戶首先進行系統(tǒng)總體設(shè)計，將控制任務(wù)劃分為若干個模塊，然后定義變量和進行模塊設(shè)計，編寫各個模塊程序；自底而上開發(fā)過程是用戶先從底部開始編程，比如先導(dǎo)出函數(shù)和功效塊，再按照控制要求編制程序。不論選擇何種開發(fā)方法，IEC61131-3所創(chuàng)建開發(fā)環(huán)境均會在整個編程過程中給予強有力支持。

工業(yè)控制編程語言標準IEC第10頁IEC61131-3所規(guī)范編程系統(tǒng)獨立于任一個詳細目標系統(tǒng)，它能夠最大程度地在不一樣PLC目標系統(tǒng)中運行。這么不但創(chuàng)造了一個含有良好開放性氣氛，奠定了PLC編程開放性基礎(chǔ)，而且能夠有效躲避標準與詳細目標系統(tǒng)關(guān)聯(lián)而引發(fā)利益糾葛，表達標準公正性。

工業(yè)控制編程語言標準IEC第11頁將當代軟件概念濃縮，并加以利用。比如：數(shù)據(jù)使用DATA_TYPE申明機制；功效（函數(shù)）使用FUNCTION申明機制；數(shù)據(jù)和功效組合使用FUNCTION_BLOCK申明機制。完善數(shù)據(jù)類型定義和運算限制。軟件工程師很早就認識到許多編程錯誤往往發(fā)生在程序不一樣部分，其數(shù)據(jù)表示和處理不一樣。IEC61131-3從源頭上注意預(yù)防這類低級錯誤，即使采取方法可能造成效率降低一點，但換來價值卻是程序可靠性、可讀性和可維護性。

工業(yè)控制編程語言標準IEC第12頁對程序執(zhí)行含有完全控制能力。傳統(tǒng)PLC只能按掃描方式次序執(zhí)行程序，對程序執(zhí)行其它要求，如由事件驅(qū)動某一段程序執(zhí)行、程序并行處理等均無能為力。IEC61131-3允許程序不一樣部分、在不一樣條件（包含時間條件）下、以不一樣比率并行執(zhí)行工業(yè)控制編程語言標準IEC第13頁對程序執(zhí)行含有完全控制能力。傳統(tǒng)PLC只能按掃描方式次序執(zhí)行程序，對程序執(zhí)行其它要求，如由事件驅(qū)動某一段程序執(zhí)行、程序并行處理等均無能為力。IEC61131-3允許程序不一樣部分、在不一樣條件（包含時間條件）下、以不一樣比率并行執(zhí)行。結(jié)構(gòu)化編程。對于循環(huán)執(zhí)行程序、中止執(zhí)行程序、初始化執(zhí)行程序等能夠分開設(shè)計。另外，循環(huán)執(zhí)行程序還能夠依據(jù)執(zhí)行周期分開設(shè)計。

工業(yè)控制編程語言標準IEC第14頁二、IEC61131-3標準主要內(nèi)容工業(yè)控制編程語言標準IEC第15頁1、概述IEC61131-3編程語言標準分為兩部分：公用元素、編程語言公用元素部分給出軟件模型和編程模型，引入配置、資源、任務(wù)和存取路徑等基本概念。說明各種編程語言中使用字符集、標識符、關(guān)鍵字等，定義數(shù)據(jù)外部表示、數(shù)據(jù)類型、變量和程序組織單元等，定義次序功效表圖基本元素等。編程語言部分定義了兩大類編程語言：文本化編程語言和圖形化編程語言工業(yè)控制編程語言標準IEC第16頁圖6.1IEC61131-3標準層次與結(jié)構(gòu)工業(yè)控制編程語言標準IEC第17頁語言元素表6.1語言元素示例語言元素含義示例分界符含有不一樣含義專用字符（，），=，+，-，*，$，;，:=，#，空格符關(guān)鍵字標準標識符，作為編程語言中“字”RETAIN,CONFIGURATION,END_VAR,FUNCTION,PROGRAM直接量用于表示不一樣數(shù)據(jù)類型數(shù)值78，4.372E-5，16#a5標識符字母數(shù)字字符串，用于用戶指定變量名、標號或POU等MW212，Doutput1，SwitchIn，realyout，P1_V3工業(yè)控制編程語言標準IEC第18頁關(guān)鍵字

關(guān)鍵字（keyword）是語言元素特征化詞法單元。關(guān)鍵字是標準標志符。在IEC61131-3標準中，關(guān)鍵字是結(jié)構(gòu)申明和語句固定符號表示法，其拼寫和含義均由IEC61131-3標準明確要求。所以，關(guān)鍵字不能用于用戶定義變量或其它名稱。這一點與高級編程語言是一致。關(guān)鍵字不區(qū)分字母大、小寫。比如，關(guān)鍵字“FOR”和“for”是等價。為了更加好地進行區(qū)分，關(guān)鍵字通常以大寫字母表示。表6.3所表示為關(guān)鍵字及其含義。關(guān)鍵字主要包含：基本數(shù)據(jù)類型名稱、標準功效名、標準功效塊名、標準功效輸入?yún)?shù)名、標準功效塊輸入和輸出參數(shù)名、圖形編程語言中EN和ENO變量、指令表語言中運算符、結(jié)構(gòu)化文本語言中語言元素、次序功效圖語言中語言元素。工業(yè)控制編程語言標準IEC第19頁直接量直接量用來表示常數(shù)變量數(shù)值，其格式取決于變量數(shù)據(jù)類型。直接量有3種基本類型：數(shù)字直接量字符串直接量時間直接量標識符標識符（identifier）是字母、數(shù)字和下劃線字符組合。其開始必須是字母或下劃線字符，并被命名為語言元素（LanguageElement）。標識符對字母大、小寫不敏感，所以標識符ABCD和abcD含有相同意義。標識符用于表示變量、標號，以及功效、功效塊、程序組織單元等名稱。

工業(yè)控制編程語言標準IEC第20頁2、數(shù)據(jù)類型IEC61131-3對數(shù)據(jù)類型進行了定義，從而預(yù)防對數(shù)據(jù)類型不一樣設(shè)置而發(fā)生犯錯。數(shù)據(jù)類型標準化是編程語言開放性主要標準。在IEC61131-3中定義普通數(shù)據(jù)類型和非普通數(shù)據(jù)類型兩類。非普通數(shù)據(jù)類型又可分為基本數(shù)據(jù)類型和衍生數(shù)據(jù)類型。基本數(shù)據(jù)類型有21種。數(shù)據(jù)類型與它在數(shù)據(jù)存放器中所占用數(shù)據(jù)寬度相關(guān)。工業(yè)控制編程語言標準IEC第21頁普通數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)用前綴“ANY”標識，用于標準函數(shù)和標準功效塊輸入和輸出連接。它采取分級結(jié)構(gòu)。衍生數(shù)據(jù)類型是由用戶定義數(shù)據(jù)類型，它建立在基本數(shù)據(jù)類型基礎(chǔ)上，也稱為導(dǎo)出數(shù)據(jù)類型。這類數(shù)據(jù)類型所定義變量是全局變量。它可用與基本數(shù)據(jù)類型所使用相同方法對變量進行申明。在IEC61131-3標準中，變量分為單元素變量和多元素變量。工業(yè)控制編程語言標準IEC第22頁3、變量與數(shù)據(jù)外部表示相反，變量提供能夠改變其內(nèi)容數(shù)據(jù)對象識別方法。比如，可改變與PLC輸入、輸出或存放器相關(guān)數(shù)據(jù)。變量能夠被申明為基本數(shù)據(jù)類型、普通數(shù)據(jù)類型和導(dǎo)出數(shù)據(jù)類型。工業(yè)控制編程語言標準IEC第23頁變量類型和屬性工業(yè)控制編程語言標準IEC第24頁變量附加屬性工業(yè)控制編程語言標準IEC第25頁三、程序組織單元工業(yè)控制編程語言標準IEC第26頁1、程序組織單元及其組成圖6.2程序組織單元工業(yè)控制編程語言標準IEC第27頁表6.2IEC61131-3標準3中POU及其含義類型關(guān)鍵字含義ProgramPROGRAM主程序，包含I／O分配、全局變量和存取路徑FunctionBlockFUNCTION_BLOCK帶輸入和輸出變量塊FunctionFUNCTION含有功效值塊，用于擴展PLC基本預(yù)算和操作集工業(yè)控制編程語言標準IEC第28頁圖6.3POU元素組成工業(yè)控制編程語言標準IEC第29頁工業(yè)控制編程語言標準IEC第30頁2、功效功效是一個能夠賦予參數(shù)，但沒有靜態(tài)變量程序組織單元。有些書籍或文件也稱功效為函數(shù)。當用相同輸入?yún)?shù)調(diào)用某一功效時，該功效總能夠生成相同結(jié)果作為其功效值。功效有多個輸入變量，沒有輸出變量，但有一個功效值作為該功效返回值。功效由功效名和一個表示式組成。功效分為標準功效和用戶定義功效（衍生功效）。IEC61131-3標準定義了8類標準功效工業(yè)控制編程語言標準IEC第31頁3、功效塊功效塊是在執(zhí)行時能夠產(chǎn)生一個或多個值程序組織單元。功效塊實例化是編程人員在功效塊說明部分用指定功效塊名和對應(yīng)功效塊類型來建立功效塊過程。每個功效塊實例有它功效塊名、內(nèi)部變量、輸出變量及可能輸入變量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)輸出變量和必要內(nèi)部變量值能夠從這次執(zhí)行保護到下一次執(zhí)行。功效塊實例外部只有輸入和輸出變量是可存取。功效塊內(nèi)部變量對用戶來說是隱藏。工業(yè)控制編程語言標準IEC第32頁圖6.5功效塊圖形表示工業(yè)控制編程語言標準IEC第33頁功效塊包含標準功效塊、衍生功效塊和用戶定義功效塊。衍生功效塊是利用標準功效塊創(chuàng)造新功效塊。IEC61131-3允許用戶利用已經(jīng)有功效塊和功效生成新功效塊。任意功效塊均可采取便于管理且功效更簡單功效和／或功效塊進行編程。IEC61131-3中定義了5種標準功效塊。工業(yè)控制編程語言標準IEC第34頁功效塊段文字形式能夠表示為：FUNCTION_BLOCK功效塊名功效塊申明功效塊體END_FUNCTION_BLOCK工業(yè)控制編程語言標準IEC第35頁功效和功效塊主要區(qū)分在于，相同輸入?yún)?shù)調(diào)用時，功效總是產(chǎn)生相同結(jié)果（功效值），功效沒有“記憶”特征。程序代表PLC用戶最高層，能存取PLCI／O口，并能使它們能為其它程序組織單元所存取。IEC61131-3標準使用變量以存放信息。不過，它們存放位置不再需要由用戶自行定義，而是由編程系統(tǒng)自行進行管理，每個變量含有固定數(shù)據(jù)類型。IEC61131-3要求若干數(shù)據(jù)類型，這些數(shù)據(jù)類型在位數(shù)量和符號使用方面有所不一樣。工業(yè)控制編程語言標準IEC第36頁4、程序程序是程序組織單元之一，它由功效和功效塊組成。PROGRAM類型程序組織單元稱為主程序。在一個多CPUPLC控制系統(tǒng)中，能同時執(zhí)行多個主程序，這一點表達了程序與功效塊不一樣。程序以PROGRAM關(guān)鍵字開始，隨即是程序名、程序申明和程序體，最終以END_PROGRAM關(guān)鍵字結(jié)束。與功效或功效塊申明類似，程序申明包含在整個程序申明中所使用變量申明。工業(yè)控制編程語言標準IEC第37頁工業(yè)控制編程語言標準IEC第38頁四、軟件、通信和功效模型

工業(yè)控制編程語言標準IEC第39頁1、軟件模型圖6.6IEC61131-3標準軟件模型工業(yè)控制編程語言標準IEC第40頁軟件模型特點分層結(jié)構(gòu)程序和功效塊；組態(tài)元素，即配置、資源和任務(wù)；全局變量；存取路徑和實例特定初始化從理論上描述了將一個復(fù)雜程序怎樣分解為若干小不一樣可管理部分，并在各分解部分之間有清楚和規(guī)范接口方法。描述一臺可編程控制器怎樣實現(xiàn)多個獨立程序同時裝載和運行，怎樣實現(xiàn)對程序執(zhí)行完全控制

工業(yè)控制編程語言標準IEC第41頁主要內(nèi)容（1）配置（Configuration）

語言元素，結(jié)構(gòu)元素位于軟件模型最上層，等同于一個PLC軟件或應(yīng)用程序多臺PLC組成一個控制系統(tǒng)中，每一臺PLC應(yīng)用程序都是一個獨立配置配置將系統(tǒng)內(nèi)全部資源結(jié)合成組，為資源提供數(shù)據(jù)交換伎倆一個配置可有多個資源，配置中定義該配置全局變量、資源、存取路徑等，它反應(yīng)PLC硬件物理結(jié)構(gòu)，為程序與物理I/O通道之間提供接口

工業(yè)控制編程語言標準IEC第42頁（2）資源（Resource）

語言元素，結(jié)構(gòu)元素

位于軟件模型第二層，等同于一個CPU為程序和PLC物理輸入輸出通道提供接口程序只有裝入資源才能執(zhí)行一個資源含有“信號處理功效”、“人機接口功效”和“傳感器和執(zhí)行器接口功效”資源申明在該資源內(nèi)全局變量、任務(wù)和程序申明等工業(yè)控制編程語言標準IEC第43頁（3）任務(wù)（Task）

語言元素，結(jié)構(gòu)元素

位于軟件模型第三層。要求程序組織單元在運行期特征控制一系列程序組織單元周期地執(zhí)行，或者依據(jù)一個特定事件觸發(fā)來執(zhí)行任務(wù)有任務(wù)名和三個輸入?yún)?shù)

★SIGNAL：事件觸發(fā)輸入端，上升沿觸發(fā)與任務(wù)相關(guān)聯(lián)程序組織單元執(zhí)行一次

★INTERVAL：周期執(zhí)行時時間間隔。該任務(wù)相關(guān)程序組織單元按該時間間隔周期執(zhí)行

★PRIORITY：對任務(wù)設(shè)置優(yōu)先級，0表示最高優(yōu)先級

工業(yè)控制編程語言標準IEC第44頁無優(yōu)先級執(zhí)行優(yōu)先級最高POU先執(zhí)行同等優(yōu)先級依據(jù)等候時間最長POU先執(zhí)行優(yōu)先級執(zhí)行較低優(yōu)先級程序組織單元執(zhí)行被延緩不能中止含有一樣優(yōu)先級或較高優(yōu)先級其它單元執(zhí)行工業(yè)控制編程語言標準IEC第45頁由任務(wù)使能程序組織單元實施控制遵照以下標準：SIGNAL不為零，表示是事件觸發(fā)單任務(wù)

INTERVAL不為零，SIGNAL為零，該任務(wù)結(jié)合程序組織單元周期執(zhí)行多個任務(wù)執(zhí)行時，PRIORITY數(shù)值小任務(wù)先被執(zhí)行相同優(yōu)先級多個任務(wù)，等候時間長程序組織單元先被執(zhí)行沒有任務(wù)結(jié)合程序含有最低優(yōu)先級，在資源開始執(zhí)行前執(zhí)行與任務(wù)沒有直接結(jié)合功效塊實例依據(jù)求值次序執(zhí)行與任務(wù)結(jié)合功效塊實例執(zhí)行與求值規(guī)則無關(guān)數(shù)據(jù)同時規(guī)則

?功效塊執(zhí)行時，來自其它功效塊全部輸入采取一樣求值結(jié)果

?同一功效塊輸出送到兩個或多個功效塊，全部目標功效塊與任務(wù)有顯式或隱式結(jié)合，則目標功效塊輸入信號在求值時間內(nèi)，與源功效塊有一樣求值結(jié)果工業(yè)控制編程語言標準IEC第46頁（4）全局變量（GLOBALVARIABLE）全局變量能用于整個工程項目，可被該工程內(nèi)全部軟件元素存取

在配置申明段申明全局變量能夠用于該配置在資源申明段申明全局變量能夠用于該資源在一個系統(tǒng)中不能有相同名稱兩個全局變量在程序組織單元中需要對所用全局變量用外部變量申明全局變量用于與其它網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交換VAR_GLOBAL全局變量申明END_VAR工業(yè)控制編程語言標準IEC第47頁（5）存取路徑變量（ACCESSVARIABLE）存取路徑變量用于將全局變量、直接表示變量和功效塊輸入、輸出和內(nèi)部變量聯(lián)絡(luò)起來，實現(xiàn)信息存取它提供在不一樣配置之間交換數(shù)據(jù)和信息方法兩種存取方法：讀寫（READ_WRITE）方式和只讀（READ_ONLY）VAR_ACCESS存取路徑變量名:外部存取變量:存取路徑數(shù)據(jù)類型和存取方式END_VAR工業(yè)控制編程語言標準IEC第48頁2、用戶程序結(jié)構(gòu)▲傳統(tǒng)PLC用戶程序結(jié)構(gòu)采取各種功效模塊組織塊OB功效塊FB功效FC數(shù)據(jù)塊DB系統(tǒng)功效塊SFB系統(tǒng)功效SFC▲IEC標準要求用戶程序結(jié)構(gòu)采取程序組織單元程序組織單元ProgramOrganizationUnit程序Program功效塊FunctionBlock函數(shù)F