今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
劉松 （1972-）
男，河北秦皇島人，1994年畢業于天津職業大學熱能工程專業，現任中國石油大港石化公司聚丙烯廠副廠長，從事化工儀表自動化領域的技術及管理工作。
摘要：IEC 61131-3是可編程序控制器編程語言的國際標準，本文闡述了該標準的主要內容和應用優勢，以及在具體工程項目實施中如何將IEC61131-3標準用于聚丙烯風送控制系統的模塊化設計與模塊化編程。
關鍵詞：IEC61131-3標準；編程語言；聚丙烯風送控制系統；PCS7
Abstract: IEC 61131-3, is the global standard for industrial control programming,
of which the contents and application advantages have been assessed in this paper.
A project case how to transfer the standard IEC61131-3 to powder pneumatic conveying control system in PP plant with modular design
and programming is also discussed.
Key words: IEC61131-3; PLC programming; Powder pneumatic conveying; PCS7
1 IEC61131-3標準及應用現狀
基于微處理器的PLC自1968年問世以來，已取得迅速的發展，成為工業自動化領域應用最廣泛的控制設備。但各種控制組態軟件的可移植性和可復用性較差，同時缺乏足夠的程序封裝能力，也無法實現將數據組織成如Pascal、C語言等高級語言中的數據結構那樣的數據類型。國際電工委員會及時地于1993年制訂了可編程序控制器國際標準IEC61131以引導PLC健康地發展，該標準是由來自歐洲、北美以及日本的工業界和學術界的專家通力合作的產物，是第一個有關工業自動化控制系統的硬件、安裝、試驗、編程、通訊等方面的國際標準。它共分5個部分，其中IEC61131-3是標準化編程語言的標準，它主要分為公共元素和編程語言兩個部分。
1.1 公共元素
公共元素部分規范了數據類型、變量的定義，給出了軟件模型，并引入配置（Configuration）、資源（Resources）、任務（Tasks）和程序組織單元POU（Porgram Organizition Unit）等概念。
1.1.1 配置
在軟件模型的最上層，把解決一個具體問題的完整軟件概括為一個“配置”。它專指一個特定類型的控制系統，包括硬件裝置、處理資源、I/O通道的存儲地址和系統能力，等同于一個控制系統的應用程序。
1.1.2 資源
在每一個配置中，有一個或多個“資源”，“資源”不僅為運行程序提供了一個支持系統，而且它反映了PLC 的物理結構，在程序和PLC 物理I/O 通道之間提供了一個接口，只有在裝入資源后才能執行IEC程序。
1.1.3 任務
在一個資源內可以定義一個或多個“任務”。任務被配置后可以控制一組程序或功能塊。任務用于規定程序及其功能塊的運行期特性。程序或功能塊通常保持完全的待用狀態，由一個配置后的任務來周期性地執行，或由一個特定的事件觸發開始執行程序。
1.1.4 程序組織單元
IEC61131-3引入了程序組織單元POU的概念，它是標準PLC 系統用戶程序最小的、獨立的軟件單元，分為三類：函數（functions）、功能塊（function-blocks）和程序（program）。
函數是IEC61131-3 標準中的一個重要概念，是一些在程序執行過程中的軟件元件，可以有多個輸入，但只有一個輸出。這些軟件元件對一系列特定的輸入值會產生相應的輸出結果。
功能塊是IEC61131-3標準編程系統的一個重要的特征，是該標準中的核心元素，它體現了一種全新的面向對象程序設計理念。功能塊類型對應于經典面向對象語言中的類的概念，功能塊的實例（Instance）對應于對象的概念。功能塊類型具有天然的封裝特性，能夠把特定的算法封裝在某個特定的功能塊中，它把具體的操作和操作數據相分離，也把系統的總體算法組態和單個算法的研制開發過程分開，以增加程序的可重用性和移植性。任何功能塊可以用其他的更小的更易管理的功能塊來編程，這樣就可以由許多的功能塊創建一個有層次的結構合理的程序。
程序，既可以由函數和功能塊組成，也可以用符合IEC61131-3標準的編程語言來編寫，它是唯一的可以插入到任務中的類型，是任務的直接構成基礎。
1.2 編程語言
編程語言規定了5種。其中，圖形化語言為3種：梯形圖LD（Ladder Diagram）、功能塊圖FBD（Function Block iagram）、順序功能圖SFC（Sequential Function Chart） ；文本化語言為2種：指令表IL（Instruction List）和結構文本ST（StructuredText）。IEC并不要求每種產品都運行這5種語言，可以只運行其中的一種或幾種，但均必須符合標準。在實際編程時，可以在同一項目中運用多種語言，相互嵌套，以供用戶選擇最簡單的方式生成控制策略。
1.2.1 梯形圖
梯形圖類似使用繼電器時的電氣原理圖，不僅對開關量的順序控制、邏輯控制特別適用，而且還具有把功能塊圖指令載入梯形圖的能力。
1.2.2 功能塊圖
功能塊圖包括數學運算、PID控制、比較、轉換、計時/計數、邏輯、通訊、診斷等功能。功能塊圖由功能塊組成，它提供了一個有效的開發環境，特別適合于模擬量過程控制的應用。用戶還可用簡單的功能塊圖自行構成復雜的功能塊，裝入功能塊擴充庫，以擴充功能塊圖的編程功能。
1.2.3 順序功能圖
順序功能圖是一個相對高層的，以描述控制程序的順序行為特征的圖形語言，它使用步、動作、轉換、分支的狀態工具，提供了總的結構并與狀態定位處理或機器控制應用相互協調。順序功能圖允許一個復雜的問題逐層地分解為步和較小的能夠被詳細分析的順序。
1.2.4 指令表
指令表與匯編語言相似，是一種最接近于機器碼的用戶端語言，可用來描述功能、功能塊和程序段行為，也可用來調用和轉移等，常用于自行編制一些沒有標準功能塊的特殊算法。
1.2.5 結構文本
結構文本是一種專門為工業控制而開發的高級語言，是一種類似Basic或Pascal的高級語言向控制領域的擴展，它具有很強的編程能力，可方便地對變量賦值、調用功能和功能塊、創建表達式、編寫條件語句和迭代程序等，特別適合復雜算法和數據處理。
1.3 應用現狀
IEC61131-3是國際上第一個有實際意義的制定通用控制語言的標準，為PLC軟件技術的進一步發展提供了足夠的空間，它獲得了廣泛的接受和支持。可以說，沒有這一編程語言的標準化就沒有今天PLC走向開放式系統的堅實基礎。它在應用中所具備的優勢如下：
（1）IEC61131-3提供了靈活的編程語言選擇，允許程序開發人員對每一個特定的任務選擇最合適的編程語言，還允許在同一個控制程序中其不同的軟件模塊用不同的編程語言編制。這一規定妥善繼承了PLC發展歷史中形成的編程語言多樣化的現實。
（2）符合現代軟件的模塊化原則，其編程語言支持模塊化，將常用的程序功能劃分為若干單元，并加以封裝，構成編程的基礎模塊化接口之間的交互作用，均采用顯性定義將信息隱藏于模塊內，對使用者來講只需了解該模塊的外部特性，既可以保護知識產權，又可以反復使用。
（3）IEC61131-3支持自頂而下（top-down）和自底而上（bottom-up）程序開發方法。程序開發人員既可以先進行總體設計，將控制應用劃分若干個部分，定義應用變量，然后編各個部分的程序；也可以先從底部開始編程，例如先導出函數和功能塊，再進行按照控制要求編制程序。
（4）IEC61131-3嚴格定義了變量和數據類型。定義了5種不同的變量類型：全局變量、局部變量、輸入變量、輸出變量、輸入輸出變量，以及各種變量的屬性和限定符，使變量具有豐富的特性；該標準還定義了編程中常用的數據類型，為面向對象的編程模式提供支持。另外，標準還規定了編程中常用的標識符、關鍵字以及注釋等一些通用語言單元，以提供用戶程序的通用性和移植性。以上定義意味著IEC61131-3編程語言為減少程序開發人員對一個變量做出錯誤的數據類型定義創造了有效的限制。
正是基于以上優點，國際上各大PLC和DCS廠商都宣布其新產品符合該標準的規范，在推出其編程軟件新產品時，遵循該標準的各種規定，在發達工業國家，不符合該標準的產品已經不能被最終用戶所接受。
2 IEC1131-3在聚丙烯風送控制系統模塊化編程中的應用
2.1 聚丙烯風送風送系統構成及工藝要求
中國石油大港石化公司10萬噸/年聚丙烯裝置的風送系統用于給定能力下自干燥單元至擠壓造粒單元、自擠壓造粒單元至摻混單元和自摻混單元至包裝單元三條生產線的聚丙烯粉（粒）料的輸送。該系統包括8臺輸送風機，11臺旋轉加料器，以及49個蝶閥、換向閥等設備，共計15個輸送流程。
系統要求提供“自動”和“手動”兩種操作模式，“自動”模式用于正常操作，而“手動”模式用于維護和緊急情況下的操作。在“自動”模式下，所有設備按照生產流程完成輸送操作。任一設備在某一時刻只能服務于一個流程。流程中的設備不再孤立，而是相互聯系的：啟動時，應從流程的末端設備開始啟動，當前設備啟動后方能啟動其上游設備，這樣順序啟動直到流程的首端；在停車時正相反，從流程的首端開始，上游設備停車后，當前設備須經過一段延時，待物料排空后才能停車；當任一設備發生故障時，所有上游設備須急停，而下游設備可以順停，也可以保持運行狀態；當輸送管道壓力過高或過低時，停止給料設備，保持風機運行，系統進入等待時間（一段延時），等待時間內，管道壓力恢復正常，重新啟動給料設備，恢復正常輸送；超出等待時間，管道壓力持續過高或過低，停止輸送系統；由于系統中多為大功率電機驅動，為避免頻繁啟停，流程切換是很重要的，流程切換是指當兩個流程共用一組設備時，在保持公用設備不停的條件下，輸送任務從一個流程切換到另一個流程。
2.2 基于IEC61131-3標準的風送系統編程實現
大港石化公司聚丙烯裝置的風送控制系統采用了符合IEC61131-3標準的SIEMENS-PCS7控制系統，人機界面采用工業PC，編程實現使用的是西門子的SIMATIC-PCS7軟件。
SIEMENS的SIMATIC-PCS7軟件是在SIMATIC-STEP7軟件的基礎上開發的，它所使用的工程師工具集（Engineering Toolset）全部采用了IEC61131-3標準。PCS7支持多種編程語言，不僅有CFC（連續控制功能圖）、SFC（順序控制功能圖）等圖形化的編程工具，還具有SCL等結構化的編程工具，上位機通過WinCC可以實現畫面的靈活組態，另外，PCS7還提供了一個功能強大的功能塊庫，可以滿足現場大多數設備的控制功能要求。下圖是采用PCS7的整個風送控制系統結構圖：
整個控制系統設置了兩個AS站、1個SIMATIC PCS7 ES/OS站和1個第三方控制系統的OS站，其中，AS站負責設備、流程和聯鎖保護控制功能的實現，ES/OS站負責控制系統的編程組態以及對應AS站中控制功能的面板操作。整個系統采用工業以太網和冗余Modbus通信實現數據的可靠高速傳輸。
系統所有的控制功能都被分別包封在上圖的設備、流程和聯鎖保護三個抽象類中，在此基礎上，采用符合IEC61131-3標準的編程語言編程實現，使得系統具有良好的開放性和可維護性。
2.2.1 設備類控制的編程實現
設備類控制的實現主要采用了PCS7中的功能塊庫，PCS7提供了一個功能強大的功能塊庫，該庫采用IEC61131-3標準的FBD編程語言，庫中包含了大多數電機、電動閥等常見設備控制邏輯的功能塊，本系統中對大多數設備對象控制可以直接調用PCS7庫中功能塊即可實現，對于個別控制邏輯特殊的設備，則采取了在CFC中利用各種邏輯單元進行搭建的辦法來實現。下圖是對某設備對象編程的具體實現。
2.2.2 流程類控制的編程實現
流程類控制的編程是通過PCS7中的SFC來實現的，SFC是西門子專門為順序控制方案提供的圖形化編程工具，采用IEC61131-3標準的SFC編程語言，對于本系統中生產流程的特點，SFC提供了快捷、方便的解決方案。系統中每個流程對應生成一個SFC功能塊，SFC功能塊主要由STEP（步）和Transition（條件）組成，另外，SFC功能塊還具有啟動、運行、等待、完成以及中斷退出等屬性。在SFC功能塊中的每個STEP中記錄了對應于設備對象的控制指令；在每個Transition中記錄了流程順序向下執行的條件，當流程被選中啟動，將由SFC功能塊中第一個STEP開始執行，接下來判斷Transition，滿足條件，流程向下繼續執行，這樣直至流程結束；不滿足條件，流程等待。同時，Transition還可以設置執行時間，在執行時間內，Transition滿足條件，流程向下繼續執行；超出執行時間，Transition還沒滿足條件，則流程中斷退出，同時，向上位機發送流程狀態信號或報警信號，提示操作員進行處理。圖4是對某流程對象編程的具體實現。
2.2.3 聯鎖保護類的編程實現
針對風送系統聯鎖保護的特點，聯鎖保護類的實現充分利用了自定義功能塊和在CFC中利用各種邏輯單元搭建而成，采用IEC61131-3標準的FBD編程語言，這樣做的好處是非常方便CFC的在線調試。同時，利用PCS7的ES-OS Engineering變量上傳特性，將聯鎖保護類的重要引腳上傳到上位機進行顯示。圖5是對某聯鎖保護對象編程的具體實現。
2.2.4 操作面板的實現
設備對象和流程對象操作面板的實現主要是采用了PCS7系統自帶的對應于下位機設備功能塊和流程功能塊的PCS7標準操作面板。聯鎖保護對象的顯示面板是通過WinCC畫面編輯器設計實現的，并與下位機對應聯鎖保護對象上傳上來的變量點相關聯，從而方便的實現了聯鎖保護邏輯的可視化。下圖是為某聯鎖保護對象設計的顯示面板：
上述編程實現方案已成功應用于中國石油大港石化公司10萬噸/年聚丙烯裝置風送控制系統的程序設計。在項目實施過程中，符合IEC61131-3標準的編程軟件充分體現出了方便實用、標準化程度高的優點，參與編程的人員很快就可熟悉組態工作，并把原先所掌握的知識用于新的系統，同時減少了編程中的誤解和錯誤，可以把更多的精力投入到控制系統的維護、管控一體化實施或其他方面。
3 結論
IEC 61131-3第二版已于2000年下半年進行了表決并已公布施行，基于采用符合IEC61131-3標準的編程工具進行模塊化設計與模塊化編程已控制系統的程序開發的發展方向。
（1）IEC 61131-3已獲得國際工控界的廣泛承認和支持。
（2）IEC 61131-3正在加速推廣應用，不但成為PLC的編程標準，而且成為DCS、PC控制、SCADA、運動控制等事實上的標準。
（3）為適應現場總線和工業以太網的高速發展，IEC 61131-3和IEC 61499結合，使分布式PLC有了真正實現的路徑。
參考文獻
[1] 方原柏. IEC1131-3編程標準及其影響[J]. 石油化工自動化，2000，3: 37.
[2] 斯可克. 可編程控制器的標準化編程簡介IEC1131-3標準[J]. 微計算機信息，1997，2: 11-13.
[3] 劉志遠. 可編程序控制器原理及在電廠中的應用[M]. 北京: 中國電力出版社，1999.
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號