CN101515167A - 用iec61131-3功能块实现iec61499柔性功能块的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用IEC61131-3功能块实现IEC61499柔性功能块的方法,属于计算机控制技术领域。其特征是利用IEC61131-3标准的功能块完全可重用、支持变量分配、适合于完成复杂控制策略的特点,组态生成符合功能要求的IEC61499标准的柔性功能块,并下载到可编程控制系统的设备中,通过对IEC61131-3功能块扫描执行实现柔性块定义的功能。本发明的有益效果是通过柔性块技术解决了IEC61499功能块组态无法完成特定运算的问题,扩展了IEC61499功能块的功能,降低了分布控制系统的编程应用难度,对于推动基于IEC61499功能块的分布控制系统的应用具有现实意义。
Description
技术领域
本发明属于计算机控制技术领域,涉及可编程控制器(Programmable LogicController,PLC)的IEC61131-3及IEC61499功能块编程语言。
背景技术
功能块是一种图形化的编程语言,由数据输入输出、事件输入输出、内部参数数据以及执行控制算法和功能块算法组成。IEC定义的功能块相关标准有:IEC61131-3、IEC61499、IEC61804。
IEC61131-3是世界第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准。但是,IEC61131-3沿用了直接表示与硬件有关的变量的方法,妨碍了均符合标准的PLC系统之间做到真正意义上的程序可移植。并且,IEC61131-3只给出系统的单机控制机制,难以适应分布式结构的软件要求。
IEC 61499标准定义了用于分布式工业过程测量与控制系统的功能块,完全面向对象,具有良好的数据封装;然而,目前基于IEC61499的功能块组态软件中,功能块资源通常由设备制造商提供,功能块的种类和数目固定,不能完全适应复杂多变的工程应用需求。同时,功能块数目有限,未使用的功能块占用硬件资源造成系统冗余,这些问题制约了IEC61499的进一步发展和推广。
柔性块是由现场总线基金会为用户自定义逻辑功能而设计的。该功能块模型结构和普通功能块的类似,但是其输入输出参数个数可动态改变,还可定义内部临时变量,内部算法也可根据具体应用而改变。
发明内容
本发明针对目前IEC61499功能块编程功能块个数和种类固定的问题,提出了利用IEC61131-3标准的功能块编辑生成符合IEC61499标准的柔性块实现方法。
本发明解决技术问题采用的技术方案如下:
一.柔性块接口定义
在编辑IEC61499柔性功能块时,首先确定柔性块的输入输出参数个数、参数名称、参数类型、参数说明;程序中定义结构体来保存输入的接口参数信息,并将所有的接口参数结构体添加到接口参数列表中保存,供柔性块编译模块使用。
二.柔性块结构设计
柔性块整体结构设计包括两部分内容:算法存储结构和功能结构。
柔性块的功能采用IEC61131-3标准的功能块编程实现。
算法存储在设备的域对象中,每个算法对应一个域对象,称为柔性块域对象,由域对象索引号标识。一个柔性块算法可被同一类的多个柔性块共同使用,由双向链表串联起来。柔性块域对象中包含指向该链表的头指针,并指定参数记录当前使用该柔性块算法的柔性块个数,动态创建或删除柔性块对象时需相应增加或减少该参数值。同时,为每个算法创建一个文件来存储其数据,将对应域对象的索引号作为文件名,域对象中保存文件指针。所有柔性块域对象使用双向链表串联起来,并使用全局指针指向该链表的头结点进行管理。
柔性块功能结构,即柔性块和其他功能块组态连接的结构。为保证结构一致性,柔性块也由基本功能块派生而出,依据IEC61499标准封装柔性块的输入输出参数。由于柔性块输入输出参数类型及个数均不定,故在柔性块内部参数中设置一个输入输出参数类型代码串及并记录输入输出参数个数,当柔性块实例化时,从对应的柔性块算法数据中获取这些值,并根据这些值动态申请两块相应大小的内存存放输入和输出数据,分别由柔性块参数中的输入参数指针和输出参数指针指向。柔性块的实例标识的确定和普通功能块的类似,即为同一类柔性块预留一定数量的实例标识,按顺序分配,根据实例标识计算出域对象,进而获得柔性块处理算法和数据。
三.柔性块算法设计
柔性块的算法采用IEC61131-3功能块实现,是柔性块功能实现的核心,主要包括变量通信模型、寻址方式以及算法报文结构。
(1)变量通信模型
柔性块是在一个PLC内实现可由用户编辑的功能块,因此采用参数传递和全局变量的方式实现变量通信。解析柔性块算法时,通过参数传递方式将操作数传递给功能函数执行。柔性块算法中使用的变量采用全局变量数组实现,柔性块函数中的各功能函数可对这些全局变量数组进行访问,以实现变量通信。
根据所需变量的类型,本发明定义8个全局变量数组,每个全局变量数组称为一个变量域;为保证柔性块输入输出参数也能作为操作数被使用,定义2个辅助变量域,该辅助变量域的存储区被封装在柔性块对象内,随着柔性块的实例化而动态增加。
柔性块变量存储域如表1所示:
表1柔性块变量存储域
分类 | 分区 | 作用说明 |
全局变量域 | 局部变量域V | 分配柔性块的内部变量 |
全局变量域 | 位变量域M | 分配柔性块的位变量 |
全局变量域 | 数字量输入映像域I | 存储数字量输入 |
全局变量域 | 数字量输出映像域Q | 存储数字量输出 |
全局变量域 | 模拟量输入映像域AI | 存储模拟量输入 |
全局变量域 | 模拟量输出映像域AQ | 存储模拟量输出 |
全局变量域 | 管理变量域SM | 特殊寄存器区,用来标记系统的运行状态 |
全局变量域 | 临时变量域TMP | 暂存柔性块算法执行期间的能流数据和临时变量 |
辅助变量域 | 柔性块输入变量域IN | 为使柔性块的输入变量作为操作数被使用而分配 |
辅助变量域 | 柔性块输出变量域OUT | 为使柔性块的输出变量作为操作数被使用而分配 |
(2)寻址方式
IEC61131-3标准中定义了变量的格式,即范围前缀、长度前缀和变量在存储器中的偏移位置。范围前缀为上述的10个变量域名;长度前缀表示变量所占内存字节数,包括W和D;偏移位置表示变量在变量域中的起始字节偏移地址。
为了表示位变量,在上述格式后增加“.位地址”来实现。
变量格式示例如表2所示:
表2变量格式示例
寻址方式 | 格式 | 示例 |
位寻址 | 变量域号[起始字节地址].[位地址] | V10.5 |
字寻址 | 变量域号W[起始字节地址] | VW10 |
双字寻址 | 变量域号D[起始字节地址] | VD10 |
变量寻址包括3类:立即寻址、直接寻址和利用指针的间接寻址,通过操作数结构体中的元素进行区分。
(3)算法报文结构
柔性块算法由伪代码实现。将IEC61131-3功能块编辑的柔性块功能算法编译成一组伪代码,下载至现场设备中,设备创建柔性块域对象对其进行管理。柔性块域下载的报文格式如表3所示。表3柔性块域下载的报文格式
其中域文件号指定管理该算法的柔性块域对象的索引号,输入、输出参数个数及输入输出参数类型串用来指示采用该算法的柔性块的外部接口,柔性块创建时通过读取这些数值来动态申请相应的输入输出参数内存区。
功能块指令即柔性块算法的伪代码实现,包括功能块类型号、功能块附加信息、功能块位置信息以及操作数。功能块类型号标识功能块指令种类;功能块附加信息是对功能块类型的补充说明,主要用于指定“与”和“或”功能块指令的输入操作数个数;功能块位置信息指定该功能块在编辑环境中的位置,用于上载还原设备组态信息;操作数即为功能块指令使用的值,包括常量和变量,常量直接在操作数中表示,变量在操作数中以地址的形式表示,变量的地址指向设备中的各个变量域。
四.柔性块编译
柔性块编译是将组态信息编译成柔性块执行指令的过程。柔性块编译流程图如图2所示,主要分为以下几个步骤:
(1)IEC61131-3功能块操作数的合法性检查:IEC61131-3功能块编程采用变量输入和能流连接的方式。操作数合法性检查包括操作数变量域的检查、功能块变量类型与输入变量类型一致性检查、操作数地址越界检查。
(2)临时变量域分配:临时变量域用来保存能流操作数及自定义的临时变量,可以采用分区的方法更好地实现变量的读写。
本发明是将临时变量TEMP域分为A区和B区。能流两端连接的功能块操作数按照数据类型大小顺次分配到TEMP的A区;自定义的临时变量按照数据类型大小顺次分配到TEMP的B区。功能块操作数变量域保存TEMP域标识号,操作数地址保存变量在TEMP中的偏移地址。
(3)柔性块接口参数编译:柔性块接口参数是指在柔性块接口定义中分配的输入输出参数。设备变量区不保存柔性块接口参数,接口参数保存在IEC61499柔性块应用实例的工程文件数据中。编译时需要将用户使用的输入输出参数名编译为操作数变量域和操作数地址,程序中虚拟了IN和OUT变量区标识接口参数,输入变量的操作数变量域编译为IN区标识号,操作数地址为柔性块接口定义中输入参数的偏移;输出变量的操作数变量域编译为OUT区标识号,操作数地址为柔性块接口定义中输出参数的偏移。
(4)IEC61131-3功能块执行顺序编译:柔性块内部算法IEC61131-3功能块的执行顺序是由程序编译时确定的,网络间的功能块执行顺序为从上到下,网络中功能块的执行顺序通过功能块选择函数的递归调用来确定。排序的基本原则是保证与每个功能块输入操作数相连的功能块在该功能块之前执行。
(5)柔性块执行报文:功能块的执行顺序确定后,需要将图形化的指令转换成二进制指令。首先,在程序中创建一个类保存编译后的功能块信息,包括操作码、操作扩展码、功能块所在的网络ID、功能块所在程序号、功能块在网络中的位置和功能块的操作数。程序为每个功能块创建一个这样的类,根据各功能块编译的结果,填写类中各属性的内容,并以链表的形式管理该类对象,形成柔性块执行报文。
(6)柔性块XML描述:IEC61499功能块内部封装数据信息是用XML语言描述的,因此应为IEC61499柔性功能块生成相应的XML功能块描述。
工程XML文件中保存了一个自动生成的柔性块描述节点,编译时根据柔性块输入输出个数拷贝柔性块节点,并根据柔性块接口定义柔性块XML描述段中添加输入输出参数名称、参数类型和参数说明信息,生成柔性块XML描述。
(7)插入柔性块至IEC61499工程树:工程的XML文件中添加柔性块描述后,将柔性块XML描述段插入工程下的设备描述文件中,通知工程窗口重新读取设备资源,将柔性块添加到IEC61499工程列表中供编程调用。
五.柔性块的执行
柔性块的执行是通过扫描解析柔性块算法数据,并调用相应的功能块算法及操作数来实现的,包括取指令、指令译码和指令执行三部分。
首先根据柔性块的实例标识获得相应的柔性块域对象,进而获得该柔性块的算法指针。然后扫描并解析该柔性块算法中的各个IEC61131-3指令,根据功能指令类型号读取操作数,并调用相应的功能函数进行计算,将计算结果写入输出操作数指定的内存中。循环读取下一条功能指令,直至柔性块算法末尾。
读取操作数时,若输入操作数指定的变量域为柔性块输入变量域IN,则需从柔性块封装的数据区中读取操作数;若输出操作数指定的变量域为柔性块输出变量域OUT,则需将对柔性块封装的数据区执行写操作,并调用信息发布服务输出数据。
本发明的有益效果是用IEC61131-3功能块实现IEC61499柔性功能块,解决了单一IEC61499功能块编程无法完成特定运算的问题。工程技术人员可以根据工程需求编辑生成新的功能块,增加了编程的灵活性,降低了复杂控制回路的编程难度,对于进一步扩展IEC61499功能块的功能,推动基于IEC61499功能块的分布控制系统的应用具有现实意义。
附图说明
图1是柔性块整体结构设计图。
图2是柔性块编译流程图。
图3是柔性块执行流程图。
图4(A)、图4(B)、图4(C)和图4(D)是采用IEC61131-3功能块编辑实现柔性块LIMIT_BLOCK的算法。
图5是IEC61499编程环境下由柔性块LIMIT_BLOCK构成的应用回路。
具体实施方式
下面技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
柔性块实现的功能是对两路输入信号求和限位,将输出信号限制在[10,100]的范围内,即当和值小于10时输出下限10,当和值大于100时输出上限100,当和值在10到100之间时原样输出。按照图1所示,设计实现柔性块的整体结构。
定义柔性块LIMIT_BLOCK,首先定义柔性块接口变量以及中间变量的名称及类型,如表4所示。表4柔性块接口变量定义
参数名称 | 参数类型 | 输入输出类型 | 注释 |
DATA1 | 四字节符点数 | 输入 | 模拟量输入1 |
DATA2 | 四字节符点数 | 输入 | 模拟量输入2 |
OUT | 四字节符点数 | 输出 | 模拟量输出 |
VW10 | 四字节符点数 | 局部 | 临时变量,存放中间和值 |
然后根据要实现的功能编辑柔性块算法,采用系统提供的IEC61131-3功能块库进行柔性块LIMIT_BLOCK的内部算法编辑,如图4(A)、图4(B)、图4(C)和图4(D)所示。
柔性块编辑完成后,进行柔性块编译并生成IEC61499功能块,编译流程如图2所示。程序将生成的LIMIT_BLOCK功能块插入设备资源功能块下,供编程使用。生成的柔性块属于动态功能块,可动态实例化,并且算法可重新编辑。在IEC61499编程环境中应用柔性块LIMIT_BLOCK编程,构成的控制回路如图5所示。将2个在线设备的模拟量输入功能块AI0通过链接对象与LIMIT_BLOCK相连,将LIMIT_BLOCK功能块的输出信号通过链接对象连接到设备1的模拟量输出功能块AO0。
控制回路编辑完成后,编译组态信息并下载到控制器中运行,柔性块的执行流程如图3所示。实验平台采用由2个可编程控制器DUT5000通过交换机连接到以太网中构成的分布式控制系统,每个控制器的模拟量输入通道AI0外接液位变送器,采集对象为两个水箱的液位。
经过验证,该控制回路在设备中运行正常,柔性块能正常接收AI功能块的数据,经过内部算法后也可正常产生输出数据传递给AO功能块。因此,柔性块实现了将两路液位输入信号求和限位的功能,从而证明了柔性块编程设计方法的可行性与正确性。
Claims (1)
1.用IEC61131-3功能块实现IEC61499柔性功能块的方法,其特征在于:
(一)定义柔性块接口:柔性块接口信息参数包括输入输出参数个数、参数名称、参数类型和参数说明,采用结构体方式将其添加到接口参数列表中保存;
(二)柔性块整体结构设计:包括两部分内容:算法存储结构和功能结构;
算法存储在设备的域对象中,每个算法对应一个域对象,由域对象索引号标识;柔性块域对象中包含指向该链表的头指针,并指定参数记录当前使用该柔性块算法的柔性块个数;同时,为每个算法创建一个文件来存储其数据,将对应域对象的索引号作为文件名,域对象中保存文件指针;所有柔性块域对象使用双向链表串联起来,并使用全局指针指向该链表的头结点进行管理;
柔性块功能结构:依据IEC61499标准封装柔性块的输入输出参数,在柔性块内部参数中设置一个输入输出参数类型代码串及输入输出参数个数,当柔性块实例化时,从相应的柔性块算法数据中获取这些参数值,并根据这些值动态申请两块相应大小的内存存放输入和输出数据,分别由柔性块参数中的输入参数指针和输出参数指针指向;柔性块的实例标识按顺序分配,根据实例标识计算出域对象,获得柔性块处理算法和数据;
(三)柔性块算法设计:采用IEC61131-3功能块实现,包括变量通信模型、寻址方式以及算法报文结构;
(1)变量通信模型:柔性块采用参数传递和全局变量的方式实现变量通信,根据变量的类型,定义8个全局变量变量域和2个辅助变量域,如表1所示:
表1柔性块变量存储域
(2)寻址方式:范围前缀为上述的10个变量域名;长度前缀表示变量所占内存字节数,包括W和D;位变量采用格式后增加“.位地址”来实现;
立即寻址、直接寻址和利用指针的间接寻址三种变量寻址方式通过操作数结构体中的元素进行区分;
(3)算法报文结构:将IEC61131-3功能块编辑的柔性块功能算法编译成一组伪代码,下载至现场设备中,设备创建柔性块域对象对其进行管理;
柔性块域下载的报文格式如表3所示:
表3柔性块域下载的报文格式
(四)柔性块编译,分为以下几个步骤:
(1)IEC61131-3功能块操作数的合法性检查;
(2)分配临时变量域,用来保存能流操作数及自定义的临时变量;
(3)柔性块接口参数编译:接口参数保存在IEC61499柔性块应用实例的工程文件数据中,编译时将用户使用的输入输出参数名编译为操作数变量域和操作数地址;
(4)IEC61131-3功能块执行顺序编译;
(5)柔性块执行报文:在程序中创建一个类保存编译后的功能块信息,程序为每个功能块创建一个这样的类,根据各功能块编译的结果,填写类中各属性的内容,并以链表的形式管理该类对象,形成柔性块执行报文;
(6)柔性块XML描述:在工程XML文件中保存了一个自动生成的柔性块描述节点,编译时根据柔性块输入输出个数拷贝柔性块节点,并根据柔性块接口定义柔性块XML描述段中添加输入输出参数名称、参数类型和参数说明信息,生成柔性块XML描述;
(7)插入柔性块至IEC61499工程树;
(五)柔性块的执行:柔性块的执行是通过扫描并解析该柔性块算法中的各个IEC61131-3指令,并调用相应的功能块算法及操作数来实现的。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20090826 |