西门子6ES7253-1AA22-0XA0代理直销

西门子6ES7253-1AA22-0XA0代理直销

IEC61131-3是**个为工业控制系统提供标准化编程语言的国际标准，该标准针对工业控制系统所阐述的的软件设计概念、模型等适应了当今世界软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进的设计技术，它不但较大地推动了工业控制系统的软件设计的进步，而且它的许多概念还对现场总线设备的软件设计产生了很大影响。符合IEC61131-3的软件系统是一个结构**、可重复使用、可维护的工业控制系统软件，不但能被应用在PLC（可编程控制器），而且还能被应用在控制工业及制造过程的一切软件中，是一种先进的工业控制编程系统。

IEC61131-3标准包括两部分：编程和公共元素。编程部分描述了两个重要模型：IEC 软件模型和通讯模型。公共元素定义了编程系统中需要的的数据类型。本文将通过对IEC61131-3标准的这两个部分的描述，从理论析、阐述IEC61131-3编程系统所具有的优点，并让我们学习到IEC61131-3所阐述的先进的设计思想。

一、IEC61131-3的两个重要模型

IEC61131-3标准有两个模型：IEC 软件模型和通讯模型。这两个模型构成了实现符合IEC61131-3国际标准的编程系统的概念基础，它们不但是IEC61131-3编程系统区别于传统的PLC编程系统的重要标志，而且也是IEC61131-3编程系统优越于传统的PLC编程系统的原因所在。IEC 软件模型从理论上描述了如何将一个复杂的程序分解为若干个小的不同的可管理部分，并且在各个被分解部分之间有清晰的和规范的接口的方法；描述了一台PLC如何实现多个独立程序的同时装载、运行；描述了系统如何实现对程序执行的完全控制等。通讯模型同样从理论上描述了不同程序组织单元（POU – Program Organization Units）之间如何交换信息的方法。程序组织单元包括程序，功能块和功能。

为了更好地描述IEC 软件模型，我们先通过一个实际的应用系统来描述IEC61131-3软件与实际系统的关系，然后再进一步说明61131-3软件模型。

二、IEC61131-3软件与实际系统的关系

如图1为一采用PLC的直接数字控制系统。来自物理传感器的连续信号被转换为数字采样信号后，PLC控制系统就可以运行诸如比例，积分，微分（PID）等算法产生控制信号输出，较终实现对装置位置的控制。在图1中，IEC61131-3软件设，来自传感器或变送器

的外部数值被直接放在一段特定的内存区，同时，程序运行后产生的结果也被放在一段特定的内存区，更新这些内存区数值，即实现了对执行器或显示器的驱动。到PLC的I/O装置的内存映射并没有定义在标准中，它会随着不同的PLC厂商有很大的不同。

三、IEC 软件模型

IEC61131-3软件模型如图二所示。该软件模型是一种分层结构，每一层隐藏了其下层的许多特征。IEC61131-3具有的这种分层结构，构成了IEC61131-3软件优越于传统的PLC软件的理论基础，是IEC61131-3软件先进性的体现。下面我们先描述软件模型的各个部分的概念，同时分析、总结IEC61131-3编程系统所具有的优点。

1.配置、资源、程序和任务

在模型的较上层是软件“配置”，它等同于一个PLC软件，使用在一个具体应用的定义PLC行为的整个软件中，它与配置系统的实际过程是不同的。如在一个复杂的由多台PLC组成的自动化生产线中，每台PLC中的软件就是一个独立的“配置”。一个“配置”可与其它的IEC“配置”通过定义的接口进行通讯。

在每一个配置中，有一个或多个“资源”，“资源”不仅为运行程序提供了一个支持系统，而且它反映了PLC的物理结构，在程序和PLC物理I/O通道之间提供了一个接口。一个IEC程序只有在装入“资源”后才能执行。“资源”通常放在PLC内，但也可以放在其它系统内。

一个IEC程序可以用不同的IEC编程语言来编写。典型的IEC程序由许多互连的功能块组成，各功能块之间可互相交换数据。一个程序可以读写I/O变量，并且能够与其它的程序通讯。一个程序中的不同部分的执行通过“任务”来控制。

“任务”被配置以后，可以控制一系列程序和/或功能块周期性地执行程序或由一个的特定的事件触发开始执行程序。IEC程序或功能块通常保持完全的待用状态，只有当是由一个特定的被配置的任务来周期性地执行或由一个特定的变量状态改变来触发执行的情况，IEC程序或功能块才会执行。

2．功能块和功能

功能块概念是IEC61131-3标准编程系统的一个重要的特征。任何功能块可以用其它的更小的更易管理的功能块来编程，这样就可以由许多的功能块创建一个有层次的结构合理的程序。IEC61131-3还允许程序设计人员利用现有的功能块和其它的软件元件生成新的功能块。

功能也是IEC61131-3标准中的一个重要概念，但在软件模型中未表现出来，它常常使人们与功能块混淆。功能是一些在程序执行过程中的软件元件，这些软件元件对一系列特定的输入值会产生相应的输出，如算术功能(),SIN()等。IEC61131-3标准中有大量的用于处理不同数据类型的功能。

3． 变量和存取路径

在配置、系统资源、程序、功能或功能块内，可以声明和使用局部变量、全局变量、直接变量。局部变量是仅仅能在配置、资源、程序、功能或功能块内声明和存取的变量；全局变量在一个程序（或配置）内声明，它能被程序（配置）内的所有软件元件存取；直接变量

是PLC程序的内存区直接用地址变量来表示的变量。

存取路径提供了在不同的配置之间交换数据和信息的设备。每一配置内的变量可被

其它远程配置存取。配置之间存取数据和信息可采用基于以太网的网络，现场总线或通过底板总线交换数据。

四、 软件模型到实际系统的映射

IEC 软件模型到实际系统的映射，针对不同的系统有如下的不同的映射关系：

1． 具有一个主处理器的小型系统：小型系统的模型典型地退化为一个配置、一个资源和一条程序。

2． 具有多处理器的较复杂系统：整个PLC被看作一个配置，每个处理器用一个资源描述，一个资源支持一条或多条程序。

3． 对于分散PLC 系统：分散PLC 系统将包含多个配置，一个配置对应多个处理器，每个处理器用一个资源描述，一个资源支持一条或多条程序。

IEC 软件模型可以充分地适应于从简单到较复杂PLC系统，甚至是非常复杂的PLC系统，这就大大地扩展了传统PLC的应用范围和领域。

五、 IEC 软件模型的优点

IEC 软件模型具有如下优点：

1．在一台PLC中同时装载、启动和执行多个独立的程序：IEC61131-3标准允许一个“配置”内有多个“资源”，每个“资源”能够支持多个程序，这使得在一台PLC中可以同时装载、启动和执行多个独立的程序，而传统的PLC程序只能同时运行一个程序。

2．实现对程序执行的完全控制能力：IEC61131-3标准的这种“任务”机制，保证了PLC系统对程序执行的完全控制能力。传统PLC程序只能顺序扫描、执行程序，对某一段程序不能按用户的实际要求定时执行，而IEC61131-3 程序允许程序的不同部分在不同的时间、以不同的比率并行执行，这大大地扩大了PLC的应用范围。

3．IEC软件模型能够适应很广范围的不同的PLC结构：IEC软件模型是一个国际标准的软件模型，它不是针对具体的PLC系统，而是具有很强的适用性。

4. IEC软件模型既能适合小型的PLC系统，也可适合较大的分散系统。

5. IEC软件支持程序组织单元的重用特性：软件的重用性是IEC软件的重要优点。

6. IEC软件支持分层设计:一个复杂的IEC软件通常可以通过一层层的分解，较终分解为可管理的程序单元。

六、通讯模型

根据不同的通讯要求，IEC61131标准规定了以下四种通讯模型：

1． 内部通讯：在程序、功能块和功能内部之间可以互相连接以形成一个网络，数据信息可以通过这个内部的网络进行通讯。

2． 局变量通讯：全局变量可以被用来在功能块与其它的程序组织单元之间交换数据信息。

3． 外部变量通讯：IEC61131的*五部分定义了一个通讯功能块家族来通过一个网络来交换数据。

4． 使用存取路径通讯：存取变量提供了一种方法用于从远程设备存取特定的变量。丁一在IEC61131的*五部分的通讯功能块还能读写远程配置中的ACCESS变量。

IEC61131标准规定的这四种通讯模型，使得不但在IEC编程系统内部的通讯灵活、便捷，而且还有效地支持了IEC编程系统的功能扩展对通讯提出的要求，使得新一代编程系统可以更有效地适应未来对网络、现场总线、远程通讯等新技术发展的要求。

七、公共元素

公共元素描述了IEC61131-3五种编程语言、IEC 软件模型及通讯模型中需用到的全部公共编程元素的变量和数据类型，给出了如何命名这些软件元素、声明变量、变量及数据类型的初始化等规则，是实现IEC61131-3编程系统不可缺少的**组成部分。

八、结论

本文介绍了以太网技术在自动化中的应用，并通过实例分析了其系统的结构和功能，说明了应用以太网技术是自动化的发展方向之一。

    计算机和网络技术的发展，引发了控制领域深刻的技术变革。控制系统结构向网络化、开放性方向发展将是控制系统技术发展的主要潮流。以太网作为目前应用较为广泛的局域网技术，在工业自动化和过程控制领域得到了越来越多的应用。

    1． 以太网技术介绍
    一般来讲，控制系统网络可分为3层：信息层、控制层和设备层(传感/执行层)。传统的控制系统在信息层大都采用以太网，而在控制层和设备层一般采用不同的现场总线或其他**网络。目前，以太网已经渗透到了控制层和设备层，很多的PLC和远程I/O供应商都能提供支持TCP/IP的以太网接口的产品。以太网之所以给自动化市场带来风暴式的，主要有3个原因：的刺激和速度的提高；现代企业对实时生产信息有越来越多的要求；以太网的开放性和兼容性。

    早期的以太网，多节点共享同一个传输媒体，称为共享以太网(Shared Ethernet)，节点间通信采用广播方式，易发生冲突。共享以太网用CSMA/CD技术来避免冲突，即发送方检测到冲突就暂停发送，随机延迟一段时间后再重新发送直到成功。由于延迟时间是随机的，不能事先知道，因而共享以太网的时间响应具有不确定性，不能用于强实时性场合。

    交换以太网(Switched Ethernet)的出现克服了这一缺点，以太网的交换机(Switch)是数据链路层(ISO/OSI参考模型*二层)的多端口网桥，也可以说是智能分配器。交换机将其管理的网络以星型拓扑结构划分为许多物理上互相隔离而逻辑上互相联系的节点，每一节点单独与交换机建立物理连接，在通信的时候交换机会在发送端口与接受端口间建立一个独占的全双工通道，它具有以太网的全部带宽并避免冲突。

    交换以太网在获得确定性的同时，传输速度也有较大的提高。千兆以太网已普及，10Gb/s的交换以太网正在开发。当以太网用于信息技术时，应用层含有HTTP(**级文本传输协议)、FTP (文件传输协议)、SMTP(简单电子邮件传送协议)和bbbnet(远程登录)。这些基于TCP/IP的协议簇已经成为工业界事实上的网络标准，在不同厂商的不同网络系统互联方面起着关键作用。但当以太网用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议。

    工业以太网和Internet技术的发展将完全改变传统工业企业的网络架构。工业以太网已经从信息层向下延伸到控制层和设备层采用以太网架构以后，控制器的位置也可以突破传统网络架构的限制，可以位于现场，也可以位于中央控制室。目前控制器甚至远程I/O支持以太网的功能越来越强，在有些控制器和远程I/O模块中已经集成了Web服务器，从而允许信息层的用户也可以和控制层的用户一样直接获取控制器和远程I/O模块中的当前状态值。采用以太网架构和开放的软件系统的制造企业也被称为“”。

    此外，通过Internet可以实现对工业生产过程的实时远程监控，将实时生产数据与ERP系统以及实时的用户需求结合起来，使生产不只是面向定单的生产，而是直接面向机会和市场的“电子制造”，从而使企业能够适应经济**化的要求。

    2． 串口上网技术
    以太网作为IT产业的主要通讯骨干，已是众所皆知的事实，并已大量的应用在人类生活息息相关的信息产业上。面对这股网络化的潮流，身为所有产业基础建设的工业自动化系统，也广泛的应用TCP/IP以太网作为系统通讯界面，并积极发展更符合工业标准的网络技术与产品，提高系统自动化的能力，从而达到降、提升竞争力的目标。

    但是,在系统网络化的过程里,由于许多传统的串口设备未具备联网能力,在控制指令与设备信息的传递上,必须要有串行通讯转TCP/IP网络的方案。而串口通讯网络技术简单、易用，性价比高，是系统网络化的理想选择。现在市场上已出现MOXA的Nport系列串口上网服务器。

    使用MOXA的标准串口驱动程序，MOXA的串行端口可以被成是远程的COM端口，不需要更改系统原有使用串行通讯的应用软件或通讯元件。好处在于，有了bbbbbbs和Linux/Unix的驱动程序支持，Nport 家族 可以立即让串口设备具备联网的能力。Nport 家族设备联网服务器包含完整的TCP/IP协议。它可以把串口数据包装成TCP封包，并转换成可以在Ethernet上传送的Frame，传送到主机的以太网卡上。主机以自己的TCP/IP协议解封包后，应用程序可以接收到完整的串口数据。

    通过Nport 家族 TCP端口，可不是用驱动程序，而以TCP/IP Socket来存取串口数据。这种解决方案适合于所有具备TCP/IP连接功能的系统。让串口设备具备TCP/IP网络界面，可提高企业管理与原作效率。由TCP/IP网络可远程、机动性管理的特性，大大减低系统故障维护与人力成本，是一个底成本效益的串口设备管理模式。

     3.基于以太网的DCS系统设计

    3．1以某石膏粉生产线DCS系统为例，原理：石膏粉生产线分破碎、粉磨、炒制及包装等几大部分。
    破碎：将生料送入一次破碎机中破碎，一次破碎后的生料由提升机送入料仓1中，料仓1下挂有电振机，启动电振机即可将一次破碎后的生料送入二次破碎机中进行二次破碎，二次破碎后的生料由提升机送入料仓2，待料仓2下的电振机启动即可将破碎后生料送入磨机进行粉磨。

     粉磨：破碎后的生料进入磨机进行粉磨，粉磨后的粉料由绞1#经提升机、绞2#送入预热仓，预热仓的粉料再经下面双绞3#、4#送入炒锅进行炒制。其中，预热仓中粉料的料位由料位传感器测得，经变送后输出给PLC模拟块的输入通道。 
            
    炒制及包装：粉料经双绞3#、4#送入炒锅中进行炒制，当炒锅中粉料的料位达到上限值时，停止双绞3#、4#。炒锅一边加热，一边用搅拌器搅拌粉料，当粉料温度达温度设定值时，启动阀门电机，粉料泄入料仓3中。当炒锅中粉料的料位达到下限值时，启动双绞3#、4#，预热仓中的粉料进入炒锅，使炒锅的温度低于温度设定值，停止阀门电机，粉料进入下一轮炒制。料仓3中的熟料，由绞5#经提升机机送入料仓4，再经绞6#输出包装。其中，炒锅中粉料的温度由温度传感器测得，经变送后输出给PLC模拟块的输入通道；绞6#的输出速度由变频器控制，以便调节其输出速度。限于篇幅省略工艺流程图（需要可与作者联系）

    3． 2系统硬件结构设计
    系统利用以太网技术，采用集中管理分散控制的方式。根据石膏粉生产线破碎、粉磨、炒制及包装三大部分的控制要求，用三台CPM1A型OMRON PLC实现控制。

    本系统选择1对3串口服务器。只需在上位机按装 bbbbbbs 95/98/ME, bbbbbbs NT, 和 bbbbbbs 2000 native COM 驱动程序, 给MOXA多串口服务器设置IP地址，上位机通过实验室局域网与MOXA Nport-Server通讯，下位机（PLC）通过RS-232转换器与MOXA多串口服务器通讯相连，并分配虚拟COM口，上位机组态软件需要设计下位计算机的所有系统组态程序，建立相应的COM3-COM5硬件设备，进行系统的人机界面设置组态，系统的远程监控可以通过访问上位机实现（与以太网方案相同，需要在组态软件上发布WEB页面），远程计算机可以直接访问MOXA多串口服务器的IP地址，直接读取TCP/IP数据包，进行网络远程监控。具体设计为破碎站PLC为COM3口，粉磨站PLC为COM4口、炒制及包装站PLC为COM5口

本系统通过以太网可实现远程控制，与传统的现场总线方式相比，具有，控制距离远（连入网络的计算机均可对系统监控），易于管控结合等特点。

    3.3 系统软件设计
    系统软件采用组态王组态软件。因为组态王的网络结构是一种柔性的客户服务器模式，所以客户服务器是相对的。按系统网络构架系统有管理站，下位机分破碎站,粉磨站和炒制及包装站，各工作站分别安装组态王6.0网络版。以太网构架。需在每一工作站组态王“网络设置”项中选择联网，管理站设置为登陆服务器和WEB SERVER服务器生成需要通过Internet远程监控浏览的界面，并且需要把本站点上的工程所在路径下的文件夹设置为共享方式。然后再在网络设置”项中进行“客户配置”定义本地计算机在网络中充当的客户功能，并且可充当多个站点的客户。一个系统中登陆服务器只有一个均选择管理站。进行以上配置前提为网络中的所有站点均需在网络中，并且可以中常通讯。

    网络信息传递即网络变量的引用。组态王可以对网络中的变量直接引用。

    4． 总结
    工业自动化的发展趋势应该是分布式、开放化和信息化。分布式的结构是一种能确保网络中每个智能的模块能够独立的工作的网络，达到系统危险分散的概念；开放化则是系统结构具有与外界的接口，实现系统与外界网络的连接；信息化则是使系统信息能够进行综合处理能力，与网络技术结合实现网络自动化和管控一体化。

    基于以太网技术的自动化具有和开放性，可以实现远程控制，易于与管理结合，实现管控一体化，这也是自动化的发展方向之一。上述系统已成功应用于现场，具有较好的推广价值。