开放式IEC61131控制系统设计

以作者在德国工业实践中的实际经验为依托，以德国菲尼克斯电气软件公司的MULTIPROGProConOS软件平台为基础，详细阐述了现代PLC系统的构建，涉及的设计思想亦适用于企业开发自身的控制系统。除此之外，本书还介绍如何构建一个开放的、符合IEC61131标准的现代控制系统。

Contents　目 录前　言声　明第1章　IEC 61131标准简介 11.1　PLC中的一些通用模型 21.1.1　功能模型 21.1.2　硬件模型 31.1.3　网络通信模型 31.1.4　软件模型 41.1.5　通信模型 51.1.6　编程模型 61.2　数据类型 71.2.1　基本数据类型 71.2.2　派生数据类型 81.3　变量 101.3.1　变量的表示 101.3.2　变量的初始化 111.3.3　变量的声明 111.4　程序组织单元 121.4.1　功能 131.4.2　功能块 161.4.3　程序 191.5　顺序功能图元素 191.5.1　步 201.5.2　转换 201.5.3　动作 201.6　配置元素 211.6.1　配置、资源和全局变量 211.6.2　任务 221.7　IEC 61131-3编程语言 231.7.1　指令表 231.7.2　结构化文本 241.7.3　功能块图 261.7.4　梯形图 261.7.5　顺序功能图 28第2章　IEC 61131编程环境MULTIPROG 312.1　MULTIPROG 5.50 Express及其安装 322.2　MULTIPROG工程管理 362.2.1　新建并编辑工程 362.2.2　I/O配置 402.2.3　工程编译和下装 422.3　自定义用户库开发 462.3.1　自定义复杂数据类型 462.3.2　用户库开发 482.4　断点设置和在线调试 482.4.1　在线监视 492.4.2　断点调试 502.4.3　强制和覆盖变量 522.5　逻辑分析仪 532.5.1　变量添加 532.5.2　连续和限定周期记录 552.5.3　触发条件配置 562.5.4　所记录数据的导出和加载 592.6　交叉参考 602.7　MULTIPROG编程示例 612.7.1　三相异步电动机正反转控制程序 612.7.2　PID控制器和系统仿真 63第3章　IEC 61131运行时系统ProConOS eCLR及二次开发 663.1　eCLR简介 673.2　ProConOS eCLR架构 683.3　eCLR 应用程序映像 713.4　简单的eCLR及CIL代码示例 723.5　eCLR开发包 743.5.1　多核处理器支持 753.5.2　任务优先级 763.5.3　eCLR启动模块 783.6　eCLR在不同平台上的移植 823.6.1　环境接口 833.6.2　文件接口 843.6.3　操作系统接口 853.7　用户自定义功能和功能块 873.7.1　托管固件库开发 893.7.2　原生固件库开发 943.7.3　复杂数据类型 983.8　用户自定义I/O驱动 1093.8.1　I/O驱动工作原理 1093.8.2　I/O配置和I/O分组 1103.8.3　I/O变量 1113.8.4　I/O驱动接口 1123.8.5　I/O驱动的时序 1163.8.6　I/O驱动开发步骤 1173.9　后台任务 1213.10　系统标志区和共享内存区 1223.10.1　系统标志区 1223.10.2　共享内存区 1253.11　回调函数的接口 1283.11.1　状态转换回调函数和异常回调函数的接口 1283.11.2　任务回调函数 1313.12　事件驱动型任务 1343.12.1　MULTIPROG的事件驱动型任务设置 1353.12.2　运行期中事件任务安装 1363.12.3　运行期中系统任务安装 136第4章　IEC 61131和工业现场总线 1384.1　PLC与PROFINET 1394.1.1　PROFINET简介 1394.1.2　PROFINET解决方案 1454.1.3　eCLR PROFINET I/O驱动 1454.1.4　PROFINET总线配置 1464.2　PLC与EtherCAT 1544.2.1　Acontis EtherCAT主站简介 1544.2.2　eCLR ECAT I/O驱动 1574.2.3　总线配置 1584.2.4　基于功能块的总线诊断 1654.3　PLC与Modbus TCP 1664.3.1　Modbus TCP简介 1664.3.2　OSCAT库 1694.3.3　基于IP功能块和OSCAT库的Modbus TCP解决方案 1704.4　PLC与其他现场总线 1734.4.1　PLC和CANopen简介 1734.4.2　PLC和Powerlink 175第5章　PLCopen运动控制 1765.1　PLCopen Part1/Part2 简单运动控制 1785.1.1　PLCopen MC状态机 1785.1.2　异常和错误处理 1795.1.3　功能块接口 1795.1.4　Part1/Part2运动控制功能块 1805.2　PLCopen Part4组合运动控制 1825.2.1　坐标系和运动学 1835.2.2　运动混成 1855.2.3　状态机 1865.2.4　功能块定义 1875.3　基于ProConOS eCLR和ISG内核的运动控制方案 1895.3.1　实时操作系统INtime 1895.3.2　INtime下Acontis EtherCAT主站安装和配置 1955.3.3　PLC运行期ProConOS eCLR 1975.3.4　IEC 61131编程环境配置 1975.3.5　ISG运动内核 1985.3.6　启动顺序 1995.3.7　PLCopen Part1/Part2运动方案 1995.3.8　Part4和机器人方案 2035.4　ProConOS eCLR与第三方运动内核的集成 2085.4.1　PLCopen运动功能块定义 2085.4.2　PLC和运动内核的数据交换 2105.4.3　PLC、运动内核和电动机驱动器的数据交换 2115.4.4　系统优先级设定 213参考文献 214

Preface　前 言工业自动化作为国民经济的支柱之一，在提高工业企业生产效率、保证产品质量等方面发挥了重要作用。随着现代信息技术和电子技术的飞速发展，其在传统自动化领域的应用极大地提高了控制系统的性能和应用范围，具体表现在以下几个方面： 可编程控制器（PLC）和HMI面板的处理速度大幅度提高，这大大改进了工业生产自动检测水平、执行精确度与速度，达到了优化装置和过程的效果。 以实时以太网为基础的现场总线技术，如PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP等使得控制系统与现场设备之间的通信更加可靠、高效。 现代网络通信技术可以把整个企业的资金、物流、生产装置状态、生产效率和能力等信息准确、全面、系统地提供给企业，供企业决策者和管理者做实时和准确的决策，给用户提供管理和控制一体化设备的系统和服务。 信息化和工业化的结合必然为工业自动化产品制造和应用带来很大的发展空间，同时，随着经济的发展，社会生产组织形式越来越倾向于小批量、定制化的柔性生产方式。基于以上两个因素，德国为了保持其在制造领域的优势，在政府层面提出了“工业4.0”战略；美国则希望由强势的信息产业优势向传统制造领域回归，提出了“工业互联网”的概念；中国则相应地提出了自己的“中国制造2025”战略。但是这些宏观的战略都需要得到现场级自动化技术的强力支撑，如现代PLC技术、现代现场总线技术和智能机器人等，否则就如同在沙滩上建立大厦一般不稳固。 自1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求以来，随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已出现第五代PLC产品了。20世纪80年代至90年代中期是PLC发展快的时期，年增长率一直保持为30%～40%。PLC由于在模拟处理能力和网络方面的进步，挤占了一部分DCS（过程控制）的市场，并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和DCS也挤占了一部分PLC市场，总体来说DCS和PLC有相互融合的趋势。目前，全世界有200多家工厂生产300多个品种的PLC产品，主要应用在汽车、粮食加工、化学/制药、金属/矿山、纸浆/造纸等行业。 由于各PLC厂商的产品在指令系统上的差异以及在编程方法上对用户的要求不同，近年来为了规范化，IEC针对PLC规定了一系列标准，即IEC 61131标准。1995年，与国际标准等效的国家标准相继颁布，2006年，IEC 61131国际标准的中文对照版GB/T 15969出版。其中部分规定了PLC系统的定义。IEC 61131-3是该系列标准中的第三部分，主要涉及PLC编程语言的语法和语义定义。它规定了指令表、梯形图、顺序功能图、功能块图、结构化文本5种编程语言。这包括文本化编程和图形编程两个方面，SFC在这两类编程语言中均可使用。 IEC 61131标准是不同的PLC厂商相互协调、讨论并妥协的产物，因此该标准中也有很多与具体实现相关的功能定义。对于这些功能，不同的厂商可采用不同的策略来实现。这既增加了标准的灵活性，又减弱了标准的非二义性。 本书主要目的不在于详细阐述IEC 61131标准的相关内容，而在于以德国菲尼克斯电气软件公司的MULTIPROG/ProConOS eCLR控制软件为例，展示如何构建一个符合IEC 61131标准的实际控制系统。至于IEC 61131的详细内容，用户可以直接参考国际标准或者等效国标GB/T 15969。至于如何在生产实际中使用IEC 61131-3所定义的编程语言对PLC进行编程控制，用户可以参考其他的一些书籍或文章，如彭瑜先生所著《IEC 61131-3编程语言及应用基础》 [1]、Karl-Heinz John先生参与撰写的《IEC 61131-3 Programming Industrial Automation System》 [2]等。在本书中，各章内容安排如下： 第1章简要介绍IEC 61131标准所定义的各种模型以及标准编程语言。 第2章主要涉及PLC编程环境MULTIPROG的操作使用，即如何在MULTIPROG中实现IEC 61131所定义的各项要素。 第3章重点介绍基于ProConOS eCLR的二次开发。ProConOS eCLR只是实现了一个基本的PLC运行时内核，要构建一个完整的PLC系统，用户在这个基础上还需要添加额外的模块，比如能完成特定功能的自定义功能块和I/O模块的相应驱动等。 第4章主要描述了eCLR与不同现场总线的协同工作，如PROFINET、EtherCAT、Modbus TCP、CANopen和Powerlink等。 第5章介绍MULTIPROG/ProConOS eCLR与PLCopen运动控制的集成。 谨此机会，感谢我的家人在本书的撰写过程中给予的长期支持。另外，假如没有PLCopen中国组织名誉主席彭瑜老师和菲尼克斯电气软件公司的同事及好友梁恩泉的大力协助，本书恐怕也难以写成；同时还要感谢菲尼克斯电气软件、acontis technologies GmbH、ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH以及Tenesys 等公司在写作过程中对我提供的帮助。 任向阳2016年8月于德国比勒菲尔德