于IEC61131-3的控制软件平台的设计与实现.

科技信息１．引言基于ＩＥＣ６１１３１－３标准ＰＬＣ具有通用性好、兼容性高、价格低廉、编程方便、易于与网络相连等优点，欧美等西方国家都把基于ＩＥＣ６１１３１－３标准ＰＬＣ作为一个重点对象进行研究开发。

嵌入式ＰＬＣ是架构在嵌入式系统上的ＰＬＣ系统，具有非常广泛的应用前景，在自动化领域采用基于嵌入式ＰＬＣ系统来代替传统硬ＰＬＣ产品已经成为一个趋势。

本文采用德国３Ｓ公司的ＣｏＤｅＳｙｓ构架ＰＬＣ系统，对研究嵌入式ＰＬＣ系统具有重要的实践意义。

２．ＩＥＣ６１１３１－３编程语言简介ＩＥＣ６１１３１－３编程语言标准是第一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软件设计概念、模型等，适应当今世界软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进的设计技术。

它极大地推动了工业控制系统软件设计的发展，对现场总线设备的软件设计业产生了很大的影响。

符合ＩＥＣ６１１３１－３标准的软件系统是一个结构完美、可重复使用、可维护的工业控制系统软件。

它不仅能应用于可编程控制器，而且能应用于流程控制和制造过程软件中，因此，它是新型的，先进的工业控制编程系统。

２．１ＩＥＣ６１１３１－３标准编程语言的主要内容ＩＥＣ６１１３１－３编程语言标准分为公用元素和编程语言两部分。

公用元素部分除了说明各种编程语言中使用的字符集、标识符、关键字等外，还定义了数据的外部表示、数据类型、变量和程序组织单元等，并对顺序功能图的基本元素等进行了定义。

与传统的可编程控制器编程语言不同，在公共元素中，编程语言标准还定义了配置、资源、任务和存取路径等基本概念。

ＩＥＣ６１１３１－３的编程语言部分还定义了两大类编程语言：文本化编程语言和图形化编程语言。

文本化编程语言包括指令表编程语言（ＩＬ）和结构化文本编程语言（ＳＴ），图形化编程语言包括梯形图编程语言（ＬＤ）和功能图块编程语言（ＦＢＤ）。

在标准中定义的顺序功能图（ＳＦＣ）既没有归入文本化编程语言，也没有归入图形化编程语言，它被作为公共元素予以定义。

这表示顺序功能图既可用于文本化编程语言，也可用于图形化编程语言。

如下图描述它们的关系。

图１ＩＥＣ６１１３１－３标准的层次结构ＩＥＣ６１１３１－３标准的公用元素中还包含语言元素，如标识符、分界符、关键字等。

标准将顺序功能表图作为公共元素，因为它的动作和转换条件可以用标准规定的其他四种编程语言来编程。

２．２ＩＥＣ６１１３１－３标准编程语言的发展ＩＥＣ６１１３１－３标准被市场广泛接受和支持之后，得到了良好的维护和发展，在应用过程中发现的缺陷逐步被改进；同时为了使用技术的进步和市场要求的环境，ＩＥＣ６１１３１－３标准也进行了适当的修订。

ＩＥＣ６１１３１－３标准的第三次修订将于ＩＥＣ６１４９９标准相协调。

３．国内外基于ＩＥＣ６１１３１－３标准编程系统现状３．１国内现状近些年来，国内致力于自主知识产权的ＩＥＣ６１１３１－３编程系统开发的有亚控科技、浙大中自、大连理工大学计控研究所以及北京凯迪恩自动控制技术公司等，其中亚控科技的ＫｉｎｇＡｃｔ已经投入使用，浙大中自的ＳｕｎｙＩＥＣ实现了ＩＥＣ６１１３１－３标准中的五种控制语言，是目前国内自行开发并拥有自主知识产权的编程系统达到了较高的技术水平，极大地促进和加快了国内自动控制设备的发展。

３．２国外现状国外商品化工业控制软件的编程系统平台模式是专业化、集中化，即由为数不多的且专门从事功课控制基础软件的小型企业承担，他们向工控界提供一类不具体依赖于特定ＰＬＣ或其他控制系统硬件产品的开放式编程软件包，如加拿大ＩＣＳＴｒｉｐｌｅｘ公司的ＩｓａＧＲＡＦ，德国ＫＷ公司的ＭＵＬＴＩＰＲＯＧ，德国Ｉｎｆｏｔｅａｍ公司的ＯｐｅｎＰＣＳ，德国３Ｓ公司的ＣｏＤｅＳｙｓ。

许多的工业控制设备厂商（包括西门子、横河电机、欧姆龙、三菱电机、ＡＢＢ公司等）都购买了这些商品化基础软件的使用权，并在此基础上进行工作量不大的二次开发，或在此基础上将其高附加值的诀窍和控制算法嵌入其中。

４．基于ＩＥＣ６１１３１－３标准的嵌入式ＰＬＣ系统的构成本系统硬件设备包括ｘ８６ＰＣ平台，奔腾（ｐｅｎｔｉｕｍ）２处理器，标准ＰＣＩ插槽板，ＩＯ板，ＡＤ板，网线，路由器，人机界面，驱动器，驱动设备（自选）。

软件系统采用德国３Ｓ公司的ＣｏＤｅＳｙｓ编译环境，支持五种控制语言的编程，符合ＩＥＣ６１１３１－３标准。

整个ＰＬＣ系统由编译系统和运行系统、人机界面、外围设备以及驱动设备五部分组成。

以运行于Ｌｉｎｕｘ系统之上的ＣｏＤｅＳｙｓ运行系统为核心，进行数据采集，传输。

其中人机界面、驱动器、和其他的设备是通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ进行网络互联通信的。

整个系统总体设计如图２所示。

图２基于ＩＥＣ６１１３１－３标准的嵌入式ＰＬＣ系统的总体结构５．嵌入式运行环境系统的设计简述嵌入式ＰＬＣ系统由编译系统和运行系统、人机界面、外围设备以及驱动设备五部分组成。

最主要的两部分是编译系统和运行系统。

在连接编译系统和运行系统之前需要先配置编译系统，添加ＩＯ设备描述文基于IEC61131-3标准嵌入式PLC 系统探析太原科技大学电子信息工程学院张学超杨铁梅毕友明［摘要］本系统使用德国3S 公司开发的CoDeSys 软件搭建PLC 系统框架，系统符合IEC61131-3标准，以运行系统为核心，采用Tcp 网络协议进行数据转发以及使用共享内存技术，实现人机界面、CoDeSys 编译环境以及驱动器之间资料的实时交互。

整个系统按照PLC 程序设计的逻辑流程运行，达到控制系统的要求。

［关键词］IEC61131-3标准CoDeSys Tcp共享内存ＩＥＣ６１１３１－３标准公共元素编程语言图形类文本类作者简介：张学超（1985-），男，在读硕士研究生，主要研究方向，控制理论与控制工程；杨铁梅（1967-），女，教授，硕士生导师，主要研究方向：主要从事智能检测技术与故障诊断方面的研究工作等。

博士·专家论坛件，加载ＩＯ设备。

再配置运行环境，在运行系统中添加ＩＯ设备驱动，在配置文件里设置组件，使运行系统支持编译环境。

运行系统和编译系统的连接原理如图３所示。

图３编译系统和运行系统连接运行原理５．１ＣｏＤｅｓｙｓ编译系统的配置在ＣｏＤｅＳｙｓ编译环境中添加设备，需先添加设备描述文件———ＸＭＬ文件。

描述文件添加成功后，才能在添加设备中找到相应的设备组件。

设备描述文件包括六个部分：Ｔｙｐｅｓ、ＰａｒａｍｅｔｅｒＦｉｔｅｒＦｌａｇｓ、Ｓｔｒｉｎｇｓ、Ｆｉｌｅｓ、Ｄｅｖｉｃｅ、Ｍｏｄｕｌｅｓ。

Ｔｙｐｅ定义各种数据类型，基于标准数据类型的基础上，可根据需要自定义数据类型。

ＰａｒａｍｅｔｅｒＦｉｔｅｒＦｌａｇｓ是用于描述设备的参数。

Ｄｅｖｉｃｅ是描述设备组件信息。

设备描述文件基本格式如下所示。

－＜ＤｅｖｉｃｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ＞＜Ｔｙｐｅｓｎａｍｅｓｐａｃｅ＝＂ｌｏｃａｌＴｙｐｅｓ＂／＞＜Ｓｔｒｉｎｇｓｎａｍｅｓｐａｃｅ＝＂ｌｏｃａｌ＂／＞－＜Ｄｅｖｉｃｅ＞－＜ＤｅｖｉｃｅＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ＞＜Ｔｙｐｅ＞８０００＜／Ｔｙｐｅ＞＜Ｉｄ＞１６１００００１＜／Ｉｄ＞＜Ｖｅｒｓｉｏｎ＞Ｖ１．０．０．０＜／Ｖｅｒｓｉｏｎ＞＜／ＤｅｖｉｃｅＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ＞－＜ＤｅｖｉｃｅＩｎｆｏ＞＜Ｎａｍｅｎａｍｅ＝＂ｌｏｃａｌ：ｔｙｐｅｎａｍｅ＂＞ＣｏＤｅＳｙｓＤｅｖｉｃｅ＜／Ｎａｍｅ＞＜Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｎａｍｅ＝＂ｌｏｃａｌ：ｔｙｐｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ＂＞ＣｏＤｅＳｙｓＤｅｖｉｃｅ＜／Ｄｅ－ｓｃｒｉｐｔｉｏｎ＞………………………………＜／Ｄｅｖｉｃｅ＞＜／ＤｅｖｉｃｅＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ＞按照设备描述文件的格式，同时可以为系统其他设备的描述文件，尤其是ＩＯ模块设备的添加。

编写ＩＯ的设备描述文件ＩＯ－Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．ｄｅｖｄｅｓｃ。

添加设备后添加映射如图４所示：图４在ＣｏＤｅＳｙｓ添加设备并且建立ＩＯ映射编译环境中添加设备描述文件后，开放式的ＣｏＤｅＳｙｓ就是为本系统服务的编译环境。

在这个开放的编译环境里面，可以采用通用的五种编程语言，编辑ＰＬＣ程序指令流程。

５．２运行系统的配置执行底层ＣｏＤｅＳｙｓ的运行系统，编译系统可通过网络搜索网络上正在运行的运行系统，激活连接状态，系统即为可用。

在编译系统中添加ＩＯ设备的描述文件，只是用于上层人机界面的友好操作，本身并没有实际的意义。

只有在底层添加支持ＩＯ设备的ｌｉｂ库文件，才能真正完成对硬件的读写操作。

Ｃｏｄｅｓｙｓ支持Ｌｉｂ库的二次开发。

开发相应的驱动程序，只需要将ｌｉｂ组件在Ｃｏｄｅｓｙｓ运行系统中加载。

６．嵌入式运行系统架构阐述在完成上述配置之后，在编译系统上编写好的ＰＬＣ程序，经过编译后，已经可以将程序下载到运行系统中，并且为ＩＯ设备添加设备描述文件和相应的ｌｉｂ驱动库文件，ＰＬＣ程序中可以直接操作硬件ＩＯ信息，给出信号指令。

Ｔａｓｋ在指定的时间内对系统硬件信息进行扫描处理。

这是一个基本的嵌入式系统基本构成。

运行系统的基本程序执行流程如图５所示。

应用到实际工业的系统运行需加载ＨＭＩ人机界面以及驱动器。

完成三部分之间的信息传输是整个系统架构的核心。

在编译系统和运行系统连接的基础上，重新处理运行系统，将运行系统作为一个核心，创建服务器和客户端，ＨＭＩ和驱动器之间的通信。

开辟共享内存区，以实现ＨＭＩ和ＰＬＣ之间的通信，以及ＰＬＣ和驱动器之间的通信。

架构图形见图２基于ＩＥＣ６１１３１－３标准的嵌入式ＰＬＣ系统的总体结构。

图５嵌入式ＰＬＣ运行系统程序执行流程图创建客户端和服务器端需要创建Ｓｏｃｋｅｔ通信接口，函数原型如下：ｉｎｔｓｏｃｋｅｔ（ｉｎｔｄｏｍａｉｎ，ｉｎｔｔｙｐｅ，ｉｎｔｐｒｏｔｏｃｏｌ）；Ｂｉｎｄ函数将ｓｏｃｋｅｔ与本机上的一个端口相关联，随后就可以在该端口监听服务请求。

ｉｎｔｂｉｎｄ（ｉｎｔｓｏｃｋｆｄ，ｓｔｒｕｃｔｓｏｃｋａｄｄｒ＊ｍｙ＿ａｄｄｒ，ｉｎｔａｄｄｒｌｅｎ）；面向连接的客户程序使用Ｃｏｎｎｅｃｔ函数来配置ｓｏｃｋｅｔ并与远端服务器建立一个ＴＣＰ连接。

ｉｎｔｃｏｎｎｅｃｔ（ｉｎｔｓｏｃｋｆｄ，ｓｔｒｕｃｔｓｏｃｋａｄｄｒ＊ｓｅｒｖ＿ａｄｄｒ，ｉｎｔａｄｄｒｌｅｎ）；Ｌｉｓｔｅｎ函数使ｓｏｃｋｅｔ处于被动的监听模式，并为该ｓｏｃｋｅｔ建立一个输入数据队列，将到达的服务请求保存在此队列中，直到程序处理它们。

ｉｎｔｌｉｓｔｅｎ（ｉｎｔｓｏｃｋｆｄ，ｉｎｔｂａｃｋｌｏｇ）；ａｃｃｅｐｔ（）函数让服务器接收客户的连接请求。

在建立好输入队列后，服务器就调用ａｃｃｅｐｔ函数，然后睡眠并等待客户的连接请求。

ｉｎｔａｃｃｅｐｔ（ｉｎｔｓｏｃｋｆｄ，ｖｏｉｄ＊ａｄｄｒ，ｉｎｔ＊ａｄｄｒｌｅｎ）；数据传输Ｓｅｎｄ（）和ｒｅｃｖ（）这两个函数用于面向连接的ｓｏｃｋｅｔ上进行数据传输。