DCS用于標準化編程的IEC1131-3中的分析
摘要： 早期的DCS是完全封閉的，由各個生產廠自己生產I/O組件、控制站、操作員站、工程師站，自己設計開發系統網絡和控制組態軟件。用戶在其中任何一個環節都脫離不了該DCS生產廠，處處受其制約。也就是說，各個DCS生產廠的硬件(包括I/O組件、控制站、操作員站、工程師站)不能互相代用，系統網絡互不兼容，無法互通信息，控制組態軟件種類繁多……
關鍵字： PLC IEC1131-3標準 DCS
早期的DCS是完全封閉的，由各個生產廠自己生產I/O組件、控制站、操作員站、工程師站，自己設計開發系統網絡和控制組態軟件。用戶在其中任何一個環節都脫離不了該DCS生產廠，處處受其制約。也就是說，各個DCS生產廠的硬件(包括I/O組件、控制站、操作員站、工程師站)不能互相代用，系統網絡互不兼容，無法互通信息，控制組態軟件種類繁多。甚至連擁有多個DCS生產廠的跨國儀表公司，其下屬的各DCS生產廠的產品也有這種情況，如ABB公司，其下屬的DCS有貝利 (Bailey)公司的INFI-90、阿西雅(Asea)公司的MASTER、哈特曼·布朗(Hartmann & Braun)公司的Freelance 2000。
近年來，這種情況有所改變，操作員站、工程師站可采用通用計算機；各個廠家紛紛放棄各自的系統網絡轉而采用通用計算機網絡；當DCS融入現場總線技術時，甚至連I/O組件也可以選擇。而唯一沒有變化的是控制組態軟件。控制組態軟件互不通用，使用戶每采用一種新的軟件時就得重新學習，制造廠也得為控制組態軟件的開發投入大量人力物力。
PLC在這方面走在 DCS的前面，早在1993年國際電工委員會(IEC)就制定了IEC1131 PLC的標準。
本文將通過對PLC標準化編程的IEC1131-3標準及其在PLC中的應用情況的介紹，分析該標準在DCS中應用的可能性及目前的應用狀況。
一 PLC與IEC1131-3標準
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。當形形色色的PLC涌入市場時，國際電工委員會及時地于1993年制定了IEC1131標準以引導PLC健康地發展。
IEC1131標準共分為5個部分：IEC1131-1為一般信息，即對通用邏輯編程作了一般性介紹并討論了邏輯編程的基本概念、術語和定義；IEC1131-2為裝配和測試需要，從機械和電氣兩部分介紹了邏輯編程對硬件設備的要求和測試需要；IEC1131-3為編程語言的標準，它吸取了多種編程語言的長處，并制定了5種標準語言；IEC1131-4為用戶指導，提供了有關選擇、安裝、維護的信息資料和用戶指導手冊；IEC1131-5為通信規范，規定了邏輯控制設備與其他裝置的通信聯系規范。
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，在IEC1131-3中，專家們首先規定了控制邏輯編程中的語法、語義和顯示，然后從現有編程語言中挑選了5種，并對其進行了部分修改，使其成為目前通用的語言。在這5種語言中，有3種是圖形化語言，2種是文本化語言。圖形化語言有梯形圖、順序功能圖、功能塊圖，文本化語言有指令表和結構文本。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。在實際組態時，可以在同一項目中運用多種編程語言，相互嵌套，以供用戶選擇最簡單的方式生成控制策略。
正是由于IEC1131-3標準的公布，許多PLC制造廠先后推出符合這一標準的PLC產品。美國A-B公司屬于羅克韋爾(Rockwell)公司，其許多PLC產品都帶符合IEC1131-3標準中結構文本的軟件選項。法國施耐德(Schneider)公司的Modicon TSX Quantum PLC產品可采用符合IEC1131-3標準的Concept軟件包，它在支持Modicon 984梯形圖的同時，也遵循IEC1131-3標準的5種編程語言。德國西門子(Siemens)公司的SIMATIC S7-300、S7-400、C7-620均采用SIMATIC軟件包，其中梯形圖部分符合IEC1131-3標準，而任選的軟件S7-SCL(結構控制語言)可進行公式計算及復雜優化算法的簡化運算等數據處理工作，另一個任選軟件S7-GRAPH(標準化顯示)可完成帶多種條件轉換的復雜順序控制。據介紹，這兩個任選軟件相當于IEC1131-3 標準中的結構文本和順序功能圖。為方便用戶，它們也可以提供轉換軟件將西門子公司(其產品包括已兼并的原德克薩斯儀表公司的PLC)早先使用的STEP5/TISOFT程序轉換到SIMATIC S7系統中。德國倍福(Backhoff)公司的WinCAT PLC控制自動化系統采用了T WinCAT工控軟件，它支持IEC1131-3標準的全部5種語言。臺灣研華公司的ADAM-5510/P31及由北京集控公司經銷的STAR P31 PLC產品均采用了Paradym-31軟件包，它包含了IEC1131-3標準中規定的順序功能圖、梯形圖和功能塊圖3種語言。
二 DCS采用IEC1131-3標準的可能性
曾為霍尼韋爾(Honeywell)公司、ABB貝利公司、西屋(Westinghouse)公司、羅克韋爾公司提供控制軟件的一家美國公司，近期推出了帶有PLC形式的M過程控制系統，但用戶就M系統是否符合IEC1131-3標準的問題而提問時，該公司回答說：“IEC1131-3標準是專門為PLC系統制定的，它的目的是為邏輯控制器的開發提供一個基準，即使用相同的程序(甚至是相同的編程工具)，這些包括在技術標準中的許多要求并不適用于過程控制系統，因此M系統和許多DCS過程控制系統一樣，發現IEC1131-3標準并不適用于過程控制”。
或許是因為擔心影響公司產品在控制軟件市場上的銷售量，這樣的觀點在作者看來多少有點片面。事實上如今的PLC早已不是單純的邏輯控制器，許多PLC產品已經吸取了DCS的長處，與DCS相互滲透并融為一體了；以往屬于DCS的常規PID控制、高級回路控制、復雜的數學運算等功能在PLC產品中已屢見不鮮了；DCS要完成的功能，應該說PLC系統基本都能完成。因此許多學者認為DCS與PLC所實現的功能越來越接近，兩者的差別將逐漸消失。PLC系統可以采用IEC1131-3標準完成控制軟件組態工作，DCS借助這一標準也應該能夠完成控制軟件組態工作。
具體來說，DCS控制組態軟件所涉及的功能主要包括開關量的邏輯控制、模擬量的PID控制和復雜的數學運算這3大類功能。采用梯形圖、順序功能圖、指令表等編程語言可完成開關量的邏輯控制是不言而喻的；采用功能塊圖實現簡單PID、高級回路控制也是可行的，更復雜的回路控制可以借助結構文本來實現；數學運算同回路控制一樣，也可借助功能塊圖和結構文本語言。更復雜的要求在DCS中目前也是采用一些特殊的設備、特殊的組態方式加以處理的，如在霍尼韋爾公司的TDC-3000系統中，可采用應用組件、計算單元和CL高級控制語言專門完成這些工作。
三 IEC1131-3標準在DCS中的實際運用
德國西門子公司的SIMATIC PCS7 DCS是在SIMATIC S5、S7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IEC1131-3標準。美國慕爾過程自動化(Moore Process Automatic Solution)公司在其四重化冗余的安全PLC(QUADLOG)控制系統中采用了4-mation組態軟件。該軟件符合IEC1131-3標準中的4種編程語言：梯形圖、順序功能圖、功能塊圖和結構文本，而在該公司APACS DCS/PLC混合控制系統中也采用了4-mation軟件。美國費希爾—羅斯蒙特(Fisher-Rosemount)公司于1996年推出的帶現場總線的控制系統DeltaV采用了IEC1131-3標準組態。美國利諾(L&N)公司的MAX1000+PLUS DCS在其組態工具MAXVUE中集成了法國CJInternational公司的ISaGRAF軟件并作了相應的擴充，可提供IEC1131-3標準的5種編程功能。瑞士ABB公司下屬的Hartmann & Braun公司的Freelance2000 DCS的組態軟件DigiTool支持IEC1131-3標準中的4種編程語言：梯形圖、順序功能圖、功能塊圖和指令表，同時它還可以提供多于190個經過現場檢驗的功能塊子程序和多于200個用戶自定義組態的圖形符號。以生產Citect工控軟件著名的CiT
(西雅特)公司的MOX模塊化開放式控制系統(其中包括CSS采樣監控系統)采用了IEC1131-3標準組態，所使用的軟件也是法國CJ International公司的ISaGRAF軟件。國際現場總線基金會為實現各公司產品的互可操作性，制定了幾十種常用的標準功能塊及其參數，基金會聲稱這些功能塊遵循IEC1131-3標準的功能塊圖。
上面的例子中兩次提到法國CJ International公司的ISaGRAF軟件，它是目前符合IEC1131-3標準的三大組態軟件之一(另兩個是美國Wonderware公司的InControl和美國 Wizdom Controls公司的Paradym-31)。ISaGRAF軟件是一個具有Windows風格的以圖形為界面的友好平臺，可用來對系統進行組態、調試和維護。
國內DCS產品在這方面并不落后，最早引入IEC1131-3標準的是冶金部自動化研究院智能裝備所，在該所生產的EIC2000現場總線控制系統中采用了該標準。如在EIC2000-LON子系統中包含的OnLon軟件和EIC2000-ST子系統中包含的Workbench軟件，都得到ISaGRAF軟件的支持。北京和利時公司也較早認識到IEC1131-3標準的重要性，所以他們在HS2000 DCS中就已經采用了梯形圖、功能塊圖和結構文本的標準語言，并且在1999年推出的FOCS帶現場總線的控制系統和MACS先進控制系統中，采用了IEC1131-3標準的全部5種編程語言。而在電力行業業績顯赫的上海新華控制工程公司的XDPS-400 DCS中，控制組態軟件采用了IEC1131-3標準的功能塊圖編程語言。在化工行業應用頗多的浙江威盛自動化公司在其新推出的支持現場總線的FB-3000 DCS中采用了符合IEC1131-3標準的控制組態軟件。在國內DCS應用已達500套的浙江浙大海納中控自動化有限公司，其最新系統JX-300X也支持IEC1131-3標準的梯形圖、功能塊圖和順序功能圖。2000年6月，深圳德維森公司推出TCS柔性控制系統，其控制組態軟件TP311、TP321中采用了IEC1131-3標準的軟件包。
我們在工程實踐中對用于物料成分配料控制的HS2000 DCS進行控制軟件組態時，使用了梯形圖、功能塊圖和結構文本等多種編程語言，特別是采用了結構文本對X熒光分析儀分析結果進行物料配比控制的復雜算法組態中，發現其功能相當強大，并沒有產生IEC1131-3標準不適合過程控制的任何感覺。
綜上所述，采用IEC1131-3標準的編程語言方便實用，標準化程度高，用戶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；對制造廠來說，可以把人力、物力投到DCS的硬件、網絡或其他方面。由此看來，DCS的控制組態軟件采用IEC1131-3標準應該是DCS的發展方向之一。
關鍵字： PLC IEC1131-3標準 DCS
早期的DCS是完全封閉的，由各個生產廠自己生產I/O組件、控制站、操作員站、工程師站，自己設計開發系統網絡和控制組態軟件。用戶在其中任何一個環節都脫離不了該DCS生產廠，處處受其制約。也就是說，各個DCS生產廠的硬件(包括I/O組件、控制站、操作員站、工程師站)不能互相代用，系統網絡互不兼容，無法互通信息，控制組態軟件種類繁多。甚至連擁有多個DCS生產廠的跨國儀表公司，其下屬的各DCS生產廠的產品也有這種情況，如ABB公司，其下屬的DCS有貝利 (Bailey)公司的INFI-90、阿西雅(Asea)公司的MASTER、哈特曼·布朗(Hartmann & Braun)公司的Freelance 2000。
近年來，這種情況有所改變，操作員站、工程師站可采用通用計算機；各個廠家紛紛放棄各自的系統網絡轉而采用通用計算機網絡；當DCS融入現場總線技術時，甚至連I/O組件也可以選擇。而唯一沒有變化的是控制組態軟件。控制組態軟件互不通用，使用戶每采用一種新的軟件時就得重新學習，制造廠也得為控制組態軟件的開發投入大量人力物力。
PLC在這方面走在 DCS的前面，早在1993年國際電工委員會(IEC)就制定了IEC1131 PLC的標準。
本文將通過對PLC標準化編程的IEC1131-3標準及其在PLC中的應用情況的介紹，分析該標準在DCS中應用的可能性及目前的應用狀況。
一 PLC與IEC1131-3標準
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。當形形色色的PLC涌入市場時，國際電工委員會及時地于1993年制定了IEC1131標準以引導PLC健康地發展。
IEC1131標準共分為5個部分：IEC1131-1為一般信息，即對通用邏輯編程作了一般性介紹并討論了邏輯編程的基本概念、術語和定義；IEC1131-2為裝配和測試需要，從機械和電氣兩部分介紹了邏輯編程對硬件設備的要求和測試需要；IEC1131-3為編程語言的標準，它吸取了多種編程語言的長處，并制定了5種標準語言；IEC1131-4為用戶指導，提供了有關選擇、安裝、維護的信息資料和用戶指導手冊；IEC1131-5為通信規范，規定了邏輯控制設備與其他裝置的通信聯系規范。
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，在IEC1131-3中，專家們首先規定了控制邏輯編程中的語法、語義和顯示，然后從現有編程語言中挑選了5種，并對其進行了部分修改，使其成為目前通用的語言。在這5種語言中，有3種是圖形化語言，2種是文本化語言。圖形化語言有梯形圖、順序功能圖、功能塊圖，文本化語言有指令表和結構文本。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。在實際組態時，可以在同一項目中運用多種編程語言，相互嵌套，以供用戶選擇最簡單的方式生成控制策略。
正是由于IEC1131-3標準的公布，許多PLC制造廠先后推出符合這一標準的PLC產品。美國A-B公司屬于羅克韋爾(Rockwell)公司，其許多PLC產品都帶符合IEC1131-3標準中結構文本的軟件選項。法國施耐德(Schneider)公司的Modicon TSX Quantum PLC產品可采用符合IEC1131-3標準的Concept軟件包，它在支持Modicon 984梯形圖的同時，也遵循IEC1131-3標準的5種編程語言。德國西門子(Siemens)公司的SIMATIC S7-300、S7-400、C7-620均采用SIMATIC軟件包，其中梯形圖部分符合IEC1131-3標準，而任選的軟件S7-SCL(結構控制語言)可進行公式計算及復雜優化算法的簡化運算等數據處理工作，另一個任選軟件S7-GRAPH(標準化顯示)可完成帶多種條件轉換的復雜順序控制。據介紹，這兩個任選軟件相當于IEC1131-3 標準中的結構文本和順序功能圖。為方便用戶，它們也可以提供轉換軟件將西門子公司(其產品包括已兼并的原德克薩斯儀表公司的PLC)早先使用的STEP5/TISOFT程序轉換到SIMATIC S7系統中。德國倍福(Backhoff)公司的WinCAT PLC控制自動化系統采用了T WinCAT工控軟件，它支持IEC1131-3標準的全部5種語言。臺灣研華公司的ADAM-5510/P31及由北京集控公司經銷的STAR P31 PLC產品均采用了Paradym-31軟件包，它包含了IEC1131-3標準中規定的順序功能圖、梯形圖和功能塊圖3種語言。
二 DCS采用IEC1131-3標準的可能性
曾為霍尼韋爾(Honeywell)公司、ABB貝利公司、西屋(Westinghouse)公司、羅克韋爾公司提供控制軟件的一家美國公司，近期推出了帶有PLC形式的M過程控制系統，但用戶就M系統是否符合IEC1131-3標準的問題而提問時，該公司回答說：“IEC1131-3標準是專門為PLC系統制定的，它的目的是為邏輯控制器的開發提供一個基準，即使用相同的程序(甚至是相同的編程工具)，這些包括在技術標準中的許多要求并不適用于過程控制系統，因此M系統和許多DCS過程控制系統一樣，發現IEC1131-3標準并不適用于過程控制”。
或許是因為擔心影響公司產品在控制軟件市場上的銷售量，這樣的觀點在作者看來多少有點片面。事實上如今的PLC早已不是單純的邏輯控制器，許多PLC產品已經吸取了DCS的長處，與DCS相互滲透并融為一體了；以往屬于DCS的常規PID控制、高級回路控制、復雜的數學運算等功能在PLC產品中已屢見不鮮了；DCS要完成的功能，應該說PLC系統基本都能完成。因此許多學者認為DCS與PLC所實現的功能越來越接近，兩者的差別將逐漸消失。PLC系統可以采用IEC1131-3標準完成控制軟件組態工作，DCS借助這一標準也應該能夠完成控制軟件組態工作。
具體來說，DCS控制組態軟件所涉及的功能主要包括開關量的邏輯控制、模擬量的PID控制和復雜的數學運算這3大類功能。采用梯形圖、順序功能圖、指令表等編程語言可完成開關量的邏輯控制是不言而喻的；采用功能塊圖實現簡單PID、高級回路控制也是可行的，更復雜的回路控制可以借助結構文本來實現；數學運算同回路控制一樣，也可借助功能塊圖和結構文本語言。更復雜的要求在DCS中目前也是采用一些特殊的設備、特殊的組態方式加以處理的，如在霍尼韋爾公司的TDC-3000系統中，可采用應用組件、計算單元和CL高級控制語言專門完成這些工作。
三 IEC1131-3標準在DCS中的實際運用
德國西門子公司的SIMATIC PCS7 DCS是在SIMATIC S5、S7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IEC1131-3標準。美國慕爾過程自動化(Moore Process Automatic Solution)公司在其四重化冗余的安全PLC(QUADLOG)控制系統中采用了4-mation組態軟件。該軟件符合IEC1131-3標準中的4種編程語言：梯形圖、順序功能圖、功能塊圖和結構文本，而在該公司APACS DCS/PLC混合控制系統中也采用了4-mation軟件。美國費希爾—羅斯蒙特(Fisher-Rosemount)公司于1996年推出的帶現場總線的控制系統DeltaV采用了IEC1131-3標準組態。美國利諾(L&N)公司的MAX1000+PLUS DCS在其組態工具MAXVUE中集成了法國CJInternational公司的ISaGRAF軟件并作了相應的擴充，可提供IEC1131-3標準的5種編程功能。瑞士ABB公司下屬的Hartmann & Braun公司的Freelance2000 DCS的組態軟件DigiTool支持IEC1131-3標準中的4種編程語言：梯形圖、順序功能圖、功能塊圖和指令表，同時它還可以提供多于190個經過現場檢驗的功能塊子程序和多于200個用戶自定義組態的圖形符號。以生產Citect工控軟件著名的CiT
(西雅特)公司的MOX模塊化開放式控制系統(其中包括CSS采樣監控系統)采用了IEC1131-3標準組態，所使用的軟件也是法國CJ International公司的ISaGRAF軟件。國際現場總線基金會為實現各公司產品的互可操作性，制定了幾十種常用的標準功能塊及其參數，基金會聲稱這些功能塊遵循IEC1131-3標準的功能塊圖。
上面的例子中兩次提到法國CJ International公司的ISaGRAF軟件，它是目前符合IEC1131-3標準的三大組態軟件之一(另兩個是美國Wonderware公司的InControl和美國 Wizdom Controls公司的Paradym-31)。ISaGRAF軟件是一個具有Windows風格的以圖形為界面的友好平臺，可用來對系統進行組態、調試和維護。
國內DCS產品在這方面并不落后，最早引入IEC1131-3標準的是冶金部自動化研究院智能裝備所，在該所生產的EIC2000現場總線控制系統中采用了該標準。如在EIC2000-LON子系統中包含的OnLon軟件和EIC2000-ST子系統中包含的Workbench軟件，都得到ISaGRAF軟件的支持。北京和利時公司也較早認識到IEC1131-3標準的重要性，所以他們在HS2000 DCS中就已經采用了梯形圖、功能塊圖和結構文本的標準語言，并且在1999年推出的FOCS帶現場總線的控制系統和MACS先進控制系統中，采用了IEC1131-3標準的全部5種編程語言。而在電力行業業績顯赫的上海新華控制工程公司的XDPS-400 DCS中，控制組態軟件采用了IEC1131-3標準的功能塊圖編程語言。在化工行業應用頗多的浙江威盛自動化公司在其新推出的支持現場總線的FB-3000 DCS中采用了符合IEC1131-3標準的控制組態軟件。在國內DCS應用已達500套的浙江浙大海納中控自動化有限公司，其最新系統JX-300X也支持IEC1131-3標準的梯形圖、功能塊圖和順序功能圖。2000年6月，深圳德維森公司推出TCS柔性控制系統，其控制組態軟件TP311、TP321中采用了IEC1131-3標準的軟件包。
我們在工程實踐中對用于物料成分配料控制的HS2000 DCS進行控制軟件組態時，使用了梯形圖、功能塊圖和結構文本等多種編程語言，特別是采用了結構文本對X熒光分析儀分析結果進行物料配比控制的復雜算法組態中，發現其功能相當強大，并沒有產生IEC1131-3標準不適合過程控制的任何感覺。
綜上所述，采用IEC1131-3標準的編程語言方便實用，標準化程度高，用戶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；對制造廠來說，可以把人力、物力投到DCS的硬件、網絡或其他方面。由此看來，DCS的控制組態軟件采用IEC1131-3標準應該是DCS的發展方向之一。
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