從自動化集成體系結(jié)構(gòu)的視角看PLC系統(tǒng)軟件的長足進(jìn)展(下）

4.4 PLC性能的基準(zhǔn)測試

為了讓使用者對所用PLC在其具體應(yīng)用中的性能做出評估，還為了比較不同PLC的性能，并發(fā)現(xiàn)在其具體應(yīng)用中所表現(xiàn)出來的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，PLCopen在2006年6月底以技術(shù)文件的形式公布了《PLC性能的基準(zhǔn)測試方法》。該文件通過所定義的測試概要，以一種客觀的方式，為尋求不同PLC平臺真實(shí)性能提供了標(biāo)準(zhǔn)化的方法。為更貼近實(shí)際應(yīng)用，將基準(zhǔn)測試方法劃分為五種類別，它們分別是：數(shù)字式I/O處理（典型應(yīng)用是無伺服驅(qū)動的小型機(jī)械）；使用SFC/狀態(tài)機(jī)、并在每個步序有數(shù)字式I/O的處理（典型應(yīng)用是裝配自動化）；運(yùn)動控制應(yīng)用程序（典型應(yīng)用是包裝、印刷）；數(shù)據(jù)處理應(yīng)用程序（典型應(yīng)用：測量記錄和處理、協(xié)議）；閉環(huán)控制應(yīng)用程序（典型應(yīng)用：過程控制）。

4.5 IEC61131-3與XML

考慮到編程僅僅是控制軟件完整應(yīng)用開發(fā)套件的一個組成部分，雖然XML并不是IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，但為規(guī)范它與其它組成部分間的數(shù)據(jù)交換接口，PLCopen還是強(qiáng)調(diào)通過為IEC61131-3規(guī)定一種XML（Extensible Markup Language——可擴(kuò)展標(biāo)記語言：一種用來創(chuàng)建自己的標(biāo)記的標(biāo)記語言）的格式倡導(dǎo)一種開發(fā)環(huán)境，使得各種不同目的的開發(fā)軟件工具能克服交換數(shù)據(jù)的瓶頸，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成統(tǒng)一平臺（見圖3）。2005年4月正式發(fā)布的關(guān)于XML的文本包括技術(shù)文件、XML模式（scheme）和說明文件。

圖3 PLCopen規(guī)范了編程工具與其它軟件工具間數(shù)據(jù)交換的XML格式

利用PLCopen規(guī)范的XML格式，實(shí)現(xiàn)不同軟件工具的數(shù)據(jù)交換，可以為統(tǒng)一的工程平臺實(shí)現(xiàn)不同控制功能的編程、組態(tài)提供基礎(chǔ)；為統(tǒng)一的工程平臺實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、調(diào)試、運(yùn)行操作、維護(hù)各階段功能的前后銜接提供基礎(chǔ)，而進(jìn)行不同硬件平臺定義的I/O變量和內(nèi)部變量之間的變換，為控制程序無障礙移植創(chuàng)造前提條件。

（1）建立統(tǒng)一工程平臺的必要性人們過去開發(fā)了許多為PLC控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、編程和運(yùn)行，以至于管理的工具性軟件。其中包括控制電路設(shè)計(jì)軟件包、接線設(shè)計(jì)軟件、PLC編程軟件包、人機(jī)界面和SCADA軟件包、程序調(diào)試仿真軟件，以及自動化維護(hù)軟件等等。盡管這些軟件都是為具體的工程服務(wù)的，但是，即使在對同一對象進(jìn)行控制和監(jiān)控，它們卻是互不關(guān)聯(lián)。不同的控制需求（如邏輯和順序控制、運(yùn)動控制、過程控制等）要用不同的開發(fā)軟件；在不同的工作階段（如編程組態(tài)、仿真調(diào)試、維護(hù)管理等）又要用不同的軟件。而且往往在使用不同的軟件時(shí)必需自行定義標(biāo)簽變量（tags），而定義變量的規(guī)則又往往各取其便，導(dǎo)致對同一物理對象的相同控制變量其命名完全不一致。缺乏公用的數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)一的變量命名規(guī)則，造成在使用不同軟件時(shí)不得不進(jìn)行繁瑣的變量轉(zhuǎn)換，重復(fù)勞動導(dǎo)致人力資源成本高、效率低下。現(xiàn)代軟件技術(shù)的發(fā)展為不同用途的軟件集成創(chuàng)造了前提條件。前面講到的XML就是很好的將不同軟件集成起來構(gòu)成統(tǒng)一工程平臺的工具，而采用基于變量的尋址方式（tags-based addressing）,使我們可以直接運(yùn)用實(shí)名變量，不必使用交叉參考列表來完成變量名與物理地址的轉(zhuǎn)換。在使用多種軟件工具時(shí)，統(tǒng)一的變量名對應(yīng)惟一的物理地址，例如圖4 所示。這種超越傳統(tǒng)的解決方式帶來許多優(yōu)點(diǎn)：大量減少工程設(shè)計(jì)、調(diào)試、投運(yùn)的時(shí)間和費(fèi)用；減少編程和調(diào)試運(yùn)行中的錯誤；技術(shù)文檔便于閱讀和理解；方便維護(hù)；在與其它控制器通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)，在程序中可直接采用參與通信的控制器數(shù)據(jù)的實(shí)名制變量名，而不必采用物理地址，大為方便理解。

圖4 實(shí)名制變量名對應(yīng)惟一的物理地址

（2）PLCopen規(guī)范的XML格式：構(gòu)筑各種軟件開發(fā)工具統(tǒng)一平臺的基礎(chǔ)。編程僅僅是控制軟件完整應(yīng)用開發(fā)套件的一個環(huán)節(jié)，為規(guī)范它與其它軟件環(huán)節(jié)間在應(yīng)用水平上的數(shù)據(jù)交換接口，克服各種軟件工具交換數(shù)據(jù)的瓶頸，PLCopen于2005年4月正式發(fā)布為實(shí)現(xiàn)IEC 61131-3編程的數(shù)據(jù)交換規(guī)范XML文本，包括技術(shù)文件、XML模式（scheme）和說明文件。該規(guī)范規(guī)定了IEC61131-3全部五種編程語言的交換格式；類似于建模工具那樣，規(guī)定與圖形和邏輯信息的生成程序的接口；類似于文件生成程序和管理程序以及版本管理那樣，規(guī)定與圖形和邏輯信息的使用程序的接口；還規(guī)定了功能塊庫的分配格式（distribution format）。圖5以直觀的方式來表達(dá)如何實(shí)現(xiàn)不同開發(fā)工具之間的數(shù)據(jù)交換。

圖5 運(yùn)用XML處理不同軟件的數(shù)據(jù)交換

我們知道，XML的特性是其結(jié)構(gòu)和內(nèi)容可以與它們的表達(dá)方式分隔開來，這樣同一個XML源文件可被再寫一次，用多種形式（如顯示在一個計(jì)算機(jī)顯示器上，顯示在手機(jī)的顯示屏內(nèi)，在一個設(shè)備上轉(zhuǎn)換為聲音以方便盲人，等等）來表達(dá)。XML的優(yōu)點(diǎn)在于：它的可擴(kuò)展性，可以通過它提供的scheme來檢查所包含數(shù)據(jù)的一致性，以及不同的scheme都能提供一種檢查它們之間的不兼容性。

在涉及整個項(xiàng)目的范圍內(nèi)，有許多信息需要以XML的格式存貯。由于并不知道接下去會有哪些軟件工具用到這些信息，所以必須輸出隨后可能會用到的相關(guān)信息，包括文本化編程語言IL和ST，圖形化編程語言LD和FBD，結(jié)構(gòu)性語言SFC，圖形信息（如形狀、位置和連接路徑等），注釋，程序組織單元和函數(shù)、功能塊、程序，數(shù)據(jù)類型、有關(guān)項(xiàng)目的信息（分層結(jié)構(gòu)），變換信息，以及信息提供方的特定信息等。這就是說，輸出文件以XML的格式包羅了各種各樣的信息。而在這些信息的使用方這一側(cè)，必須在信息輸入時(shí)用語法分析功能來選擇所要信息，并檢查這些數(shù)據(jù)的一致性。不同的軟件工具可能采用不同的模式，但將該模式與XML模式組合起來，便可提供檢查不兼容的可能性，而且更容易取得相關(guān)的信息。這明顯反映了XML模式的好處。

利用XML可在軟件集成方面做很多事情。這里列舉兩個實(shí)例。第一個實(shí)例是在通用建模語言UML和IEC61131-3編程語言之間交換數(shù)據(jù)（見圖6），這是德國Kassel大學(xué)的研究工作，有興趣的讀者可進(jìn)一步訪問www.es.eecs.uni-kassel.de網(wǎng)站。另一個實(shí)例是由歐洲University of the Basque Courtry 的FLEXICON項(xiàng)目(IST-2001-37269)IPMCS項(xiàng)目。為了在工業(yè)過程測量和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)強(qiáng)調(diào)不同軟件工具的集成，設(shè)計(jì)成果的復(fù)用、提高靈活性和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過XML將相關(guān)的軟件工具予以集成（圖7），以支持在設(shè)計(jì)、組態(tài)和管理等不同階段的開發(fā)過程。

圖6 利用XML完成UML和IEC61131-3編程語言之間交換數(shù)據(jù)

圖7 在設(shè)計(jì)、組態(tài)和管理三個階段的工作通過XML進(jìn)行完整耦合

4.6 實(shí)現(xiàn)PLC軟件功能安全的基礎(chǔ)工作

工業(yè)控制行業(yè)中，近年來功能安全倍受關(guān)注和重視。特別是涉及安全的控制裝置已由硬接線發(fā)展為可編程，再進(jìn)一步發(fā)展到應(yīng)用安全型現(xiàn)場總線，因而涉及安全的環(huán)節(jié)包括：硬件、通信、基礎(chǔ)軟件（嵌入式操作系統(tǒng)、固件等）和應(yīng)用軟件。在安全方面，PLCopen涉及的工作界定為PLC編程語言的功能安全（參見圖8）。PLCopen的成員與專業(yè)從事安全的機(jī)構(gòu)TüV一起定義了在IEC 61131-3的開發(fā)環(huán)境下涉及安全的規(guī)范。這必須由集成在IEC 61131-3的軟件開發(fā)平臺上的安全專用軟件工具支持。

圖8 PLCopen定義的IEC 61131-3的編程系統(tǒng)的功能安全

對軟件安全應(yīng)用的基本要求是：區(qū)別安全與非安全的功能性；采用可以應(yīng)用的編程語言和語言子集；采用經(jīng)過驗(yàn)證的軟件模塊；采用可資應(yīng)用的編程導(dǎo)則；為保證與安全相關(guān)軟件的生命周期，采用公認(rèn)的可排減出錯的措施。具體地說，安全功能性實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)化包括：定義與安全相關(guān)的函數(shù)集和功能塊集；在編程環(huán)境中的支持，包括編程語言（LD、FBD）和功能性（安全數(shù)據(jù)類型和說明等）；出錯處理和診斷等。

為了適應(yīng)功能安全對軟件的要求，必須先從軟件的開發(fā)環(huán)境的精簡，即從精簡數(shù)據(jù)類型、精簡其功能性和精簡編程語言這三個方面著手，而從編程導(dǎo)則上考慮分為用戶級和專家級。所謂基本級就是指使用規(guī)定功能塊的安全應(yīng)用的程序員；而專家級則指具有對規(guī)定功能塊進(jìn)行擴(kuò)展能力，并被授權(quán)作功能性擴(kuò)展的專家。在數(shù)據(jù)類型方面，用戶級和專家級的數(shù)據(jù)類型有：SAFEBOOL（安全布爾量）、BOOL（布爾量）、INT（整型數(shù)）、DINT（雙精度整型數(shù)）、REAL（實(shí)型數(shù)）、WORD（字）、TIME（時(shí)間）；用戶級和專家級的數(shù)據(jù)聲明有VAR、VAR_INPUT、VAR_OUTPUT、CONSTANT。在標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)方面，用戶級有AND、OR，專家級有AND、OR、XOR、NOT、ADD、MUL、SUB、DIV、GT、GE、EQ、LE、LT、NE、選擇函數(shù)、類型轉(zhuǎn)換函數(shù)和時(shí)間函數(shù)；在標(biāo)準(zhǔn)功能塊方面，用戶級有TON、TOF、TP、CTU、CTD、CTUD，專家級除上述用戶級的功能塊外，還有雙穩(wěn)態(tài)FB（SR、RS）、脈沖沿檢測。另外，還規(guī)定為了達(dá)到模塊化的目的而定義用戶功能塊時(shí)，只能使用用戶級的子集。至于編程語言的精簡與IEC61508和IEC 61511一致，推薦的語言是圖形化語言：功能塊圖語言FBD和梯形圖語言LD。

為保證安全應(yīng)用所定義的安全功能塊是：模式選擇，緊停，1類安全停和2類安全停，安全限速，安全保護(hù)監(jiān)控，有鎖定的安全保護(hù)聯(lián)鎖，電子敏感保護(hù)設(shè)備，II型和III型雙手控制，可測試的安全傳感器，順序抑制、并行抑制和帶雙傳感器的并行抑制，外器件監(jiān)控，有效開關(guān)，安全請求，輸出控制，等效和反效（antivalent）。

總的說來，PLC軟件的發(fā)展必定延續(xù)已經(jīng)確定的方向發(fā)展，即圍繞自動化集成體系架構(gòu)的要求發(fā)展，為完善和提高統(tǒng)一的工程設(shè)計(jì)組態(tài)平臺做好廣泛的基礎(chǔ)性工作。例如PLCopen已經(jīng)開發(fā)了機(jī)械功能安全的編程語言規(guī)范，有必要繼續(xù)開發(fā)為過程功能安全服務(wù)的編程語言規(guī)范，并爭取成為IEC的國際標(biāo)準(zhǔn)。鑒于自動化集成體系架構(gòu)強(qiáng)調(diào)與第三方的硬件和軟件的無縫連接，開發(fā)為工控程序在不同硬件平臺間的移植的環(huán)境和方法，并迅速使其實(shí)用化，也提到了工作日程。今后要設(shè)法把目前在成本上只適合中大型工程運(yùn)用的統(tǒng)一工程設(shè)計(jì)組態(tài)平臺適當(dāng)簡化，讓PLC在軟件方面的進(jìn)步普惠到小型PLC系統(tǒng)的開發(fā)。