從自動化集成體系結構的視角看PLC系統軟件的長足進展(下）

4.4 PLC性能的基準測試

為了讓使用者對所用PLC在其具體應用中的性能做出評估，還為了比較不同PLC的性能，并發現在其具體應用中所表現出來的優點和缺點，PLCopen在2006年6月底以技術文件的形式公布了《PLC性能的基準測試方法》。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平臺真實性能提供了標準化的方法。為更貼近實際應用，將基準測試方法劃分為五種類別，它們分別是：數字式I/O處理（典型應用是無伺服驅動的小型機械）；使用SFC/狀態機、并在每個步序有數字式I/O的處理（典型應用是裝配自動化）；運動控制應用程序（典型應用是包裝、印刷）；數據處理應用程序（典型應用：測量記錄和處理、協議）；閉環控制應用程序（典型應用：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用開發套件的一個組成部分，雖然XML并不是IEC 61131-3標準的內容，但為規范它與其它組成部分間的數據交換接口，PLCopen還是強調通過為IEC61131-3規定一種XML（Extensible Markup Language——可擴展標記語言：一種用來創建自己的標記的標記語言）的格式倡導一種開發環境，使得各種不同目的的開發軟件工具能克服交換數據的瓶頸，在此基礎上構成統一平臺（見圖3）。2005年4月正式發布的關于XML的文本包括技術文件、XML模式（scheme）和說明文件。

圖3 PLCopen規范了編程工具與其它軟件工具間數據交換的XML格式

利用PLCopen規范的XML格式，實現不同軟件工具的數據交換，可以為統一的工程平臺實現不同控制功能的編程、組態提供基礎；為統一的工程平臺實現設計、調試、運行操作、維護各階段功能的前后銜接提供基礎，而進行不同硬件平臺定義的I/O變量和內部變量之間的變換，為控制程序無障礙移植創造前提條件。

（1）建立統一工程平臺的必要性人們過去開發了許多為PLC控制系統工程設計、編程和運行，以至于管理的工具性軟件。其中包括控制電路設計軟件包、接線設計軟件、PLC編程軟件包、人機界面和SCADA軟件包、程序調試仿真軟件，以及自動化維護軟件等等。盡管這些軟件都是為具體的工程服務的，但是，即使在對同一對象進行控制和監控，它們卻是互不關聯。不同的控制需求（如邏輯和順序控制、運動控制、過程控制等）要用不同的開發軟件；在不同的工作階段（如編程組態、仿真調試、維護管理等）又要用不同的軟件。而且往往在使用不同的軟件時必需自行定義標簽變量（tags），而定義變量的規則又往往各取其便，導致對同一物理對象的相同控制變量其命名完全不一致。缺乏公用的數據庫和統一的變量命名規則，造成在使用不同軟件時不得不進行繁瑣的變量轉換，重復勞動導致人力資源成本高、效率低下。現代軟件技術的發展為不同用途的軟件集成創造了前提條件。前面講到的XML就是很好的將不同軟件集成起來構成統一工程平臺的工具，而采用基于變量的尋址方式（tags-based addressing）,使我們可以直接運用實名變量，不必使用交叉參考列表來完成變量名與物理地址的轉換。在使用多種軟件工具時，統一的變量名對應惟一的物理地址，例如圖4 所示。這種超越傳統的解決方式帶來許多優點：大量減少工程設計、調試、投運的時間和費用；減少編程和調試運行中的錯誤；技術文檔便于閱讀和理解；方便維護；在與其它控制器通信進行數據交換時，在程序中可直接采用參與通信的控制器數據的實名制變量名，而不必采用物理地址，大為方便理解。

圖4 實名制變量名對應惟一的物理地址

（2）PLCopen規范的XML格式：構筑各種軟件開發工具統一平臺的基礎。編程僅僅是控制軟件完整應用開發套件的一個環節，為規范它與其它軟件環節間在應用水平上的數據交換接口，克服各種軟件工具交換數據的瓶頸，PLCopen于2005年4月正式發布為實現IEC 61131-3編程的數據交換規范XML文本，包括技術文件、XML模式（scheme）和說明文件。該規范規定了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，規定與圖形和邏輯信息的使用程序的接口；還規定了功能塊庫的分配格式（distribution format）。圖5以直觀的方式來表達如何實現不同開發工具之間的數據交換。

圖5 運用XML處理不同軟件的數據交換

我們知道，XML的特性是其結構和內容可以與它們的表達方式分隔開來，這樣同一個XML源文件可被再寫一次，用多種形式（如顯示在一個計算機顯示器上，顯示在手機的顯示屏內，在一個設備上轉換為聲音以方便盲人，等等）來表達。XML的優點在于：它的可擴展性，可以通過它提供的scheme來檢查所包含數據的一致性，以及不同的scheme都能提供一種檢查它們之間的不兼容性。

在涉及整個項目的范圍內，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，結構性語言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、功能塊、程序，數據類型、有關項目的信息（分層結構），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，必須在信息輸入時用語法分析功能來選擇所要信息，并檢查這些數據的一致性。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。這里列舉兩個實例。第一個實例是在通用建模語言UML和IEC61131-3編程語言之間交換數據（見圖6），這是德國Kassel大學的研究工作，有興趣的讀者可進一步訪問www.es.eecs.uni-kassel.de網站。另一個實例是由歐洲University of the Basque Courtry 的FLEXICON項目(IST-2001-37269)IPMCS項目。為了在工業過程測量和控制系統設計時強調不同軟件工具的集成，設計成果的復用、提高靈活性和實現設計優化，通過XML將相關的軟件工具予以集成（圖7），以支持在設計、組態和管理等不同階段的開發過程。

圖6 利用XML完成UML和IEC61131-3編程語言之間交換數據

圖7 在設計、組態和管理三個階段的工作通過XML進行完整耦合

4.6 實現PLC軟件功能安全的基礎工作

工業控制行業中，近年來功能安全倍受關注和重視。特別是涉及安全的控制裝置已由硬接線發展為可編程，再進一步發展到應用安全型現場總線，因而涉及安全的環節包括：硬件、通信、基礎軟件（嵌入式操作系統、固件等）和應用軟件。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的成員與專業從事安全的機構TüV一起定義了在IEC 61131-3的開發環境下涉及安全的規范。這必須由集成在IEC 61131-3的軟件開發平臺上的安全專用軟件工具支持。

圖8 PLCopen定義的IEC 61131-3的編程系統的功能安全

對軟件安全應用的基本要求是：區別安全與非安全的功能性；采用可以應用的編程語言和語言子集；采用經過驗證的軟件模塊；采用可資應用的編程導則；為保證與安全相關軟件的生命周期，采用公認的可排減出錯的措施。具體地說，安全功能性實現的標準化包括：定義與安全相關的函數集和功能塊集；在編程環境中的支持，包括編程語言（LD、FBD）和功能性（安全數據類型和說明等）；出錯處理和診斷等。

為了適應功能安全對軟件的要求，必須先從軟件的開發環境的精簡，即從精簡數據類型、精簡其功能性和精簡編程語言這三個方面著手，而從編程導則上考慮分為用戶級和專家級。所謂基本級就是指使用規定功能塊的安全應用的程序員；而專家級則指具有對規定功能塊進行擴展能力，并被授權作功能性擴展的專家。在數據類型方面，用戶級和專家級的數據類型有：SAFEBOOL（安全布爾量）、BOOL（布爾量）、INT（整型數）、DINT（雙精度整型數）、REAL（實型數）、WORD（字）、TIME（時間）；用戶級和專家級的數據聲明有VAR、VAR_INPUT、VAR_OUTPUT、CONSTANT。在標準函數方面，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、類型轉換函數和時間函數；在標準功能塊方面，用戶級有TON、TOF、TP、CTU、CTD、CTUD，專家級除上述用戶級的功能塊外，還有雙穩態FB（SR、RS）、脈沖沿檢測。另外，還規定為了達到模塊化的目的而定義用戶功能塊時，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，安全保護監控，有鎖定的安全保護聯鎖，電子敏感保護設備，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，外器件監控，有效開關，安全請求，輸出控制，等效和反效（antivalent）。

總的說來，PLC軟件的發展必定延續已經確定的方向發展，即圍繞自動化集成體系架構的要求發展，為完善和提高統一的工程設計組態平臺做好廣泛的基礎性工作。例如PLCopen已經開發了機械功能安全的編程語言規范，有必要繼續開發為過程功能安全服務的編程語言規范，并爭取成為IEC的國際標準。鑒于自動化集成體系架構強調與第三方的硬件和軟件的無縫連接，開發為工控程序在不同硬件平臺間的移植的環境和方法，并迅速使其實用化，也提到了工作日程。今后要設法把目前在成本上只適合中大型工程運用的統一工程設計組態平臺適當簡化，讓PLC在軟件方面的進步普惠到小型PLC系統的開發。