现场总线控制系统功能块组态软件设计本科毕业论文 推荐.docx

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现场总线控制系统功能块组态软件设计本科毕业论文推荐

大连理工大学本科毕业设计（论文）

现场总线控制系统功能块组态软件设计

DesignofConfigurationSoftwarebasedonFiledbusControlSystem

学院（系）：

电子与信息工程学院

专业：

计算机科学与技术

大连理工大学

DalianUniversityofTechnology

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

摘要

IEC61131标准作为工业自动化控制系统标准化编程语言的国际标准，受到了广泛的关注和重视。

目前国际上已有多个自动化设备生产商推出了以这个标准为基础的控制系统。

研究基于IEC61131标准的控制系统意义重大。

本文研究了IEC61131标准中关于功能块编程的技术内容，给出了指令规约和编程方法，研究了功能块程序的可视化编辑和编译技术，设计和实现可编程控制器编程软件——PLC_Config。

该程序是在MicrosoftVisualStudio2003环境平台下，使用C++编程语言，基于MFC程序框架开发完成的。

该软件可对现场网络上的所有设备和资源进行配置和规划，使现场网络中的设备成为一个有机整体，协同工作完成控制功能。

该软件应用了模块化设计思想，将整个软件分解成现场设备管理模块、可视化组态模块、现场设备监控模块、文件管理模块、通信服务模块及信息报告模块。

可视化功能块编程模块实现了操作方便功能强大的用户操作界面，通过描述文件与可视化的编程元件的互转实现了功能块程序的保存与读取，编译模块实现了功能块程序在上位机与下位机存储表达形式的互转，用户可以方便的下载上载功能块程序。

通过设计和开发PLC_Config可视化编辑模块和组态编译模块，以及在PLC_Config程序中地应用，证明了编辑，编译功能块文件方法的可行性和正确性，也提供了一种编辑，编译图形化语言的一种方法。

关键词：

现场总线；IEC61131-3标准；功能块组态；可编程控制器；

DesignofConfigurationSoftwarebasedonFiledbusControlSystem

Abstract

IEC61131standardforindustrialautomationandcontrolsystemprogramminglanguagestandardizedinternationalstandards,hasbeenwidespreadconcernandattention.Atpresent,thereareanumberofautomationequipmentmanufacturerswiththeintroductionofthestandards-basedcontrolsystem.ResearchbasedonthestandardIEC61131controlsystemofgreatsignificance.

Inthispaper,thetechnicalcontentonfunctionblockprogramminginIEC61131standardisstudied.Commandandprogrammingareprovided.Visualprogrammingandcompilertechnologyoffunctionblockprogrammingareresearched.ProgrammingsoftwareofProgrammableLogicController（PLC_Config）isdesignedandimplemented.ThissoftwareusesC++programminglanguageunderMicrosoftvisualstudio2003developmentplatformandbasedontheMFCFramework.Thissoftwareconfiguratesandplansthefileddevicesandresources,makesthefileddevicesimplementcontrolfunctionasanorganicwhole.Thesoftwareappthemodulardesignconcept.ItincludesDeviceManageModule,VisualConfigureModule,WatchingModule,FilesManageModule,CommunicationModuleandReportModule.VisualConfigureModuleimplementusefulandpowerfuluserinterface.ItimplementsaveandreadfunctionbythechangebetweenXMLfilesandvisualprogrammingelements.CompilerModuleimplementthechangeofmodebetweenincomputerandinPLC.Usercanconfigurateanduploadtheprogramconveniently.

BydevelopingtheVisualConfigureModuleandCompilerModuleandTestingintheapplication,thedesignisprovedcorrect.Thearticleprovideamethodofeditandcompilegraphicsprogramlanguage.

KeyWords：

Fieldbus;IEC61131-3standards;Functionblockconfiguration;ProgrammablelogicController;

引言

在工业控制领域，PLC技术的发展在上世纪90年代经历了一次高潮。

这得益于微电子、网络通信和控制技术的迅猛发展。

但随着技术的进步和市场要求的提高，传统的PLC越来越暴露出其在数据封装能力，程序可重用性,顺序操作编程等方面的不足。

这些缺陷导致了不同制造商PLC平台的不兼容，也给工程技术人员的学习和操作带来了极大的不便。

统一的编程规则成为技术人员的迫切需求。

而IEC61131-3是目前关于工业控制编程语言唯一的国际标准，它将现代软件工程的概念和机制与传统PLC编程语言完美结合，使它在工业控制领域的影响已越出PLC的界限，应用越来越广泛。

IEC61131-3是国际电工委员会IEC于1999年推出的用于工业控制领域的标准化编程语言，适用于PLC编程[1][2]。

IEC61131-3是IEC61131的编程语言部分，与传统的PLC编程语言相比较，前者具有突出的优点：

（1）开放性，由于采用独立于制造商的一致性IEC61131-3标准化编程语言，因而应用系统能最大限度地运行于来自不同制造商的PLC。

（2）可移植性，允许程序在IEC61131-3兼容系统上移植。

（3）高水平的软件重复使用性和允许柔性地选择编程语言。

一个程序的不同部分可用任一种语言编程。

（4）类似高级语言的先进语言结构，支持“自上而下”和“自下而上”的结构化程序开发。

支持复杂的控制过程。

支持结构化数据。

（5）有很强的错误检测和纠错能力，能明显地提高程序数据和变量的可靠性。

PLC组态具有运行时行为特性。

标准化的开放系统是大势所趋，1992年总部设在荷兰的PLCopen成立，目前，多数的PLC制造商，软件公司和研究院所已是这个国际组织的成员。

如Siemens、A-B、ABB、GE、Mitsubishi、Fuji、Schneider都推出了符合IEC61131-3标准的PLC，此外有不少的IPC工控机、DCS、HMI等制造商配置IEC61131-3编程软件。

目前，和利时公司的FOPLC采用IEC61131-3编程语言。

IEC61131-3的修订版在2002年底发布，它不仅描述了PLC编程语言本身，还提供了综合的概念和建立PLC项目的导则，当工程设计人员熟悉了IEC61131-3编程语言，就能对上述多家生产的PLC进行编程设计。

组态软件是工业应用软件的一个组成部分，其发展受到很多因素的制约。

归根结底，应用的带动对其发展起着最为关键的推动作用。

类似OPC这样的组织的出现，以及现场总线、尤其是工业以太网的快速发展，大大简化了异种设备间互连、开发I/O设备驱动软件的工作量。

I/O驱动软件也逐渐会朝标准化的方向发展。

由单一的人机界面朝数据处理机方向发展，管理的数据量越来越大。

实时数据库的作用将进一步加强。

很多新的技术将不断地被应用到组态软件当中，组态软件装机总量的提高会促进在某些专业领域专用版软件的诞生，市场被自动地细分了。

为此，一种称为“软总线”的技术将被广泛采用。

在这种体系结构下，应用软件以中间件或插件的方式被“安装”在总线上，并支持热插拔和即插即用。

这样做的优点是：

所有插件遵从统一标准，插件的专用性强，每个插件开发人员之间不需要协调，一个插件出现故障不会影响其他插件的运行。

XML技术将被组态软件厂商善加利用，来改变现有的体系结构，它的推广也将改变现有组态软件的某些使用模式，满足更为灵活的应用需求。

在IEC61131-3标准的控制编程语言中，功能块图用来描述功能、功能块和程序的行为特征，还可以在顺序功能流程图中描述步、动作和转变的行为特征。

功能块图与电子线路图中的信号流图非常相似，在程序中，它可看作两个过程元素之间的信息流。

功能块图普遍地应用在过程控制领域。

本文通过对IEC61131-3标准中功能块语言的研究，结合PLC指令的特点，应用MFC设计和开发一种基于IEC61131-3标准中功能块语言的编译方法。

全文共分四章：

第一章：

概述：

介绍IEC61131-3国际标准及其编程语言，介绍PLC指令特点，XML描述文件等相关技术知识以及本文主要工作。

第二章：

介绍PLC_Config组态软件设计和实现。

第三章：

详细介绍PLC_Config组态软件可视化功能块组态的编译。

第四章：

PLC_Config组态软件的应用，并给出了应用案例。

结论：

总结论文所解决的问题，并对下一步研究提出建议。

1概述

1.1现场总线技术

1.1.1现场总线概念

现场总线是由DCS系统发展而来，采用全数字通信代替模拟传输方式，使控制系统与现场仪表之间不仅能传输生产过程测量与控制信息，而且还能传输现场仪表的大量非控制信息，使整个工业企业的管理控制一体化成为可能[3]。

所谓现场总线，按照国际电工委员会IEC/SC65C的定义，是指安装在制造或过程区域的现场装置之间、以及现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行和多点通信的数据总线。

以现场总线为基础而发展起来的全数字控制系统称作现场控制系统（FieldControlSystem）。

现场总线技术将专用微处理器置入传统的测量控制仪表，使它们各自都具有数字计算和数字通信能力，并按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个微机化测量控制设备之间以及现场仪表与远程监控计算机之间，实现数据传输与信息交换，形成各种适应实际需要的自动控制系统。

简而言之，它把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以互相沟通信息、共同完成控制任务的网络系统与控制系统。

1.1.2现场总线的特点

（1）全数字通信

现场总线采用完全的数字信号传输。

这种数字化的传输方式使得信号的检错、纠错机制得以实现，因此它的抗干扰能力和鲁棒性较高。

同时全数字通信使得多参数传输得以实现。

（2）多分支结构

现场总线的拓扑可以为总线型、星型、树型等多种形式。

（3）现场设备状态可控

通过现场总线，现场设备的管理信息大大增加，这些信息包括功能模块组态、参数状况、诊断和验证数据、设备材质和过程条件等。

操作人员在控制室就可以对这些信息进行管理和利用，对现场设备进行维护。

（4）控制分散

现场总线系统采用全分散控制。

现场设备既有检测、变换、工程量处理和补偿功能，也有运算和控制功能。

通过现场总线，将传统DCS、PLC等控制系统复杂的控制任务进行分解，分散在现场设备中，简化了系统结构，提高了系统的可靠性、自治性和灵活性。

现场总线自20世纪80年代产生以来，由于适应工业控制系统网络化和智能化的发展方向，受到全世界工业自动化领域的普遍关注，从而发展迅速。

目前已开发出40多种现场总线，如Interbus、Bitbus、DeviceNet、Modbus、Arcnet、P-Net、FIP、ISP等。

1.1.3RS485总线

RS485总线系统是用于在数据通信系统中满足较复杂应用的主从式系统。

其采用差分方式进行双向平衡传输，传输距离较远，最大可达1200m，传输更远距离时可加中继器。

RS485以半双工方式通讯，支持多点连接，允许挂接多达32个节点，利用驱动器可使节点增至128个。

其传输速率较高，最高可达10Mbit/s。

RS485总线已成为工业领域应用最为广泛的总线之一。

RS485总线标准只对物理层接口进行定义，上层协议选择比较灵活。

相对于FF、PROFIBUS、CAN等真正的现场总线系统，RS485总线系统在软硬件成本上具有较大优势,在一定时间内仍将是中小控制系统的主要形式。

1.1.4MODBUS协议

MODBUS协议最早是由美国MODICON公司针对其PLC产品开发的一种通信协议。

由于该协议定义的是一种数据帧结构，独立于物理层介质和设备通信网络，容易被控制器识别和使用，因此MODICON公司将其发展成为标准MODBUS接口和MODBUSPLUS网络，并可扩展到其他网络应用中。

MODBUS协议应用在标准MODBUS网络时，将被直接传送；若应用在其他网络，可以将该协议植入其通信数据帧结构中进行传送。

因为MODBUS协议良好的适用性已经得到了众多大公司（例如GE、SIEMENS、OMRON等）的支持，所以都把它作为一种标准的通信接口提供给用户，并且作为与主系统通信的主要途径。

目前，我国电力和化工行业已经广泛使用集散控制系统DCS（DistributedControlSystem）系统。

不过在大多数场合，DCS系统都与其他专用控制系统混合使用。

专用系统包含PLC、数据采集器、智能控制器、智能仪表等。

如果将这些系统都接入DCS系统统一监视、控制、管理，无疑会极大提高企业的经济效率和管理水平。

值得关注的是现在几乎所有的DCS系统都提供了MODBUS通信接口。

所以，进行基于MODBUS协议的控制器远程监控系统开发具有现实意义和可行性。

MODBUS协议采用Master–Slave技术，是一种问答方式的通信协议。

一个Master可以对应一个或多个Slave，只有Master才可进行初始化的询问，为Slave分配地址，对所有的Slave发送广播信息。

MODBUS协议在点对点通信时采用RS232/RS422串口通信标准。

多点通信时则采用RS485串口通信标准。

1.2现代自动控制系统和IEC61131-3国际标准

在工业控制领域，PLC技术的发展在上世纪90年代经历了一次高潮。

这得益于微电子、网络通信和控制技术的迅猛发展。

但随着技术的进步和市场要求的提高，传统的PLC越来越暴露出其在数据封装能力，程序可重用性,顺序操作编程等方面的不足。

这些缺陷导致了不同制造商PLC平台的不兼容，也给工程技术人员的学习和操作带来了极大的不便。

统一的编程规则成为技术人员的迫切需求。

IEC61131标准正是在这种情况下应运而生。

IEC61131-3是IEC61131国际标准的第三部分[12][13][14],是第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准。

该标准提供给用户一种良好结构、自上而下或自下而上的程序开发方法，提供全套的配置集成，允许程序分解成功能块和软件元素，进行完全的程序控制。

程序不同部分在不同时间，以不同周期或平行的运行。

提供了一套统一的应用于PLC的语法和语义。

IEC61131-3包括5种编程语言，即指令表、结构化文本、梯型图、功能块图和顺序功能图。

规范了编程语言、PLC与编程系统的接口、字符集和工程管理，使得所有PLC使用相同的概念，平台程序可以互相移植，从而整体降低自动化控制系统的费用。

这些都是在工业控制系统所阐述的软件设计的概念和软件模型等的基础上制定的，适应了当今世界软件、工业控制系统的发展方向。

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

标准最初主要用于可编程序控制器PLC的编程系统，但随着可编程序控制器PLC技术、编程语言等的不断进步也在不断地进行着补充和完善。

目前该标准同样也适用于过程控制领域、分散型控制系统、基于控制系统的软逻辑、SCADA等。

IEC61131-3国际标准在技术上的实现是高水平的，因此有足够的发展空间和变动余地，这也使得该标准能很好地适应工业控制的发展和要求。

因此IEC61131-3标准在1993颁布之后被国际用户和开发商团体广泛接受，目前得到全世界的认可。

世界顶尖的工业控制商接受了这个编程模型，各种软件公司提供相应的开发工具。

IEC61131-3国际标准已对整个控制领域形成了巨大的冲击，采用或应用符合IEC61131-3国际标准的组态产品，已经成为国际工业控制领域的一大趋势。

1.3IEC61131-3及其功能块编程

IEC61131标准提供给用户一种良好结构、自上而下或自下而上的程序开发方法，提供全套的配置集成，允许程序分解成功能块和软件元素，进行完全的程序控制，程序不同部分在不同时间，以不同周期或平行的运行。

IEC61131将特定应用的控制系统称为配置，包括硬件的分配、过程资源划分、输入输出通道分配、内存地址分配及系统的性能分析。

一个配置中可定义一个或多个资源，资源可以理解为可执行的过程处理设备，像一个CPU。

一个资源中可以定义一个或多个任务。

由任务控制一套程序或/和功能块的执行，可以周期或由事件驱动。

程序可以使用5种语言的任何一种。

典型程序由功能块、函数组成，包括数据结构和逻辑。

与一个资源、一个任务、运行于一个闭环系统的传统PLC相比，IEC61131-3是开放和先进的。

IEC61131-3标准中提供了4种内部操作语言和一个结构化语言定义：

（1）顺序功能图（SFC）是IEC61131-3标准的中心语言，用于工业控制软件的结构化的内部组织。

SFC语言源于PetriNets，用于解决面向序列的问题。

它将控制过程周期分成定义好的步骤，并由转移条件隔开。

步骤描述了行为，对应程序组织单元；转换描述了条件，对应程序组织单元的逻辑联系，它决定其他语言描述行为的执行顺序。

不管是平行的执行逻辑或有多个选项的过程都很容易地用SFC表示。

（2）功能块图（FBD）是图形化的编程语言，使用IEC功能块库中的功能块进行图形化程序开发，主要用于过程工业。

允许用户基于存在的功能块组成更复杂的控制过程。

功能块图的支持使IEC61131-3有较大的发展空间。

（3）结构化文本（ST）是类Pascal的高级结构化语言，但更直观，可以实现不易用图形化语言实现的复杂应用。

ST能够实现IF和ELSE选择、FOR和WHILE循环，提供对结构化文本支持。

ST像一般语言的语句，适合于编程新手，并能简化梯形图和功能块中的长代码。

（4）指令表（IL）是寄存器级别的低级语言，由一套连续的指令组成，每行一条，很像微处理器的汇编语言。

IL一般用于熟练的编程人员。

（5）梯形图（LD）是使用接触器和线圈的图形化编程方法，一般用于离散控制系统。

LD使用接触器表示输入元素，线圈表示输出结果，以用户最熟悉的方法取代逻辑等式和简单行为。

IEC61131-3的5种语言中，FBD最有生命力和发展前途。

FB（功能块）是控制系统的基本构件，是一个包装好的控制程序，可以是任何IEC61131-3语言编写的控制逻辑和策略包装成的软件元素，可以在相同程序的不同部分或分散的其他程序中使用。

功能块能够封装数据和逻辑，超过了FORTRAN和C语言所写的子程序，有面向对象的含义，其组成及对控制编程软件的贡献很像是现代电子电路中的集成芯片。

功能块的使用提高了系统可靠性。

数据封装避免了许多错误源，用户不必关心具体实现细节，只需关心与外部的接口和如何使用。

开发人员只需注重于实现，而不必关心使用。

功能块允许来自不同程序、项目、位置、公司甚至国家的不同组件的结合。

IEC61131-3标准保证了功能块定义接口的使用，即定义的输入和输出参数。

由不同程序员设计的功能块可借助输入和输出参数进行交互，当然输入和输出参数必须是标准中定义的数据类型。

FB不仅利于结构化程序设计，长远地看还能加速应用开发，尤其对相近的应用开发有效。

现代控制系统的一个目标是代码重用，相同的控制逻辑无论硬件是PLC、DCS或是PC，均有相同的程序源代码，这个目标只有通过FB实现。

功能块的支持使得远程控制成为可能。

符合IEC61131-3标准的DCS系统编程软件，必不可少地会使用FB。

DCS中所有控制单元的控制逻辑一般都以FB的形式提供在编程环境中。

DCS还需要提供一个现场总