标准化编程的IEC1131-3在DCS中应用分析

摘要：早期的DCS是完全封闭的，由各个生产厂自己生产I/O组件、控制站、操作员站、工程师站，自己设计开发系统网络和控制组态软件。用户在其中任何一个环节都脱离不了该DCS生产厂，处处受其制约。也就是说，各个DCS生产厂的硬件(包括I/O组件、控制站、操作员站、工程师站)不能互相代用，系统网络互不兼容，无法互通信息，控制组态软件种类繁多……
　　关键词：PLC　IEC1131-3标准　DCS

　　早期的DCS是完全封闭的，由各个生产厂自己生产I/O组件、控制站、操作员站、工程师站，自己设计开发系统网络和控制组态软件。用户在其中任何一个环节都脱离不了该DCS生产厂，处处受其制约。也就是说，各个DCS生产厂的硬件(包括I/O组件、控制站、操作员站、工程师站)不能互相代用，系统网络互不兼容，无法互通信息，控制组态软件种类繁多。甚至连拥有多个DCS生产厂的跨国仪表公司，其下属的各DCS生产厂的产品也有这种情况，如ABB公司，其下属的DCS有贝利 (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。
　　近年来，这种情况有所改变，操作员站、工程师站可采用通用计算机；各个厂家纷纷放弃各自的系统网络转而采用通用计算机网络；当DCS融入现场总线技术时，甚至连I/O组件也可以选择。而唯一没有变化的是控制组态软件。控制组态软件互不通用，使用户每采用一种新的软件时就得重新学习，制造厂也得为控制组态软件的开发投入大量人力物力。
　　PLC在这方面走在 DCS的前面，早在1993年国际电工委员会(IEC)就制定了IEC1131 PLC的标准。
　　本文将通过对PLC标准化编程的IEC1131-3标准及其在PLC中的应用情况的介绍，分析该标准在DCS中应用的可能性及目前的应用状况。
　　
一、PLC与IEC1131-3标准
　　基于微处理器的PLC自1968年问世以来，已取得迅速的发展，成为工业自动化领域应用最广泛的控制设备。当形形色色的PLC涌入市场时，国际电工委员会及时地于1993年制定了IEC1131标准以引导PLC健康地发展。
　　IEC1131标准共分为5个部分：IEC1131-1为一般信息，即对通用逻辑编程作了一般性介绍并讨论了逻辑编程的基本概念、术语和定义；IEC1131-2为装配和测试需要，从机械和电气两部分介绍了逻辑编程对硬件设备的要求和测试需要；IEC1131-3为编程语言的标准，它吸取了多种编程语言的长处，并制定了5种标准语言；IEC1131-4为用户指导，提供了有关选择、安装、维护的信息资料和用户指导手册；IEC1131-5为通信规范，规定了逻辑控制设备与其他装置的通信联系规范。
　　该标准是由来自欧洲、北美以及日本的工业界和学术界的专家通力合作的产物，在IEC1131-3中，专家们首先规定了控制逻辑编程中的语法、语义和显示，然后从现有编程语言中挑选了5种，并对其进行了部分修改，使其成为目前通用的语言。在这5种语言中，有3种是图形化语言，2种是文本化语言。图形化语言有梯形图、顺序功能图、功能块图，文本化语言有指令表和结构文本。IEC并不要求每种产品都运行这5种语言，可以只运行其中的一种或几种，但均必须符合标准。在实际组态时，可以在同一项目中运用多种编程语言，相互嵌套，以供用户选择最简单的方式生成控制策略。
　　正是由于IEC1131-3标准的公布，许多PLC制造厂先后推出符合这一标准的PLC产品。美国A-B公司属于罗克韦尔(Rockwell)公司，其许多PLC产品都带符合IEC1131-3标准中结构文本的软件选项。法国施耐德(Schneider)公司的Modicon TSX Quantum PLC产品可采用符合IEC1131-3标准的Concept软件包，它在支持Modicon 984梯形图的同时，也遵循IEC1131-3标准的5种编程语言。德国西门子(Siemens)公司的SIMATIC S7-300、S7-400、C7-620均采用SIMATIC软件包，其中梯形图部分符合IEC1131-3标准，而任选的软件S7-SCL(结构控制语言)可进行公式计算及复杂优化算法的简化运算等数据处理工作，另一个任选软件S7-GRAPH(标准化显示)可完成带多种条件转换的复杂顺序控制。据介绍，这两个任选软件相当于IEC1131-3 标准中的结构文本和顺序功能图。为方便用户，它们也可以提供转换软件将西门子公司(其产品包括已兼并的原德克萨斯仪表公司的PLC)早先使用的STEP5/TISOFT程序转换到SIMATIC S7系统中。德国倍福(Backhoff)公司的WinCAT PLC控制自动化系统采用了T WinCAT工控软件，它支持IEC1131-3标准的全部5种语言。台湾研华公司的ADAM-5510/P31及由北京集控公司经销的STAR P31 PLC产品均采用了Paradym-31软件包，它包含了IEC1131-3标准中规定的顺序功能图、梯形图和功能块图3种语言。
　　
二、DCS采用IEC1131-3标准的可能性　　
　　曾为霍尼韦尔(Honeywell)公司、ABB贝利公司、西屋(Westinghouse)公司、罗克韦尔公司提供控制软件的一家美国公司，近期推出了带有PLC形式的M过程控制系统，但用户就M系统是否符合IEC1131-3标准的问题而提问时，该公司回答说：“IEC1131-3标准是专门为PLC系统制定的，它的目的是为逻辑控制器的开发提供一个基准，即使用相同的程序(甚至是相同的编程工具)，这些包括在技术标准中的许多要求并不适用于过程控制系统，因此M系统和许多DCS过程控制系统一样，发现IEC1131-3标准并不适用于过程控制”。
　　或许是因为担心影响公司产品在控制软件市场上的销售量，这样的观点在作者看来多少有点片面。事实上如今的PLC早已不是单纯的逻辑控制器，许多PLC产品已经吸取了DCS的长处，与DCS相互渗透并融为一体了；以往属于DCS的常规PID控制、高级回路控制、复杂的数学运算等功能在PLC产品中已屡见不鲜了；DCS要完成的功能，应该说PLC系统基本都能完成。因此许多学者认为DCS与PLC所实现的功能越来越接近，两者的差别将逐渐消失。PLC系统可以采用IEC1131-3标准完成控制软件组态工作，DCS借助这一标准也应该能够完成控制软件组态工作。
　　具体来说，DCS控制组态软件所涉及的功能主要包括开关量的逻辑控制、模拟量的PID控制和复杂的数学运算这3大类功能。采用梯形图、顺序功能图、指令表等编程语言可完成开关量的逻辑控制是不言而喻的；采用功能块图实现简单PID、高级回路控制也是可行的，更复杂的回路控制可以借助结构文本来实现；数学运算同回路控制一样，也可借助功能块图和结构文本语言。更复杂的要求在DCS中目前也是采用一些特殊的设备、特殊的组态方式加以处理的，如在霍尼韦尔公司的TDC-3000系统中，可采用应用组件、计算单元和CL高级控制语言专门完成这些工作。
　　
三、IEC1131-3标准在DCS中的实际运用
　　德国西门子公司的SIMATIC PCS7 DCS是在SIMATIC S5、S7的基础上开发的，它所使用的工程师工具集(Engineering Toolset)全部采用了IEC1131-3标准。美国慕尔过程自动化(Moore Process Automatic Solution)公司在其四重化冗余的安全PLC(QUADLOG)控制系统中采用了4-mation组态软件。该软件符合IEC1131-3标准中的4种编程语言：梯形图、顺序功能图、功能块图和结构文本，而在该公司APACS DCS/PLC混合控制系统中也采用了4-mation软件。美国费希尔—罗斯蒙特(Fisher-Rosemount)公司于1996年推出的带现场总线的控制系统DeltaV采用了IEC1131-3标准组态。美国利诺(L&N)公司的MAX1000+PLUS DCS在其组态工具MAXVUE中集成了法国CJInternational公司的ISaGRAF软件并作了相应的扩充，可提供IEC1131-3标准的5种编程功能。瑞士ABB公司下属的Hartmann & Braun公司的Freelance2000 DCS的组态软件DigiTool支持IEC1131-3标准中的4种编程语言：梯形图、顺序功能图、功能块图和指令表，同时它还可以提供多于190个经过现场检验的功能块子程序和多于200个用户自定义组态的图形符号。以生产Citect工控软件著名的CiT(西雅特)公司的MOX模块化开放式控制系统(其中包括CSS采样监控系统)采用了IEC1131-3标准组态，所使用的软件也是法国CJ International公司的ISaGRAF软件。国际现场总线基金会为实现各公司产品的互可操作性，制定了几十种常用的标准功能块及其参数，基金会声称这些功能块遵循IEC1131-3标准的功能块图。
　　上面的例子中两次提到法国CJ International公司的ISaGRAF软件，它是目前符合IEC1131-3标准的三大组态软件之一(另两个是美国Wonderware公司的InControl和美国 Wizdom Controls公司的Paradym-31)。ISaGRAF软件是一个具有Windows风格的以图形为界面的友好平台，可用来对系统进行组态、调试和维护。
　　国内DCS产品在这方面并不落后，最早引入IEC1131-3标准的是冶金部自动化研究院智能装备所，在该所生产的EIC2000现场总线控制系统中采用了该标准。如在EIC2000-LON子系统中包含的OnLon软件和EIC2000-ST子系统中包含的Workbench软件，都得到ISaGRAF软件的支持。北京和利时公司也较早认识到IEC1131-3标准的重要性，所以他们在HS2000 DCS中就已经采用了梯形图、功能块图和结构文本的标准语言，并且在1999年推出的FOCS带现场总线的控制系统和MACS先进控制系统中，采用了IEC1131-3标准的全部5种编程语言。而在电力行业业绩显赫的上海新华控制工程公司的XDPS-400 DCS中，控制组态软件采用了IEC1131-3标准的功能块图编程语言。在化工行业应用颇多的浙江威盛自动化公司在其新推出的支持现场总线的FB-3000 DCS中采用了符合IEC1131-3标准的控制组态软件。在国内DCS应用已达500套的浙江浙大海纳中控自动化有限公司，其最新系统JX-300X也支持IEC1131-3标准的梯形图、功能块图和顺序功能图。2000年6月，深圳德维森公司推出TCS柔性控制系统，其控制组态软件TP311、TP321中采用了IEC1131-3标准的软件包。
　　我们在工程实践中对用于物料成分配料控制的HS2000 DCS进行控制软件组态时，使用了梯形图、功能块图和结构文本等多种编程语言，特别是采用了结构文本对X荧光分析仪分析结果进行物料配比控制的复杂算法组态中，发现其功能相当强大，并没有产生IEC1131-3标准不适合过程控制的任何感觉。
　　综上所述，采用IEC1131-3标准的编程语言方便实用，标准化程度高，用户很快就可熟悉组态工作，并把原先所掌握的知识用于新的系统；对制造厂来说，可以把人力、物力投到DCS的硬件、网络或其他方面。由此看来，DCS的控制组态软件采用IEC1131-3标准应该是DCS的发展方向之一。