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IEC61131與IEC61499 的集成與融合

2021-04-05 11:22:57 其他

IEC61131-3 PLC 編程方式已經獲得了廣泛的應用,特別是梯形圖更是深入到了OT 工程師的骨子里,哪怕是再復雜的控制邏輯,OT 工程師都能夠撰寫出復雜的梯形圖來,如果與他們討論IEC611499 基于事件功能塊編程時,他們仍然覺得與他們過往的經驗和思維方式存在很大的差別,能否使用PLC 的設計方式來實作IEC61499 功能塊應用呢?本文討論IEC61131-3 與IEC61499 集成,相互融合的問題,

現狀

IEC61131 在大量的工業控制場合得到了長期大量的使用,大多數OT 工程師熟悉了IEC61131的編程方法,它是一種基于周期掃描的執行方式,

IEC61131 標準適合單機運行,實作分布式控制的設計作業量大,效率不高,

IEC61499 是基于事件功能塊在分布式控制系統中的標準,它更適合分布式工業控制的場景,這對于OT 工程師而言是一個相當比較新的概念,轉變設計方法和理念,需要一個很長的程序,

問題

1 是否能夠使用IEC61499 功能塊來實作IEC61131 的周期掃描執行方式?

2 是否能夠在一個設備中同時實作IEC61131和IEC61499?

3 IEC61131-3 和IEC61499 相融合帶來了什么?

第一個問題

大家知道,PLC 的程式是基于周期掃描的方式執行的,如下圖所示:

如果IEC61499 功能塊的一個時鐘是基于時鐘(E_CYCLE)的周期性事件,那么實作PLC IEC61131 理論上是看來是可能的,比如下面這個應用就是基于時鐘的周期性事件的,

IEC61131 梯形圖

這是最簡單的一個梯形圖,兩個串聯的開關,控制一個燈,

IEC61499 功能塊應用

我們使用E_CYCLE 功能塊產生周期事件,將輸入輸出功能塊IX和QI 串在事件鏈中,并且建立了一個常開功能塊(NormalOpen),每個周期事件產生時,程式從E_CYCLE 開始執行一遍

由此可見,除了沒有梯形圖那么簡約之外,IEC61499 功能塊網路能夠簡單粗暴地實作PLC 周期掃描方式的梯形圖程式,E_CYCLE 周期性產生事件,觸發兩個讀DI 功能塊讀取開關A和B的值,然后通過兩個常開功能塊塊,當A和B 都為1 是,輸出功能塊Light輸出1,我們還可以定義一個NormalClose 功能塊,實作常閉觸點,以及線圈等等,假如將IX 和NormalClose 封裝在一個復合功能塊中,IEC61499 功能塊網路會相對簡單一些,

不過,問題還不那么簡單,我們知道,IEC61131 PLC 具有公共的存盤器,所有的IO值和內部變數都是存放在公共存盤器中的,而IEC61499 并不直接支持公共變數,IEC61499 功能塊之間共享變數是很麻煩的事情,比如下面的梯形圖,它采用了三個內部變數Int1,Int2和Int3.

在IEC61499 功能塊網路中,雖然我們可以設定RS 功能塊來作為Int1,Int2和Int3 的存盤器,下圖是一個例子,它使用RS功能塊實作了一個內部變數Int1,

但是你會發現功能塊網路會非常的雜亂無章,如果一臺設備中有很多的IO介面和內部變數,相應的功能塊網路會非常復雜,

IEC61499 實作全域變數的方法

那么是否存在一種方式,在IEC61499中實作公共變數,從而簡化IEC61499 仿真IEC61131呢?筆者認為至少有三種種方式來實作:

1 實作一個內部變數的功能塊(例如下面的RAM功能塊),在它內部定義一個INT16 陣列,作為公共內部變數.

RW 是讀寫控制

DIN 寫入位元

DIN16 寫入16為字

ADDR 為地址,可以寫成 1000,1000.1.字串,1000.1表示是1000記憶體的第一位,DOUT和DOUT16 是讀出位元和字,

這種方式顯然是最簡單的,

2 在IEC61499 運行時的資源中提供一個記憶體變數區域(陣列),IEC61499 功能塊應用通過服務介面功能塊SIFB 訪問內部變數,

這種方式不太可取,應為造成了不兼容問題,

3 在PLC OS 下獨立實作一個內部變數管理執行緒,SIFB通過遠程程序呼叫RPC,

在設備的OS上實作一個獨立的執行緒,通過RPC與運行時內部的功能塊交換內部變數就可以了,系統結構如下圖所示:

在這種架構下,對應IEC61131 PLC 梯形圖的IEC611499 功能塊網路變成如下簡約方式:

其中NormalOpen,NormalClose和Coil 是一個復合功能塊,其中的Variables 是一個訪問內部變數的服務介面功能塊,用于通過RPC 訪問內部變數,

更進一步地,我們也可以采用PLC 的IO方式,將IO 讀出程式搬到IEC611499 運行時的外面來實作:

在某些應用場合,采取這樣的方式,可以大大簡化應用網路的復雜性,比如大量IO介面的應用場合,

第二個問題

當我們研究了第一個問題后,第二個問題基本已經有答案了,我們完全可以在一個設備中同時運行IEC61499 運行時(4diac)和IEC61131 運行時(ProConOS)

在IEC61499 和IEC61131 運行時中分別實作一個功能塊,通過功能塊之間的資料交換實作記憶體共享,

第三個問題

一個設備中同時包含61499/61131兩個運行時,這件事情充滿了想象空間,這里不僅僅是為了迎合OT 工程師的偏好,還能夠做的更多,

  1. 在PLC 中增加61499 運行時,實作PLC 的分布式處理能力,

PLC 實時能力強,而61499 具有分布式控制的優勢,兩者相加,各自發揮優勢

  1. PLC 實作Realtime控制,61499 實作Anytime功能(云端訪問,物聯網,AI,,,)

目前異構多核處理器架構已經開始流行,可以在一個內核中跑PLC 程式,完成實時任務,在其它內核中運行61499 應用,實作Any time 的任務,比如訪問資料庫,云端等等,

結束語

在IEC61499 設備中,通過一個SIFB 功能塊,可以實作類似PLC 內部存盤器的公共變數,會給某些應用帶來便利,并且使IEC61499 應用更加接近傳統PLC 周期掃描執行方式,

在一臺設備中同時運行IEC61499 運行時和IEC61131 運行時,通過SIFB和FD 通信實作資料共享是可行的,這種異構控制系統會帶來無窮遐想,

本文的內容再一次表明,IEC61499 功能塊是軟體組件的模型,并且采納了面向物件的思想,如果不做二次開發,那它只是一種模型,沒什么使用價值,一旦你使用它們繼續發展的化,它們可以做任何事情,就像任何一種計算機語言一樣,

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