開放式 IEC 61131 控制系統設計

本書作者作為德國菲尼克斯電氣軟件公司的高級工程師，在自動化領域，尤其是IEC 61131控制器設計方向擁有多年的工作經驗。在眾多的特定行業項目實施過程中，作者對現代控制器發展、工業現場總線以及運動控制有深刻的理解和感性的認識。
隨著工業4.0和智能製造概念的發展，對現代控制器的開發也提出了更高的要求：
控制器應足夠開放，以盡量覆蓋不同行業的特定需求。
控制器可以方便地接入物聯網系統，從而成為智能製造系統的有機組成部分。
在傳統I/O觸點和總線之外，控制器還應支持現代工業以太網現場總線技術，如PROFINET、EtherCAT、ModBus TCP、Powerlink等。
運動控制在大量的應用中成為控制器的重要組成部分。
本書圍繞這些議題，闡述瞭如何構建一個開放的、符合IEC 61131標準的現代控制系統。本書主要以德國菲尼克斯電氣軟件公司的MULTIPROG/ProConOS eCLR軟PLC核心為例，但其涉及的設計思想也適用於企業開發自身的控制系統。

作為工業自動化核心部件的可編程控制器在過去的幾十年內隨著電腦技術和信息技術的發展取得了長足的進步，逐步統一在國際電工協會的IEC 61131系列標準下，並呈現出與DCS、IPC、HMI甚至運動控制等領域逐漸融合的趨勢。基於工業以太網的現場總線，從MES到控制器直至現場設備的無縫集成成為可能。本書主要目的不在於詳細闡述 IEC 61131 標準的相關內容，而在於以德國菲尼克斯電氣軟件公司的 MULTIPROG/ProConOS eCLR 控制軟件為例，展示如何構建一個特定硬件平臺上的既符合 IEC 61131 標準，同時支持高級程序設計語言（C#、C/C++），並集成了本地I/O、工業以太網現場總線（PROFINET、EtherCAT、ModBus TCP、Powerlink等）以及PLCopen運動控制的開放式控制器。
隨著IEC 61131逐漸成為PLC控制器的主要國際標準，其在各個領域的應用也越來越廣泛。本書主要介紹IEC 61131-3標準定義的各種模型、標準編程語言，以及在MULTIPROG中如何實現IEC 61131所定義的各項要素，然後詳細闡述如何構建一個針對定製平臺、集成本地I/O、工業以太網現場總線以及PLCopen運動控制的開放式控制器。本書可供工業自動化領域控制系統架構設計師和研發工程師閱讀，亦可作為IEC 61131和現代控制器技術課程教材。

前　言

聲　明

第1章　IEC 61131標準簡介 1
1.1　PLC中的一些通用模型 2
1.1.1　功能模型 2
1.1.2　硬件模型 3
1.1.3　網絡通信模型 3
1.1.4　軟件模型 4
1.1.5　通信模型 5
1.1.6　編程模型 6
1.2　數據類型 7
1.2.1　基本數據類型 7
1.2.2　派生數據類型 8
1.3　變量 10
1.3.1　變量的表示 10
1.3.2　變量的初始化 11
1.3.3　變量的聲明 11
1.4　程序組織單元 12
1.4.1　功能 13
1.4.2　功能塊 16
1.4.3　程序 19
1.5　順序功能圖元素 19
1.5.1　步 20
1.5.2　轉換 20
1.5.3　動作 20
1.6　配置元素 21
1.6.1　配置、資源和全局變量 21
1.6.2　任務 22
1.7　IEC 61131-3編程語言 23
1.7.1　指令表 23
1.7.2　結構化文本 24
1.7.3　功能塊圖 26
1.7.4　梯形圖 26
1.7.5　順序功能圖 28

第2章　IEC 61131編程環境MULTIPROG 31
2.1　MULTIPROG 5.50 Express及其安裝 32
2.2　MULTIPROG工程管理 36
2.2.1　新建並編輯工程 36
2.2.2　I/O配置 40
2.2.3　工程編譯和下裝 42
2.3　自定義用戶庫開發 46
2.3.1　自定義復雜數據類型 46
2.3.2　用戶庫開發 48
2.4　斷點設置和在線調試 48
2.4.1　在線監視 49
2.4.2　斷點調試 50
2.4.3　強制和覆蓋變量 52
2.5　邏輯分析儀 53
2.5.1　變量添加 53
2.5.2　連續和限定周期記錄 55
2.5.3　觸發條件配置 56
2.5.4　所記錄數據的導出和加載 59
2.6　交叉參考 60
2.7　MULTIPROG編程示例 61
2.7.1　三相異步電動機正反轉控製程序 61
2.7.2　PID控制器和系統模擬 63

第3章　IEC 61131運行時系統ProConOS eCLR及二次開發 66
3.1　eCLR簡介 67
3.2　ProConOS eCLR架構 68
3.3　eCLR 應用程序映像 71
3.4　簡單的eCLR及CIL代碼示例 72
3.5　eCLR開發包 74
3.5.1　多核處理器支持 75
3.5.2　任務優先級 76
3.5.3　eCLR啟動模塊 78
3.6　eCLR在不同平臺上的移植 82
3.6.1　環境接口 83
3.6.2　文件接口 84
3.6.3　操作系統接口 85
3.7　用戶自定義功能和功能塊 87
3.7.1　托管固件庫開發 89
3.7.2　原生固件庫開發 94
3.7.3　復雜數據類型 98
3.8　用戶自定義I/O驅動 109
3.8.1　I/O驅動工作原理 109
3.8.2　I/O配置和I/O分組 110
3.8.3　I/O變量 111
3.8.4　I/O驅動接口 112
3.8.5　I/O驅動的時序 116
3.8.6　I/O驅動開發步驟 117
3.9　後台任務 121
3.10　系統標志區和共享內存區 122
3.10.1　系統標志區 122
3.10.2　共享內存區 125
3.11　回調函數的接口 128
3.11.1　狀態轉換回調函數和異常回調函數的接口 128
3.11.2　任務回調函數 131
3.12　事件驅動型任務 134
3.12.1　MULTIPROG的事件驅動型任務設置 135
3.12.2　運行期中事件任務安裝 136
3.12.3　運行期中系統任務安裝 136

第4章　IEC 61131和工業現場總線 138
4.1　PLC與PROFINET 139
4.1.1　PROFINET簡介 139
4.1.2　PROFINET解決方案 145
4.1.3　eCLR PROFINET I/O驅動 145
4.1.4　PROFINET總線配置 146
4.2　PLC與EtherCAT 154
4.2.1　Acontis EtherCAT主站簡介 154
4.2.2　eCLR ECAT I/O驅動 157
4.2.3　總線配置 158
4.2.4　基於功能塊的總線診斷 165
4.3　PLC與Modbus TCP 166
4.3.1　Modbus TCP簡介 166
4.3.2　OSCAT庫 169
4.3.3　基於IP功能塊和OSCAT庫的Modbus TCP解決方案 170
4.4　PLC與其他現場總線 173
4.4.1　PLC和CANopen簡介 173
4.4.2　PLC和Powerlink 175

第5章　PLCopen運動控制 176
5.1　PLCopen Part1/Part2 簡單運動控制 178
5.1.1　PLCopen MC狀態機 178
5.1.2　異常和錯誤處理 179
5.1.3　功能塊接口 179
5.1.4　Part1/Part2運動控制功能塊 180
5.2　PLCopen Part4組合運動控制 182
5.2.1　坐標系和運動學 183
5.2.2　運動混成 185
5.2.3　狀態機 186
5.2.4　功能塊定義 187
5.3　基於ProConOS eCLR和ISG內核的運動控制方案 189
5.3.1　實時操作系統INtime 189
5.3.2　INtime下Acontis EtherCAT主站安裝和配置 195
5.3.3　PLC運行期ProConOS eCLR 197
5.3.4　IEC 61131編程環境配置 197
5.3.5　ISG運動內核 198
5.3.6　啟動順序 199
5.3.7　PLCopen Part1/Part2運動方案 199
5.3.8　Part4和機器人方案 203
5.4　ProConOS eCLR與第三方運動內核的集成 208
5.4.1　PLCopen運動功能塊定義 208
5.4.2　PLC和運動內核的數據交換 210
5.4.3　PLC、運動內核和電動機驅動器的數據交換 211
5.4.4　系統優先級設定 213

參考文獻 214