I EC61499 工业过程工控安全体系建设探究

2023-12-21 12:18:02陈婉薇
工程建设与设计 2023年23期

陈婉薇

(联诚科技集团股份有限公司,昆明 650000)

1 引言

IEC61499 标准是控制技术过渡到数字技术和功能分布化阶段而应运而生的。作为新型工业标准,IEC61499 定义了一整套设计模型化、可重用、分布式工业测控系统的基本概念和思想。基于IEC61499 功能块的开放的分布式工业测控系统具有十分广泛的应用前景,代表了新一代工业控制系统发展的必然趋势。新型工业控制系统具有的一些控制要求和特点,如实时控制、分布控制、事件驱动控制、智能控制,不仅实质地提高了工业系统的控制功能,同时也对其系统功能的实现提出了新形式和高要求[1-2]。针对这一情况,IEC61499 被提出作为针对分布式系统架构的标准,其中的类别包含与受控过程接口、通信网络接口和分布式应用。因此,研究针对IEC61499工业过程工控安全体系建设进行了探究。

2 基于I EC 61499 的MMB功能块设计与实现

2.1 MMB功能块模型与实现

MMB 功能块具体的实现模型包括实例名、事件输入输出、数据输入输出以及算法等,MMB 功能块模型如图1 所示。

图1 MMB功能块模型

MMB 功能块主体部分分为两部分,分别是接口和实现,且彼此之间相互独立,不会互相影响。将功能块在总库中进行构架时,各功能块的具体运行性能和情况是无关因素。其中接口能够构造和约束各模块的具体实现,模块的使用者通过接口实现对应的具体操作。进行总体结构的构造时,模块之间的接口塑造了外部的数据信息传输情况以及模块的责任,能够对模块和外部环境的相互作用进行表征。除此以外,接口部分不会出现其他独立于该界面的无关设置[3]。

实现部分包含了功能模块提供的程序设计,通常情况下,可以运用C 语言对其进行实现,将实现的程序存储到库文件中。此部分还包含了一些额外的功能和数据结构,但该部分不对功能块的用户开放。功能块的接口部分提供的服务支撑分为向外部提供和请求的类型以及依据环境要求的类型,这在一定程度上显示出功能块在相同环境中的交互关系。整体的动态情况使用有限状态机进行表征,该有限状态机是包含输出的,收到外部信息后,功能块会按照信息类型和自身状态来响应,从而引起形态发生变化。在基于事件的系统中,功能块的行为由外部信息类型决定。

2.2 MMB功能块库

MMB 功能块集合为系统控制及数据计算的实现提供了可靠的支撑,所有模块分为3 个层次,分别为处理、控制和控制器模块。这些针对软件系统架构的方面实现了架构控制,而基础设施和公共服务方面则在应用基础功能模块中定义了基本的数据操作和处理功能。同时,控制过程和控制器函数作为控制系统应用函数模块被定义[4]。

传统的软件系统架构中,MMB 基础架构和公共服务是实现软件系统架构控制的组成部分,包括实时多任务操作系统的核心以及系统支援功能模块的功能,在对软件系统的体系结构控制完毕后,占据MMB 层级中的第一个层级。

基于场景应用的各类功能块主要分为数学计算、IQ 数学计算、数据转换及选择函数等,它们共同构成了MMB 的基础工作模块部分。它是MMB 系统中的一个重要组成部分,位于其层次结构的第二层。

控制系统应用功能块是以MMB 为基础的模块集合,其中包含时间函数、控制过程中的数据处理等。它的主要功能是为MMB 提供不同处理和控制器功能的控制量,并占据了MMB 层级结构中的第三层。

3 基于IEC 61499 的MMB工控系统

MMB 工程始于为整体控制系统中实际工程测控构件的优化升级而构思得到的构件模块和组态序列共同组成软件解空间的设计理念,同时对模块服务中的序列方式进行过深入探究。在具体的研究过程中,MMB 在一定程度上参考了IEC 61499 的体系、概念及IEC 61131-3 的结构文本语言。

MMB 控制系统的装配序列结构可以被分为4 个部分。该系统的物理概念由开始和结束两个部分构成,负责对系统的区间边界进行确定。MMB 中必须至少有一个任务体,任务体外功能块序列,该序列存在于任务体外,只会在系统运行时被执行一次,一般负责选择系统的函数、定义阵列、设定初值等。系统中的各功能块,按照任务的安排持续运行,通常用于实现消息驱动、时间周期的工作内容等,是整个应用的主要部分。

在IEC 61499 标准中,每个设备最少含有一个过程或通信接口。其中,负责过程的接口能够对物理过程和资源的映射提供支持,通信接口能够对资源和信息的映射提供支持。资源是系统中的功能单元,它能够单独运行和控制,可以实现创建、配置、参数化等多种操作。在MMB 控制系统中,将设备与资源相结合形成了MMB 任务模型。该模型能够单独进行操控,与其他任务之间不会相互影响,通过一定数量的任务运行应用程序。通过装配序列结构可以看到,一个或多个系统定义完成了一个IEC 61499 标准下的应用。MMB 任务模型如图2 所示。

图2 MMB任务模型

MMB 与先前标准中的结构文本较为相似,其将数据重新组织为类似于C 语言的结构更加优良的语言,但更易于理解。MMB 装配语言的程序设计能力较强,能够描述函数、功能块和程序的操作,表示复杂模块的概念,并支持变量赋值、函数和功能块的调用、表达式创建和迭代程序等操作。这种语言能够满足复杂的应用需求。

MMB 装配语言与常规程序语言有很大区别,它基于对现实环境的抽象,使用功能块和参数等与现实环境相对应的概念。每个功能块具有自我描述性,包含运算处理规则、存储单位、语义及语义实现等功能实体,并提供规范的接口。出于不同的任务目的,功能模块可以在任意时间进行收集。同时,参数是一种自我描述性质的数据,能够对参数化物理概念的数据类型、数值域、存储空间、语义等特性进行表征。

MMB 集成开发环境(Integrated Development Environment,IDE)是帮助用户开发、组装和测试的软件。此软件将组态编辑、编译、下载等功能整合于同一环境中。用户可以根据工程实际需求现场进行功能块组装,利用MMBIDE 中的编译器将数据重新构造为能够被识别的代码。经过处理的组态和参数可通过OPC 服务器下载工具存储到设备中,使其能够实现各种控制功能。用户还可以使用MMBIDE 进行调试,以查看现场装置中运行的组态。

4 具体控制系统LicOS EC400 PLC与IEC61499

研究以LicOS EC400 PLC 为例,从系统结构、编程语言、功能块生成与调用等几个方面,研究该系统的实际实现效果。西门子LicOS EC400 PLC 主机包括机架、CPU、信号、接口、通信处理器、电源和程序控制装置等组件,其系统结构如图3 所示。

图3 S7-300PLC控制系统结构

该系统具有简单、实用和很高的灵活性,对于一般的功能需求,使用者可以根据实际需要选用适当的模组进行维护和更换。随着系统规模的增大,还可以在PLC 上添加模块。S7-300 CPU 模块是一个集成进程控制功能,用于执行用户程序的模块。每个CPU 模块具有RS-485 编程接口,并且其中也具有PROFIBUS-DP 总线或点对点串行通信接口。LicOS EC400无须任何软硬件及程序,即可构成多点连接网络,如果具有PROFIBUS-DP 接口,则可以构成DP 网络。

PLC 的程序包括操作系统和用户程序。操作系统的功能是实现与控制无关联的任务,例如,启动PLC、用户程序调用、错误及通信处理等。用户可以使用STEP 7 软件编写程序并将其下载到CPU。为了标准化程序组件,STEP 7 将由用户编写的程序和所需数据放入不同的区块中。通过模块内或模块间的调用,用户程序可以被结构化。这种模块化结构简化了程序组织,便于修改、调试和纠错。PLC 编程在组织上更加透明易懂,也更易于维护。

在STEP 7 软件中,程序设计有3 种方式,分别是线性化、模块化和结构化编程。线性化程序设计将整个用户程序放置于循环控制组织块OB1 中,按顺序执行所有指令。编程过程简单,但没有涉及函数块、数据块、局部变量和中断等复杂定义,CPU 使用效率较低,实现多个相似动作需要反复编程。模块化程序设计将程序分成逻辑模块,每个模块都含有逻辑指令,用于执行特定任务。在OB1 中指令决定在何种情况下调用哪个子程序,能够提高CPU 资源利用率。结构化程序设计将复杂自动控制任务划分成小型任务描述为程序模块。模块相互独立,由OB1 或其他模块调用。调用者可以是用户编写的组织块、FB、FC,或系统提供的SFB 和SFC。调用功能块时,必须指定实例数据块,并打开或关闭实例数据块。

通过分析可知,LicOS EC400 PLC 在系统设计和算法组态编程上优势显著。LicOS EC400 PLC 可编程控制器支持自上而下和自下而上两种编程方式,并具有模块化的特点。通用程序函数被分成几个部分封装成完整的程序结构,多种程序语言可供选择。但其在某些方面仍有待发展,在LicOS EC400 PLC 系统中,通信和I/O 功能通过全局变量和直接变量机制连接到程序中的变量;由于系统中各模块通常集中在单个设备中,因此,系统资源的使用率无法得到更好的优化;程序的执行由周期性或非周期性的任务触发,预先确定的命令用于执行功能块实例。在引入反馈时,对于较复杂的系统结构,程序的执行顺序无法确定。这些问题都需要在基于IEC 61499标准的基础上进一步改善。

5 结语

针对IEC 61499 工业过程工控安全体系的建设,研究对IEC 61499 的MMB 功能块的设计和实现进行了详细的探讨,MMB 服务接口功能块是功能块内部和外部的沟通路径,用于实现应用之间的交互。同时,研究对MMB 控制系统的结构、装配语言等进行了详细的探讨,MMB 模块的可重复使用性能够使软件得到反复使用,提高其效率及精度。最后,以西门子公司的LicOS EC400 PLC 为例探究了PLC 基于IEC 61499 标准的具体实现,包括它的系统结构、编程语言、功能块的生成与调用关系等。通过分析可知该系统在系统设计和算法组态编程上优势显著,具有模块化的优点,但在资源利用、程序执行顺序等方面仍需要进一步改进。研究对IEC 61499 工业过程工控安全的探究,对进一步开发基于IEC 61499 的MMB 控制系统具有很强的参考价值。