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IEC 61131-3的XML格式及其应用

　　随着IEC 61131-3标准被广泛接受，经济竞争的环境日益严峻，而在工业控制软件的开发成本和工程成本日益上升的形势下，希望能在不同的软件开发环境之间交换其程序、函数/功能块库和工程项目的需求越发高涨。考虑到编程仅仅是控制软件完整应用开发套件的一个环节，为规范它与其他环节间的数据交换的接口，有必要提供为实现IEC 61131-3编程的数据交换规范。通过为IEC 61131-3规定一种XML的格式，倡导一种开发环境，使得在此基础上构成统一的工程软件平台。

　　利用PLCopen规范的XML格式，来实现不同软件工具的数据交换：为统一的工程平台实现不同控制功能的编程、组态提供基础;为统一的工程平台实现设计、调试、运行操作、维护各阶段功能的前后衔接提供基础;进行不同硬件平台定义的I/O变量和内部变量直接的变换，为控制程序无障碍移植创造前提条件。包括文本化编程语言、图形化编程语言、结构化编程语言、图形信息、数据类型等信息，都可用XML的格式予以表达。

　　举例来说，由德国的汽车制造商Daimler发起，联合了ABB、KUKA、Rockwell Automation、Siemens等工业企业以及一些软件和服务商，成立了AutomationML(Automation Markup Language)组织，为的就是通过共同定义数字化工厂的一种中间格式——自动化标记语言AutomationML，并进行标准化。AutomationML标准是一种免费的开放标准，主要用于制造自动化，包括机器人和物流，但不局限于此。其创新主要在于：在一个单一的根格式(XML格式)下将许多重要工程方面所接受的标准综合起来予以应用。

　　IEC 61131-3的OPC UA信息模型

　　建立IEC 61131-3的OPC UA信息模型的目的在于提高控制器和可视化装置(人机界面)、上位信息系统之间通信的复用性。从长期应用的观点看，将明显提高工程流程的效率和显著降低工程成本。设想当某个PLC项目中有许多控制平台由不同的供应商提供，如果用一种可视化工具或MES/ERP，从这些控制平台的外部来看，他们完全是一样的。PLCopen之所以选择OPC UA，是因为使用OPC的统一架构解决了如下问题：在监控层面如何发现与之通信的对象;如何使通信对象的数据、复杂数据和功能性是完全可利用的;如何使通信可靠、可执行，又与操作系统和编程语言无关;如何确保信息安全。

　　在2009年德国纽伦堡SPS/IPC/Drives展会、2010年HMI展会以及2010年灯光和建筑展会上分别展出了由多个供应商采用OPC的IEC 61131-3信息模型的实物演示。

　　嵌入式PLC的发展趋势与潜力

　　根据《Control Design》杂志的调查，2009年美国机械行业的PLC用户占2/3，PAC和PC控制合起来只占13%，而嵌入式PLC仅占5%。这可以说明，嵌入式PLC具有很大的发展空间。

　　目前，嵌入式PLC的发展也呈现多元化，国内外均有良好表现：德国赫优讯推出的将现场总线技术和PLC技术结合的netPLC很有特色;国内几年前就有华中科技大学在EASY CORE 1.00核心芯片组中加载了嵌入式PLC系统软件，作为硬件平台，开发了多模入通道的嵌入式PLC;还有一种发展路径是以开发PLC与人机界面相结合的硬件/软件一体化为目标的平台，充分利用了CASE工具，结合各类嵌入式芯片的开发平台和各种输入/输出通道的硬件电路库，专为机电设备开发客制化、具有ODM性质的专用PLC。

　　嵌入式PLC在我国具有较广阔的发展空间，首先在于它十分有利于发挥我国自动化行业发展的两大特点：有相当雄厚的为机电设备配套的市场基础，并拥有足够的、性价比全球优的设计开发队伍。我们完全可以以低的成本、较高的质量，并按客制化的要求设计、生产为机电设备配套的嵌入式PLC，来代替通用PLC。同时，嵌入式PLC的硬件、软件、人机界面、通信等各方面的功能设计灵活，易于剪裁，更贴近各种档次的机电设备的要求。嵌入式PLC完全基于嵌入式系统的技术基础，拿来就可用。SoC芯片、嵌入式操作系统与符合IEC 61131-3编程语言标准的编程环境等优势，使得其在市场上很容易找到。

　　在目前环境下开发通用PLC的技术不难突破，但抢占市场需要大量财力和人力资源投入。在市场已被为数不多的几家大公司稳固瓜分的今天，走这样的路线似乎事倍功半。我国小型PLC近年来也有可喜进步的实践，也同样证明了这一判断。

PLC网络是由几级子网复合而成，各级子网的通信过程是由通信协议决定的，而通信方式是通信协议核心的内容。通信方式包括存取控制方式和数据传送方式。所谓存取控制（也称访问控制）方式是指如何获得共享通信介质使用权的问题，而数据传送方式是指一个站取得了通信介质使用权后如何传送数据的问题。 
    1．周期I/O通信方式
    周期I/O通信方式常用于PLC的远程I/O链路中。远程I/O链路按主从方式工作，PLC远程I/O主单元为主站，其它远程I/O单元皆为从站。在主站中设立一个“远程I/O缓冲区”，采用信箱结构，划分为几个分箱与每个从站—一对应，每个分箱再分为两格，一格管发送，一格管接收。主站中通信处理器采用周期扫描方式，按顺序与各从站交换数据，把与其对应的分箱中发送分格的数据送给从站，从从站中读取数据放入与其对应的分箱的接收分格中。这样周而复始，使主站中的“远程I/O缓冲区”得到周期性的刷新。
    在主站中PLC的CPU单元负责用户程序的扫描，它按照循环扫描方式进行处理，每个周期都有一段时间集中进行I/O处理，这时它对本地I/O单元及远程I/O缓冲区进行读写操作。PLC的CPU单元对用户程序的周期性循环扫描，与PLC通信处理器对各远程I/O单元的周期性扫描是异步进行的。尽管PLC的CPU单元没有直接对远程I/O单元进行操作，但是由于远程I/O缓冲区获得周期性刷新，PLC的CPU单元对远程I/O缓冲区的读写操作，就相当于直接访问了远程I/O单元。这种通信方式简单、方便，但要占用PLC的I/O区，因此只适用于少量数据的通信。
2．全局I/O通信方式
    全局I/O通信方式是一种串行共享存储区的通信方式，它主要用于带有链接区的PLC之间的通信。
全局I/O方式的通信原理如图7-27所示。在PLC网络的每台PLC的I/O区中各划出一块来作为链接区，每个链接区都采用邮箱结构。相同编号的发送区与接收区大小相同，占用相同的地址段，一个为发送区，其它皆为接收区。采用广播方式通信。PLC1把1＃发送区的数据在PLC网络上广播，PLC2、PLC3收听到后把它接收下来存入各自的1＃接收区中。PLC2把2＃发送区数据在PLC网上广播，PLC1、PLC3把它接收下来存入各自的2＃接收区中。PLC3把3＃发送区数据在PLC网上广播，PLC1、PLC2把它接收下来存入各自的3＃接收区中。显然通过上述广播通信过程，PLC1、PLC2、PLC3的各链接区中数据是相同的，这个过程称为等值化过程。通过等值化通信使得PLC网络中的每台PLC的链接区中的数据保持一致。它既包含着自己送出去的数据，也包含着其它PLC送来的数据。由于每台PLC的链接区大小一样，占用的地址段相同，每台PLC只要访问自己的链接区，就等于访问了其它PLC的链接区，也就相当于与其它PLC交换了数据。这样链接区就变成了名符其实的共享存储区，共享区成为各PLC交换数据的中介。
 
    链接区可以采用异步方式刷新（等值化），也可以采用同步方式刷新。异步方式刷新与PLC中用户程序无关，由各PLC的通信处理器按顺序进行广播通信，周而复始，使其所有链接区保持等值化；同步方式刷新是由用户程序中对链接区的发送指令启动一次刷新，这种方式只有当链接区的发送区数据变化时才刷新。
    全局I/O通信方式中，PLC直接用读写指令对链接区进行读写操作，简单、方便、快速，但应注意在一台PLC中对某地址的写操作在其它PLC中对同一地址只能进行读操作。与周期I/O方式一样，全局I/O方式也要占用PLC的I/O区，因而只适用于少量数据的通信。
    3．主从总线通信方式
    主从总线通信方式又称为1：N通信方式，是指在总线结构的PLC子网上有N个站，其中只有1个主站，其它皆是从站。
    1：N通信方式采用集中式存取控制技术分配总线使用权，通常采用轮询表法。所谓轮询表是一张从机号排列顺序表，该表配置在主站中，主站按照轮询表的排列顺序对从站进行询问，看它是否要使用总线，从而达到分配总线使用权的目的。
对于实时性要求比较高的站，可以在轮殉表中让其从机号多出现几次，赋予该站较高的通信优先权。在有些1：N通信中把轮询表法与中断法结合使用，紧急任务可以打断正常的周期轮询，获得优先权。 
    1：N通信方式中当从站获得总线使用权后有两种数据传送方式。一种是只允许主从通信，不允许从从通信，从站与从站要交换数据，必须经主站中转；另一种是既允许主从通信也允许从从通信，从站获得总线使用权后先安排主从通信，再安排自己与其它从站之间的通信。
    4．令牌总线通信方式
    令牌总线通信方式又称为N：N通信方式是指在总线结构的PLC子网上有N个站，它们地位平等没有主站与从站之分，也可以说N个站都是主站。
    N：N通信方式采用令牌总线存取控制技术。在物理总线上组成一个逻辑环，让一个令牌在逻辑环中按一定方向依次流动，获得令牌的站就取得了总线使用权。令牌总线存取控制方式限定每个站的令牌持有时间，保证在令牌循环一周时每个站都有机会获得总线使用权，并提供优先级服务，因此令牌总线存取控制方式具有较好的实时性。
    取得令牌的站有两种数据传送方式，即无应答数据传送方式和有应答数据传送方式。采用无应答数据传送方式时，取得令牌的站可以立即向目的站发送数据，发送结束，通信过程也就完成了；而采用有应答数据传送方式时，取得令牌的站向目的站发送完数据后并不算通信完成，必须等目的站获得令牌并把应答帧发给发送站后，整个通信过程才结束。后者比前者的响应时间明显增长，实时性下降。
    5．浮动主站通信方式
    浮动主站通信方式又称N：M通信方式，适用于总线结构的PLC网络，是指在总线上有M个站，其中N（N＜M＝个为主站，其余为从站。
    N：M通信方式采用令牌总线与主从总线相结合的存取控制技术。首先把N个主站组成逻辑环，通过令牌在逻辑环中依次流动，在N个主站之间分配总线使用权，这就是浮动主站的含义。获得总线使用权的主站再按照主从方式来确定在自己的令牌持有时间内与哪些站通信。  一般在主站中配置有一张轮询表，可按轮询表上排列的其它主站号及从站号进行轮询。获得令牌的主站对于用户随机提出的通信任务可按优先级安排在轮询之前或之后进行。
    获得总线使用权的主站可以采用多种数据传送方式与目的站通信，其中以无应答无连接方式速度快。
    6.CSMA/CD通信方式
CSMA/CD通信方式是一种随机通信方式，适用于总线结构的PLC网络，总线上各站地位平等，没有主从之分，采用CSMA/CD存取控制方式，即“先听后讲，边讲边听”。
    CSMA/CD存取控制方式不能保证在一定时间周期内，PLC网络上每个站都可获得总线使用权，因此这是一种不能保证实时性的存取控制方式。但是它采用随机方式，方法简单，而且见缝插针，只要总线空闲就抢着上网，通信资源利用率高，因而在PLC网络中CSMA/CD通信法适用于上层生产管理子网。
CSMA/CD通信方式的数据传送方式可以选用有连接、无连接、有应答、无应答及广播通信中的每一种，可按对通信速度及可靠性的要求进行选择。
以上是PLC网络中常用的通信方式，此外还有少量的PLC网络采用其它通信方式，如令牌环的通信方式等。另外，在新近推出的PLC网络中，常常把多种通信方式集成配置在某一级子网上，这也是今后技术发展的趋势