基于统一标准的分布式控制新版专业系统设计.doc

基于IEC 61499原则分布式控制系统设计作者：仲崇权 刘振堃 杨素英 张立勇 发布时间：-04-12 20:56:46来源：大连理工大学电子与信息工程学院繁体版 访问数： 157 Abstract This paper introduces the architecture and characteristics of IEC 61499 standard，Function Blocks for Distributed Industrial-Process Measurement and Control System ( IPMCS ). IEC 61499 functi欢迎访问AbstractThis paper introduces the architecture and characteristics of IEC 61499 standard，Function Blocks for Distributed Industrial-Process Measurement and Control System ( IPMCS ). IEC 61499 function blocks are based on software component technology，and control systems constructed by function blocks have lots of advantages e.g. scalability，flexibility，object-orientation，while the system configuration is simple and fast. Design patterns for constructing control systems under IEC 61499 context are also concerned in this article ,and a instance of test and simulation system is provided.Key Words：IEC 61499 Function block Distributed control system Software component 摘要本文简介分布式工业过程测量与控制系统（IPMCS）中功能块IEC 61499原则体系构造。IEC 61499功能块采用软件组件技术，基于功能块控制系统具备可扩展性、可伸缩性、面向对象等特点，且系统组态简朴、迅速。文中讨论了使用IEC 61499原则建构控制系统设计模式，并给出一种测试和仿真实例系统。核心词：IEC 61499 功能块 分布式控制系统 软件组件引 言20世纪90年代以来，计算机技术、通讯技术、控制技术发展促使控制系统向数字式、分布式、开放可互操作和面向开放式互连网络现场总线控制系统（FCS）发展。与此同步，工业自动化系统中已开始应用先进制造、模糊控制、人工神经网络、人工智能技术和专家系统。制造自动化向计算机集成制造系统（CIMS）、精良生产、敏捷制造、整分制造系统（Holonic Manufacturing System）方向发展，过程工业向计算机集成过程系统（CIPS）发展。新型工业控制系统具备某些控制规定和特点，如实时控制、分布控制、事件驱动控制、智能控制，不但实质地提高了工业系统控制功能，同步也对其系统功能实现提出了新形式和高规定。在工业实现领域，硬件和软件技术发展促使在工业控制和自动化末端设备（传感器和执行器）里可嵌入功能达到一种新高度。这些自治智能末端设备节点是实现控制功能基本单元，通过网络可将它们连接起来形成一种完整系统。运用基本单元构成完整控制系统，需要有体系化框架、办法和工具。这些框架、办法和工具应当支持这些设备中控制功能知识特性（IP）广泛使用，同步支持把这些设备组合成可伸缩、可变形自动化（SFA）系统。这些框架、办法和工具重要规定涉及1： (a) 面向软件组件，支持IP封装、重用和移植；(b) 设备互操作性；(c) 分布和集成应用能力；(d) 可伸缩性；(e) 可扩展性；(f) 可重构性。在过去十近年中，IEC TC65始终在开发一系列使用功能块原则满足以上规定。其中重要原则IEC 61499定义了分布式工业过程测量与控制系统中使用功能块。运用健壮、可重用、即插即用软件组件功能块对局部细节问题提供解决途径，然后将所有功能块通过网络连接、集成并形成分布式应用以解决整体工业控制问题，从而构建全分布、全开放、面向对象工业控制系统。1IEC 61499功能块原则11 概述IEC 61499是用于分布式工业过程测量与控制系统功能块原则。1990年，IEC TC65（国际电工协会第65技术委员会）收到一种将分布式工业过程测量与控制系统中软件模块（称“功能块”）某些方面原则化建议，其中特别强调了使用IEC 61158现场总线原则IPMCS。功能块同步也是可编程控制器使用编程语言原则IEC 61131-3基本构成某些之一，因而TC65决定制定功能块通用模型，这就是IEC 61499原则由来。IEC 61499原则是随着系统控制功能分散化、智能化规定浮现。运用现场总线设备、智能仪器和传感器构造大型复杂控制系统，控制功能可物理分散在许多设备中，不同设备中软件通过通讯网络互连起来。运用IEC 61499原则，由功能块实现这些软件单元，并依照原则规定进行功能块互连，可实现分布式系统控制功能。例如，智能压力传感器可定义成一种内嵌模仿输入AI功能块，它提供一组已定义输入和输出，例如实际测量压力值、传感器标定值和错误状态。运用IEC 61499原则，这些输入和输出可连接到其她功能块输入和输出，例如压力传感器错误状态就可连接到一种驱动报警显示功能块，而所有这些功能块分散在一种分布式系统不同设备中。这种办法为控制系统设计和改进提供了高度灵活性。IEC 61499功能块能实现这种完全分布式IPMCS，其核心在于采用软件组件（software component）技术设计功能块。组件是独立于特定程序设计语言和应用系统、可重用和自包括软件成分。组件技术是基于面向对象、支持拖放（drog and drop）和即插即用（plug and play）软件开发概念。基于组件技术开发办法，具备开放型、易升级、易维护等长处。当前重要有CORBA、COM和JavaBeans2三种组件技术规范，详细实现时可自由选取。IEC 61499功能块是健壮、可重用软件组件，一种功能块提供对特定问题解决办法，例如对阀控制，或控制工厂主体单元（如整条生产线）。系统设计者构建分布式控制系统时，依照控制功能需要选取特定功能块，并按照IEC 61499原则将它们进行软件互连，设计灵活，且系统可伸缩、可变形。可预见将来工业控制器和仪表可把功能块作为设备固件一某些，或从功能块库里选取下载，而系统设计将成为功能块选取、组态和互连简朴工作。IEC 61499原则分为体系构造、软件工具规定、应用规则和符合行规规则四某些。原则定义了一种通用体系构造，并制定了功能块在分布式IPMCS中应用规则。原则内容涉及：各种参照模型，如系统模型、设备模型、功能块模型、管理模型等；IPMCS中功能块声明规则、行为规则、应用规则；管理应用、资源和设备时功能块使用规则；设计、实现、操作和维护分布式IPMCS工程支持。此体系构造以参照模型、文本语法和图形表达为基本，运用它们可以实现如下工程任务：功能块类型规范和原则化；系统功能和元素原则化；分布式IPMCS规范化、分析和验证；分布式IPMCS构造、实现、操作和维护；实现以上功能软件工具间信息交互。12 IEC 61499体系构造依照IEC 61499构建系统从下到上层次构造为功能块、资源、设备和系统。功能块是系统基本单元，资源是功能块容器，设备包括单条或多条资源，而设备互连形成分布式系统。121 功能块（Function Block） IEC 61499中，软件封装和重用基本单元是功能块。功能块是一种软件功能单元，它由一种由其类型决定专有数据构造和有关操作构成3。IEC 61499功能块按功能分为基本功能块、复合功能块、服务接口功能块（通讯功能块和管理功能块）和适配器（插件和插座）。基本功能块由事件输入和输出、数据输入和输出、执行控制表ECC、算法和内部数据构成，如图1所示。执行控制表是一种事件驱动状态机，它决定状态机状态转换规律、状态机当前状态与输入事件关系、执行算法与进入新状态时发出事件关系。算法决定功能块功能特性。特定事件发生时，其变化反映在相应事件输入上，它驱动相应算法执行，算法读取输入数据，依照输入数据和内部数据产生内部数据和输出数据新值，最后发出一种事件并把它输出到事件输出上。功能块最大特性在于其封装性，具备黑盒子特性。对于功能块外部来说，算法、执行控制表和内部数据都是不可见，并且使用功能块时普通只需懂得其外部接口，如图2所示。功能块MECH_CTL里涉及事件输入START、SENSE、ESTOP和事件输出CMD，以及数据输入SINGLE、HOME、END和数据输出FWD、REV。其中EVENT表达相应外部接口是事件输入或输出，BOOL则表达相应外部接口是数据输入或输出，且为布尔类型。事件接口和数据接口之间垂直线连接，如图中事件输入SENSE与数据输入HOME和END有关联，表达SENSE事件到来时，功能块将对HOME和END进行采样。图1 基本功能块构造图2 功能块外部接口IEC61499定义了描述功能块通用模型和办法，以图形和文本两种方式表达。为使功能块定义易于保存和移植，采用可扩展标记语言XML4定义系统、设备、资源和功能块，这样有也许在Internet上传播功能块定义，并运用web浏览器查看它。122 资源（Resource）资源是包括在设备里一种功能单元。在一种设备里可以在不影响其她资源状况下对一条资源执行创立、构造、参数化、启动、删除操作。资源功能，是接受来自过程和通讯接口数据和事件、解决这些数据和事件，并给过程和通讯接口返回数据和事件。一条资源涉及一种本地应用（或分布式应用本地某些）、过程映射、通讯映射和调度函数。将服务接口功能块SIFB和基本、复合功能块联合使用形成资源以提供一种分布式控制应用本地某些如图3所示。123 设备（Device）设备是多条资源容器，并提供这些资源与通讯网络、传感器和执行器之间接口。这些接口提供服务由支持分布式应用专用资源中SIFB完毕。通讯网络把各分散设备集成为一种完整系统。这样，分布在不同物理设备中功能块形成了一种真正分布式应用，如图4所示。图3 IEC 61499资源模型图4 分布式应用功能块连接1.3 功能块优势功能块由使用软件组件中获得诸多优势5：（1）功能块反映了现实世界。设计一种应用时，一种功能块表达控制系统设计中一种功能实体，各功能块实体组合成控制系统。（2）功能块是稳定。功能块是已经证明有效软件单元，普通不会有大变动，顾客可在不同应用中使用同一功能块。功能块封装算法，在不同控制系统设计中可不做任何修改直接使用。（3）功能块减少复杂性。顾客可使用一种功能块而不用关怀它内部如何工作，由于功能块可隐藏其内部算法复杂性，开发一种应用只需创立并连接各种功能块。（4）功能块可重用。验证有效功能块可随库发布，因而可被其她开发者使用。功能块以上长处给系统设计者和最后顾客带来如下益处：（1）运用功能块开发应用可大大减少控制软件数量。（2）开发控制系统时间缩短。（3）使用相似功能块系统具备一致行为。（4）已证明有效设计方案可重复使用2 基于功能块系统设计模式在IEC 61499体系架构下，惯用设计模式有三种6：分布式应用、代理和MVC。21 分布式应用运用此模式设计控制系统，一方面依照所实现控制系统功能规定用功能块原始连接图定义此分布式应用，其中每个功能块相应相应控制功能。接着选取恰当包括这些核心功能块资源，并依照实现需要把资源包括在不同设备里。然后将应用中功能块映射到相应资源中相应功能块。最后运用通讯服务接口功能块实现不同资源和设备中功能块之间事件和数据互连，以达到分布式应用信息流通讯规定。22 代理（proxy）代理模式通过建立一种远程服务器本地代理而把客户与服务器分离。当客户规定服务器提供服务时，它询问本地代理。于是代理向原始服务器发出服务祈求。IEC 61499环境下这种模式一种用法是运用SIFB为那些不兼容IEC 61499原则设备提供代理。23 MVC（Model/View/Controller）IEC 61499环境下普通使用改进MVC模式进行IPMCS建模、仿真和测试。在此模式下，Model、View和Controller都是IEC 61499基本功能块。Model块表达受控系统或设备行为，View块表达与一种或各种Model块关联图形显示，Controller块封装对一种或各种Model块执行控制功能，并提供与其她Controller块集成所需事件和数据接口。同步，设备与顾客互作用由人机互作用HMI元素表达，它也是一种功能块。改进MVC框图如图5。图5 MVC改进框图3系统设计和仿真实例运用FBDT（FB Developer Kit）构造应用DRILL_MVCL完毕钻孔机控制和监视功能。系统由MODEL、VIEW、CONTROL和HMI四个设备构成，分别完毕MVC模式下Model，View和Controller功能，而HMI则解决人机互作用，如图6所示。图6 DRILL MVCL构造LL资源里功能块网络每个设备中包括多条资源。以CONTROL设备为例，它含LOAD、SUPPLY、DRILL、UNLOAD和TAKEOFF资源，如图7所示。LOAD资源控制工件装载，SUPPLY资源控制将工件通过传送带传送至钻孔机下，DRILL则控制钻孔机对工件钻孔，UNLOAD将钻过孔工件从钻孔机处卸载，TAKEOFF则把工件从流程上取出。资源功能实现依赖于其内部功能块集合。以CONTROL设备中DRILL资源为例，它包括START，DRILL_SENSE，SLIDE_SENSE，CTL，SLIDE_ACT和SLIDE_SENSE功能块，如图6所示。START是启动功能块，完毕资源初始化功能，由图中事件连接可知，START发出COLD冷启动事件，导致DRILL_SENSE块INIT事件发生，它初始化后发出INI0事件，并依次导致SLIDE_SENSE、SLIDE_ACT和DRILL_ACT初始化。DRILL_SENSE和SLIDE_SENSE是SUBSCRIBER预定功能块，它们从上游资源PUBLISHER发布功能块中获取事件和数据；SLIDE_ACT和DRILL_ACT是发布功能块，它们与下游资源中预定功能块连接并把所需事件和数据传送过去。这四个块都是通讯服务接口功能块CSFIB，它们作用在于形成此分布式应用中指明事件和数据流，完全服务于核心块CTL。CTL块完毕滑片和钻头控制功能。例如，DSENSE事件到来时，CTL采样DHOME、DEND和DSPIN数据接口上值，算法执行后输出ACT事件，并由DRILL_ACT发布出去，控制钻头钻孔。运用运营环境，DRILL_MVCL系统仿真成果如图8所示。HMI视图表达相应变量当前状态，用橙、白灯代表，并可进行相应控制。VIEW视图是钻孔流程模仿视图，图中显示一种在传送带上传送未钻孔工件和滑片上已钻孔工件。图8 DRILL_MVCL系统仿真运营4 结束语为创立下一代工业分布式控制系统新技术和新体系而导致了IEC 61499产生，当前IEC 61499 PAS版处在国际原则（IS）实验阶段，但工业界已经表达了对它兴趣。基于这种新办法控制系统设计工具和产品对系统设计带来利益是可以预见。西门子公司提出对Profibus现场总线合同扩展ProfiNet架构以IEC 61499为核心，同步西门子又进一步发扬了此原则，提出了基于组件自动化CBA。Rockwell已经表达了对IEC 61499关注，IAONA组织也发布消息提出在现场总线设备中使用此原则意向。毫无疑问，依照开放原则如IEC61499实现真正分布式控制，在不久将来将变化工业控制面貌。参照文献1 James H.Christensen. IEC 61499 architecture，engineering methodologies and software tools. ，.2 楼伟进，应飙. COM/DCOM/COM+组件技术. 计算机应用，20(4):3133.3 IEC TC65/WG6，Voting draft：publicly available specification Function blocks for industrial- process measurement and control system，part 1 Architecture. International Electrotechnical Commission，.4 W3C (W3 Consortium)，eXtended Markup Language (XML) Specification 1.0 (second edition)，URL：，.5 R.W.Lewis. Modeling industrial control systems using the IEC 61499 function block standard. .，.6 James H.Christensen. Design patterns for systems engineering with IEC 61499. Distributed Automation ，Magdebug，Germany，March，. 欢迎访问