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基于IEC61131-3标准的分布式智能系统策略组态软件包开发研究

作　者: 梁庚
导　师: 白焰
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 热能动力工程
关键词: 现场总线 WorldFIP IEC61131-3 分布式智能系统策略组态软件
分类号: TP311.52
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 510次
引　用: 8次
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内容摘要

随着网络化技术的飞速发展和现场总线技术的蓬勃兴起以及在工业控制领域的广泛应用,国内外的控制系统生成厂商纷纷推出自己的分布式控制新产品。每一种新型的控制系统的诞生通常总是伴随着一种上位策略组态软件的设计实现。系统控制策略组态软件是分布式控制系统中的上位软件部分,在整个系统中占有着极其重要的地位。IEC61131-3 标准不但完全适用于 PLC 系统,而且在相当多的方面可以应用到 DCS 和 FCS 系统中,对整个工业体系软件的发展具有深远的影响,为分布式智能系统策略组态软件的开发在标准化方面指明了方向。目前国内外在分布式控制系统策略组态软件在标准化及设计开发的多个方面都存在着诸多的问题和缺陷。另一方面,WorldFIP 现场总线技术有着本质的优越性,在世界工控领域内有着广泛的应用,但同时国内外业界在 WorldFIP 现场总线技术应用领域的多个方面还存在着空白,开发基于 WorldFIP 技术的分布式控制系统具有非常现实的意义。因此,开发基于 IEC 标准和 WorldFIP 技术的分布式控制系统策略组态软件,实现完全意义上的分布式控制策略,在国内走出一条自主研发、自主创新的道路的同时为今后国内同行业的组态软件的开发提供切实的指导、为今后进一步的完全适合于国人的组态软件开发指明方向,从理论和实践角度讲,都有着非常现实和积极的意义。本文以面向基于 WorldFIP 技术的分布式控制系统策略组态软件包的设计开发的全过程为基础,在对国内外分布式控制系统策略组态软件的现状和存在的问题进行分析比较的基础上,详细介绍和阐述了所开发的两种系统的功能、组成、结构及整体和各组成部分的设计开发的详细内容,详尽、系统地阐述和论证了在本系统中对问题的解决和方案的改进的具体的思路、原理和设计、实现的方法,重点介绍了系统中的特色和创新所在。本文主要内容为: (1)首先在几个方面回顾了几种分布式智能系统及其策略组态软件的诞生和发展历程,并从历史和现实的角度系统地剖析了分布式智能系统及其策略组态软件产生和发展的原因,在对理论和现实的背景进行了分析与综合后指出了开发具有自主知识产权的基于现场总线技术的分布式智能系统及其组态软件的重大意义。在对当前国内外分布控制系统策略组态软件的现状和存在的问题以及国内外 WorldFIP技术及基于 WorldFIP 技术的分布式智能系统的应用与研发现状进行分析比较的基础上,进一步引证了课题的重要意义。 (2)阐述和介绍了有关 IEC31131-3 标准的内容。 (3)在国内首次设计实现了具有完全自主知识产权的基于编译后中间码技术、功能较为完善的兼容 IEC61131-3 标准的 WorldFIP 现场总线智能系统策略组态软件FIPCONF;概要性地介绍了 FIPCONF 的功能、服务以及系统面向用户的编程语言选择的依据;系统详细地阐述了 FIPCONF 系统中重要组成部分的设计开发的思路、方案及实现;采用分析比较的方法,在对现有组态软件中存在的问题和局限性进行摘要I I分析的基础上,对 FIPCONF 系统的创新之处从概念、功能和意义上进行了全面而详细的阐述和论证。在国内首次提出了基于编译后中间码技术的面向下位设备的指令码可移植性方案的概念,提出了面向分布式智能系统的“用户组态的硬件设备无关性”概念,并以此种概念为指导设计实现了该种方案;在 FCS 策略组态软件中提出了针对组态工程的两种工作模式的概念并对其进行了设计实现;提出了一种“FCS策略逻辑组态与物理组态相分离”的概念并给出了其具体的设计实现方案;提出了“在 FCS 组态软件中加入网络通信仿真功能”的概念并对其进行了设计实现;结合组态软件所针对的下位系统数据通信方案的设计实现,引出了 WorldFIP 现场总线通信参考模型用户层的概念,以 WorldFIP 现场总线技术在过程控制中的应用为目标,对用户层数据格式规范进行了研究和探讨。(4)设计实现了具有完全自主知识产权的基于编译后中间码技术、用户界面友好的兼容 IEC61131-3 标准的 PLCS 控制系统组态软件,实现了 IEC 全部 5 种标准化编程语言;详尽、系统地介绍了 LCC2000 的功能和服务,阐述了系统组成和结构。系统阐述和论证了对 IEC61131-3 标准规定的 5 种编程语言的编辑器与编译器的设计开发完整过程;在各部分中详细、系统地研究和探讨了其他组态软件中的各种现存问题,阐述和论证并设计实现了解决方案、并分别从概念、实用性、易用性等角度指出了针对各种目标的实施方案的特色和创新之处。提出并设计实现了一种基于块和连接元素流程控制图概念模型的梯形图解析模型;提出并设计实现了一种面向工业用编译软件开发者的ST编译中间式——OO式并设计实现了应用OO 式进行表达式编译的方案和流程。(5)最后一部分对本文作一概括性的总结,从概念、体系、方法、模型等方面指明了本文的成果与贡献;指出了所开发的系统在今后所应作的进一步改进和优化的方向;指出了分布式智能系统策略组态软件进一步发展过程中值得考虑的几个重要的发展方向及其未来的发展趋势。该组态软件包运行于 Windows 操作系统,功能较为完善,人机界面高度友好,在批判性地借鉴国内外同行新技术的同时集中了众多组态软件的优点,解决

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-13
第一章绪论  13-25
  1.1 课题相关背景  13-16
  1.2 课题相关领域发展现状  16-22
    1.2.1 国内外分布式智能系统策略组态软件的发展现状  16-19
    1.2.2 国内外WorldFIP技术及基于WorldFIP技术的分布式智能系统的应用与研发现状  19-22
  1.3 课题的意义  22-23
  1.4 论文的主要工作  23-25
第二章 IEC61131－3标准综述  25-29
  2.1 IEC 61131-3 标准的产生及其意义  25-27
    2.1.1 IEC 61131-3 标准的产生  25-26
    2.1.2 IEC61131-3标准的意义  26-27
  2.2 IEC 61131-3 标准概要  27-29
    2.2.1 IEC 61131-3 标准的层次与结构  27
    2.2.2 公共元素  27-28
    2.2.3 编程语言  28-29
第三章基于WorldFIP技术的FCS策略组态软件 FIPCONF的设计开发.  29-86
  3.1 FIPCONF概述  29
  3.2 FIPCONF系统用户编程语言的选择  29-30
  3.3 FIPCONF系统的功能组成和层次结构  30-32
  3.4 FIPCONF管理和使用的文件类型  32
  3.5 FIPCONF工程管理器  32-46
    3.5.1 主框架的HMI及其界面元素的设计开发  32-36
    3.5.2 工程文件的管理  36-37
    3.5.3 工程文件的选择性编译  37-38
    3.5.4 工程段文件的磁盘编译  38-39
    3.5.5 工程段的管理  39
    3.5.6 工程查找功能的设计实现  39-40
    3.5.7 FIPCONF主框架对界面元素的管理  40
    3.5.8 工程的两种运作模式  40-43
    3.5.9 物理组态管理  43-46
      3.5.9.1 物理组态中的功能块编址机制  44
      3.5.9.2 自由功能块  44-46
    3.5.10 逻辑组态管理  46
  3.6 FBD编辑器/编译器的设计开发  46-77
    3.6.1 基于块和连接元素的流程控制图概念模型  46-47
    3.6.2 FIPCONF-FBD图形元素对象模型及其管理模式  47-56
      3.6.2.1 完全子类的分散化方案  48-51
      3.6.2.2 分类集中化方案  51-55
      3.6.2.3 两种方案的性能评价  55-56
    3.6.3 FBD编辑器HMI的设计开发  56-59
    3.6.4 FBD编译器的设计开发  59-77
      3.6.4.1 编译前的准备  59
      3.6.4.2 基于中间码的“用户组态的硬件设备无关性”方案  59-62
      3.6.4.3 用户组态编译模式  62-63
      3.6.4.4 编译  63-77
  3.7 网络通信仿真系统的设计开发  77-86
    3.7.1 仿真原理暨下位系统数据通信方案设计  78-81
    3.7.2 仿真系统的设计实现  81-83
    3.7.3 仿真系统HMI的设计  83-86
第四章逻辑控制组态软件包 LCC2000的设计开发  86-160
  4.1 LCC2000概述  86-87
  4.2 LCC2000的层次和组织  87-90
    4.2.1 工程管理模式  87-88
    4.2.2 LCC2000工程管理器  88
    4.2.3 LCC2000变量管理器的设计开发  88-90
      4.2.3.1 LCC2000的变量类型  88-89
      4.2.3.2 变量在上位及下位机中的管理模式  89-90
  4.3 ST语言编辑器/编译器的设计开发  90-121
    4.3.1 ST语言综述  90-91
    4.3.2 ST语言编辑器的设计开发  91-95
    4.3.3 ST语言编译器的设计开发  95-121
      4.3.3.1 编译程序的结构  95-97
      4.3.3.2 编译结果码型的选择  97
      4.3.3.3 编译器编译模式的选择  97
      4.3.3.4 指令码中的两种数据的表达  97-98
      4.3.3.5 ST用户编程的程序结构  98
      4.3.3.6 运算数/运算符分析式--OO式及其化简和编译  98-111
      4.3.3.7 指令区“段主程序”执行起始地址的确定  111
      4.3.3.8 源程序流程控制结构的编译和链接  111-121
  4.4 SFC语言编辑器/编译器的设计开发  121-146
    4.4.1 SFC语言综述  121-123
      4.4.1.1 SFC语言元素  121-123
      4.4.1.2 SFC的功能、组成和规则  123
    4.4.2 SFC编辑器图形系统的设计开发  123-134
      4.4.2.1 SFC组态软件图形系统的构成  123-124
      4.4.2.2 SFC图形系统设计方案  124-129
      4.4.2.3 SFC图形系统的实现  129-134
    4.4.3 SFC元素的属性配置  134-135
    4.4.4 SFC图流程控制模式的确立  135-136
    4.4.5 面向下位机的SFC语言元素对象模型  136-140
    4.4.6 SFC用户源程序的编译及其编译后元素的管理模式  140-146
  4.5 IL语言编辑器/编译器的设计开发  146-148
    4.5.1 IL语言综述  146
    4.5.2 IL语言编辑器的设计开发  146-147
    4.5.3 IL语言编译器的设计开发  147-148
  4.6 LD语言编辑器/编译器的设计开发  148-152
    4.6.1 LD语言综述  148
    4.6.2 基于FBD功能块模型的LD语言元素设计构造  148-151
    4.6.3 LD语言编辑器的设计开发  151
    4.6.4 LD语言编译器的设计开发  151-152
  4.7 FBD语言编辑器/编译器的设计开发  152-160
    4.7.1 FBD语言综述  152
    4.7.2 LCC2000-FBD组态器与FIPCONF-FBD组态器的区别  152-153
    4.7.3 LCC2000-FBD使用的数据类型  153-154
    4.7.4 LCC2000-FBD中的运算范畴及类型  154
    4.7.5 FBD语言编辑器的设计开发  154-155
    4.7.6 FBD语言编译器的设计开发  155-160
      4.7.6.1 面向下位设备的功能块输入输出区的构造  155-157
      4.7.6.2 面向下位设备的内含参数区数据的构造  157-158
      4.7.6.3 面向下位设备的命令区数据的构造  158-160
第五章结论与展望  160-165
  5.1 概述  160
  5.2 成果与贡献  160-161
  5.3 改进与完善  161-162
  5.4 对未来的展望  162-164
  5.5 结语  164-165
参考文献  165-171
致谢  171-172
攻读博士学位期间发表的学术论文  172-174
攻读博士学位期间参加的科研工作  174

基于IEC61131-3标准的分布式智能系统策略组态软件包开发研究

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