4.4 PLC性能的基准测试
为了让使用者对所用PLC在其具体应用中的性能做出评估，还为了比较不同PLC的性能，并发现在其具体应用中所表现出来的优点和缺点，PLCopen在2006年6月底以技术文件的形式公布了《PLC性能的基准测试方法》。该文件通过所定义的测试概要，以一种客观的方式，为寻求不同PLC平台真实性能提供了标准化的方法。为更贴近实际应用，将基准测试方法划分为五种类别，它们分别是：数字式I/O处理（典型应用是无伺服驱动的小型机械）；使用SFC/状态机、并在每个步序有数字式I/O的处理（典型应用是装配自动化）；运动控制应用程序（典型应用是包装、印刷）；数据处理应用程序（典型应用：测量记录和处理、协议）；闭环控制应用程序（典型应用：过程控制）。
4.5 IEC61131-3与XML
考虑到编程仅仅是控制软件完整应用开发套件的一个组成部分，虽然XML并不是IEC 61131-3标准的内容，但为规范它与其它组成部分间的数据交换接口，PLCopen还是强调通过为IEC61131-3规定一种XML（Extensible Markup Language——可扩展标记语言：一种用来创建自己的标记的标记语言）的格式倡导一种开发环境，使得各种不同目的的开发软件工具能克服交换数据的瓶颈，在此基础上构成统一平台（见图3）。2005年4月正式发布的关于XML的文本包括技术文件、XML模式（scheme）和说明文件。
图3 PLCopen规范了编程工具与其它软件工具间数据交换的XML格式
利用PLCopen规范的XML格式，实现不同软件工具的数据交换，可以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，而进行不同硬件平台定义的I/O变量和内部变量之间的变换，为控制程序无障碍移植创造前提条件。
（1）建立统一工程平台的必要性人们过去开发了许多为PLC控制系统工程设计、编程和运行，以至于管理的工具性软件。其中包括控制电路设计软件包、接线设计软件、PLC编程软件包、人机界面和SCADA软件包、程序调试仿真软件，以及自动化维护软件等等。尽管这些软件都是为具体的工程服务的，但是，即使在对同一对象进行控制和监控，它们却是互不关联。不同的控制需求（如逻辑和顺序控制、运动控制、过程控制等）要用不同的开发软件；在不同的工作阶段（如编程组态、仿真调试、维护管理等）又要用不同的软件。而且往往在使用不同的软件时必需自行定义标签变量（tags），而定义变量的规则又往往各取其便，导致对同一物理对象的相同控制变量其命名完全不一致。缺乏公用的数据库和统一的变量命名规则，造成在使用不同软件时不得不进行繁琐的变量转换，重复劳动导致人力资源成本高、效率低下。现代软件技术的发展为不同用途的软件集成创造了前提条件。前面讲到的XML就是很好的将不同软件集成起来构成统一工程平台的工具，而采用基于变量的寻址方式（tags-based addressing）,使我们可以直接运用实名变量，不必使用交叉参考列表来完成变量名与物理地址的转换。在使用多种软件工具时，统一的变量名对应惟一的物理地址，例如图4 所示。这种超越传统的解决方式带来许多优点：大量减少工程设计、调试、投运的时间和费用；减少编程和调试运行中的错误；技术文档便于阅读和理解；方便维护；在与其它控制器通信进行数据交换时，在程序中可直接采用参与通信的控制器数据的实名制变量名，而不必采用物理地址，大为方便理解。
图4 实名制变量名对应惟一的物理地址
（2）PLCopen规范的XML格式：构筑各种软件开发工具统一平台的基础。编程仅仅是控制软件完整应用开发套件的一个环节，为规范它与其它软件环节间在应用水平上的数据交换接口，克服各种软件工具交换数据的瓶颈，PLCopen于2005年4月正式发布为实现IEC 61131-3编程的数据交换规范XML文本，包括技术文件、XML模式（scheme）和说明文件。该规范规定了IEC61131-3全部五种编程语言的交换格式；类似于建模工具那样，规定与图形和逻辑信息的生成程序的接口；类似于文件生成程序和管理程序以及版本管理那样，规定与图形和逻辑信息的使用程序的接口；还规定了功能块库的分配格式（distribution format）。图5以直观的方式来表达如何实现不同开发工具之间的数据交换。
图5 运用XML处理不同软件的数据交换
我们知道，XML的特性是其结构和内容可以与它们的表达方式分隔开来，这样同一个XML源文件可被再写一次，用多种形式（如显示在一个计算机显示器上，显示在手机的显示屏内，在一个设备上转换为声音以方便盲人，等等）来表达。XML的优点在于：它的可扩展性，可以通过它提供的scheme来检查所包含数据的一致性，以及不同的scheme都能提供一种检查它们之间的不兼容性。
在涉及整个项目的范围内，有许多信息需要以XML的格式存贮。由于并不知道接下去会有哪些软件工具用到这些信息，所以必须输出随后可能会用到的相关信息，包括文本化编程语言IL和ST，图形化编程语言LD和FBD，结构性语言SFC，图形信息（如形状、位置和连接路径等），注释，程序组织单元和函数、功能块、程序，数据类型、有关项目的信息（分层结构），变换信息，以及信息提供方的特定信息等。这就是说，输出文件以XML的格式包罗了各种各样的信息。而在这些信息的使用方这一侧，必须在信息输入时用语法分析功能来选择所要信息，并检查这些数据的一致性。不同的软件工具可能采用不同的模式，但将该模式与XML模式组合起来，便可提供检查不兼容的可能性，而且更容易取得相关的信息。这明显反映了XML模式的好处。
利用XML可在软件集成方面做很多事情。这里列举两个实例。第一个实例是在通用建模语言UML和IEC61131-3编程语言之间交换数据（见图6），这是德国Kassel大学的研究工作，有兴趣的读者可进一步访问www.es.eecs.uni-kassel.de网站。另一个实例是由欧洲University of the Basque Courtry 的FLEXICON项目(IST-2001-37269)IPMCS项目。为了在工业过程测量和控制系统设计时强调不同软件工具的集成，设计成果的复用、提高灵活性和实现设计优化，通过XML将相关的软件工具予以集成（图7），以支持在设计、组态和管理等不同阶段的开发过程。
图6 利用XML完成UML和IEC61131-3编程语言之间交换数据
图7 在设计、组态和管理三个阶段的工作通过XML进行完整耦合
4.6 实现PLC软件功能安全的基础工作
工业控制行业中，近年来功能安全倍受关注和重视。特别是涉及安全的控制装置已由硬接线发展为可编程，再进一步发展到应用安全型现场总线，因而涉及安全的环节包括：硬件、通信、基础软件（嵌入式操作系统、固件等）和应用软件。在安全方面，PLCopen涉及的工作界定为PLC编程语言的功能安全（参见图8）。PLCopen的成员与专业从事安全的机构TüV一起定义了在IEC 61131-3的开发环境下涉及安全的规范。这必须由集成在IEC 61131-3的软件开发平台上的安全专用软件工具支持。
图8 PLCopen定义的IEC 61131-3的编程系统的功能安全
对软件安全应用的基本要求是：区别安全与非安全的功能性；采用可以应用的编程语言和语言子集；采用经过验证的软件模块；采用可资应用的编程导则；为保证与安全相关软件的生命周期，采用公认的可排减出错的措施。具体地说，安全功能性实现的标准化包括：定义与安全相关的函数集和功能块集；在编程环境中的支持，包括编程语言（LD、FBD）和功能性（安全数据类型和说明等）；出错处理和诊断等。
为了适应功能安全对软件的要求，必须先从软件的开发环境的精简，即从精简数据类型、精简其功能性和精简编程语言这三个方面着手，而从编程导则上考虑分为用户级和专家级。所谓基本级就是指使用规定功能块的安全应用的程序员；而专家级则指具有对规定功能块进行扩展能力，并被授权作功能性扩展的专家。在数据类型方面，用户级和专家级的数据类型有：SAFEBOOL（安全布尔量）、BOOL（布尔量）、INT（整型数）、DINT（双精度整型数）、REAL（实型数）、WORD（字）、TIME（时间）；用户级和专家级的数据声明有VAR、VAR_INPUT、VAR_OUTPUT、CONSTANT。在标准函数方面，用户级有AND、OR，专家级有AND、OR、XOR、NOT、ADD、MUL、SUB、DIV、GT、GE、EQ、LE、LT、NE、选择函数、类型转换函数和时间函数；在标准功能块方面，用户级有TON、TOF、TP、CTU、CTD、CTUD，专家级除上述用户级的功能块外，还有双稳态FB（SR、RS）、脉冲沿检测。另外，还规定为了达到模块化的目的而定义用户功能块时，只能使用用户级的子集。至于编程语言的精简与IEC61508和IEC 61511一致，推荐的语言是图形化语言：功能块图语言FBD和梯形图语言LD。
为保证安全应用所定义的安全功能块是：模式选择，紧停，1类安全停和2类安全停，安全限速，安全保护监控，有锁定的安全保护联锁，电子敏感保护设备，II型和III型双手控制，可测试的安全传感器，顺序抑制、并行抑制和带双传感器的并行抑制，外器件监控，有效开关，安全请求，输出控制，等效和反效（antivalent）。
5 全集成架构
5.1 建立统一的工程平台，改善PLC的控制系统工程应用软环境
当今的自动化技术的发展，要求一揽子解决自动化控制和生产管理、执行等信息系统的全集成解决方案，甚至包括从设计阶段开始所涉及到的各种工程问题，如总体规划、详细设计、系统仿真、调试投运、运行维护等各个方面。在这种趋势下，世界级的控制系统供应商纷纷推出的全集成架构，如Schneider的Transparent Ready，Siemens的Total Integrated Automation（TIA），Rockwell Automation的Intergrated Architeture，Mitsubishi的e-Factory，ABB的Industrial IT。这些自动化公司所推出的全集成自动化架构虽然各有不同，但在以下各方面还是一致的，即：强调企业信息和控制系统的集成，即自动化控制系统—制造（或生产）执行系统—业务管理系统（企业资源规划）的集成；强调为工程设计（工艺设计、设备设计、自动化设计）、调试投运、运行操作、资产管理和优化、维护等各环节提供统一平台；强调控制层、执行层和管理层不同网络的无缝连接和提供信息数据的高效交换。我们这里只探讨建立统一的工程平台，改善PLC的控制系统工程应用软环境的问题。
5.2 案例—罗克韦尔集成架构
以罗克韦尔集成架构提供的公用的控制环境和工程支持环境为例（见图9）。
图9 罗克韦尔集成架构提供的公用的控制环境和工程支持环境
针对过去存在的体系架构集成的缺陷，2004年罗克韦尔在整合了已建立的Logix 控制平台和FactoryTalk生产软件的基础上，构建了其集成架构。它有以下特点：
（1）从全局的观念对整个工厂流程所牵涉的各个环节，通过单一而又统一的平台来进行工程设计和组态、可视化、控制、生产管理和调度、资产设备管理。具有良好的可扩展能力，可满足小规模的单元控制、中规模的区域控制和大规模的全厂控制的各种要求。它在公共的工程环境、统一的通信框架、建立在工业标准的基础之上等几个关键的特征方面达到了ARC所倡导的CPAS模型的要求。
（2）罗克韦尔的全厂信息软件和MES系统按照面向服务的架构，把其所有的软件产品纳入单一的集成套件—FactoryTalk集成生产和绩效套件。 FactoryTalk的策略是通过提供全厂的信息套件来扩展和提升集成架构，并通过使用基于标准的数据模型达到不同层次软件间的互操作性和开放的互连性。FactoryTalk集成生产和绩效套件由6个基本功能软件组成：设计和组态，生产管理，数据管理，绩效和可视化，质量和法规符合，资产设备管理。罗克韦尔的集成架构通过将FactoryTalk生产平台和Logix多专业控制平台的无缝连接，保证实现端对端生产控制和信息的使用。
（3）集成架构的设计和组态就是在一个集成的环境中创建工程项目、建模和编程。这里，编程的广义理解应包括允许用户开发设备的控制程序模块和选用已有的具有可重复使用的程序模块，确定选用产品并生成订货单，控制流程开发、仿真和投运。集成架构的组态环境包括过程控制、运动控制、离散控制和传动应用。它支持IEC61131-3编程语言，其功能块可调用梯形图、SFC、结构化文本等编写的程序；在编程时能直接运用实名标记，无须通过交叉参考列表进行标记名与物理地址的转换。用户在工程组态时只要定义一次，以后在通信组态、HMI组态，以至于建立维护、资产设备管理等应用组态时都使用统一的实名标记。
（4）采用支持IEC61131-3编程语言的编程系统，解决连续过程控制、离散事件和状态控制的编程。
现今许多基于IEC61131-3的编程系统可以把逻辑和顺序控制、运动控制、过程控制和传动控制等的编程纳入一个体系中，同时还将SCADA和人机界面软件的设计功能、程序的调试和仿真功能也包容进来。基于IEC61131-3的编程系统，如IsaGraf、MULTIPROG、openPCS和CoDeSys等的新版本都可以提供上述的多种功能。另外，施耐德电气推出的新一代自动化平台Unity可以方便地集成所有的Modicon系列PLC自动化产品，以及变频器、人机界面、上位软件、分布式I/O、运动控制和安全控制等产品，并且通过协同自动化合作伙伴计划（Collaborative Automation Partner Program，CAPP）把第三方厂商的软件和硬件无缝的集成到Unity中，给用户提供最优化的解决方案。
图10 基于IEC 61131-3国际标准的编程系统支持各类控制的编程
6 结束语
总的说来，PLC软件的发展必定延续已经确定的方向发展，即围绕自动化集成体系架构的要求发展，为完善和提高统一的工程设计组态平台做好广泛的基础性工作。例如PLCopen已经开发了机械功能安全的编程语言规范，有必要继续开发为过程功能安全服务的编程语言规范，并争取成为IEC的国际标准。鉴于自动化集成体系架构强调与第三方的硬件和软件的无缝连接，开发为工控程序在不同硬件平台间的移植的环境和方法，并迅速使其实用化，也提到了工作日程。今后要设法把目前在成本上只适合中大型工程运用的统一工程设计组态平台适当简化，让PLC在软件方面的进步普惠到小型PLC系统的开发。
