IEC61499功能塊

1990年，IEC TC65（國際電工協(xié)會第65技術(shù)委員會）收到一個將分布式工業(yè)過程測量與控制系統(tǒng)中的軟件模塊（稱“功能塊”）某些方面標準化的建議，其中特別強調(diào)了使用IEC 61158現(xiàn)場總線標準的IPMCS。功能塊同時也是可編程控制器使用的編程語言標準IEC 61131-3的基本組成部分之一，因此TC65決定制定功能塊的通用模型，這就是IEC 61499標準的由來。

IEC 61499標準是隨著系統(tǒng)控制功能分散化、智能化的要求出現(xiàn)的。利用現(xiàn)場總線設(shè)備、智能儀器和傳感器構(gòu)造的大型復雜控制系統(tǒng)，控制功能可物理分散在許多設(shè)備中，不同設(shè)備中的軟件通過通訊網(wǎng)絡(luò)互連起來。利用IEC 61499標準，由功能塊實現(xiàn)這些軟件單元，并根據(jù)標準規(guī)定進行功能塊互連，可實現(xiàn)分布式系統(tǒng)的控制功能。例如，智能壓力傳感器可定義成一個內(nèi)嵌的模擬輸入AI功能塊，它提供一組已定義的輸入和輸出，比如實際測量壓力值、傳感器標定值和錯誤狀態(tài)。利用IEC 61499標準，這些輸入和輸出可連接到其他功能塊的輸入和輸出，例如壓力傳感器錯誤狀態(tài)就可連接到一個驅(qū)動報警顯示的功能塊，而所有這些功能塊分散在一個分布式系統(tǒng)的不同設(shè)備中。這種方法為控制系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供了高度靈活性。

IEC 61499功能塊能實現(xiàn)這種完全的分布式IPMCS，其關(guān)鍵在于采用軟件組件（software component）技術(shù)設(shè)計功能塊。組件是獨立于特定程序設(shè)計語言和應用系統(tǒng)、可重用和自包含的軟件成分。組件技術(shù)是基于面向?qū)ο蟮?、支持拖放（drog and drop）和即插即用（plug and play）的軟件開發(fā)概念。基于組件技術(shù)的開發(fā)方法，具有開放型、易升級、易維護等優(yōu)點。主要有CORBA、COM和JavaBeans[2]三種組件技術(shù)規(guī)范，具體實現(xiàn)時可自由選擇。IEC 61499功能塊是健壯的、可重用的軟件組件，一個功能塊提供對特定問題的解決方法，例如對閥的控制，或控制工廠的主體單元（如整條生產(chǎn)線）。系統(tǒng)設(shè)計者構(gòu)建分布式控制系統(tǒng)時，根據(jù)控制功能需要選擇特定功能塊，并按照IEC 61499標準將它們進行軟件互連，設(shè)計靈活，且系統(tǒng)可伸縮、可變形?？深A見將來的工業(yè)控制器和儀表可把功能塊作為設(shè)備固件的一部分，或從功能塊庫里選擇下載，而系統(tǒng)設(shè)計將成為功能塊選擇、組態(tài)和互連的簡單工作。

IEC 61499標準分為體系結(jié)構(gòu)、軟件工具要求、應用規(guī)則和符合行規(guī)規(guī)則四部分。標準定義了一個通用體系結(jié)構(gòu)，并制定了功能塊在分布式IPMCS中的應用規(guī)則。標準內(nèi)容包括：各種參考模型，如系統(tǒng)模型、設(shè)備模型、功能塊模型、管理模型等；IPMCS中功能塊的聲明規(guī)則、行為規(guī)則、應用規(guī)則；管理應用、資源和設(shè)備時功能塊的使用規(guī)則；設(shè)計、實現(xiàn)、操作和維護分布式IPMCS的工程支持。此體系結(jié)構(gòu)以參考模型、文本語法和圖形表示為基礎(chǔ)，利用它們可以實現(xiàn)以下工程任務：功能塊類型的規(guī)范和標準化；系統(tǒng)功能和元素的標準化；分布式IPMCS的規(guī)范化、分析和驗證；分布式IPMCS的構(gòu)造、實現(xiàn)、操作和維護；實現(xiàn)以上功能的軟件工具間信息交互。

1．2 IEC 61499體系結(jié)構(gòu)

依照IEC 61499構(gòu)建的系統(tǒng)從下到上層次結(jié)構(gòu)為功能塊、資源、設(shè)備和系統(tǒng)。功能塊是系統(tǒng)基本單元，資源是功能塊的容器，設(shè)備包含單條或多條資源，而設(shè)備的互連形成分布式系統(tǒng)。

1．2．1 功能塊（Function Block）

IEC 61499中，軟件封裝和重用的基本單元是功能塊。功能塊是一個軟件功能單元，它由一個由其類型決定的專有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和相關(guān)操作組成[3]。IEC 61499功能塊按功能分為基本功能塊、復合功能塊、服務接口功能塊（通訊功能塊和管理功能塊）和適配器（插件和插座）?；竟δ軌K由事件輸入和輸出、數(shù)據(jù)輸入和輸出、執(zhí)行控制表ECC、算法和內(nèi)部數(shù)據(jù)組成，如圖1所示。執(zhí)行控制表是一個事件驅(qū)動的狀態(tài)機，它決定狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律、狀態(tài)機當前狀態(tài)與輸入事件的關(guān)系、執(zhí)行算法與進入新狀態(tài)時發(fā)出事件的關(guān)系。算法決定功能塊的功能特性。特定事件發(fā)生時，其變化反映在相應的事件輸入上，它驅(qū)動相應算法執(zhí)行，算法讀取輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)產(chǎn)生內(nèi)部數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)的新值，最后發(fā)出一個事件并把它輸出到事件輸出上。

功能塊的最大特征在于其封裝性，具有黑盒子特性。對于功能塊外部來說，算法、執(zhí)行控制表和內(nèi)部數(shù)據(jù)都是不可見的，而且使用功能塊時一般只需知道其外部接口，如圖2所示。

功能塊MECH_CTL里包括事件輸入START、SENSE、ESTOP和事件輸出CMD，以及數(shù)據(jù)輸入SINGLE、HOME、END和數(shù)據(jù)輸出FWD、REV。其中EVENT表示相應外部接口是事件輸入或輸出，BOOL則表示相應外部接口是數(shù)據(jù)輸入或輸出，且為布爾類型。事件接口和數(shù)據(jù)接口之間的垂直線連接，如圖2中事件輸入SENSE與數(shù)據(jù)輸入HOME和END相關(guān)聯(lián)，表示SENSE事件到來時，功能塊將對HOME和END進行采樣。

IEC61499定義了描述功能塊的通用模型和方法，以圖形和文本兩種方式表示。為使功能塊定義易于保存和移植，采用可擴展標記語言XML[4]定義系統(tǒng)、設(shè)備、資源和功能塊，這樣有可能在Internet上傳播功能塊的定義，并利用web瀏覽器查看它。

1．2．2 資源（Resource）

資源是包含在設(shè)備里的一個功能單元。在一個設(shè)備里可以在不影響其他資源的情況下對一條資源執(zhí)行創(chuàng)建、構(gòu)造、參數(shù)化、啟動、刪除操作。資源的功能，是接收來自過程和通訊接口的數(shù)據(jù)和事件、處理這些數(shù)據(jù)和事件，并給過程和通訊接口返回數(shù)據(jù)和事件。一條資源包括一個本地應用（或分布式應用的本地部分）、過程映射、通訊映射和調(diào)度函數(shù)。將服務接口功能塊SIFB和基本、復合功能塊聯(lián)合使用形成資源以提供一個分布式控制應用的本地部分如圖3所示。

1．2．3 設(shè)備（Device）

設(shè)備是多條資源的容器，并提供這些資源與通訊網(wǎng)絡(luò)、傳感器和執(zhí)行器之間的接口。這些接口提供的服務由支持分布式應用的專用資源中的SIFB完成。通訊網(wǎng)絡(luò)把各分散設(shè)備集成為一個完整的系統(tǒng)。這樣，分布在不同物理設(shè)備中的功能塊形成了一個真正的分布式應用，如圖4所示。

1.3 功能塊的優(yōu)勢

功能塊由使用軟件組件中獲得很多優(yōu)勢[5]：

（1）功能塊反映了現(xiàn)實世界。設(shè)計一個應用時，一個功能塊表示控制系統(tǒng)設(shè)計中的一個功能實體，各功能塊實體組合成控制系統(tǒng)。

（2）功能塊是穩(wěn)定的。功能塊是已經(jīng)證明有效的軟件單元，一般不會有大變動，用戶可在不同應用中使用同一功能塊。功能塊封裝的算法，在不同控制系統(tǒng)設(shè)計中可不做任何修改直接使用。

（3）功能塊降低復雜性。用戶可使用一個功能塊而不用關(guān)心它內(nèi)部如何工作，因為功能塊可隱藏其內(nèi)部算法的復雜性，開發(fā)一個應用只需創(chuàng)建并連接多個功能塊。

（4）功能塊可重用。驗證有效的功能塊可隨庫發(fā)布，因此可被其他開發(fā)者使用。

功能塊的以上優(yōu)點給系統(tǒng)設(shè)計者和最終用戶帶來以下益處：

（1）利用功能塊開發(fā)應用可大大減少控制軟件的數(shù)量。

（2）開發(fā)控制系統(tǒng)的時間縮短。

（3）使用相同功能塊的系統(tǒng)具有一致行為。

（4）已證明有效的設(shè)計方案可重復使用

2． 基于功能塊的系統(tǒng)設(shè)計模式

在IEC 61499體系架構(gòu)下，常用設(shè)計模式有三種[6]：分布式應用、代理和MVC。

2．1 分布式應用

利用此模式設(shè)計控制系統(tǒng)，首先根據(jù)所實現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能要求用功能塊原始連接圖定義此分布式應用，其中每個功能塊對應相應的控制功能。接著選擇適當?shù)陌@些核心功能塊的資源，并根據(jù)實現(xiàn)需要把資源包含在不同設(shè)備里。然后將應用中的功能塊映射到相應資源中的相應功能塊。最后利用通訊服務接口功能塊實現(xiàn)不同資源和設(shè)備中的功能塊之間事件和數(shù)據(jù)的互連，以達到分布式應用的信息流通訊要求。

2．2 代理（proxy）

代理模式通過建立一個遠程服務器的本地代理而把客戶與服務器分離。當客戶要求服務器提供服務時，它詢問本地代理。于是代理向原始服務器發(fā)出服務請求。IEC 61499環(huán)境下這種模式的一種使用方法是利用SIFB為那些不兼容IEC 61499標準的設(shè)備提供代理。

2．3 MVC（Model/View/Controller）

IEC 61499環(huán)境下一般使用改進MVC模式進行IPMCS的建模、仿真和測試。在此模式下，Model、View和Controller都是IEC 61499基本功能塊。Model塊表示受控系統(tǒng)或設(shè)備的行為，View塊表示與一個或多個Model塊關(guān)聯(lián)的圖形顯示，Controller塊封裝對一個或多個Model塊執(zhí)行的控制功能，并提供與其他Controller塊集成所需的事件和數(shù)據(jù)接口。同時，設(shè)備與用戶互作用由人機互作用HMI元素表示，它也是一個功能塊。

3．系統(tǒng)設(shè)計和仿真實例

利用FBDT（FB Developer Kit）構(gòu)造的應用DRILL_MVCL完成鉆孔機的控制和監(jiān)視功能。系統(tǒng)由MODEL、VIEW、CONTROL和HMI四個設(shè)備組成，分別完成MVC模式下Model, View和Controller的功能，而HMI則處理人機互作用。

LL資源里的功能塊網(wǎng)絡(luò)

每個設(shè)備中包含多條資源。以CONTROL設(shè)備為例，它含LOAD、SUPPLY、DRILL、UNLOAD和TAKEOFF資源。LOAD資源控制工件的裝載，SUPPLY資源控制將工件通過傳送帶傳送至鉆孔機下，DRILL則控制鉆孔機對工件鉆孔，UNLOAD將鉆過孔的工件從鉆孔機處卸載，TAKEOFF則把工件從流程上取出。

資源功能的實現(xiàn)依賴于其內(nèi)部功能塊集合。以CONTROL設(shè)備中的DRILL資源為例，它包含START，DRILL_SENSE，SLIDE_SENSE，CTL，SLIDE_ACT和SLIDE_SENSE功能塊。START是啟動功能塊，完成資源的初始化功能，由事件連接可知，START發(fā)出COLD冷啟動事件，導致DRILL_SENSE塊的INIT事件發(fā)生，它初始化后發(fā)出INI0事件，并依次導致SLIDE_SENSE、SLIDE_ACT和DRILL_ACT初始化。DRILL_SENSE和SLIDE_SENSE是SUBSCRIBER預定功能塊，它們從上游資源的PUBLISHER發(fā)布功能塊中獲取事件和數(shù)據(jù)；SLIDE_ACT和DRILL_ACT是發(fā)布功能塊，它們與下游資源中的預定功能塊連接并把所需的事件和數(shù)據(jù)傳送過去。這四個塊都是通訊服務接口功能塊CSFIB，它們的作用在于形成此分布式應用中指明的事件和數(shù)據(jù)流，完全服務于核心塊CTL。CTL塊完成滑片和鉆頭的控制功能。例如，DSENSE事件到來時，CTL采樣DHOME、DEND和DSPIN數(shù)據(jù)接口上的值，算法執(zhí)行后輸出ACT事件，并由DRILL_ACT發(fā)布出去，控制鉆頭鉆孔。

利用運行環(huán)境，在DRILL_MVCL系統(tǒng)的仿真結(jié)果圖中，HMI視圖表示相應變量的當前狀態(tài)，用橙、白燈代表，并可進行相應控制。VIEW視圖是鉆孔流程的模擬視圖，圖中顯示一個在傳送帶上傳送的未鉆孔工件和滑片上的已鉆孔工件。2100433B

The Standard

The IEC 61499 Standard defines an open architecture for the next generation of distributed control and automation.

This architecture represents a light-weight component solution that provides essential features such as encapsulation of semantics from a particular platform, portability, reconfiguration and a holistic view on distributed applications. As the standard is designed for the development of distributed systems, it further supports features like reusability and interoperability.

The IEC 61499 Standard provides a generic model for distributed systems. This model includes processes and communication networks as an environment for embedded devices, resources and applications.

Applications are built by networks of Function Blocks. The Function Block is the elementary model of the IEC 61499 Standard. A Function Block generally provides an Interface for Event I/O’s and Data I/O’s.

There are two types of Function Blocks. Basic Function Blocks on the one hand and Composite Function Blocks on the other. A Composite Function Block can contain other Composite Function Blocks and/or Basic Function Blocks. Thus, Composite Function Blocks enable modular design methodologies.

Basic Function Blocks include event-driven Execution Control Charts (abbr. ECC), which are similar to state machines. The elements of the ECC are states and event-triggered transitions. An ECC can trigger the execution of Algorithms by the occurrence of events.

An executed algorithm produces new output data from the input data. When the algorithm has finished, an output event is generated. But Output events can also be emitted without the execution of algorithms. Output events might be the input events for other Function Blocks.

IEC 61499 provides:

Generic modeling approach for distributed control applications

Function Block concept

Separation of data and event flow