第10章OPC技术和IEC61131-3
IEC61131-3工控编程语言国际标准及其应用
摘要针对当前控制系统编程语言的流行趋势，从基本编程元素和编程语言两个方面详细介绍了标准IEC61131-3的内容。
并且以浙大中自SunyTech工业控制应用软件平台为背景，对标准具体内容的应用作了针对性的阐述，充分展现了IEC61131-3标准在控制系统软件编程中的作用。
关键词IEC61131-3；软件模型；编程语言；工控编程软件；PLC；控制系统1 引言IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)61131-3是第一个为工业自动化控制系统的软件设计提供标准化编程语言的国际标准。
该标准将现代软件的概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功地结合，又对各种工业控制系统的编程语言、软件设计的概念和软件模型等进行了标准化，适应了当今世界软件、工业控制系统的发展方向，是一种非常先进的设计技术。
２标准的主要内容[1][2]IEC61131-3将标准分为两个部分：公共元素和编程语言。
IEC61131-3标准的层次和结构如图1所示。
图1IEC61131-3标准的结构图公共元素部分规范了数据类型、变量的定义，给出了软件模型，并引入配置(Configuration)、资源(Resources)、任务(Tasks)和程序(Program)的概念、程序组织单元POU(PorgramOrganizitionUnit)和顺序功能图SFC(SequentialFunctionChart)等。
IEC61131-3标准共规定了4种编程语言，其中两种图形化语言，两种文本化语言。
图形化语言有梯形图LD(LadderDiagram)，功能块图FBD(FunctionBlockDiagram)；文本化语言有指令表IL(InstructionList)和结构文本ST(StructuredText)。
2.1 基本编程概念和公共元素1)软件模型IEC61131-3标准的软件模型如图2所示。
5IEC61131-3编程标准解析
IEC61131-3编程标准
编程语言
IL指令表指令列表
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IEC61131-3编程标准
编程语言
IL指令表修饰符
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IEC61131-3编程标准
介绍及特点
• 支持安全和高质量编程设计 • 轻松和舒适的结构 • 数据类型避免了编程错误
• 对每个问题提供了最佳编程语言 • 一致的 6 种编程语言规范 • 文本和图形语言 • 高级语言的可用性 • 不同语言混合编程
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IEC61131-3编程标准
变量说明
注释 • 注释语用 (* 和 *) 框住 • 可将注释语放在任何地方, 但不能插在语句中 • 注释语允许几行表示 • 注释语不允许嵌套
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IEC61131-3编程标准
主要特性
数据结构
• 用户定义数据元素 • 包含不同的基本的或用户定义的数据元素 • 通过自己的POU传递数据结构
灵活的语言选择
• 两种文本语言（IL,ST） • 三种图形语言 (FBD，LD，SFC) • 针对问题选择适当的语言 独立于供应商
• 服从 IEC 61131-3标准 • 基本层鉴定 (PLCopen) • 输入/输出接口
支持一维、二维和三维数组的成员数据类型。数组可在POU的声明部分和全局变量 表中定义。
数组初始化示例： arr1 : ARRAY [1..5] OF INT := 1,2,3,4,5; arr2 : ARRAY [1..2,3..4] OF INT := 1,3(7); (* 等同 1,7,7,7 *) arr3 : ARRAY [1..2,2..3,3..4] OF INT := 2(0),4(4),2,3; (* 等同0,0,4,4,4,4,2,3 *) 指针
IEC 61131-3编程手册(3)
IEC 61131-3编程手册(3)1.1.3 软件模型到实际系统的映射IEC 软件模型到实际系统的映射，针对不同的系统有如下的不同的映射关系：1 具有一个主处理器的小型系统：小型系统的模型典型地退化为一个配置、一个资源和一条程序。
2 具有多处理器的较复杂系统：整个PLC被看作一个配置，每个处理器用一个资源描述，一个资源支持一条或多条程序。
3 对于分散PLC 系统：分散PLC 系统将包含多个配置，一个配置对应多个处理器，每个处理器用一个资源描述，一个资源支持一条或多条程序。
IEC 软件模型可以充分地适应于从简单到较复杂PLC系统，甚至是非常复杂的PLC系统，这就大大地扩展了传统PLC的应用范围和领域。
1.1.4 IEC 软件模型的优点IEC 软件模型具有如下优点：1．在一台PLC中同时装载、启动和执行多个独立的程序：IEC 61131-3标准允许一个“配置”内有多个“资源”，每个“资源”能够支持多个程序，这使得在一台PLC中可以同时装载、启动和执行多个独立的程序，而传统的PLC程序只能同时运行一个程序。
2．实现对程序执行的完全控制能力：IEC 61131-3标准的这种“任务”机制，保证了PLC系统对程序执行的完全控制能力。
传统PLC 程序只能顺序扫描、执行程序，对某一段程序不能按用户的实际要求定时执行，而IEC 61131-3 程序允许程序的不同部分在不同的时间、以不同的比率并行执行，这大大地扩大了PLC的应用范围。
3．IEC软件模型能够适应很广范围的不同的PLC结构：IEC软件模型是一个国际标准的软件模型，它不是针对具体的PLC系统，而是具有很强的适用性。
4. IEC软件模型既能适合小型的PLC系统，也可适合较大的分散系统。
5. IEC软件支持程序组织单元的重用特性：软件的重用性是IEC软件的重要优点。
6. IEC软件支持分层设计:一个复杂的IEC软件通常可以通过一层层的分解，最终分解为可管理的程序单元。
工业电气自动化发展策略的探讨
工业电气自动化发展策略的探讨摘要:探讨工业电气自动化的发展策略,将会大幅度提高的工业生产效率,极大地增强企业核心竞争力。
关键词:工业电气自动化发展策略工业电气自动化是现代工业的核心技术,是工业现代化的物质基石和重要标志。
随着现代电子科学技术的飞速发展,承担第一线生产任务的现代自动化系统全部控制设备,已不是原有的电力传动(电子拖动)控制的概念,自动化、信息化、智能化和数字化的方式将会在各个工业领域得到广泛地关注和普及。
因而,探讨工业电气自动化的发展策略,将会大幅度提高的工业生产效率,极大地增强企业核心竞争力。
1 工业电气自动化的发展现状1.1 OPC技术OPC(OLE for process contro1)就是一个开放的工业标准的软件接口规范,它用于客户程序和服务器之问的通信,它的出现实现了不同现场设备与计算机应用程序之间的数据交换与共享,解决了在不同类型的现场总线以及不同厂家DCS之间实现系统互联等问题。
OPC以OLE(ActiveX)、COM＆DCOM、XMI及NET技术为基础,采用Client/Server(客户程序和服务器)的模式,定义了一组COM对象及其接口,用于客户程序和服务器之间的数据通信,建立了一套符合工业控制要求的通信接口规范,使控制软件可以高效稳定地对硬件设备进行数据存取操作。
同时采用OPC技术使系统构成更简单,现场设备与系统的连接更灵活、方便,易于实现系统的无缝连接。
1.2 IEC61131-3标准因为IEC61131-3标准的制定,才真正出现了一种开放式的可编程控制器的编程软件包。
IEC61131-3标准除了对工控编程语言的改造和发展产生直接的影响,起着指导规范的作用之外,它对PLC技术的发展也发挥了重要的指导作用。
它主要是通过提出的软件模型,为PLC技术的发展开创了前所未有的新路。
特别要强调的是,它为PLC的体系结构从单一的封闭系统提升为多CPU结构的开放式系统,奠定了理论基础。
IEC61131-3程序组织单元POU及其应用
IEC61131-3程序组织单元POU及其应用1.IEC61131-3标准随着微处理技术在性能上的不断提高以及在体积上的日趋小型化的发展，计算机在工业控制领域的应用也在不断推陈创新，原先的众多生产厂商的互不相同的硬件及配套软件也不断升级换代。
但是，最终用户希望使用与设备制造商无关的、统一标准的、高水平的工业控制软逻辑编程语言。
于是，一个统一的而又非常重要的国际标准IEC61131-3产生了。
IEC61131-3充分利用现代软件编程技术的最新概念与成果，创立了统一的、实用的、功能完善丰富的近乎完美的控制逻辑编程语言。
不论是在DCS(Distributed Control System) 应用领域，还是在PLC(Programmed Logical Controller)应用领域，IEC61131-3已经成为一个事实上的行业标准，国内的DCS、PLC 用户已经普遍接受此标准，并在实际工作中大量应用。
IEC61131-3做为工控领域的软逻辑编程的行业标准，大大地拉近了设备制造商与最终用户之间的距离，可有效节约编程语言的培训费用，尤其对逻辑越来越复杂、规模日趋庞大的工业控制工程项目组态的规范化实施，效果更为显著。
IEC61131-3本身是软逻辑编程灵活的指导性准则，而不仅仅是一套呆板的条文。
在IEC61131-3标准的指导下，各个制造商的软逻辑编程系统都将尽可能地遵循IEC61131-3所定义的大量详细的标准，但实际中往往不可能与所有的内容完全一致。
在此意义下，符合IEC61131-3标准的软逻辑编程系统之间都存在各种各样的诸如编程界面、灵活性、功能实现方案等等的差异，但都与标准所定义的各种概念、范畴和实现相一致。
1.1IEC61131-3起源IEC61131-3代表了数十个不同标准（IEC50、IEC559、IEC617-12、IEC617-13、IEC848、ISO/AFNOR、ISO/IEC646、ISO8601、ISO7185、ISO7498）的不断融合与发展。
工业控制编程语言标准IEC61131
重复执行某段代码直到满足特定条件为止。
函数与过程
函数
一段可重用的代码块，具有输入和输出参数。
过程
一段独立的代码块，可以包含输入和输出参数，但不返回结果。
04
IEC61131软件工具
编辑器
文本编辑器
用于编写和修改IEC61131程序代码 ，支持语法高亮和代码自动补全等功 能。
图形化编辑器
智能制造系统
智能制造系统是现代工业发展的重要趋势 ，而IEC61131标准则是实现智能制造系 统的重要技术基础。通过使用IEC61131 标准，可以实现智能制造系统的集成和互 操作性，提高生产效率和产品质量。
IEC61131标准支持多种通信协议和数 据交换格式，使得不同厂商的设备和 系统能够相互连接和协作，形成一个 统一的智能制造系统。
VS
实时监控
实时监测程序运行过程中的输入输出信号 、变量值和状态等，确保程序正确性。
集成开发环境（IDE）
代码管理
提供版本控制和团队协作功能，方便多人共 同开发和维护。
自动化构建
支持自动化构建和部署，提高开发效率。
插件扩展
支持第三方插件扩展，满足个性化开发需求。
05
IEC61131应用案例
自动化生产线控制
自动化生产线控制是IEC61131标准的重要应用领域之一。通 过使用符合该标准的编程语言，工程师可以更加高效地开发 自动化生产线控制程序，实现生产过程的自动化和智能化。
IEC61131标准支持多种编程语言，包括指令列表、结构化文 本、顺序功能图和功能块图等，这些语言使得工程师能够根 据具体需求选择最适合的编程方式，提高开发效率和程序的 可维护性。
未来展望
未来，IEC61131标准将继续发展， 以适应工业控制领域的新需求和 技术趋势，如物联网、人工智能 等。
PLC第11章 IEC61131-3
第一部分 通用信息 主要定义PLC的基本特性和概念，1992年发布。 第二部分 装置需求和测试 主要定义对装置的电气、机械方面的结构和功能要求，
以及相应的合格性测试的标准，1992年发布，现在还在修订中。 第三部分 编程语言 定义PLC的软件结构、编程语言和程序执行方式，它综合了世
✓ 技术报告3（IEC TR3-94）是“可编程序控制器编程语言应用和实现 的导则”，即上面的第八部分；
✓ 一个勘误是关于“对IEC61131-3进行技术勘误的建议”，在该勘误 中纠正了在标准公布后发现的存在于标准中的错误；
✓ 一个修订是关于“对IEC61131-3进行修订的建议”。
10.1 IEC61131-3概述
也就是说它进行的是“无记忆”的操作； 功能不可调用诸如定时器、计数器或边沿检测等功能块； 不允许在功能内使用全局变量；也不允许把局部变量说明成为
“保持”的； 使用FUN时必须保证数据类型设置正确；
10.3 标准功能及功能块
1. 标准功能
标准功能
数据类型转换功能； 函数功能； 算术功能； 位－串功能（移位和按位运算的布尔功能）； 选择和比较功能； 字符串功能； 用于时间数据类型的功能； 用于枚举数据类型的功能。
10.3 标准功能及功能块
1. 标准功能
功能的两个概念
多载 对某一个功能来说，如果其输入变量以类数据类型描述， 则称为多载（overload）。
✓ 当使用多载功能时，编程系统会自动选择合适的类型化功能。
可扩展 对一个标准功能来说，如果其输入变量的数量是可变的， 则称之为可扩展的（extensible）。
PLC基础及IEC61131标准-课件
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5.2、软件模型-传统PLC模型与标准模型对比
IEC标准的软件模型在传统的PLC软件模型的基础上增加以下内容。
1) IEC61131－3标准的软件模型是一种分层结构，每一层均隐含其下层的许多特性。
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5.2软件模型-传统PLC模型与标准模型对比
2) 将一个复杂的程序分解为若干个可以进行管理和控制的小单元， 这些小单元之间存在着清晰而规范的界面。
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5.1、IEC61131-3软件模型-任务
配置 资源
任务
程序
任务
程序
任务
任务
资源
任务
程序
任务
程序
任务
任务
访问路径
c)任务：在一个资源内可以定义一个或多个“任务”。
任务被配置后可以控制一组程序或功能块。这些程序或功能块可以周期 地执行，也可以由一个事件驱动来执行。
d)程序：一个IEC程序可以用符合IEC61131－3标准的编程语言来编写。典 型的IEC程序由许多互连的功能块或函数组成，每个功能块之间可以相互交 换数据。函数与功能块是基本的组成单元，其中包括一个数据结构和一种 算法。
PLC基础及IEC61131标准
智能本院控制器及系统开发所
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五、IEC61131-3标准介绍
• 5.1、IEC61131-3软件模型 • 5.2、传统PLC模型与标准模型对比 • 5.3、IEC61131-3编程语言 • 5.4、IEC61131-3标准特点 • 5.5、IEC61131-3标准意义
下图是IEC61131-3标准的控制编程过程。
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IEC61131-3_标准
IEC 61131-3 PLC 标准通用语言单元 （评论 ）
评论或程序的一部分用来帮助理解程序且是重要 的沟通方法。评论允许在任何位置以所有文本编辑 的形式而且必须以特殊的字母序列（*and*）开始和 结束。每一个网络段能对它的功能评论成一段文本。
IEC 61131-3 PLC 标准通用语言单元 （文字 ）
IEC 61131-3 PLC 标准通用语言单元 （ 标识符）
标识符用来寻址变量，功能，程序等，它们是一 些单元且能支持程序的可读性。
标识符是一个字母数字和下划线的序列，以一个 字母或下划线开始。 以下各项不可以做为标识符： a.空格和德文中的元音变音字母 b.以同一方式说明两次 c.用关键字做为标识符（参看4.2节）
IEC 61131-3 PLC 标准通用信息
该标准还提供一个测试基础，允许制造商和
客户都能评估，每一个编程系统符合IEC标准 的接近程度。 为了进一步证明兼容性，PLCopen国际组织， 进一步定义兼容性等级的测试，而这些测试是
由独立的机构进行的。
IEC 61131-3 PLC 标准软件模型
IEC 61131－3的软件模型描述了诸多概念， 包 括 组 态 （ configuration ） 。 资 源 （ resource ） . 任务 (task). 程序 (program). 功 能 块 （ function block ） 以 及 功 能 （function）和它们之间的连接。
IEC 61131-3 PLC 标准通用信息
我国根据 IEC 的标准制定的中华人民共和国可 编程序控制器（Programmable Controller）的 国家标准，标准号为GB/T15969.1－15969.4 ， 该标准于1995年底发布，从1996年10月1 日起开 始实施。
iec61131-3标准
iec61131-3标准
IEC61131-3是一个用于控制系统的国际电工委员会（IEC）标准，它定义了用于编程工业控制系统的语言和编程环境的国际标准。
该标准定义了5种编程语言：枚举、控制程序语言（语法类似于PLC）、结构化文本（类似于BASIC）、函数块（使用图片图标）和适当的标准程序库。
IEC61131-3还指定了编程环境的标准，包括文件结构和程序组织，编程任务管理，报警管理，数据管理，用户界面和编程语言的扩展。
IEC61131-3标准的主要目的是使控制系统开发的程序可以在不同的控制系统之间轻松移植，并且只需要一个编程环境就可以完成。
由于采用了国际标准，IEC61131-3标准的使用可以让技术人员在不同的制造商之间轻松转换。
此外，该标准还为程序信息的收集和分发提供了一致性。
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
2. OPC的接口和服务器
OPC的服务器类型
OPC数据访问（Data Access）服务器
是OPC中最基本的服务器,它提供对实时过程数据访问的标准接口,保证现场设备具 有开放性和标准的一致性。
OLE是基于组件对象模型(COM)设计的,它允许开发可在多个程序间相互操 作的可复用即插即用对象。 在OLE模型下,既可实现对象链接,也可把对象嵌入到文档中。 OLE广泛地应用在商业领域,实现了电子表格、字处理程序、财务软件包, 以及其他应用程序之间的数据共享和单独链接。 把OLE技术应用于工业控制过程中,实现了不同平台、不同软件和操作之 间的数据交换和信息共享 。
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
1. OPC技术简介
基本概念
OPC服务器不必知道其客户的来源,OPC客户可根据需要,接通或 断开与OPC服务器的连接。 只要各种现场设备等都具有标准的OPC接口,服务器通过这些标准 接口把数据传送出去,需要使用这些数据的客户也以标准的OPC读 写方式对OPC标准接口进行访问即可获得所需要的数据。 标准接口是保证开放式数据交换的关键,它使得一个OPC服务器可 以为多个客户提供数据;而一个客户也可以从多个OPC服务器获得 数据。 实现了工业过程数据交换的标准化和开放性
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
几种OPC中使用的微软技术
Active X是一个Microsoft的术语,它指的是一组包括控件、DLL和 Active X文档的组件,以前也叫做OLE控件或OCX控件,是一些软件组 件或对象,可以将其插入到WEB网页或其作平台上的不同厂商的不同 硬件和软件产品。
如何实现各平台之间、各设备之间和各软件之间的数据交换和信息 共享,如何实现整个工业企业网中数据的交互,就成为了急需解决的问 题。 OPC技术提供了一种最佳的解决方案,现在OPC技术已成为工业数据交 换的最有效的工具。
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OPC历史数据访问服务器（History Data Access）
在自动控制系统中,浏览和分析历史数据也是监控管理过程中的必要内容,OPC历史 数据访问服务器可以为客户提供有关的历史数据信息
OPC批量服务器（Batch Access）
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
几种OPC中使用的微软技术
COM/DCOM(Component Object Model/Distributed COM)是微软公司 提出的组件对象模型/分布式组件对象模型标准,它支持在局域网、 广域网甚至因特网上不同对象之间的通信。
COM/DCOM是基于客户机和服务器的模型,主要包括客户程序和组件程序。 进行功能请求调用的是客户程序,响应请求调用的是组件程序。组件程序 也可以作为客户程序去调用其他的组件程序,因此组件程序最终构成了一 个软件系统。可以为其他的软件提供信息访问通道 COM的最大特点就是采用接口来实现客户端和服务器之间的标准通信,其 设计目的是提高软件组件之间的互操作性,提高代码的可复用能力。 接口是COM对象与外部联系的约定,COM对象总是通过一个指针来访问COM 接口。 DCOM把COM的技术扩展到网络的远程对象,用于不同计算机之间传递信息, 可以使远客户端看起来就像在本地一样。
主要的技术是组件对象模型(COM),它通常是以动态链接库的形式存在,因 此必须在一个叫容器的独立执行软件中运行。这样的容器包括 Authorware,Delphi,Visual Basic,Visual C++,Internet Explorer和 Access等等。Active X控件数据输入和函数功能执行都必须通过容器,因 此Active X控件和容器都必须支持一些特定的接口协议。 Active X既包含服务器端技术,也包含客户端技术。其主要内容是: Active X控制 用于向Web页面、Microsoft Word等支持Active X的容器 (Container)中插入COM对象 Active X文档(Active X Document) 用于在Web浏览器或者其他支持 Active X的容器中浏览复合文档(非HTML文档),例如Microsoft Word文档、 Microsoft Excel文档或者用户自定义的文档等。 现场总线技术及应用教程 Copyright by Wang Yonghua 10
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
1. OPC技术简介
基本概念
一种工业数据交换的最有效的平台，是一套组件对象模型标准接 口,用在基于Windows操作平台的工业应用程序之间提供高效的信 息集成和数据交换功能。 基于微软的OLE/COM/DCOM技术为基础，采用客户/服务器模式 定义了一套适用于过程控制应用,支持过程数据访问、报警、事 件与历史数据访问等的功能接口 。 服务器是数据的供应方，负责为OPC的客户提供所需要的数据 客户是数据的使用方，可以对OPC服务器提供的数据按需要进行 处理
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
几种OPC中使用的微软技术
Active X
Active X技术内容: Active X脚本描述(Active X Scripting) 用于从客户端或者服务器端 操纵Active X控件和Java程序,传递数据,协调它们之间的操作。 Active X服务器框架(Active X Server Framework) 提供了一系列针对 Web服务器应用程序设计各方面的函数及其封装类,诸如服务器过滤器、 HTML数据流控制等。 Active X控件是一个模块化的灵活对象,如果某个应用程序或网页需要增 加一项特殊的功能,无须重写整个程序,只要灵活地插入一个具有此项功 能的Active X控件即可实现。 Active X的优势还在于它的动态可交互性,用户可以动态地在使用过程 中,通过改变它的属性和参数,在应用程序中实现自己的特殊要求。 :
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
1. OPC技术简介
问题的提出
OPC技术和IEC61131－3是最近10多年来工业自动化技术发展过程中的 两项最重要的技术成果。它们也是现场总线技术和工业以太网技术中实 现数据交互和标准化的重要支撑技术。 不同的现场总线技术、以太网技术之间的连接问题 互不兼容、数据无法交换 不同的组态软件之间的数据交换问题 底层设备驱动问题,不同的现场设备其驱动程序也不同 不同的现场设备的驱动、升级问题 现场设备进行改进或升级时,上位机中它们的相应驱动程序也必须改变, 有些特殊设备或新设备的驱动程序还需要这些组态软件公司的工程技术 人员专门编写,不然上位机就不能从底层设备中获取数据。
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
1. OPC技术简介
发展趋势和现状
OPC技术成功地解决了驱动程序重复开发的问题,使得不同硬件产 品的互换性和控制系统的互操作性得以提高和解决,另外也解决 了产品升级所带来的一系列问题，现在OPC技术在自动控制领域 的使用越来越广泛。 许多硬件中增加了OPC接口，给用户提供了信息访问通道 许多应用软件中增加了客户端功能，可以方便地获取不同的现场 设备中的数据和信息 一些监控应用软件同时也提供OPC服务器，可以为其他的软件提 供信息访问通道
OPC报警和事件服务器（Alarm & Event Access）
提供过程状态的信息。报警是系统或过程出现了非正常的情况;而事件是指系统或 过程状态的改变或某些预知情况的发生。该服务器的主要作用是对实时事件通知、 过程报警确认、事件浏览等。有时OPC报警和事件访问服务器是集成在数据服务器 中的,有时则采用专门的OPC报警和事件访问服务器。
本章内容
● OPC技术和 IEC61131-3
1. 2. 3. 4. 5. 6.
OPC技术 IEC61131-3概述 IEC61131-3编程基础 IEC61131-3的标准功能及功能块 IEC61131-3编程语言及使用举例 典型应用
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10.1 OPC技术
● OPC技术和 IEC61131-3
2. OPC的接口和服务器
OPC的标准接口
定制接口（Custom Interface）：基本接口, OPC服务器必须提供 自动化接口（Automation Interface） ：Optional 用C/C++等语言编写的OPC客户端程序可以任意访问这两种接口 用Excel、VB等高级语言编写的客户端程序只能访问自动化接口。 这些接口的体现形式是许许多多的可调用函数,数据正是通过它 们交给客户使用的。