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摘要： PLC的研制及IEC61131的推广让工业制造业进入了一场以接近软件编程的形式将面向机器的复杂操作指令转化成自动化执行的程序的工业革命，使得流水线作业的可靠性以及工作效率更高。在高校教学中，计算机相关专业在学习此编程标准具有明显优势，因而一套面向行之有效的課程设计成为了迫切的需要。该文提出了一个面向计算机专业的工业软件国际编程标准的课程设计，从客观上解决了工业软件编程中来自不同领域和平台之间技术对接及编程技术在授课过程中的难题。
关键词：IEC61131；工业软件编程；课程设计
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）26-0220-02
1 工业编程概述
在过去，电气控制线路由大量的继电器作为主要元件组成，以实现生产过程的自动化控制，然而这些由继电器构成的庞大且复杂的控制系统往往需要大量的导线连接，需要大型机柜组装，并且占据大量的空间，电力消耗和维护成本较高，重构难度极大，无法适应现代工业生产过程中的复杂状况[1]。1968年，美国的通用汽车公司提出了一系列如编程简单、可靠性强、维护简便等的技术指标，旨在通过新型的通用控制器对其汽车生产设备进行控制，解决装配流水线上各组装流程控制线路的问题[2]。1969年，世界上第一台可编程控制器（简称PLC）研制成功，后来被广泛应用于各工业流水生产线[3]。到了20世纪70年代，PLC中开始使用大规模集成电路（LSI）以及微处理器，具备逻辑控制、计数及计时控制、算术运算、数据处理等功能，能够处理分支、中断、自诊断等。然而时至今日，PLC虽然依然是生产控制系统的重要组成部分，但在世界性贸易快速发展的今天，PLC高度的可靠性、复杂的功能设计、成本压力等都是工业制造中急需解决的问题。
越来越多的制造商意识到标准化的软件开发平台、详细的需求分析、完善的软件设计、周全的测试环境是现代工业软件编程所必须具备的条件，统一的PLC编程技术标准、硬件无关的软件体系、简单便捷的开发环境均是亟待解决的难题。
2 IEC 61131-3标准及应用
早在1993年， PLC的国际标准IEC 61131制定实施，其中的IEC 61131-3是关于面向PLC的编程语言的标准，定义了PLC上进行编程的语言特征及规范[4]。这一标准二十多年来得到广泛推广，已经成为了当之无愧的行业标准，对整个工业体系有着极其重要的意义。IEC 61131-3的制定，汇集了多个工业制造业发达国家无数从业专家和相关领域学者的智慧以及数十年在工控方面的经验[5]。该标准允许多种编程语言同时应用于同一PLC中，开发人员同时也可以自由选择最恰当或最熟悉的编程语言进行开发，还甚至在同一个程序中使用各不相同的编程语言完成不同功能模块的编写任务[6]。这一特性解决了PLC发展历史上由于不同厂商不同技术导致的多种编程语言混合使用造成的兼容性难题，同时为全自动智能化生产提供了广阔的发展空间。PLCopen是一个1992年成立于荷兰的国际技术组织，一直持续关注如何提高工业编程的方法、效率及规范等业界难题。 2005年9月以来，PLCopen根据各国的工业发展水平，有针对性对企业进行技术支持和指导，使IEC 61131-3国际标准得以被广泛的推广。这一措施具有如下优点：
1） 减少资源在技术人员的培训、调试、维护和咨询方面的浪费；
2） 着眼于解决控制中的问题，提高工业软件的可复用性；
3） 统一的编程标准减少了开发过程中的错误；
4） 通用性的编程技术可大规模推广；
5） 减少不同厂商之间在不同组件之间的对接时间成本。
3 课程设计
3.1 教学需求及目标
在工业制造技术日益先进的今天，中国的制造业要想完成从“中国制造”到“中国智造”的转变，增加工业附加值，就必须在全国范围进行信息化人才的培养，用更为先进的技术适应新一轮的工业变革。职业院校作为技术型人才的重要培养基地，更应该走在技术变革和职业教育改革的前列，以先进技术为基础、先进的教学理念为向导，积极参与到面向工业4.0的变革中去。由于工业软件编程同样属于软件编程的范畴，且计算机专业的基础学习科目包含了基本的程序设计原理及基础实践，而工业软件编程往往需要拥有扎实功底及对软件设计有较好理解能力，因而面向计算机专业开设关于工业软件编程的课程是符合行业发展的实际需要的。
教学目标为针对计算机软件类专业学生设计一门工业软件编程课程，并以IEC61131-3编程标准的知识点要求为依据，设计计算机硬件原理、电气工程原理、控制工程原理等多专业融合的理论知识模块，面向工业4.0应用场景设计项目化教学案例，融入“教、学、做”为一体的教学方法，形成有鲜明特色的一门工业4.0专业方向的必修课或计算机类的专业选修课。
3.2 教学内容
1） PLC构成
PLC由软件系统和硬件系统构成，其中硬件系统组成部件包括处理器、存储器、通讯接口、以及输入输出接口，而存储器又可分为系统存储器和用户存储器，输入输出接口可分为输入单元和输出单元，而软件系统包含用户程序和系统监控程序。其中用户程序即开发人员根据IEC61131-3中对编程语言的定义标准编写的执行程序。
2） IEC61131-3编程基础
IEC61131-3可分为公用元素和编程语言两部分进行解读。其中公用元素有软件模型、编程模型、数据外部表示、变量、程序组织单元以及顺序功能图表。其中软件模型包含了配置、资源、任务、存取路径和全局变量，从理论上将较为复杂的程序分割成多个相对独立又相互关联的可管理部分，通过预设的规则相互调用。编程模型（见图1）则将信号处理、传感器、执行器、通信等功能有机结合起来形成一种框架，为模块化编程提供了体系参考。而数据外部表示、变量等剩下的一些公用元素则是为开发人员提供的基本编写规范、预设操作指令及基本功能单元。IEC61131-3所定义的编程语言则是类似于软件开发中使用的高级编程语言，通过基本语法构成逻辑运算的描述，方便开发人员的编写和维护。 另外，POU是一个能够被独立编译的程序块，作为项目程序的组成部件之一， 耦合性较低且可分别由不同种类的编程语言编写。POU具有唯一性、全局性，名字及接口均对其他组成部件开放，数据的传输采用统一的标准，这一特性方便了项目框架构造及程序编写的模块化，复用性强，后期维护成本较低。
在熟悉并掌握IEC61131-3标准中编程标准的特征之后，需要进一步的学习其编程要素（如数据类型、变量等），最后还需要根据其特性与一般高级软件编程语言的异同进行深入学习其内部机理，彻底掌握IEC61131-3标准。
3.3 教学方式
1） 以本学院软件技术专业人才培养方案为主要研究蓝本，分析软件专业的编程基础课设计，分析其与IEC61131-3编程基础语法异同，设计基础语法部分的教学内容，注重教学内容的相似性关联及差异性区分，避免学生混淆IEC61131-3编程基础语法与一般高级编程语言基础语法。
2） 以IEC61131-3编程的语法、人机交互界面设计、逻辑控制及运动控制库等主要知识点为分析对象，编制其相关的电气工程、控制工程等专业理论教学要点，将理论教学内容以图文等形象方式展示基础原理，特别是针对工业软件编程所需掌握的原理知识，而不是全套的理论知识教授，避免课程内容大篇幅出现理论教学枯燥无味。
3） 研究工业软件编程思路与计算机软件编程思路的异同点，设计相应的思维对比转化教学模块，让学生更快更容易掌握工业软件编程方法。例如电机转动控制如果从计算机软件编程角度，可以使用条件判断、循环状态判断等多种方法，而在工业控制编程中比较多的倾向使用CASE语句的状态机机制描。
4） 设计工业软件中的常见小型案例，如以合耕科技的Gatherwin系统为开发环境完成项目化教学设计。Gatherwin系统不仅支持IEC61131-3标准还提供了大量的常用工业功能库及较强的工业组件仿真系统，教学设计基于这样的一套系统，使得学生能专注于上层业务逻辑控制而调用封装好的下层通用控制库，更为学生提供了仿真度非常高的环境，可以通过仿真环境调试业务逻辑，并能快速部署至真实物理系统。
3.4 考核方式
平时的考核方式以团队协作为基础的实践为主。学生分组组成团队，对某一兴趣点进行深入了解，通过查阅资料、集体讨论并设计方案加以实践，以代码的形式实现部分功能，最后学生以个人为单位根据自己在整个实践过程中的收获及心得体会做总结，要求条理清晰、逻辑性强，并形成实践报告。
期末考核以笔试加实操的形式进行。笔试主要注重工业软件编程的理论知识及各基础知识。以单项选择题和多项选择题的形式考核学生在知识易错点上的辨别能力和计算能力，以填空题的形式考核学生在知识难点上掌握程度，以虚拟应用场景的形式作为主观大题，考核学生的实际应用能力。
考核的最终目标是让学生能够掌握工业软件编程的标准，在课程规定的时间内学会利用已掌握的知识解决实际应用场景的问题，同时养成团队协作的习惯，更好的发挥团队合作的优势。
4 總结
本文通过概述IEC61131标准的由来，并分析了该标准在未来工业制造业中的应用前景，最后根据技术型人才的需求现状，结合工业软件编程与计算机专业软件编程的相似性，提出了一个适合计算机专业学生的工业软件编程课程设计，从客观上解决了工业软件编程中来自不同领域和平台之间技术对接及编程技术在授课过程中的难题，为高职院校开设工业软件编程课程提供了一个很好的参考范例。
参考文献：
[1] 郑友. PLC控制系统的发展及其应用[J].黑龙江科技信息， 2009（35）：67-67.
[2] 李玉峰. 汽车制造业的PLC市场分析[J].自动化博览， 2010， 27（3）：42-43.
[3] 焦晶， 周丽娟. 浅谈《PLC应用技术》在现代教学方法中的应用[J]. 内蒙古教育：职教版， 2013（4）：68-69.
[4] Lydon B. IEC 61131-3[J]. Intech， 2012.
[5] 任继锋. 基于IEC61131标准的PLC设计与实现[D].沈阳理工大学， 2012.
[6] 黄颖， 张茂青， 何旭平. 基于IEC61131-3标准的可编程控制器多语言编程研究[J].电工电气， 2008（3）：19-21.
关键词：IEC61131；工业软件编程；课程设计
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）26-0220-02
1 工业编程概述
在过去，电气控制线路由大量的继电器作为主要元件组成，以实现生产过程的自动化控制，然而这些由继电器构成的庞大且复杂的控制系统往往需要大量的导线连接，需要大型机柜组装，并且占据大量的空间，电力消耗和维护成本较高，重构难度极大，无法适应现代工业生产过程中的复杂状况[1]。1968年，美国的通用汽车公司提出了一系列如编程简单、可靠性强、维护简便等的技术指标，旨在通过新型的通用控制器对其汽车生产设备进行控制，解决装配流水线上各组装流程控制线路的问题[2]。1969年，世界上第一台可编程控制器（简称PLC）研制成功，后来被广泛应用于各工业流水生产线[3]。到了20世纪70年代，PLC中开始使用大规模集成电路（LSI）以及微处理器，具备逻辑控制、计数及计时控制、算术运算、数据处理等功能，能够处理分支、中断、自诊断等。然而时至今日，PLC虽然依然是生产控制系统的重要组成部分，但在世界性贸易快速发展的今天，PLC高度的可靠性、复杂的功能设计、成本压力等都是工业制造中急需解决的问题。
越来越多的制造商意识到标准化的软件开发平台、详细的需求分析、完善的软件设计、周全的测试环境是现代工业软件编程所必须具备的条件，统一的PLC编程技术标准、硬件无关的软件体系、简单便捷的开发环境均是亟待解决的难题。
2 IEC 61131-3标准及应用
早在1993年， PLC的国际标准IEC 61131制定实施，其中的IEC 61131-3是关于面向PLC的编程语言的标准，定义了PLC上进行编程的语言特征及规范[4]。这一标准二十多年来得到广泛推广，已经成为了当之无愧的行业标准，对整个工业体系有着极其重要的意义。IEC 61131-3的制定，汇集了多个工业制造业发达国家无数从业专家和相关领域学者的智慧以及数十年在工控方面的经验[5]。该标准允许多种编程语言同时应用于同一PLC中，开发人员同时也可以自由选择最恰当或最熟悉的编程语言进行开发，还甚至在同一个程序中使用各不相同的编程语言完成不同功能模块的编写任务[6]。这一特性解决了PLC发展历史上由于不同厂商不同技术导致的多种编程语言混合使用造成的兼容性难题，同时为全自动智能化生产提供了广阔的发展空间。PLCopen是一个1992年成立于荷兰的国际技术组织，一直持续关注如何提高工业编程的方法、效率及规范等业界难题。 2005年9月以来，PLCopen根据各国的工业发展水平，有针对性对企业进行技术支持和指导，使IEC 61131-3国际标准得以被广泛的推广。这一措施具有如下优点：
1） 减少资源在技术人员的培训、调试、维护和咨询方面的浪费；
2） 着眼于解决控制中的问题，提高工业软件的可复用性；
3） 统一的编程标准减少了开发过程中的错误；
4） 通用性的编程技术可大规模推广；
5） 减少不同厂商之间在不同组件之间的对接时间成本。
3 课程设计
3.1 教学需求及目标
在工业制造技术日益先进的今天，中国的制造业要想完成从“中国制造”到“中国智造”的转变，增加工业附加值，就必须在全国范围进行信息化人才的培养，用更为先进的技术适应新一轮的工业变革。职业院校作为技术型人才的重要培养基地，更应该走在技术变革和职业教育改革的前列，以先进技术为基础、先进的教学理念为向导，积极参与到面向工业4.0的变革中去。由于工业软件编程同样属于软件编程的范畴，且计算机专业的基础学习科目包含了基本的程序设计原理及基础实践，而工业软件编程往往需要拥有扎实功底及对软件设计有较好理解能力，因而面向计算机专业开设关于工业软件编程的课程是符合行业发展的实际需要的。
教学目标为针对计算机软件类专业学生设计一门工业软件编程课程，并以IEC61131-3编程标准的知识点要求为依据，设计计算机硬件原理、电气工程原理、控制工程原理等多专业融合的理论知识模块，面向工业4.0应用场景设计项目化教学案例，融入“教、学、做”为一体的教学方法，形成有鲜明特色的一门工业4.0专业方向的必修课或计算机类的专业选修课。
3.2 教学内容
1） PLC构成
PLC由软件系统和硬件系统构成，其中硬件系统组成部件包括处理器、存储器、通讯接口、以及输入输出接口，而存储器又可分为系统存储器和用户存储器，输入输出接口可分为输入单元和输出单元，而软件系统包含用户程序和系统监控程序。其中用户程序即开发人员根据IEC61131-3中对编程语言的定义标准编写的执行程序。
2） IEC61131-3编程基础
IEC61131-3可分为公用元素和编程语言两部分进行解读。其中公用元素有软件模型、编程模型、数据外部表示、变量、程序组织单元以及顺序功能图表。其中软件模型包含了配置、资源、任务、存取路径和全局变量，从理论上将较为复杂的程序分割成多个相对独立又相互关联的可管理部分，通过预设的规则相互调用。编程模型（见图1）则将信号处理、传感器、执行器、通信等功能有机结合起来形成一种框架，为模块化编程提供了体系参考。而数据外部表示、变量等剩下的一些公用元素则是为开发人员提供的基本编写规范、预设操作指令及基本功能单元。IEC61131-3所定义的编程语言则是类似于软件开发中使用的高级编程语言，通过基本语法构成逻辑运算的描述，方便开发人员的编写和维护。 另外，POU是一个能够被独立编译的程序块，作为项目程序的组成部件之一， 耦合性较低且可分别由不同种类的编程语言编写。POU具有唯一性、全局性，名字及接口均对其他组成部件开放，数据的传输采用统一的标准，这一特性方便了项目框架构造及程序编写的模块化，复用性强，后期维护成本较低。
在熟悉并掌握IEC61131-3标准中编程标准的特征之后，需要进一步的学习其编程要素（如数据类型、变量等），最后还需要根据其特性与一般高级软件编程语言的异同进行深入学习其内部机理，彻底掌握IEC61131-3标准。
3.3 教学方式
1） 以本学院软件技术专业人才培养方案为主要研究蓝本，分析软件专业的编程基础课设计，分析其与IEC61131-3编程基础语法异同，设计基础语法部分的教学内容，注重教学内容的相似性关联及差异性区分，避免学生混淆IEC61131-3编程基础语法与一般高级编程语言基础语法。
2） 以IEC61131-3编程的语法、人机交互界面设计、逻辑控制及运动控制库等主要知识点为分析对象，编制其相关的电气工程、控制工程等专业理论教学要点，将理论教学内容以图文等形象方式展示基础原理，特别是针对工业软件编程所需掌握的原理知识，而不是全套的理论知识教授，避免课程内容大篇幅出现理论教学枯燥无味。
3） 研究工业软件编程思路与计算机软件编程思路的异同点，设计相应的思维对比转化教学模块，让学生更快更容易掌握工业软件编程方法。例如电机转动控制如果从计算机软件编程角度，可以使用条件判断、循环状态判断等多种方法，而在工业控制编程中比较多的倾向使用CASE语句的状态机机制描。
4） 设计工业软件中的常见小型案例，如以合耕科技的Gatherwin系统为开发环境完成项目化教学设计。Gatherwin系统不仅支持IEC61131-3标准还提供了大量的常用工业功能库及较强的工业组件仿真系统，教学设计基于这样的一套系统，使得学生能专注于上层业务逻辑控制而调用封装好的下层通用控制库，更为学生提供了仿真度非常高的环境，可以通过仿真环境调试业务逻辑，并能快速部署至真实物理系统。
3.4 考核方式
平时的考核方式以团队协作为基础的实践为主。学生分组组成团队，对某一兴趣点进行深入了解，通过查阅资料、集体讨论并设计方案加以实践，以代码的形式实现部分功能，最后学生以个人为单位根据自己在整个实践过程中的收获及心得体会做总结，要求条理清晰、逻辑性强，并形成实践报告。
期末考核以笔试加实操的形式进行。笔试主要注重工业软件编程的理论知识及各基础知识。以单项选择题和多项选择题的形式考核学生在知识易错点上的辨别能力和计算能力，以填空题的形式考核学生在知识难点上掌握程度，以虚拟应用场景的形式作为主观大题，考核学生的实际应用能力。
考核的最终目标是让学生能够掌握工业软件编程的标准，在课程规定的时间内学会利用已掌握的知识解决实际应用场景的问题，同时养成团队协作的习惯，更好的发挥团队合作的优势。
4 總结
本文通过概述IEC61131标准的由来，并分析了该标准在未来工业制造业中的应用前景，最后根据技术型人才的需求现状，结合工业软件编程与计算机专业软件编程的相似性，提出了一个适合计算机专业学生的工业软件编程课程设计，从客观上解决了工业软件编程中来自不同领域和平台之间技术对接及编程技术在授课过程中的难题，为高职院校开设工业软件编程课程提供了一个很好的参考范例。
参考文献：
[1] 郑友. PLC控制系统的发展及其应用[J].黑龙江科技信息， 2009（35）：67-67.
[2] 李玉峰. 汽车制造业的PLC市场分析[J].自动化博览， 2010， 27（3）：42-43.
[3] 焦晶， 周丽娟. 浅谈《PLC应用技术》在现代教学方法中的应用[J]. 内蒙古教育：职教版， 2013（4）：68-69.
[4] Lydon B. IEC 61131-3[J]. Intech， 2012.
[5] 任继锋. 基于IEC61131标准的PLC设计与实现[D].沈阳理工大学， 2012.
[6] 黄颖， 张茂青， 何旭平. 基于IEC61131-3标准的可编程控制器多语言编程研究[J].电工电气， 2008（3）：19-21.