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高级功能块

Darra PLC 提供标准功能块 (Standard FBs) 之外的高级功能块体系，涵盖 PID 闭环控制、运动控制、安全监控以及自定义功能块开发框架。

PID 控制器​

PID 功能块 (FB_PID) 实现比例-积分-微分闭环控制，适用于温度、压力、流量等连续过程。

功能块接口​

FUNCTION_BLOCK FB_PID
VAR_INPUT
    bEnable     : BOOL;        // 使能
    rSetpoint   : REAL;        // 设定值 (SP)
    rFeedback   : REAL;        // 反馈值 (PV)
    rKp         : REAL;        // 比例增益
    rKi         : REAL;        // 积分增益
    rKd         : REAL;        // 微分增益
    rOutMin     : REAL;        // 输出下限
    rOutMax     : REAL;        // 输出上限
    bManual     : BOOL;        // 手动模式
    rManualOut  : REAL;        // 手动输出值
    bReset      : BOOL;        // 复位积分器
    rDeadband   : REAL := 0.0; // 死区宽度
END_VAR
VAR_OUTPUT
    rOutput     : REAL;        // 控制输出 (CV)
    rError      : REAL;        // 当前偏差
    bAtSetpoint : BOOL;        // 到达设定值 (偏差在死区内)
    bLimited    : BOOL;        // 输出已限幅
END_VAR

参数详细说明​

PID 控制器的核心参数控制闭环响应的三个维度。正确理解每个参数的作用是调参的基础。

参数符号范围作用增大效果减小效果
比例增益rKp0.0 ~ 1e6偏差的即时放大倍数响应加快，可能振荡响应变慢，稳态误差增大
积分时间rTi0.0 ~ 1e6 s积分作用的衰减时间，越小积分越强误差快速归零，可能超调稳态误差残留
微分时间rTd0.0 ~ 1e6 s微分作用的超前时间，越大阻尼越强阻尼增强，抗干扰超调增大，响应变慢
输出下限rOutMin任意控制输出最小值限制控制范围可能无法达到设定值
输出上限rOutMax任意控制输出最大值放宽控制范围可能无法达到设定值
积分下限rIntMin任意积分项独立下限防止积分负饱和限制积分补偿能力
积分上限rIntMax任意积分项独立上限防止积分正饱和限制积分补偿能力
死区rDeadBand≥ 0偏差在此范围内输出不变动作减少，抑制抖动动作频繁
微分滤波rTauD≥ 0微分一阶低通滤波时间常数降低噪声敏感度微分响应滞后

输出限幅​

输出限幅是安全防护的第一道关卡。当计算出的原始输出超出 rOutMin / rOutMax 范围时，输出被裁剪到边界值，同时 bLimited 置位：

// PID 内部计算
rRawOutput := rProportional + rIntegral + rDerivative;

// 输出限幅
IF rRawOutput > rOutMax THEN
    rOutput := rOutMax;
    bLimited := TRUE;
ELSIF rRawOutput < rOutMin THEN
    rOutput := rOutMin;
    bLimited := TRUE;
ELSE
    rOutput := rRawOutput;
    bLimited := FALSE;
END_IF;

抗积分饱和 (Anti-Windup)​

PID 功能块内置两种抗积分饱和机制:

  • 条件积分: 输出饱和时暂停积分累积
  • 回算法: 将超出限幅的部分反馈到积分器中衰减

手动/自动模式切换时，积分器自动跟踪手动输出值，实现无扰切换 (Bumpless Transfer)。

温度控制示例​

PROGRAM OB30    // 10ms 周期中断
VAR
    fbPID_Temp  : FB_PID;
    rActTemp    : REAL;        // 实际温度 (°C)
    rSetTemp    : REAL;        // 设定温度 (°C)
    rHeaterPwr  : REAL;        // 加热功率 (%)
END_VAR

// 读取温度传感器 (PT100, 4-20mA → 0-200°C)
rActTemp := INT_TO_REAL(%IW100 - 4000) / 16000.0 * 200.0;

// 设定值来自 HMI
rSetTemp := %MD200;

// PID 计算
fbPID_Temp(
    bEnable   := TRUE,
    rSetpoint := rSetTemp,
    rFeedback := rActTemp,
    rKp       := 5.0,
    rKi       := 0.8,
    rKd       := 1.2,
    rOutMin   := 0.0,
    rOutMax   := 100.0,
    bManual   := %MX100.0,
    rManualOut := %MD104
);

// 输出到加热器 (PWM 或模拟量)
rHeaterPwr := fbPID_Temp.rOutput;
%QW200 := REAL_TO_INT(rHeaterPwr * 327.67);
END_PROGRAM

参数整定建议​

Ziegler-Nichols 法适用于大多数过程控制场景：

  1. 将 rKi 和 rKd 设为 0
  2. 逐步增大 rKp 直到系统产生等幅振荡
  3. 记录临界增益 Ku 和振荡周期 Tu
  4. 按下表计算参数：
控制器类型KpTi/TuTd/Tu
P0.5 × Ku——
PI0.45 × Ku0.85—
PID0.6 × Ku0.50.125
实际调参

Ziegler-Nichols 法给出初始参数，实际应用中需要根据系统响应微调。建议使用 IDE 的趋势曲线面板观察 SP、PV、CV 的实时波形进行调参。

自整定 (Auto-Tuning)​

PID 内置三种自整定算法:

算法适用场景耗时精度
继电式 (Relay)通用，经典方法3~10 周期中
阶跃响应 (Step)大惯性系统 (温度)2~5 分钟中高
频率扫描 (Freq)高精度要求10~30 分钟高
// 启动自整定 (继电式)
fbTune(
    bStart       := bBtn_StartTune,
    rSetpoint    := rSetTemp,
    rFeedback    := rActTemp,
    rRelayAmplitude := 10.0,
    rHysteresis  := 0.5,
    iMaxCycles   := 5,
    tTimeout     := T#10m
);

// 完成时自动写入 PID 参数
IF fbTune.bDone THEN
    fbPID.rKp := fbTune.rKp;
    fbPID.rKi := fbTune.rKi;
    fbPID.rKd := fbTune.rKd;
END_IF;

运动控制功能块​

Darra 遵循 PLCopen Motion Control 标准，提供完整的单轴和多轴运动控制功能块。

MC_Power — 轴使能​

在使用轴之前必须先使能。Enable 为 TRUE 时轴伺服上电。

VAR
    PowerOn : MC_Power;
END_VAR

PowerOn(Axis := Axis1, Enable := TRUE, bRegulatorOn := TRUE);
// PowerOn.Status = TRUE 表示使能成功
// PowerOn.bRegulatorOn — 调节器已激活

MC_MoveAbsolute — 绝对定位​

移动到指定位置坐标。

VAR
    MoveAbs : MC_MoveAbsolute;
END_VAR

MoveAbs(
    Axis          := Axis1,
    Execute       := TRUE,
    Position      := 100.0,      // 目标位置 (mm 或度)
    Velocity      := 50.0,       // 运动速度 (mm/s)
    Acceleration  := 200.0,      // 加速度 (mm/s²)
    Deceleration  := 200.0,      // 减速度 (mm/s²)
    Jerk          := 1000.0      // 跃度 (mm/s³), 0=禁用
);
// MoveAbs.Done — 到达目标位置

MC_MoveRelative — 相对定位​

从当前位置移动指定距离。

VAR
    MoveRel : MC_MoveRelative;
END_VAR

MoveRel(
    Axis     := Axis1,
    Execute  := TRUE,
    Distance := 50.0,            // 移动距离 (正=正向, 负=反向)
    Velocity := 30.0
);

MC_Halt — 暂停运动​

中断当前运动，轴减速停止后保持使能状态。

VAR
    HaltCmd : MC_Halt;
END_VAR

HaltCmd(Axis := Axis1, Execute := TRUE, Deceleration := 500.0);
// HaltCmd.Done — 轴已停止并保持使能

MC_Home — 回原点​

轴回到参考原点位置。

VAR
    HomeCmd : MC_Home;
END_VAR

HomeCmd(
    Axis      := Axis1,
    Execute   := TRUE,
    HomeMode  := HOME_REF_SWITCH,  // 回零模式
    Position  := 0.0               // 原点位置值
);
// HomeCmd.Done — 回零完成

回零模式说明:

模式说明
HOME_REF_SWITCH参考开关 + 编码器 Zero
HOME_LIMIT_POS正限位回零
HOME_LIMIT_NEG负限位回零
HOME_DIRECT当前位置设为原点
HOME_ABS_ENCODER绝对编码器直接读取

参数表 (通用)​

所有 MC 功能块共享以下接口参数:

参数类型说明
Axis / Robot轴/机器人引用目标对象
ExecuteBOOL上升沿触发
DoneBOOL (输出)完成标志
BusyBOOL (输出)正在执行
ActiveBOOL (输出)已被接收执行
CommandAbortedBOOL (输出)被中止
ErrorBOOL (输出)错误标志
ErrorIDUINT (输出)错误码

传送带定位完整示例​

PROGRAM ConveyorControl
VAR
    Power   : MC_Power;
    Home    : MC_Home;
    MoveTo  : MC_MoveAbsolute;
    State   : INT := 0;
END_VAR

// 始终使能
Power(Axis := ConveyorAxis, Enable := TRUE);

CASE State OF
    0: // 回原点
        Home(Axis := ConveyorAxis, Execute := TRUE);
        IF Home.Done THEN
            Home(Execute := FALSE);
            State := 1;
        END_IF;

    1: // 等待工件到位
        IF %IX0.0 = TRUE THEN
            State := 2;
        END_IF;

    2: // 传送到工位 1
        MoveTo(Axis := ConveyorAxis, Execute := TRUE,
               Position := 500.0, Velocity := 100.0);
        IF MoveTo.Done THEN
            MoveTo(Execute := FALSE);
            State := 3;
        END_IF;

    3: // 等待加工完成
        IF %IX0.1 = TRUE THEN
            State := 4;
        END_IF;

    4: // 传送到出料位
        MoveTo(Axis := ConveyorAxis, Execute := TRUE,
               Position := 1000.0, Velocity := 100.0);
        IF MoveTo.Done THEN
            MoveTo(Execute := FALSE);
            State := 1;
        END_IF;
END_CASE;
END_PROGRAM

MC_GearIn — 电子齿轮​

电子齿轮功能块将从轴与主轴按固定齿轮比同步运动，适用于印刷、包装、纺织等需要主轴-从轴同步的场景。

FUNCTION_BLOCK MC_GearIn
VAR_INPUT
    bExecute             : BOOL;     // 上升沿触发啮合
    rRatioNumerator      : REAL;     // 齿轮比分子
    rRatioDenominator    : REAL;     // 齿轮比分母
    rMasterOffset        : REAL;     // 主轴位置偏移
    rMasterStartDistance : REAL;     // 主轴启动距离 (提前同步准备)
    eMasterValue         : E_MasterSource;  // 主轴来源
    bContinuous          : BOOL;     // 连续啮合 (TRUE=不解耦)
END_VAR
VAR_OUTPUT
    bInGear              : BOOL;     // 已同步啮合
    bBusy                : BOOL;
    bCommandAborted      : BOOL;
    bError               : BOOL;
    udiErrorId           : UDINT;
    rFollowingError      : REAL;     // 当前跟随误差
END_VAR

主轴来源可配置：

主轴来源说明适用场景
SET_VALUE软件设定值作为主轴模拟主轴、虚拟主轴
ACTUAL_POSITION物理轴实际位置作为主轴跟随另一个物理轴
MODULO_POSITION模数轴位置 (旋转轴)旋转主轴
EXTERNAL_ENCODER外部编码器作为主轴飞锯、追剪

示例：印刷机色标跟踪，主轴（输送带）与印刷辊 1:1 同步：

fbGearIn(
    bExecute          := TRUE,
    rRatioNumerator   := 1.0,
    rRatioDenominator := 1.0,
    rMasterOffset     := 0.0,
    eMasterValue      := E_MasterSource.ACTUAL_POSITION,
    bContinuous       := TRUE
);

// 检测啮合完成
IF fbGearIn.bInGear THEN
    bSynchronized := TRUE;
END_IF;

MC_Phasing — 相位偏移​

在齿轮啮合或凸轮同步状态下，对从轴附加一个相位偏移，用于调整套准误差或补偿机械间隙。

FUNCTION_BLOCK MC_Phasing
VAR_INPUT
    bExecute       : BOOL;          // 上升沿触发相位偏移
    rVelocity      : REAL;          // 相位调整速度
    rPosition      : REAL;          // 相位偏移量
    eMode          : E_PhaseMode;   // 偏移模式
END_VAR
VAR_OUTPUT
    bDone          : BOOL;
    bBusy          : BOOL;
    bCommandAborted : BOOL;
    bError         : BOOL;
    udiErrorId     : UDINT;
END_VAR

相位偏移模式：

模式说明示例
RELATIVE相对偏移，在当前相位上增减调整 +5° 套准
ABSOLUTE绝对偏移，设定目标相位值直接设到 90°
CONTINUOUS连续偏移，保持偏移速度持续补偿同步误差

典型应用：印刷机套准调整

// 检测到套准偏差后，在齿轮啮合状态下调整相位
IF ABS(rRegistError) > 0.1 THEN
    fbPhasing(
        bExecute  := TRUE,
        rVelocity := 5.0,
        rPosition := rRegistError * 0.8,  // 按比例补偿
        eMode     := E_PhaseMode.RELATIVE
    );
END_IF;

轴状态机​

每个轴维护一个内部状态机，MC 功能块自动管理状态转换：

Disabled (未使能)
    ↓ Power.Enable = TRUE
Standstill (静止就绪)
    ↓                    ↑
Homning (回零中) → Standstill (回零完成)
    ↓                    ↑
DiscreteMotion (单次定位) → Standstill (到达)
    ↓                    ↑
ContinuousMotion (连续运动)
    ↓                    ↑
SynchronizedMotion (同步运动)
    ↓                    ↑
ErrorStop (故障停止) → Standstill (故障复位)

状态可通过 Axis.GetState() 在程序中读取：

CASE Axis1.GetState() OF
    E_AxisState.DISABLED:       sState := '未使能';
    E_AxisState.STANDSTILL:     sState := '就绪';
    E_AxisState.HOMING:         sState := '回零中';
    E_AxisState.DISCRETE_MOTION: sState := '定位中';
    E_AxisState.CONTINUOUS_MOTION: sState := '连续运动';
    E_AxisState.SYNCHRONIZED_MOTION: sState := '同步运动';
    E_AxisState.ERROR_STOP:     sState := '故障停止';
END_CASE;

安全功能块​

Darra 提供 13 个安全功能块，遵循 IEC 61800-5-2 和 IEC 62061 规范，经认证 SIL 2 / PL d。

功能块名称功能
SF_MonitoredStop安全监控停止监控减速停止过程
SF_SafeStop1安全停止 1 (SS1)受控减速后 STO
SF_SafeStop2安全停止 2 (SS2)受控减速后 SOS
SF_SafeOperatingStop安全操作停止 (SOS)监控静止状态
SF_SafeLimitedSpeed安全限速 (SLS)速度超限检测
SF_SafeLimitedPosition安全限位 (SLP)位置超限检测
SF_SafeTorqueOff安全力矩关断 (STO)切断电机力矩输出
SF_EmergencyStop急停IEC 13850 紧急停止
SF_SafetyDoorMonitor安全门监控防护门状态检测
SF_BrakeControl安全制动控制制动器安全管理

完整的接口说明和示例见 安全功能块。

自定义功能块开发​

用户可以使用 SCL 语言创建自定义功能块，封装重复使用的控制逻辑。

FB 基本结构​

FUNCTION_BLOCK FB_MyControl
TITLE := '自定义控制块'
AUTHOR := '工程师'
VERSION := '1.0'

VAR_INPUT
    bEnable   : BOOL;
    rSetpoint : REAL;
    rFeedback : REAL;
END_VAR
VAR_OUTPUT
    bReady    : BOOL;
    rOutput   : REAL;
    udiStatus : UDINT;
END_VAR
VAR
    rIntegral : REAL;
    tonDelay  : TON;
END_VAR

// 主执行逻辑
IF bEnable THEN
    tonDelay(IN := TRUE, PT := T#500ms);
    bReady := tonDelay.Q;
    // 工艺计算
    rIntegral := rIntegral + (rSetpoint - rFeedback) * 0.1;
    rOutput := LIMIT(0.0, rIntegral, 100.0);
    udiStatus := 0;
ELSE
    tonDelay(IN := FALSE);
    bReady := FALSE;
    rIntegral := 0.0;
    rOutput := 0.0;
    udiStatus := 1;
END_IF;

END_FUNCTION_BLOCK

方法与属性​

功能块可以包含方法（METHOD）和属性（PROPERTY），实现面向对象风格的封装：

FUNCTION_BLOCK FB_RecipeManager
VAR
    arRecipes : ARRAY[0..9] OF STRING[32];
    iActive   : INT;
END_VAR

// 方法：激活配方
METHOD Activate : BOOL
VAR_INPUT
    iIndex : INT;
END_VAR
    IF iIndex >= 0 AND iIndex <= 9 THEN
        iActive := iIndex;
        Activate := TRUE;
    ELSE
        Activate := FALSE;
    END_IF;
END_METHOD

// 方法：获取当前配方名
METHOD GetActiveName : STRING[32]
    GetActiveName := arRecipes[iActive];
END_METHOD

// 属性：只读当前配方
PROPERTY ReadOnly pActiveName : STRING[32]
    GET
        pActiveName := arRecipes[iActive];
    END_GET
END_PROPERTY

END_FUNCTION_BLOCK

开发规范​

  • 单一职责: 每个 FB 只做一件事，不要混合 PID 逻辑和通讯逻辑
  • 输入参数验证: 在 FB 入口检查输入合法性，非法输入给出明确的诊断码
  • 内部状态封装: FB 内部变量对外部不可见，通过属性和方法暴露必要接口
  • 初始化路径: bReset 或首次调用时应能回到已知初始状态
  • 版本管理: 修改 FB 逻辑后递增 VERSION，便于现场排查
  • 错误输出: 所有 FB 都应输出 bError + udiErrorId，不要静默失败
  • 诊断属性: 每个 FB 暴露 sDiagMsg : STRING 便于在线监视
  • 避免深层继承: 继承层级不超过 3 层

三种扩展方式​

当内置 FB 无法满足需求时，可以通过三种方式扩展：

方式性能安全适用场景
SCL 源码库中高纯算法、流程控制、逻辑封装
C/C++ DLL最高低数学计算、图像处理、实时算法
.NET 程序集中中通讯协议、数据库、复杂协议解析

FB 类型与实例化​

类型定义​

功能块是一种用户定义的数据类型，包含数据和算法。每个功能块实例拥有独立的内部状态副本。

要素说明生命周期
VAR_INPUT调用者传入的参数每个扫描周期更新
VAR_OUTPUT返回给调用者的结果每个扫描周期计算
VAR_IN_OUT兼作输入和输出的参数引用传递
VAR内部状态变量跨扫描周期保持
VAR_STAT静态变量跨调用保持
VAR_TEMP临时变量单扫描周期内有效
METHOD功能块内部方法调用时执行
PROPERTY功能块属性调用时计算

单实例与多实例​

// 单实例
VAR
    fbConveyor : FB_ConveyorControl;
END_VAR

// 多实例数组
VAR
    fbAxes : ARRAY[0..5] OF FB_AxisControl;
END_VAR

// 多实例 — 命名实例
VAR
    fbTempZone1 : FB_PID;
    fbTempZone2 : FB_PID;
    fbTempZone3 : FB_PID;
END_VAR

实例初始化​

功能块实例可以指定初始值：

VAR
    fbPID1 : FB_PID := (
        rKp := 2.0,
        rTi := 1.5,
        rTd := 0.3,
        rOutMin := 0.0,
        rOutMax := 100.0
    );
END_VAR

多重背景数据块​

实例的数据可以存储在独立的数据块中，便于调试和持久化：

// 背景数据块定义
DATA_BLOCK DB_PID_Background
    fbPID_Zone1 : FB_PID;
    fbPID_Zone2 : FB_PID;
    fbPID_Zone3 : FB_PID;
END_DATA_BLOCK

// 访问
DB_PID_Background.fbPID_Zone1.rKp := 2.5;

功能块调用约定​

// 方式一：标准调用（推荐）
fbPID(
    bEnable   := TRUE,
    rSetpoint := rSetTemp,
    rFeedback := rActTemp
);

// 方式二：连续赋值（适用于状态机）
fbPID.bEnable := TRUE;
fbPID.rSetpoint := rSetTemp;
fbPID.rFeedback := rActTemp;
fbPID();  // 执行 FB

// 方式三：CAL 关键字
CAL fbPID(bEnable := TRUE, rSetpoint := rSetTemp);

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