現(xiàn)代工業(yè)控制中的PLC編程方法論文
摘要：目前隨著工業(yè)控制系統(tǒng)復(fù)雜性不斷提高以及自動化不斷加強(qiáng)，以往面向過程的PLC編程方法變得愈加困難。面向過程的編程（POP）方法編程效率低、可維護(hù)性差。通過分析現(xiàn)代主流計(jì)算機(jī)編程方法，提出了一種PLC編程方法：將程序分為三個(gè)層次，以面向?qū)ο蟮乃枷雽ν獠吭O(shè)備或復(fù)用性功能進(jìn)行封裝，以面向過程的思想實(shí)現(xiàn)動作流程。并以汽車微電機(jī)壓裝控制系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。
關(guān)鍵詞：面向過程，面向?qū)ο�，PLC，編程方法
現(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域大多采用PLC作為運(yùn)動控制器，傳統(tǒng)的PLC編程嚴(yán)格按照時(shí)序要求從頭至尾編寫程序。對于簡單的控制過程，其程序步驟較少，傳統(tǒng)的PLC編程方法能夠滿足要求。而復(fù)雜的控制系統(tǒng)，程序步驟較多，容易混亂，大大降低了編程效率，并且程序擴(kuò)展性能非常差。為了提高編程效率，降低后期維護(hù)成本，尋找出一種新的PLC編程方法是非常必要的。
1理論基礎(chǔ)
目前存在兩種主流的編程思維：面向過程與面向?qū)ο�，這兩種編程思想都有其各自的特點(diǎn)與性質(zhì)。1．1面向過程面向過程（ProcedureOriented，PO）是一種以過程為中心，以什么正在發(fā)生為主要目標(biāo)進(jìn)行編程的編程思想。面向過程的程序設(shè)計(jì)（POP）注重的是算法設(shè)計(jì)，突出數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。NicklausWirth對此提出了著名的公式來表示程序的實(shí)質(zhì)：程序＝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)＋算法面向過程的程序設(shè)計(jì)關(guān)注的是解決問題的步驟，先把軟件系統(tǒng)分解成多個(gè)模塊，然后逐步細(xì)化，完成整個(gè)軟件系統(tǒng)。各模塊之間存在相互調(diào)用和信息傳遞。隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大和性能要求提高，面向過程編程的缺陷逐漸明顯。軟件系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，使得模塊的分解難度加大，模塊之間的聯(lián)系也更加復(fù)雜，軟件的可靠性難以提高，可維護(hù)性差。1．2面向?qū)ο竺嫦驅(qū)ο螅∣bjectOriented，OO）是在處理問題時(shí)，從該問題所存在的事物本身出發(fā)，以類及對象作為基本構(gòu)造單元，逐步認(rèn)識事物的屬性和行為特征。面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)（OOP）需要盡力描述問題的結(jié)構(gòu)，從而較好地解決客觀世界描述的復(fù)雜性問題。可將程序表示為：程序＝消息＋對象類對象類＝數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)＋算法面向?qū)ο蟮木幊谭椒ㄓ欣诖笮蛙浖拈_發(fā)；對象屬性和方法封裝避免了數(shù)據(jù)隨意訪問，保證數(shù)據(jù)安全；類與類之間的繼承關(guān)系，最大程度實(shí)現(xiàn)了代碼的重用；繼承關(guān)系下的多態(tài)性增強(qiáng)了程序的靈活性和擴(kuò)展性［1］。然而，由于類的大量加載會犧牲系統(tǒng)性能，從而降低系統(tǒng)運(yùn)行效率。
2PLC編程思想
現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)經(jīng)常要涉及到多個(gè)外部設(shè)備，設(shè)備的動作往往有嚴(yán)格的時(shí)序要求。長久以來，編程前先按要求制作動作流程圖，再按動作流程圖編寫程序的框架，然后以流程框架為中心添加約束與報(bào)警信息，其編程思想是面向過程的.［2］。數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理過程代碼是統(tǒng)一的，可重用代碼少，且當(dāng)代碼量大時(shí)，維護(hù)數(shù)據(jù)和代碼非常困難。面向過程的PLC編程方法的缺點(diǎn)有：割裂被控對象在PLC程序與現(xiàn)實(shí)中的聯(lián)系，內(nèi)部邏輯與被控對象不明確，程序的后期維護(hù)困難；程序的內(nèi)部邏輯關(guān)系非常復(fù)雜，控制流程不確，容易出錯(cuò)；輸入與輸出都缺乏整體性，程序員往往孤立考慮各輸入點(diǎn)或輸出點(diǎn)的邏輯和控制［3］。針對傳統(tǒng)PLC編程的缺點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)主流編程思維，提出一種新的PLC編程方法：以分層思想劃分程序結(jié)構(gòu)，以面向?qū)ο蟮乃枷雽ν獠吭O(shè)備或復(fù)用性功能進(jìn)行封裝，以面向過程的思想實(shí)現(xiàn)動作流程。其原理是：將程序過程按實(shí)際劃為三個(gè)層次，對每個(gè)層次中可抽象描述的對象進(jìn)行類封裝；并采用上層調(diào)用下層，高級調(diào)用低級的原則，進(jìn)行自下而上的PLC程序設(shè)計(jì)。三個(gè)層次分別為：時(shí)序?qū)印⑼庠O(shè)層、輸出層，其中輸出層是底層；外設(shè)層是中間處理與轉(zhuǎn)換層；時(shí)序?qū)邮亲羁拷O(shè)備操作的用戶層。輸出層是對PLC的輸出點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)部擴(kuò)展。不管PLC程序如何編寫，最終都要通過控制PLC輸出來達(dá)到設(shè)備運(yùn)行目的。為了增強(qiáng)程序的靈活性和擴(kuò)展性，可將PLC的每個(gè)輸出點(diǎn)當(dāng)作對象，在程序運(yùn)行過程中，輸出對象在不同的工作階段有不同的觸發(fā)條件。將數(shù)字輸出點(diǎn)的觸發(fā)條件轉(zhuǎn)化為內(nèi)部繼電器，模擬輸出的觸發(fā)條件轉(zhuǎn)換為內(nèi)部繼電器與數(shù)據(jù)。外設(shè)層是對設(shè)備的封裝、處理，是外部設(shè)備和外部設(shè)備功能封裝模塊的集合。復(fù)雜的PLC控制系統(tǒng)包含了多個(gè)外部設(shè)備，并且有些外部設(shè)備不止一個(gè)。以PLC為對象，外部設(shè)備可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備與交互設(shè)備。輸入設(shè)備是系統(tǒng)的眼睛，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)。輸出設(shè)備是系統(tǒng)的動作執(zhí)行設(shè)備，單個(gè)輸出設(shè)備可以有一個(gè)或多個(gè)動作狀態(tài)。交互設(shè)備是與PLC有數(shù)據(jù)互傳的設(shè)備，可以是上位機(jī)設(shè)備或其他的通信設(shè)備。用面向?qū)ο蟮乃枷耄栽O(shè)備整體或設(shè)備動作狀態(tài)為對象進(jìn)行封裝。可以大大減少了程序的重復(fù)性，并且有助于外圍設(shè)備的擴(kuò)展與功能的增加。時(shí)序?qū)邮荘LC程序的主體，是各種功能動作流程的集合。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，動作過程必須嚴(yán)格地按時(shí)間順序執(zhí)行，而程序中時(shí)序過程實(shí)現(xiàn)必須面向過程。設(shè)備每一種現(xiàn)實(shí)功能都對應(yīng)一個(gè)動作過程，與設(shè)備功能對應(yīng)的動作過程屬于高級動作流程。高級動作流程可以重復(fù)調(diào)用低級的動作流程，低級的動作流程是復(fù)用性比較高的動作流程。復(fù)用性動作流程相對高級動作流程步驟較少，可以將其以整體作為考慮對象，封裝成功能模塊，供高級動作流程調(diào)用。高級動作流程所對應(yīng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備功能主要有：啟動、復(fù)位與保護(hù)等功能［4］。啟動功能可以通過人機(jī)交互界面的設(shè)置不同而擁有不同的設(shè)備功能；復(fù)位功能是按一定的時(shí)間順序恢復(fù)預(yù)定的初始狀態(tài)；保護(hù)功能是通過監(jiān)控輸入設(shè)備的信號判斷設(shè)備是否故障，并做出相應(yīng)的處理。對于由輸入信號判斷不出故障可以由外部人工觸發(fā)，并處理。時(shí)序?qū)泳帉懝δ軙r(shí)要求先設(shè)計(jì)保護(hù)功能，再編寫其它的動作功能，以保護(hù)人身與設(shè)備安全。
3實(shí)例
以汽車微電機(jī)壓裝控制系統(tǒng)為例，闡述本文提出的PLC編程方法。圖2為壓裝控制系統(tǒng)原理圖。該系統(tǒng)主要由TPC7062TX觸摸屏、主控單元FPG－C32T2H、模擬量單元FP0－A21－F、位置控制單元FPG－PP21、伺服電機(jī)、位移傳感器等組成。該系統(tǒng)中控制最主要的輸出是控制伺服電機(jī)的脈沖輸出，脈沖輸出可直接以電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)為對象進(jìn)行封裝，其余輸出在程序中不需要大量重復(fù)使用，可以直接單獨(dú)調(diào)用。圖3為單次壓裝的流程，前三個(gè)過程為同向運(yùn)動，為了提高工作效率，三個(gè)過程之間不能有停頓，“P點(diǎn)控制”可以達(dá)到此要求；慢速壓裝和快速退回運(yùn)動方向相反，需要停頓，第三個(gè)過程完成后，直接退回到原點(diǎn)，快速退回功能用“E點(diǎn)控制”可以實(shí)現(xiàn)。除此外電機(jī)常用的控制還有“JOG運(yùn)行（點(diǎn)動控制）”。通過壓裝流程可知該系統(tǒng)“P點(diǎn)控制”為三段控制，以“P點(diǎn)控制”為對象時(shí)，其“消息”由一個(gè)觸發(fā)條件、三個(gè)位置、三個(gè)速度組成；以“E點(diǎn)控制”為對象時(shí)，其“消息”由一個(gè)觸發(fā)條件、一個(gè)位置、一個(gè)速度組成；以“JOG運(yùn)行”為對象時(shí)，其“消息”由一個(gè)觸發(fā)條件、一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向、一個(gè)速度組成。為了適應(yīng)于PLC動作過程的時(shí)序性特點(diǎn)，為每個(gè)對象添加一個(gè)單脈沖輸出信號。當(dāng)對象動作執(zhí)行完成時(shí)，發(fā)出一個(gè)單脈沖信號，可以當(dāng)做下一步動作的觸發(fā)條件。圖4為以FPWINGR為PLC編程軟件時(shí)的“E點(diǎn)控制”梯形圖。FPWINGR編程軟件不支持模塊封裝，但是不影響面向?qū)ο笏季S的使用。圖中R20為“E點(diǎn)控制”的觸發(fā)條件；雙字寄存器DT412的數(shù)據(jù)為“E點(diǎn)控制”的目標(biāo)脈沖頻率（速度）；雙字寄存器DT414的數(shù)據(jù)為“E點(diǎn)控制”的目標(biāo)位置。對象封裝的目的是避免數(shù)據(jù)隨意訪問，可以繼承�！癊點(diǎn)控制”中的電機(jī)屬性啟動速度（500Hz）、加減速時(shí)間（100ms）、正反方向的定義是以參數(shù)的形式固定在其中。當(dāng)調(diào)用該對象時(shí)，默認(rèn)的就繼承了其屬性。只需擴(kuò)展多個(gè)內(nèi)部繼電器觸發(fā)R20，就可用被多次調(diào)用繼承，即多態(tài)性。同理，可設(shè)計(jì)出“P點(diǎn)控制”與“JOG運(yùn)行”的梯形圖。輸出層與外設(shè)層是時(shí)序?qū)拥幕A(chǔ)，時(shí)序?qū)影匆欢ǖ臅r(shí)間順序組合輸出層與外設(shè)層，并輔以必要的數(shù)據(jù)處理就形成了所需的功能。壓裝主流程主要有“P點(diǎn)控制”與“E點(diǎn)控制”模塊，加上時(shí)間延時(shí)、計(jì)數(shù)處理與力值峰值功能就形成了一個(gè)壓裝的大致功能，經(jīng)過后期的調(diào)試與小范圍的修改就完成了一個(gè)功能的編寫。依此方法編寫各種所需功能，完成整個(gè)程序后，整體調(diào)試功能。后期維護(hù)需要修改某部分功能時(shí)，可以快速定位到要修改的層，再找到相應(yīng)的模塊；增加功能時(shí)，可以迅速查到已有硬件的封裝模塊，直接在時(shí)序?qū)釉黾右蟮墓δ軙r(shí)序。
4結(jié)束語
通過分析與實(shí)際驗(yàn)證，用本文所提編程方法編寫PLC程序，程序邏輯更清晰，層次更分明，運(yùn)行更穩(wěn)定。同時(shí)為程序調(diào)試、后期程序維護(hù)、程序功能擴(kuò)展提供更有效而廣闊的空間。該方法適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)，也適用于簡單控制系統(tǒng)，使復(fù)雜的控制系統(tǒng)集體設(shè)計(jì)時(shí)分工更加明確，性能更穩(wěn)定。
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