現(xiàn)代工業(yè)控制中的PLC編程方法論文

2021-04-27 論文

　　摘要：目前隨著工業(yè)控制系統(tǒng)復雜性不斷提高以及自動化不斷加強，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、可維護性差。通過分析現(xiàn)代主流計算機編程方法，提出了一種PLC編程方法：將程序分為三個層次，以面向對象的思想對外部設備或復用性功能進行封裝，以面向過程的思想實現(xiàn)動作流程。并以汽車微電機壓裝控制系統(tǒng)為例進行說明。

　　關鍵詞：面向過程，面向對象，PLC，編程方法

　　現(xiàn)代工業(yè)自動化領域大多采用PLC作為運動控制器，傳統(tǒng)的PLC編程嚴格按照時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，并且程序擴展性能非常差。為了提高編程效率，降低后期維護成本，尋找出一種新的PLC編程方法是非常必要的。

　　1理論基礎

　　目前存在兩種主流的編程思維：面向過程與面向對象，這兩種編程思想都有其各自的特點與性質。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)生為主要目標進行編程的編程思想。面向過程的程序設計（POP）注重的是算法設計，突出數(shù)據結構。NicklausWirth對此提出了著名的公式來表示程序的實質：程序＝數(shù)據結構＋算法面向過程的程序設計關注的是解決問題的步驟，先把軟件系統(tǒng)分解成多個模塊，然后逐步細化，完成整個軟件系統(tǒng)。各模塊之間存在相互調用和信息傳遞。隨著軟件系統(tǒng)規(guī)模擴大和性能要求提高，面向過程編程的缺陷逐漸明顯。軟件系統(tǒng)規(guī)模的擴大，使得模塊的分解難度加大，模塊之間的聯(lián)系也更加復雜，軟件的可靠性難以提高，可維護性差。1．2面向對象面向對象（ObjectOriented，OO）是在處理問題時，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造單元，逐步認識事物的屬性和行為特征。面向對象的程序設計（OOP）需要盡力描述問題的結構，從而較好地解決客觀世界描述的復雜性問題�？蓪⒊绦虮硎緸椋撼绦颍较ⅲ珜ο箢悓ο箢悾綌�(shù)據結構＋算法面向對象的編程方法有利于大型軟件的開發(fā)；對象屬性和方法封裝避免了數(shù)據隨意訪問，保證數(shù)據安全；類與類之間的繼承關系，最大程度實現(xiàn)了代碼的重用；繼承關系下的多態(tài)性增強了程序的靈活性和擴展性［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)運行效率。

　　2PLC編程思想

　　現(xiàn)代工業(yè)生產的控制系統(tǒng)經常要涉及到多個外部設備，設備的動作往往有嚴格的時序要求。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警信息，其編程思想是面向過程的［2］。數(shù)據和數(shù)據處理過程代碼是統(tǒng)一的.，可重用代碼少，且當代碼量大時，維護數(shù)據和代碼非常困難。面向過程的PLC編程方法的缺點有：割裂被控對象在PLC程序與現(xiàn)實中的聯(lián)系，內部邏輯與被控對象不明確，程序的后期維護困難；程序的內部邏輯關系非常復雜，控制流程不確，容易出錯；輸入與輸出都缺乏整體性，程序員往往孤立考慮各輸入點或輸出點的邏輯和控制［3］。針對傳統(tǒng)PLC編程的缺點，結合現(xiàn)代計算機主流編程思維，提出一種新的PLC編程方法：以分層思想劃分程序結構，以面向對象的思想對外部設備或復用性功能進行封裝，以面向過程的思想實現(xiàn)動作流程。其原理是：將程序過程按實際劃為三個層次，對每個層次中可抽象描述的對象進行類封裝；并采用上層調用下層，高級調用低級的原則，進行自下而上的PLC程序設計。三個層次分別為：時序層、外設層、輸出層，其中輸出層是底層；外設層是中間處理與轉換層；時序層是最靠近設備操作的用戶層。輸出層是對PLC的輸出點進行內部擴展。不管PLC程序如何編寫，最終都要通過控制PLC輸出來達到設備運行目的。為了增強程序的靈活性和擴展性，可將PLC的每個輸出點當作對象，在程序運行過程中，輸出對象在不同的工作階段有不同的觸發(fā)條件。將數(shù)字輸出點的觸發(fā)條件轉化為內部繼電器，模擬輸出的觸發(fā)條件轉換為內部繼電器與數(shù)據。外設層是對設備的封裝、處理，是外部設備和外部設備功能封裝模塊的集合。復雜的PLC控制系統(tǒng)包含了多個外部設備，并且有些外部設備不止一個。以PLC為對象，外部設備可分為輸入設備、輸出設備與交互設備。輸入設備是系統(tǒng)的眼睛，實時監(jiān)控設備狀態(tài)。輸出設備是系統(tǒng)的動作執(zhí)行設備，單個輸出設備可以有一個或多個動作狀態(tài)。交互設備是與PLC有數(shù)據互傳的設備，可以是上位機設備或其他的通信設備。用面向對象的思想，以設備整體或設備動作狀態(tài)為對象進行封裝�？梢源蟠鬁p少了程序的重復性，并且有助于外圍設備的擴展與功能的增加。時序層是PLC程序的主體，是各種功能動作流程的集合。設備運行時，動作過程必須嚴格地按時間順序執(zhí)行，而程序中時序過程實現(xiàn)必須面向過程。設備每一種現(xiàn)實功能都對應一個動作過程，與設備功能對應的動作過程屬于高級動作流程。高級動作流程可以重復調用低級的動作流程，低級的動作流程是復用性比較高的動作流程。復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，供高級動作流程調用。高級動作流程所對應現(xiàn)實設備功能主要有：啟動、復位與保護等功能［4］。啟動功能可以通過人機交互界面的設置不同而擁有不同的設備功能；復位功能是按一定的時間順序恢復預定的初始狀態(tài)；保護功能是通過監(jiān)控輸入設備的信號判斷設備是否故障，并做出相應的處理。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。時序層編寫功能時要求先設計保護功能，再編寫其它的動作功能，以保護人身與設備安全。

　　3實例

　　以汽車微電機壓裝控制系統(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、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的脈沖輸出，脈沖輸出可直接以電機運行狀態(tài)為對象進行封裝，其余輸出在程序中不需要大量重復使用，可以直接單獨調用。圖3為單次壓裝的流程，前三個過程為同向運動，為了提高工作效率，三個過程之間不能有停頓，“P點控制”可以達到此要求；慢速壓裝和快速退回運動方向相反，需要停頓，第三個過程完成后，直接退回到原點，快速退回功能用“E點控制”可以實現(xiàn)。除此外電機常用的控制還有“JOG運行（點動控制）”。通過壓裝流程可知該系統(tǒng)“P點控制”為三段控制，以“P點控制”為對象時，其“消息”由一個觸發(fā)條件、三個位置、三個速度組成；以“E點控制”為對象時，其“消息”由一個觸發(fā)條件、一個位置、一個速度組成；以“JOG運行”為對象時，其“消息”由一個觸發(fā)條件、一個旋轉方向、一個速度組成。為了適應于PLC動作過程的時序性特點，為每個對象添加一個單脈沖輸出信號。當對象動作執(zhí)行完成時，發(fā)出一個單脈沖信號，可以當做下一步動作的觸發(fā)條件。圖4為以FPWINGR為PLC編程軟件時的“E點控制”梯形圖。FPWINGR編程軟件不支持模塊封裝，但是不影響面向對象思維的使用。圖中R20為“E點控制”的觸發(fā)條件；雙字寄存器DT412的數(shù)據為“E點控制”的目標脈沖頻率（速度）；雙字寄存器DT414的數(shù)據為“E點控制”的目標位置。對象封裝的目的是避免數(shù)據隨意訪問，可以繼承�！癊點控制”中的電機屬性啟動速度（500Hz）、加減速時間（100ms）、正反方向的定義是以參數(shù)的形式固定在其中。當調用該對象時，默認的就繼承了其屬性。只需擴展多個內部繼電器觸發(fā)R20，就可用被多次調用繼承，即多態(tài)性。同理，可設計出“P點控制”與“JOG運行”的梯形圖。輸出層與外設層是時序層的基礎，時序層按一定的時間順序組合輸出層與外設層，并輔以必要的數(shù)據處理就形成了所需的功能。壓裝主流程主要有“P點控制”與“E點控制”模塊，加上時間延時、計數(shù)處理與力值峰值功能就形成了一個壓裝的大致功能，經過后期的調試與小范圍的修改就完成了一個功能的編寫。依此方法編寫各種所需功能，完成整個程序后，整體調試功能。后期維護需要修改某部分功能時，可以快速定位到要修改的層，再找到相應的模塊；增加功能時，可以迅速查到已有硬件的封裝模塊，直接在時序層增加要求的功能時序。

　　4結束語

　　通過分析與實際驗證，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，運行更穩(wěn)定。同時為程序調試、后期程序維護、程序功能擴展提供更有效而廣闊的空間。該方法適用于復雜控制系統(tǒng)，也適用于簡單控制系統(tǒng)，使復雜的控制系統(tǒng)集體設計時分工更加明確，性能更穩(wěn)定。

　　參考文獻

　�。�1］徐卓峰，王學軍．面向過程程序設計語言與面向對象程序設計語言及其特征比較［J］．中州大學學報，1997（1）：64－67

　�。�2］高云．計算機編程思想的發(fā)展研究［J］．軟件導刊，2012，11（11）：5－6

　　［3］張海藩．軟件工程導論［M］．5版．北京：清華大學出版社，2008（2）：203－211

　　［4］常海．基于OOP的PLC編程方法探討［J］．無線互聯(lián)科技，2014（2）：75－75