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　　原文地址：面向?qū)ο蟮腜LC編程方法ZT作者：浪潮
　　
　　1引言
　　
　　可編程控制器PLC因其操作簡單、性能可靠而得到廣泛使用。各種類型的可編程控制器充
　　
　　分享微經(jīng)驗(yàn)，讓更多的人受益
　　
　　快去分享吧!!!
　　
　　斥著市場。作為可編程控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說，面對不同型號的PLC控制器要進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)隨控制器型號的變化通常只需做很小的改動，甚至根本不必作出修改。但是對于程序設(shè)計(jì)部分來說，改動結(jié)果往往是面目全非。有時還不如根據(jù)新的控制器型號重新設(shè)計(jì)。雖然可編程控制器程序相對于各種大型計(jì)算機(jī)應(yīng)用軟件來說要簡單得多，但是應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)中遇到的問題在可編程控制器程序設(shè)計(jì)中也同樣存在，如：交流問題、需求不斷變化及軟件復(fù)用等問題。面向?qū)ο蠹夹g(shù)正是解決這些問題的方法。本文首先總結(jié)幾個常用的設(shè)計(jì)方法，然后提出一種面向?qū)ο蟮目删幊炭刂破鞒绦蛟O(shè)計(jì)方法。
　　
　　2常用方法介紹
　　
　　1．組合邏輯函數(shù)法
　　
　　可編程控制器是隨傳統(tǒng)繼電器邏輯的發(fā)展而誕生的。電氣控制線路與邏輯代數(shù)有一一對應(yīng)的關(guān)系。具體設(shè)計(jì)時是首先根據(jù)控制要求列出邏輯代數(shù)表達(dá)式，然后對邏輯代數(shù)進(jìn)行化簡，zui后根據(jù)化簡后的邏輯代數(shù)表達(dá)式畫出梯形圖，得出程序。
　　
　　此種方法簡單直觀。程序經(jīng)化簡后而得，顯得非常精練。對于那些對電氣控制線路熟悉的設(shè)計(jì)人員來說，容易接受這種設(shè)計(jì)方法。
　　
　　但是，換個角度來說，程序化簡后系統(tǒng)的冗余性和安全性不好體現(xiàn)。精練的程序使得調(diào)試時很難判斷出問題的確切位置，并且程序很小的變化往往涉及全盤變動。另外，邏輯代數(shù)只適用于系統(tǒng)開關(guān)量的設(shè)計(jì)，模擬量需求助于其它的方法。然而，一個系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量設(shè)計(jì)往往是緊密結(jié)合不可分的。
　　
　　2．功能轉(zhuǎn)移圖法
　　
　　這是一種順序控制系統(tǒng)的圖解表示法。適用于處理順序、隨機(jī)等類型的問題。此種方法就象制造工廠的流水線，干完一道工序才能進(jìn)行下一道工序，直至zui后整個工藝流程結(jié)束。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時，首先按控制要求劃分出一個個功能塊，然后根據(jù)工藝流程將各個功能塊進(jìn)行排序，zui后整合成滿足用戶需求的系統(tǒng)。
　　
　　很顯然，在利用這種方法編制的程序中每個功能塊只與前后功能塊有接口，之間僅僅存在功能轉(zhuǎn)移的關(guān)系。對于柔性制造系統(tǒng)，它的各個組成元素需并行運(yùn)行，協(xié)同動作，對資源并具有競爭性。前兩種方法都是無法滿足這種要求的。
　　
　　3．Petri網(wǎng)分析法
　　
　　用Petri網(wǎng)描述的系統(tǒng)有一個共同的特征：系統(tǒng)的動態(tài)行為表現(xiàn)為資源（物質(zhì)資源和信息資源）的流動?？删幊炭刂破鞯目刂七壿嫵浞煮w現(xiàn)了這一特點(diǎn)，即誰條件滿足誰就得電，得電者才能動作。該方法的具體設(shè)計(jì)步驟如下：
　　
　?。?）各個執(zhí)行元件、位置檢測元件、啟動信號等都作為Petri的狀態(tài)元素。
　　
　?。?）對每個切換主令信號采用一個轉(zhuǎn)換表示。
　　
　?。?）設(shè)置啟動狀態(tài)，并列出各個狀態(tài)標(biāo)志。
　　
　　（4）設(shè)計(jì)Petri網(wǎng)的各個分程序。
　　
　?。?）對于協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，將要協(xié)調(diào)的各個單元主令信號進(jìn)行約束。
　　
　?。?）對競爭控制系統(tǒng)、并發(fā)性的系統(tǒng)采用并行程序，循環(huán)型的系統(tǒng)采用與單序列程序相似的方法處理。
　　
　?。?）分配地址，列出邏輯方程，進(jìn)行編程。
　　
　　Petri
　　
　　網(wǎng)具有圖形的性質(zhì)，能清楚地描述并行系統(tǒng)的所有現(xiàn)象。系統(tǒng)中的死鎖等不安全因素都能通過可達(dá)樹和關(guān)聯(lián)矩陣等分析手段揭示出來。Petri網(wǎng)分析方法不僅可用于可編程控制器的程序設(shè)計(jì)，而且還可用于對程序中模型進(jìn)行分析。然后根據(jù)構(gòu)造出的模型直接設(shè)計(jì)程序，控制并行系統(tǒng)的運(yùn)行。
　　
　　Petri網(wǎng)的優(yōu)良特性受到人們的喜愛，但其狀態(tài)空間爆炸是性能數(shù)量分析技術(shù)面臨的主要問題。Petri網(wǎng)理論的不斷發(fā)展雖然對解決狀態(tài)空間爆炸帶來一定的進(jìn)展，但是不能從根本上解決狀態(tài)空間隨模型增長而指數(shù)性增長的問題，因而對復(fù)雜和大規(guī)模系統(tǒng)模型的分析求解仍然是極大的挑戰(zhàn)。
　　
　　3面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法
　　
　　面向?qū)ο蠹夹g(shù)在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中，OOA（面向?qū)ο蠓治觯╇A段建立的系統(tǒng)模型映射到OOP（面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)）階段的程序代碼非常方便，因?yàn)橄驝++、VC++、JAVA等編程語言都是面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言。類的封裝、重載、繼承都很容易實(shí)現(xiàn)。OOA階段建立的系統(tǒng)模型包括基本模型和補(bǔ)充模型兩部分?；灸Ｐ褪且粋€類圖。補(bǔ)充模型提供了幫助理解基本模型的主題圖和反映系統(tǒng)如何滿足用戶需求的交互圖。本文首先分析可編程控制器程序設(shè)計(jì)OOA階段的系統(tǒng)模型，主要涉及類圖和交互圖的建立，然后將建立好的類圖和交互圖與具體的梯形圖起來。在面向?qū)ο蠓治龇椒ㄖ杏妙悎D來表示對象模型。在可編程控制系統(tǒng)中對象的發(fā)現(xiàn)非常方便，即就是控制對象。對控制對象進(jìn)行相應(yīng)的控制就是代表用戶的需求。然后將系統(tǒng)中所有對象進(jìn)行分類，相同的歸為一類。
　　
　　1．基類的建立
　　
　　zui基本的控制對象無外乎就是單個的繼電器，如圖1實(shí)線部分。此對象的屬性即是繼電器的狀態(tài)。服務(wù)操作是控制繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)。
　　
　　圖1
　　
　　大部分基類均可如上圖所示建立，只需將屬性替換掉，換成定時器或計(jì)數(shù)器等。相應(yīng)的服務(wù)更名為定時器啟動和定時器停止，屬性則為啟動定時器和停止定時器。
　　
　　對于一些PID模塊，我們不必考慮太多其積分、比例、微分等參數(shù)，因?yàn)檫@些都是人為事先設(shè)定的，其它模塊以及PID模塊本身都無法改變它們,所以頂多將它們設(shè)為屬性，而不必為它們設(shè)置相應(yīng)的服務(wù)。這樣，我們對PID模塊類只需根據(jù)它的輸入輸出添加一些服務(wù)和屬性，如圖1虛線部分。
　　
　　2．派生類的建立
　　
　　其實(shí)，對那些稍微有一些PLC基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)人員來說，基類早已存在他們的腦中，拿來即可用。建立派生類才是真正的PLC程序設(shè)計(jì)的開始。
　　
　　——類的繼承
　　
　　在C++編程中，我們可以先編好擁有畫圖的基類，把共同需要的畫刷、畫筆、背景等都設(shè)置好，并且還可定義很多共同需要的成員變量和成員函數(shù)。具體畫矩形還是圓先不管，zui后在基類的基礎(chǔ)上再派生出相應(yīng)的畫矩形類和畫圓類。在PLC編程時繼承非常容易實(shí)現(xiàn)，只需將基類梯形圖中的繼電器線包換成定時器或計(jì)數(shù)器。前頭的控制邏輯不必變。如果要繼承的并不是簡單的一個定時器或計(jì)數(shù)器，而是另一段邏輯回路，則只需取一個基類繼電器的觸點(diǎn)引入到自己的回路中。這樣即可原封不動地繼承基類的控制邏輯。
　　
　　——類的重載
　　
　　當(dāng)然有時派生類只想繼承部分基類的邏輯，某些部分則保留自己的特色。在此只能先復(fù)制基類的邏輯圖，然后在需重載的部分做小范圍的修改，而保留基類的大部分邏輯。
　　
　　——類的虛擬與多態(tài)
　　
　　此處與類的重載有一定的相似，都是對基類的某一小部分進(jìn)行修改而派生出自己所需的類。但是為實(shí)現(xiàn)類的虛擬還需做一些特殊處理。在基類的構(gòu)造時，將需要實(shí)現(xiàn)虛擬的邏輯部分獨(dú)立出來，用一中間繼電器代表虛擬部分實(shí)現(xiàn)的功能。這樣以后的派生類需重載虛擬部分時非常容易實(shí)現(xiàn)，只需將相應(yīng)的中間繼電器邏輯做一些改動，不會牽涉太多其它的邏輯回路。
　　
　　3．對象模型的封裝
　　
　　在我們把所需的基類和派生類建立好后，就要考慮對象模型的建立。對象模型即就是把對象內(nèi)部的具體邏輯回路的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)封裝起來，提供程序設(shè)計(jì)人員一個簡單直觀的接口。如圖2實(shí)現(xiàn)了一個變頻器控制的簡單封裝。
　　
　　圖2
　　
　　此變頻器控制要求：開變頻器時先將J1（給變頻器供電的接觸器）吸合，延時一段時間T1后才把B1（變頻器啟動接觸器）吸合，啟動變頻器；變頻器停止時，先停掉變頻器，即斷開B1,延時T2時間后才去斷開J1接觸器，斷開變頻器的電源。如圖2實(shí)現(xiàn)了一個這樣的變頻器控制。此變頻器對外的接口為：為J1、B1繼電器狀態(tài)提供四個屬性，而外來觸點(diǎn)BP1形成此類的兩個服務(wù)。至于T1、T2定時器*被封裝在此類中，屬于該類的細(xì)節(jié)。如果用到一些中間繼電器，它們都可封裝為內(nèi)部細(xì)節(jié)。
　　
　　其實(shí)，我們?yōu)榱藴p輕后頭交互圖的復(fù)雜度，*可以進(jìn)一步封裝。例如：在一個化學(xué)水處理系統(tǒng)中，先把所需型號的閥門、泵、分析儀表等基本控制對象邏輯封裝好，然后在對每一個陽床、陰床、混床（每種床都包括若干個閥門、分析儀表等）進(jìn)一步封裝。這個時候我們需要按照具體的工藝流程編排各個閥門、泵等的動作。該高層類接口對外提供：屬性僅為一些主要部件的工作狀態(tài)，從動設(shè)備的狀態(tài)則無需理會；服務(wù)則可以是一系列工作方式，即陽床和陰床根據(jù)不同的工作方式實(shí)現(xiàn)不同的控制。封裝到這一層后，我們的水處理系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)部分就已經(jīng)完成了大半工作。zui后只需根據(jù)不同的工作方式組織對象模型。
　　
　　4．外部信號與對象模型的交互
　　
　　外部信號是存在對象模型之外的、調(diào)用對象模型的操作并且改變對象模型的狀態(tài)的信號，比如：改變工作方式的外部液位信號（液位控制系統(tǒng)）、汽輪機(jī)的工作狀態(tài)（汽機(jī)保護(hù)系統(tǒng)）、工作方式選擇開關(guān)（適用大部分系統(tǒng)）。外部信號只是一個相對的概念，因?yàn)橐粋€處于某一對象模型外部的信號有可能被封裝在更高一層的對象模型中。每個對象模型對于不同的外部信號所作的響應(yīng)是不同的，所以交互后對象模型的狀態(tài)也不一樣。其實(shí)，對于同樣的外部信號，由于對象模型的初始狀態(tài)不同，交互后的結(jié)果也可能不同。
　　
　　使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)中的概念，交互圖是一種詳細(xì)表示對象之間以及系統(tǒng)外部信號與對象交互情況的圖形文檔。在此我們對交互圖的繪制不必拘泥于某一特定的形式，具體情況具體應(yīng)用，根據(jù)不同的控制工藝采取的圖解方式。當(dāng)然，是采用大家非常熟悉的方法，如流程圖、狀態(tài)變遷圖、功能表圖等。對于對象模型之間存在資源競爭和并行執(zhí)行關(guān)系的系統(tǒng)也可借鑒Petri網(wǎng)來分析，但是狀態(tài)空間的爆炸問題在對象模型的高層次的封裝后顯得不是那么突出了。
　　
　　例1：流程圖式交互圖（化學(xué)水處理系統(tǒng)為例）
　　
　　此處只給出了一個外部信號與對象模型交互的情況，完整的交互圖應(yīng)包括所有外部信號的交互情況。如圖3，外部信號是方式開關(guān)打在“樹脂回收”的位置，啟動樹脂回收工作方式。首先執(zhí)行的操作是混床的“倒出樹脂“操作，將陰、陽樹脂分別倒出至陰床和陽床。然后并行調(diào)用陽床的“陽樹脂回收”操作和陰床的“陰樹脂回收”操作，進(jìn)行樹脂回收處理。直至處理好的樹脂又都倒回至混床才結(jié)束。從這可以看出，步驟很象普通的功能轉(zhuǎn)移法，一個功能執(zhí)行完后接著下一個功能開始。但是思路*是兩個方向，一個是功能細(xì)化，一個是層次構(gòu)造。對于簡單系統(tǒng)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法體現(xiàn)不出其太多優(yōu)點(diǎn)，有時還是多次一舉。但是系統(tǒng)復(fù)雜度一增加，*性能就突出來，具體見后頭的性能分析。
　　
　　圖3
　　
　　例2：狀態(tài)變遷式交互圖（多變頻器聯(lián)鎖控制為例）
　　
　　如圖4是一個三變頻器聯(lián)鎖控制的狀態(tài)變遷圖。三個變頻器*相同，所以對象模型非常好定義，三個對象取至同一個類中，就是圖2中封裝的變頻器再加上一個工頻回路。工頻就是變頻器的滿功率運(yùn)行，變頻是變頻器調(diào)節(jié)方式運(yùn)行，兩者互相聯(lián)鎖。某一時刻變頻器只能工作在一種方式。方框中數(shù)字表示三個變頻器的工作狀態(tài)，分別用逗號隔開，前一數(shù)字表示變頻方式，后一數(shù)字表示工頻方式。例如：01，01，10表示1#變頻器為工頻方式，2＃變頻器為工頻方式，3＃變頻器在變頻方式。
　　
　　此系統(tǒng)定義了三個外部信號：泵出口壓力低PL、泵出口壓力高PH、12小時時間倒。
　　
　　——PL導(dǎo)致的狀態(tài)變遷如粗實(shí)線（箭頭向下）的所示，通過比較變遷所引起的前后狀態(tài)變化，我們可知變遷所需要調(diào)用的對象模型的操作。0－1需調(diào)用“開啟變頻或工頻”操作，1－0則實(shí)調(diào)用“停止變頻或工頻”操作。
　　
　　——PH引起的變遷如細(xì)虛線（箭頭向上）所示。
　　
　　——每隔12小時發(fā)出得時間到信號引起的變遷如細(xì)實(shí)線（三個循環(huán)回路）所示。
　　
　　圖4
　　
　　4面向?qū)ο蠓椒ǖ男阅芊治?br />　　
　　1．交流問題
　　
　　從程序結(jié)構(gòu)來講，程序?qū)哟畏浅Ｃ髁?，zui底層的基類即就是PLC手冊中的指令說明?；究刂茖ο笕玳y門、泵等的控制邏輯回路即是*層派生類，讀者很容易分清哪些控制回路是控制閥門的，哪些是控制泵的。然后是對象模型封裝部分。有了底層基本對象的封裝，再加上對象模型與具體實(shí)物對象的緊密，這部分程序也是非常清晰。zui后是對象模型與外部信號的交互部分。根據(jù)流程圖或狀態(tài)變遷圖很容易掌握功能實(shí)現(xiàn)所需操作的來龍去脈。所以，如果大家都以這種統(tǒng)一的三層結(jié)構(gòu)編制PLC程序，交流問題就不存在了。
　　
　　2．需求不斷變化問題
　　
　　需求的變化在PLC程序設(shè)計(jì)過程中是不可避免的，尤其對現(xiàn)場調(diào)試人員是一大考驗(yàn)。在現(xiàn)場調(diào)試時，通常都是條件差，交工時間催得緊的情況，而且用戶是不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷地要求修改。所以，一個結(jié)構(gòu)明了、思路清晰的程序非常重要。應(yīng)用面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)方法就能給出這樣一個應(yīng)變能力強(qiáng)的程序。PLC系統(tǒng)的需求變化無外乎是控制對象改型、控制工藝更改、外部信號要求的功能改變?nèi)N。
　　
　?。?）控制對象改型即就是閥門或泵的型號更改，這時我們只需在程序的基本控制對象部分找出相應(yīng)對象的程序段，將其進(jìn)行修改。這樣即實(shí)現(xiàn)了控制對象的改型。用到該控制對象的程序部分都可保持原樣不變。
　　
　　（2）控制工藝更改就像陽床（化水處理系統(tǒng)）的某一工作方式操作步的更改。比如陽床中閥門控制的順序的改變，或者增刪一些閥門。此部分的需求正好對應(yīng)的是高層封裝的對象模型。對付方法也是找到相應(yīng)的對象模型程序段，作出修改。
　　
　?。?）外部信號要求功能的改變即就是外部信號引起的控制流程發(fā)生變化。我們所要做的工作的是針對需求改變的外部信號重新畫交互圖。根據(jù)交互圖重新編制與該外部信號交互的程序段?？梢钥闯觯覀冡槍Σ煌男枨笞兓加蟹浅Ｃ鞔_的目標(biāo)。每次的修改只涉及相應(yīng)的程序段，對程序其他部分沒有影響。我們的程序之所以對變化比較有彈性，主要是因?yàn)槌绦虻膶哟畏庋b結(jié)構(gòu)。
　　
　　3．軟件復(fù)用問題
　　
　　面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)方法在軟件復(fù)用方面是優(yōu)勢明顯的。對于基本控制回路，直接可以挪用。高層封裝的對象模型對于那些業(yè)務(wù)很單一的公司非常有用。比如專門設(shè)計(jì)鍋爐控制系統(tǒng)的公司，它可以將復(fù)雜的三沖量計(jì)算公式封裝在對象模型中，只需對同外部信號交互的程序部分稍作修改就可滿足各種用戶需求。
　　
　　4．存儲空間問題
　　
　　面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法是一種浪費(fèi)的習(xí)慣。用此方法設(shè)計(jì)的程序冗余部分非常多。但是，PLC硬件的發(fā)展已經(jīng)使得這不是一個問題，CPU的存儲空間通常都是綽綽有余。適當(dāng)?shù)娜哂嗍沟孟到y(tǒng)的安全性提高、結(jié)構(gòu)更加明了、調(diào)試更加方便，沒有必要再節(jié)省這龐大的存儲空間。
　　
　　5結(jié)束語
　　
　　面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)方法同其它方法相比，有時顯得大同小異。因?yàn)樵诜治鐾獠啃盘柵c對象模型的交互情況時，還是采用老方法。但是，正是面向?qū)ο蟾拍畹淖⑷耄?guī)定了程序設(shè)計(jì)的層次分析結(jié)構(gòu)，使得程序可讀性大大增強(qiáng)，易于人員之間的交流；程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)的清晰性使得程序?qū)τ谟脩粜枨蟮淖兓瘧?yīng)變能力非常強(qiáng)；對象模型的封裝便于功能代碼的移植。至于交互圖的表示形式，目前還是與程序設(shè)計(jì)人員的舊思維習(xí)慣兼容更好。等到PLC指令系統(tǒng)充分*以及PLC設(shè)計(jì)人員*接受面向?qū)ο笏枷牒?，交互圖自然會有它的統(tǒng)一格式。