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PLC的面向?qū)ο缶幊?/h1>

高漸飛

2007/10/19 10:56:00

面向?qū)ο缶幊淌怯嬎銠C高級語言的一種先進的編程模式，在工業(yè)控制系統(tǒng)的PLC程序中也可以采用這種設計思想，雖然我們無法實現(xiàn)面向?qū)ο蟮暮芏鄡?yōu)秀特點如“繼承”，甚至于它根本就不具備面向?qū)ο缶幊陶Z言的特點，但面向?qū)ο缶幊痰幕靖拍罹褪穷惡皖惖膶嵗磳ο螅覀冎恍枰褂眠@種概念就可以了。在計算機編程中我們需要把一些事物抽象和歸納，才能編寫類，而在工業(yè)控制系統(tǒng)中，控制對象如：電機，閥等等是很明顯的控制類別，不需要抽象就可以很明顯的針對它們編寫類，以下將會用到西門子的Step7編程語言和施奈德的Unity 編程語言來講解PLC的面向?qū)ο缶幊獭? 一、 實現(xiàn)方式 在Step7中使用功能塊（即FB）編程，一談到此大家就會想到西門子提出的模塊化編程，不錯，就是這個模塊化編程，但西門子提出的模塊化、背景數(shù)據(jù)塊、多重背景等名詞并不能讓大家很明白的理解和使用這種優(yōu)秀的設計理念。如果大家從面向?qū)ο缶幊痰慕嵌热ダ斫?，則可以很好的理解這種設計模式?！癋B塊”被看成“類”，它可以被看成是對相似的控制對象的代碼歸納，如對MM440的變頻器可以編寫FB塊:MtrMM440,這在面向?qū)ο缶幊讨蟹Q為“類”，當需要編程控制具體的電機時，可以給它分配一個背景DB塊，在面向?qū)ο缶幊讨蟹Q為類的實現(xiàn)（即創(chuàng)建類的實例：對象），當需要控制多個電機時，可以分配不同的背景DB到這個FB塊，即創(chuàng)建類的多個實例。Step7中有另外一種程序塊，即FC塊，以FC塊為主的編程在西門子中稱為結構化編程，這也可以類比于計算機編程中的面向過程編程，即純粹以函數(shù)為主體的編程。 施奈德的Unity軟件編程可以更好的理解面向?qū)ο缶幊獭Ｋ腄FB定義中包含輸入/輸出參數(shù)，私有/共有變量，以及代碼實現(xiàn)，而這正是計算機的面向?qū)ο缶幊讨小邦悺钡幕驹?，而?chuàng)建類的實例（對象）就像創(chuàng)建普通的“布爾”變量一樣，只需在“Function Blocks”中定義這種“類”的變量即可。 Step7和Unity都可以采用面向過程和面向?qū)ο缶幊谭绞?，這兩種編程方式的區(qū)別類似于計算機高級語言中的C語言和C++語言編程的區(qū)別。 以下的講解將會把Step7中的FB和Unity中的DFB稱為“類”，Step7中的FB+背景DB以及Unity中DFB的實例稱為“對象”。 二、 面向?qū)ο缶幊碳軜? 以上講解的是實現(xiàn)細節(jié)，而編程思想是建立在程序架構上的，不是某個局部使用了面向?qū)ο蠓绞剑瑒t可以稱之為這種編程就是面向?qū)ο缶幊?。這種編程需要從以下方面著手： 1、 電路設計的結構化。 這里主要以自動線為主介紹，對于單機機床可以是它的簡化結構， <1>、自動線層：這是最高層次，它擁有一個主PLC，對屬于它下面的各區(qū)域控制 <2>、工程層：擁有獨立的配送電系統(tǒng)，但沒有PLC，只有分布式模塊，由自動線控制。顧名思義，它有著較大的獨立性，可以作為一個單獨的工程項目設計和制造，當自動線比較小時，可以省略該層次。 <3>、功能組層：根據(jù)工藝劃分，將實現(xiàn)某一個工藝功能的區(qū)段設備劃分為一個功能組，它隸屬于工程層，當工程層被省略時，隸屬于自動線層。 面向?qū)ο缶幊滩⒉灰欢ㄒ笫褂靡陨系慕Y構，但好的電氣結構更利于面向?qū)ο缶幊獭?2、 任何控制對象邏輯都在“類”中實現(xiàn)。 為了做到這點，必須分析與控制對象相關的信息，譬如，對于一個電機，有以下相關的信息需要考慮： 輸入信息： <1>、電路保護信息，如電機的空氣開關，熱繼電器等。 <2>、功能保護信息，如運動電機的限位開關，風機的風壓開關，油泵的油位開關等。 <3>、啟動和終止條件，以上的電路保護和功能保護都可能導致電機運轉(zhuǎn)終止，復位也可能導致重啟動，但這里的條件指的是正常運行的啟動和終止條件，譬如順序控制的流程步。 <4>、控制模式：如手動和自動等。 <5>、故障復位：通過復位信息，重新啟動。 輸出信息： <1>、控制輸出，如控制電機的主接觸器。 <2>、狀態(tài)信息輸出 <3>、故障輸出 。。。 狀態(tài)儲存信息： 用于代碼實現(xiàn)的中間變量以及可以被人機界面讀出的狀態(tài)變量等 把以上信息都整合到一個類中，并盡量使類的參數(shù)標準化。不過，同高級編程語言還是曾在一些差別，針對Step7,應該遵循的標準是：程序結構由FC實現(xiàn)，對象控制由FB實現(xiàn)，如下的一種結構體系（其電氣結構來自上面的介紹）： 這只不過是一個粗略的PLC程序架構體系，好的架構應該更完善和科學。 3、 規(guī)劃好數(shù)據(jù)結構 數(shù)據(jù)結構的定義相當重要，并盡量統(tǒng)一這些結構，不要顧慮存儲空間，當今的PLC內(nèi)存足以容納大量的數(shù)據(jù)。說明一點的是在Step7中盡量不要在類的外部定義數(shù)據(jù)結構(UDT),而是在類里面定義，雖然會造成不同類中同一結構的重復性定義，但卻提高了類的獨立性。 三、 優(yōu)越性 1、 標準化 使用這種設計模式，可以將程序設計分為兩個階段，即標準庫、基本架構開發(fā)，以及實際應用層面設計。其中標準庫、基本架構是制定程序標準化的基礎，而應用層設計是針對具體的控制工程編程，這樣可以把程序設計人員分成兩類，一類是標準開發(fā)，由資深程序員負責，一類是應用設計（其中程序調(diào)試規(guī)劃到應用設計），由經(jīng)過標準化培訓的一般程序員完成，通過這種分配就可以解決中國工業(yè)自動化中面臨的尷尬局面。傳統(tǒng)的中國控制工業(yè)，一個程序設計由一個人完成，這樣他還必須負責現(xiàn)場調(diào)試，而擁有豐富經(jīng)驗的程序員一般是三十歲后，這時他已經(jīng)成家，而顯然長期出差對家庭不利，很多優(yōu)秀的程序員為了家庭考慮不得不改行，要么轉(zhuǎn)到管理崗位，要么去制造工廠搞設備維護，這是資源的嚴重流失。毫無疑問，使用以上的設計流程，我么可以讓經(jīng)驗豐富的程序員搞標準庫和架構的設計，而讓剛踏入這個行業(yè)的年輕人搞應用設計和調(diào)試，這不僅可以讓老程序員繼續(xù)他自己的工作，而不影響家庭，也可以讓年輕的程序員參入現(xiàn)場調(diào)試，培養(yǎng)自己的經(jīng)驗，提高自己的收入。 這可能讓某些人士擔心，認為年輕的程序員可以參加現(xiàn)場的調(diào)試嗎？可以肯定的是沒有標準化支撐的程序不僅年輕的程序員編不出來，而且現(xiàn)場調(diào)試會問題多多。但有了好的標準化后，一年半以上工作經(jīng)驗的程序員就應該能夠獨立面對自動線。 PLC中的面向?qū)ο缶幊痰暮诵木褪呛谙蛔泳幊?，針對Step7,我們使用FB去實現(xiàn)每一個對象的控制，控制邏輯、報警處理、信號交換全在FB中，對于應用設計人員，不需要明白里面的代碼實現(xiàn)，只需要了解該FB的功能以及如何使用好它就行，這樣對于應用程序人員的編程能力要求大大降低，對于編程只不過是遵循架構，拷貝代碼，改變輸入輸出條件而已。 那么調(diào)試呢？很多人認為使用FB編程的最大麻煩就是FB的多次調(diào)用后，根本無法診斷這些代碼，從技術層面上講確實如此，我們除了從背景DB上查看信息外，是無法在它多次被調(diào)用后監(jiān)控代碼的，但我已說過，這是黑匣子編程，我們不需要診斷這些代碼，只需要知道什么樣的輸入、什么樣的參數(shù)設定導致什么樣的輸出就行，代碼的邏輯與功能好壞是由標準庫開發(fā)人員負責的，這就要求標準開發(fā)人員需要對他設計的功能塊在不同條件下進行不同的測試，保證無誤，還需要編寫完整、詳盡的功能說明文檔，以便于應用設計人員了解這些塊，標準架構并不是制定出來就一勞永逸的，針對千變?nèi)f化的工程，它是需要不斷完善和修訂的，這也是一個工程公司可以實實在在進行知識積累的地方。 程序不僅需要給調(diào)試人員使用，而且用戶（設備維護人員）也需要了解，如果把完整的標準庫文檔給用戶，可能曾在技術外泄的可能，若不給，對他們診斷設備可能曾在困難，這就需要標準制定人員制作另外一分文檔，即設備維護文檔，其知識的透漏以用戶能夠使用程序進行診斷為限。 2、 重用性和易管理型 計算機面向?qū)ο缶幊痰膬?yōu)點也有重用性和易管理型，在PLC中也曾在，以Step7為例，需要討論FC和FB的差異。觀察數(shù)據(jù)類型，F(xiàn)B比FC只不過多一個“STAT”類型，在使用上FB需要背景DB，F(xiàn)C不需要，但就這個差別導致FB擁有自己獨立的數(shù)據(jù)儲存空間，而FC的數(shù)據(jù)儲存卻必須借助公有變量（如中間變量M或者共享DB），有這樣一種準則，程序塊的獨立性越強，其重用性也越好，產(chǎn)生數(shù)據(jù)訪問沖突的可能性也更少，則更易于管理。有些公司生產(chǎn)的PLC，其程序語言沒有類似FB 的這種特性，這時可以采用類似“FC+共享DB”的替代方案解決，但它的獨立性已經(jīng)大大降低。 同樣的代碼的獨立性是標準制定的一個重要環(huán)節(jié)，很難想象一個與其他功能塊之間有著千絲萬縷聯(lián)系的功能塊能夠被作為標準塊在不同工程中有效的重復使用。 縱觀計算機語言的發(fā)展，最開始的編程都是令人恐怖的，而當今的編程讓人們得到很大的解脫，有很多現(xiàn)成的標準類庫實用，人們可以把更多的編程精力放在實現(xiàn)功能本身上，PLC編程也應該朝這種方向發(fā)展，應該讓更多的人從事應用層面的設計，那些標準功能塊不應該重復的被不同人員開發(fā)，雖然各大PLC廠開發(fā)了大量的程序庫，但工業(yè)控制對象各式各樣，不同行業(yè)都應該擁有自己的程序庫，而代碼的可重用性是評價這些功能塊好壞的關鍵。 3、 設計思想的先進性 在電路圖設計中我們早已經(jīng)在使用針對控制對象的繪圖方式，即把基本的主配送電路和PLC配置完成后，我們會針對每一個現(xiàn)場控制對象如：電機、閥、氣缸等控制對象繪制電路圖，他們的電源來自主配送電路，控制和反饋與PLC建立連接，硬件連鎖根據(jù)實際情況調(diào)整，一個個控制對象就象搭建積木一樣有組織的堆積起來，同樣的，編程也是針對一個個控制對象使用相應的標準控制塊實現(xiàn)就可以，把程序控制細節(jié)實現(xiàn)了有效的封裝，使程序看起來簡潔和易于維護，而好的設計可以把原理圖和程序進行很好的關聯(lián)，甚至于做到一對一的關系，如原理圖中的一個控制對象可以在程序中找到相應的FB調(diào)用與之對應，真正做到<

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