PLC編程的結(jié)構(gòu)化 ：走向成功的7個(gè)步驟

　　根據(jù)現(xiàn)代軟件開發(fā)環(huán)境的需求，國JI電工委員會(huì) (IEC) 的可編程邏輯控制器標(biāo)準(zhǔn)第 3 部分編程語言 IEC 61131-3   包括了強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)化工具。其中關(guān)鍵部分是順序功能圖 (SFC) 和用戶自定義的功能塊。兩者都為將控制系統(tǒng)分解成可管理的單元提供了一個(gè)很好的方法。

　　這些單元更容易被不同背景的人使用和理解。它提供了系統(tǒng)工程師、軟件開發(fā)人員以及安裝和維護(hù)人員之間缺失的環(huán)節(jié)。此外，它還為這些不同的群體提供了一種表達(dá)和交流的工具。

　　通過這種方式，在更大的應(yīng)用中，多專YE團(tuán)隊(duì)也可以相互協(xié)作，編制更易于理解和可復(fù)用的代碼，并在程序員、安裝和維護(hù)人員以及用戶之間提供不同級(jí)別的隔離。

　　此外，在軟件開發(fā)初期就可以進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和錯(cuò)誤處理。另一種方法，是在安裝過程中(甚至在運(yùn)行期間)創(chuàng)建這些程序，但對(duì)于供應(yīng)商(支持)和用戶(停機(jī))來說成本都太昂貴。

　　為控制系統(tǒng)編程提供結(jié)構(gòu)

　　控制系統(tǒng)代碼結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點(diǎn)很多，包括：更hao的系統(tǒng)概覽，不僅對(duì)原始程序員很重要，對(duì)安裝和維護(hù)人員也很重要;為多專YE開發(fā)團(tuán)隊(duì)的內(nèi)部溝通提供更hao的基礎(chǔ);不同職責(zé)之間的明確分離;更hao地關(guān)注真正的問題和可能的解決方案;以及可復(fù)用軟件的基礎(chǔ)。

　　結(jié)構(gòu)化是通過將問題分成更小的部分來完成的。這些部分可以進(jìn)一步細(xì)分。但這樣做也有局限性 ：不能無限制的持續(xù)細(xì)化，因?yàn)檫@會(huì)增加集成工作。

　　模塊化塊的使用涉及 5 個(gè)基本原則 ：

　　● 編程語言應(yīng)支持模塊化單元。

　　● 單元的組成方式和數(shù)量，應(yīng)使其具有ZUI少的接口和ZUI少的交互。

　　● 接口要小，需要ZUI少的數(shù)據(jù)交換。

　　● 模塊交互需要明確定義，以增加其可復(fù)用性。

　　● 模塊應(yīng)該提供數(shù)據(jù)封裝功能 ：應(yīng)用程序數(shù)據(jù)是分區(qū)的，每個(gè)分區(qū)只能由一組功能訪問，這 樣就可以將其隱藏起來，避免不必要的訪問。

　　編程軟件結(jié)構(gòu)化的 7 個(gè)步驟

　　以下 7 個(gè)步驟，為控制系統(tǒng)編程軟件的結(jié)構(gòu)化提供了一條成功之路 ：

　　● 識(shí)別控制系統(tǒng)的外部接口。

　　● 定義控制系統(tǒng)和工廠其它部分之間交換的主要信號(hào)。

　　● 定義所有操作人員的交互、覆蓋和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

　　● 控制問題分析，從頂層到邏輯分區(qū)，逐步分解。

　　● 定義所需的功能塊。

　　● 定義應(yīng)用程序不同部分的掃描周期要求。

　　● 通過定義資源、將程序與物理輸入和輸出相連接，以及將程序和功能塊分配給任務(wù)來配置系統(tǒng)。

　　IEC 61131-3 提供的合適環(huán)境可以支持這些步驟。下面將以發(fā)酵過程及其控制系統(tǒng)為例詳細(xì)探討編程軟件結(jié)構(gòu)化的過程。圖 1   是整個(gè)系統(tǒng)的示意圖。

　　發(fā)酵過程包括一個(gè)大容器，它可以裝滿液體(進(jìn)料閥)，可以用加熱帶加熱(通過對(duì)流冷卻)，   通過電機(jī)攪拌，并且可以添加酸和堿液進(jìn)入容器。處理完成后，就用收獲閥來收獲產(chǎn)品。要為此示例創(chuàng)建控制程序，需要完成上述 7個(gè)步驟 ：

　　步驟一

　　識(shí)別控制系統(tǒng)的外部接口，包括 ：

　　● 來自溫度傳感器的反饋 ;

　　● 來自 pH 傳感器的反饋 ;

　　● 來自閥門位置的反饋 ;

　　● 來自電機(jī)的反饋(速度);

　　● 輸出到閥門 ;

　　● 輸出到電機(jī) ;

　　● 輸出到加熱帶。

　　步驟二

　　定義控制系統(tǒng)和工廠其它部分之間交換的主要信號(hào)。

　　在該例中，系統(tǒng)與工廠的其余部分沒有耦合，但是在現(xiàn)實(shí)中不太可能。例如，人們可能需要   一個(gè)連接到容器的管道，該管道還需要接到接收系統(tǒng)，如容器或瓶子的運(yùn)輸系統(tǒng)。也可能與企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 系統(tǒng)耦合。

　　步驟三

　　定義所有操作人員交互、覆蓋和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

　　對(duì)于操作人員，我們定義了 “開始”、“停止”和“持續(xù)時(shí)間” 按鈕作為系統(tǒng)的輸入。

　　步驟四

　　控制問題分析，從頂層到邏輯分區(qū)，逐步分解。

　　這個(gè)過程有 5 個(gè)主要功能 ：

　　a. 主順序，例如，頂層工藝步驟——灌裝、加熱、攪拌、發(fā)酵、收獲、清潔 ;

　　b. 閥門控制，操作用于填充和清空容器的閥門 ;

　　c. 溫度控制，用于監(jiān)測(cè)容器溫度, 調(diào)節(jié)加熱器 ;

　　d. 攪拌器控制，用于根據(jù)主工藝順序的要求啟動(dòng)攪拌器電機(jī)。

　　e.pH 控制，用于監(jiān)測(cè)發(fā)酵內(nèi)容物的酸度，根據(jù)需要添加酸液或堿液。

　　步驟五

　　定義所需的功能塊。

　　使用上面的定義并向其添加(高級(jí))功能塊，我們就可以在編程語言中使用這些功能塊圖。發(fā)酵控制程序的功能塊圖如圖 2 所示。

　　圖 2 ：此圖表示的是發(fā)酵過程的功能塊圖，左側(cè)是輸入，右側(cè)是輸出。

　　功能塊主序列連接到運(yùn)行人員輸入。它由其它控制塊支持，這些塊連接到相關(guān)的輸入和輸出。這些附加塊可以是供應(yīng)商提供的塊，例如使用 PID 控制的溫度控制塊   ;也可以由您自己創(chuàng)建(圖 3 所示的就是用 SFC 構(gòu) 造序列)。

　　圖3 ：順序功能圖 (SFC) 提供了一種方法，可以將可編程控制器程序劃分為一系列的步驟和轉(zhuǎn)換，它們直接相互連接。

　　SFC   提供了一種方法，可以將可編程控制器程序劃分為一系列的步驟和轉(zhuǎn)換，它們直接相互連接。與每個(gè)步驟相關(guān)聯(lián)的是一組動(dòng)作，與每個(gè)轉(zhuǎn)移相關(guān)聯(lián)的是轉(zhuǎn)移條件。

　　從初始化開始，因?yàn)樵贒I1次啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，并不知道系統(tǒng)的狀態(tài)，所以我們必XU檢查閥門的位置等。然后開始填充，直至達(dá)到合適的液位。下一階段是加熱直到發(fā)酵過程開始。接著，進(jìn)入實(shí)際發(fā)酵過程控制部分。

　　完成后，收獲產(chǎn)品，然后清理干凈，準(zhǔn)備重新開始。這種分解，使每個(gè)參與者都清楚地了解所涉及的序列，并進(jìn)一步模塊化為功能塊，然后用 4   種語言中的任何一種來進(jìn)行編程。

　　現(xiàn)在要完成執(zhí)行級(jí)別的編程工作。這些工作可以分配給不同背景的人。為此，IEC 定義了 2 種圖形和 2   種文本編程語言，即指令列表、結(jié)構(gòu)化文本、梯形圖和功能塊圖，以ZUI好地滿足需要和手頭的問題。此外，如果需要，還可以通過 SFC 進(jìn)一步分解執(zhí)行塊。

　　步驟六

　　定義應(yīng)用程序不同部分的掃描周期要求。

　　在這個(gè)例子中，我們?cè)瓌t上只有一個(gè)循環(huán)，可以在連續(xù)模式下運(yùn)行?；蛘?，我們可以讓其定時(shí)運(yùn)行，例如每 20   毫秒運(yùn)行一次。剩余時(shí)間可用于附加序列，例如在收獲期間檢查，或控制運(yùn)輸 / 裝瓶系統(tǒng)，或檢查所有邊界和錯(cuò)誤條件。

　　步驟七

　　通過定義資源，將程序與物理輸入和輸出相鏈接，以及將程序和功能塊分配給任務(wù)來配置系統(tǒng)。該階段是專門針對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的。

　　它包括符號(hào)到 I/O   地址的物理映射。通過使用符號(hào)表示，可以獲得更HAO的硬件獨(dú)立性。這對(duì)于創(chuàng)建獨(dú)立于硬件的功能塊尤其有效。有了清晰的物理映射，在現(xiàn)場(chǎng)重新布線更容易完成。例如，交換兩個(gè)數(shù)字輸入的接線，在物理映射中只需更改   兩行，程序的其余部分仍然有效，無需更改。

　　在這里，資源是相互映射的，意味著無論哪個(gè)部分運(yùn)行在系統(tǒng)中的哪個(gè)處理器上，都能一一對(duì)應(yīng)。IEC 61131-3   支持多線程處理環(huán)境，盡管大多數(shù)系統(tǒng)實(shí)際仍使用一個(gè)處理器來處理程序。

　　用戶還必XU將任務(wù)映射到掃描周期和事件，如步驟 6   中定義的那樣。這樣，一個(gè)系統(tǒng)中可以有多個(gè)程序，例如這里描述的發(fā)酵過程，由整體檢查和控制支持，而其背后又有支持環(huán)境，例如供應(yīng)鏈前端的裝瓶或液位。

　　IEC 61131-3 編程標(biāo)準(zhǔn)為多層次的用戶和應(yīng)用，提供了強(qiáng)大的工具。使用高級(jí)   SFC，可以為正在開發(fā)的系統(tǒng)提供很好的概覽，從而提高可讀性和透明度。它為手頭的控制問題的模塊化提供了指導(dǎo)。此外，它還為區(qū)分不同的開發(fā)任務(wù)提供了基礎(chǔ)，并將注意力集中在實(shí)際編碼層，創(chuàng)建可復(fù)用的軟件代碼上。(作者：Eelco   van der Wal)

　　關(guān)鍵概念：

　　■ IEC 61131-3 編程標(biāo)準(zhǔn)為多層次的用戶和應(yīng)用提供了強(qiáng)大的工具。

　　■ 順序功能圖 (SFC) 和用戶衍生功能塊，是必不可少的部分。

　　思考一下：

　　您是否充分利用了IEC 6113-3 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)?

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