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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?jì)算機(jī)高級(jí)語言的一種先進(jìn)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(shè)計(jì)思想，雖然我們無法實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮暮芏鄡?yōu)秀特點(diǎn)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(diǎn)，但面向?qū)ο缶幊痰幕靖拍罹褪穷惡皖惖膶?shí)例（即對(duì)象），我們只需要使用這種概念就可以了。在計(jì)算機(jī)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(duì)象如：電機(jī)，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(duì)它們編寫類，以下將會(huì)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(shí)現(xiàn)方式 在Step7中使用功能塊（即FB）編程，一談到此大家就會(huì)想到西門子提出的模塊化編程，不錯(cuò)，就是這個(gè)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(shè)計(jì)理念。如果大家從面向?qū)ο缶幊痰慕嵌热ダ斫猓瑒t可以很好的理解這種設(shè)計(jì)模式。“FB塊”被看成“類”，它可以被看成是對(duì)相似的控制對(duì)象的代碼歸納，如對(duì)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(dāng)需要編程控制具體的電機(jī)時(shí)，可以給它分配一個(gè)背景DB塊，在面向?qū)ο缶幊讨蟹Q為類的實(shí)現(xiàn)（即創(chuàng)建類的實(shí)例：對(duì)象），當(dāng)需要控制多個(gè)電機(jī)時(shí)，可以分配不同的背景DB到這個(gè)FB塊，即創(chuàng)建類的多個(gè)實(shí)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(jié)構(gòu)化編程，這也可以類比于計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)，而這正是計(jì)算機(jī)的面向?qū)ο缶幊讨小邦悺钡幕驹兀鴦?chuàng)建類的實(shí)例（對(duì)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缶幊谭绞剑@兩種編程方式的區(qū)別類似于計(jì)算機(jī)高級(jí)語言中的C語言和C++語言編程的區(qū)別。 以下的講解將會(huì)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(shí)例稱為“對(duì)象”。 二、 面向?qū)ο缶幊碳軜?gòu) 以上講解的是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而編程思想是建立在程序架構(gòu)上的，不是某個(gè)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缶幊獭＿@種編程需要從以下方面著手： 1、 電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化。 這里主要以自動(dòng)線為主介紹，對(duì)于單機(jī)機(jī)床可以是它的簡化結(jié)構(gòu)， <1>、自動(dòng)線層：這是最高層次，它擁有一個(gè)主PLC，對(duì)屬于它下面的各區(qū)域控制 <2>、工程層：擁有獨(dú)立的配送電系統(tǒng)，但沒有PLC，只有分布式模塊，由自動(dòng)線控制。顧名思義，它有著較大的獨(dú)立性，可以作為一個(gè)單獨(dú)的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和制造，當(dāng)自動(dòng)線比較小時(shí)，可以省略該層次。 <3>、功能組層：根據(jù)工藝劃分，將實(shí)現(xiàn)某一個(gè)工藝功能的區(qū)段設(shè)備劃分為一個(gè)功能組，它隸屬于工程層，當(dāng)工程層被省略時(shí)，隸屬于自動(dòng)線層。 面向?qū)ο缶幊滩⒉灰欢ㄒ笫褂靡陨系慕Y(jié)構(gòu)，但好的電氣結(jié)構(gòu)更利于面向?qū)ο缶幊獭?2、 任何控制對(duì)象邏輯都在“類”中實(shí)現(xiàn)。 為了做到這點(diǎn)，必須分析與控制對(duì)象相關(guān)的信息，譬如，對(duì)于一個(gè)電機(jī)，有以下相關(guān)的信息需要考慮： 輸入信息： <1>、電路保護(hù)信息，如電機(jī)的空氣開關(guān)，熱繼電器等。 <2>、功能保護(hù)信息，如運(yùn)動(dòng)電機(jī)的限位開關(guān)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓開關(guān)，油泵的油位開關(guān)等。 <3>、啟動(dòng)和終止條件，以上的電路保護(hù)和功能保護(hù)都可能導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)終止，復(fù)位也可能導(dǎo)致重啟動(dòng)，但這里的條件指的是正常運(yùn)行的啟動(dòng)和終止條件，譬如順序控制的流程步。 <4>、控制模式：如手動(dòng)和自動(dòng)等。 <5>、故障復(fù)位：通過復(fù)位信息，重新啟動(dòng)。 輸出信息： <1>、控制輸出，如控制電機(jī)的主接觸器。 <2>、狀態(tài)信息輸出 <3>、故障輸出 。。。 狀態(tài)儲(chǔ)存信息： 用于代碼實(shí)現(xiàn)的中間變量以及可以被人機(jī)界面讀出的狀態(tài)變量等 把以上信息都整合到一個(gè)類中，并盡量使類的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。不過，同高級(jí)編程語言還是曾在一些差別，針對(duì)Step7,應(yīng)該遵循的標(biāo)準(zhǔn)是：程序結(jié)構(gòu)由FC實(shí)現(xiàn)，對(duì)象控制由FB實(shí)現(xiàn)，如下的一種結(jié)構(gòu)體系（其電氣結(jié)構(gòu)來自上面的介紹）： 這只不過是一個(gè)粗略的PLC程序架構(gòu)體系，好的架構(gòu)應(yīng)該更完善和科學(xué)。 3、 規(guī)劃好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義相當(dāng)重要，并盡量統(tǒng)一這些結(jié)構(gòu)，不要顧慮存儲(chǔ)空間，當(dāng)今的PLC內(nèi)存足以容納大量的數(shù)據(jù)。說明一點(diǎn)的是在Step7中盡量不要在類的外部定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(UDT),而是在類里面定義，雖然會(huì)造成不同類中同一結(jié)構(gòu)的重復(fù)性定義，但卻提高了類的獨(dú)立性。 三、 優(yōu)越性 1、 標(biāo)準(zhǔn)化 使用這種設(shè)計(jì)模式，可以將程序設(shè)計(jì)分為兩個(gè)階段，即標(biāo)準(zhǔn)庫、基本架構(gòu)開發(fā)，以及實(shí)際應(yīng)用層面設(shè)計(jì)。其中標(biāo)準(zhǔn)庫、基本架構(gòu)是制定程序標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，而應(yīng)用層設(shè)計(jì)是針對(duì)具體的控制工程編程，這樣可以把程序設(shè)計(jì)人員分成兩類，一類是標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)，由資深程序員負(fù)責(zé)，一類是應(yīng)用設(shè)計(jì)（其中程序調(diào)試規(guī)劃到應(yīng)用設(shè)計(jì)），由經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)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(dòng)化中面臨的尷尬局面。傳統(tǒng)的中國控制工業(yè)，一個(gè)程序設(shè)計(jì)由一個(gè)人完成，這樣他還必須負(fù)責(zé)現(xiàn)場調(diào)試，而擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的程序員一般是三十歲后，這時(shí)他已經(jīng)成家，而顯然長期出差對(duì)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(shè)備維護(hù)，這是資源的嚴(yán)重流失。毫無疑問，使用以上的設(shè)計(jì)流程，我么可以讓經(jīng)驗(yàn)豐富的程序員搞標(biāo)準(zhǔn)庫和架構(gòu)的設(shè)計(jì)，而讓剛踏入這個(gè)行業(yè)的年輕人搞應(yīng)用設(shè)計(jì)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(yàn)，提高自己的收入。 這可能讓某些人士擔(dān)心，認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)問題多多。但有了好的標(biāo)準(zhǔn)化后，一年半以上工作經(jīng)驗(yàn)的程序員就應(yīng)該能夠獨(dú)立面對(duì)自動(dòng)線。 PLC中的面向?qū)ο缶幊痰暮诵木褪呛谙蛔泳幊蹋槍?duì)Step7,我們使用FB去實(shí)現(xiàn)每一個(gè)對(duì)象的控制，控制邏輯、報(bào)警處理、信號(hào)交換全在FB中，對(duì)于應(yīng)用設(shè)計(jì)人員，不需要明白里面的代碼實(shí)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(duì)于應(yīng)用程序人員的編程能力要求大大降低，對(duì)于編程只不過是遵循架構(gòu)，拷貝代碼，改變輸入輸出條件而已。 那么調(diào)試呢？很多人認(rèn)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(shù)層面上講確實(shí)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(shè)定導(dǎo)致什么樣的輸出就行，代碼的邏輯與功能好壞是由標(biāo)準(zhǔn)庫開發(fā)人員負(fù)責(zé)的，這就要求標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)人員需要對(duì)他設(shè)計(jì)的功能塊在不同條件下進(jìn)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(yīng)用設(shè)計(jì)人員了解這些塊，標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)并不是制定出來就一勞永逸的，針對(duì)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(gè)工程公司可以實(shí)實(shí)在在進(jìn)行知識(shí)積累的地方。 程序不僅需要給調(diào)試人員使用，而且用戶（設(shè)備維護(hù)人員）也需要了解，如果把完整的標(biāo)準(zhǔn)庫文檔給用戶，可能曾在技術(shù)外泄的可能，若不給，對(duì)他們?cè)\斷設(shè)備可能曾在困難，這就需要標(biāo)準(zhǔn)制定人員制作另外一分文檔，即設(shè)備維護(hù)文檔，其知識(shí)的透漏以用戶能夠使用程序進(jìn)行診斷為限。 2、 重用性和易管理型 計(jì)算機(jī)面向?qū)ο缶幊痰膬?yōu)點(diǎn)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(gè)“STAT”類型，在使用上FB需要背景DB，F(xiàn)C不需要，但就這個(gè)差別導(dǎo)致FB擁有自己獨(dú)立的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間，而FC的數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(zhǔn)則，程序塊的獨(dú)立性越強(qiáng)，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(shí)可以采用類似“FC+共享DB”的替代方案解決，但它的獨(dú)立性已經(jīng)大大降低。 同樣的代碼的獨(dú)立性是標(biāo)準(zhǔn)制定的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，很難想象一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)塊在不同工程中有效的重復(fù)使用。 縱觀計(jì)算機(jī)語言的發(fā)展，最開始的編程都是令人恐怖的，而當(dāng)今的編程讓人們得到很大的解脫，有很多現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)類庫實(shí)用，人們可以把更多的編程精力放在實(shí)現(xiàn)功能本身上，PLC編程也應(yīng)該朝這種方向發(fā)展，應(yīng)該讓更多的人從事應(yīng)用層面的設(shè)計(jì)，那些標(biāo)準(zhǔn)功能塊不應(yīng)該重復(fù)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(duì)象各式各樣，不同行業(yè)都應(yīng)該擁有自己的程序庫，而代碼的可重用性是評(píng)價(jià)這些功能塊好壞的關(guān)鍵。 3、 設(shè)計(jì)思想的先進(jìn)性 在電路圖設(shè)計(jì)中我們?cè)缫呀?jīng)在使用針對(duì)控制對(duì)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(huì)針對(duì)每一個(gè)現(xiàn)場控制對(duì)象如：電機(jī)、閥、氣缸等控制對(duì)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(shí)際情況調(diào)整，一個(gè)個(gè)控制對(duì)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(duì)一個(gè)個(gè)控制對(duì)象使用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)控制塊實(shí)現(xiàn)就可以，把程序控制細(xì)節(jié)實(shí)現(xiàn)了有效的封裝，使程序看起來簡潔和易于維護(hù)，而好的設(shè)計(jì)可以把原理圖和程序進(jìn)行很好的關(guān)聯(lián)，甚至于做到一對(duì)一的關(guān)系，如原理圖中的一個(gè)控制對(duì)象可以在程序中找到相應(yīng)的FB調(diào)用與之對(duì)應(yīng)，真正做到<

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