现代工业控制中的PLC编程方法论文

　　摘要：目前随着工业控制系统复杂性不断提高以及自动化不断加强，以往面向过程的PLC编程方法变得愈加困难。面向过程的编程（POP）方法编程效率低、可维护性差。通过分析现代主流计算机编程方法，提出了一种PLC编程方法：将程序分为三个层次，以面向对象的思想对外部设备或复用性功能进行封装，以面向过程的思想实现动作流程。并以汽车微电机压装控制系统为例进行说明。
　　关键词：面向过程，面向对象，PLC，编程方法
　　现代工业自动化领域大多采用PLC作为运动控制器，传统的PLC编程严格按照时序要求从头至尾编写程序。对于简单的控制过程，其程序步骤较少，传统的PLC编程方法能够满足要求。而复杂的控制系统，程序步骤较多，容易混乱，大大降低了编程效率，并且程序扩展性能非常差。为了提高编程效率，降低后期维护成本，寻找出一种新的PLC编程方法是非常必要的。
　　1理论基础
　　目前存在两种主流的编程思维：面向过程与面向对象，这两种编程思想都有其各自的特点与性质。1．1面向过程面向过程（ProcedureOriented，PO）是一种以过程为中心，以什么正在发生为主要目标进行编程的编程思想。面向过程的程序设计（POP）注重的是算法设计，突出数据结构。NicklausWirth对此提出了著名的公式来表示程序的实质：程序 数据结构 算法面向过程的程序设计关注的是解决问题的步骤，先把软件系统分解成多个模块，然后逐步细化，完成整个软件系统。各模块之间存在相互调用和信息传递。随着软件系统规模扩大和性能要求提高，面向过程编程的缺陷逐渐明显。软件系统规模的扩大，使得模块的分解难度加大，模块之间的联系也更加复杂，软件的可靠性难以提高，可维护性差。1．2面向对象面向对象（ObjectOriented，OO）是在处理问题时，从该问题所存在的事物本身出发，以类及对象作为基本构造单元，逐步认识事物的属性和行为特征。面向对象的程序设计（OOP）需要尽力描述问题的结构，从而较好地解决客观世界描述的复杂性问题。可将程序表示为：程序 消息 对象类对象类 数据结构 算法面向对象的编程方法有利于大型软件的开发；对象属性和方法封装避免了数据随意访问，保证数据安全；类与类之间的继承关系，最大程度实现了代码的重用；继承关系下的多态性增强了程序的灵活性和扩展性［1］。然而，由于类的大量加载会牺牲系统性能，从而降低系统运行效率。
　　2PLC编程思想
　　现代工业生产的控制系统经常要涉及到多个外部设备，设备的动作往往有严格的时序要求。长久以来，编程前先按要求制作动作流程图，再按动作流程图编写程序的框架，然后以流程框架为中心添加约束与报警信息，其编程思想是面向过程的［2］。数据和数据处理过程代码是统一的，可重用代码少，且当代码量大时，维护数据和代码非常困难。面向过程的PLC编程方法的缺点有：割裂被控对象在PLC程序与现实中的联系，内部逻辑与被控对象不明确，程序的后期维护困难；程序的内部逻辑关系非常复杂，控制流程不确，容易出错；输入与输出都缺乏整体性，程序员往往孤立考虑各输入点或输出点的逻辑和控制［3］。针对传统PLC编程的缺点，结合现代计算机主流编程思维，提出一种新的PLC编程方法：以分层思想划分程序结构，以面向对象的思想对外部设备或复用性功能进行封装，以面向过程的思想实现动作流程。其原理是：将程序过程按实际划为三个层次，对每个层次中可抽象描述的对象进行类封装；并采用上层调用下层，高级调用低级的原则，进行自下而上的PLC程序设计。三个层次分别为：时序层、外设层、输出层，其中输出层是底层；外设层是中间处理与转换层；时序层是最靠近设备操作的用户层。输出层是对PLC的输出点进行内部扩展。不管PLC程序如何编写，最终都要通过控制PLC输出来达到设备运行目的。为了增强程序的灵活性和扩展性，可将PLC的每个输出点当作对象，在程序运行过程中，输出对象在不同的工作阶段有不同的触发条件。将数字输出点的＂触发条件转化为内部继电器，模拟输出的触发条件转换为内部继电器与数据。外设层是对设备的封装、处理，是外部设备和外部设备功能封装模块的集合。复杂的PLC控制系统包含了多个外部设备，并且有些外部设备不止一个。以PLC为对象，外部设备可分为输入设备、输出设备与交互设备。输入设备是系统的眼睛，实时监控设备状态。输出设备是系统的动作执行设备，单个输出设备可以有一个或多个动作状态。交互设备是与PLC有数据互传的设备，可以是上位机设备或其他的通信设备。用面向对象的思想，以设备整体或设备动作状态为对象进行封装。可以大大减少了程序的重复性，并且有助于外围设备的扩展与功能的增加。时序层是PLC程序的主体，是各种功能动作流程的集合。设备运行时，动作过程必须严格地按时间顺序执行，而程序中时序过程实现必须面向过程。设备每一种现实功能都对应一个动作过程，与设备功能对应的动作过程属于高级动作流程。高级动作流程可以重复调用低级的动作流程，低级的动作流程是复用性比较高的动作流程。复用性动作流程相对高级动作流程步骤较少，可以将其以整体作为考虑对象，封装成功能模块，供高级动作流程调用。高级动作流程所对应现实设备功能主要有：启动、复位与保护等功能［4］。启动功能可以通过人机交互界面的设置不同而拥有不同的设备功能；复位功能是按一定的时间顺序恢复预定的初始状态；保护功能是通过监控输入设备的信号判断设备是否故障，并做出相应的处理。对于由输入信号判断不出故障可以由外部人工触发，并处理。时序层编写功能时要求先设计保护功能，再编写其它的动作功能，以保护人身与设备安全。
　　3实例
　　以汽车微电机压装控制系统为例，阐述本文提出的PLC编程方法。图2为压装控制系统原理图。该系统主要由TPC7062TX触摸屏、主控单元FPG－C32T2H、模拟量单元FP0－A21－F、位置控制单元FPG－PP21、伺服电机、位移传感器等组成。该系统中控制最主要的输出是控制伺服电机的脉冲输出，脉冲输出可直接以电机运行状态为对象进行封装，其余输出在程序中不需要大量重复使用，可以直接单独调用。图3为单次压装的流程，前三个过程为同向运动，为了提高工作效率，三个过程之间不能有停顿，＂P点控制＂可以达到此要求；慢速压装和快速退回运动方向相反，需要停顿，第三个过程完成后，直接退回到原点，快速退回功能用＂E点控制＂可以实现。除此外电机常用的控制还有＂JOG运行（点动控制）＂。通过压装流程可知该系统＂P点控制＂为三段控制，以＂P点控制＂为对象时，其＂消息＂由一个触发条件、三个位置、三个速度组成；以＂E点控制＂为对象时，其＂消息＂由一个触发条件、一个位置、一个速度组成；以＂JOG运行＂为对象时，其＂消息＂由一个触发条件、一个旋转方向、一个速度组成。为了适应于PLC动作过程的时序性特点，为每个对象添加一个单脉冲输出信号。当对象动作执行完成时，发出一个单脉冲信号，可以当做下一步动作的触发条件。图4为以FPWINGR为PLC编程软件时的＂E点控制＂梯形图。FPWINGR编程软件不支持模块封装，但是不影响面向对象思维的使用。图中R20为＂E点控制＂的触发条件；双字寄存器DT412的数据为＂E点控制＂的目标脉冲频率（速度）；双字寄存器DT414的数据为＂E点控制＂的目标位置。对象封装的目的是避免数据随意访问，可以继承。＂E点控制＂中的电机属性启动速度（500Hz）、加减速时间（100ms）、正反方向的定义是以参数的形式固定在其中。当调用该对象时，默认的就继承了其属性。只需扩展多个内部继电器触发R20，就可用被多次调用继承，即多态性。同理，可设计出＂P点控制＂与＂JOG运行＂的梯形图。输出层与外设层是时序层的基础，时序层按一定的时间顺序组合输出层与外设层，并辅以必要的数据处理就形成了所需的功能。压装主流程主要有＂P点控制＂与＂E点控制＂模块，加上时间延时、计数处理与力值峰值功能就形成了一个压装的大致功能，经过后期的调试与小范围的修改就完成了一个功能的编写。依此方法编写各种所需功能，完成整个程序后，整体调试功能。后期维护需要修改某部分功能时，可以快速定位到要修改的层，再找到相应的模块；增加功能时，可以迅速查到已有硬件的封装模块，直接在时序层增加要求的功能时序。
　　4结束语
　　通过分析与实际验证，用本文所提编程方法编写PLC程序，程序逻辑更清晰，层次更分明，运行更稳定。同时为程序调试、后期程序维护、程序功能扩展提供更有效而广阔的空间。该方法适用于复杂控制系统，也适用于简单控制系统，使复杂的控制系统集体设计时分工更加明确，性能更稳定。
　　参考文献
　　［1］徐卓峰，王学军．面向过程程序设计语言与面向对象程序设计语言及其特征比较［J］．中州大学学报，1997（1）：64－67
　　［2］高云．计算机编程思想的发展研究［J］．软件导刊，2012，11（11）：5－6
　　［3］张海藩．软件工程导论［M］．5版．北京：清华大学出版社，2008（2）：203－211
　　［4］常海．基于OOP的PLC编程方法探讨［J］．无线互联科技，2014（2）：75－75