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。11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。12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FPGC32T2H、模拟量单元FP0A21F、位置控制单元FPGPP21、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
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　　3张海藩软件工程导论M5版北京：清华大学出版社，2008（2）：203211
　　4常海基于OOP的PLC编程方法探讨J无线互联科技，2014（2）：7575