(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

現(xiàn)代造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)普遍采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)作為核心控制裝置，因此PLC程序的設(shè)計(jì)也就成為一項(xiàng)非常重要的工作。隨著造紙機(jī)朝著大型化、高速化的方向發(fā)展，人們對(duì)造紙機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)效率、可靠性、通用性等方面提出了更高的要求[1-3]。而在工程實(shí)踐中，傳統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)方法難以使程序滿(mǎn)足上述要求，因此本文借鑒軟件工程理論中的軟件設(shè)計(jì)方法來(lái)設(shè)計(jì)造紙機(jī)的PLC控制程序，以提高程序的設(shè)計(jì)效率、可靠性和通用性。

1 軟件工程方法的提出

傳統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)方法主要有經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、邏輯設(shè)計(jì)法和順序控制設(shè)計(jì)法。經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法是設(shè)計(jì)者根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)組織基本控制環(huán)節(jié)，然后在調(diào)試中進(jìn)行完善。該方法與設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，僅適用于簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)，以便達(dá)到簡(jiǎn)單、快速的效果。邏輯設(shè)計(jì)法基于繼電器吸合和斷開(kāi)的兩種狀態(tài)，用邏輯表達(dá)式描述實(shí)際控制問(wèn)題，再用梯形圖加以表示，它適用于開(kāi)關(guān)量控制較多的控制系統(tǒng)。順序控制設(shè)計(jì)法運(yùn)用功能表圖表示各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件，通過(guò)流程圖來(lái)描述控制系統(tǒng)的控制過(guò)程，它適用于按動(dòng)作先后順序進(jìn)行的控制系統(tǒng)。綜上所述，傳統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)方法僅適用于功能單一且簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，無(wú)法滿(mǎn)足造紙機(jī)速度鏈、負(fù)荷分配等復(fù)雜控制的要求。

傳統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)方法源于電氣控制技術(shù)中的繼電器控制思想，再加之繼電器控制電路與PLC程序梯形圖設(shè)計(jì)的相似性，更加深了PLC程序設(shè)計(jì)中繼電器控制思想。繼電器控制思想以系統(tǒng)具體功能的實(shí)現(xiàn)為基本出發(fā)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)程序的框架結(jié)構(gòu)缺乏系統(tǒng)的規(guī)劃，再加之在實(shí)際工程中程序設(shè)計(jì)人員專(zhuān)業(yè)水平參差不齊，造成了大型系統(tǒng)中PLC程序思路不夠清晰、無(wú)法有效使用等問(wèn)題。

PLC控制是繼電器控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[4-6]，目前很多PLC控制系統(tǒng)僅僅是運(yùn)用了繼電器控制思想和計(jì)算機(jī)控制硬件技術(shù)，而沒(méi)有將計(jì)算機(jī)控制軟件技術(shù)很好地運(yùn)用到其中。因此，運(yùn)用設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)軟件的思想來(lái)設(shè)計(jì)PLC控制程序可以更好地挖掘PLC控制的潛力，進(jìn)而更好地發(fā)揮PLC控制的優(yōu)勢(shì)。而軟件工程是關(guān)于開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)程序的學(xué)科，它對(duì)程序的分析、設(shè)計(jì)和維護(hù)都有一套完整的理論體系。運(yùn)用軟件工程方法設(shè)計(jì)造紙機(jī)PLC傳動(dòng)控制程序，有助于程序設(shè)計(jì)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。

2 造紙機(jī)PLC程序的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)化方法的介紹

結(jié)構(gòu)化方法是軟件工程中最基礎(chǔ)、最成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種設(shè)計(jì)方法，因此可將其運(yùn)用到造紙機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)中。結(jié)構(gòu)化方法的基本思想是自頂向下進(jìn)行功能的抽象和分解，逐步求精。它以需求分析為基礎(chǔ)，分為總體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是完成程序整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括層次、具體功能的劃分以及模塊與外部的接口設(shè)計(jì)。詳細(xì)設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)每個(gè)功能的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)變量類(lèi)型的定義以及存儲(chǔ)地址的分配等。

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法運(yùn)用抽象、求精和模塊化的概念，將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的功能分解成若干子功能模塊，這些模塊只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能，與外部的信息交互只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的接口設(shè)置就可實(shí)現(xiàn)，最后采用一定的方式將這些模塊組織起來(lái)，完成軟件控制功能。結(jié)構(gòu)化方法通常采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)圖來(lái)描述對(duì)各個(gè)模塊的組織方式，程序結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。圖1中，頂層的模塊A是整個(gè)程序的主模塊，1層中的模塊B、C、D為A的從屬模塊，2層中的模塊E、F、G、H是子模塊B的從屬模塊。當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，各模塊依次調(diào)用其從屬模塊，直至最底層。接口設(shè)計(jì)為各模塊建立數(shù)據(jù)輸入、輸出的通道，解決程序運(yùn)行中信息的交換問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、完整的控制功能。

圖1 程序結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法用結(jié)構(gòu)圖清晰地描述了軟件的功能和各功能模塊之間的調(diào)用關(guān)系；分層和模塊化的組織方式將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，有利于多人協(xié)同工作，可大大降低程序設(shè)計(jì)的難度。

2.2 造紙機(jī)程序的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

造紙機(jī)是典型的多分部傳動(dòng)控制系統(tǒng)，控制設(shè)備較多，且各個(gè)設(shè)備控制功能差異不大，不同造紙機(jī)的控制方式也大致相同。因此，采用結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計(jì)造紙機(jī)的PLC控制程序，程序中的功能塊和程序組織方式都可以應(yīng)用在不同的紙機(jī)項(xiàng)目中。對(duì)于新的紙機(jī)項(xiàng)目，只要在舊程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，即可完成程序的設(shè)計(jì)。

本文中造紙機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)平臺(tái)選擇西門(mén)子STEP7軟件[7-9]。該軟件支持模塊化編程，嵌套調(diào)用的編程方法和程序的模塊化可很好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想。

本文以八缸紙機(jī)為例，介紹PLC程序的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)在造紙機(jī)上的應(yīng)用。

2.2.1 需求分析

運(yùn)用結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計(jì)造紙機(jī)傳動(dòng)控制程序，首先要進(jìn)行需求分析，以確定系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的所有控制功能。

八缸紙機(jī)是造紙機(jī)中較為簡(jiǎn)單的一種，其控制系統(tǒng)總體來(lái)講包括以下四個(gè)部分：人機(jī)界面(HMI)、PLC、變頻器及輔助設(shè)備(如傳感器等)。紙機(jī)控制系統(tǒng)圖如圖2所示，HMI和PLC之間采用以太網(wǎng)通信，通過(guò)操作HMI向PLC發(fā)送控制指令(啟動(dòng)/停止、加/減速和參數(shù)給定等)；PLC和變頻器之間采用Profibus-DP通信，PLC將程序運(yùn)行結(jié)果發(fā)送給變頻器控制其運(yùn)行，并且從變頻器中讀取電機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)，最后在HMI上加以顯示。

圖2 紙機(jī)控制系統(tǒng)圖

按照工藝流程，八缸紙機(jī)的各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)依次為：伏輥、大缸、壓榨、二缸、施膠、多缸、壓光、卷取，其中大缸和壓榨處于同一個(gè)負(fù)荷分配組中。根據(jù)多分部傳動(dòng)控制要求，速度鏈主鏈上的傳動(dòng)點(diǎn)要采用速度鏈控制，而負(fù)荷分配組中的傳動(dòng)點(diǎn)則采用負(fù)荷分配控制。

速度鏈控制要求在紙機(jī)分部式傳動(dòng)控制中，各相鄰傳動(dòng)點(diǎn)之間的速度應(yīng)保持一定的比例；且在車(chē)速調(diào)整過(guò)程中，只影響本級(jí)及本級(jí)之后的傳動(dòng)點(diǎn)速度，而不影響本級(jí)之前的傳動(dòng)點(diǎn)速度。

負(fù)荷分配控制中，負(fù)荷分配組的主點(diǎn)處于整個(gè)速度鏈主鏈上，采用速度控制；從點(diǎn)處在子鏈上，對(duì)其進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)矩限幅，從點(diǎn)時(shí)刻跟隨主點(diǎn)轉(zhuǎn)矩的變化而變化，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配。

綜上所述，八缸紙機(jī)PLC程序應(yīng)當(dāng)具備的控制功能有：通信、運(yùn)行控制(急停、運(yùn)行/停止、加/減速等)、數(shù)據(jù)顯示和給定、速度鏈控制和負(fù)荷分配控制。

2.2.2 程序設(shè)計(jì)

軟件工程中，軟件設(shè)計(jì)和編寫(xiě)代碼是分步進(jìn)行的，即先設(shè)計(jì)后編碼，不同于工業(yè)控制中“設(shè)計(jì)即編碼”的概念。設(shè)計(jì)將軟件的所有功能、地址分配等信息用文字和圖形表示出來(lái)，通常是以文檔的形式出現(xiàn)；而編碼僅相當(dāng)于翻譯的過(guò)程，即將軟件功能的文字說(shuō)明用編程工具語(yǔ)言描述出來(lái)。

首先進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)的控制細(xì)分成對(duì)每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的控制，再將傳動(dòng)點(diǎn)的控制細(xì)分成對(duì)每個(gè)具體功能的控制，紙機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。主組織塊OB1為主控制層，1層為設(shè)備層，模塊FC1～FC8分別對(duì)應(yīng)一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，每個(gè)模塊包含了本傳動(dòng)點(diǎn)的所有控制功能。程序運(yùn)行時(shí)，OB1通過(guò)依次調(diào)用這些塊來(lái)完成對(duì)整機(jī)的控制。2層為功能層，該層中每個(gè)塊對(duì)應(yīng)一個(gè)具體要實(shí)現(xiàn)的功能。根據(jù)需求分析，2層的功能塊分別為：FC11(通信)、FC12(運(yùn)行控制)、FC13(數(shù)據(jù)顯示或給定)、FC14(速度鏈)、FC15(負(fù)荷分配)，這些塊被1層中的各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)根據(jù)自身的控制要求調(diào)用，例如處于負(fù)荷分配組中的傳動(dòng)點(diǎn)大缸和壓榨需要調(diào)用功能塊FC11～FC15，而其他傳動(dòng)點(diǎn)只需要調(diào)用功能塊FC11～FC14。

圖3 紙機(jī)程序結(jié)構(gòu)圖

其次進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)完成各功能塊FC11～FC15的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程的設(shè)計(jì)。由于這些塊在整個(gè)程序中可以被任何一個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)調(diào)用，所以在編寫(xiě)程序語(yǔ)句時(shí)，對(duì)于需要特別給定的參數(shù)應(yīng)使用形式參數(shù)，實(shí)際參數(shù)通過(guò)接口設(shè)計(jì)由調(diào)用它的傳動(dòng)點(diǎn)來(lái)給定。

2.2.3 程序編碼

程序語(yǔ)句的編寫(xiě)以上述設(shè)計(jì)為依據(jù)，由于STEP7軟件要求使用調(diào)用指令時(shí)需先給出被調(diào)用的模塊，所以實(shí)際編寫(xiě)程序時(shí)應(yīng)從底層開(kāi)始，即先編寫(xiě)功能塊FC11～FC15的程序語(yǔ)句并進(jìn)行獨(dú)立封裝，再按照?qǐng)D3自下而上進(jìn)行組織調(diào)用。

結(jié)構(gòu)化方法使造紙機(jī)傳動(dòng)控制程序呈現(xiàn)一種搭積木的設(shè)計(jì)形式，功能層的塊是整個(gè)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它決定了整個(gè)系統(tǒng)的控制功能是否完善。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以綜合各種類(lèi)型紙機(jī)的控制功能，為功能層建立一個(gè)完備的功能庫(kù)。設(shè)計(jì)程序時(shí)，只需要調(diào)用相應(yīng)的功能塊并設(shè)置接口參數(shù)就可完成。

3 結(jié)束語(yǔ)

將軟件工程的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法運(yùn)用到造紙機(jī)的PLC程序設(shè)計(jì)中[10]，為其提供了理論指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)化的程序設(shè)計(jì)模式，可有效地降低程序設(shè)計(jì)難度，提高程序的設(shè)計(jì)效率、可靠性、通用性和擴(kuò)展性。該方法對(duì)于工業(yè)控制領(lǐng)域中其他復(fù)雜系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)也有很好的借鑒意義。

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