Application of the Object-oriented Method in the Paper Machine PLC Program

孟彥京　王佳寧　段明亮

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

面向?qū)ο蠓椒ㄔ谠旒垯C(jī)PLC程序中的應(yīng)用

Application of the Object-oriented Method in the Paper Machine PLC Program

孟彥京王佳寧段明亮

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

摘要：將面向?qū)ο蟮姆椒☉?yīng)用在造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)中，結(jié)合造紙機(jī)的工藝特點(diǎn)，使用統(tǒng)一建模語(yǔ)言(UML)建立傳動(dòng)系統(tǒng)的模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的抽象與類的封裝；并用構(gòu)件圖描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，最終使得面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想在PLC程序中得以體現(xiàn)。經(jīng)過設(shè)計(jì)實(shí)踐，運(yùn)用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行PLC編程不僅極大提高了編程效率，并且使造紙機(jī)的PLC程序更易讀、易修改、復(fù)用性更強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：面向?qū)ο笤旒垯C(jī)UMLPLC類圖構(gòu)件圖

Abstract：Combining with the characteristics of technological process of paper machine, the object-oriented method is applied in designing PLC program for drive train of paper machine, and the model of drive train is established by using unified modeling language (UML) to realize the system abstract and the class encapsulation; and the structure and functions of the system are described using component diagram, to make object oriented design concept can be implemented in PLC program. Through the practicing of design, it is found that applying object oriented method for PLC programming, the programming efficiency is greatly increased, and the PLC program of paper machine is more easier to read and modificate and possesses strong reusability.

Keywords：Object-orientedPaper machineUMLPLCClass diagramComponent diagram

0引言

如今現(xiàn)代造紙機(jī)正朝著大型化、高速化的方向發(fā)展，可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)已經(jīng)在造紙機(jī)的傳動(dòng)控制系統(tǒng)中得到普遍使用，PLC程序的設(shè)計(jì)也越來越受到重視。隨著造紙機(jī)控制功能更加全面、數(shù)據(jù)處理量和通信功能的增加等，PLC程序設(shè)計(jì)的難度也隨之增加。人們也希望PLC程序能夠具有較強(qiáng)的可讀性和通用性，方便造紙機(jī)PLC控制系統(tǒng)后期的維護(hù)、升級(jí)與改造。顯然傳統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)方法已無法滿足人們的要求。本文針對(duì)造紙機(jī)工藝控制的要求，使用面向?qū)ο蟮姆椒▽?duì)造紙機(jī)的PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，提高了程序的可讀性和復(fù)用性。

1面向?qū)ο蠓椒ɡ碚摲治?/p>

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法直接以現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體或者概念為中心來思考問題，根據(jù)事物的本質(zhì)特征把它們抽象為對(duì)象，作為構(gòu)建軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。也就是說，面向?qū)ο笫菍?duì)復(fù)雜事物簡(jiǎn)單化，將具有相同或相似結(jié)構(gòu)、操作、約束條件以及具有相同數(shù)據(jù)的對(duì)象進(jìn)行合理的集合歸類，不同類之間采用入口參數(shù)判別方法加以區(qū)分，并建立起類的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；而后將類的屬性和方法封裝到具有適當(dāng)定義的接口容器；最后將不同的類通過消息實(shí)現(xiàn)聯(lián)系通信。這樣就將系統(tǒng)流程的實(shí)現(xiàn)變成封裝模塊的簡(jiǎn)單調(diào)用。

統(tǒng)一建模語(yǔ)言(unified modeling language,UML)是一種通用的可視化建模語(yǔ)言，被廣泛應(yīng)用于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。在使用面向?qū)ο蠓椒ㄔO(shè)計(jì)軟件程序時(shí)，UML模型能夠合理地封裝系統(tǒng)中的對(duì)象，隔離對(duì)象的內(nèi)部活動(dòng)和外部的聯(lián)系。UML使用類圖表示對(duì)象的結(jié)構(gòu)，使用狀態(tài)圖表示對(duì)象的內(nèi)部活動(dòng)，使用活動(dòng)圖等精確描述對(duì)象之間的關(guān)系，同時(shí)還可以詳細(xì)表示對(duì)象的繼承關(guān)系、靜態(tài)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)特性以及相互協(xié)作等[1]。這樣就掩蓋了軟件程序的具體細(xì)節(jié)，簡(jiǎn)化了程序設(shè)計(jì)過程，同時(shí)使得軟件程序具有更好的可讀性和復(fù)用性。

UML模型用標(biāo)準(zhǔn)的圖形來描述系統(tǒng)的功能和形態(tài)，主要包括用例圖、靜態(tài)模型、動(dòng)態(tài)模型和實(shí)現(xiàn)模型。造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)反應(yīng)較快，系統(tǒng)啟動(dòng)后能夠快速地運(yùn)行在穩(wěn)定狀態(tài)。

本文只針對(duì)造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)PLC程序的用例圖、靜態(tài)模型和實(shí)現(xiàn)模型進(jìn)行分析。

2造紙機(jī)面向?qū)ο蠓椒ǖ腜LC程序設(shè)計(jì)

造紙機(jī)電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)性能的好壞是決定一臺(tái)造紙機(jī)能否高效率、高質(zhì)量進(jìn)行生產(chǎn)的前提，為保證其連續(xù)地高效率、高質(zhì)量進(jìn)行生產(chǎn)，傳動(dòng)系統(tǒng)的PLC控制程序就顯得尤為重要。本文以某造紙廠為例，該造紙機(jī)共設(shè)計(jì)有21個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)，主要包括網(wǎng)部、壓榨部、烘干部、施膠部和卷取部。若要完成各分部的功能實(shí)現(xiàn)，就需要合理、有效地控制驅(qū)動(dòng)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的交流電機(jī)，使其協(xié)調(diào)運(yùn)行，這樣才能保證整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。造紙機(jī)的傳動(dòng)點(diǎn)主要包括真空伏輥、驅(qū)網(wǎng)輥、導(dǎo)網(wǎng)輥、真空吸移、壓榨輥、烘缸、施膠、卷取等[2]。在造紙機(jī)工作時(shí)，不僅要求傳動(dòng)點(diǎn)可以順序啟停，并且需要傳動(dòng)點(diǎn)之間進(jìn)行速度鏈的傳遞和負(fù)荷的分配。

該造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)速度鏈的傳遞與負(fù)荷分配如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)速度鏈的傳遞與負(fù)荷分配示意圖

圖1中，虛線箭頭表示負(fù)荷分配，實(shí)線箭頭表示僅具有速度控制。速度鏈就是傳動(dòng)系統(tǒng)中各相鄰傳動(dòng)點(diǎn)之間速度保持一定的比例，且在車速調(diào)整中不影響前一級(jí)速度，只影響本級(jí)和本級(jí)以后車速的一種速度信號(hào)傳遞的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。負(fù)荷分配的實(shí)質(zhì)就是速度控制與轉(zhuǎn)矩控制的結(jié)合，要求系統(tǒng)某些分部之間不僅速度同步，而且負(fù)載率均衡[3]。

2.1　UML模型的建立

2.1.1功能模型用例圖

系統(tǒng)功能模型用例圖如圖2所示。

(5)Because he is too busy to have a good rest,he feels tired of his life.

圖2　系統(tǒng)功能模型用例圖

用例圖是軟件需求分析到最終實(shí)現(xiàn)的第一步，主要用來描述用戶、需求、系統(tǒng)功能單元之間的關(guān)系。它展示了一個(gè)外部用戶能夠觀察到的系統(tǒng)功能模型圖。用例圖從用戶的角度來展現(xiàn)系統(tǒng)的功能，便于軟件開發(fā)人員最終實(shí)現(xiàn)這些功能[4]。UML的用例模型不僅能夠展現(xiàn)系統(tǒng)功能需求，還能夠更加清楚地描述系統(tǒng)的參與者，即外部執(zhí)行者和系統(tǒng)之間的交互關(guān)系以及參與者之間的關(guān)系。

造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)的參與者一般包括操作員、管理員、數(shù)據(jù)庫(kù)、文件管理、PLC、變頻器、人機(jī)交互等。其中PLC、變頻器和人機(jī)交互可以總結(jié)為系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的用戶包括操作員和管理員，分別通過人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)對(duì)造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制[5]。

2.1.2靜態(tài)模型

靜態(tài)模型類圖如圖3所示。

圖3　造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)模型類圖

類圖是面向?qū)ο笙到y(tǒng)建模中的核心視圖，以反映類的結(jié)構(gòu)(屬性、操作)以及類之間的關(guān)系為主要目的一種靜態(tài)模型。類圖中的類與面向?qū)ο笳Z(yǔ)言中的類的概念是對(duì)應(yīng)的，是對(duì)事物的抽象歸類[6]。這里運(yùn)用類圖建立造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)模型。

在面向?qū)ο蠓椒ň幊讨校瑢?duì)系統(tǒng)類的劃分有很多不同的分法。劃分類的不同使得系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模型不同，從而使程序設(shè)計(jì)也會(huì)有很大的差異。結(jié)合造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)點(diǎn)多、速度鏈的傳遞和負(fù)荷分配的特點(diǎn)，本文采用按照系統(tǒng)功能類型進(jìn)行分類。這與按照對(duì)象分類的不同之處在于，按照功能類型進(jìn)行分類可以針對(duì)一組控制算法，將具有相同或相似功能的操作對(duì)象歸為一類，將每一個(gè)算法封裝到具有共同接口的獨(dú)立的類中，從而使得對(duì)控制算法的增減、修改都不會(huì)影響其他的對(duì)象，形成了有效隔離。按照這種方法，抽象類可以歸結(jié)為通信類、電機(jī)操作類、實(shí)際工作參數(shù)類和參數(shù)給定類。

2.1.3實(shí)現(xiàn)模型

UML建模中的構(gòu)件是系統(tǒng)中可以替換的代碼模塊，每個(gè)構(gòu)件都體現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的類的實(shí)現(xiàn)。構(gòu)件圖是從軟件結(jié)構(gòu)的角度來描述一個(gè)系統(tǒng)的主要功能[7]，可以清楚地看出系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)和功能。定義良好的構(gòu)件不直接依賴于其他構(gòu)件而是依賴于所支持的接口，這樣就可以避免系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)件之間發(fā)生依賴關(guān)系，有利于新構(gòu)件的替換。造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的程序構(gòu)件圖如圖4所示。

圖4　造紙機(jī)傳動(dòng)控制系統(tǒng)構(gòu)件圖

根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)模型中的分類，使用4個(gè)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，21個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)可以重復(fù)調(diào)用通信構(gòu)件、電機(jī)控制構(gòu)件、實(shí)際參數(shù)構(gòu)件和參數(shù)給定構(gòu)件。造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度鏈的傳遞與負(fù)荷分配也可以用這4個(gè)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)。按照這個(gè)方法，后期如果需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)或者程序移植，只需要增加或刪減傳動(dòng)點(diǎn)，修改傳動(dòng)點(diǎn)的入口參數(shù)即可，使得程序具有更好的可讀性和復(fù)用性。

2.2　PLC編程實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC，程序編寫在Step7中進(jìn)行。用戶程序主要由組織塊(organization block,OB)、功能(function,FC)、功能塊(function block,FB)、數(shù)據(jù)塊(data block,DB)組成。經(jīng)過UML對(duì)造紙機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模后，這里使用功能塊(FB)來對(duì)建模中的類的程序進(jìn)行封裝，當(dāng)編寫設(shè)備的具體程序時(shí)，只需要調(diào)用該類的FB即可，同時(shí)也會(huì)為其配置一個(gè)背景數(shù)據(jù)塊[8-10]。

造紙傳動(dòng)系統(tǒng)由21個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)組成，每個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)都通過調(diào)用封裝通信構(gòu)件、電機(jī)控制構(gòu)件、實(shí)際參數(shù)構(gòu)件和參數(shù)給定構(gòu)件這4個(gè)構(gòu)件的FB塊即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)的控制程序的編寫。這樣就可以使傳動(dòng)系統(tǒng)的PLC程序更加容易修改，提高了程序的復(fù)用性。調(diào)用FB塊示意圖如圖5所示。

圖5　調(diào)用FB塊示意圖

3結(jié)束語(yǔ)

本文將面向?qū)ο蟮姆椒☉?yīng)用在造紙機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的PLC程序設(shè)計(jì)中。使用UML對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，不僅對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了抽象與類的封裝，并且用構(gòu)件圖描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。在最后的程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)，這種面向?qū)ο蟮腜LC編程方法不但提高了編程效率，而且使造紙機(jī)系統(tǒng)的程序更易于閱讀和修改，對(duì)造紙機(jī)控制系統(tǒng)的生產(chǎn)和維護(hù)具有很大的指導(dǎo)和借鑒價(jià)值。

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中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503008

修改稿收到日期：2014-08-20。

第一作者孟彥京(1956-)，男，2012年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)紙漿造紙工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，教授；主要從事電力電子與電力傳動(dòng)、風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電機(jī)軟啟動(dòng)器等方面的研究。