趙穎淼

摘 要：本文闡明了模塊化設(shè)計(jì)的概念、功能模塊的設(shè)計(jì)原理，簡單介紹了模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)及發(fā)展前景。針對一汽通用哈爾濱輕型汽車有限公司搬遷改造項(xiàng)目涂裝車間機(jī)運(yùn)系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了模塊化編程的方法及模塊化程序的實(shí)際應(yīng)用。對電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計(jì)；PLC；RSLogix5000軟件；標(biāo)簽；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體

1 模塊化設(shè)計(jì)介紹

1.1 模塊化設(shè)計(jì)

簡單地說就是程序的編寫不是開始就逐條錄入計(jì)算機(jī)語句和指令，而是用主程序、子程序、子過程等框架把軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出來，并定義和調(diào)試好各個(gè)框架之間的輸入、輸出鏈接關(guān)系，以功能模塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其求解算法的方法。

1.2 模塊化設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)

大量利用已有的經(jīng)過試驗(yàn)、生產(chǎn)和市場驗(yàn)證的模塊，可以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的可靠性和設(shè)計(jì)質(zhì)量；設(shè)計(jì)的重用及并行的產(chǎn)品開發(fā)和測試可以大大縮短設(shè)計(jì)周期；模塊化降低程序復(fù)雜度，使程序設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)等操作簡單化；模塊化有利于企業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)分工，規(guī)范不同團(tuán)隊(duì)間的信息接口，進(jìn)行更為深入的專業(yè)化研究和不同模塊系統(tǒng)的并行開發(fā)；模塊化是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的設(shè)計(jì)思想，現(xiàn)已成為一種新技術(shù)被廣泛應(yīng)用，模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)。

2 項(xiàng)目簡介

一汽通用哈爾濱輕型汽車有限公司搬遷改造項(xiàng)目是一個(gè)年產(chǎn)10萬輛的輕型卡車生產(chǎn)線。涂裝車間的電氣控制系統(tǒng)劃分為12個(gè)控制系統(tǒng)，其中機(jī)運(yùn)設(shè)備電氣控制系統(tǒng)7個(gè)，工藝設(shè)備電氣控制系統(tǒng)5個(gè)。共使用12套ROCKWELL的PLC ，使用DeviceNET現(xiàn)場總線。電氣控制系統(tǒng)是在美國通用汽車公司的工程師指導(dǎo)和ROCKWELL（中國）全方位技術(shù)支持下，完全采取模塊化設(shè)計(jì)思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的，每個(gè)控制系統(tǒng)都是由若干數(shù)量和種類的單元模塊與盤柜模塊組成?；谟布哪K化設(shè)計(jì)和RSLogix5000軟件的特性，控制程序完全采用模塊化設(shè)計(jì)思想編制。

3 軟件介紹

RSLogix5000是美國羅克韋爾自動化有限公司開發(fā)的用于對其公司PLC產(chǎn)品的編程軟件。RSLogix5000軟件是符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟件包，是一個(gè)包含編程、診斷、在線監(jiān)控等功能的集成系統(tǒng)開發(fā)平臺。系統(tǒng)的主要功能是為控制工程師和系統(tǒng)編程人員提供一個(gè)可以把他們的程序概念轉(zhuǎn)變成一系列的程序圖和定義用于快速地創(chuàng)建可執(zhí)行程序。它具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

統(tǒng)一的項(xiàng)目查看；具有控制器標(biāo)簽（Controller Tags）和程序標(biāo)簽（Program Tags）兩類標(biāo)簽；用戶可以自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體；每個(gè)程序都包含程序標(biāo)簽、一個(gè)可執(zhí)行的主例程和多個(gè)其他例程。

3.1 軟件界面

本項(xiàng)目程序設(shè)計(jì)采用了V16.03.00版本的RSLogix5000軟件，其界面如圖1所示。左側(cè)的Controller Organizer選項(xiàng)欄中呈樹狀列表顯示了控制器的相關(guān)信息。包括全局作用域標(biāo)簽（Controller Tags）、任務(wù)（Tasks）、數(shù)據(jù)類型（Data Types）、I/O配置（I/O Configuration）等。

3.2 標(biāo)簽及用戶自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體

標(biāo)簽就是實(shí)際工程中的變量，有模擬量如水位、壓力、溫度等，數(shù)字量如打開、關(guān)閉啟動、停止等。在程序中使用它們進(jìn)行編程，調(diào)試中通過在線監(jiān)視在窗口中查看當(dāng)前狀態(tài)。

標(biāo)簽的數(shù)據(jù)類型可以分為兩大兩類：①基本類型：布爾型（BOOL）、短整型（SINT）、整型（INT）、雙整型（DINT）、實(shí)型（REAL）；②結(jié)構(gòu)體類型：預(yù)定義型（Predefined）、用戶定義型（User-Defined）。

結(jié)構(gòu)體是由一系列具有相同類型或不同類型的數(shù)據(jù)構(gòu)成的數(shù)據(jù)集合。結(jié)構(gòu)體和其他基本數(shù)據(jù)類型比較具有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)體可以做成想要的數(shù)據(jù)類型以方便日后的使用。

3.3 標(biāo)簽的作用域

在上面我們提到過此軟件的標(biāo)簽包括控制器標(biāo)簽和程序標(biāo)簽兩類。兩類標(biāo)簽最主要的區(qū)別就是作用域不同?？刂破鳂?biāo)簽是全局作用域標(biāo)簽，它可以被控制器內(nèi)的全部例程使用而不管這些例程歸屬于哪個(gè)程序，對控制而言這些標(biāo)簽是全局的。程序標(biāo)簽是局部作用域標(biāo)簽，它只限于該標(biāo)簽所在的程序內(nèi)的例程使用，在其他程序的例程不能訪問另一個(gè)程序的程序標(biāo)簽，對于控制而言，這些標(biāo)簽是局部的。

控制器標(biāo)簽在Controller Tags里顯示可以直接增加或新建的方式添加新的控制器標(biāo)簽。程序標(biāo)簽的位置在各個(gè)程序里的Program Tags中，以同樣的方法添加。在Controller Tags或Program Tags中我們可以看見有一列名為“Alias For”的區(qū)域。這部分是用于添加標(biāo)簽名稱的，我們稱之為別名標(biāo)簽。當(dāng)一個(gè)標(biāo)簽被編輯了別名標(biāo)簽后，則表明此標(biāo)簽和該別名標(biāo)簽實(shí)際為一個(gè)標(biāo)簽，在模塊化設(shè)計(jì)中有很大的作用。

3.4 程序結(jié)構(gòu)介紹

每個(gè)程序都包含程序標(biāo)簽、一個(gè)可執(zhí)行的主例程和多個(gè)其他例程。程序標(biāo)簽定義了本程序內(nèi)所用到的所有局部標(biāo)簽；主例程內(nèi)通過調(diào)用指令可以按主例程內(nèi)的順序調(diào)用其他例程。

4 基于RSLogix5000的模塊化設(shè)計(jì)

下面以本項(xiàng)目機(jī)運(yùn)設(shè)備控制程序的編制來說明基于RSLogix5000的程序模塊化設(shè)計(jì)方法。如圖2所示，是一個(gè)雙向變頻滾床的控制程序。程序中的每個(gè)例程都是以其主要功能命名的，這樣可以使得應(yīng)用此程序的人員清晰易懂。程序中包括了該設(shè)備的I/O映射（B001_MapInputs/ B002_MapOutputs）、參數(shù)（B005_Parameters）、模式（M001_Modes）、連鎖（zB100_Interlocks_PRBA）、基本動作（zS021_SkidIndexIn ～ zS905_SkidJogRev）及ARMORSTART 的控制（zV_PRB

_AB284VFD）等例程。而這些例程就是一個(gè)個(gè)模塊程序，在其他類型設(shè)備的控制程序中也可以得到廣泛的應(yīng)用。

4.1 標(biāo)簽的模塊化設(shè)計(jì)

利用RSLogix5000的控制器標(biāo)簽和程序標(biāo)簽的控制域不同及用戶可以自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體的特點(diǎn)。程序標(biāo)簽采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法。首先，將程序中所需要的變量統(tǒng)計(jì)好，按照共同屬性分類建立出所需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體。然后，在標(biāo)簽中建立程序中所需要的標(biāo)簽并選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。標(biāo)簽的建立是以所有設(shè)備通用性所建立的，在別名標(biāo)簽一列填的才是具體設(shè)備的名稱。這樣的設(shè)計(jì)使得建立好一個(gè)設(shè)備的模板程序后，其他此類設(shè)備的控制程序可以直接使用這個(gè)模板程序，只需將標(biāo)簽別名按照需要修改，不需要修改程序。如果是按照一個(gè)設(shè)備所建立的標(biāo)簽則應(yīng)用此模板程序時(shí)需要重新建立標(biāo)簽，然后按照標(biāo)簽修改各個(gè)例程，也就稱不上為模塊化設(shè)計(jì)了。

4.2 I/O接口程序的模塊化設(shè)計(jì)

在硬件圖紙的設(shè)計(jì)時(shí)，已經(jīng)規(guī)定好設(shè)備上的各傳感器的名稱和作用。程序編制時(shí)將設(shè)備的輸入點(diǎn)和對應(yīng)的傳感器進(jìn)行映射，在其他例程中就可以直接使用傳感器名稱編程。這樣的設(shè)計(jì)使得今后使用此程序的人員方便理解程序。

如圖3所示，為B001_MapInputs中的一條語句（Rung），該Rung表示程序中該設(shè)備的滑撬點(diǎn)動正轉(zhuǎn)（SkidJogForward）、滑橇進(jìn)入（SkidIndexIn）、滑橇移出（SkidIndexOut）這三個(gè)程序中的虛擬按鈕等同于按鈕站上的F403PB按鈕。此處的設(shè)計(jì)方式使得在應(yīng)用此模板時(shí)只需將按鈕這一點(diǎn)按照需要修改即可，不必將程序中應(yīng)用到這三個(gè)虛擬按鈕的點(diǎn)都作相應(yīng)修改。大大節(jié)省了應(yīng)用此模塊的修改時(shí)間。

如圖4所示為B002_MapOutputs中的兩個(gè)Rung，一個(gè)是將ARMORSTART的輸出全部映射到相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)；一個(gè)是控制按鈕站上相應(yīng)的指示燈亮滅的Rung。因?yàn)橛脩艨梢宰远x數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，使得可以通過一個(gè)指令將多個(gè)點(diǎn)映射到對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)，這對模塊化設(shè)計(jì)的使用性有很大的幫助。

4.3 設(shè)備動作程序的模塊化設(shè)計(jì)

根據(jù)本項(xiàng)目的機(jī)運(yùn)設(shè)備單元的功能特點(diǎn)，共設(shè)計(jì)出26個(gè)對應(yīng)設(shè)備單元的電氣單元模塊。其中絕大部分都包含了雙向變頻滾床的動作，一個(gè)雙向變頻滾床包含以下6個(gè)基本動作：

滑橇進(jìn)入SkidIndexIn；滑橇反向進(jìn)入SkidReverseIn；滑撬點(diǎn)動正轉(zhuǎn)SkidJogForward；滑橇移出SkidIndexOut；滑橇反向移出SkidReverseOut；滑撬點(diǎn)動反轉(zhuǎn)SkidJogRevers。

其他設(shè)備是在雙向變頻滾床的動作基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的動作，如轉(zhuǎn)臺多了正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，移行機(jī)多了移行機(jī)前進(jìn)、后退，升降機(jī)多了上升、下降等動作。這樣我們將這些不同的動作分別設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制程序模塊，當(dāng)設(shè)計(jì)不同類型的設(shè)備的控制程序模塊，然后通過程序中的主例程對它們進(jìn)行調(diào)用。

4.4 變頻控制程序的模塊化設(shè)計(jì)

在I/O接口模塊設(shè)計(jì)中提到其中一個(gè)Rung是將ARMORSTART的輸出全部映射到相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)。專門為這些ARMORSTART的輸出設(shè)計(jì)了一個(gè)例程，用于PRB（Power Roll Bed滾床）變頻控制。ARMORSTART的變頻控制有Present Freq、Comm Port、4-20mA Input等多種形式，我們采用的是Present Freq的控制方式。首先在ARMORSTART的參數(shù)配置中將Parameter 138 （Speed Reference）選擇Option 4 （Preset Freq）、Parameter 151 （Digital In1 Sel）選擇Preset Freq、Parameter 152 （Digital In2 Sel）選擇Preset Freq。這種控制方式的基本原理是通過“DrvIn2-DrvIn”的組合：“0-0”= Preset Frequency 1；“0-1”= Preset Frequency 2；“1-0”= Preset Frequency 3；“1-1”= Preset Frequency 4。同樣，我們在ARMORSTART的參數(shù)配置中將Parameter 170 —Parameter 173 （Preset Frequency 0—3）這四個(gè)參數(shù)設(shè)定成我們想要的4個(gè)速度的頻率（0～50Hz）。

因?yàn)橛布哪K化設(shè)計(jì)使得每個(gè)設(shè)備上相同位置的檢測開關(guān)的作用相同，因此只需將限定條件設(shè)計(jì)成模板程序，當(dāng)輸送的橇體到不同的位置時(shí)使得“DrvIn2-DrvIn”發(fā)生變化。

通過上面的介紹不難發(fā)現(xiàn)，硬件高度采用了模塊化的設(shè)計(jì)，使得設(shè)備規(guī)范化和統(tǒng)一化。利用這一特點(diǎn)再對程序進(jìn)行模塊化的編制使得做好模塊程序后，可以按照各類設(shè)備的特點(diǎn)組合成各類設(shè)備的模板程序。

5 模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用

在按照上述方法編制出模板程序后，設(shè)計(jì)人員可以簡單、快速、正確的編制出相同設(shè)備的控制程序。以控制系統(tǒng)中一臺變頻滾床為例，編制程序的步驟如下：

觀察模板程序的程序標(biāo)簽，確定需要添加別名標(biāo)簽的數(shù)量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體；在控制器標(biāo)簽列表中添加控制器標(biāo)簽（并注意數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體類型應(yīng)當(dāng)與程序標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體類型一致）；）在程序標(biāo)簽中列表中添加別名標(biāo)簽；在例程中修改設(shè)備的操作按鈕名稱及指示燈名稱；在例程中修改設(shè)備的Offset值、ASCⅡ值，用于在人機(jī)界面上的顯示。

對于變頻滾床來說，每一個(gè)滾床的程序都只需通過模板程序進(jìn)行以上五步修改即可完成。如果只有一兩個(gè)滾床，這種設(shè)計(jì)并看不出任何優(yōu)勢，但是據(jù)統(tǒng)計(jì)本項(xiàng)目共有222臺滾床，通過重復(fù)的、簡單的修改就可完成以往設(shè)計(jì)人員需要很長時(shí)間才能完成的工作量，這就體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。

6 結(jié)語

通過介紹可以感受得到，模塊化設(shè)計(jì)大大提高了設(shè)計(jì)效率、減少了設(shè)計(jì)師的勞動負(fù)荷、縮短了設(shè)計(jì)周期，通過多種模塊程序的組合可以快速的制作多種產(chǎn)品的模板程序，具有更高的一致性、互換性，從而提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量及日后的維護(hù)和檢修。大規(guī)模定制已成為現(xiàn)代制造業(yè)的主流生產(chǎn)模式，隨著人們對個(gè)性化產(chǎn)品的要求越來越高，市場競爭日益激烈，企業(yè)迫切需要切實(shí)可行的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。具有多重突出優(yōu)勢的模塊化設(shè)計(jì)在當(dāng)今這樣一個(gè)高速發(fā)展、講究效率的社會中勢必會得到發(fā)展和普及。隨著模塊化設(shè)計(jì)理念的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，它將改變我們將來的生產(chǎn)方式，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

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