基于文檔控制的PLC程序開發(fā)方法及實踐研究

劉冰1王素娟2

(1.中國電子系統(tǒng)工程第四建設(shè)有限公司，北京 100070；2.中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044)

摘要：首先講述了一種基于文檔控制的PLC程序的設(shè)計方法；然后以某型成型機程序為例，依次介紹了這種設(shè)計方法流程的各個環(huán)節(jié)，展示了其實際應(yīng)用方式；之后分析了多人開發(fā)情況下的應(yīng)用方式；最后總結(jié)了這種設(shè)計方法的特點。這種設(shè)計方法對大型PLC程序的協(xié)作開發(fā)和保障設(shè)備安全都有積極意義。

關(guān)鍵詞：PLC；文檔；程序設(shè)計；流程

收稿日期：2015-07-16

作者簡介：劉冰(1981—)，男，河北人，工程師，從事自動化生產(chǎn)廠房類建筑電氣方向的研究、設(shè)計及實施工作。

1開發(fā)方法概述

目前隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國內(nèi)機械的自動化水平也在不斷提高。本文以三菱Q25H CPU控制的成型機為例，講述了開發(fā)大型PLC程序的一種方法。機械生產(chǎn)設(shè)備的任何意外動作都有可能造成人身傷害或生產(chǎn)事故，因此必須將PLC程序可靠性放在首位。同時，一般機械設(shè)備服役周期往往在10年以上，在服役年限中，根據(jù)工藝變化，調(diào)整PLC程序邏輯不可避免。在實際生產(chǎn)中，往往會在設(shè)備投入運行后增加多個功能模塊。大型PLC程序功能眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而PLC與計算機不同，各種資源(寄存器、定時器等)非常有限，各個功能模塊之間信息交互同時非常頻繁，如何建立一個統(tǒng)一架構(gòu)，使得資源調(diào)配有序、合理，信息傳遞通暢，并降低編寫大型程序的難度，同時盡可能減小程序變更時對已經(jīng)存在的模塊可能會互相產(chǎn)生的意外影響，這是需要解決的問題。通過嚴(yán)格的設(shè)計文件，界定PLC資源的分配和每個子程序用途，預(yù)先規(guī)定可預(yù)期的程序變更的語句寫法，同時對非預(yù)期的程序加以界定，確保新編寫模塊對設(shè)備動作影響在可控范圍之內(nèi)，這樣就能使程序變更更為安全高效，不需進行繁瑣測試甚至測試性生產(chǎn)來確定程序運行是否沒有誤動作。此種方法通常稱之為文檔式開發(fā)方法，適用于漸進式設(shè)計，可以功能不斷增加而框架不變。程序員編寫程序時，遵循已有架構(gòu)，專心編寫要完成的功能即可，這就大大降低了大型程序的編寫難度。

2確定功能需求和硬件框架

輪胎成型機(簡稱TBM)是輪胎制造生產(chǎn)過程中，將半成品部件(如胎面、胎側(cè)、胎冠、型膠、胎體等)按工藝要求組合成成型輪胎胎胚的一種輪胎生產(chǎn)專用設(shè)備。成型機電氣硬件系統(tǒng)由兩個Q25H PLC組成，兩個PLC分別負(fù)責(zé)成型機一段和二段。以控制一段的電氣硬件為對象，則PLC系統(tǒng)包含CC-link總線遠程I/O、Q173運動CPU、Q173所控制的運動總線SSCNET，總線連接至各個伺服模塊。以控制二段的電氣硬件為對象，則PLC系統(tǒng)包含CC-link總線遠程I/O、Q173運動CPU、Q173所控制的運動總線SSCNET，總線連接至各個伺服模塊。

為了完成成型機的控制，現(xiàn)在確定共有以下功能模塊：(1) 網(wǎng)絡(luò)連接；(2) 觸摸屏顯示及控制；(3) 成型輪胎尺寸改變；(4) 輸出控制；(5) 可選設(shè)備控制；(6) 成型輪胎。

根據(jù)已經(jīng)確定的硬件架構(gòu)和功能劃分，就可以開始著手進行程序編寫工作。

3確定架構(gòu)及資源劃分

首先，需要畫出大架構(gòu)圖。在整個架構(gòu)中，公共區(qū)PLC寄存器、定時器和鎖存器是對所有模塊開放讀取權(quán)限的，數(shù)據(jù)交換通過寫入和讀取寄存器、定時器和鎖存器的狀態(tài)來進行。例如：定義M0為PLC狀態(tài)，M0為ON則表示PLC狀態(tài)良好，OFF則表示PLC狀態(tài)異常。此M0為LAD01可寫，其余模塊可讀。則新編寫或者任意模塊在需要加入PLC狀態(tài)條件時，就可以直接在梯形圖中加入此條件。這樣，對于一些常用的公共狀態(tài)(是否急停、PLC狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài))，在模塊調(diào)用時就無須專門定義。在進行新模塊的編寫時，大量的、正確的公共狀態(tài)可以隨時調(diào)用，極大地節(jié)省了編寫和測試接口的時間。

3.1PLC資源劃分及文檔編寫

首先，我們需要對PLC資源進行總體的劃分。PLC資源包括寄存器(M點)、定時器(T點)、鎖存器(L點)等。以最常用的M點為例，劃分為梯形圖用、設(shè)備位置狀態(tài)、觸摸屏用……最后分別編寫各個程序塊的資源清單如表1所示。

表1　資源用途劃分表

同樣，如果PLC還有其他資源的話，也進行同樣的劃分。之后，就根據(jù)此次劃分結(jié)果進行下一步劃分，如表2所示。

表2　程序資源分配表

這樣，就完成了對資源到每一模塊的劃分。

注意：這些劃分的資源為各個程序模塊的私有資源，別的模塊不可讀取、使用，這樣就杜絕了新舊程序塊之間的干擾。

3.2公用數(shù)據(jù)區(qū)權(quán)限劃分及文檔編寫

公有數(shù)據(jù)區(qū)權(quán)限劃分應(yīng)當(dāng)遵循一個原則，一個中間繼電器點應(yīng)當(dāng)只有一個模塊有寫入權(quán)限。違背此原則會導(dǎo)致嚴(yán)重后果，千萬注意！公用數(shù)據(jù)區(qū)通常使用非鎖存寄存器，以確保在任何狀態(tài)異常后，通過關(guān)閉PLC電源然后重啟，公用數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)即可恢復(fù)正常。這對于程序可靠性來說意義重大。

權(quán)限劃分方法如下：首先，確認(rèn)公用數(shù)據(jù)區(qū)。在此例中，公用數(shù)據(jù)區(qū)為M0～M300。然后，確認(rèn)每個數(shù)據(jù)點意義及權(quán)限所屬，以M0為例，如表3所示。

表3　公共資源權(quán)限表

然后做出相應(yīng)的程序模塊對應(yīng)表，如表4所示。

表4　公共資源寫入表

這樣就完成了公有數(shù)據(jù)區(qū)權(quán)限的劃分。在多人同時編寫程序時，每個人手中應(yīng)當(dāng)有同一版本的此公用數(shù)據(jù)表。

3.3輸出及驅(qū)動權(quán)限劃分

輸出和驅(qū)動作為程序輸出的底層，可能接收多個程序模塊的指令。最常見的情況為，電機會接收手動模塊發(fā)來的指令和自動模塊發(fā)來的指令。這在程序復(fù)雜時就會導(dǎo)致混亂。為了解決此問題，引入了輸出模塊專門進行處理。輸出模塊對各個模塊的指令進行判別，然后進行輸出。在引入輸出模塊的同時，對于向輸出模塊輸出指令的程序模塊也應(yīng)當(dāng)是指定的。

舉例：規(guī)定輸出Y12 環(huán)移動(右)由LAD10輸入模塊控制，由LAD04、LAD13程序給LAD10發(fā)出指令，指令位為M505、M613，其他模塊沒有權(quán)限，則如表5所示。

表5　輸出模塊表

將所有輸出列入后形成文檔，輸出模塊按照此文檔編寫。伺服和電機控制權(quán)限與以上所說類似，可以編寫成對應(yīng)的驅(qū)動權(quán)限文件。在多人同時編寫程序時，每個人手中應(yīng)當(dāng)有同一版本的此文檔。

3.4預(yù)留數(shù)據(jù)區(qū)劃分

預(yù)留數(shù)據(jù)區(qū)劃分為一塊，在文件中注明資源起止地址即可。

4功能模塊及文檔編寫

資源的劃分進行完畢后，就可以進行各個功能模塊的編寫了。

4.1已規(guī)劃模塊添加

對于在第2大點中已經(jīng)完成規(guī)劃的程序模塊，在編寫完畢后進行如下審查，審查完畢即可直接加入：(1) 對應(yīng)PLC資源劃分文件檢查模塊內(nèi)使用資源；(2) 對應(yīng)輸出及權(quán)限劃分文件檢查模塊內(nèi)輸出；(3) 檢查模塊邏輯。

4.2已規(guī)劃模塊修改

當(dāng)設(shè)備投入使用后，對已有的模塊進行修改時，有兩種情況：(1) 可預(yù)期的更改：可預(yù)期的更改是指在原來程序設(shè)計時就已經(jīng)考慮到的、可能會發(fā)生變更的更改。這些更改在程序中往往已有同樣功能語句，只需要按照同樣語句進行添加或者修改即可。(2) 不可預(yù)期的更改：不可預(yù)期的更改通常會編寫新的邏輯。這時應(yīng)當(dāng)注意按照資源表，使用編寫邏輯所需資源。編寫中如果發(fā)現(xiàn)需要使用額外的資源，如輸出和驅(qū)動指令權(quán)等，就需要修改相應(yīng)的資源表格，經(jīng)批準(zhǔn)，而后才能使用此資源。編寫完畢后，此模塊按照新模塊標(biāo)準(zhǔn)進行獨立模擬運行，無誤后，進行更改。

4.3新模塊添加

編寫新模塊時，有兩種方法：(1) 先用偽代碼寫出邏輯，預(yù)估所需資源，然后改寫相關(guān)資源表，將空余中資源劃出自己所需部分，進行程序模塊編寫。(2) 大致預(yù)估所需資源，然后改寫相關(guān)資源表，將空余中資源劃出自己所需部分，進行程序模塊編寫。兩種方法在實際中都可以采用。模塊編寫完畢獨立測試沒有問題，檢查沒有使用不屬于此模塊的資源后，就可以在程序中加入此模塊了。至此，一套PLC程序的開發(fā)流程就介紹完畢了。

5多人協(xié)作編寫的應(yīng)用方法

大型PLC程序通常會由多人編寫。在多人編寫時，此方式優(yōu)點可以充分發(fā)揮。每個人編寫時，有大量的公用狀態(tài)資源可以直接調(diào)用，同時有明確的私有資源和輸出資源可以調(diào)用。整個項目管理簡單，只需要明確寫明每個模塊的目的和相應(yīng)分配的資源表，就完成了任務(wù)書下達。同時簡化了質(zhì)量控制，只要確保沒有使用不應(yīng)使用的資源，則此模塊的代碼就不會對設(shè)備其他模塊的運行和安全產(chǎn)生損害，通過檢查輸出資源，就可以控制此模塊誤動作時可能產(chǎn)生的后果。

5.1任務(wù)劃分

首先應(yīng)當(dāng)進行第二大點所述的資源劃分，之后就可以將各個程序模塊分給個人了，管理流程相當(dāng)簡單。

5.2任務(wù)權(quán)限劃分

雖然理論上任何工程師都可以進行任何程序模塊的編寫，但在實踐當(dāng)中，通常由經(jīng)驗比較豐富的工程師處理報警、驅(qū)動這類程序的編寫。

根據(jù)任務(wù)可能對設(shè)備造成危險的等級，可以劃分任務(wù)權(quán)限，由權(quán)限較高的工程師承擔(dān)驅(qū)動、輸出等模塊的編寫。

6結(jié)語

通過嚴(yán)格的設(shè)計文件，定PLC資源的分配和每個子程序的用途，預(yù)先規(guī)定可預(yù)期的程序變更的語句寫法，同時對非預(yù)期的程序加以界定，這樣的程序設(shè)計方法在實踐中被證明是簡單有效的。使用此方法，成功開發(fā)了多個十萬行以上的復(fù)雜PLC程序，在包括成型機、鋼絲圈等設(shè)備上獲得了應(yīng)用。應(yīng)用中，編寫開發(fā)時間較短，同時由于文檔簡單、管理方便，還可以以跨國工程師協(xié)作的方式編寫程序。尤為重要的是，該方法控制了新加入的任何程序可能產(chǎn)生的風(fēng)險。每次更改程序后，都可以初步預(yù)估可能有誤動作的部件，使得設(shè)備的使用安全風(fēng)險降至最小。總的來說，此種方法是一種實用的大型PLC程序設(shè)計方法。

王素娟(1984—)，女，河北人，工程師，從事建筑電氣方向的研究、設(shè)計工作。