楊忠明+吳偉美+余君

摘要： PLC的研制及IEC61131的推廣讓工業(yè)制造業(yè)進(jìn)入了一場以接近軟件編程的形式將面向機(jī)器的復(fù)雜操作指令轉(zhuǎn)化成自動(dòng)化執(zhí)行的程序的工業(yè)革命，使得流水線作業(yè)的可靠性以及工作效率更高。在高校教學(xué)中，計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)在學(xué)習(xí)此編程標(biāo)準(zhǔn)具有明顯優(yōu)勢，因而一套面向行之有效的課程設(shè)計(jì)成為了迫切的需要。該文提出了一個(gè)面向計(jì)算機(jī)專業(yè)的工業(yè)軟件國際編程標(biāo)準(zhǔn)的課程設(shè)計(jì)，從客觀上解決了工業(yè)軟件編程中來自不同領(lǐng)域和平臺(tái)之間技術(shù)對(duì)接及編程技術(shù)在授課過程中的難題。

關(guān)鍵詞：IEC61131；工業(yè)軟件編程；課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）26-0220-02

1 工業(yè)編程概述

在過去，電氣控制線路由大量的繼電器作為主要元件組成，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化控制，然而這些由繼電器構(gòu)成的龐大且復(fù)雜的控制系統(tǒng)往往需要大量的導(dǎo)線連接，需要大型機(jī)柜組裝，并且占據(jù)大量的空間，電力消耗和維護(hù)成本較高，重構(gòu)難度極大，無法適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中的復(fù)雜狀況[1]。1968年，美國的通用汽車公司提出了一系列如編程簡單、可靠性強(qiáng)、維護(hù)簡便等的技術(shù)指標(biāo)，旨在通過新型的通用控制器對(duì)其汽車生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行控制，解決裝配流水線上各組裝流程控制線路的問題[2]。1969年，世界上第一臺(tái)可編程控制器（簡稱PLC）研制成功，后來被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)流水生產(chǎn)線[3]。到了20世紀(jì)70年代，PLC中開始使用大規(guī)模集成電路（LSI）以及微處理器，具備邏輯控制、計(jì)數(shù)及計(jì)時(shí)控制、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)處理等功能，能夠處理分支、中斷、自診斷等。然而時(shí)至今日，PLC雖然依然是生產(chǎn)控制系統(tǒng)的重要組成部分，但在世界性貿(mào)易快速發(fā)展的今天，PLC高度的可靠性、復(fù)雜的功能設(shè)計(jì)、成本壓力等都是工業(yè)制造中急需解決的問題。

越來越多的制造商意識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)化的軟件開發(fā)平臺(tái)、詳細(xì)的需求分析、完善的軟件設(shè)計(jì)、周全的測試環(huán)境是現(xiàn)代工業(yè)軟件編程所必須具備的條件，統(tǒng)一的PLC編程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、硬件無關(guān)的軟件體系、簡單便捷的開發(fā)環(huán)境均是亟待解決的難題。

2 IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用

早在1993年， PLC的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131制定實(shí)施，其中的IEC 61131-3是關(guān)于面向PLC的編程語言的標(biāo)準(zhǔn)，定義了PLC上進(jìn)行編程的語言特征及規(guī)范[4]。這一標(biāo)準(zhǔn)二十多年來得到廣泛推廣，已經(jīng)成為了當(dāng)之無愧的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)整個(gè)工業(yè)體系有著極其重要的意義。IEC 61131-3的制定，匯集了多個(gè)工業(yè)制造業(yè)發(fā)達(dá)國家無數(shù)從業(yè)專家和相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的智慧以及數(shù)十年在工控方面的經(jīng)驗(yàn)[5]。該標(biāo)準(zhǔn)允許多種編程語言同時(shí)應(yīng)用于同一PLC中，開發(fā)人員同時(shí)也可以自由選擇最恰當(dāng)或最熟悉的編程語言進(jìn)行開發(fā)，還甚至在同一個(gè)程序中使用各不相同的編程語言完成不同功能模塊的編寫任務(wù)[6]。這一特性解決了PLC發(fā)展歷史上由于不同廠商不同技術(shù)導(dǎo)致的多種編程語言混合使用造成的兼容性難題，同時(shí)為全自動(dòng)智能化生產(chǎn)提供了廣闊的發(fā)展空間。PLCopen是一個(gè)1992年成立于荷蘭的國際技術(shù)組織，一直持續(xù)關(guān)注如何提高工業(yè)編程的方法、效率及規(guī)范等業(yè)界難題。 2005年9月以來，PLCopen根據(jù)各國的工業(yè)發(fā)展水平，有針對(duì)性對(duì)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)支持和指導(dǎo)，使IEC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)得以被廣泛的推廣。這一措施具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1） 減少資源在技術(shù)人員的培訓(xùn)、調(diào)試、維護(hù)和咨詢方面的浪費(fèi)；

2） 著眼于解決控制中的問題，提高工業(yè)軟件的可復(fù)用性；

3） 統(tǒng)一的編程標(biāo)準(zhǔn)減少了開發(fā)過程中的錯(cuò)誤；

4） 通用性的編程技術(shù)可大規(guī)模推廣；

5） 減少不同廠商之間在不同組件之間的對(duì)接時(shí)間成本。

3 課程設(shè)計(jì)

3.1 教學(xué)需求及目標(biāo)

在工業(yè)制造技術(shù)日益先進(jìn)的今天，中國的制造業(yè)要想完成從“中國制造”到“中國智造”的轉(zhuǎn)變，增加工業(yè)附加值，就必須在全國范圍進(jìn)行信息化人才的培養(yǎng)，用更為先進(jìn)的技術(shù)適應(yīng)新一輪的工業(yè)變革。職業(yè)院校作為技術(shù)型人才的重要培養(yǎng)基地，更應(yīng)該走在技術(shù)變革和職業(yè)教育改革的前列，以先進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)、先進(jìn)的教學(xué)理念為向?qū)?，積極參與到面向工業(yè)4.0的變革中去。由于工業(yè)軟件編程同樣屬于軟件編程的范疇，且計(jì)算機(jī)專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)科目包含了基本的程序設(shè)計(jì)原理及基礎(chǔ)實(shí)踐，而工業(yè)軟件編程往往需要擁有扎實(shí)功底及對(duì)軟件設(shè)計(jì)有較好理解能力，因而面向計(jì)算機(jī)專業(yè)開設(shè)關(guān)于工業(yè)軟件編程的課程是符合行業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要的。

教學(xué)目標(biāo)為針對(duì)計(jì)算機(jī)軟件類專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)一門工業(yè)軟件編程課程，并以IEC61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)點(diǎn)要求為依據(jù)，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件原理、電氣工程原理、控制工程原理等多專業(yè)融合的理論知識(shí)模塊，面向工業(yè)4.0應(yīng)用場景設(shè)計(jì)項(xiàng)目化教學(xué)案例，融入“教、學(xué)、做”為一體的教學(xué)方法，形成有鮮明特色的一門工業(yè)4.0專業(yè)方向的必修課或計(jì)算機(jī)類的專業(yè)選修課。

3.2 教學(xué)內(nèi)容

1） PLC構(gòu)成

PLC由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)構(gòu)成，其中硬件系統(tǒng)組成部件包括處理器、存儲(chǔ)器、通訊接口、以及輸入輸出接口，而存儲(chǔ)器又可分為系統(tǒng)存儲(chǔ)器和用戶存儲(chǔ)器，輸入輸出接口可分為輸入單元和輸出單元，而軟件系統(tǒng)包含用戶程序和系統(tǒng)監(jiān)控程序。其中用戶程序即開發(fā)人員根據(jù)IEC61131-3中對(duì)編程語言的定義標(biāo)準(zhǔn)編寫的執(zhí)行程序。

2） IEC61131-3編程基礎(chǔ)

IEC61131-3可分為公用元素和編程語言兩部分進(jìn)行解讀。其中公用元素有軟件模型、編程模型、數(shù)據(jù)外部表示、變量、程序組織單元以及順序功能圖表。其中軟件模型包含了配置、資源、任務(wù)、存取路徑和全局變量，從理論上將較為復(fù)雜的程序分割成多個(gè)相對(duì)獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)的可管理部分，通過預(yù)設(shè)的規(guī)則相互調(diào)用。編程模型（見圖1）則將信號(hào)處理、傳感器、執(zhí)行器、通信等功能有機(jī)結(jié)合起來形成一種框架，為模塊化編程提供了體系參考。而數(shù)據(jù)外部表示、變量等剩下的一些公用元素則是為開發(fā)人員提供的基本編寫規(guī)范、預(yù)設(shè)操作指令及基本功能單元。IEC61131-3所定義的編程語言則是類似于軟件開發(fā)中使用的高級(jí)編程語言，通過基本語法構(gòu)成邏輯運(yùn)算的描述，方便開發(fā)人員的編寫和維護(hù)。endprint

另外，POU是一個(gè)能夠被獨(dú)立編譯的程序塊，作為項(xiàng)目程序的組成部件之一， 耦合性較低且可分別由不同種類的編程語言編寫。POU具有唯一性、全局性，名字及接口均對(duì)其他組成部件開放，數(shù)據(jù)的傳輸采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這一特性方便了項(xiàng)目框架構(gòu)造及程序編寫的模塊化，復(fù)用性強(qiáng)，后期維護(hù)成本較低。

在熟悉并掌握IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)中編程標(biāo)準(zhǔn)的特征之后，需要進(jìn)一步的學(xué)習(xí)其編程要素（如數(shù)據(jù)類型、變量等），最后還需要根據(jù)其特性與一般高級(jí)軟件編程語言的異同進(jìn)行深入學(xué)習(xí)其內(nèi)部機(jī)理，徹底掌握IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 教學(xué)方式

1） 以本學(xué)院軟件技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)方案為主要研究藍(lán)本，分析軟件專業(yè)的編程基礎(chǔ)課設(shè)計(jì)，分析其與IEC61131-3編程基礎(chǔ)語法異同，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)語法部分的教學(xué)內(nèi)容，注重教學(xué)內(nèi)容的相似性關(guān)聯(lián)及差異性區(qū)分，避免學(xué)生混淆IEC61131-3編程基礎(chǔ)語法與一般高級(jí)編程語言基礎(chǔ)語法。

2） 以IEC61131-3編程的語法、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)、邏輯控制及運(yùn)動(dòng)控制庫等主要知識(shí)點(diǎn)為分析對(duì)象，編制其相關(guān)的電氣工程、控制工程等專業(yè)理論教學(xué)要點(diǎn)，將理論教學(xué)內(nèi)容以圖文等形象方式展示基礎(chǔ)原理，特別是針對(duì)工業(yè)軟件編程所需掌握的原理知識(shí)，而不是全套的理論知識(shí)教授，避免課程內(nèi)容大篇幅出現(xiàn)理論教學(xué)枯燥無味。

3） 研究工業(yè)軟件編程思路與計(jì)算機(jī)軟件編程思路的異同點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的思維對(duì)比轉(zhuǎn)化教學(xué)模塊，讓學(xué)生更快更容易掌握工業(yè)軟件編程方法。例如電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制如果從計(jì)算機(jī)軟件編程角度，可以使用條件判斷、循環(huán)狀態(tài)判斷等多種方法，而在工業(yè)控制編程中比較多的傾向使用CASE語句的狀態(tài)機(jī)機(jī)制描。

4） 設(shè)計(jì)工業(yè)軟件中的常見小型案例，如以合耕科技的Gatherwin系統(tǒng)為開發(fā)環(huán)境完成項(xiàng)目化教學(xué)設(shè)計(jì)。Gatherwin系統(tǒng)不僅支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)還提供了大量的常用工業(yè)功能庫及較強(qiáng)的工業(yè)組件仿真系統(tǒng)，教學(xué)設(shè)計(jì)基于這樣的一套系統(tǒng)，使得學(xué)生能專注于上層業(yè)務(wù)邏輯控制而調(diào)用封裝好的下層通用控制庫，更為學(xué)生提供了仿真度非常高的環(huán)境，可以通過仿真環(huán)境調(diào)試業(yè)務(wù)邏輯，并能快速部署至真實(shí)物理系統(tǒng)。

3.4 考核方式

平時(shí)的考核方式以團(tuán)隊(duì)協(xié)作為基礎(chǔ)的實(shí)踐為主。學(xué)生分組組成團(tuán)隊(duì)，對(duì)某一興趣點(diǎn)進(jìn)行深入了解，通過查閱資料、集體討論并設(shè)計(jì)方案加以實(shí)踐，以代碼的形式實(shí)現(xiàn)部分功能，最后學(xué)生以個(gè)人為單位根據(jù)自己在整個(gè)實(shí)踐過程中的收獲及心得體會(huì)做總結(jié)，要求條理清晰、邏輯性強(qiáng)，并形成實(shí)踐報(bào)告。

期末考核以筆試加實(shí)操的形式進(jìn)行。筆試主要注重工業(yè)軟件編程的理論知識(shí)及各基礎(chǔ)知識(shí)。以單項(xiàng)選擇題和多項(xiàng)選擇題的形式考核學(xué)生在知識(shí)易錯(cuò)點(diǎn)上的辨別能力和計(jì)算能力，以填空題的形式考核學(xué)生在知識(shí)難點(diǎn)上掌握程度，以虛擬應(yīng)用場景的形式作為主觀大題，考核學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。

考核的最終目標(biāo)是讓學(xué)生能夠掌握工業(yè)軟件編程的標(biāo)準(zhǔn)，在課程規(guī)定的時(shí)間內(nèi)學(xué)會(huì)利用已掌握的知識(shí)解決實(shí)際應(yīng)用場景的問題，同時(shí)養(yǎng)成團(tuán)隊(duì)協(xié)作的習(xí)慣，更好的發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作的優(yōu)勢。

4 總結(jié)

本文通過概述IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的由來，并分析了該標(biāo)準(zhǔn)在未來工業(yè)制造業(yè)中的應(yīng)用前景，最后根據(jù)技術(shù)型人才的需求現(xiàn)狀，結(jié)合工業(yè)軟件編程與計(jì)算機(jī)專業(yè)軟件編程的相似性，提出了一個(gè)適合計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生的工業(yè)軟件編程課程設(shè)計(jì)，從客觀上解決了工業(yè)軟件編程中來自不同領(lǐng)域和平臺(tái)之間技術(shù)對(duì)接及編程技術(shù)在授課過程中的難題，為高職院校開設(shè)工業(yè)軟件編程課程提供了一個(gè)很好的參考范例。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭友. PLC控制系統(tǒng)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].黑龍江科技信息， 2009（35）：67-67.

[2] 李玉峰. 汽車制造業(yè)的PLC市場分析[J].自動(dòng)化博覽， 2010， 27（3）：42-43.

[3] 焦晶， 周麗娟. 淺談《PLC應(yīng)用技術(shù)》在現(xiàn)代教學(xué)方法中的應(yīng)用[J]. 內(nèi)蒙古教育：職教版， 2013（4）：68-69.

[4] Lydon B. IEC 61131-3[J]. Intech， 2012.

[5] 任繼鋒. 基于IEC61131標(biāo)準(zhǔn)的PLC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].沈陽理工大學(xué)， 2012.

[6] 黃穎， 張茂青， 何旭平. 基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的可編程控制器多語言編程研究[J].電工電氣， 2008（3）：19-21.endprint