黃光慈，周菊，曹希龍，萬林林，方濤

（徐州徐工施維英機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

1 整體架構設計

目前市面上，所有的控制系統(tǒng)都是以電腦 PC 為控制核心，兼用其他控制元件來完成整體的控制要求。不同的是，有的是使用 PC+PLC 來完成，有的采用PC+PLC+配料模塊來完成，更有直接采用一臺 PC 完成全部處理的功能。各種方式各有利弊。

1.1 采用獨立 PC 設計的控制系統(tǒng)

采用 PC 獨立設計的控制系統(tǒng)，普通的商用 PC 難以達到使用要求，因此需要使用專用的工控機，同時工控機主板上必須具有多塊 PCI 插槽，因為需要額外安裝多個信號采集卡。當外界信號通過信號采集卡進入 PC之后，即可根據(jù)程序指令來輸出不同的動作，讓指定的外部元件動作。市場上采用這種獨立 PC 設計的控制方式的廠家較少，主要是因為：

（1）軟件設計的難度較大。軟件不光是數(shù)據(jù)的處理分析，還需要對生產(chǎn)流程進行控制，實現(xiàn)各種互鎖條件等等。開發(fā)難度巨大。

（2）硬件成本較高。除去一臺專業(yè)的工控機，還需要額外擴展多塊價格不菲的信號采集卡。

（3）PC 機直接與外界信號相連，容易受到外界信號的干擾?；炷翑嚢枵镜纳a(chǎn)環(huán)境復雜，控制室中由于強電、弱電柜的存在，隨時有著強大的電磁干擾的存在。因此，一旦有強電流進入電腦主板，輕則燒毀信號采集卡，重則導致電腦主板直接燒毀。而主板一旦毀壞，則整臺 PC 機都無法工作，由此將給攪拌站帶來巨大的損失。

1.2 采用 PC+PLC 設計的控制系統(tǒng)

在這種方式中，PC 作為上位機，PLC 作為下位機，兩者之間通過 MODBUS 協(xié)議進行通訊。PLC 即所謂可編程邏輯控制器，是專業(yè)的用于工業(yè)控制領域的編程控制器，經(jīng)過多年的發(fā)展，市場上已經(jīng)可以買到多種價格相對便宜而又穩(wěn)定耐用的 PLC 產(chǎn)品，比如西門子PLC、三菱 PLC 等等。

這種方式的好處顯而易見，PC 不再需要與外部信號連接，因此就降低了 PC 被外界干擾電流損壞的風險。其次，由于與外界信號相連的是 PLC，因此就算PLC 被外界干擾損壞，也只需要更換一個 PLC 模塊即可，而一個 PLC 模塊價格是遠遠低于 PC 的。第三，生產(chǎn)控制由 PLC 來處理，因此對于上位機來說，無論是編程開發(fā)的壓力還是處理生產(chǎn)流程的壓力都要小很多。

但是，這種方式的缺點也同樣明顯。第一，PLC 編程與目前現(xiàn)有的 PC 編程語言差異較大，需要由完全不同的人員來編寫。這就需要至少兩人來負責控制系統(tǒng)的開發(fā)，一個負責上位機開發(fā)，另一人負責下位機開發(fā)。不過 PLC 編程總體來說比 PC 編程還是要簡單很多的。因此總體上并沒有多大的難度。第二，由于 PLC 的專長是處理數(shù)字量，即對0或1進行條件判斷，但是對于模擬量的處理，PLC 由于其本身 CPU 處理能力的限制，對模擬量的處理速度非常慢。因此，在攪拌站的控制中，對于上位機來說又需要承擔一部分生產(chǎn)的職能，即由上位機進行運算來控制PLC 進行配料、投料等等。因此，這種 PC+PLC 的設計方式，并沒有完全的將上位機的數(shù)據(jù)管理和下位機生產(chǎn)流程控制分開。由此就又產(chǎn)生了第三種控制模式，即采用 PC +PLC+配料模塊設計的控制系統(tǒng)。

1.3 采用 PC+PLC+配料模塊設計的控制系統(tǒng)

這種方式與 1.2 中所述方式的不同在于，新增了配料模塊。配料模塊就是將 PC 的流程控制功能獨立出來，由專門的硬件進行控制，并在合適的時間將動作信號傳遞給 PLC，然后由 PLC 進行生產(chǎn)控制。上位機通過 MODBUS 協(xié)議與每個配料模塊相連，然后將配方值傳送到配料模塊中。同時每個配料秤在生產(chǎn)中的重量，全都由傳感器輸送給配料模塊，然后配料模塊經(jīng)過計算分析之后，輸出相應的配料信號或投料信號，之后 PLC接收到配料模塊產(chǎn)生的信號之后，可以根據(jù)當前的條件進行判斷是否執(zhí)行相應的流程即可。

目前，采用這種方式的廠家比較多。因為它實現(xiàn)了“專人做專事”的控制模式，通過不同模塊之間的協(xié)同合作來完成生產(chǎn)控制。同時，目前市場上也有很多廠家單獨生產(chǎn)配料模塊，這些廠家生產(chǎn)的配料模塊，經(jīng)過多年的市場檢驗，已經(jīng)比較成熟，對于配料的精度已經(jīng)掌握比較好，因此可以直接購買現(xiàn)成的模塊，然后再進行MODBUS 通訊編程即可。同時，這種模式因為省去了生產(chǎn)流程的控制，只需要開發(fā) MODBUS 協(xié)議即可，因此開發(fā)難度比上一種也要簡單一些。

簡單地說，這種模式就是以多個簡單的模塊進行組合起來，就能夠?qū)崿F(xiàn)負責的流程控制模式。而每個模塊承擔的職責相對單一且清晰，編程難度也不是很大。同時，筆者本人所從事的攪拌站軟件開發(fā)工作中，也采用的是 PC+PLC+配料模塊的方式進行攪拌站控制的。

2 編程語言的選擇

PC 平臺上的編程語言有上百種，有不需要編譯就能直接運行的腳本語言，如 JavaScript；也有必須預編譯才能執(zhí)行的語言，如 Java、C#；甚至還有使用中文進行編程的“易語言”，等等。但是，如何從中選擇合適的語言進行開發(fā)呢？筆者總結出來以下幾條原則：

（1）該編程語言必須能夠穩(wěn)定的運行于 PC 平臺上，且能夠方便快速的進行桌面應用程序的開發(fā)。

（2）該語言需要有大量的第三方開發(fā)工具包，換句話說，必須有大量的編程人員使用這種語言進行開發(fā)，即所謂豐富的軟件生態(tài)環(huán)境。

（3）該語言必須能夠直接調(diào)用 Windows 平臺的各種 API 函數(shù)。

（4）該語言必能能夠很好地在 x86 和 x64 兩種Windows 平臺的架構下運行。

基于以上幾點，在目前的主流開發(fā)語言中，優(yōu)先推薦的就是 C#、C++、Java 這三種編程語言。同時，筆者個人認為 Java 的優(yōu)勢在于開發(fā)企業(yè)級的應用軟件，而在工業(yè)控制領域的應用則并不是非常廣泛。因此，其實最優(yōu)的選擇就是 C# 和 C++ 了。前者是微軟目前大力推廣的編程語言，且 .net 平臺已經(jīng)集成在了 Windows7及以上的平臺上，可以說是“背靠大樹好乘涼”。而后者也是擁有多年歷史，廣泛應用于各種平臺與硬件軟件中。但是 C++ 需要程序員去處理內(nèi)存、野指針等問題，處理起來復雜且棘手。而 C# 則無需考慮這些問題。因此，目前在工業(yè)控制領域中，使用最廣泛的就是C# 編程了。筆者本人所在的軟件開發(fā)團隊，也是使用C# 進行攪拌站上位機軟件開發(fā)的。

PLC 方面則無需贅述，使用梯形圖編程即可。

3 程序模塊設計

模塊化的設計是軟件編程中的重要思想，模塊的使用者不需要知道模塊的內(nèi)部構造，只需要在需要時調(diào)用相關模塊，然后在模塊處理完成之后獲取到結果即可。對于中間的步驟，無需讓外界知曉。這里著重以筆者所在的設計團隊進行開發(fā)攪拌站控制系統(tǒng)進行模塊設計方面的分析。

3.1 MODBUS 通訊模塊

MODBUS 協(xié)議并不是一個全雙工的通信協(xié)議，即MODBUS 協(xié)議支持讀寫操作，但是兩個動作不能同時進行。而且，在攪拌站運行的過程中，對 PLC 的讀操作要多于寫操作，因為需要將 PLC 的狀態(tài)實時的反饋的電腦的顯示界面中；而寫操作，除非在特殊情況下需要進行手動干預，否則一般不需要進行大量的寫操作。因此，基于以上兩個點分析，筆者所在的軟件開發(fā)團隊中，開發(fā)出了一個所謂的 “通訊節(jié)拍器”進行軟件通訊。具體的模型可以解釋為一下內(nèi)容：

（1）通訊節(jié)拍器一般情況下只對 PLC 進行讀取。

（2）通訊節(jié)拍器內(nèi)容有一個任務隊列，即需要進行的寫操作。通訊節(jié)拍器會實時監(jiān)測任務隊列中的情況，當這個任務隊列為空時，即沒有需要進行的寫操作時，節(jié)拍器就進行默認操作，即讀操作。

（3）當需要進行寫操作時，會有一個新的寫操作對象被添加到通訊節(jié)拍器的任務隊列中。通訊節(jié)拍器會監(jiān)測到任務隊列中有新的寫操作被添加進來時，會停止默認的讀操作，然后開始進行寫入操作。

（4）一個寫入操作完成之后，繼續(xù)檢測任務隊列，是否還有其他寫操作，如果有則繼續(xù)下一個寫入操作。重復此循環(huán)，直到任務隊列被清空。

（5）任務隊列清空后，恢復進行默認的讀操作。

3.2 界面編輯模塊

在使用 VisualStudio 進行軟件開發(fā)時，可以進行控件的拖拽和編輯，以此來完成界面的編輯。但是要求是目標電腦上必須安裝了 VisualStudio，且這樣的改動是直接修改源程序的，這樣顯然會給現(xiàn)場調(diào)試帶來巨大不便，因為安裝一個 VS 需要耗費數(shù)小時的時間，且直接修改源代碼也存在較大風險。那么能不能使用 C# 編寫一個能夠自定義和修改界面的程序呢？

答案當然是能的。這里需要使用到微軟自帶的組件DesignSruface 以及 DesignSurfaceManager 組件。在應用程序的引用列表中，添加 System.ComponentModel 的引用，然后直接在程序中就可以引用 DesignSruface 以及 DesignSurfaceManager 組件了。有了以上兩個組件之后，編輯器最主要的框架可以說就搭好了，剩下要做的就是具體的實例和重寫相關方法和類。具體的編碼工作完成之后，即可以實現(xiàn)簡單的界面編輯操作。如圖 1。

在圖1中，可以看到左邊的工具欄顯示了各種控件，中間是當前的界面，右邊則是一個控件的屬性。在這個編輯器中，就可以改動或編輯各種界面，改動之后會生成一個 XML 文件，之后再進行讀取就可以將整個界面呈現(xiàn)出來。

3.3 數(shù)據(jù)持久化模塊

數(shù)據(jù)持久化是每一個軟件系統(tǒng)中必須面臨的問題。一個好的數(shù)據(jù)持久化框架，能夠減少大量重復代碼的開發(fā)，增加開發(fā)效率。筆者所在的團隊中，使用的SQLServer 數(shù)據(jù)庫，因此就需要在程序運行中頻繁地對SQLServer 數(shù)據(jù)庫進行讀寫。在所有的讀寫操作中，都需要一下幾個共同的操作：

（1）創(chuàng)建 SQL 連接字符串。

（2）根據(jù) SQL 連接字符串創(chuàng)建 SqlConnection 對象對目標數(shù)據(jù)庫進行嘗試連接。

（3）對數(shù)據(jù)庫的連接成功以后，在執(zhí)行不同的操作，如增刪改查等等。

圖1 界面編輯器

根據(jù)軟件開發(fā)的原則，將不變的部分封裝起來，將變化的部分獨立出來。于是，在上述的 1、2 步驟中，建立起一個通用的數(shù)據(jù)庫代理對象，通過代理對象來訪問數(shù)據(jù)庫。然后將步驟三獨立出來，成為一個委托，將不同的操作調(diào)用不同的委托即可。程序代碼如下：

以上代碼中，ReadDataHandler hand 是一個委托，它的具體聲明如下：

以上就是一個數(shù)據(jù)庫代理的部分代碼段。通過這個代碼段，只需要編寫相應的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對象的方法，然后調(diào)用 ReadDataHandler 的委托，傳遞給數(shù)據(jù)庫代理的相關方法即可完成對數(shù)據(jù)庫的讀操作。而無需再進行數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建連接、測試連接等步驟。因為數(shù)據(jù)庫代理對象已經(jīng)替我們完成了這寫操作。

4 編碼原則

編碼原則是在程序開發(fā)過程中，由前人經(jīng)過大量實踐總結出來的一些經(jīng)驗，而并非具體的語法規(guī)則。只是采用這些規(guī)則會對程序的開發(fā)維修帶來很多方便，因此，在所有的軟件開發(fā)團隊中，都有一套自己的編碼原則。這里簡單介紹幾條筆者所在的團隊的編碼原則：

（1）每個類的命名必須以這個類所表示的實際意義來進行命名，使用類中文名稱對應的英文來命名。如果，一個混凝土的生產(chǎn)計劃，可以命名為ConcreteProductPlan。

（2）類的命名方式采用駱駝命名法則，即每個單詞的首字母大寫，其余字母小寫的方式，如生產(chǎn)任務，可以寫為 ProduceMission。

（3）私有變量必須以小寫 m 和下劃線開后，之后是采用駱駝命名法則的變量的實際名稱。比如，一個私有的時間變量，表示混凝土的生產(chǎn)開始時間，則可以命名為：

（4）常量必須以全大寫的方式命名。

（5）類中的每個方法不應有過長的方法體，最長不能超過100行。如果行數(shù)超過了 100，則需要對這個方法進行拆分，將其拆分成若干個小方法。

（6）每個類中的方法，無論是共有還是私有，一律采用駱駝命名法進行。并且必須以這個方法所起到的實際作用來命名。

5 總結

控制系統(tǒng)是混凝土攪拌站的核心和大腦，因此，一個良好優(yōu)秀的程序設計，不光能夠為開發(fā)人員來帶來更高的效率，也能為用戶帶來良好的體驗。本文以筆者所從事的開發(fā)工作出發(fā)，簡單敘述了不同市面上幾種控制系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的相關部件及其優(yōu)缺點。軟件發(fā)開是一條無止境的道路，望與各位軟件開發(fā)者共勉。