基于順序功能圖的工控機(jī)VC編程研究*

熊田忠，葉文華，楊 斌，毛冬輝，王祺奧，黃艷飛

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016;2.三江學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇南京210012;3.南京歐創(chuàng)數(shù)控機(jī)床有限公司，江蘇南京211199)

0 引言

作為控制器，PLC 和工控機(jī)(或稱IPC)均廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。PLC 堅(jiān)固耐用，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，編程靈活方便，通用性好，特別適合輸入/輸出點(diǎn)數(shù)眾多的以順序邏輯控制為主的工業(yè)場合。工控機(jī)硬件結(jié)構(gòu)方面有總線標(biāo)準(zhǔn)化程度高、兼容性強(qiáng)，而軟件資源豐富、可視化軟件編程容易，程序可移植性好，運(yùn)行速度快，存儲(chǔ)量大，聯(lián)網(wǎng)方便等特點(diǎn)［1-3］。

將PLC 的現(xiàn)場控制優(yōu)勢與工控機(jī)的圖形界面與數(shù)據(jù)處理等優(yōu)勢相結(jié)合，即PLC 作為下位機(jī)主要進(jìn)行控制，工控機(jī)作為上位機(jī)進(jìn)行管理，這樣的架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)管控分離的分布式系統(tǒng)，成為許多中、大型控制系統(tǒng)的普遍配置方案［4-5］，二者又通過通信連接實(shí)現(xiàn)管控一體化。

工控機(jī)控制系統(tǒng)是基于工控機(jī)和一個(gè)穩(wěn)定可靠的操作系統(tǒng)以及一套由不同廠家開發(fā)的基于PC 的控制軟件，加上一些必要的I/O 硬件設(shè)備組成的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種開放式控制，使控制系統(tǒng)和工廠管理系統(tǒng)更易于連接，能夠把實(shí)時(shí)邏輯控制、連續(xù)生產(chǎn)過程和批量生產(chǎn)過程控制、運(yùn)動(dòng)控制、可視化操作、信息分析、系統(tǒng)診斷等功能集成到一個(gè)緊湊的軟件包中，這些軟件通常以通用免費(fèi)的VC、VB、Delphi 等進(jìn)行開發(fā)，能完成一些PLC 難以完成的工作，并且成本相對于PLC結(jié)合工控機(jī)的控制系統(tǒng)更為低廉［6-8］。但是，單一工控機(jī)控制系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)均未對順序邏輯控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、通用化的論述。

梯形圖是PLC 的一種主要編程語言，采用經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)梯形圖，設(shè)計(jì)使用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)有很大關(guān)系。對于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，分析起來非常困難，容易遺漏掉一些應(yīng)加以考慮的問題;設(shè)計(jì)出的梯形圖往往非常復(fù)雜，難讀懂，這也給PLC 控制系統(tǒng)維護(hù)和改進(jìn)帶來了很大的困難。順序功能圖(sequential function chart)又稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖或功能圖，它是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，也是設(shè)計(jì)可編程程序控制器的順序控制程序的有力工具。順序功能圖具有直觀、簡單、邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，不僅可使工作效率大為提高，而且能使程序調(diào)試極為方便［9-11］。

近年來正在發(fā)展的軟PLC 技術(shù)可以解決工控機(jī)順序邏輯控制問題。軟PLC 技術(shù)是一種基于IPC 或EPC 的將PLC 的控制功能封裝在軟件內(nèi)的控制技術(shù)，也就是通過軟件來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)硬件PLC 的基本功能。但是，軟PLC 技術(shù)又會(huì)增加額外開發(fā)或軟件成本［12-14］，在PLC 順序控制不占主要的控制系統(tǒng)中采用軟PLC 技術(shù)不是很有必要。

通常的工控機(jī)一般不具有順序功能圖和梯形圖編譯軟件，筆者研究的是基于順序功能圖的VC 編程方法，在單一工控機(jī)控制系統(tǒng)上可以較方便地實(shí)現(xiàn)類似PLC 的順序控制功能，在以VC 等應(yīng)用軟件編程的工控機(jī)控制系統(tǒng)中，本研究提出的方法容易與其他控制系統(tǒng)功能軟件很好地融合，且實(shí)現(xiàn)成本低。

1 典型順序功能圖實(shí)例

一個(gè)典型順序功能圖實(shí)例如圖1所示。S0 ～S8為順序功能圖的“步”，其中S0 為“起始步”;步與步之間的連線為步轉(zhuǎn)換方向線;轉(zhuǎn)換方向線上標(biāo)出的是轉(zhuǎn)換條件;每步右側(cè)線連方格部分為步輸出，本研究的步輸出須以設(shè)置(Set)和復(fù)位(Reset)的形式給出，而不能直接掛線圈。本例S0-S1-S2 步轉(zhuǎn)換關(guān)系為單行序列，S2-S3 轉(zhuǎn)換或S2-S4 轉(zhuǎn)換為選擇序列，S5-S6、S7 的轉(zhuǎn)換為并行序列，通常的順序控制均以這3 種序列形式組合而成。符合順序控制的過程只要用順序功能圖準(zhǔn)確描述，就能夠以適當(dāng)方法“翻譯”成相應(yīng)的梯形圖程序，閱讀、調(diào)試、修改都比較方便，且不容易出錯(cuò)。程序分步轉(zhuǎn)換程序和步輸出程序，下面以西門子S7-300 PLC 的梯形圖編程為例給出部分程序，其他程序可以參照編寫，其中步S0 ～S8 以M10.0 ～M11.0 的9 個(gè)位邏輯表示。

圖1 一個(gè)典型順序功能圖實(shí)例

1.1 步轉(zhuǎn)換程序的梯形圖實(shí)現(xiàn)

圖1 實(shí)例的選擇序列S2-S3，S2-S4 及其合并S3-S5，S4-S5，并行序列S5-S6、S7 及其合并S6、S7-S8 的步轉(zhuǎn)換程序梯形圖如圖2所示。

圖2 部分步轉(zhuǎn)換程序梯形圖

1.2 步輸出程序的梯形圖實(shí)現(xiàn)

圖1 實(shí)例的S8 步的步輸出程序梯形圖如圖3所示。

圖3 部分步輸出程序梯形圖

2 順序功能圖的VC 實(shí)現(xiàn)

本研究采用VC + +6.0 編寫基于順序功能圖的順序控制程序時(shí)采用如下方法:

單獨(dú)開一個(gè)線程進(jìn)入一個(gè)循環(huán)的掃描控制程序模擬PLC 主掃描循環(huán)，從而可以不影響控制系統(tǒng)的其他界面操作，線程的優(yōu)先級根據(jù)需要而定;在主掃描循環(huán)程序中依次編寫輸入映射、步轉(zhuǎn)換、步輸出、輸出映射等子程序代碼;采用開線程結(jié)合Sleep 函數(shù)實(shí)現(xiàn)PLC定時(shí)器功能，邏輯上不同時(shí)開啟的定時(shí)器都可以采用一個(gè)線程控制。總體程序流程圖如圖4所示。其中，各線程可以根據(jù)需要設(shè)定不同的優(yōu)先級。

圖4 總體程序流程圖

下面筆者以圖1 順序功能圖為例分別加以敘述，其中，步轉(zhuǎn)換程序和步輸出程序僅給出了部分參考程序代碼，其他代碼可以參照編寫。

2.1 變量定義

定義相關(guān)變量及其含義如表1所示。

表1 變量定義

2.2 主掃描循環(huán)線程

編寫名為PlcMainCycle 的線程程序如下:

在需要調(diào)用時(shí)，可寫入如下代碼:

AfxBeginThread(PlcMainCycle，NULL，THREAD_PRIORITY_NORMAL);//主掃描循環(huán)線程開啟

2.3 輸入輸出映射

輸入映射程序功能是將外部輸入狀態(tài)(數(shù)字量輸入DI 或模擬量輸入AI 等)讀入到內(nèi)存變量，本例將DI 讀入到InputMap;輸出映射程序是將處理好的用以更新外部輸出狀態(tài)的值映射到外部設(shè)備(數(shù)字量輸出DO 或模擬量輸出AO 等)，本例將OutputMap 映射到DO。通?？梢哉{(diào)用I/O 設(shè)備廠家提供的靜態(tài)鏈接庫或動(dòng)態(tài)鏈接庫相應(yīng)函數(shù)即可完成。

2.4 步轉(zhuǎn)換程序

步轉(zhuǎn)換程序采用條件語句和位操作符、邏輯運(yùn)算符等即可容易實(shí)現(xiàn)，以圖1 實(shí)例的并行序列S5-S6、S7 及其合并S6、S7-S8 的步轉(zhuǎn)換程序?yàn)槔?，參考代碼如下:

2.5 定時(shí)器線程

與PLC 不同，在Windows 多任務(wù)操作系統(tǒng)下VC編程沒有多個(gè)獨(dú)立定時(shí)器可用。針對常用的延時(shí)接通定時(shí)器，本研究采用了線程結(jié)合Sleep 函數(shù)的方法來實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器線程代碼如下:

需要注意的是，邏輯上同時(shí)運(yùn)行的定時(shí)器不可以采用一個(gè)線程控制，要分別編寫和開啟不同的類似線程，否則會(huì)引起錯(cuò)亂，如圖1 的T2 和T3 定時(shí)器。該方法定時(shí)器調(diào)用時(shí)，在相應(yīng)輸出程序中先復(fù)位對應(yīng)的延時(shí)到標(biāo)志位，再設(shè)定延時(shí)ms 數(shù)值，最后開啟對應(yīng)的定時(shí)器線程。定時(shí)器線程中，程序掛起設(shè)定延時(shí)ms 數(shù)值時(shí)長后，置位對應(yīng)延時(shí)到標(biāo)志位。延時(shí)到標(biāo)志位的狀態(tài)供主掃描循環(huán)線程查詢使用。具體使用代碼示例見2.4 節(jié)S6、S7-S8 步轉(zhuǎn)換程序和2.6 節(jié)S6、S7 步輸出程序。

2.6 步輸出程序

同樣，步輸出程序也只需通常的條件語句和位操作符、邏輯運(yùn)算符即可實(shí)現(xiàn)，圖1 實(shí)例S6 和S7 步輸出程序參考代碼如下:

為使程序更清晰、便于移植，以上步轉(zhuǎn)換程序和步輸出程序中，部分移位的位數(shù)也可以采用宏定義。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

在主頻為2.53 GHz，Intel Core i3 CPU 的PC 機(jī)，Windows XP 操作系統(tǒng)上，本研究采用VC+ +6.0 建立基于基本對話框的MFC 應(yīng)用程序，通過讀取Windows的CPU 時(shí)間戳的方法對主掃描循環(huán)時(shí)間進(jìn)行測試，經(jīng)運(yùn)行調(diào)試，順序控制功能正確，程序運(yùn)行約2 min 后的某畫面如圖5所示。

圖5 運(yùn)行結(jié)果圖

由圖5 可見，平均主掃描循環(huán)周期僅約6.6 ×10－5ms，最大值也僅約1.49 ms，遠(yuǎn)小于通常PLC 主掃描周期限值(與I/O 設(shè)備硬件反應(yīng)有關(guān)，通常設(shè)為150 ms左右)，可見，該方法在通常的工控機(jī)硬件條件下完全可以承擔(dān)規(guī)模大得多的順序控制功能;查看Windows 任務(wù)管理器，此時(shí)CPU 使用27%。為減小程序運(yùn)行時(shí)的CPU 資源占用，可在主掃描循環(huán)程序中增加Sleep(50)語句，運(yùn)行后CPU 資源占用減小為5%左右，比該程序不運(yùn)行時(shí)占用2%左右略高。

4 結(jié)束語

本研究提出了一種工控機(jī)在Windows 操作系統(tǒng)下，采用VC 編程實(shí)現(xiàn)基于順序功能圖的類似PLC 順序控制的控制方法，在工藝步驟以順序功能圖確定后，也可以“翻譯”成相應(yīng)的程序代碼，實(shí)現(xiàn)順序控制功能。該方法具有較好的編程靈活方便、低成本和良好的控制性能，在柔性PCB 加強(qiáng)板預(yù)貼機(jī)上得到較長時(shí)間的工程應(yīng)用驗(yàn)證，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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