面向?qū)ο蠓椒ㄔ趶?fù)卷機(jī)程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

尚 苗 馬文明

(西京學(xué)院，陜西西安，710123)

·復(fù)卷機(jī)程序設(shè)計(jì)·

面向?qū)ο蠓椒ㄔ趶?fù)卷機(jī)程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

尚 苗 馬文明*

(西京學(xué)院，陜西西安，710123)

針對(duì)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的控制程序缺乏標(biāo)準(zhǔn)性、復(fù)用性和可移植性，本課題采取面向?qū)ο蟮木幊谭椒☉?yīng)用在復(fù)卷機(jī)的電控系統(tǒng)的程序中，用來解決復(fù)卷機(jī)控制程序開發(fā)和使用過程中的復(fù)用性和可移植性的問題。通過實(shí)踐證明，采取面向?qū)ο缶幊谭椒▽?duì)復(fù)卷機(jī)進(jìn)行PLC編程，使得編程效率得到很大的提高，同時(shí)使復(fù)卷機(jī)的PLC程序更加簡單、容易修改、可移植性更強(qiáng)。

復(fù)卷機(jī)；面向?qū)ο?；?fù)用性；可移植性

隨著造紙裝備的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，造紙廠對(duì)生產(chǎn)過程中紙張質(zhì)量和性能的控制都提出了很高的要求，對(duì)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的要求就是其中之一。怎樣在短時(shí)間內(nèi)使紙廠電工人員快速掌握復(fù)卷機(jī)的電控程序的操作和修改，使復(fù)卷機(jī)出現(xiàn)問題后能夠得到快速解決，不會(huì)給紙廠帶來太多損失，這就要求復(fù)卷機(jī)的電控程序要有標(biāo)準(zhǔn)模塊性、復(fù)用性、可移植性。面向?qū)ο蟮木幊谭椒☉?yīng)用在復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)程序中可以解決上面所提出的要求，使復(fù)卷機(jī)的電控程序具有復(fù)用性和可移植性[1]。本文根據(jù)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制的工藝要求，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒▽?duì)復(fù)卷機(jī)的控制系統(tǒng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，并結(jié)合S7-300PLC和現(xiàn)場實(shí)例項(xiàng)目對(duì)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的程序進(jìn)行調(diào)試和應(yīng)用，對(duì)程序的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于面向?qū)ο蟮木幊汤碚摲治?/h2>

面向?qū)ο蠓治鲞^程包括建立需求模型、建立基本模型、建立輔助模型和建立模型規(guī)約等主要活動(dòng)，其

過程模型如圖1所示。

建立需求模型的活動(dòng)包括確定系統(tǒng)邊界、發(fā)現(xiàn)參與者和定義用況3個(gè)子活動(dòng)，從而形成一個(gè)有參與者、用況以及它們之間的關(guān)系所構(gòu)成的用況圖，即需求模型。建立需求模型的活動(dòng)通常應(yīng)該放在分析工作的開始，但在執(zhí)行其他活動(dòng)時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)需求模型需要修改或補(bǔ)充，則可以隨時(shí)回到這個(gè)活動(dòng)。建立基本模型(類圖)的活動(dòng)包括發(fā)現(xiàn)對(duì)象(用類描述所有的對(duì)象)、定義對(duì)象的特征(包括對(duì)象的屬性和操作)和定義對(duì)象間的關(guān)系(包括繼承、聚合、關(guān)聯(lián)和消息)3個(gè)子活動(dòng)，這些子活動(dòng)可以構(gòu)造系統(tǒng)的基本模型-類圖[2-3]。

圖1 面向?qū)ο蠓治鲞^程模型

圖2 控制系統(tǒng)的用況圖

統(tǒng)一建模語言(unified modeling language，UML)是以可視化方式描述軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為的標(biāo)準(zhǔn)語言，目前在面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析和設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較多。使用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行程序的設(shè)計(jì)時(shí)，統(tǒng)一建模語言可以將系統(tǒng)中的對(duì)象進(jìn)行封裝，將對(duì)象的內(nèi)部活動(dòng)和外部的聯(lián)系進(jìn)行分隔。UML通過類圖將對(duì)象的結(jié)構(gòu)表示出來，采用狀態(tài)圖能夠?qū)?duì)象的內(nèi)部的活動(dòng)給表示出來，通過活動(dòng)圖可以把對(duì)象之間的聯(lián)系描繪出來。同時(shí)UML還能夠?qū)?duì)象的繼承關(guān)系、靜態(tài)結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)特性以及相互協(xié)作等比較詳細(xì)的描繪出來[4]。

通過UML可以掩蓋程序的具體細(xì)節(jié)，使得程序設(shè)計(jì)過程得以簡化，同時(shí)使所設(shè)計(jì)的軟件程序具有更好的復(fù)用性和可移植性。

面向?qū)ο蠓椒ò延?jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)分為3個(gè)階段：一是面向?qū)ο蠓治鲭A段，此階段主要是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，明確系統(tǒng)所完成任務(wù)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初步的功能劃分；二是系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)階段，主要是在需求分析的基礎(chǔ)上，通過對(duì)系統(tǒng)建立各種模型來描述其詳細(xì)功能；三是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)階段，主要是對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)的各功能通過面向?qū)ο蟮木幊陶Z言進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。通過這三個(gè)階段的有效配合設(shè)計(jì)出符合要求的程序系統(tǒng)。

因?yàn)槠?，在這里只對(duì)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的用況圖、PLC程序的用類圖、構(gòu)件圖和實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行分析。

2 面向?qū)ο蠓椒ǖ膹?fù)卷機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)

在問題分析中，將整個(gè)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)看成是一個(gè)統(tǒng)一的整體，以這個(gè)整體為核心，周邊的參與者以及它們之間的各種關(guān)系構(gòu)成的模型圖稱為用況圖，用況圖以直觀的形式展示了系統(tǒng)的用戶需求，是系統(tǒng)的需求模型。復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的需求模型即用況圖如圖2所示。在復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)中的用況圖中，參與者一般包括現(xiàn)場車間的操作人員、系統(tǒng)管理人員、PLC、調(diào)速裝置和人機(jī)界面HMI，其中，現(xiàn)場車間的操作人員和系統(tǒng)管理人員屬于系統(tǒng)用戶，PLC、調(diào)速裝置和人機(jī)界面屬于硬件設(shè)備，系統(tǒng)用戶通過硬件設(shè)備完成對(duì)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的控制。

在面向?qū)ο蟮慕Ｖ校悎D最集中、最完整地體

圖3 控制系統(tǒng)的類圖

圖4 輔助模型-構(gòu)件圖

現(xiàn)了面向?qū)ο蟮母拍?，類圖為面向?qū)ο蟮木幊烫峁┝俗钪苯印⒆羁煽康囊罁?jù)，只要在類圖及其規(guī)約中把系統(tǒng)中的各個(gè)類、它們的屬性、操作以及各個(gè)類之間的關(guān)系清晰地表示出來，程序員便可以直接對(duì)照這個(gè)模型來編程[5- 6]。而在建立類圖的過程中，可以在發(fā)現(xiàn)對(duì)象、尋找特征、定義關(guān)系三個(gè)層次上進(jìn)行分析，從而構(gòu)成一個(gè)完整的類圖。按照UML建立的基本模型-類圖如圖3所示。

在面向?qū)ο蟮姆治鲋?，?gòu)件作為軟件復(fù)用技術(shù)的重要概念，常常作為可復(fù)用構(gòu)件的簡稱，而構(gòu)件圖是一種表示構(gòu)件的組織結(jié)構(gòu)與相互關(guān)系的圖，用于將系統(tǒng)的元素組織成構(gòu)件，并通過接口描述構(gòu)件之間的關(guān)系，以支持基于構(gòu)件的軟件開發(fā)。UML為構(gòu)件提供了多種形式的表示法，基本上是在一個(gè)矩形框的內(nèi)部給出構(gòu)件的名稱和內(nèi)容，并且在矩形框內(nèi)的一個(gè)角落附加一個(gè)圖標(biāo)，表明這是一個(gè)構(gòu)件，在矩形框外畫出構(gòu)件的接口。在復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)中，前底輥、后底輥、退紙輥、圓刀和壓紙輥5個(gè)傳動(dòng)點(diǎn)可并列作為一個(gè)構(gòu)件，它們對(duì)外部其他構(gòu)件的關(guān)系成一個(gè)統(tǒng)一的屬性。通信類數(shù)據(jù)構(gòu)件和通信類程序構(gòu)件、功能控制類構(gòu)件和功能控制類程序構(gòu)件、數(shù)據(jù)運(yùn)算類構(gòu)件和數(shù)據(jù)運(yùn)算類程序構(gòu)件之間的關(guān)系均為依賴關(guān)系，而通信類程序構(gòu)件、功能控制類程序構(gòu)件、數(shù)據(jù)運(yùn)算類程序構(gòu)件這三種構(gòu)件與傳動(dòng)點(diǎn)統(tǒng)一屬性構(gòu)件的關(guān)系為實(shí)現(xiàn)關(guān)系。傳動(dòng)點(diǎn)同一屬性構(gòu)件也已與通信類構(gòu)件、功能運(yùn)算類構(gòu)件和數(shù)據(jù)運(yùn)算類構(gòu)件之間通過屬性和實(shí)現(xiàn)的關(guān)系進(jìn)行調(diào)用從而實(shí)現(xiàn)各自功能的實(shí)現(xiàn)[7]，輔助模型-構(gòu)件圖如圖4所示。這樣如果后期需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)或者程序移植，只需要增加或刪減構(gòu)件，修改構(gòu)件的入口參數(shù)即可，使得程序具有更好的可讀性和復(fù)用性。

在基于面向?qū)ο蟮膹?fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，根據(jù)對(duì)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制工藝和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的分析，將整個(gè)控制系統(tǒng)的傳動(dòng)程序分為三類，通信類程序、功能控制類程序和數(shù)據(jù)運(yùn)算類程序。根據(jù)基于面向?qū)ο蟮膹?fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法，以S7-300PLC為平臺(tái)，構(gòu)建基于S7-300PLC的程序整體框架如圖5所示[8]，其中數(shù)據(jù)運(yùn)算類中的各個(gè)對(duì)象分別被功能控制類中的各個(gè)功能模塊調(diào)用，在通過通信類程序?qū)崿F(xiàn)PLC與現(xiàn)場變頻器、操作屏的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)卷機(jī)傳動(dòng)控制的各個(gè)功能。

圖5 程序整體框架

STEP7的用戶程序通常由組織塊(OB)、功能塊(FB)、功能(FC)、系統(tǒng)功能塊(SFB)、系統(tǒng)功能(SFC)和背景數(shù)據(jù)塊(DB)組成。組織塊(OB)是系統(tǒng)操作程序與用戶應(yīng)用程序在各種條件下的接口界面，用于控制程序的運(yùn)行，因此，在本次程序設(shè)計(jì)中，主程序循環(huán)塊使用OB1用于循環(huán)處理，可以將所有的程序按照上文所述的分類均放入OB1中，通過OB1調(diào)用這些功能控制類程序和通信類程序。功能(FC)是用戶編寫的沒有固定存儲(chǔ)區(qū)的塊，功能塊(FB)是用戶編寫的有自己的存儲(chǔ)區(qū)的塊，在本程序設(shè)計(jì)中，控制功能類的所有功能對(duì)象和通信類程序均在功能(FC)中進(jìn)行編寫，每種功能對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)功能(FC)，并分別進(jìn)行編號(hào)，即FC xx。系統(tǒng)功能(SFC)和系統(tǒng)功能塊(SFB)是預(yù)先編制好經(jīng)測試后集成在S7 CPU中的功能程序庫，用戶可以直接調(diào)用，提高程序的編制效果，在本次程序設(shè)計(jì)中，通信類程序就直接調(diào)用系統(tǒng)功能SFC14、SCF15來進(jìn)行通信程序的編寫[9]。

3 程序測試和調(diào)試

在程序測試中，先調(diào)試子程序或功能塊模塊，然后調(diào)試初始化程序，最后調(diào)試主程序。如圖6所示，圖6中括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為調(diào)試的順序，測試的時(shí)候，應(yīng)首先測試圖中的FB1，測試好FB1后再測試調(diào)用FB1的FC3，測試時(shí)可以在完成的OB1的中間臨時(shí)插入BEU(無條件結(jié)束)指令，只執(zhí)行BEU指令測試好之后可以將它刪除。最后測試不影響OB1的循環(huán)執(zhí)行的中斷處理程序，或者在測試OB1時(shí)測試它們。現(xiàn)場的實(shí)際調(diào)試表明基于面向?qū)ο缶幊趟枷朐O(shè)計(jì)的復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)程序可以實(shí)際應(yīng)用，從而驗(yàn)證了程序的準(zhǔn)確性、實(shí)用性和可移植性。

圖6 程序測試的順序圖

4 總 結(jié)

通過采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?gòu)建程序的架構(gòu)，使得復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)流程規(guī)范化、通俗化、易懂化，有利于縮短程序設(shè)計(jì)的周期，方便程序的二次利用和復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)的升級(jí)和改造。通過對(duì)復(fù)卷機(jī)電控系統(tǒng)程序調(diào)試方法進(jìn)行分析，提高操作人員在現(xiàn)場的調(diào)試效率，同時(shí)提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

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(責(zé)任編輯：馬 忻)

Application of Object-Oriented Programming Method in Rewinder Program Design

SHANG Miao MA Wen-ming*

(XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123)

(*E-mail: 987746606@qq.com)

Aiming to the problem of lack of standardization, reusability and portaility of control program for rewinder control system, object oriented programming method was applied in the electric control system of rewinder in order to solve reusability and protability in development and application of the control program. The practical application proved that the PLC programming efficiency of rewinder was greatly improved ,and PLC program of rewinder became more simple, easy to modify, and stronger portability.

rewinder; Object-oriented; Reusability; Portability

尚 苗女士，碩士，助教；主要從事機(jī)電一體化、紙機(jī)變頻傳動(dòng)、智能機(jī)器人等方面的教學(xué)與科研工作。

2016- 10- 31(修改稿)

西京學(xué)院科研基金項(xiàng)目(XJ150212)；西京學(xué)院科研基金項(xiàng)目(XJ150213)。

TS734+.7

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.03.011

*通信作者:馬文明，碩士，助教；研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，電機(jī)控制與變頻調(diào)速。