面向計算機專業(yè)的工業(yè)軟件國際編程標準的課程設(shè)計

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)進入了一場以接近軟件編程的形式將面向機器的復(fù)雜操作指令轉(zhuǎn)化成自動化執(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，計算機相關(guān)專業(yè)在學(xué)習(xí)此編程標準具有明顯優(yōu)勢，因而一套面向行之有效的課程設(shè)計成為了迫切的需要。該文提出了一個面向計算機專業(yè)的工業(yè)軟件國際編程標準的課程設(shè)計，從客觀上解決了工業(yè)軟件編程中來自不同領(lǐng)域和平臺之間技術(shù)對接及編程技術(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

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：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，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化控制，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，需要大型機柜組裝，并且占據(jù)大量的空間，電力消耗和維護成本較高，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、維護簡便等的技術(shù)指標，旨在通過新型的通用控制器對其汽車生產(chǎn)設(shè)備進行控制，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、計數(shù)及計時控制、算術(shù)運算、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、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到標準化的軟件開發(fā)平臺、詳細的需求分析、完善的軟件設(shè)計、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)標準、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標準及應(yīng)用

早在1993年， PLC的國際標準IEC 61131制定實施，其中的IEC 61131-3是關(guān)于面向PLC的編程語言的標準，定義了PLC上進行編程的語言特征及規(guī)范[4]。這一標準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)標準，對整個工業(yè)體系有著極其重要的意義。IEC 61131-3的制定，匯集了多個工業(yè)制造業(yè)發(fā)達國家無數(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[5]。該標準允許多種編程語言同時應(yīng)用于同一PLC中，開發(fā)人員同時也可以自由選擇最恰當(dāng)或最熟悉的編程語言進行開發(fā)，還甚至在同一個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，同時為全自動智能化生產(chǎn)提供了廣闊的發(fā)展空間。PLCopen是一個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，有針對性對企業(yè)進行技術(shù)支持和指導(dǎo)，使IEC 61131-3國際標準得以被廣泛的推廣。這一措施具有如下優(yōu)點：

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

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)一的編程標準減少了開發(fā)過程中的錯誤；

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接時間成本。

3 課程設(shè)計

3.1 教學(xué)需求及目標

在工業(yè)制造技術(shù)日益先進的今天，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行信息化人才的培養(yǎng)，用更為先進的技術(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，以先進技術(shù)為基礎(chǔ)、先進的教學(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，且計算機專業(yè)的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)科目包含了基本的程序設(shè)計原理及基礎(chǔ)實踐，而工業(yè)軟件編程往往需要擁有扎實功底及對軟件設(shè)計有較好理解能力，因而面向計算機專業(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)展的實際需要的。

教學(xué)目標為針對計算機軟件類專業(yè)學(xué)生設(shè)計一門工業(yè)軟件編程課程，并以IEC61131-3編程標準的知識點要求為依據(jù)，設(shè)計計算機硬件原理、電氣工程原理、控制工程原理等多專業(yè)融合的理論知識模塊，面向工業(yè)4.0應(yīng)用場景設(shè)計項目化教學(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)方向的必修課或計算機類的專業(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、存儲器、通訊接口、以及輸入輸出接口，而存儲器又可分為系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器，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中對編程語言的定義標準編寫的執(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相對獨立又相互關(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）則將信號處理、傳感器、執(zhí)行器、通信等功能有機結(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)中使用的高級編程語言，通過基本語法構(gòu)成邏輯運算的描述，方便開發(fā)人員的編寫和維護。endprint

另外，POU是一個能夠被獨立編譯的程序塊，作為項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，名字及接口均對其他組成部件開放，數(shù)據(jù)的傳輸采用統(tǒng)一的標準，這一特性方便了項目框架構(gòu)造及程序編寫的模塊化，復(fù)用性強，后期維護成本較低。

在熟悉并掌握IEC61131-3標準中編程標準的特征之后，需要進一步的學(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)其特性與一般高級軟件編程語言的異同進行深入學(xué)習(xí)其內(nèi)部機理，徹底掌握IEC61131-3標準。

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)方案為主要研究藍本，分析軟件專業(yè)的編程基礎(chǔ)課設(shè)計，分析其與IEC61131-3編程基礎(chǔ)語法異同，設(shè)計基礎(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)語法與一般高級編程語言基礎(chǔ)語法。

2） 以IEC61131-3編程的語法、人機交互界面設(shè)計、邏輯控制及運動控制庫等主要知識點為分析對象，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，將理論教學(xué)內(nèi)容以圖文等形象方式展示基礎(chǔ)原理，特別是針對工業(yè)軟件編程所需掌握的原理知識，而不是全套的理論知識教授，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)軟件編程思路與計算機軟件編程思路的異同點，設(shè)計相應(yīng)的思維對比轉(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。例如電機轉(zhuǎn)動控制如果從計算機軟件編程角度，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)機機制描。

4） 設(shè)計工業(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)境完成項目化教學(xué)設(shè)計。Gatherwin系統(tǒng)不僅支持IEC61131-3標準還提供了大量的常用工業(yè)功能庫及較強的工業(yè)組件仿真系統(tǒng)，教學(xué)設(shè)計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物理系統(tǒng)。

3.4 考核方式

平時的考核方式以團隊協(xié)作為基礎(chǔ)的實踐為主。學(xué)生分組組成團隊，對某一興趣點進行深入了解，通過查閱資料、集體討論并設(shè)計方案加以實踐，以代碼的形式實現(xiàn)部分功能，最后學(xué)生以個人為單位根據(jù)自己在整個實踐過程中的收獲及心得體會做總結(jié)，要求條理清晰、邏輯性強，并形成實踐報告。

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

考核的最終目標是讓學(xué)生能夠掌握工業(yè)軟件編程的標準，在課程規(guī)定的時間內(nèi)學(xué)會利用已掌握的知識解決實際應(yīng)用場景的問題，同時養(yǎng)成團隊協(xié)作的習(xí)慣，更好的發(fā)揮團隊合作的優(yōu)勢。

4 總結(jié)

本文通過概述IEC61131標準的由來，并分析了該標準在未來工業(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)軟件編程與計算機專業(yè)軟件編程的相似性，提出了一個適合計算機專業(yè)學(xué)生的工業(yè)軟件編程課程設(shè)計，從客觀上解決了工業(yè)軟件編程中來自不同領(lǐng)域和平臺之間技術(shù)對接及編程技術(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很好的參考范例。

參考文獻：

[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標準的PLC設(shè)計與實現(xiàn)[D].沈陽理工大學(xué)， 2012.

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