軟件工程標(biāo)準(zhǔn)化在PLC程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

盧紫華

上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司

1 引言

PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)廣泛應(yīng)用于港口大型機(jī)械電氣控制、自升式海洋石油鉆井平臺(tái)電氣控制、大型工程起重船電氣控制等方面，積累了大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。但是這些經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)往往得不到有效的整理和總結(jié)，加之這些大型設(shè)備大多屬于小批量定制化產(chǎn)品，形成了產(chǎn)品間設(shè)計(jì)非標(biāo)的現(xiàn)象。因此，如何從中找到共性，提出適應(yīng)性廣的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，成為提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵所在。在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法的探索過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)軟件工程標(biāo)準(zhǔn)化有著更為系統(tǒng)和深入的研究，由于PLC本身是一類(lèi)特殊的計(jì)算機(jī)，故而可以從軟件工程標(biāo)準(zhǔn)化中借鑒方法，運(yùn)用于PLC程序設(shè)計(jì)中，從而達(dá)到PLC程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)。

2 PLC程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化方法

PLC程序設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化方法先從內(nèi)容或者方法層面進(jìn)行流程的分解，將分解的內(nèi)容稱(chēng)為要素，要素的有機(jī)結(jié)合便構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)。流程標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)完成之后需要對(duì)各個(gè)要素分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)。

2.1 PLC程序設(shè)計(jì)的要素分解與有機(jī)結(jié)合

根據(jù)軟件程序設(shè)計(jì)的一般性方法結(jié)合PLC程序設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以按以下5個(gè)要素對(duì)PLC程序設(shè)計(jì)進(jìn)行分解：文檔的建立與管理、PLC系統(tǒng)的外部接口、變量定義、程序架構(gòu)、軟件檢驗(yàn)。

程序的架構(gòu)是PLC程序設(shè)計(jì)的核心，其他要素都圍繞其展開(kāi)和為其服務(wù)；文檔為程序設(shè)計(jì)提供依據(jù)、指導(dǎo)、檢驗(yàn)以及數(shù)據(jù)關(guān)系；變量是程序設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)流表達(dá)；外部接口為PLC系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、人機(jī)界面以及第三方系統(tǒng)提供通訊；而軟件的檢驗(yàn)則為程序的準(zhǔn)確率提供保障。通過(guò)以上這4個(gè)要素，基本能夠確立程序要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，以及設(shè)計(jì)程序所需要的“原材料”，接下來(lái)便是通過(guò)適當(dāng)?shù)胤绞揭布礃?biāo)準(zhǔn)化的程序架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的功能[1-3]。

程序要素的有機(jī)結(jié)合就是從流程上來(lái)完成程序的設(shè)計(jì)，可以分為5個(gè)步驟，分別為確定所需文檔、需求表及變量表等內(nèi)容，開(kāi)始程序代碼設(shè)計(jì)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試、試車(chē)(見(jiàn)圖1)。按照這樣的流程，PLC程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)問(wèn)題實(shí)際上轉(zhuǎn)化成要素的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

圖1 程序設(shè)計(jì)流程圖

2.2 PLC程序設(shè)計(jì)的要素標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

不同的程序設(shè)計(jì)所需要的文檔種類(lèi)和數(shù)量是不同的。根據(jù)不同的功能、時(shí)間節(jié)點(diǎn)、文檔對(duì)于程序的作用，可以把所需的文檔歸成幾類(lèi)，從功能角度分類(lèi)可將文檔分為：功能/工況說(shuō)明類(lèi)文檔、變量信息類(lèi)文檔、接口類(lèi)文檔、程序設(shè)計(jì)輔助類(lèi)文檔以及檢驗(yàn)類(lèi)文檔。

實(shí)現(xiàn)接口的標(biāo)準(zhǔn)化，首先得根據(jù)具體的項(xiàng)目情況確定應(yīng)用哪種通訊協(xié)議，確定好通訊協(xié)議之后，需要確定具體的傳輸數(shù)據(jù)，包括數(shù)據(jù)的方向性和數(shù)據(jù)的數(shù)量以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求。

變量的標(biāo)準(zhǔn)化則分為輸入輸出變量的標(biāo)準(zhǔn)化和中間變量的標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于輸入變量，由于不同項(xiàng)目的不同要求，某一部件的物理地址往往會(huì)產(chǎn)生變化。這些地址一旦更改，將導(dǎo)致對(duì)程序也需要相應(yīng)進(jìn)行修改，修改量通常較大。鑒于這種情況，需要在物理地址和變量名稱(chēng)之間引入一組中間變量，通過(guò)輸入輸出變量和中間變量的地址映射，以應(yīng)對(duì)物理地址的變動(dòng)和變量名稱(chēng)的固定。采用現(xiàn)行軟件設(shè)計(jì)較多的做法，中間變量采用變量名而非物理地址作為變量的尋址方式。為了解決映射程序的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，在下節(jié)中提出了程序代碼的自動(dòng)化生成的方法。

從程序的設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看，軟件檢驗(yàn)可以分為3個(gè)內(nèi)容：?jiǎn)蝹€(gè)功能塊的檢驗(yàn)，聯(lián)調(diào)檢驗(yàn)以及測(cè)試檢驗(yàn)，并針對(duì)各自特點(diǎn)，分別制定標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)方法。

2.3 PLC程序的架構(gòu)

PLC的程序設(shè)計(jì)更多的屬于結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)，即整個(gè)程序由一系列功能塊構(gòu)成，功能塊則是程序的最基本單元。這種結(jié)構(gòu)的好處是能夠使一些大的復(fù)雜的軟件問(wèn)題分解成諸多小的簡(jiǎn)單的軟件問(wèn)題[4]。然而經(jīng)常使用的PLC程序模塊有很多并不能做到功能的相對(duì)獨(dú)立，有許多的互鎖、狀態(tài)等需要在程序中使用，根據(jù)它的這種特點(diǎn)，程序的架構(gòu)可以分為3層。第一層是基本功能塊，包括I/O輸入輸出處理、外部接口處理等，這些功能塊的內(nèi)部功能較為簡(jiǎn)單，但重復(fù)度高，且不受不同設(shè)備的不同工況的影響；第二層是機(jī)構(gòu)功能塊，根據(jù)基本功能塊得到的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)構(gòu)的功能，包含的內(nèi)容有輸入命令，運(yùn)行允許，驅(qū)動(dòng)器控制，接觸器控制以及特殊故障檢測(cè)；第三層是系統(tǒng)功能，是對(duì)控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和處理，包括全局的運(yùn)行允許，通訊檢測(cè)等[5]。以基本功能塊為基礎(chǔ)，機(jī)構(gòu)功能塊為主要控制內(nèi)容，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)了各個(gè)機(jī)構(gòu)的整合以及全局的控制，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的功能。

3 程序代碼的自動(dòng)化生成方案設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)就能夠適用這種代碼自動(dòng)化生成方法的前提是：PLC程序代碼具有高度重復(fù)性，執(zhí)行的是相同數(shù)據(jù)處理或者邏輯判斷，而相關(guān)變量組是離散的，沒(méi)有規(guī)律可循。以I/O變量和中間變量的地址映射程序?yàn)槔绦虼a為賦值語(yǔ)句，高度重復(fù)；IO變量和與其對(duì)應(yīng)的中間變量構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)組，它們之間的組合具有離散性，沒(méi)有規(guī)律可循。因此這樣的映射程序可以采用程序代碼的自動(dòng)化生成方法。

該方案的原理是借助第三方軟件生成PLC程序源代碼，可利用VISUAL BASIC APPLICATION(VBA)，以I/O地址映射為例，逐條將對(duì)應(yīng)I/O地址賦值給中間變量，以下通過(guò)程序偽代碼對(duì)循環(huán)代碼的方案進(jìn)行說(shuō)明[6]。其中，i表示變量對(duì)應(yīng)表中的行；j,k表示結(jié)果生成表中的行；Result.Cells表示結(jié)果生成表中的單元格。

j=2

k=3

n=Application.WorksheetFunction.CountA(Range("b:b"))′統(tǒng)計(jì)B列中非空單元格的數(shù)量

Fori=7 Ton+5 ′從第7行開(kāi)始，到第5+n行結(jié)束

If第i行第F列單元格中的值不為空Then

Result.Cells(j,第B列)=源代碼語(yǔ)言“A”+第i行第F列單元格中的值

Result.Cells(k,第B列)=源代碼語(yǔ)言“=”+第i行第A列單元格中的值

j=j+2

k=k+2

End If

Nexti

生成的源代碼復(fù)制到PLC程序中即可。

4 工程應(yīng)用案例

以自升式石油鉆井平臺(tái)的抬升控制系統(tǒng)為例，從故障列表、程序代碼的自動(dòng)生成和程序架構(gòu)的重新建立等方面進(jìn)行案例分析。

標(biāo)準(zhǔn)化的故障列表主要優(yōu)點(diǎn)為：

(1)故障通過(guò)統(tǒng)一的故障名尋址，便于識(shí)別和讀取，無(wú)需關(guān)注物理地址。

(2)統(tǒng)一的PLC與人機(jī)界面接口表，有利于接口的標(biāo)準(zhǔn)化。

(3)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的分類(lèi)和故障級(jí)別的識(shí)別，能夠方便地進(jìn)行程序代碼的自動(dòng)化生成。

程序代碼的自動(dòng)化生成結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 代碼自動(dòng)生成結(jié)果

程序架構(gòu)的層次見(jiàn)圖3，從重新設(shè)計(jì)的程序架構(gòu)中可以看出該架構(gòu)具有很清晰的層次和組織形式，在程序設(shè)計(jì)階段，具有很明確的操作步驟，易于修改和擴(kuò)展。

圖3 抬升控制程序架構(gòu)圖

5 結(jié)語(yǔ)

立足于現(xiàn)代軟件工程理論，從工作流程、程序設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容出發(fā)，概括出了程序設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾個(gè)要素，分析了這幾個(gè)要素之間的關(guān)系，介紹了如何通過(guò)這幾個(gè)要素的有機(jī)結(jié)合完成程序的設(shè)計(jì)，分別研究討論了各個(gè)要素的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法，從而形成一套完整的標(biāo)準(zhǔn)化程序設(shè)計(jì)方法。文章在提出方法后，就標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法的實(shí)現(xiàn)做了詳細(xì)介紹，最后結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用案例做了分析。通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目的操作，證明了該標(biāo)準(zhǔn)化方法以及相應(yīng)的程序代碼自動(dòng)化生成方法的可行性，獲得了良好的效果，為程序設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化信息化提供了很好的方案，具備推廣價(jià)值。