PLC面向?qū)ο缶幊毯吞菪螆D邏輯誰(shuí)更實(shí)用一些

在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，梯形圖邏輯仍然是最常用的編程語(yǔ)言之一，但對(duì)于更加復(fù)雜的控制對(duì)象，面向?qū)ο缶幊滩皇橐环N高效率的方式。下面先來(lái)談?wù)劽嫦驅(qū)ο缶幊蹋?/span>

面向?qū)ο缶幊淌怯?jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言的一種先進(jìn)的編程模式，在工業(yè)控制系統(tǒng)的PLC程序中也可以采用這種設(shè)計(jì)思想，雖然我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮暮芏鄡?yōu)秀特點(diǎn)如“繼承”，甚至于它根本就不具備面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的特點(diǎn)，但面向?qū)ο缶幊痰幕靖拍罹褪穷惡皖惖膶?shí)例（即對(duì)象），我們只需要使用這種概念就可以了。在計(jì)算機(jī)編程中我們需要把一些事物抽象和歸納，才能編寫(xiě)類，而在工業(yè)控制系統(tǒng)中，控制對(duì)象如：電機(jī)，閥等等是很明顯的控制類別，不需要抽象就可以很明顯的針對(duì)它們編寫(xiě)類，以下將會(huì)用到西門(mén)子的Step7編程語(yǔ)言和施奈德的Unity 編程語(yǔ)言來(lái)講解PLC的面向?qū)ο缶幊獭?/p>

一、 實(shí)現(xiàn)方式

面向?qū)ο缶幊淘赟tep7中使用功能塊（即FB）編程，一談到此大家就會(huì)想到西門(mén)子提出的模塊化編程，不錯(cuò)，就是這個(gè)模塊化編程，但西門(mén)子提出的模塊化、背景數(shù)據(jù)塊、多重背景等名詞并不能讓大家很明白的理解和使用這種優(yōu)秀的設(shè)計(jì)理念。

如果大家從面向?qū)ο缶幊痰慕嵌热ダ斫猓瑒t可以很好的理解這種設(shè)計(jì)模式?！癋B塊”被看 成“類”，它可以被看成是對(duì)相似的控制對(duì)象的代碼歸納，如對(duì)MM440的變頻器可以編寫(xiě)FB塊:MtrMM440,這在面向?qū)ο缶幊讨蟹Q為“類”，當(dāng)需要 編程控制具體的電機(jī)時(shí)，可以給它分配一個(gè)背景DB塊，在面向?qū)ο缶幊讨蟹Q為類的實(shí)現(xiàn)（即創(chuàng)建類的實(shí)例：對(duì)象），當(dāng)需要控制多個(gè)電機(jī)時(shí)，可以分配不同的背景 DB到這個(gè)FB塊，即創(chuàng)建類的多個(gè)實(shí)例。

Step7中有另外一種程序塊，即FC塊，以FC塊為主的編程在西門(mén)子中稱為結(jié)構(gòu)化編程，這也可以類比于計(jì)算機(jī)編程中的面向過(guò)程編程，即純粹以函數(shù)為主體的編程。

施奈德的Unity軟件編程可以更好的理解面向?qū)ο缶幊?。它的DFB定義中包含輸入/輸出參數(shù)，私有/共有變量，以及代碼實(shí)現(xiàn)，而這正是計(jì)算機(jī)的面向?qū)ο?編程中“類”的基本元素，而創(chuàng)建類的實(shí)例（對(duì)象）就像創(chuàng)建普通的“布爾”變量一樣，只需在“Function Blocks”中定義這種“類”的變量即可。

Step7和Unity都可以采用面向過(guò)程和面向?qū)ο缶幊谭绞?，這兩種編程方式的區(qū)別類似于計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言中的C語(yǔ)言和C++語(yǔ)言編程的區(qū)別。

以下的講解將會(huì)把Step7中的FB和Unity中的DFB稱為“類”，Step7中的FB+背景DB以及Unity中DFB的實(shí)例稱為“對(duì)象”。

二、 面向?qū)ο缶幊碳軜?gòu)

以上講解的是實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，而編程思想是建立在程序架構(gòu)上的，不是某個(gè)局部使用了面向?qū)ο蠓绞?，則可以稱之為這種編程就是面向?qū)ο缶幊獭＿@種編程需要從以下方面著手：

1、 電路設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)化。

這里主要以自動(dòng)線為主介紹，對(duì)于單機(jī)機(jī)床可以是它的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)：

<1>、自動(dòng)線層：這是最高層次，它擁有一個(gè)主PLC，對(duì)屬于它下面的各區(qū)域控制<2>、工程層：擁有獨(dú)立的配送電系統(tǒng)，但沒(méi)有PLC，只有分布式模塊，由自動(dòng)線控制。顧名思義，它有著較大的獨(dú)立性，可以作為一個(gè)單獨(dú)的工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)和制造，當(dāng)自動(dòng)線比較小時(shí)，可以省略該層次。

<3>、功能組層：根據(jù)工藝劃分，將實(shí)現(xiàn)某一個(gè)工藝功能的區(qū)段設(shè)備劃分為一個(gè)功能組，它隸屬于工程層，當(dāng)工程層被省略時(shí)，隸屬于自動(dòng)線層。面向?qū)ο缶幊滩⒉灰欢ㄒ笫褂靡陨系慕Y(jié)構(gòu)，但好的電氣結(jié)構(gòu)更利于面向?qū)ο缶幊獭?/p>

2、 任何控制對(duì)象邏輯都在“類”中實(shí)現(xiàn)。

為了做到這點(diǎn)，必須分析與控制對(duì)象相關(guān)的信息，譬如，對(duì)于一個(gè)電機(jī)，有以下相關(guān)的信息需要考慮：

輸入信息：

<1>、電路保護(hù)信息，如電機(jī)的空氣開(kāi)關(guān)，熱繼電器等。

<2>、功能保護(hù)信息，如運(yùn)動(dòng)電機(jī)的限位開(kāi)關(guān)，風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓開(kāi)關(guān)，油泵的油位開(kāi)關(guān)等。

<3>、啟動(dòng)和終止條件，以上的電路保護(hù)和功能保護(hù)都可能導(dǎo)致電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)終止，復(fù)位也可能導(dǎo)致重啟動(dòng)，但這里的條件指的是正常運(yùn)行的啟動(dòng)和終止條件，譬如順序控制的流程步。

<4>、控制模式：如手動(dòng)和自動(dòng)等。

<5>、故障復(fù)位：通過(guò)復(fù)位信息，重新啟動(dòng)。

輸出信息：

<1>、控制輸出，如控制電機(jī)的主接觸器。

<2>、狀態(tài)信息輸出

<3>、故障輸出

狀態(tài)儲(chǔ)存信息：

用于代碼實(shí)現(xiàn)的中間變量以及可以被人機(jī)界面讀出的狀態(tài)變量等。把以上信息都整合到一個(gè)類中，并盡量使類的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化。不過(guò)，同高級(jí)編程語(yǔ)言還是曾在一些差別，針對(duì)Step7,應(yīng)該遵循的標(biāo)準(zhǔn)是：程序結(jié)構(gòu)由FC實(shí)現(xiàn)，對(duì)象控制由FB實(shí)現(xiàn)，如下的一種結(jié)構(gòu)體系（其電氣結(jié)構(gòu)來(lái)自上面的介紹）：這只不過(guò)是一個(gè)粗略的PLC程序架構(gòu)體系，好的架構(gòu)應(yīng)該更完善和科學(xué)。

3、 規(guī)劃好數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義相當(dāng)重要，并盡量統(tǒng)一這些結(jié)構(gòu)，不要顧慮存儲(chǔ)空間，當(dāng)今的PLC內(nèi)存足以容納大量的數(shù)據(jù)。說(shuō)明一點(diǎn)的是在Step7中盡量不要在類的外部定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(UDT),而是在類里面定義，雖然會(huì)造成不同類中同一結(jié)構(gòu)的重復(fù)性定義，但卻提高了類的獨(dú)立性。

在接下來(lái)的篇幅中，我們來(lái)對(duì)比一下這兩種編程方式：

面向?qū)ο缶幊痰膬?yōu)點(diǎn)與梯形圖邏輯相比，面向?qū)ο缶幊逃幸韵聝?yōu)點(diǎn) :

? 代碼可移植，易于重復(fù)使用 ；

? 易于使用數(shù)學(xué)函數(shù)、循環(huán)等 ；

? 幾乎在每一門(mén)計(jì)算機(jī)編程課程中，都會(huì)教授面向?qū)ο缶幊?；

? 代碼可以在各種硬件平臺(tái)上運(yùn)行。

要掌握面向?qū)ο缶幊?，首先需要理解?duì)象的概念及其使用。一旦對(duì)象或模塊類編寫(xiě)完成， 就很容易通過(guò)多次調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用。例如，創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象來(lái)控制電機(jī)，用來(lái)處理所有輸入、輸出和故障。當(dāng)需要時(shí)，可以通過(guò)多次實(shí)例化 該單一控制對(duì)象，來(lái)控制多個(gè)電機(jī)。這就是所謂的按需實(shí)例化。當(dāng)需要控制多個(gè)電動(dòng)機(jī)時(shí)， 可以多次使用該單個(gè)物體。它在需要時(shí)調(diào)用，并在使用時(shí)創(chuàng)建實(shí)例。

每個(gè)電機(jī)的每個(gè)實(shí)例都有自己的特性，如電機(jī)停機(jī)、電機(jī)運(yùn)行、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)過(guò)載 等。大多數(shù)編程工作都是在首次創(chuàng)建對(duì)象時(shí)完成的。這是一種與梯形邏輯不同的思維方式，而且更強(qiáng)大，因?yàn)橐坏?gòu)建了一個(gè)對(duì)象，它就很容易使用和重用。面向?qū)ο缶幊谈子趫?zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)、循環(huán)計(jì)算、數(shù)組和嵌套子例程。幾乎每一門(mén)計(jì)算機(jī)編程——無(wú)論是高中、大學(xué)、還是網(wǎng)絡(luò)上的教程，都會(huì)教授這方面的知識(shí)。創(chuàng)建的代碼是可移植的，可以在各種硬件平臺(tái)上運(yùn)行。

“梯形圖邏輯遵循繼電器控制系統(tǒng)中使用的梯形電氣圖的格 式，大多數(shù)人都可以快速學(xué)習(xí) 并掌握它。”

不過(guò)，與梯形圖邏輯相比，面向?qū)ο缶幊逃幸韵氯秉c(diǎn) :

? 費(fèi)用更高 ；

? 更陡峭的學(xué)習(xí)曲線 ；

? 對(duì)于維護(hù)人員來(lái)說(shuō)，故障排除不是特別 容易 ；

? 在將源代碼上傳到處理器之前，通常需要編譯。

與梯形圖邏輯相比，面向?qū)ο缶幊掏枰嗟膬?nèi)存和更強(qiáng)的處理能力，因此費(fèi)用就更高。面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言的學(xué)習(xí)時(shí)間可能更長(zhǎng)。很可能需要課堂學(xué)習(xí)，需要大量的時(shí)間、實(shí)踐、測(cè)試和應(yīng)用來(lái)掌握核心概念。編程人員必須經(jīng)常研究面向?qū)ο缶幊蹋员闶褂酶櫰鱽?lái)追蹤代碼，或調(diào)試器來(lái)調(diào)試邏輯。使用這種類型的高級(jí)編程，可能很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線監(jiān)視功能。

在將源代碼下載到控制器之前，必須對(duì)其進(jìn)行編譯。通常，源代碼并不保存在處理器內(nèi)存中。這意味著必須小心備份源代碼，因?yàn)榫幾g過(guò)的代碼通常是不可編輯的。使用面向?qū)ο缶幊蹋瑤?kù)文件必須與在編譯過(guò)程中使用的其它資源相連接。如果不了解連接和資源，將很難使程序運(yùn)行。

梯形圖邏輯優(yōu)勢(shì)：

梯形圖邏輯是一種簡(jiǎn)單且自文檔化的編碼方法，甚至有人懷疑它是否是一種編程語(yǔ)言。它遵循繼電器控制系統(tǒng)中使用的梯形電氣圖的格式，大多數(shù)人都可以快速學(xué)習(xí)并掌握它。它是在過(guò)去的數(shù)十年來(lái)唯一在機(jī)器自動(dòng)化領(lǐng)域中大規(guī)模應(yīng)用的編程語(yǔ)言，并且在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)， 仍然是自動(dòng)化行業(yè)中使用的主要編程語(yǔ)言之一。

隨著時(shí)間的推移，具有不同背景的人從不同領(lǐng)域進(jìn)入該行業(yè)，各種編程語(yǔ)言被引入工業(yè)自動(dòng)化工具箱中。其中包括功能塊編程、結(jié)構(gòu)化文本、狀態(tài)編程和順序功能圖。這 4 種編程語(yǔ)言和梯形圖邏輯，構(gòu)成了IEC61131-3 國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 的標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言。

IEC61131 背后的邏輯是 ：如果每個(gè)供應(yīng)商都遵循該標(biāo)準(zhǔn)，那么至少在某種程度上，一個(gè)人只需學(xué)習(xí)這 5 種編程語(yǔ)言，就可以輕松地在來(lái)自不同供應(yīng)商提供的平臺(tái)之間進(jìn)行切換。然而，事實(shí)卻并非如此。

基本梯形圖邏輯（如使用繼電器觸點(diǎn)和線圈）也是一樣的 ；但是在編程時(shí)，必須學(xué)習(xí)每個(gè)供應(yīng)商的語(yǔ)法和用戶體驗(yàn)，以及如何使用編程平臺(tái)的詳細(xì)信息。盡管缺乏標(biāo)準(zhǔn)化，但與面向?qū)ο缶幊滔啾龋菪螆D邏輯有以下優(yōu)勢(shì) :

? 非常適合機(jī)器和過(guò)程控制 ；

? 由于本質(zhì)上是自文檔，因此更易于理解；

? 易于對(duì)受控系統(tǒng)進(jìn)行故障排除 ；

? 易于調(diào)試 ；

? 源代碼通?？梢源鎯?chǔ)在處理器中。

梯形圖邏輯非常適合于機(jī)器和過(guò)程控制， 特別是具有大量離散輸入、輸出(I/O)的自動(dòng)化系統(tǒng)。多年來(lái)，梯形圖邏輯也在不斷改進(jìn)，以處理模擬量I/O，使其更適合于眾多的過(guò)程控制應(yīng)用。

與機(jī)器控制應(yīng)用相比，過(guò)程應(yīng)用中模擬量 I/O 的比例往往較高。

因?yàn)樘菪螆D邏輯比面向?qū)ο缶幊谈子谑褂?，因此眾多熟練的技術(shù)人員和工程人員可以快速學(xué)習(xí)梯形圖邏輯。邏輯高度系統(tǒng)化、有序化，再加上其具有自文檔的性質(zhì)，使其更易于理解和掌握。在啟動(dòng)某個(gè)設(shè)備之前，每行代碼都必須為真。如果有 5 個(gè)電機(jī)需要控制，那么至少需要 5行代碼，實(shí)現(xiàn)了高度簡(jiǎn)化。

“梯形圖邏輯源代碼和描述符通常保存在控制器中，無(wú)需訪問(wèn)源代碼，這可以消除程序員在試圖理解編譯程序所遭受的挫敗。”

對(duì)電氣工程師和維護(hù)人員來(lái)講，梯形圖邏輯非常直觀。雖然梯形圖邏輯需要有與面向?qū)ο缶幊滩煌乃季S方式，但通過(guò)學(xué)習(xí)可以快速掌握，并且理解他人編寫(xiě)的代碼所需的時(shí)間也較少。邏輯何時(shí)為真，何時(shí)為假，一清二楚。即使編程經(jīng)驗(yàn)有限的人，也很容易弄清楚開(kāi)或關(guān)、線圈通電、比較變量和常見(jiàn)的數(shù)學(xué)函數(shù)。

它簡(jiǎn)單易用，簡(jiǎn)化了故障排除和調(diào)試工作。監(jiān)視邏輯時(shí)，可以很容易明白目前正在發(fā)生的工況。無(wú)需軟件學(xué)位或高級(jí)編程技能。有了梯形圖邏輯，維護(hù)人員和工程人員就很容易跟蹤流程，了解正在發(fā)生的事情?？梢詫⑻菪螆D邏輯看作真值表。如果左邊的邏輯為真，則右側(cè)的邏輯就會(huì)啟動(dòng)。

梯形圖邏輯源代碼和描述符，通常被保存在控制器中。這可以消除程序員在試圖理解編譯程序而無(wú)法訪問(wèn)源代碼時(shí)所遭受的挫敗，面向?qū)ο缶幊桃彩侨绱恕?/p>

然而，與面向?qū)ο缶幊滔啾?，梯形圖邏輯也有如下缺點(diǎn) ：

? 計(jì)算機(jī)程序員和 IT人員對(duì)梯形圖邏輯不熟悉 ；

? 難于進(jìn)行數(shù)學(xué)函數(shù)、文本和數(shù)據(jù)處理 ；

? 依賴于掃描時(shí)間 ；

? 需要專門(mén)的硬件來(lái)執(zhí)行， 如可編程邏輯控制器 (PLC) 。

梯形圖邏輯是計(jì)算機(jī)程序員和IT人員所不熟悉的一種符號(hào)語(yǔ)言，他們?cè)趯W(xué)校里并沒(méi)有學(xué)習(xí)這種語(yǔ)言。在梯形圖邏輯中處理數(shù)學(xué)函數(shù)、文本字符串和數(shù)據(jù)可能會(huì)很困難，這主要是因?yàn)樘菪螆D邏輯最初并不是為了處理這些函數(shù)而設(shè)計(jì)的。

梯形圖邏輯也依賴于掃描時(shí)間。較大的程序，需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)掃描和處理邏輯。執(zhí)行梯形 圖邏輯時(shí)，讀取輸入、掃描邏輯、 更新數(shù)據(jù)表和輸出、執(zhí)行通信， 然后循環(huán)重復(fù)?？梢詫?shí)現(xiàn)中斷和其它編程技術(shù)等功能，以確保更快地執(zhí)行某些邏輯。

盡管配置了梯形圖邏輯的基于軟件的PLC可以在PC上運(yùn)行， 但通常硬件 ( 如 PLC)要與編程軟件相匹配，兩者最好都是從同一個(gè)供應(yīng)商處購(gòu)買的。這樣就可以確保兼容性，但如果想要更換供應(yīng)商，則不是特別方便。

除了比較梯形圖邏輯和面向?qū)ο缶幊痰睦淄?，用戶還應(yīng)該評(píng)估這些編程語(yǔ)言在將要部署的環(huán)境中的使用情況。如果工廠或設(shè)施已實(shí)現(xiàn)了梯形圖邏輯的標(biāo)準(zhǔn)化，那么即使面向?qū)ο缶幊谈m合于該應(yīng)用，也不鼓勵(lì)將梯形圖邏輯更換為 面向?qū)ο缶幊獭ｋS著面向?qū)ο缶幊痰氖褂萌找嬖龆啵A(yù)計(jì)在未來(lái)幾十年內(nèi)，它將與梯形圖邏輯共存。一個(gè)有遠(yuǎn)見(jiàn)的自動(dòng)化專業(yè)人士，最好要掌握這兩種語(yǔ)言。