基于公理设计的PLC软件设计方法.pdf

信息技术 盛方 清， 等 基 于公理设 计的 P L C软件 设计方法 基于公理设计的 P L C软件设计方法 盛方清 ， 王晓勇 ， 陈雨非 1 ．南京 日上 自动化设备有限责任公司 。 江苏 南京 2 1 1 1 5 1 ； 2 ．南京工业职业技术学院 机械工程学院。 江苏 南京 2 1 0 0 4 6； 3 ．南京航空航天大学 。 江苏 南京 2 1 0 0 1 6 摘要 针对现有 P L C软件设计方法的不足和 P L C工程开发瀑布模型中存在的问题， 结合公 理设计理论和面向对象方法， 提出了基于公理设计的 P L C软件设计模型。该模型把 自顶向下 的层次分析和自底向上的软件编程有机结合 ， 并通过使程序模块功能独立和面向对象的结构 化封装， 提高了 P L C软件的可靠性 、 可重用性 ， 使软件便于调试和维护， 通过实例分析验证了此 方 法的有效性和实用性 。 关键词 公理设计 ； 面向对象方法； 可编程序控制器 ； 软件设计 中图分类号 T H1 2 ； T P 3 1 1 文献标 志码 B 文章编 号 1 6 7 1 32 7 6 2 0 1 1 0 2 - 0 0 8 7 - 0 4 Ap pr o a c h t o PLC So f t wa r e De s i g n Ba s e d o n Ax i o m a t i c De s i g n SHENG Fa ng q i ng ， W ANG Xi a o y o n g ， CHEN Yu f e i 1 ．N a n j i n g S U NR I SE A u t o ma t i o n E q u ip me n t C o ． ， L t d ． ， N a n j i n g 2 1 1 1 5 1 ， Ch i n a ； 2 ．D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g I n s t i t u t e o f I n d u s t r y T e c h n o lo g y ， Na n j i n g 2 1 0 0 4 6， Ch i n a ； 3 ．N a n j i n g U n iv e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t ic s ，N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ，C h i n a Ab s t r a c t F a c e d wit h t h e p r o b l e ms i n t h e P L C p r o j e c t wa t e r f a l l mo d e l a n d t h e d e f ic i e n c i e s i n P L C s o f t wa r e d e s ig n me t h o d a n d in t e g r a t i n g a x i o ma t i c d e s i g n t h e o r y a n d Ob j e c t - Or i e n t e d Me t h o d， t h i s p a p e r p r e s e n t s a n A x i o ma t i c d e s i g n b a s e d P L C s o f t w a r e d e s i g n mo d el ， in wh i c h t h e t o p - d own hier ar c h y a n aly sis met h o d a n d t h e b o t t o m- up s o f t war e d es ign on e ar e c omb i n ed t o i mp r ov e t he PL C s o f t war e ’ S r eli a bil it y an d reu s ab i li t y a n d ma k e PL C s o ft wa r e ea s y t o b e d eb u g ge d a n d maint ain ed b y mak in g t h e s o f t war e mo du l e f u n c t i o n i n d e p e n d e n t a n d t h e Ob j e c t - Or ie n t e d s o f t wa r e e n c a p s u la t i o n ．F i n a ll y ， it u s e s a n i n s t a n c e t o t e s t if y t h e a p p r o a c h ’S v a l id ity an d prac t i c a b i l it y． Ke y wo r d s a x io ma t ic d e s i g n； o b j e c t o r ie n t e d me t h o d ；P L C；s o f t wa r e d e s ig n 0 前言 由于可编程序控制器 P L C 具有较高的稳定性 、 可靠 性、 编程简单等特点， 被广泛地应用于工业控制领域 ， 据统 计现代化的 自动化生产设备 8 0 ％采用 P L C进行控制 ， P L C已成为工业生产 中不 可或缺 的、 应用 最广 的一 类工业 控制装置。尽管 P L C在现代化工业生产 中占有极其重要 的地位， 但是 P L C控制系统的设计一直停留在经验设计阶 段， 使项 目之间的软件重用性很低， 软件的调试过程复杂。 在一个复杂的 P L C控制 系统 开发过 程 中， 后期 的调试 、 维 护成本往往达到工程成本 的 8 0 ％[ 2 3 ， 出现这种现象 的主要 原 因在于前期设计阶段未能采用恰 当的设计理论进行工程 规划， 导致后期施工过程中各种功能耦合在一起 ， 加上客户 需求在实施过程中仍不断变化， 系统某一处改动都涉及到 其他部分的变动及程序的大量修改、 重写， 为了保障修改后 系统的可靠性只能靠做大量的测试工作来排除可能性错 误， 结果导致大量的资金和人力、 物力的浪费。 为了克服 P L C现有编程方法的缺陷， 本文运用公理 设计理论和面 向对象方法 建立 了新 型 的 P L C软件设 计过 程模型。运用该模型使 P L C软件的编制结构清晰、 调试 方面 ， 有较好 的柔性和可扩展性 。 1 公理设计 公理化设计是美国麻省理工学院机械系的 N ．P ． S u h 教授提出的设计理论 ， 其 目的是为设计建立科学基 础 ， 通过为设计者提供基于逻辑和理性的思维方法和工具 改善设计 活动 J 。公理 化设 计原理 把设计 过程 可 以分 层 表示， 每一层的各个域 客户域 、 功能域、 物理域、 工艺域 中都存 在相 应的设计元素 ， 即用 户需求 C R C u s t o m e r R e q u i r e m e n t 、 功能要求 F R F u n c t i o n R e q u i r e me n t 、 设计参 数 D P D e s i g n P a r a me t e r 和工 艺 变量 P V P r o c e s s V a r i a b l e ， 高层次的决策将影响低层次问题的求解状态。公理 化设计就是在彼此相邻两域之问以“ z ” 字形映射方式进 行问题求解的过程 ， 如图 1 所示。 公理化设计包含两个基本公理 独立性公理和信息最 小公理， 作为对设计问题进行分析和评价的理论依据。独 立公理要求设计过程 中保持功能需求 F R s 独立。F R s 被 定义为设计所必须 的独 立需求 的最 小集合 。为 了满 足 独立公 理 ， 设计矩 阵必须 是对角 线 的或 三角 形 的， 即为无 耦合设计或可解耦设计。信息公理指设计过程中信息含 作者简介 盛方清 1 9 8 8 一 ， 女 ， 江苏南通人 ， 学士 ， 主要从事教学用数控机 电设备研发 工作。 Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o m a t i o n ， A p t 2 0 1 1， 4 0 2 8 7～9 0 ， 1 1 5 8 7 信息技术 盛方清， 等 基于公理设计的P L C软件设计方法 量最小的设计是成功率最高的设计。 用户域 功能域 物理域 过程域 图 1 公理化设计过程 2 P L C软件设计模型分析 2 ． 1 研 究现状 随着 P L C在工业 自动 化领域 的广泛 应用 ， 当前 对于 P L C软件设计方法 的研究也越来越多 ， 除较成熟 的组合逻 辑 函数法 和功 能 转 移 图法 ， 近 年 又 出现 了 P e t r i网分 析 法 和面向对象法 。组合逻辑法是基于逻辑代数的 方法， 首先根据控制要求列出逻辑代数式， 经过化简后画 出梯形图； 这种方法简单直观， 程序简化后虽然很精练， 但 是程序的功能耦合性很强， 出现问题不易查找， 调试困难 ， 只能处理开关量。顺序功能图法是当前处理顺序控制的 有力手段， 但结构形式简单， 仅用该方法难以处理复杂的 控制结 构。近年 出现 的 P e t r i 网分析法 虽然 运用 P e t r i 网 理论能够描素控制系统的各种现象 ， 并能够方便进行并发 和死锁的分析 ， 但是 由 于 P e t r i 网存 在状 态空 间爆 炸性 和 分析过程的复杂性， 该方法一直未能在工程领域得到广泛 应用。借鉴高级语言编程理念发展起来的面向对象法通 过面性对象的分析使控制对象抽象化、 层次化、 模块化， 有 利于工程人员进行交流， 有利于软件复用、 提高调试效率； 但是该 方法仅仅 局限于对 P L C软件 编程方法 的研究 以及 控制逻辑的实现 ， 而没有提出系统地对软件的功能进 行规 划的方法， 因此仍然会由于软件层次划分和模块定义的功 能耦合而引起调试困难。本文提出的基于公理设计的软 件设计模型运用系统化的分析方法有效地减少了功能耦 合问题， 结合现有的面向对象设计方法使 P L C软件设计 从系统层到代码实现都得到了优化。 2 ． 2 P L C工程开发过程模 型 由于 P L C工程软件项目相对于普通的计算机软件开 发项 目而言软件规模较小、 需求简单 、 功能比较单一， 因此 一 直普遍采用瀑布模型进行软件设计。图2给出了 P L C 工程软件开发通用的瀑布模型， 图的左侧是瀑布模型的各 个阶段 ， 右侧为具体的工作内容， 该模型的主要特点首先 是通过访问客户进行仔细的需求采集与分析， 开发组有步 骤的制定功能 结构 说明和概要设计 ， 然后才是详细设 计和编码， 编码结束后进行测试、 系统试运行 ， 用户满意后 才能交互使用。这看上去是很有逻辑， 以这样严格的方式 构造软件， 工程师很明确每一步应该做什么。瀑布模型各 阶段的工作自顶向下从抽象到具体顺序进行 ， 这就意味着 88 在各阶段问存在着严格的顺序且相互依存， 这对于用户需 求十分明确， 且功能实现后不会更改的情况不失为经济、 便捷的设计方法， 但是 P L C工程大多是个案工程， 客户的 需求在工程之初并不完全明确， 随着工程进展到测试阶 段， 其又提出许多新的要求， 这就造成了模型中用户评价 到需求定义与软件编制阶段的反复， 这是一个典型的设计 迭代过程。不幸的是传统的 P L C设计方法在需求分析阶 段没有考虑功能的耦合问题， 结果导致任何一个供能的更 改都会影响其他 的功能， 导致大量 的重复编程， 这也是 P L C工程调试阶段成本居高不下的关键。本文运用独立 公理对图2的第 2 、 3两步骤进行改进， 建立了P L C软件设 计过程基于“ z ” 字映射的功能结构分解过程， 使程序功能 模块保持良好的独立性， 较好解决了这个问题。 图 2 P LC工 程开发的瀑布模型 2 ． 3 基 于公理设计 的 P L C软件设计模 型 公理设计理论支持的设计过程是一个 自顶向下的设计 过程， 这一点是和软件设计的瀑布模型相一致的， 基于现有 瀑布模型所存在问题 ， 本文给出如图3所示的基于公理设 计的P L C软件设计模型， 并熔于瀑布模型之中， 可以使用 户需求变动引起的大规模重复编码 问题的得 以有效解决 。 需求分析 程序 功能块划分 程序接 口设计 程序实现 图3 基于公理设计的 P L C软件设计模型 h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u rna l ， n e t ． c n E - ma i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 信息技术 盛方清， 等 基于公理设计的P L C软件设计方法 该 P L C软件设计模 型是基于四个域之问的映射过 程， { C A} 代表用户域对应于用户需求 的集合， { F R} 代表 功能域对 应 于 满 足 用 户 需 求 的独 立 功 能 的 最 小集 合 ， { D P } 代表参数域对应于程序接口参数的集合， { P V} 代表 过程域对应于程序的编码实现。 { C A} 到{ F R} 之间的映 射过程代表了需求分析到程序功能模块划分的初始阶段， 由于客户对于系统的需求在 P L C工程的初始阶段并不是 表达的十分细致， 但是通过分析可以通过几个功能独立的 功能模块进行体现 ， 这些大的功能必须经过细化才能实 现， 因此必须通过 i F R} 到 i D P； 的“ z ” 字影射过程来实现， 这个 “ Z ” 字影射过程是 在独立公理 的指导下进 行的 ， 且 定的功能 ， 通 过类 比， 可以把 F R定义 为相应 的对象 ， 相应 D P s即为对象的属性， F R[ A] D P即为对象的方法。由 此建立如图 4所示面向对象模型结构。 对象F R 属性D P s 方法 F R [A】 DP 图 4面向对象模型结构 F R i A o．D 3实例应用 通过对于设计矩阵[ A] 的调整与设计， 得到关于 F R和 D P 的无耦合或解耦设计矩阵， 这点至关重要 ； 至此通过软件 的需求分析和功能的层级分解完成了软件层级结构的建 立。从{ D P} 到{ P V} 的“ z ” 字映射代表了程序的实现过 程， { D P } 和{ F R} 共同构建 了模块化的面向对象抽象模 型 ， 但这些模 型必须通过与 P L C的具体 地址 、 编码对 应才 能具体实现。因此模型的前半部分是自顶向下的结构分 析过程 ， 后半部分是 自底向上的面向对象模型实现部分 ， 中问的无 耦合或可解耦设计 矩阵是两个 阶段 的关键纽 带。 2 ． 4新模 型 的特 点 根据设计公理建立起的P L C软件设计模型和现有设 计模 型比较主要以下特点 1 系统分析方法与面向对象实现方法的结合 运用公理设计理论对 P L C软件设计过程进行系统化 分析， 并结合面性对象模型方法， 使 P L C软件设计不仅有 了理性的理论指导 ， 而且找到 了有效的实现手段， 从而建 立了 P L C软件设计的新的模式。 2 提高了 P L C软件功能模块 的独立性 通过独立公理的运用使 P L C软件设计过程中能够尽 可能保持 功能模块 的独立性 ， 减少 了程序模 块间的功能耦 合 ， 为后面 的调试 工作 打下了 良好 的基础 。 3 增强 了 P L C软件 的可重用性 、 可扩展性 由于 P L C程序模块的独立性及面向对象的实现手段 的应用， 使 P L C软件的可重用性和可扩展性大大增强， 相 似工程的软件只要根据原有层次结构模型进行简单地址 配置 、 修 改即可重复应用 。 4 使 软件品质具有可测量 性 应用信息公理可以通过信息量的大小对软件的品质 进行测量， 在符合独立公理的条件下信息量最小的设计是 最好 的设 计方案 。 2 ． 5 面 向对 象结构的 实现 基于公理设计的 P L C软件设计模型中一个关键的技 术是如何实现公理化分析过程与面向对象编程方法的有 机结合 ， 即如何根据功 能层 次模 型 自底 向上构 建面向对象 层次模型。根据公理设计的映射方程， 如式 1 ， 每实现 一 个功能 F R， 都是和相应得 D P相关的。现需要定义的 面向对象模型就是用具有特定行为和状态的对象实现特 Ma c h i n e B u i l d in g 8 Au t o m a t i o n ， A p t 2 0 1 1 ， 4 0 2 8 7～ 9 0， 1 1 5 如图5所示为一个搬运机械手， 其主要由控制大臂伸 缩、 小臂升降、 手爪开合的三个气缸驱动 ， 每个汽缸由一个 两位五通电磁换向阀控制， 气缸的两个极限位置分别由两 个接近开关进行检 测 。搬 运机械 手主要 任务 是按 图 5所 示顺序把左工作 台工件搬运到右工作 台。 图 5 搬运机械手 运用基于公理设计的 P L C软件设计模型对图5所示 机械手的控制过程进行功能分解， 如表 1 所示。 表 1 搬运机械手 的功能分解 功能分解 参数分解 F R 1 实现机械手 的搬运动作 F R 1 1 能够实现各机构的控制 F R1 2 按要 求实现机构控制 F R1 2 1 管理各 程序模 块 F R1 2 2 紧急状 况下保 证安全 F R1 2 3 恢 复 P L C到初始状态 F R1 2 4 机械手 到原点 位置 F R1 2 5 实 现 自动化搬运 F R1 2 6 良好 的状 态显 示 D P 1 用户程序 D P 1 1 各机构控制程序 D P 1 2 控制程序 D P 1 2 1 主程序 D P 1 2 2 急停程序 D P 1 2 3 初始化程序 D P 1 2 4 回原点程序 D P 1 2 5 自动程序 D P 1 2 6 指示灯控制程序 分 解可得如下设计方 一 0 0 0 0 X X o o o X X X o o X X X X o X X X X X X X X X X 2 由设计方程可知， 设计矩阵为下三角矩阵， 本设计为 8 9 1 2 3 4 5 6 2 2 2 2 2 2 P P P P P P D D D D D D ” 儿 程O O O 0 0 勺1● ●● ●● ● ●●● ●● ● J f 1 2 3 4 5 6 1 2 2 2 2 2 2 腿 豫 陬 r 一 信息技术 盛方清， 等 基于公理设计的 P L C软件设计方法 可解耦设计。 表 1的分解只实现了大的功能模块的划分 ， 如要实现 编程 还需 进一步 细分 ， 但 由于篇 幅所 限 ， 本 文仅对 F R 1 1 进行进 一 步 分解 ， 以 说 明 面 向对 象 模 型 的 构 建 方 法 。 F R 1 1的进一步分解过程见 表 2所示 。 表 2 F R 1 2的分解 功能分解 参数分解 F R1 1 1 大臂控制 F R1 1 2 小臂控制 F RI 1 3 手爪控制 D P 1 1 1 控制大臂电磁 阀 D P 1 1 2 控制小臂电磁 阀 D P I 2 4 控制手爪电磁 阀 作为气缸类建立图6所示的气缸类的面向对象模型。 直线气缸 C y l i n d e r 属性 E N 气缸伸出位置 气缸缩 回位置 9 9 9 ． C o n t r o l F i n i s h 控制方式 ● ● _ ● 9 9 ． P S e n s o r 动作完成 ● ● ● ● 方法 9 ’， ． D S e n s o r - ● ● ● 气缸伸 出 7 9 9 ． P V a l - ● ● ● 气缸缩 回 9 ’ ． DV a l 图 6 气缸 的面 向对象模型 ’， FRll l 一 由于大臂、 小臂、 手爪都由气缸驱动， 因此把气缸控制 方便 ， 可移植性、 可维护性好。 络 1 腺 点 I O ． 2 1 0 ．4 _ 1 卜 _ 1 卜 一 网络2急停 I 1 ． 6 I ， I I l 网络3 初始化 I l 3 _ _ 1 卜 _ P卜 - 一 I 1 3 _ 1 卜 N卜 一 SM0． 1 l I l l 网络4 回原点 I 1 ． 3 I 1 ． 6 一卜 _ 一卜 一 网络5自动模式 I 1 ． 3 I 1 ． 6 ，卜 _ 卜 - 一 网络6 指示灯控 制 S MO ． 0 - l I ] l 4 结论 M5．0 f a 1 主程序 初始工步 0 I 1 ． 0 卜 O P 大臂伸出 M0．0 M0 ． 0 S l 小臂缩 回 一M 1 ． O 圳_ 0 图 7 机械 手的 P L C控 制梯形 图 P L C在现代 自动化控制领域得到广泛应用， 但 由于对 P L C软件设计 方法 的研究一直较少 ， P L C软件设计 还主要 以经验设计 为主， 使 P L C工程 的调 试成本 、 维护成 本居 高 不下。通过分析 P L C工程开发的瀑布模型， 指出了现行 P L C工程中存在的问题 ， 并通过结合公理设计和面向对象 方法建立起了基于公理设计理论的 P L C软件设计模型， 分析了该模型的特点， 并通过实例验证说明了本文所提出 9 0 b 自动程序 模型的实用性和有效性。 参考文献 [ 1 ]王威 ． 工业 生产 自动化 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 2]S i m mo n s ， D ．B ． ；E l l i s ， N． C ． ；F u j ih a r a ， H．a n d K u o ， W． ； 1 9 9 8 ， S o f t w a r e Me a s u r e m e n t ， A V i s u a l i z a t i o n T o o l k i t f o r P mj e c t Co n t ml＆ P r o c e s s I mp r o v e me n t ． P r e n t i c e Ha l 1 ． [ 3 ]N ． P ． S u h ， A x i o m a t i c D e s i g n A d v a n c e s a n d A p p l i c a t i o n s ， O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s I n c ， U S A ， 2 0 0 1 ． 下转第 1 1 5页 h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z HD e h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 信息技术 王义飞， 等 纯滞后对象的 R B F神经网络 P I D控制研究 利用 R B F网络在线学习， 调整各个参数 ， 实现 P I D参 数的自整定。利用 Ma t l a b的 N N控制箱提供 R B F的函数 进行仿真。以工业过程中常见的蒸气加热交换器为仿真 控制对 象 ， 设热交换 出 口水温与蒸气流量 的传递 函数为 G 1 2 被控对象具有非线性特性， 是一个大延迟系统， 仿真 模 型经过 变换为 ／ 、 ＼ ，＼ 一 L _ - ● ● ● _ ● _ 3 结论 图 4 传 统 P I D控制响应 曲线 本文针对纯滞后 工业对象提 出了一种基 于 R B F网络 自整定的 P I D控 制 ， 利用神经 网络 的 自学习能力和逼近任 意函数的能力， 可在线调整 P I D参数， 并进行了 m a t l a b仿 真 ， 说 明该算法具有 一定的有效性 。 参考文献 [ 1 ]杨林 ， 任雪梅 ， 黄鸿． 基于 R B F网络 自整定 P I D控制应用研究 [ J ] ． 计算机仿真 ， 2 0 0 6， 2 3 1 2 7 0 2 7 3 ． t l - e r - ㈤} _ 6 X 1 3 取 T s 0 ． 0 2 s ， 神经网络的辨识的三个输入分别为 u k ， y o u t k ， e r r o r k ； 输 出为 ， K， 。 控制系统输入指令信号为阶跃响应 r i n 后 1 ． 0 。 比例、 积分、 微分参数的初始值分别为 0 ． 0 4 、 0 ． 0 1 、 0 ． 04。 仿真的响应曲线如图4和图5所示。 ⋯．． 图 5 基 于 R B F的 P I D 控制器的相应 曲线 制工程 ， 2 0 0 4 ， 1 1 1 2 7 3 0 ． [ 4 ]侯 勇严 ， 郭 文强． 单神经 元 自适应 P I D控制器 设计方 法研究 [ J ] ． 微计算机信息 测控 自动化 ， 2 0 0 5 ， 2 1 8 - 1 8 - 1 0 ． [ 5 ]胡俊达 ， 胡慧 ， 黄望军 ． 自适应 P I D控制技 术综 述 [ J ] ． 中华纸 业 ， 2 0 0 5 ， 2 6 2 4 8 - 5 1 ． [ 6 ]朱 仲邃 ． 不完全微分 P I D算 法在纯 滞后系 统中的应用 [ J ] ． 控 制系统 ， 2 0 0 5， 2 1 9 ． 1 2 7 -2 8 ． [ 7]王炜 ， 吴耿锋 ， 张博锋 ， 等． 径 向基 函数 RB F 神 经网络 及其 应用 [ J ] ． 地震 ， 2 0 0 5， 2 5 2 1 9 - 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