造纸机PLC程序的结构化设计研究.pdf

自动化仪表 第 35 卷第 3 期 2014 年 3 月 修改稿收到日期 2013 07 28 第一作者孟彦京 1956 男 2012 年毕业于陕西科技大学纸浆造纸 工程专业 获博士学位 教授 主要从事电力电子与电力传动 风力发电 光伏发电 电机软启动器等方面的研究 造纸机 PLC 程序的结构化设计研究 Study on Structural Design of the PLC Program for Paper Machine 孟彦京 薛 宁 陕西科技大学电气与信息工程学院 陕西 西安 710021 摘 要 针对工程实践中造纸机 PLC 控制程序存在设计效率低 通用性不强等特点 提出运用软件工程方法对其进行标准化设计 通过分析造纸机多分部传动控制的特点 采用结构化方法进行需求分析和程序设计 实践验证 该方法应用在造纸机上是可行的 且 能提高程序的设计效率和通用性 软件工程的软件设计方法在工业控制领域的应用具有很好的前景 关键词 造纸机 PLC 程序设计 软件工程 结构化方法 中图分类号 TP29 文献标志码 A Abstract In engineering practice the design efficiency of the PLC control program for paper machine is low and the commonality is not strong enough thus the standardized design by adopting software engineering method is proposed Through analyzing the control features of multiple subsection transmission in paper machine the demand analysis and program design are conducted by using structured method The practice verifies that this method is feasible and able to increase the efficiency and commonality of the design Software design method of software engineering possesses good prospects in application of industrial control fields Keywords Paper machine Programmable logic controller PLC Program design Software engineering Structured method 0 引言 现代造纸机传动控制系统普遍采用可编程逻辑控 制器 programmable logic controller PLC 作为核心控制 装置 因此 PLC 程序的设计也就成为一项非常重要的 工作 随着造纸机朝着大型化 高速化的方向发展 人 们对造纸机控制程序的设计效率 可靠性 通用性等方 面提出了更高的要求 1 3 而在工程实践中 传统 PLC 程序设计方法难以使程序满足上述要求 因此本文借 鉴软件工程理论中的软件设计方法来设计造纸机的 PLC 控制程序 以提高程序的设计效率 可靠性和通 用性 1 软件工程方法的提出 传统的 PLC 程序设计方法主要有经验设计法 逻辑设计法和顺序控制设计法 经验设计法是设计 者根据实践经验来组织基本控制环节 然后在调试 中进行完善 该方法与设计者经验密切相关 仅适 用于简单控制系统 以便达到简单 快速的效果 逻 辑设计法基于继电器吸合和断开的两种状态 用逻 辑表达式描述实际控制问题 再用梯形图加以表示 它适用于开关量控制较多的控制系统 顺序控制设 计法运用功能表图表示各工作步的功能 步与步之 间的转换顺序及其转换条件 通过流程图来描述控 制系统的控制过程 它适用于按动作先后顺序进行 的控制系统 综上所述 传统 PLC 程序设计方法仅 适用于功能单一且简单的系统 无法满足造纸机速 度链 负荷分配等复杂控制的要求 传统 PLC 程序设计方法源于电气控制技术中的 继电器控制思想 再加之继电器控制电路与 PLC 程序 梯形图设计的相似性 更加深了 PLC 程序设计中继电 器控制思想 继电器控制思想以系统具体功能的实现 为基本出发点 对整个程序的框架结构缺乏系统的规 划 再加之在实际工程中程序设计人员专业水平参差 不齐 造成了大型系统中 PLC 程序思路不够清晰 无 法有效使用等问题 PLC 控制是继电器控制技术与计算机控制技术相 结合的产物 4 6 目前很多 PLC 控制系统仅仅是运用 了继电器控制思想和计算机控制硬件技术 而没有将 计算机控制软件技术很好地运用到其中 因此 运用 设计计算机软件的思想来设计 PLC 控制程序可以更 好地挖掘 PLC 控制的潜力 进而更好地发挥 PLC 控制 的优势 而软件工程是关于开发计算机程序的学科 它对程序的分析 设计和维护都有一套完整的理论体 系 运用软件工程方法设计造纸机 PLC 传动控制程 94 造纸机 PLC 程序的结构化设计研究 孟彦京 等 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol 35 No 3 March 2014 序 有助于程序设计的规范化和标准化 2 造纸机 PLC 程序的结构化设计 2 1 结构化方法的介绍 结构化方法是软件工程中最基础 最成熟 应用最 为广泛的一种设计方法 因此可将其运用到造纸机 PLC 程序设计中 结构化方法的基本思想是自顶向下 进行功能的抽象和分解 逐步求精 它以需求分析为 基础 分为总体设计和详细设计两个阶段 总体设计 的任务是完成程序整体结构设计 包括层次 具体功能 的划分以及模块与外部的接口设计 详细设计需要设 计每个功能的具体实现过程 包括算法设计 数据变量 类型的定义以及存储地址的分配等 结构化设计方法运用抽象 求精和模块化的概念 将一个复杂系统的功能分解成若干子功能模块 这些模 块只能实现一个功能 与外部的信息交互只需要进行简 单的接口设置就可实现 最后采用一定的方式将这些模 块组织起来 完成软件控制功能 结构化方法通常采用 树状结构图来描述对各个模块的组织方式 程序结构示 意图如图1 所示 图1 中 顶层的模块 A 是整个程序的 主模块 1 层中的模块 B C D 为 A 的从属模块 2 层中 的模块 E F G H 是子模块 B 的从属模块 当程序运行 时 各模块依次调用其从属模块 直至最底层 接口设 计为各模块建立数据输入 输出的通道 解决程序运行 中信息的交换问题 以实现连续 完整的控制功能 图 1 程序结构示意图 Fig 1 Schematic diagram of program structure 结构化设计方法用结构图清晰地描述了软件的功 能和各功能模块之间的调用关系 分层和模块化的组 织方式将复杂问题简单化 有利于多人协同工作 可大 大降低程序设计的难度 2 2 造纸机程序的结构化设计 造纸机是典型的多分部传动控制系统 控制设备 较多 且各个设备控制功能差异不大 不同造纸机的控 制方式也大致相同 因此 采用结构化方法设计造纸 机的 PLC 控制程序 程序中的功能块和程序组织方式 都可以应用在不同的纸机项目中 对于新的纸机项 目 只要在旧程序的基础上进行简单的修改 即可完成 程序的设计 本文中造纸机控制程序的设计平台选择西门子 STEP7 软件 7 9 该软件支持模块化编程 嵌套调用的编 程方法和程序的模块化可很好地体现结构化设计思想 本文以八缸纸机为例 介绍 PLC 程序的结构化设 计在造纸机上的应用 2 2 1 需求分析 运用结构化方法设计造纸机传动控制程序 首先 要进行需求分析 以确定系统要实现的所有控制功能 八缸纸机是造纸机中较为简单的一种 其控制系统 总体来讲包括以下四个部分 人机界面 HMI PLC 变 频器及辅助设备 如传感器等 纸机控制系统图如 图2所示 HMI 和 PLC 之间采用以太网通信 通过操作 HMI 向 PLC 发送控制指令 启动 停止 加 减速和参数 给定等 PLC 和变频器之间采用 Profibus DP 通信 PLC 将程序运行结果发送给变频器控制其运行 并且从变频 器中读取电机的实时运行状态及数据 最后在 HMI 上 加以显示 图 2 纸机控制系统图 Fig 2 Control system of the paper machine 按照工艺流程 八缸纸机的各个传动点依次为 伏 辊 大缸 压榨 二缸 施胶 多缸 压光 卷取 其中大缸 和压榨处于同一个负荷分配组中 根据多分部传动控 制要求 速度链主链上的传动点要采用速度链控制 而 负荷分配组中的传动点则采用负荷分配控制 速度链控制要求在纸机分部式传动控制中 各相 邻传动点之间的速度应保持一定的比例 且在车速调 整过程中 只影响本级及本级之后的传动点速度 而不 影响本级之前的传动点速度 负荷分配控制中 负荷分配组的主点处于整个速 度链主链上 采用速度控制 从点处在子链上 对其进 行速度控制和转矩限幅 从点时刻跟随主点转矩的变 化而变化 实现负荷分配 综上所述 八缸纸机 PLC 程序应当具备的控制功 能有 通信 运行控制 急停 运行 停止 加 减速等 数据显示和给定 速度链控制和负荷分配控制 2 2 2 程序设计 软件工程中 软件设计和编写代码是分步进行的 即先设计后编码 不同于工业控制中 设计即编码 的 概念 设计将软件的所有功能 地址分配等信息用文 字和图形表示出来 通常是以文档的形式出现 而编码 仅相当于翻译的过程 即将软件功能的文字说明用编 05 造纸机 PLC 程序的结构化设计研究 孟彦京 等 自动化仪表 第 35 卷第 3 期 2014 年 3 月 程工具语言描述出来 首先进行总体设计 将整个系统的控制细分成对每 个传动点的控制 再将传动点的控制细分成对每个具体 功能的控制 纸机程序结构图如图 3 所示 主组织块 OB1 为主控制层 1 层为设备层 模块 FC1 FC8 分别对 应一个传动点 每个模块包含了本传动点的所有控制功 能 程序运行时 OB1 通过依次调用这些块来完成对整 机的控制 2 层为功能层 该层中每个块对应一个具体 要实现的功能 根据需求分析 2 层的功能块分别为 FC11 通信 FC12 运行控制 FC13 数据显示或给 定 FC14 速度链 FC15 负荷分配 这些块被 1 层中 的各个传动点根据自身的控制要求调用 例如处于负荷 分配组中的传动点大缸和压榨需要调用功能块 FC11 FC15 而其他传动点只需要调用功能块 FC11 FC14 图 3 纸机程序结构图 Fig 3 Program structure diagram of paper machine 其次进行详细设计 详细设计完成各功能块FC11 FC15 的具体实现过程的设计 由于这些块在整个程序 中可以被任何一个传动点调用 所以在编写程序语句 时 对于需要特别给定的参数应使用形式参数 实际参 数通过接口设计由调用它的传动点来给定 2 2 3 程序编码 程序语句的编写以上述设计为依据 由于 STEP7 软件要求使用调用指令时需先给出被调用的模块 所 以实际编写程序时应从底层开始 即先编写功能块 FC11 FC15 的程序语句并进行独立封装 再按照图 3 自下而上进行组织调用 结构化方法使造纸机传动控制程序呈现一种搭积 木的设计形式 功能层的块是整个程序设计的基础 它 决定了整个系统的控制功能是否完善 在实际工程应 用中 可以综合各种类型纸机的控制功能 为功能层建 立一个完备的功能库 设计程序时 只需要调用相应 的功能块并设置接口参数就可完成 3 结束语 将软件工程的结构化设计方法运用到造纸机的 PLC 程序设计中 10 为其提供了理论指导和标准化的 程序设计模式 可有效地降低程序设计难度 提高程序 的设计效率 可靠性 通用性和扩展性 该方法对于工 业控制领域中其他复杂系统的 PLC 程序设计也有很 好的借鉴意义 参考文献 1 孟彦京 造纸机变频传动原理与设计 M 西安 陕西人民出版 社 2002 2 陈克复 制浆造纸机械与设备 下 M 北京 中国轻工业出版 社 2010 3 王忠厚 制浆造纸工艺 M 北京 轻工业出版社 2006 4 张泊平 现代软件工程 M 北京 清华大学出版社 2009 5 宋伯生 PLC 编程理论 算法及技巧 M 北京 机械工业出版 社 2008 6 高鸿斌 孙美静 赫孟合 西门子 PLC 与工业控制网络应用 M 北京 电子工业出版社 2006 7 崔坚 赵欣 任术才 西门子 S7 可编程控制器 STEP7 编程 指南 M 北京 机械工业出版社 2009 8 马丁 西门子 PLC 应用程序设计实例精讲 M 北京 电子工业 出版社 2008 9 马伯渊 穆国华 SIEMENS S7 300P 400PL 的两种程序设计方 法的比较分析 J 自动化技术与运用 2005 24 2 36 41 10 迟君平 王斌 李业友 模块化编程方法在 PLC 程序开发中的应 用 J 微计算机信息 2005 21 6 26 27 上接第 48 页 低碳生活和电力资源综合利用的今天 处处讲究节 约环保 以人为本 该系统促进了植物园的科学人 性化管理 因而具有重要的社会价值和广阔的商业 前景 参考文献 1 Akyildiz I F Wei L S Sankarasubramaniam Y e