PLC梯形图编程规范的制定(白银杨鹏)

正所谓“思维是发散的，但是行为必须是规范的”本文已经发表，在这里免费提供给大家参考，可以以任何形式(包括印刷)随意传播，在转载的过程中请注明作者，不可直接复制进行抄袭引用举例：《冶金自动化》2015年Vol.35增刊1之585页~590页【分类号】TP273;TP311.1【主办单位】全国冶金自动化信息网、《冶金自动化》杂志社PLC梯形图编程规范的制定杨鹏(白银有色集团股份有限公司装备与自动化控制研究所，甘肃白银730900)摘要：在当今的工业控制领域，可编程控制器得到了普遍应用，梯形图是可编程控制器最常用的编程语言，本文分析了梯形图语言的弊端，介绍了制定梯形图编程规范的必要性，通过论述面向对象编程，举例论述了梯形图编程规范的内容，探讨了编程规范与发散思维的辩证关系，实践证明，规程规范有助于改善PLC组态过程中的混乱状况。关键词：可编程控制器；梯形图；编程规范；面向对象程序设计；发散思维TheformulationofPLCLADprogrammingspecificationYANGPeng(Instituteofequipmentandautomatedcontrol,BaiyinNonferrousMetalGroupCo.Ltd.,Baiyin730900,China)Abstract：Intoday'sindustrycontrolfield,PLChavebeenwidelyused,LADisthemostpopularprogramminglanguageforPLC.Inthispaper,thecorruptpracticeofLADlanguageisanalyzed,theneedforLADprogrammingspecificationisdiscussed,thecontentofLADprogrammingspecificationisintroducedbyobjectorientedprogramming,thedialecticalrelationbetweenLADprogrammingspecificationanddivergentthinking,throughthepractice,LADprogrammingspecificationcanhelptoavoidconfusionwhileprogramming.KeyWords：PLC;LAD;standardofprogramming;Object-OrientedProgramming;divergentthinking中图分类号：TP311文献标识码：B1引言在当今的工业控制领域，可编程控制器(PLC)得到了普遍应用，所以工业控制系统的开发，呈现为“软件化”的特征，即自动化工程师可以通过“编程”的方式实现控制逻辑。针对PLC的编程，最常用的编程语言为梯形图(LAD)，梯形图能满足常见的工业控制的需求，容易入门，使用普遍。在控制系统的组态过程中，源代码由基本语句组成，自动工程师可以自由地组合基本语句，实现控制逻辑，PLC厂商追求最大的灵活性，然而过度自由，必然会带来诸多弊端。在生产实践中我们发现，当程序规模较大时，工程师虽然完成了控制系统的功能，但是却对代码的质量没有信心，甚至若干天之后，无法修改自己编写的代码，实现团队合作编程也很困难。所以有必要编写相关的编程规范，以体现编程的专业化和标准化。2梯形图编程规范综述2.1梯形图语言的弊端IEC61131-3是关于PLC开发语言的重要标准(非强制性)，目前规定了包括梯形图在内的5种编程语言。梯形图是一种图形化语言，根据“继电器控制”的符号和思想设计而来，造就了梯形图既不像数学体系那样简约、规整、完备，又不贴近人类的自然语言，所以梯形图具很多天然缺陷，例如：可读性很差，复杂逻辑难以编程和分析；能流与逻辑运算存在概念重叠，容易引起混乱；数据结构(例如：数组)支持不足，所以很多算法实现困难，等等。加之，市场上的主流PLC产品，以所谓“扫描周期”的方式工作，即在一个扫描周期内，将所有指令执行完毕之后，再一次性输出，PLC不断重复扫描周期。所以具有某种特征的分支逻辑(在计算机高级语言中常用if关键字来实现)无法实现，增加了编程的难度。下面的代码，是使用类似C语言的计算机高级语言(如：Java、C#)编写的伪代码：boolflag=true;if(flag==true){输出;flag=false;}else{输出;flag=true;}这段伪代码表示的逻辑可以描述为“自定义变量控制的分支逻辑”，如果使用梯形图语言直接表达这样的逻辑，则在一个扫描周期有输出，下一个扫描周期没有输出，如此反复，解决的办法见图4所示的“单按钮控制”。2.2梯形图编程规范的内容简单地说，尽可能多地将有益的编程方式进行整理汇编，就形成了“编程规范”，除此之外，为了让编程规范更具有参考价值，还包括了其它内容：建议的编程流程，容易犯的编程错误，不提倡的编程方法，编程陷阱(逻辑分析正确，而实际运行效果不同)，仿真差异(仿真的结果与实际运行的结果不同)，软件或硬件的bug，甚至某次试验情形也可以写入编程规范，等等。2.3编程规范的使用为了便于翻阅，将同一类型的条款编为一组，例如：将所有框架设计的条款归为一组，将所有有关电机控制的条款归为一组。工程师在编程时，参考规范，符合规范中描述的情景，则严格按照规范进行编程。更重要的是，理解编程规范的内涵，灵活参考。2.4编程规范“具体条款”的模板编程规范由具体的条款组成。采用表格组织具体条款的内容，这样，增加了查阅的便利性，也可以提醒编写者表述全面，图1所示为编程规范条款的模版。图1编程规范具体条款的模版参照图1，说明如下：（1）名称【级别】：每条具体的条款都应有一个简洁明了的名称；其中“类别”则可为：必须、提倡、不提倡、禁止等，例如：当“类别”为“必须”时，表示当条件符合时，必须使用。也可填写编程陷阱、仿真差异、硬件能力试验、对比试验等。举例：单按钮控制【必须】。（2）代码举例及说明：这是该条规范的核心内容，在填写时，要求使用业界常用的习惯的表达方式及术语，特别是提倡通过简单案例进行举例说明，这样更受工程师的欢迎。不提倡使用晦涩的教条式的表达方式。（3）适用条件：往往大多数的条款，都有一定的适用条件。如果有些条款的适用条件非常重要时，则需要使用醒目方式(例如：使用加粗的红色字体)进行提醒。（4）错误使用的情形：罗列部分使用不当的情况，从反面理解该条款。（5）目的：使用该条款能达到什么样的效果，也就是目的是什么。可填写：怎么增强了代码的可扩充性；怎么提高了运行效率；怎么减少了误差，等等，建议通过对比的方式说明。（6）链接：链接到其它相关条款。（7）其它：需要说明的其它内容。3梯形图编程规范的制定不同厂商的PLC存在差异性，所以编程规范的制定必须针对具体产品。本文则以西门子S7-1500系列PLC[1]为例进行论述，采用的开发软件为博图V13。3.1西门子PLC梯形图编程规范概述西门子PLC很好地实现了IEC61131-3标准的要件，当然了，在具体实现该标准时，不可避免地会有其自身的理解和特点，例如：定时器是通过独立的硬件模块实现的，所以定时器时钟与主程序扫描时钟不同步，往往会出现“实际运行效果与程序逻辑不一致”的现象。西门子PLC梯形图编程规范大致包括以下内容：（1）规定了如何书写需求分析的文档，如何书写源代码中的注释，如何书写产品说明书，以及变量、参数的命名规则、常用单词的缩写表等。（2）归纳了很多实用的编程小技巧，梯形图可读性很差，所以这部分内容也很重要。限于篇幅有限，不能全面罗列。图2为自定义永真永假常数；图3(a)是出现在很多教科书中的电机控制的“启、保、停电路”，但是不提倡使用该代码，提倡使用图3(b)所示的程序，该程序可读性强，易于扩展，其中，Strt表示启动按钮，Clse表示停止按钮，M表示电机；图4为“单按钮控制”的程序，按钮(btn表示)按一下，灯(L表示)亮了，再按一下，灯灭了，tmp为辅助的中间变量，按钮不同于开关，按钮按下之后会弹起。图2自定义永真永假常数图3启、保、停电路图4单按钮控制（3）如何定义和使用FC(译为“功能”)，FC类似于计算机高级语言中“函数”的概念，是模块化程序设计的重要概念之一。在定义FC时，要求其完成的功能明确单一，参数的意义也要明确单一。在规范中，也定义了一些我单位常用的FC。（4）如何定义和使用FB(译为“功能块”)，详见3.2。在规范中，也定义了一些我单位常用的FB，例如：我单位某产品的电磁阀需要“占空比可调的周期性方波”控制[2]，必须使用规范中规定的FB。（5）如何进行初始化，在PLC加电工作之后，第一扫描周期将执行OB100中的代码，根据实际情况，考虑周全，确保PLC的初始化合理。（6）如何进行错误处理及操作日志。当PLC出现软硬件错误时，PLC会跳转到特定的组织块(OB)并试图执行其中的代码。例如：出现程序错误，会试图执行OB121中的程序；出现CUP硬件故障，会试图执行OB84(高档型号的PLC支持)中的程序。错误处理，除了报警、记录之外，还要做出最后努力，试图让被控对象处于安全状态。为了便于排错，至少要记录最后一次操作的相关信息。（7）输入输出模拟量的处理。（8）常见问题的处理，例如：大数问题(数值过大会造成溢出)，除零问题(包括接近零的数作为除数)，恶意输入(也许无意为之，例如：将时间输入为负数)，定时器周期与扫描周期不同步的规避办法，等等。（9）有关PID控制[3]和变频器控制的规范。在大多数情况下，必须实现“带死区的PID控制”，以抑制执行机构的频繁动作，造成执行机构的损坏。（10）解耦原则及举例，为了降低开发风险和运行风险，尽量使控制系统各部分相对独立，则要进行解耦。（11）其它内容：推荐的开发流程、代码简化技巧、编程陷阱、硬件测试标准代码、最小控制系统(满足项目的基本的要求，在调试和紧急情况下使用)的特征、我单位常用的标准代码、我单位内部使用的术语解释，等等。（12）禁止常闭输出、禁止软校正，“软校正”指的是，一次仪表的误差，通过在PLC上编程进行消除，容易引起极大隐患。3.2梯形图编程规范举例——实现面向对象编程3.2.1面向对象思想人类认识世界时，总是具有这样朴素的思维习惯：世界由一个个独立的事物(对象)组成，事物与外界存在可识别的界限，事物与其它事物之间必然存在关联(或关系)。正是根据这个观点，出现了“面向对象思想”，面向对象思想符合人类思维习惯，简单易懂，尤其在编程领域，涌现了很多面向对象语言。大多数面向对象语言认为，对象至少应该具备属性和行为等特征[4]。同一个事物，在不同的软件系统中，具有不同的属性和行为。产生对象，必须定义“类”，“类”是一类相似事物的模板。在工业控制这个特定领域，很容易识别出对象，将独立的设备(或部件)抽象成对象即可。3.2.2使用FB实现面向对象编程FB具有明显的面向对象特征，并且符合IEC61131-3标准，译为“功能块”。PLC厂商也推荐使用FB编程，所以FB在编程体系中扮演着重要的角色，属于核心概念之一。参考图1所示的编程规范条款的模版，填写有关FB的规范条款，由于篇幅有限，简略叙述如下：（1）名称【级别】：FB编程及面向对象编程方法【必须】（2）代码举例及说明：使用FB编程，需要采用面向对象思维方式。巧妙的是，在定义FB时，没有提出额外的语法，仅仅从语法的角度来说，定义和调用FB的语法，与FC(类似于计算机高级语言中的“函数”概念)一样，只是在调用FB时，会根据参数生成了所谓的背景数据，当多次调用FB时，会生成不同的背景数据。假设控制某电机，根据设定的参数，电机可进行启停，正反旋转，调节转速操作。针对该电机定义FB，此处为FB10。FB10内部由梯形图基本语句组成，图5所示为调用FB10的情形，图6所示为调用FB10时自动生成的背景数据。图5FB10的调用图6背景数据DB10参照图5和图6，FB10参数的意义为：Strt表示启停按钮，Rate表示转