控制系統的模塊化設計

摘要：本文結合包邊機控制系統設計過程，介紹采用模塊化設計的方法，來完成控制系統設計。

關鍵詞：PLC；設計方法；控制系統；模塊化設計；標準化

上汽通用五菱汽車股份有限公司一直遵循著的精益生產理念，模塊化、標準化作業就是其中最重要的思想，本文介紹的控制系統模塊設計也是借鑒了這一思想。

這里的模塊化設計是指，根據控制系統要求的功能，工藝等幾個“輸入”，把控制系統分成幾個大的功能模塊，接著再分成的模塊進一步分成更小的功能模塊，直至無法再分為止。整個系統就是由好多個標準的模塊堆積而成的“積木”，與我們的汽車生產類似，每個模塊單獨設計開發，每個模塊之間都有固定接口，最后統一集成，實現DCS（分散集中控制）化設計。

這里我以包邊機控制系統開發為例說明，包邊機的控制系統采用AB PLC+PROFACE觸摸屏，利用現場總線實現遠程控制。

通過分析包邊機生產工藝和控制要求，我們制定了控制方案，再按照模塊化設計方法把該控制系統設計分成電氣原理圖設計，PLC程序設計，監控、觸摸屏設計幾個獨立的部分來設計，接著確定好每個部分之間的固定“接口”。例如確定PLC程序與電氣原理圖之間的基本I/O規劃，確定PLC與觸摸屏之間通訊數據規劃。

一、電氣原理圖設計的標準化，模塊化設計。

根據上面的規劃方案，我們再把把圖紙設計分成幾個圖紙塊來組成。設計時分別每個模塊都采用固定標準單獨設計。 如下表，

就線路圖來說，其又分成以下幾個模塊，

主電路部分，主要是用于電機，變壓器等動力線路的標準設計

控制電源分配，主要是PLC 電源，其他I/O電源等分配和設計

安全回路，主要有主安全系統和拼臺安全系統。主安全系統其主要是由急停，門開關組成。硬件系統和軟件系統雙回路。硬件回路雙回路，安全級別最高，其保護時，動力電源切斷，PLC輸出電源切斷。保證本系統所有動作都停止。拼臺安全系統，其同主安全系統類似，只是其作用范圍只在所在拼臺上。

控制輸出部分，主要有接觸器，電磁閥等控制元器件的控制

I/O線路，主要是由按鈕，安全，保護信號，輸出信號等組成

二、PLC程序的標準化，模塊化設計。

設計時我們首先是進行中間變量分配，規劃，根據程序模塊或者功能的不同，分別分配給程序模塊或者功能模塊固定變量地址。確定哪些變量和地址分配給報警信息，哪些分配給具體動作，哪些分配各安全程序，給觸摸屏程序等；接下來再把報警信息地址變量細分到哪個拼臺等等，接著根據標準的程序結構或動作例程結構結合分配的地址完成該模塊程序的設計。

參照包邊機控制系統來說，我們把PLC程序分成幾個部分，控制器診斷子程序，功能單元模塊子程序（包含安全、模式等），拼臺動作子程序，HMI子程序，再把每個子程序再分為幾個例程，以下就是一個拼臺動作子程序的例程。其中A 為主程序，B為現場實際I/O和觸摸屏變量與程序標簽映射，實現PLC程序與電氣原理圖、觸摸屏程序的鏈接。M為模式，S 為動作，V為輸送，zZ 為用于觸摸屏程序通訊連接等標準的程序

每個類型的例程中都會有固定結構。例如以S開頭的例程，每個例程的結構都是相同，都會是第一段是動作完成Comp，第二段就是動作實現的基本條件Clear等等，這樣可以使程序有很強的可復制性。

如果我們設計一拼臺夾具動作例程，首先我們建立一個結構體，這個結構體包含動作完成Comp，動作實現的基本條件Clear，動作自動條件Auto，安全能量輸出outpower， 動作命令cmd，動作輸出out， 動作流程Pro，動作報警flt，動作按鈕PB 等例程中所涉及到的所有變量。

每個動作都可以按照這一結構建立標簽，這樣我們設計動作具體程序時，我這要編制一個基本例序，把它作為標準程序，通過復制和替換的方法完成與這一標準程序相類似的所有程序的設計，接下來根據時序，工藝等做看、類似修改設備參數的修更改動作的具體基本條件即可完成程序設計，這樣設計的程序結構相同，動作可靠性高。

以上是針對AB 5000 PLC說明的，其他PLC也可以作類似的規劃，如在OMRON的PLC中我們也可以給每個動作分一個16位的字，把字中每一位分別定義為動作完成觸摸屏程序，動作實現的基本條件，動作自動條件，安全能量輸出， 動作命令，動作輸出， 動作流程，動作報警，動作按鈕，設計時也可實現以上標準程序的模塊化設計。

三、監控程序的標準化，模塊化設計。

觸摸屏設計的方法與PLC 程序設計基本類似，我們預先設計了觸摸屏標準屏，其主要有一下幾個基本屏組成，系統安全屏，拼臺動作列表屏，報警屏，拼臺狀態概況屏，網絡概況屏組成。我們在設計每個屏的時候，設置每個屏變量的固定變量范圍，設計時根據實際需要來增減屏數量和每屏顯示內容，但其結構部分保持不變，

關于模塊化設計的主要思想就是就是利用功能標準模塊來堆積完成一個完整的控制系統，達到降低控制系統復雜度，使控制系統設計、調試和維護等操作簡單化的目的。

參考資料

1.上汽通用五菱GMS手冊

2.通用CCRW標準