造紙機PLC程序的結構化設計研究

(陜西科技大學電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021)

0 引言

現代造紙機傳動控制系統普遍采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)作為核心控制裝置，因此PLC程序的設計也就成為一項非常重要的工作。隨著造紙機朝著大型化、高速化的方向發展，人們對造紙機控制程序的設計效率、可靠性、通用性等方面提出了更高的要求[1-3]。而在工程實踐中，傳統PLC程序設計方法難以使程序滿足上述要求，因此本文借鑒軟件工程理論中的軟件設計方法來設計造紙機的PLC控制程序，以提高程序的設計效率、可靠性和通用性。

1 軟件工程方法的提出

傳統的PLC程序設計方法主要有經驗設計法、邏輯設計法和順序控制設計法。經驗設計法是設計者根據實踐經驗來組織基本控制環節，然后在調試中進行完善。該方法與設計者經驗密切相關，僅適用于簡單控制系統，以便達到簡單、快速的效果。邏輯設計法基于繼電器吸合和斷開的兩種狀態，用邏輯表達式描述實際控制問題，再用梯形圖加以表示，它適用于開關量控制較多的控制系統。順序控制設計法運用功能表圖表示各工作步的功能、步與步之間的轉換順序及其轉換條件，通過流程圖來描述控制系統的控制過程，它適用于按動作先后順序進行的控制系統。綜上所述，傳統PLC程序設計方法僅適用于功能單一且簡單的系統，無法滿足造紙機速度鏈、負荷分配等復雜控制的要求。

傳統PLC程序設計方法源于電氣控制技術中的繼電器控制思想，再加之繼電器控制電路與PLC程序梯形圖設計的相似性，更加深了PLC程序設計中繼電器控制思想。繼電器控制思想以系統具體功能的實現為基本出發點，對整個程序的框架結構缺乏系統的規劃，再加之在實際工程中程序設計人員專業水平參差不齊，造成了大型系統中PLC程序思路不夠清晰、無法有效使用等問題。

PLC控制是繼電器控制技術與計算機控制技術相結合的產物[4-6]，目前很多PLC控制系統僅僅是運用了繼電器控制思想和計算機控制硬件技術，而沒有將計算機控制軟件技術很好地運用到其中。因此，運用設計計算機軟件的思想來設計PLC控制程序可以更好地挖掘PLC控制的潛力，進而更好地發揮PLC控制的優勢。而軟件工程是關于開發計算機程序的學科，它對程序的分析、設計和維護都有一套完整的理論體系。運用軟件工程方法設計造紙機PLC傳動控制程序，有助于程序設計的規范化和標準化。

2 造紙機PLC程序的結構化設計

2.1 結構化方法的介紹

結構化方法是軟件工程中最基礎、最成熟、應用最為廣泛的一種設計方法，因此可將其運用到造紙機PLC程序設計中。結構化方法的基本思想是自頂向下進行功能的抽象和分解，逐步求精。它以需求分析為基礎，分為總體設計和詳細設計兩個階段。總體設計的任務是完成程序整體結構設計，包括層次、具體功能的劃分以及模塊與外部的接口設計。詳細設計需要設計每個功能的具體實現過程，包括算法設計、數據變量類型的定義以及存儲地址的分配等。

結構化設計方法運用抽象、求精和模塊化的概念，將一個復雜系統的功能分解成若干子功能模塊，這些模塊只能實現一個功能，與外部的信息交互只需要進行簡單的接口設置就可實現，最后采用一定的方式將這些模塊組織起來，完成軟件控制功能。結構化方法通常采用樹狀結構圖來描述對各個模塊的組織方式，程序結構示意圖如圖1所示。圖1中，頂層的模塊A是整個程序的主模塊，1層中的模塊B、C、D為A的從屬模塊，2層中的模塊E、F、G、H是子模塊B的從屬模塊。當程序運行時，各模塊依次調用其從屬模塊，直至最底層。接口設計為各模塊建立數據輸入、輸出的通道，解決程序運行中信息的交換問題，以實現連續、完整的控制功能。

圖1 程序結構示意圖

結構化設計方法用結構圖清晰地描述了軟件的功能和各功能模塊之間的調用關系；分層和模塊化的組織方式將復雜問題簡單化，有利于多人協同工作，可大大降低程序設計的難度。

2.2 造紙機程序的結構化設計

造紙機是典型的多分部傳動控制系統，控制設備較多，且各個設備控制功能差異不大，不同造紙機的控制方式也大致相同。因此，采用結構化方法設計造紙機的PLC控制程序，程序中的功能塊和程序組織方式都可以應用在不同的紙機項目中。對于新的紙機項目，只要在舊程序的基礎上進行簡單的修改，即可完成程序的設計。

本文中造紙機控制程序的設計平臺選擇西門子STEP7軟件[7-9]。該軟件支持模塊化編程，嵌套調用的編程方法和程序的模塊化可很好地體現結構化設計思想。

本文以八缸紙機為例，介紹PLC程序的結構化設計在造紙機上的應用。

2.2.1 需求分析

運用結構化方法設計造紙機傳動控制程序，首先要進行需求分析，以確定系統要實現的所有控制功能。

八缸紙機是造紙機中較為簡單的一種，其控制系統總體來講包括以下四個部分：人機界面(HMI)、PLC、變頻器及輔助設備(如傳感器等)。紙機控制系統圖如圖2所示，HMI和PLC之間采用以太網通信，通過操作HMI向PLC發送控制指令(啟動/停止、加/減速和參數給定等)；PLC和變頻器之間采用Profibus-DP通信，PLC將程序運行結果發送給變頻器控制其運行，并且從變頻器中讀取電機的實時運行狀態及數據，最后在HMI上加以顯示。

圖2 紙機控制系統圖

按照工藝流程，八缸紙機的各個傳動點依次為：伏輥、大缸、壓榨、二缸、施膠、多缸、壓光、卷取，其中大缸和壓榨處于同一個負荷分配組中。根據多分部傳動控制要求，速度鏈主鏈上的傳動點要采用速度鏈控制，而負荷分配組中的傳動點則采用負荷分配控制。

速度鏈控制要求在紙機分部式傳動控制中，各相鄰傳動點之間的速度應保持一定的比例；且在車速調整過程中，只影響本級及本級之后的傳動點速度，而不影響本級之前的傳動點速度。

負荷分配控制中，負荷分配組的主點處于整個速度鏈主鏈上，采用速度控制；從點處在子鏈上，對其進行速度控制和轉矩限幅，從點時刻跟隨主點轉矩的變化而變化，實現負荷分配。

綜上所述，八缸紙機PLC程序應當具備的控制功能有：通信、運行控制(急停、運行/停止、加/減速等)、數據顯示和給定、速度鏈控制和負荷分配控制。

2.2.2 程序設計

軟件工程中，軟件設計和編寫代碼是分步進行的，即先設計后編碼，不同于工業控制中“設計即編碼”的概念。設計將軟件的所有功能、地址分配等信息用文字和圖形表示出來，通常是以文檔的形式出現；而編碼僅相當于翻譯的過程，即將軟件功能的文字說明用編程工具語言描述出來。

首先進行總體設計，將整個系統的控制細分成對每個傳動點的控制，再將傳動點的控制細分成對每個具體功能的控制，紙機程序結構圖如圖3所示。主組織塊OB1為主控制層，1層為設備層，模塊FC1～FC8分別對應一個傳動點，每個模塊包含了本傳動點的所有控制功能。程序運行時，OB1通過依次調用這些塊來完成對整機的控制。2層為功能層，該層中每個塊對應一個具體要實現的功能。根據需求分析，2層的功能塊分別為：FC11(通信)、FC12(運行控制)、FC13(數據顯示或給定)、FC14(速度鏈)、FC15(負荷分配)，這些塊被1層中的各個傳動點根據自身的控制要求調用，例如處于負荷分配組中的傳動點大缸和壓榨需要調用功能塊FC11～FC15，而其他傳動點只需要調用功能塊FC11～FC14。

圖3 紙機程序結構圖

其次進行詳細設計，詳細設計完成各功能塊FC11～FC15的具體實現過程的設計。由于這些塊在整個程序中可以被任何一個傳動點調用，所以在編寫程序語句時，對于需要特別給定的參數應使用形式參數，實際參數通過接口設計由調用它的傳動點來給定。

2.2.3 程序編碼

程序語句的編寫以上述設計為依據，由于STEP7軟件要求使用調用指令時需先給出被調用的模塊，所以實際編寫程序時應從底層開始，即先編寫功能塊FC11～FC15的程序語句并進行獨立封裝，再按照圖3自下而上進行組織調用。

結構化方法使造紙機傳動控制程序呈現一種搭積木的設計形式，功能層的塊是整個程序設計的基礎，它決定了整個系統的控制功能是否完善。在實際工程應用中，可以綜合各種類型紙機的控制功能，為功能層建立一個完備的功能庫。設計程序時，只需要調用相應的功能塊并設置接口參數就可完成。

3 結束語

將軟件工程的結構化設計方法運用到造紙機的PLC程序設計中[10]，為其提供了理論指導和標準化的程序設計模式，可有效地降低程序設計難度，提高程序的設計效率、可靠性、通用性和擴展性。該方法對于工業控制領域中其他復雜系統的PLC程序設計也有很好的借鑒意義。

[1] 孟彥京.造紙機變頻傳動原理與設計[M].西安：陜西人民出版社,2002.

[2] 陳克復.制漿造紙機械與設備(下)[M].北京：中國輕工業出版社,2010.

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[9] 馬伯淵,穆國華.SIEMENS S7-300P/400PL的兩種程序設計方法的比較分析[J].自動化技術與運用,2005,24(2)：36-41.

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