運用軟件工程原理指導ＰＬＣ控制系統的設計開發

摘要：運用軟件工程的原理來指導PLC的設計開發，可以使復雜的問題得以簡化，保證系統的正確性、適用性、可維護性，使學生的設計能力得到提高。

關鍵詞：軟件工程；生命周期法；PLC控制系統

《可編程控制器及其應用》是中等職業學校機電類專業一門重要的專業課，其實踐性和理論性都很強。PLC（Programmable Logic Controller，可編程控制器）的設計開發既是教學的難點又是教學重點。在教學過程中，有意識地運用軟件工程原理指導PLC控制系統的設計開發，可以使復雜的問題得到簡化，保證系統的正確性、適用性、可維護性，同時使學生的課程設計能力得到提高。

軟件工程的基本原理

軟件工程有七條基本原理：（1）用分階段的生命周期計劃嚴格管理。（2）堅持進行階段評審。（3）實行嚴格的產品控制。（4）采用現代程序設計技術。（5）結果應能清楚地審查。（6）開發小組的人員應該少而精。（7）承認不斷改進軟件工程實踐的必要性。

這七條原理是互相獨立的，其中任意六條原理的組合都不能代替另一條原理。因此，它們是缺一不可的最小集合，而這七條原理又是相當完備的。幾十年來的軟件開發實踐證明，它們是系統開發成功的技術和方法。在軟件開發與維護的實踐過程中，體現軟件工程基本原理的傳統途徑是生命周期方法學。軟件工程采用的生命周期方法就是從時間角度對軟件開發和維護的復雜問題進行分解，把軟件生命的漫長周期依次劃分為若干個階段，每個階段有相對獨立的任務，而且比較簡單，然后逐步完成每個階段的任務。軟件生命周期由軟件定義、軟件開發和軟件維護三個時期組成。軟件定義包括問題分析、可行性研究、需求分析；開發時期包括總體設計、詳細設計、編碼和測試；維護時期的任務是使軟件持久地滿足使用要求。

PLC控制系統開發設計的生命周期法

PLC控制系統是一種為適應工業控制環境而設計的專用計算機系統。PLC控制系統的設計包括硬件設計和軟件設計。其中最重要的是軟件設計，因此學生在進行PLC控制系統設計時，往往是一開始就編寫梯形圖程序。對于比較復雜的系統，這樣可能會使設計無法進行下去，而且會帶來諸多問題，而用軟件工程的原理來指導PLC的開發設計，能使問題簡化，學生便于理解。因此，用軟件工程的基本原理指導PLC控制系統的設計具有重要的意義。

運用軟件工程的生命周期法開發設計PLC控制系統

按照軟件工程的生命周期法，相應的PLC控制系統的開發設計可分為PLC控制系統的分析、設計和維護。PLC控制系統生命周期每個階段的基本任務如下：

（一）PLC控制系統的分析

了解被控制系統這一步是系統設計的基礎。首先應通過咨詢工藝、機械方面的技術人員、操作人員、維修人員和對設備資料進行仔細研究，詳細了解被控制對象的全部功能和它對控制系統的要求。例如，機械的動作；機械、液壓、氣動、儀表、電氣系統之間的關系；系統是否需要設置多種工作方式（如自動、半自動、手動等）；PLC與系統中其他智能裝置之間的關系，是否需要通訊聯網功能；是否需要報警；電源停電及緊急情況的處理等等。在這一階段應確定哪些信號需要輸入給PLC，哪些負載由PLC驅動。最好分類統計各輸入量和輸出量的性質，是開關量還是模擬量，是直流量還是交流量，以及電壓的大小、等級。

確定硬件配置根據被控對象對控制系統的要求，以及PLC的輸入量、輸出量的類型和點數，確定出PLC的型號和硬件配置。對于單元式PLC應確定基本單元和擴展單元的型號。對于模塊式PLC，應確定框架的型號及所需模塊的型號和數量。

（二）PLC控制系統的設計

設計外部接線圖分配好與各輸入量和輸出量對應的元件后，設計出PLC的外部接線圖、其他部分的電路原理圖、接線圖和安裝所需圖紙。

設計梯形圖程序較簡單的系統的梯形圖可以用經驗設計法和邏輯代數設計法。對于比較復雜的系統，一般采用流程圖設計方法。首先將控制系統的工作過程劃分為若干個工步，工步是根據PLC輸出量的狀態劃分的。只要系統的輸出量的通/斷狀態發生了變化，系統就從原來的工步進入了新的工步。在各工步內，各輸出量的狀態應保持不變。然后確定相鄰工步之間的轉換條件，轉換條件使系統從當前工步進入下一工步。最后畫出狀態流程圖，完整地描述控制系統的工作過程，然后根據狀態流程圖，就可以進行梯形圖設計。

模擬調試將設計好的程序寫入PLC后，首先逐條檢查程序，并改正寫入時出現的錯誤。用戶程序一般先在實驗室模擬調試。實際的輸入信號可以用開關和按鈕來模擬各輸出量的通/斷狀態，用發光二極管來顯示，一般不用接PLC實際的負載(如接觸器、電磁閥等)。實際的反饋信號（如限位開關的接通）可以根據狀態流程圖，在適當的時候用開關或按鈕來模擬。對于順序控制程序，調試程序的主要任務是檢查程序的運行是否符合狀態流程圖的規定。在某一轉換條件實現時是否發生工步活動狀態的正確變化，即該轉換的所有前級工步是否變為不活動的，所有的后續工步是否變為活動的，以及各工步被驅動的負載是否接通。在調試時應充分考慮各種可能的情況，系統的各種不同的工作方式，有選擇序列的狀態流程圖中的每條支路，各種可能的進展路線，都應逐一檢查，不能遺漏。發現問題后及時修改梯形圖和PLC程序，直到在各種可能的情況下輸入量和輸出量之間的關系完全符合要求。

現場調試在實際教學中，實現這一步比較困難，但是，應該告訴學生，完成以上工作后，將PLC安裝到控制現場，進行聯機總調試，并及時解決調試時發現的軟件和硬件方面的問題。系統交付使用后，應根據最終的調試結果，整理出完整的技術文件，如硬件接線圖、狀態流程圖、帶注釋的梯形圖以及必要的文字說明。

（三）PLC控制系統的維護

日常維護由于PLC的可靠性很高，維護工作量很小。出現故障時通過PLC上的發光二極管和編程器即可迅速查明故障原因。

功能維護當控制系統的輸入條件改變時或功能有新的要求時應及時改進。這種情況實際上是一次壓縮和簡化了的分析和開發設計過程。

（本文責任編輯：張維佳）