基于CODESYS平臺的PLC程序標準化設計

李永明，張海

[摘? ? 要]PLC技術發展迅速，高級編程語言在PLC中的應用也日益普遍，CODESYS 平臺作為其中一款PLC編程軟件，逐漸成為未來發展趨勢，支持面向對象的編程特點，具備PLC程序標準化的軟件基礎。PLC程序標準化是自動化控制系統科學管理的發展方向，不僅可以提升程序的兼容性，容錯性，優化資源，提高效率，而且可以推動技術創新和科技進步。基于CODESYS平臺，闡述了PLC程序標準化的思路、框架和流程，并結合光伏自動化設備的案例進行解析。

[關鍵詞]PLC技術;CODESYS;程序標準化

[中圖分類號]TP242;TP333 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–03

Standardized Design of PLC Program Based on CoDeSys Platform

Li Yong-ming，Zhang Hai

[Abstract]With the rapid development of PLC technology， the application of high-level programming language in PLC is becoming more and more common. CoDeSys platform， as one of the PLC programming software， has gradually become the development trend in the future. It supports the characteristics of object-oriented programming and has the software foundation of PLC program standardization. PLC program standardization is the development direction of scientific management of automatic control system. It can not only improve program compatibility， fault tolerance， optimize resources and improve efficiency， but also promote technological innovation and scientific and technological progress. Based on CoDeSys platform， this paper expounds the idea， framework and process of PLC program standardization， and analyzes it combined with a case of photovoltaic automation equipment.

[Keywords]PLC technology; CODESYS; procedure standardization

CODESYS軟件是一款基于先進的.NET架構和IEC61131-3國際編程標準的、面向工業4.0及物聯網應用的軟件開發平臺。它可以實現一個完整的工業自動化解決方案，包括邏輯控制（PLC）、運動控制（Motion Control）及人機界面（HMI）、基于Web Service的網絡可視化編程和遠程監控、冗余控制（Redundancy）和安全控制（Safety）等，它具備面向對象的編程特點，具備標準化的軟件架構和工程基礎。未來，它將成為連接電子、工控和IT行業的重要紐帶，將會極大地推動工控自動化領域的發展，為實現萬物互聯互通、智能制造夯實基礎。

傳統的自動化PLC程序設計中存在結構化不清晰、應用性差、靈活性和維護性差，開發效率低，經常出現同一任務的“并行工程”，導致工程效率低，維護難度大，智慧和知識無法得到有效的利用、保護與推廣。PLC程序標準化是一種趨勢，是自動化控制系統科學管理的發展方向，標準化設計不僅可以提升工作效率和技術競爭力，還將推動技術創新和科技進步。本文基于CODESYS平臺，闡述了PLC程序標準化的思路、框架和流程，并結合光伏自動化設備的案例進行詳細剖析。

1 標準化框架

標準化廣義的概念是指在經濟、技術、科學和管理等社會實踐中，對重復性的事物和概念，通過制訂、發布和實施標準達到統一，以獲得最佳秩序和社會效益。針對具體的行業和領域，標準化也有其獨特的含義和使用范疇。

在電氣自動化PLC控制領域，程序標準化是指將一些常見的、通用的函數、功能和單元進行封裝，并結合自動化設備的硬件條件和工藝要求，建立一套符合自身需求的程序架構，以提升自動化設備開發效率和質量（標準化的本質就是提高質量），降低服務和維護成本，將利益最大化。

PLC程序標準化的最終目標就是能夠實現將一些功能模塊按照一定的接口設計進行組織和聯系，使其能夠滿足機器或者系統的各項運行需求和性能指標。

單元（Unit）相當于一條生產線的一種設備，它是由多個設備模塊，通過一定的接口設計和邏輯控制，使得相互獨立的設備模塊之間具備某種聯系，實現某種功能，進行某種活動的模塊組合，它是程序標準化的頂層，是實現系統標準化的關鍵。

設備模塊（Equipment Module，簡稱EM）是多個控制模塊通過一定的邏輯關系組合構建的可以執行有限數量的某些較小的處理活動的功能模塊，它是構成單元的重要元素，具有參數化、重復使用性、易修改性等特征。

控制模塊（Control Modules，簡稱CM）是構成單元的最小單位，它處于程序標準化的底層，是具有標準化接口的驅動模塊，也叫它底層功能塊，例如電機操作功能塊、伺服操作功能塊、氣缸操作功能塊等，它是一旦測試確認就輕易不修改的高度獨立化的底層標準軟件，程序標準化的第一階段就是要實現控制模塊（底層功能塊）的標準化，在此基礎上實現單元的標準化。

控制模塊、設備模塊、單元三者層層遞進，層級關系如圖1所示。

以太陽能電池制絨工序為例，闡明單元、設備模塊、控制模塊之間的定義和關系以及程序標準化設計的框架，其簡要構成圖如圖2所示。

2 標準化流程

程序標準化流程包括設備名稱規范化定義、設備模塊劃分、接口定義、設備模塊分解、標準化程序結構設計、設備模塊測試、封裝庫管理及標準化文檔，標準化流程圖如圖3所示。

以光伏自動化領域離線制絨導片機為例，進行標準化程序的開發流程的演示。離線制絨導片機機械俯視圖如圖4所示。

2.1 名稱規范化定義

（1）駱駝命名法（camelCase）：除第一個單詞外，其他單詞首字母大寫;中間沒有其他連接符或空格;全局變量（globalTags）、塊（FC、FB）形參（Input、Output、InOut、Static、Temp）、PLC 自定義數據類型（User-defined Data Type，簡稱UDT）都使用這種命名方法。

（2）帕斯卡命名法（PascalCase）：與駱駝命名法的區別是第一個單詞首字母也要大寫;全局變量、程序塊（OB、FB、FC）、變量表、監控表、Trace、組合測量、工藝對象等的命名均采用此命名方法。

（3）對于一些特殊領域的專有名詞，可以制定局部范圍內的命名標準化，如部門范圍，公司范圍等，以保證局部范圍內不同的自動化機器和系統命名的統一性，增加不同機器和系統程序的可讀性、易讀性。

2.2 設備模塊劃分

設備模塊劃分可以按照機械組件完成的特定機械功能進行劃分，也可以根據工藝段中完成特定工藝功能進行劃分。

設備模塊的劃分并不是任意為之，而是有一定的準則和限制。設備模塊劃分需要清晰地知道設備要實現的功能，需要預留的接口，要具備相對獨立性，而且涉及的控制模塊不能太多，否則會使得接口特別復雜。以上面制絨導片機為例，進行設備模塊劃分，如圖5所示。

2.3 接口定義

接口定義是程序標準化設計非常重要的環節，用戶程序以及各個模塊之間的信號交換都是通過模塊接口進行的，因此接口設計的好壞直接影響用戶程序的運行穩定性，因此接口設計應盡可能完善，信號交互形成回路;接口設計也要盡可能“公開”定義，以便靈活調用模塊。

接口定義一般有兩種類型：①設備模塊的自身對象屬性、事件類別，如速度，運行狀態，啟動，停止，手自動等;②程序模塊的邏輯屬性、事件構造，如動作觸發條件、動作停止條件等，它與其他的設備模塊相關聯。

2.4 設備模塊分解

設備模塊分解是指將上述劃分的設備模塊挨個進行分解，分解到最小器件，如傳感器、電機、伺服、氣缸等，以便利用底層功能塊進行邏輯設計，完成功能單元的程序模塊;另外，功能單元需要分解為輸入設備和輸出設備，并定義其功能，為下一步標準化程序構造做好準備。以其中一個設備模塊——籃具升降模塊進行分解，見表1。

2.5 標準化程序結構設計

標準化程序結構設計是程序標準化流程中最為關鍵的環節。程序結構設計要完善、條理。完善是指該控制模塊的程序結構可以完全滿足所有該機械條件下的邏輯、運動控制，即具有通用性（重復使用性）;條理是指程序結構流程清晰，接口明確，即具有擴展性（靈活使用性）。針對上述籃具升降模塊，基于CODESYS平臺所做的功能模塊如圖6所示。

2.6 設備模塊測試

設備模塊測試的目標就是確認該功能塊（FB）是否滿足既定功能，是否存在程序漏洞，通過實例測試各個輸入輸出功能，優化程序結構，修復程序漏洞，使其滿足一定的性能指標，驗證成功以后就可以庫化，為封裝庫管理奠定基礎。

2.7 封裝庫管理與標準化文檔

封裝庫管理包括版本管理及知識產權保護;標準化文檔記錄包括名稱定義規則、程序結構及功能標準化說明，封裝庫注釋模板如圖7所示：公司名稱、庫名稱、使用限制（如輸入輸出類型等）、要求（硬件、選件等）、功能描述、作者、日期、版本。

3 結束語

針對傳統自動化PLC程序設計中存在結構化不清晰、應用性差、靈活性和維護性差，開發效率低，智慧和知識無法得到有效的利用、保護與推廣的問題，提出了PLC程序的標準化設計。基于CODESYS平臺，闡述了PLC程序標準化的思路、框架和流程，并結合光伏自動化設備的案例進行解析。實踐證明，PLC程序標準化設計不僅可以提升工作效率和技術競爭力，還能夠推動技術創新和科技進步，未來PLC程序標準化設計將成為自動化控制系統科學管理的發展方向。

參考文獻

[1] 魏小星，朱建國，張良華，等.基于CODESYS的面向對象PLC編程[J].工業控制計算機，2021（34）：12-15.

[2] 馬立新. 開放式控制系統編程技術——基于IEC 61131-3國際標準[M].北京：人民郵電出版社，2015.