造纸机PLC程序的结构化设计研究

时间：2024-07-28

(陕西科技大学电气与信息工程学院，陕西西安 710021)

0 引言

现代造纸机传动控制系统普遍采用可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)作为核心控制装置，因此PLC程序的设计也就成为一项非常重要的工作。随着造纸机朝着大型化、高速化的方向发展，人们对造纸机控制程序的设计效率、可靠性、通用性等方面提出了更高的要求[1-3]。而在工程实践中，传统PLC程序设计方法难以使程序满足上述要求，因此本文借鉴软件工程理论中的软件设计方法来设计造纸机的PLC控制程序，以提高程序的设计效率、可靠性和通用性。

1 软件工程方法的提出

传统的PLC程序设计方法主要有经验设计法、逻辑设计法和顺序控制设计法。经验设计法是设计者根据实践经验来组织基本控制环节，然后在调试中进行完善。该方法与设计者经验密切相关，仅适用于简单控制系统，以便达到简单、快速的效果。逻辑设计法基于继电器吸合和断开的两种状态，用逻辑表达式描述实际控制问题，再用梯形图加以表示，它适用于开关量控制较多的控制系统。顺序控制设计法运用功能表图表示各工作步的功能、步与步之间的转换顺序及其转换条件，通过流程图来描述控制系统的控制过程，它适用于按动作先后顺序进行的控制系统。综上所述，传统PLC程序设计方法仅适用于功能单一且简单的系统，无法满足造纸机速度链、负荷分配等复杂控制的要求。

传统PLC程序设计方法源于电气控制技术中的继电器控制思想，再加之继电器控制电路与PLC程序梯形图设计的相似性，更加深了PLC程序设计中继电器控制思想。继电器控制思想以系统具体功能的实现为基本出发点，对整个程序的框架结构缺乏系统的规划，再加之在实际工程中程序设计人员专业水平参差不齐，造成了大型系统中PLC程序思路不够清晰、无法有效使用等问题。

PLC控制是继电器控制技术与计算机控制技术相结合的产物[4-6]，目前很多PLC控制系统仅仅是运用了继电器控制思想和计算机控制硬件技术，而没有将计算机控制软件技术很好地运用到其中。因此，运用设计计算机软件的思想来设计PLC控制程序可以更好地挖掘PLC控制的潜力，进而更好地发挥PLC控制的优势。而软件工程是关于开发计算机程序的学科，它对程序的分析、设计和维护都有一套完整的理论体系。运用软件工程方法设计造纸机PLC传动控制程序，有助于程序设计的规范化和标准化。

2 造纸机PLC程序的结构化设计

2.1 结构化方法的介绍

结构化方法是软件工程中最基础、最成熟、应用最为广泛的一种设计方法，因此可将其运用到造纸机PLC程序设计中。结构化方法的基本思想是自顶向下进行功能的抽象和分解，逐步求精。它以需求分析为基础，分为总体设计和详细设计两个阶段。总体设计的任务是完成程序整体结构设计，包括层次、具体功能的划分以及模块与外部的接口设计。详细设计需要设计每个功能的具体实现过程，包括算法设计、数据变量类型的定义以及存储地址的分配等。

结构化设计方法运用抽象、求精和模块化的概念，将一个复杂系统的功能分解成若干子功能模块，这些模块只能实现一个功能，与外部的信息交互只需要进行简单的接口设置就可实现，最后采用一定的方式将这些模块组织起来，完成软件控制功能。结构化方法通常采用树状结构图来描述对各个模块的组织方式，程序结构示意图如图1所示。图1中，顶层的模块A是整个程序的主模块，1层中的模块B、C、D为A的从属模块，2层中的模块E、F、G、H是子模块B的从属模块。当程序运行时，各模块依次调用其从属模块，直至最底层。接口设计为各模块建立数据输入、输出的通道，解决程序运行中信息的交换问题，以实现连续、完整的控制功能。

图1 程序结构示意图

结构化设计方法用结构图清晰地描述了软件的功能和各功能模块之间的调用关系；分层和模块化的组织方式将复杂问题简单化，有利于多人协同工作，可大大降低程序设计的难度。

2.2 造纸机程序的结构化设计

造纸机是典型的多分部传动控制系统，控制设备较多，且各个设备控制功能差异不大，不同造纸机的控制方式也大致相同。因此，采用结构化方法设计造纸机的PLC控制程序，程序中的功能块和程序组织方式都可以应用在不同的纸机项目中。对于新的纸机项目，只要在旧程序的基础上进行简单的修改，即可完成程序的设计。

本文中造纸机控制程序的设计平台选择西门子STEP7软件[7-9]。该软件支持模块化编程，嵌套调用的编程方法和程序的模块化可很好地体现结构化设计思想。

本文以八缸纸机为例，介绍PLC程序的结构化设计在造纸机上的应用。

2.2.1 需求分析

运用结构化方法设计造纸机传动控制程序，首先要进行需求分析，以确定系统要实现的所有控制功能。

八缸纸机是造纸机中较为简单的一种，其控制系统总体来讲包括以下四个部分：人机界面(HMI)、PLC、变频器及辅助设备(如传感器等)。纸机控制系统图如图2所示，HMI和PLC之间采用以太网通信，通过操作HMI向PLC发送控制指令(启动/停止、加/减速和参数给定等)；PLC和变频器之间采用Profibus-DP通信，PLC将程序运行结果发送给变频器控制其运行，并且从变频器中读取电机的实时运行状态及数据，最后在HMI上加以显示。

图2 纸机控制系统图

按照工艺流程，八缸纸机的各个传动点依次为：伏辊、大缸、压榨、二缸、施胶、多缸、压光、卷取，其中大缸和压榨处于同一个负荷分配组中。根据多分部传动控制要求，速度链主链上的传动点要采用速度链控制，而负荷分配组中的传动点则采用负荷分配控制。

速度链控制要求在纸机分部式传动控制中，各相邻传动点之间的速度应保持一定的比例；且在车速调整过程中，只影响本级及本级之后的传动点速度，而不影响本级之前的传动点速度。

负荷分配控制中，负荷分配组的主点处于整个速度链主链上，采用速度控制；从点处在子链上，对其进行速度控制和转矩限幅，从点时刻跟随主点转矩的变化而变化，实现负荷分配。

综上所述，八缸纸机PLC程序应当具备的控制功能有：通信、运行控制(急停、运行/停止、加/减速等)、数据显示和给定、速度链控制和负荷分配控制。

2.2.2 程序设计

软件工程中，软件设计和编写代码是分步进行的，即先设计后编码，不同于工业控制中“设计即编码”的概念。设计将软件的所有功能、地址分配等信息用文字和图形表示出来，通常是以文档的形式出现；而编码仅相当于翻译的过程，即将软件功能的文字说明用编程工具语言描述出来。

首先进行总体设计，将整个系统的控制细分成对每个传动点的控制，再将传动点的控制细分成对每个具体功能的控制，纸机程序结构图如图3所示。主组织块OB1为主控制层，1层为设备层，模块FC1～FC8分别对应一个传动点，每个模块包含了本传动点的所有控制功能。程序运行时，OB1通过依次调用这些块来完成对整机的控制。2层为功能层，该层中每个块对应一个具体要实现的功能。根据需求分析，2层的功能块分别为：FC11(通信)、FC12(运行控制)、FC13(数据显示或给定)、FC14(速度链)、FC15(负荷分配)，这些块被1层中的各个传动点根据自身的控制要求调用，例如处于负荷分配组中的传动点大缸和压榨需要调用功能块FC11～FC15，而其他传动点只需要调用功能块FC11～FC14。

图3 纸机程序结构图

其次进行详细设计，详细设计完成各功能块FC11～FC15的具体实现过程的设计。由于这些块在整个程序中可以被任何一个传动点调用，所以在编写程序语句时，对于需要特别给定的参数应使用形式参数，实际参数通过接口设计由调用它的传动点来给定。

2.2.3 程序编码

程序语句的编写以上述设计为依据，由于STEP7软件要求使用调用指令时需先给出被调用的模块，所以实际编写程序时应从底层开始，即先编写功能块FC11～FC15的程序语句并进行独立封装，再按照图3自下而上进行组织调用。

结构化方法使造纸机传动控制程序呈现一种搭积木的设计形式，功能层的块是整个程序设计的基础，它决定了整个系统的控制功能是否完善。在实际工程应用中，可以综合各种类型纸机的控制功能，为功能层建立一个完备的功能库。设计程序时，只需要调用相应的功能块并设置接口参数就可完成。