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OOP思想和UML分析技術(shù)在帶式輸送機控制程序開發(fā)中的應(yīng)用

[摘要] 本文根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計者的經(jīng)驗，從設(shè)計者的視角出發(fā)，講述了控制系統(tǒng)的研發(fā)思想。在PLC程序設(shè)計領(lǐng)域，創(chuàng)新性的引入了微型機程序設(shè)計領(lǐng)域的OOP思想，通過分層設(shè)計、OOP分析、UML建模等手段成功的實現(xiàn)了高標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)目標(biāo)。具有很好的應(yīng)用推廣前景，也為同行業(yè)設(shè)計者帶來啟示。該系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是：易維護、易移植、架構(gòu)靈活、概念統(tǒng)一、功能強大、可復(fù)用的皮帶輸送機連鎖控制軟件。另外本系統(tǒng)也成功的實現(xiàn)了移植。

[關(guān)鍵詞] 帶式輸送機控制系統(tǒng) 面向?qū)ο缶幊趟枷?OOP UML 分層設(shè)計

KEYWORDS: Industrial Control, program design thinking, PLC program, OOP,UML.

原料場直供部分控制程序的開發(fā)采用了結(jié)構(gòu)化分層設(shè)計，應(yīng)用了面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）思想和UML模型分析技術(shù)，成功實現(xiàn)了較高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計目標(biāo)。

OOP是微型機程序設(shè)計領(lǐng)域的優(yōu)秀的成熟的編程思想，在PLC程序設(shè)計中應(yīng)用還是很少。在程序設(shè)計方面與微型機比較，PLC程序設(shè)計市場小且基本上控制程序都是定制的,不可復(fù)用的、開發(fā)工具落后（相對當(dāng)前微型機的主流開發(fā)工具），其次是編程資源少，應(yīng)用范圍小。OOP編程思想應(yīng)用到PLC程序設(shè)計是一個新思路，雖然成功的實例不多（依據(jù)網(wǎng)上百度、雅虎、Google搜索），但是極具推廣價值。

一，高標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計目標(biāo)就是：易維護、易移植、架構(gòu)靈活、各視圖中的概念統(tǒng)一、功能強大的、可復(fù)用的皮帶輸送機連鎖控制軟件。

A、可復(fù)用：局限性小、適用性強、便于應(yīng)用推廣。所以考慮的情況就要盡可能的全面。功能塊有自定義參數(shù),可適應(yīng)一定彈性的需求變化。

B、魯棒性好：功能塊內(nèi)部設(shè)計了自診斷子系統(tǒng)，保證了安全性和系統(tǒng)健壯性。上位機組態(tài)設(shè)計了系統(tǒng)通訊監(jiān)控畫面，實時監(jiān)控下位機的DP網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)點。關(guān)鍵的現(xiàn)場連鎖點信號，全部采用閉點接入。

C、架構(gòu)靈活：可以適應(yīng)不同的皮帶機運輸結(jié)構(gòu)要求。采用“積木”式設(shè)計，可以“搭建”控制程序，構(gòu)建一個皮帶機運輸控制程序非常簡單。只要畫出皮帶機的運輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)該投影即可搭建控制程序。

D、易于維護：依據(jù)“高內(nèi)聚，松耦合”和“概念統(tǒng)一”原則。模塊化開發(fā)，將控制邏輯全部集成到功能塊內(nèi)部。即使修改設(shè)備控制邏輯，也不會產(chǎn)生牽一發(fā)而動全身的弊端。設(shè)計概念統(tǒng)一是一個優(yōu)良設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)。如果模型不斷出現(xiàn)“特例”的情況，就會破壞“概念統(tǒng)一”，使系統(tǒng)難以維護。

E、人機界面友好：一個系統(tǒng)從用戶角度來看，如果不能實現(xiàn)友好的人機接口（HMI），一切都是“白費”。用戶更關(guān)心他自己的視圖。所以用戶視圖中的系統(tǒng)“概念統(tǒng)一”同樣重要。界面易于操作、系統(tǒng)功能強大，也是重要的設(shè)計目標(biāo)。

F、軟件功能要求：（分為基本功能和高級功能）

F1,基本功能：

手動模式、自動模式；延時逆起順停、變換料線、斷線上游立即停車、料線互斥、保護報警、停機報警、預(yù)警鈴聲、趨勢記錄等。報警設(shè)置有超流量、跑偏、打滑、撕裂、溜槽堵塞。

一個系統(tǒng)從用戶角度來說，更關(guān)心使用概念統(tǒng)一、易于操作、功能強大。而且可以實現(xiàn)更高級的操作，為企業(yè)保護生產(chǎn)設(shè)備和節(jié)約生產(chǎn)成本。

F2,高級功能：

F2.1，無擾動變線：料線變換是最常規(guī)的工藝動作。有時只需要在下游變動一兩個設(shè)備，也要把全部公共線設(shè)備停車。大多情況公共線部分占全料線的70%強甚至90%。長的料線啟動一次就是近20分鐘。公共線部分有許多大型皮帶機都是3電機拖動，帶軟起動器，啟動困難、耗電量巨大、有啟停間隔時間要求、頻繁啟停還有損設(shè)備壽命。無擾動變線解決了這一問題，這種原料場料線控制方式，其他料場未見。

F2.2，動態(tài)下游鎖：一般情況下，料線中斷時是從斷點處的上游設(shè)備，間隔一個PLC掃描周期，依次停止。如果該料線的設(shè)備很多，且PLC掃描周期很長（因外部通訊周期的影響），惡果就是很長時間才能全線停車。最上游的設(shè)備可能會有20多秒才停止，造成積料。有自動動態(tài)下游鎖，可避免這一問題。斷線時，全部上游設(shè)備，間隔一個PLC掃描周期，同時停止。這是最短的反映時間（沒有任何延時是不可能的，至少一個PLC掃描周期）。這種動態(tài)連鎖是最優(yōu)的，我們成功的實現(xiàn)了。

F2.3，斷線再續(xù)：料線中斷時，一般料場的控制是，料線中斷點處上游立即全部停止，下游是依次延時停車，且沒有其他可選方式。再啟動該料線，就得全線停車后，再次全部啟動，浪費很大。實際中往往有一點小事情影響馬上解決，停掉的設(shè)備又馬上重新啟動。斷線再續(xù)，不必停止下游的全部設(shè)備，處理完故障后只要將停掉一段上游設(shè)備自動啟動，即可恢復(fù)如初。對于上游段一兩個設(shè)備停車造成全線停止，斷線再續(xù)功能有極大的好處，保護設(shè)備、節(jié)約資金。

F2.4料線模式自適應(yīng)：料線控制分為主動料線和被動料線。主動料線是通過HMI實現(xiàn)料線的人為選取、連鎖切換。它的弊端是必須靠程序員思考復(fù)雜的連鎖互斥關(guān)系，引起設(shè)計的復(fù)雜度提高（有多少條料線，就得編寫多少連鎖互斥關(guān)系）。復(fù)雜度增加可控性降低，程序員信心下降（這是料場內(nèi)部控制程序的最大弊端）。料線模式自適應(yīng)是，如果現(xiàn)場設(shè)備啟動情況恰好是某一條料線，他就自動顯示該料線，并按該料線模式執(zhí)行控制和連鎖，無論有多少種料線組合模式，它全部自適應(yīng)。不必專門設(shè)計料線控制部分，這正是OOP帶來的好處。因為對象的屬性和對象對它自身的一組操作是封裝在一起的，做為整體處理。就是說對象自身知道什么時候，該做什么事情。

F2.5，可選料線中斷時下游不停車或順序延時停車：一般原料場料線中斷處下游延時順序停車，不可避免。提供下游不停車選項，為用戶快速確定斷點設(shè)備，提供便利；為斷線再續(xù)功能提供服務(wù)。用戶可以靈活的掌握、操控性強。

F2.6，可選多條上游皮帶對一條下游皮帶連鎖：多條皮帶對一條皮帶的連鎖，可以提供操作的靈活性。

F2.7，可選直供部分與料場內(nèi)部順序連鎖:料場內(nèi)部直接控制外部料線，在用戶角度看來，形成了一條感覺上的“整體料線”。

F2.8，可選為料場內(nèi)部發(fā)送模擬連鎖信號:當(dāng)料場內(nèi)部需要一個外部連鎖信號才能試車時，外部控制程序可以通過通訊發(fā)送一個模擬信號給場內(nèi)程序。一旦場外設(shè)備真正啟動自動切換到實時信號傳送，不必認(rèn)為切換，非常人性化的設(shè)計。

二，UML分析和建模

皮帶輸送機運輸原料的工作過程，就像水流在河道里的運動一樣，項目因此得名RIVER(河流)。河流有3種模式，順序（一條河流的不同段）、分支（一條河流分為幾個支流）、匯聚（幾個支線河流匯集到一條干線河流）。這和料流的運行模式類似。

本來面向?qū)ο缶幊蘋OP是微型機程序設(shè)計領(lǐng)域的思想，它的實現(xiàn)需要編程工具的支持。分類、繼承、多態(tài)和成熟的設(shè)計模式是它的最大特點，UML語言是它的分析建模工具，且通過UML建模工具可以由UML圖形直接生成框架代碼。

首先利用面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）的思想，把原料場的設(shè)備分為3個類：皮帶機類、兩位分料器類、三位分料器類。

以下是使用Microsoft Visio制圖，具體UML靜態(tài)類圖如下：

在類構(gòu)建時，首先建立了皮帶機基類（帶啟動、停止接口遺留到繼承類中實現(xiàn)多態(tài)）、電動機基類、軟啟動基類然后通過繼承綁定實現(xiàn)具體類組合。他們的具體組合，可以通過功能塊自定義參數(shù)設(shè)置。

每種類又綁定了具體的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型，供類操作使用。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)類型變量便于實現(xiàn)編程視圖的概念統(tǒng)一，和以后做各種趨勢（而功能塊內(nèi)部變量是在堆棧里的，不能直接做趨勢記錄的）。這樣設(shè)計好處是概念統(tǒng)一，可以實現(xiàn)強大的功能，因為功能塊內(nèi)部的所有操作可以通過外部變量觸發(fā)。

再使用Visio繪制， UML類活動狀態(tài)圖如下：

通用狀態(tài)圖描述了每個設(shè)備都有的活動狀態(tài)行為。它是狀態(tài)轉(zhuǎn)換、自診斷、合理性檢查的依據(jù)。通過編程實現(xiàn)上圖，系統(tǒng)增強了健壯性。

兩位分料器活動狀態(tài)圖，具體描述了該設(shè)備的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程和約束條件。

以該圖作為依據(jù)，開發(fā)了兩位式分料器的合理性檢查、狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制程序。

通過采用UML建模分析技術(shù)，程序架構(gòu)更容易把握，加快了系統(tǒng)開發(fā)的速度，增強了開發(fā)者的自信。即使后來加入各種功能，我們同樣自信系統(tǒng)的健壯性，這依賴于優(yōu)良的架構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)功能強大的同時，代碼可控、結(jié)構(gòu)清晰，而且避免了項目需求的膨脹導(dǎo)致系統(tǒng)編碼的混亂和崩潰。哪怕是到達(dá)最后完成時期，可以自信的說程序都在掌控之中。

采用OOP技術(shù)分析，且編寫時功能塊高度內(nèi)聚，因此不會出現(xiàn)程序修改時的“牽一發(fā)而動全身”的惡果。這樣成功實現(xiàn)了易于維護修改的設(shè)計要求。

整個程序的主體就是3大功能塊，即皮帶機塊、兩位分料器塊、三位分料器塊。料線控制邏輯高度內(nèi)聚在每個設(shè)備功能塊內(nèi)部，也使得移植該程序非常容易。只要按照現(xiàn)場實際皮帶機的運輸拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)順序搭建，三大功能塊構(gòu)成系統(tǒng)主干投影，料線連鎖的主控制程序就自然形成。所以在編寫程序時沒有專門的料線控制功能塊，而是編寫了一個具有料線信息集中分析顯示和料線互斥的約束塊。

三，具體實現(xiàn)

具體程序采用分層設(shè)計，共分為3層：

1、輸入預(yù)處理子層（I映射層）：

作用是把從輸入通道讀入后的信息，在交給控制邏輯層處理之前，先進(jìn)入輸入預(yù)處理子層進(jìn)行預(yù)先處理。它的意義是實現(xiàn)統(tǒng)一的接口。比如：設(shè)備就緒信號在不同的設(shè)備，就緒條件是不同的，通過預(yù)處理子層后每一個設(shè)備只有一個統(tǒng)一的設(shè)備就緒信號，這樣就為控制邏輯層提供了簡單的概念統(tǒng)一的接口。把復(fù)雜轉(zhuǎn)化為簡單。

輸入預(yù)處理子層，靠近硬件輸入，處理硬件設(shè)備信息的封裝和轉(zhuǎn)換，為控制邏輯層，統(tǒng)一了接口（Interface），統(tǒng)一了概念。

2、輸出預(yù)處理子層（O映射層）：

作用是把控制邏輯層輸出的信息，在寫入硬件通道之前，先進(jìn)入輸出預(yù)處理子層進(jìn)行預(yù)先處理。它的意義是實現(xiàn)OOP的多態(tài)。

通過預(yù)處理，將控制邏輯層的統(tǒng)一輸出接口，轉(zhuǎn)化為適應(yīng)設(shè)備多變的細(xì)節(jié)，從而實現(xiàn)了多態(tài)。舉例說明：同樣是啟動行為，皮帶機類和分料器類的啟動行為是不同的；即使都是皮帶機類啟動、連鎖行為也不相同，因為有電機數(shù)和有無軟啟動器的差異，及設(shè)備所在位置的差異等。

輸出預(yù)處理子層，靠近硬件輸出，處理從控制邏輯層到硬件通道的多態(tài)特性。

輸入預(yù)處理子層和輸出預(yù)處理子層，一方面將程序主體與實際硬件隔離開來，從而使程序?qū)τ布囊蕾囆詼p弱，實現(xiàn)了項目的易于復(fù)用和移植；另一方面它們的行為相反，前者是為了實現(xiàn)同化，提供統(tǒng)一編程接口；后者是為了異化，實現(xiàn)不同的行為。I/O映射層，為高度分離主體控制邏輯提供了條件，它的設(shè)計借鑒bbbbbbs 操作系統(tǒng)的HAL層（硬件抽象層）設(shè)計。

3、控制邏輯層：

控制邏輯層，因為有I/O映射層的加入，實現(xiàn)起來就只是關(guān)注控制邏輯。該層只處理統(tǒng)一的概念，不直接處理硬件信息。既沒有復(fù)雜設(shè)備細(xì)節(jié)的干擾，又沒有具體硬件信息的影響，所以邏輯控制高度內(nèi)聚，為實現(xiàn)復(fù)雜的高級功能提供了基礎(chǔ)。

具體實現(xiàn)（略），參見程序。

分層設(shè)計，借鑒了bbbbbbs分層設(shè)計的思想。高度分離的各層中，某一層的修改不會傳遞到其他層，所以避免了“牽一發(fā)而動全身”的弊端。

具體實現(xiàn)過程是通過中間變量（即結(jié)構(gòu)化變量）和定義接口實現(xiàn)。

首先把硬件通道輸入值賦給接口變量；或讀入后再加以預(yù)處理，再賦值給接口變量。控制邏輯層的程序中只使用接口變量，這樣就實現(xiàn)了程序邏輯和硬件的分離。（實質(zhì)就是模仿函數(shù)傳遞的形式參數(shù)列表）。

使用結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)給我們帶來了很大的便利，（實質(zhì)上此處有面向?qū)ο蠓诸愒O(shè)計的思想，只是由于工具的限制無法實現(xiàn)繼承和多態(tài)特性…..）。

編寫帶自定義參數(shù)的功能塊（如下圖）。

Bel表示皮帶機

Rt2表示兩位式分料器

程序搭建，示例如下：

首先畫出實際的帶式輸送機拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):

圖中有四條皮帶對象S1、S2、S3、S4，一個分料器對象F1。

依樣搭建主控制程序（FBD示意圖）:

一個類功能塊代表一個對象實例。

通過結(jié)構(gòu)變量把各個功能塊連接起來就形成控制程序，在ABB的CBF里也可以將對應(yīng)的功能塊管腳直接連線。ABB的CBF不能象西門子的STEP那樣可以把DB綁定到FC上一次傳遞一個結(jié)構(gòu)化變量塊給功能塊。CBF的結(jié)構(gòu)化變量不能用一個功能塊的管腳直接傳遞到功能塊內(nèi)部帶來的結(jié)果就是我們開發(fā)的功能塊實際的樣子想個多腳蟲子（如下圖）。

Bel表示皮帶機 Rt2表示兩位式分料器 Rt3表示三位式分料器

四，經(jīng)驗總結(jié)和推廣意義

OOP成功的應(yīng)用到PLC程序設(shè)計領(lǐng)域，是剛剛起步，它的意義是為PLC程序設(shè)計提出一個實踐的新思路。它的最大優(yōu)勢是開發(fā)出來的程序，概念統(tǒng)一、架構(gòu)優(yōu)良、易于維護、可復(fù)用、程序員對所開發(fā)的項目信心增強。

經(jīng)驗總結(jié)：

掌握OOP程序設(shè)計思想有一定的難度，因為它需要改變設(shè)計人員的習(xí)慣性思維模式（正如包頭鋼鐵設(shè)計研究總院自動化所的設(shè)計人員王工程師，聽我們介紹完程序后，他感慨地說：“你們的程序設(shè)計概念，顛覆了我的思維，……?！保?。因為我們?nèi)粘Ａ?xí)慣以“面向過程的模式思維” 做事情，就是一步一步來做。即使是在微型機程序設(shè)計領(lǐng)域，經(jīng)常也會人有拿著OOP的工具，寫出來的代碼卻是面向過程的。可以肯定地說現(xiàn)在微型機程序設(shè)計領(lǐng)域，優(yōu)秀的具有一定規(guī)模的軟件基本框架都是OOP的，而且必然采用“設(shè)計模式”。有趣的事實是，PLC開發(fā)工具的研發(fā)，都是面向?qū)ο缶幊痰摹?/SPAN>

要求設(shè)計人員熟悉UML語言和建模工具的使用。因為PLC開發(fā)工具不支持OOP，更沒有與之對應(yīng)的UML建模工具。在微型機程序設(shè)計領(lǐng)域，與OOP開發(fā)工具配合使用的UML建模工具，可以直接以畫UML圖形建模，然后由建模工具完成從UML圖形到框架代碼的自動轉(zhuǎn)換（這就是所謂的“畫圖生成程序”），極大地提高了軟件項目的生產(chǎn)率。而我們只得借助Borland ModuelMaker、Microsoft Visio、IBM Rose這樣的工具來協(xié)助完成UML模型設(shè)計；依靠大腦來完成轉(zhuǎn)換代碼框架的工作，其中還得轉(zhuǎn)換PLC程序設(shè)計工具不支持的那部分特性，所以要求設(shè)計人員對UML語言和建模工具比較熟悉。

開發(fā)前必須有成熟的、較全面的需求分析和設(shè)計目標(biāo)。那種邊開發(fā)邊加入新的需求會使系統(tǒng)難于控制，以至徹底不可控，使程序員喪失信心，系統(tǒng)健壯性難以得到保證。最終不得不降低開發(fā)目標(biāo)。

接口的設(shè)計是一個重點，一定要高度重視。修改接口不能避免，但是不能出現(xiàn)反復(fù)修改接口的情況，越到項目的后期修改接口的代價越高。

目前的主要困難是所有的PLC廠商提供的開發(fā)工具都不支持OOP開發(fā)。也許將來會提供，但是這有待于市場的需求和居于領(lǐng)導(dǎo)地位廠商的決策，以及工控技術(shù)潮流的影響。

推廣意義：

本論文闡述的解決方案，適于在控制類型少，同樣控制類型的數(shù)量又較多的控制系統(tǒng)。使用該方案可以得到非常好的開發(fā)效果，實現(xiàn)較高的開發(fā)目標(biāo)。

即使項目的控制類型多，同樣控制類型的數(shù)量少的情況下，如果正確的使用此方案分析開發(fā)，利用分層設(shè)計一定可以得到一個高度內(nèi)聚的、易于維護的系統(tǒng)。

小的控制系統(tǒng)應(yīng)用此方案是不值當(dāng)?shù)?，原因就是它的“設(shè)計”成分所占太多（“建狗窩和大廈，是要求不同程度的設(shè)計；一個優(yōu)秀的項目，要有合理程度的設(shè)計”）。

從程序設(shè)計師的視角來說，它的最大優(yōu)勢就是：程序設(shè)計師在設(shè)計復(fù)雜系統(tǒng)的時候，增強了他們對自己“產(chǎn)品”的信心。

2008年9月17日于宣鋼煉鐵廠原料場

參考資料：

[1]、《ABB開發(fā)手冊》ABB公司

[2]、《面向?qū)ο蟮姆椒ㄔ砼c實踐》Ian Graham著袁兆山等譯機械工業(yè)出版社2003年3月第一版