基于面向對象的工控DCS系統(tǒng)編程教學方法探究

姚海軍

（西安航空職業(yè)技術學院 計算機工程系，陜西 西安 710089）

計算機的發(fā)展從1946年的ENIAC到目前已經(jīng)歷了4代，是一個從電子管到大規(guī)模集成電路、從機器語言到高級語言、從面向過程到面向對象、從僅用于科學計算到多媒體信息技術、從純粹的機器到人工智能的發(fā)展過程，已經(jīng)在通信、金融、交通運輸、信息管理，乃至包括航天航空、工業(yè)控制等在內(nèi)的各個行業(yè)上得到了普遍地應用。

隨著科學技術的發(fā)展，計算機在工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛，目前可編程邏輯控制器（Programming Logical Controller，PLC）/分布式控制系統(tǒng)（Distributing Control System，DCS）已成為工業(yè)控制自動化中兩大主流控制系統(tǒng)，而且集成度越來越高，尤以后者更為突出。面向對象的編程思想和方法已滲透到系統(tǒng)設計與編程之中，通過通信協(xié)議將工程數(shù)據(jù)庫與操作界面的控制信息有機地結合起來，通過工控軟件內(nèi)嵌的迷你（MINI）腳本[1]，實現(xiàn)了對系統(tǒng)設備的實時監(jiān)控、對控制信息的采集和處理。PLC/DCS的使用，對企業(yè)人力資源的充分利用、員工工作環(huán)境的改善、提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，對于事故分析、故障處理、為管理者的生產(chǎn)決策提供了量化的依據(jù)都有著極大的意義。

作者有多年從事工業(yè)控制自動化PLC/DCS控制系統(tǒng)組態(tài)、編程、管理和維護經(jīng)驗，對工控軟件比較熟悉；目前又在高職院校從事計算機技術的教學工作，在教學過程中，尤其是像在Java，VB，C#等面向對象的程序設計語言教學中，總有似曾相識的感覺，那就是工控軟件中的面向對象的特點。事實上，工控軟件編程中的面向對象對于學生才具有真正意義，它是把理論用于實踐的具體表現(xiàn)，是把計算機技術轉化成企業(yè)生產(chǎn)力。因此把企業(yè)中工控軟件的編程思想和方法作為實例運用到面向對象程序設計語言的教學當中，讓學生更容易理解和接受，而在教學工控軟件的編程時，將面向對象的理論滲透進去，讓學生在理論上有所收獲和提升，為他們的后天發(fā)展提供幫助，這也是工學結合在高職教學活動中具體實踐的體現(xiàn)。

1 面向對象程序設計的特點

面向對象語言[2]是指以對象為基本的編程單元，其下包含屬性和方法。與傳統(tǒng)的面向過程語言不同，面向對象語言的重要特點之一就是引入了類的概念。類就是現(xiàn)實生活中具有共同特性的事物（對象）的抽象。面向對象具有封裝性、繼承性和多態(tài)性的特點。封裝性是指類封裝了對象的屬性和方法，封裝可以隱藏實現(xiàn)的細節(jié)，使得編程代碼模塊化，實現(xiàn)了代碼的可復用性。繼承性，指可以從一個類（稱之為父類或超類）擴展成一個新類（子類或派生類），子類可以繼承父類的屬性和方法，而且可以發(fā)展自己新的屬性和方法，通過繼承可以更有效地組織程序結構，明確類間的關系，充分利用已有的類來完成更復雜、更深入的開發(fā)。采用繼承的方式來組織設計系統(tǒng)中的類，可以提高程序的抽象程度，使其更接近人的思維方式，使程序結構更清晰并降低編碼和維護的工作量。多態(tài)性就是類中行為的多種表現(xiàn)形式，具體來說，可以用“一個對外接口，多個內(nèi)在實現(xiàn)方法”表示。在運行時根據(jù)傳遞的不同的對象引用，來調(diào)用相應的處理方法。

類是對象的抽象，對象是類的具體化，是實例。有了類的概念，有了面向對象的編程思想，特別是面 向對象所具有的封裝性、繼承性和多態(tài)性等特性，可以在編程中大大減少編碼的重復工作，提高編程效率，同時也提高了程序的可讀性和可移植性。在工控中的應用更能體現(xiàn)這個優(yōu)越性。

2 OOP在工控軟件編程中的應用

在企業(yè)中，傳統(tǒng)的控制方式是繼電接觸式控制方式[3-4]，在控制設計方面主要靠工程技術人員的經(jīng)驗來完成設計任務，一旦工藝過程發(fā)生變化，原理圖發(fā)生更改，接線也要修改，工作量大且控制可靠性差。而現(xiàn)代的PLC/DCS控制系統(tǒng)中，可以通過梯形圖邏輯[5]（Ladder Logic）的編程方法，借助圖形化的操作界面GOS（Graphics Operating Station，圖形操作站）的設計來實現(xiàn)對所有設備（包括模擬量、開關量及通訊參數(shù)）的實時監(jiān)控，即便是工藝過程發(fā)生了變化，控制功能改變了，也不需要改變I/O端子和現(xiàn)場設備的接線關系，只需要修改其梯形圖程序就可以了，而且對于設備間的聯(lián)鎖關系、時間控制（如啟動延時，只需要在啟動回路中加入一個時間功能塊，取代了傳統(tǒng)的連接時間繼電器的方式）等問題無需硬接線，只需要在梯形圖邏輯中加入相應的功能塊就可以了。這樣，不但減少了員工的工作強度，更重要的是減少了系統(tǒng)的故障率，有利于系統(tǒng)維護和質(zhì)量監(jiān)控。

以電機的控制為例，無論是哪種電機，都具有通信、備妥、運行、停車、故障等狀態(tài)和啟動、停車等行為，因此可以把它抽象為一個電機類（基類）。而高壓電機、直流電機、伺服電機等，雖然也是電機，但在狀態(tài)和行為上又各有不同，因此可以從該電機類派生（繼承）。而不同類型電機（直流電機、交流電機等）的啟動、停車方法，也就表現(xiàn)為電機啟動、停車方法的多態(tài)。

圖1是PLC程序設計中采集電機狀態(tài)的通用邏輯。把電機的狀態(tài)值保存在16位保持寄存器4XXXX中，在該寄存器中，以不同的位（對應于不同繼電器的通斷或組合）來表示不同的狀態(tài)。當取得某種狀態(tài)時，使用圖中的MBIT位修改功能塊[5]，將相應的位置1，使得保持寄存器取得相應的值。這樣寄存器的不同值就對應電機的不同狀態(tài)。

圖1 電機狀態(tài)的PLC通用網(wǎng)絡Fig.1 PLC universal network of motor status

圖2是一個普通交流電機控制的PLC通用邏輯。在這個控制邏輯中，當（組）啟動命令發(fā)布以后，在滿足啟動方式、設備聯(lián)鎖、工藝聯(lián)鎖、啟動延時、停車延時等一系列要素之后，電機啟動并運行；而交流電機的停車是通過斷開啟動線圈來實現(xiàn)的。

圖2 交流電機PLC控制的通用梯形圖邏輯Fig.2 Universal ladder diagram logic in AC motor controlling

而在工作站上，一般用一個實心圓表示電機（也可以用自己喜歡的圖形符號，被稱為Symbol[5]或Shape[6]），用圖形的不同顏色表示電機的不同狀態(tài)。在使用Honeywell公司的PlantScape（PS）[6]控制軟件包中的 ControlBuilder設計操作站界面時，做出一系列代表不同狀態(tài)的Shape（彩色實心圓），利用它提供的ShapeLink工具，把這些Shape封裝在一起，形成了PS中的電機類，如圖3所示。

圖3 PS中電機類的制作過程Fig.3 Creating procedure of motor class in PlantScape software

在控制界面設計上，有一個重要的工作就是“貼標簽”，“貼標簽”則是類的實例化過程，它把生產(chǎn)線上實際使用的該類電機命名，命名是以工程數(shù)據(jù)庫為依據(jù)，在運行時通過ODBC技術，將界面上的設備與工程數(shù)據(jù)庫相連接（設備與狀態(tài)保持寄存器一一對應），PLC程序獲得電機狀態(tài)寄存器的值，這個值就是圖1所產(chǎn)生的電機的狀態(tài)值，進而改變了操作站上電機的顏色，從而實現(xiàn)對電機實時的動態(tài)的監(jiān)控。

對于直流電機，啟動和停車多使用脈沖信號并分開進行。由于脈沖信號無法使線圈自保，所以利用計時器功能塊[5]的工作特點，并使用一個內(nèi)部線圈來啟動電機并實現(xiàn)啟動自保，以保證電機的持續(xù)運行（如圖4所示）。

相對于啟動回路，停車回路就要簡單得多，它只需要通過緩停車命令給停車線圈發(fā)一個脈沖信號，使停車繼電器吸合即可（如圖5所示）。這也就是對電機控制方法的修改，即面向對象的多態(tài)。

圖4 直流電機PLC控制啟動回路的通用梯形圖邏輯Fig.4 Universal ladder diagram logic in DC motor start controlling

圖5 直流電機PLC控制停車回路的通用梯形圖邏輯Fig.5 Universal ladder diagram logic in DC motor stop controlling

其他的電機，如伺服電機、變頻調(diào)速電機，多驅動的電機，使用軟啟動的電機、間歇運轉的電機等，就是該電機類的派生類，其啟動、停車等操作同樣也是電機類用啟動停車方法多態(tài)性的表現(xiàn)。

3 電機控制的計算機語言模擬實現(xiàn)

在面向對象程序設計的教學中，設計類似的項目教學，模擬實際的工況和控制過程，可以達到理論與生產(chǎn)實際相結合、教學與就業(yè)相結合的目的。在模擬實驗時，建立數(shù)據(jù)庫取代工程數(shù)據(jù)庫，并對控件的事件編寫相應的代碼。下面就是用VB語言編寫顯示電機狀態(tài)的例子，代碼如下（假設電機類的圖形符號名稱是Motor，狀態(tài)寄存器為整型數(shù)據(jù)Motor_Status，要想實現(xiàn)定時刷新，只要添加Timer控件定時觸發(fā)即可）：

對于16位的狀態(tài)寄存器，它可以存放216種狀態(tài)。在實際使用中，只用了為數(shù)很少幾種情況（如例中的幾種case），而且有些值，如136或137，無備妥故障運行狀態(tài)或有備妥故障運行狀態(tài)，看似不可能而實際是存在的，可以通過這個狀態(tài)值分析出設備目前已經(jīng)脫離了集中控制。

學生還可利用Java，C++，C#等其他面向對象的編程語言，來完成這個設計。這樣，學生一方面可以學習、理解面向對象的編程思想在實際工程中的應用；另一方面，在教學中，學生可以感受計算機語言的應用領域的廣泛，化抽象為具體，提高學習的興趣，為用而學，學以致用。與實際不同的是，工程中使用的是實時動態(tài)采集來的數(shù)據(jù)，而且工況要復雜得多。

4 結束語

教學過程中，通過設計并實施這些項目，在工廠電氣控制技術課程的PLC教學中，配合實驗和實訓，可讓學生感受到真實的工況環(huán)境，把所學的PLC技術為生產(chǎn)服務，使課堂與生產(chǎn)實際親密結合，加深對控制技術的理解，真正實現(xiàn)電氣控制自動化，并為學生最終實現(xiàn)無縫就業(yè)提供幫助。工控軟件很多，比如Heuristics Inc的 ONSPEC32，Bailey公司的INFI-90，Honeywell公司的 PlantScape，Simens的 Step 7 等控制軟件包中，都蘊含有面向對象的思想，也都有其具體的實現(xiàn)方法。計算機軟件專業(yè)的學生，通過類似的項目，可以理解所學知識的應用價值，拓寬就業(yè)渠道。因此將面向對象編程思想與工業(yè)控制自動化結合起來，有利于學生知識的拓展、可持續(xù)發(fā)展，更可為社會培養(yǎng)出更多更好的復合型技術人才。

“Leaning For Work，Learning In Work”，這應該是老師和學生都應該重視的問題，切實做到工與學的結合，培養(yǎng)出高素質(zhì)的應用型人才。

[1]Fangmark I，Van Bavel B，Marklund S，et al.Influence of combustion parameters on the formation of polychlorinated dibenzo p dioxins，dibenzofurans，benzenes，biphenyls and polyaromatic hydrocarbons in a pilot incinerator[J].Environ.Sci.Tech-nol，1993（27）：1602-1610.

[2]劉世峰.Visual Basic程序設計[M].北京：中國廣播電視大學出版社，2006.

[3]邵鵬鳴.Visual C#程序設計基礎教程[M].北京：清華大學出版社，2006.

[4]張運波.工廠電氣控制技術[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]Honeywell.Plant scape control manual[M].USA：Honeywell Industry Colleage，2004.

[6]Schneider公司.Modicon concept 2.5編程軟件使用手冊[Z].Schneider公司，2000.