PLC编程教学中程序架构设计技巧

王春

【摘要】本文介绍了PLC编程教学中好的程序架构设计原则，详细阐述了构建三层次程序架构的方法步骤及优势。

【关键词】PLC  程序架构   三层级编程

PLC控制系统是由PLC作为控制器来构成的电气控制系统。PLC的控制系统设计就是设计根据控制对象控制要求的控制方案，包括硬件设计和软件设计。在软件设计中，初学者编程完成功能可能不难，但写出优质高效的程序并不容易，这里面PLC程序构架的设计至关重要。

一、设计原则

在编程的过程中，对于同一个被控对象，同一套控制逻辑，不同的人编写的程序虽然都实现了相同的功能，但是程序本身却并不一样。哪一个程序才是比较好的，怎样的架构才是比较优化的，对于程序优劣的评判，可以遵循以下几个原则。

1、保证安全。

安全永远是第一重要的。即使系统结构上有独立的安全机制，程序本身也必须保证人员、机器和环境的安全。

2、实现功能。

程序在保证安全的前提下，需要实现预期设计的功能。

3、较少的漏洞，无致命漏洞。

程序不仅需要在各部件都正常情况下完成相应的功能，同时当某些部件出现问题时，依然能够保证设备处于安全状态并产生相应报警。比如某个限位开关出现异常时，程序依然可以控制某个移动部件安全停车。否则，该移动部件冲出限位，造成电动机过流或其他事故，这都说明程序中存在漏洞。

4、易于修改、调试和升级。

任何一个控制系统的完成都是这样的流程：规划相应的功能，编程设计、调试并实现该功能，规划修改功能或添加新的功能，继续编程、调试，继续新一轮修改和规划，如此往复多次，最终才会完成。所以程序本身在设计上就需要易于修改、调试和升级。

5、易于阅读。

一方面，工程师所编写的程序应该易于读懂和上手。一个控制系统往往由一个团队完成，团队中每个人都能迅速读懂彼此的程序，才能让整个项目顺畅高效地运行；另一方面，程序中的信息便于检索和查找。比如程序中的某个接近开关的信号，可以方便地通过程序中的变量名、注释与图表与图纸与实际元件相对应。

二、设计建议。

1、系统的设计。

为了保证整个控制系统的安全性，控制系统应按照SiL3级标准设计，安全机制需与主程序相对独立。可以使用分布式安全模块和安全型PLC，并在相对独立的安全程序中使用标准程序块，同时保证所有执行器件的安全使能(如变频器的STF信号)被安全程序和安全模块直接控制。也可以在电气系统中使用经过SIL3 级认证的安全器件(如安全继电器等)，保证安全信号(如急停信号)直接与安全器件连接，同时保证安全器件直接控制所有执行器件的安全使能端。

2、程序的编辑。

程序只有通过合理的架构及各层面上优化的编程思路，才能保证功能的实现，同时少漏洞、易修改、易阅读。我们可以采用输入、状态、输出三层级的编程与分析方法。所谓三层级就是输入、状态、输出这三组变量，方法的精髓是在编程和分析程序的时候，始终将程序变量分为输入、状态、输出三组，其中永恒的关系是输入决定状态，状态决定输出。核心在于对状态的定义，然后勾连输入与状态的关系以及状态与输出的关系。

（1）构建控制程序。

构建控制程序大体分为以下三个步骤。第一步：先根据实际的控制要求和基本经验，定义几类状态变量，这几类状态变量的定义就决定了整个控制程序的结构。第二步：根据“输入决定状态”的原则，用输入量定义这些状态量。可以是直接定义的，也可以是间接定义的，总之是找到输入与状态之间的关系。第三步：根据“状态决定输出”的原则，用状态量决定输出量。经过这三步后，整个控制逻辑(程序)就很自然地编辑出来了。

步序控制是PLC程序中极常见的一类控制程序。编辑这类程序，如果方法不当可能会比较麻烦(尤其是步序复杂的时候)。通常对于步序控制，首先对控制步骤进行划分，针对每个步骤定义-类状态变量， 我们称为“步骤状态”。同时，根据各部分活动部件的位置定义一类状态变量， 我们称为“位置状态"。通过输入量决定了“系统状态”和“位置状态”，“系统状态”和“位置状态”决定了“步骤状态”，“步骤状态”决定了输出量。整个系统按照这个变量流推下来，可以分为四个层次，通常程序的层次就是指其在变量流的过程中(从输入输出)所经历的几类变量的传递关系。

（2）程序多层次的优势

1）便于使用惯用的方法编辑程序。

在编制其核心控制逻辑时，采用“系统状态”和“位置状态”决定“步骤状态”的层次结构，使得整个编程过程有章可循，给程序的设计、调试和修改带来方便。

2）使程序更加安全、可靠、极大地避免了出现与安全有关的漏洞。

在控制系统中，绝对的安全信号(急停、光栅、安全门等)由安全程序或其他独立的安全机构处理，但是有一些与安全相关的信号，其级别无须使用安全程序或安全机构处理，需要在控制程序中处理，并可能会参与一些控制逻辑。 如果程序有很好的层次划分，可以将这部分安全逻辑编辑在底层的程序块中。这样即使上层程序出现问题(例如发出了错误的运行信号)，底层的安全逻，辑依然可以直接对IO点进行控制，有效地屏蔽了上层的错误信息。

3）使程序的功能划分更加清晰合理，编程和调试时可以更加专注。

程序进行层次划分后，上层程序仅与控制逻辑有关，下层程序仅与安全逻辑有关。在编辑上层程序时，只需考虑控制逻辑忽略安全逻辑。而在编写底层程序时，只需专注于安全逻辑而无须考虑控制逻辑。

4）便于程序数据和变量的规范及整理。

程序层次化之后，可以方便地统计某个层次上的变量使用状况，便于整体或部分程序的移植和集成。

在编写实际控制程序时，根据控制对象的复杂程度可以多分一些层次， 以及多划分一些控制段落。只要保证安全相关的逻辑至少单独一层，并保证越与安全有关的控制越贴近底层为原则，同时在宏观(结构)和微观(控制逻辑)上保持“输入”、“状态”、“输出”三层级的架构，就更容易编写出高效而又严格的程序了。

参考文献：

[1] 张硕. TIA博途软件与S7-1200/1500 PLC应用详解 [M]. 电子工业出版社2017

[2] 刘长青. S7-1500 PLC项目设计与实践 [M]. 机械工业出版社2020