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运用软件工程原理指导ＰＬＣ控制系统的设计开发
作者：张 梅
关键词：软件工程；生命周期法；PLC控制系统
《可编程控制器及其应用》是中等职业学校机电类专业一门重要的专业课，其实践性和理论性都很强。PLC（Programmable Logic Controller，可编程控制器）的设计开发既是教学的难点又是教学重点。在教学过程中，有意识地运用软件工程原理指导PLC控制系统的设计开发，可以使复杂的问题得到简化，保证系统的正确性、适用性、可维护性，同时使学生的课程设计能力得到提高。
软件工程的基本原理
软件工程有七条基本原理：（1）用分阶段的生命周期计划严格管理。（2）坚持进行阶段评审。（3）实行严格的产品控制。（4）采用现代程序设计技术。（5）结果应能清楚地审查。（6）开发小组的人员应该少而精。（7）承认不断改进软件工程实践的必要性。
这七条原理是互相独立的，其中任意六条原理的组合都不能代替另一条原理。因此，它们是缺一不可的最小集合，而这七条原理又是相当完备的。几十年来的软件开发实践证明，它们是系统开发成功的技术和方法。在软件开发与维护的实践过程中，体现软件工程基本原理的传统途径是生命周期方法学。软件工程采用的生命周期方法就是从时间角度对软件开发和维护的复杂问题进行分解，把软件生命的漫长周期依次划分为若干个阶段，每个阶段有相对独立的任务，而且比较简单，然后逐步完成每个阶段的任务。软件生命周期由软件定义、软件开发和软件维护三个时期组成。软件定义包括问题分析、可行性研究、需求分析；开发时期包括总体设计、详细设计、编码和测试；维护时期的任务是使软件持久地满足使用要求。
PLC控制系统开发设计的生命周期法
PLC控制系统是一种为适应工业控制环境而设计的专用计算机系统。PLC控制系统的设计包括硬件设计和软件设计。其中最重要的是软件设计，因此学生在进行PLC控制系统设计时，往往是一开始就编写梯形图程序。对于比较复杂的系统，这样可能会使设计无法进行下去，而且会带来诸多问题，而用软件工程的原理来指导PLC的开发设计，能使问题简化，学生便于理解。因此，用软件工程的基本原理指导PLC控制系统的设计具有重要的意义。
运用软件工程的生命周期法开发设计PLC控制系统
按照软件工程的生命周期法，相应的PLC控制系统的开发设计可分为PLC控制系统的分析、设计和维护。PLC控制系统生命周期每个阶段的基本任务如下：
（一）PLC控制系统的分析
了解被控制系统这一步是系统设计的基础。首先应通过咨询工艺、机械方面的技术人员、操作人员、维修人员和对设备资料进行仔细研究，详细了解被控制对象的全部功能和它对控制系统的要求。例如，机械的动作；机械、液压、气动、仪表、电气系统之间的关系；系统是否需要设置多种工作方式（如自动、半自动、手动等）；PLC与系统中其他智能装置之间的关系，是否需要通讯联网功能；是否需要报警；电源停电及紧急情况的处理等等。在这一阶段应确定哪些信号需要输入给PLC，哪些负载由PLC驱动。最好分类统计各输入量和输出量的性质，是开关量还是模拟量，是直流量还是交流量，以及电压的大小、等级。
确定硬件配置根据被控对象对控制系统的要求，以及PLC的输入量、输出量的类型和点数，确定出PLC的型号和硬件配置。对于单元式PLC应确定基本单元和扩展单元的型号。对于模块式PLC，应确定框架的型号及所需模块的型号和数量。
（二）PLC控制系统的设计
设计外部接线图分配好与各输入量和输出量对应的元件后，设计出PLC的外部接线图、其他部分的电路原理图、接线图和安装所需图纸。
设计梯形图程序较简单的系统的梯形图可以用经验设计法和逻辑代数设计法。对于比较复杂的系统，一般采用流程图设计方法。首先将控制系统的工作过程划分为若干个工步，工步是根据PLC输出量的状态划分的。只要系统的输出量的通/断状态发生了变化，系统就从原来的工步进入了新的工步。在各工步内，各输出量的状态应保持不变。然后确定相邻工步之间的转换条件，转换条件使系统从当前工步进入下一工步。最后画出状态流程图，完整地描述控制系统的工作过程，然后根据状态流程图，就可以进行梯形图设计。
模拟调试将设计好的程序写入PLC后，首先逐条检查程序，并改正写入时出现的错误。用户程序一般先在实验室模拟调试。实际的输入信号可以用开关和按钮来模拟各输出量的通/断状态，用发光二极管来显示，一般不用接PLC实际的负载(如接触器、电磁阀等)。实际的反馈信号（如限位开关的接通）可以根据状态流程图，在适当的时候用开关或按钮来模拟。对于顺序控制程序，调试程序的主要任务是检查程序的运行是否符合状态流程图的规定。在某一转换条件实现时是否发生工步活动状态的正确变化，即该转换的所有前级工步是否变为不活动的，所有的后续工步是否变为活动的，以及各工步被驱动的负载是否接通。在调试时应充分考虑各种可能的情况，系统的各种不同的工作方式，有选择序列的状态流程图中的每条支路，各种可能的进展路线，都应逐一检查，不能遗漏。发现问题后及时修改梯形图和PLC程序，直到在各种可能的情况下输入量和输出量之间的关系完全符合要求。
现场调试在实际教学中，实现这一步比较困难，但是，应该告诉学生，完成以上工作后，将PLC安装到控制现场，进行联机总调试，并及时解决调试时发现的软件和硬件方面的问题。系统交付使用后，应根据最终的调试结果，整理出完整的技术文件，如硬件接线图、状态流程图、带注释的梯形图以及必要的文字说明。
（三）PLC控制系统的维护
日常维护由于PLC的可靠性很高，维护工作量很小。出现故障时通过PLC上的发光二极管和编程器即可迅速查明故障原因。
功能维护当控制系统的输入条件改变时或功能有新的要求时应及时改进。这种情况实际上是一次压缩和简化了的分析和开发设计过程。
（本文责任编辑：张维佳）