控制系统的模块化设计
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作者: 曲跃峰
摘要：本文结合包边机控制系统设计过程，介绍采用模块化设计的方法，来完成控制系统设计。
关键词：PLC；设计方法；控制系统；模块化设计；标准化
上汽通用五菱汽车股份有限公司一直遵循着的精益生产理念，模块化、标准化作业就是其中最重要的思想，本文介绍的控制系统模块设计也是借鉴了这一思想。
这里的模块化设计是指，根据控制系统要求的功能，工艺等几个“输入”，把控制系统分成几个大的功能模块，接着再分成的模块进一步分成更小的功能模块，直至无法再分为止。整个系统就是由好多个标准的模块堆积而成的“积木”，与我们的汽车生产类似，每个模块单独设计开发，每个模块之间都有固定接口，最后统一集成，实现DCS（分散集中控制）化设计。
这里我以包边机控制系统开发为例说明，包边机的控制系统采用AB PLC+PROFACE触摸屏，利用现场总线实现远程控制。
通过分析包边机生产工艺和控制要求，我们制定了控制方案，再按照模块化设计方法把该控制系统设计分成电气原理图设计，PLC程序设计，监控、触摸屏设计几个独立的部分来设计，接着确定好每个部分之间的固定“接口”。例如确定PLC程序与电气原理图之间的基本I/O规划，确定PLC与触摸屏之间通讯数据规划。
一、电气原理图设计的标准化，模块化设计。
根据上面的规划方案，我们再把把图纸设计分成几个图纸块来组成。设计时分别每个模块都采用固定标准单独设计。 如下表，
就线路图来说，其又分成以下几个模块，
主电路部分，主要是用于电机，变压器等动力线路的标准设计
控制电源分配，主要是PLC 电源，其他I/O电源等分配和设计
安全回路，主要有主安全系统和拼台安全系统。主安全系统其主要是由急停，门开关组成。硬件系统和软件系统双回路。硬件回路双回路，安全级别最高，其保护时，动力电源切断，PLC输出电源切断。保证本系统所有动作都停止。拼台安全系统，其同主安全系统类似，只是其作用范围只在所在拼台上。
控制输出部分，主要有接触器，电磁阀等控制元器件的控制
I/O线路，主要是由按钮，安全，保护信号，输出信号等组成
二、PLC程序的标准化，模块化设计。
设计时我们首先是进行中间变量分配，规划，根据程序模块或者功能的不同，分别分配给程序模块或者功能模块固定变量地址。确定哪些变量和地址分配给报警信息，哪些分配给具体动作，哪些分配各安全程序，给触摸屏程序等；接下来再把报警信息地址变量细分到哪个拼台等等，接着根据标准的程序结构或动作例程结构结合分配的地址完成该模块程序的设计。
参照包边机控制系统来说，我们把PLC程序分成几个部分，控制器诊断子程序，功能单元模块子程序（包含安全、模式等），拼台动作子程序，HMI子程序，再把每个子程序再分为几个例程，以下就是一个拼台动作子程序的例程。其中A 为主程序，B为现场实际I/O和触摸屏变量与程序标签映射，实现PLC程序与电气原理图、触摸屏程序的链接。M为模式，S 为动作，V为输送，zZ 为用于触摸屏程序通讯连接等标准的程序
每个类型的例程中都会有固定结构。例如以S开头的例程，每个例程的结构都是相同，都会是第一段是动作完成Comp，第二段就是动作实现的基本条件Clear等等，这样可以使程序有很强的可复制性。
如果我们设计一拼台夹具动作例程，首先我们建立一个结构体，这个结构体包含动作完成Comp，动作实现的基本条件Clear，动作自动条件Auto，安全能量输出outpower, 动作命令cmd，动作输出out, 动作流程Pro，动作报警flt，动作按钮PB 等例程中所涉及到的所有变量。
每个动作都可以按照这一结构建立标签，这样我们设计动作具体程序时，我这要编制一个基本例序，把它作为标准程序，通过复制和替换的方法完成与这一标准程序相类似的所有程序的设计，接下来根据时序，工艺等做看、类似修改设备参数的修更改动作的具体基本条件即可完成程序设计，这样设计的程序结构相同，动作可靠性高。
以上是针对AB 5000 PLC说明的，其他PLC也可以作类似的规划，如在OMRON的PLC中我们也可以给每个动作分一个16位的字，把字中每一位分别定义为动作完成触摸屏程序，动作实现的基本条件，动作自动条件，安全能量输出, 动作命令，动作输出, 动作流程，动作报警，动作按钮，设计时也可实现以上标准程序的模块化设计。
三、监控程序的标准化，模块化设计。
触摸屏设计的方法与PLC 程序设计基本类似，我们预先设计了触摸屏标准屏，其主要有一下几个基本屏组成，系统安全屏，拼台动作列表屏，报警屏，拼台状态概况屏，网络概况屏组成。我们在设计每个屏的时候，设置每个屏变量的固定变量范围，设计时根据实际需要来增减屏数量和每屏显示内容，但其结构部分保持不变，
关于模块化设计的主要思想就是就是利用功能标准模块来堆积完成一个完整的控制系统，达到降低控制系统复杂度，使控制系统设计、调试和维护等操作简单化的目的。
参考资料
1.上汽通用五菱GMS手册
2.通用CCRW标准
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