工业软件控制系统单元化结构设计应用探讨

在信息化社会的今天，实现工厂信息化已经很普遍，但工厂的信息化必须基于生产过程的自动化，基础自动化系统的设计仍然非常重要。在一个工业过程中，工艺流程、设备功能已经确定的情况下，如何规划制定软件控制系统实现方案是决定这个控制系统优劣的关键，特别是在没有可直接参考案例的情况下，可能决定了方案是否成败。

一个复杂的生产流程有众多的设备参与，每个设备又可能有多个不同的功能，在进行基础自动化系统架构时，要考虑的有如下三个方面：一是实现设备的功能，二是人机交互能力，三是为实现信息化所需的基础数据库。对不同的生产线和企业，后两项要求不尽相同，但第一项都是必须的。对于一个复杂的生产流程，有顺序控制和模拟控制，顺序控制保证生产过程的完成，模拟控制一般是为了保证质量指标。模拟控制除简单的分段控制外，其它如PID控制以及高级的模糊控制等，不宜以简单的控制单元来划分。本文针对第一项内容，如何将一个复杂的顺序控制系统分解为多个简单的控制单元进行探讨。

1 系统结构的选择

 一个复杂的控制系统通常按模块化组织程序。笔者通过多年的实践摸索，在划分大的模块结构基础上，每个模块再细分为控制单元，为控制单元配置控制字，控制单元按控制字独立运行。每个控制对象配置状态字，控制单元加载、加工、释放被控对象并刷新状态字信息，作为控制单元间数据接口的载体。控制字及状态字在系统结构设计阶段统一规划，参与开发的人员按统一的设计要求开发各个控制单元，读写控制字和状态字，使程序设计易于多人合作开发，后期整合。由于每个控制单元和控制对象都有明确单一的状态信息，使得功能模拟调试、系统测试变得简单方便。

 2 控制单元划分的原则

划分系统的控制单元，首先一个主控单元是必须的，需要从结构上保证整个系统完整，其次就是规划每个具有特定功能的控制单元，一般按如下原则划分:

（1）每个控制单元具有独立的功能；

（2）功能动作必须连续完成。动作之间不允许停顿等待，如停顿就会造成设备工作的中断或故障；如果设备和被控对象允许动作之间等待，就应再细分控制单元；

（3）功能动作没有分支。如果有分支，且分支与之前的动作间不允许停顿，则分支动作连同之前的动作划分在一个控制单元中。如机械臂，有三个动作，直行、左转、右转，如果允许直行过程中或完成后判断左转或右转，则左转右转划分为单独控制单元，如在直行前必须明确左转或右转，则分为直行左转、直行右转两个控制单元；

（4）外部运行限制条件明确，简单；

（5）运行结果确定，可识别。为使控制系统完整，一般还需要一些辅助单元，如报警、故障处理等。

3 控制字、状态字的设计

控制字相对于控制单元，控制单元的控制字包括如下标识：加载新控制对象，单元控制功能启动，单元内部每个独立动作的开始、过程中、完成，全部功能的完成，控制对象的释放、控制单元的故障状态等。控制字的启动标识由前序控制单元的完成标识刷新。

 状态字相对于控制对象，控制对象状态字中包含如下信息:本身的编码，需要进行的加工程序，已经完成了哪些加工程序，正在进行哪些加工程序，哪些加工程序没有进行，在全部生产过程中的位置。如果控制对象在某个环节允许重复加工直至合格或剔除，则还应含有再加工或排出加工序列的信息。控制字、状态字尽可能使用二进制字或字节，更有利于监控和程序运算 。

除了控制字、状态字，各个控制单元的工况信息、控制对象的质量指标信息等也应进行检测记录，作为质量检测的标准，为顺序控制的进行提供必要的限制。

4 控制系统的组织

整个控制系统的组织运行靠主控单元协调和控制字状态字信息的传递。

作为一个生产控制流程，不断的有生产对象被加工完成输出，同时不断有新对象进入流程。当一个对象进入流程等待队列时，就开始赋予状态标识，等待加工。

流程中控制单元的运行顺序有两种基本的方式，一是串行控制，一是并行控制。串行控制就是相关控制单元施加于控制对象的动作功能按预定顺序完成，前后相关。并行控制是具有相同功能的控制单元同时工作，对几个控制对象同时动作。这两种控制方式的选择，取决于设备功能，看设备是否可以对几个对象同时加工，或几个同样功能的设备同时工作。

串行控制的各个单元，接收上一个单元发来的启动标志，启动本单元功能，对控制对象进行加工，加工过程中刷新自己的控制字，自我调控单元功能完成。达到预期的控制结果时，将加工结果写入控制对象的状态字中，释放对控制对象，清空自己的控制字，准备接收下一个控制对象。