【正文】 基于標準化 數(shù)字處理信息的 PLC軟件 自動生成 摘要： 為滿足汽車產(chǎn)業(yè)中的諸多挑戰(zhàn)， 研究 新的集成的 生產(chǎn)規(guī)劃與 提速生產(chǎn) 過程 的 方法是必要的。因此 ,鑒于 汽車產(chǎn)業(yè)實體店需要的特殊關(guān)注，一個基于標準化數(shù)字處理信息的全自動 PLC 軟件生成的概念被引入了。 PLC軟件生成的基礎(chǔ)是一個數(shù)字 化 處理 規(guī)劃，它用圖形化的方法描述 生產(chǎn)步驟。由于這種 PLC軟件生成的特殊需求，引入了新 的進程元素及屬性 。所以 進程規(guī)劃 包含了 PLC程序所有逐步專業(yè)化的必要信息。本文還給出一 種規(guī)格 擴展 —— 帶有 特 殊資源 PLC功能模塊的數(shù)字處理信息 。 關(guān)鍵詞： PLC；軟件自動生成； 進程規(guī)劃； IEC 61131 – 3 ?1． 前言 由于主要市場劃分中競爭的日益激烈 ，汽車制造商忙于通過大量的產(chǎn)品來 增強 競爭力。相應(yīng)的，創(chuàng)新和模型的周期不斷減小。 激烈 的競爭狀況不可避免地導(dǎo)致在整 個生產(chǎn) 規(guī)劃 和提 速生產(chǎn) 過程的加度復(fù)雜化。另外，未來 生產(chǎn) 工程 項目成熟的機會也大大減小。 如今 ,生產(chǎn) 規(guī)劃階段的活動 (機械設(shè)計 ,電子設(shè)計 ,控制工程 ),幾乎都要按順序 完成，特別是 機械設(shè)計 沒有差不多 完成之前不進行控制工程的設(shè)計。除此之外 , 在機械設(shè)計和控制工程間存 在很大的差距 ， 尤其在使用不同的工作方法、工具、 使用 不同 的具體 部門 的 條款時這種現(xiàn)象格外明顯。 具體部門的差異不可避免的造成 信息的丟失，重復(fù)的手動輸入，額外的迭代循環(huán)以及對 PLC 項目高度 的時間壓力。 為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，新 的規(guī)劃 方法必須 鼓勵 同時工程。本文中介紹的全自動 PLC軟件生成的新方法便能夠為同時工程做出 重 大 貢獻。作為概述 ，該文以一個看待這個問題重要而有代表性的方法的簡單描述作為開始， 基于現(xiàn)存方法明確的優(yōu)點和弊病，給出了對于一個全自動 PLC 軟件生成的新的綜合方法的要求。 簡短的介紹了數(shù)字 化 工廠的概念之后， 介紹 了 能夠滿足前面 所提要求的新方法，包括了從數(shù)字化進程規(guī)劃到一個符合 IEC 61131 – 3 規(guī)則的 PLC 程序等幾個步驟。最后，給出了 這種 新方法 應(yīng)用 改進的商業(yè)軟件 工具 的應(yīng)用實例。 ?2．現(xiàn)有的全自動 PLC 軟件生成方法 在接下來的部分給出了 不同的 全自動 PLC 軟件生成 的 具有代表性的方法，此外，也指出了 具體 概念的優(yōu)點和不利之處。 ?2． 1． DFG項目 DisPa(分布式過程自動化 ) 在 DisPa 這個 研究項目 中采用了面向?qū)ο?的方法， 使得 可執(zhí)行 PLC 軟件代 碼的生成基于一個抽象的 、 神經(jīng)系統(tǒng)模型。該模型用 擴展 的統(tǒng)一建模語言 UML 生成，以適應(yīng)控制工程的特殊要求。由于采用了 UML，模型發(fā)展的模塊化和結(jié)構(gòu)化有了保障，而為了加速和透明工程流程又使用了標準的可復(fù)用的 軟件 組件。用一個含有 28 個傳感器和 19 個 致動器 的屏幕對象做比喻給出了基于 UML 的 PLC 軟件生成的概念，用一種 專用 的開發(fā)軟件把 UML 模型翻譯 成 符合 IEC 61131 – 3 標準的 PLC 軟件 代碼 ， 然后把這段代碼以結(jié)構(gòu)化文本（ ST）的形式送入 PLC 編程工具 CoDeSys。 ?2． 2．基于實驗室網(wǎng)絡(luò)的全自動 PLC 軟件生成 在文獻 [2],[3]中給出了 的一個 基于信號解釋說明網(wǎng) (SIPN)的 全自動 PLC 軟件生成的概念， 其基本思想 與基于 UML 方法的研究項目 DisPa 是相似的 。 模仿 標準的 描述語言 UML， SIPN 采用了一種面向過程 控制算法 的 透明的圖形 化的 描述 方法， 通過 專門 的 翻譯 軟件 ，可將 這些 SIPN 譯 成 可執(zhí)行的 IL 代碼（ IL：指令表）。 為 了加強原型的可用 性 ，生成了一種基于 項目的，把符合 PLC 開放標準的 SPIN 生成 IL 代碼的 程式 Mathematica。因此， SPIN 不僅是一種專用工具，也可以當(dāng)作獨立的 PLC 編程語言來使用。對比 IEC 611313 中所述的編程語言，采用 SPIN 的 一個重要 優(yōu)勢在于 SPIN的專用算法自動分析程序的透明度和正確性。 ?2． 3．有關(guān)于 Osmers 的基于虛擬現(xiàn)實軟件（ VR）的 PLC軟件生成 Osmers 的論文著目于在 VR 技術(shù)的幫助下 提高 PLC 的預(yù)測 。在規(guī)劃階段制造單元被分配到虛擬環(huán)境， PLC 編程在相同的模式下進行， 這是在一個圖形化、交互方式下完成的。全自動 PLC 代碼生成的基礎(chǔ)是電子元件 (傳感器，致動器 )。這些 對象 都化做三維圖像被嵌入到單元模型里。在下一步中通過與用戶預(yù)先互動（可視 化 程序），把這些獨立的對象邏輯連接到布爾操作器上 ， 借助于一個特別發(fā)達 的 IL 專有的編譯器，這些信息就從虛 擬現(xiàn)實工具轉(zhuǎn)變成了機器可識別的模式 ， 然后生成的 PLC 代碼被 下載到一個 PLC 編程工具。 Osmers 所 開發(fā)的這個軟件 的 專用 傳輸 的概念可以由虛擬現(xiàn)實工具 VRT(Superscape 有限公司 )以及 PLC 編程工具 STEP 7(西門子 )來實現(xiàn)。 ?2． 4． BMBF的項目 MODALE BMBF 項目 MODALE 關(guān)注的焦點在于公司范圍內(nèi)，參與在自動化生產(chǎn)單元規(guī)劃過程的各不同部門之間的數(shù)據(jù)交換。為此 ,開發(fā)了面向本體的相關(guān)模型 —— 嵌入在一種技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施中 —— 執(zhí)行中央數(shù)據(jù)撥號功能?；谶@些技術(shù)條件，數(shù)字規(guī)劃工具的數(shù)據(jù)在語義橋梁的 幫助下輸出和轉(zhuǎn)移到面向本體的相關(guān)模型上。此處數(shù)據(jù)發(fā)生轉(zhuǎn)換，生成的數(shù)據(jù)輸入到各自的目標應(yīng)用。因此可以做到在不同的 IT 工具之間交換數(shù)據(jù)規(guī)劃信息而不會丟失。 使用初等實例論證了 IT 基礎(chǔ)設(shè)施的原型轉(zhuǎn)換以及主要可操作性的驗證。一個實際場景著目于一個與 IEC 611313 相關(guān)的 PLC 序列運行功能表的自動生成。基本模型是一種用 PLC 專用信息 (例如轉(zhuǎn)換 )生成生產(chǎn)規(guī)劃與改善規(guī)劃的數(shù)字過程開發(fā)計劃。該模型使用一種特殊擴展的 RDF 出口 (RDF:資源描述框架 )，參考相關(guān)模型轉(zhuǎn)化并最終以 SFC 格式輸入到目標系統(tǒng)。數(shù)字過程開發(fā)計劃由 DELMIA 公司的數(shù)字過程規(guī)劃工具 DELMIA 過程工程師 (DPE)生成。使用 Open PCS 作為 PLC 編程工具，有公司的信息小組開發(fā)并分派。 ?2． 5．過程仿真調(diào)試的 PLC 軟件生成 相比于前面部分提到的方法 ,IT工具過程仿真模擬代表了 Teomatics 與西門子合作于 2020 年開發(fā)的一種商業(yè)軟件工具。 PLC 軟件自動化生成的基礎(chǔ)是一個數(shù)字三維單元模型和本單元的數(shù)字化進程描述。仿照 MODALE 項目延伸的方法，數(shù)字化進程描述隨控制技術(shù)信息增強，例如，輸入 /輸出信號。通過手動添加所需參數(shù)或?qū)①Y源 (夾、閥門、機器 人等 )與數(shù)字進程模型中相對應(yīng)的操作連接均可增強描述。通過這個增強的進程模型和一個西門子開發(fā)的軟件翻譯器即可生成一個 PLC 編程工具 STEP 7 的可執(zhí)行 PLC 程序。生成的程序包含了符號表中所有相關(guān)的輸入 /輸出信號以及一個描述在 S7 圖中的進程流的 SFC。 ?2． 6． 評估 在前面的段落中闡述了全自動 PLC 軟件生成的不同方法，這些方法基于不同的假設(shè)，方法和 IT 工具。考慮 一個 制造單元規(guī)劃過程中的 潛在用途 ，下面表 1 中比較給出了這些方法各自的優(yōu)點以及不利之處。 概念 DisPa（ UML） Petri Net（ SPIN） Osmers MODALE Process Simulate Commissioning 優(yōu)點 ?面向?qū)ο?，使用UML 建模 ?生成 ST 及 SFC代碼 ?規(guī)范而靈活的描述語言 ?對 PLC 模型可行性的自動驗證 ?支持相關(guān) PLC 開放標準的格式轉(zhuǎn)化 ?集成在規(guī)劃過程中 ?圖形（可視化） PLC 編程 ?集成在規(guī)劃過程中（使用已有的數(shù)字規(guī)劃信息） ?基于商業(yè)軟件（ DPE） ?生成 SFC 代碼 ?集成在規(guī)劃過程中（使用已有的數(shù)字規(guī)劃信息） ?基于商業(yè)軟件 ?生成 SFC 代碼 缺點 ?未集成在規(guī)劃過程中 ?額外開發(fā) UML模型 和軟件翻譯器 ?無 雙向 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力 ?未集成在規(guī)劃過程中 ?額外開發(fā) SPIN 有限的 PLC軟件生成 ?只生成 IL 代碼 ?未集成在規(guī)劃過程中 ?只生成 IL代碼 ?無 雙向 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力 ?只生成簡單而有限的序列功能表 ?基于非標準化的格式轉(zhuǎn)換（ RDF） ?重復(fù)工作時極大的手動量 ?只生成簡單而有限的序列功能表 ?沒有開放的系統(tǒng)接口，只能接到西門子 STEP 7 ?無 雙向 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力 表格 1． 現(xiàn)有的方法 比較不同的 方法很明顯理論上的方法都有良好的結(jié)構(gòu)，并可使用規(guī)范的描述 語言(UML,SIPN)可靈活基礎(chǔ)概念， 但是 ,因為上述缺點 (額外的模型、特定軟件翻譯器等 )實際使用 并不合適。 于是 由 實際的概念給出了一個反向的觀點， 這些方法基 于 的商業(yè) 的 IT 規(guī)劃 工具 ,但 與工具特定的不變性不相容，失去了開放的編程接口 ，這導(dǎo)致了簡化的和 功能有限的 PLC 程序 以及軟件程序的大量 手動返工 。至今為止，并沒有一個可行而經(jīng)濟的解決方案。 ?3． PLC 軟件生成的需求 根據(jù)先前的描述的不利之處 ， 一些要求 引導(dǎo)自動 PLC 軟件生成的 新 概念。這些要求不止是對方法也是對使用的 IT 工具，詳細來說，要求包括： ?沒有 (小 )額 外負擔(dān) 為了 經(jīng)濟 性 和 大眾 用戶接受 ，新方法在規(guī)劃過程中應(yīng)盡可能少的造成額外負擔(dān)。 ?利用現(xiàn)有的 規(guī)劃結(jié)果 為了避免重復(fù)的數(shù)據(jù)輸入以及在從一個規(guī)劃工具到另一個 規(guī)劃工具標準化 傳輸規(guī)劃結(jié)果時的信息丟失，工具和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化格式間的標準化接口是必要的。 ?隨過程變化進行功能升級 在改善 和生產(chǎn)過程 中，過程改變經(jīng)常是必要的，例如，新的產(chǎn)品變量的一體化。因此這些變化必須可以在運行生產(chǎn)進程中集成到 PLC 程序中去。 ?根據(jù) IEC 61131 – 3 生成 PLC 軟件 這個自動生成的 PLC代碼 必須符合所有的 IEC 611313的限制要求來 接到各種不同的商業(yè) PLC 編程工具上。 ?可維護的 PLC 程序代碼 必須以可讀易理解的格式來生成 PLC 代碼以便未來在軟件代碼上的更改，因此，圖形化 SFC 或 FBD（ FBD：功能框圖）比隱秘語言 IL 合適的多。 ?雙向數(shù)據(jù)交換 對于自動 PLC 軟件 生成的實用性，在規(guī)劃工具改善和生產(chǎn)過程中有必要進行 PLC程序的再移植變化。只有這樣，才能 保證數(shù)據(jù)的一致性。 ?4． 概念 在這一章里的新概念 ,給出了自動化 PLC 軟件生成的新概念，經(jīng)過對數(shù)字化工廠的目標和方法的簡短 的 描述，列出了基于數(shù)字規(guī)劃信息的 PLC 編程的步驟。 ?4． 1． 數(shù)字 化工廠 數(shù)字化 產(chǎn)品 和 數(shù)字化工廠 是加速整個產(chǎn)品制造過程的兩個主要概念， 而 數(shù)字化 產(chǎn)品是 一個 產(chǎn)品 完整的 機械處理能力 的 代表 ，使其在 開發(fā)階段 優(yōu)化 自身 性能 ， 數(shù)字化工廠代表了一套相 關(guān)聯(lián) 的產(chǎn)品、過程、資源模型 使得所有的制造過程得到控制并在時間和費用上最優(yōu)化。 數(shù)字 化 工廠 是： ?擴展的或類似的數(shù)字化產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)備 ?產(chǎn)品開發(fā)和 生產(chǎn) 之間的橋梁 ?真實的工廠 的數(shù)字代表 在 [10]中 數(shù)字化工廠被定義為“ 由一個無縫數(shù)據(jù)管理集成的整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字模型 ,方法和工具的 通用的術(shù)語 。 其目的是整體的規(guī)劃、評價和 不斷改進與產(chǎn)品密切互動中的現(xiàn)實工廠中 所 有相關(guān)結(jié)構(gòu)、過程和資源 ?！? ?4． 2．過程規(guī)劃以及在數(shù)字化進程規(guī)劃中的使用 各個單元的進程規(guī)劃伴隨著資源 規(guī)劃的 密切互動 發(fā)生 。 目前 ,每個 進程規(guī)劃 部門(例如， 生產(chǎn) 規(guī)劃 、機械設(shè)計、機器人 )使用自己在標準的列表項目或在其它辦公軟件生成的進程描述 語言 ， 所以 ,一個統(tǒng)一的、清晰、集成過程 描述 格式 并不 存在。 差錯導(dǎo)致的 誤解 —— 尤其是對于 后期 PLC 軟件生成 是 分別的 以及模棱兩可的過程 描述 的必然結(jié)果 。 為了彌補這個不足 ，一個 清晰 ,放之四海而皆準 應(yīng)用進程規(guī)劃產(chǎn)生了。 這種 集成過程 規(guī)劃在規(guī)劃過程中一步步修改。 最后 ， 它包含所有過程信息 從 生產(chǎn)計劃、機械設(shè)計、機器人和控制工程。 因此 ,這個數(shù)字 化進程規(guī)劃 是一個 把涉及的部門各自對進程設(shè)計的特殊貢獻做綜合的 簡單的工作 介質(zhì)。此外， 過程 規(guī)劃有 明確的和全面的文檔 介質(zhì)以及不同部門之間中央通訊平臺的功能。 綜上所述 ,圖 1 描述了 使用 集成的進程規(guī)劃 的最重要的目標。 圖 1．使用集成進程規(guī)劃的目標 集成的進程規(guī)劃以圖形的方式描述了串行和并行生產(chǎn)的 工藝流程 ，因此，參考IEC 61131 給出了相似的序列功能表，但是從集成的進程規(guī)劃中自動生成足夠的 PLC程序，還需要 額外的進程元素和屬性。 分別的，摸棱兩可的，不一致進程描述。 使用一種的明確的集成的進程