基于CODESYS平台的PLC程序标准化设计

李永明，张海

[摘    要]PLC技术发展迅速，高级编程语言在PLC中的应用也日益普遍，CODESYS 平台作为其中一款PLC编程软件，逐渐成为未来发展趋势，支持面向对象的编程特点，具备PLC程序标准化的软件基础。PLC程序标准化是自动化控制系统科学管理的发展方向，不仅可以提升程序的兼容性，容错性，优化资源，提高效率，而且可以推动技术创新和科技进步。基于CODESYS平台，阐述了PLC程序标准化的思路、框架和流程，并结合光伏自动化设备的案例进行解析。

[关键词]PLC技术;CODESYS;程序标准化

[中图分类号]TP242;TP333 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）02–00–03

Standardized Design of PLC Program Based on CoDeSys Platform

Li Yong-ming，Zhang Hai

[Abstract]With the rapid development of PLC technology， the application of high-level programming language in PLC is becoming more and more common. CoDeSys platform， as one of the PLC programming software， has gradually become the development trend in the future. It supports the characteristics of object-oriented programming and has the software foundation of PLC program standardization. PLC program standardization is the development direction of scientific management of automatic control system. It can not only improve program compatibility， fault tolerance， optimize resources and improve efficiency， but also promote technological innovation and scientific and technological progress. Based on CoDeSys platform， this paper expounds the idea， framework and process of PLC program standardization， and analyzes it combined with a case of photovoltaic automation equipment.

[Keywords]PLC technology; CODESYS; procedure standardization

CODESYS软件是一款基于先进的.NET架构和IEC61131-3国际编程标准的、面向工业4.0及物联网应用的软件开发平台。它可以实现一个完整的工业自动化解决方案，包括逻辑控制（PLC）、运动控制（Motion Control）及人机界面（HMI）、基于Web Service的网络可视化编程和远程监控、冗余控制（Redundancy）和安全控制（Safety）等，它具备面向对象的编程特点，具备标准化的软件架构和工程基础。未来，它将成为连接电子、工控和IT行业的重要纽带，将会极大地推动工控自动化领域的发展，为实现万物互联互通、智能制造夯实基础。

传统的自动化PLC程序设计中存在结构化不清晰、应用性差、灵活性和维护性差，开发效率低，经常出现同一任务的“并行工程”，导致工程效率低，维护难度大，智慧和知识无法得到有效的利用、保护与推广。PLC程序标准化是一种趋势，是自动化控制系统科学管理的发展方向，标准化设计不仅可以提升工作效率和技术竞争力，还将推动技术创新和科技进步。本文基于CODESYS平台，阐述了PLC程序标准化的思路、框架和流程，并结合光伏自动化设备的案例进行详细剖析。

1 标准化框架

标准化广义的概念是指在经济、技术、科学和管理等社会实践中，对重复性的事物和概念，通过制订、发布和实施标准达到统一，以获得最佳秩序和社会效益。针对具体的行業和领域，标准化也有其独特的含义和使用范畴。

在电气自动化PLC控制领域，程序标准化是指将一些常见的、通用的函数、功能和单元进行封装，并结合自动化设备的硬件条件和工艺要求，建立一套符合自身需求的程序架构，以提升自动化设备开发效率和质量（标准化的本质就是提高质量），降低服务和维护成本，将利益最大化。

PLC程序标准化的最终目标就是能够实现将一些功能模块按照一定的接口设计进行组织和联系，使其能够满足机器或者系统的各项运行需求和性能指标。

单元（Unit）相当于一条生产线的一种设备，它是由多个设备模块，通过一定的接口设计和逻辑控制，使得相互独立的设备模块之间具备某种联系，实现某种功能，进行某种活动的模块组合，它是程序标准化的顶层，是实现系统标准化的关键。

设备模块（Equipment Module，简称EM）是多个控制模块通过一定的逻辑关系组合构建的可以执行有限数量的某些较小的处理活动的功能模块，它是构成单元的重要元素，具有参数化、重复使用性、易修改性等特征。

控制模块（Control Modules，简称CM）是构成单元的最小单位，它处于程序标准化的底层，是具有标准化接口的驱动模块，也叫它底层功能块，例如电机操作功能块、伺服操作功能块、气缸操作功能块等，它是一旦测试确认就轻易不修改的高度独立化的底层标准软件，程序标准化的第一阶段就是要实现控制模块（底层功能块）的标准化，在此基础上实现单元的标准化。

控制模块、设备模块、单元三者层层递进，层级关系如图1所示。

以太阳能电池制绒工序为例，阐明单元、设备模块、控制模块之间的定义和关系以及程序标准化设计的框架，其简要构成图如图2所示。

2 标准化流程

程序标准化流程包括设备名称规范化定义、设备模块划分、接口定义、设备模块分解、标准化程序结构设计、设备模块测试、封装库管理及标准化文档，标准化流程图如图3所示。

以光伏自动化领域离线制绒导片机为例，进行标准化程序的开发流程的演示。离线制绒导片机机械俯视图如图4所示。

2.1 名称规范化定义

（1）骆驼命名法（camelCase）：除第一个单词外，其他单词首字母大写;中间没有其他连接符或空格;全局变量（globalTags）、块（FC、FB）形参（Input、Output、InOut、Static、Temp）、PLC 自定义数据类型（User-defined Data Type，简称UDT）都使用这种命名方法。

（2）帕斯卡命名法（PascalCase）：与骆驼命名法的区别是第一个单词首字母也要大写;全局变量、程序块（OB、FB、FC）、变量表、监控表、Trace、组合测量、工艺对象等的命名均采用此命名方法。

（3）对于一些特殊领域的专有名词，可以制定局部范围内的命名标准化，如部门范围，公司范围等，以保证局部范围内不同的自动化机器和系统命名的统一性，增加不同机器和系统程序的可读性、易读性。

2.2 设备模块划分

设备模块划分可以按照机械组件完成的特定机械功能进行划分，也可以根据工艺段中完成特定工艺功能进行划分。

设备模块的划分并不是任意为之，而是有一定的准则和限制。设备模块划分需要清晰地知道设备要实现的功能，需要预留的接口，要具备相对独立性，而且涉及的控制模块不能太多，否则会使得接口特别复杂。以上面制绒导片机为例，进行设备模块划分，如图5所示。

2.3 接口定义

接口定义是程序标准化设计非常重要的环节，用户程序以及各个模块之间的信号交换都是通过模块接口进行的，因此接口设计的好坏直接影响用户程序的运行稳定性，因此接口设计应尽可能完善，信号交互形成回路;接口设计也要尽可能“公开”定义，以便灵活调用模块。

接口定义一般有两种类型：①设备模块的自身对象属性、事件类别，如速度，运行状态，启动，停止，手自动等;②程序模块的逻辑属性、事件构造，如动作触发条件、动作停止条件等，它与其他的设备模块相关联。

2.4 设备模块分解

设备模块分解是指将上述划分的设备模块挨个进行分解，分解到最小器件，如传感器、电机、伺服、气缸等，以便利用底层功能块进行逻辑设计，完成功能单元的程序模块;另外，功能单元需要分解为输入设备和输出设备，并定义其功能，为下一步标准化程序构造做好准备。以其中一個设备模块——篮具升降模块进行分解，见表1。

2.5 标准化程序结构设计

标准化程序结构设计是程序标准化流程中最为关键的环节。程序结构设计要完善、条理。完善是指该控制模块的程序结构可以完全满足所有该机械条件下的逻辑、运动控制，即具有通用性（重复使用性）;条理是指程序结构流程清晰，接口明确，即具有扩展性（灵活使用性）。针对上述篮具升降模块，基于CODESYS平台所做的功能模块如图6所示。

2.6 设备模块测试

设备模块测试的目标就是确认该功能块（FB）是否满足既定功能，是否存在程序漏洞，通过实例测试各个输入输出功能，优化程序结构，修复程序漏洞，使其满足一定的性能指标，验证成功以后就可以库化，为封装库管理奠定基础。

2.7 封装库管理与标准化文档

封装库管理包括版本管理及知识产权保护;标准化文档记录包括名称定义规则、程序结构及功能标准化说明，封装库注释模板如图7所示：公司名称、库名称、使用限制（如输入输出类型等）、要求（硬件、选件等）、功能描述、作者、日期、版本。

3 结束语

针对传统自动化PLC程序设计中存在结构化不清晰、应用性差、灵活性和维护性差，开发效率低，智慧和知识无法得到有效的利用、保护与推广的问题，提出了PLC程序的标准化设计。基于CODESYS平台，阐述了PLC程序标准化的思路、框架和流程，并结合光伏自动化设备的案例进行解析。实践证明，PLC程序标准化设计不仅可以提升工作效率和技术竞争力，还能够推动技术创新和科技进步，未来PLC程序标准化设计将成为自动化控制系统科学管理的发展方向。

参考文献

[1] 魏小星，朱建国，张良华，等.基于CODESYS的面向对象PLC编程[J].工业控制计算机，2021（34）：12-15.

[2] 马立新. 开放式控制系统编程技术——基于IEC 61131-3国际标准[M].北京：人民邮电出版社，2015.