在 Arduino Opta PLC中的階梯邏輯（Ladder Logic）UDFB

用戶定義功能塊(UDFB)之于可編程邏輯控制器(PLC)就像功能之于微控制器一樣。兩者都是用于簡(jiǎn)化代碼的結(jié)構(gòu)，使其更容易編寫，故障排除和維護(hù)。它們也是允許代碼在將來(lái)被重用的基本結(jié)構(gòu)。

本文概述了在Arduino Opta 1中使用的簡(jiǎn)單UDFB的構(gòu)造。該UDFB采用Arduino PLC集成開發(fā)環(huán)境 1(IDE) 1.0.3.0版本開發(fā)。本文提出的廣義UDFB思想和程序適用于大多數(shù)PLCs。

什么是UDFB?

UDFB是一種類型的程序組織單元(POU)，用于組織IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)中描述的PLC代碼。從C編程的角度來(lái)看，UDFB就像一個(gè)具有多個(gè)輸入和輸出的函數(shù)，其中包括所有變量的static關(guān)鍵字。換句話說(shuō)，UDFB具有跨函數(shù)調(diào)用存在的內(nèi)存。

為了清楚起見，我們應(yīng)該提到另一種POU，簡(jiǎn)稱為“函數(shù)”。與UDFB不同，POU函數(shù)不具有靜態(tài)內(nèi)存的特性。另一種進(jìn)行比較的方法是使用數(shù)字邏輯語(yǔ)言，UDFB是一個(gè)順序電路，而函數(shù)是一個(gè)組合(無(wú)內(nèi)存)操作。

為了簡(jiǎn)單起見，我們有意將該函數(shù)與UDFB合并。從編程的角度來(lái)看，函數(shù)的操作可以由UDFB執(zhí)行，而不是反過(guò)來(lái)。如果可以構(gòu)造UDFB，那么構(gòu)造更簡(jiǎn)單的函數(shù)就沒(méi)有問(wèn)題了。

小貼士 :一名機(jī)械技師和一名電氣技師正在修理一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。工作進(jìn)行得不是特別順利，因?yàn)閮扇硕颊J(rèn)為問(wèn)題出在對(duì)方的技術(shù)人員的駕駛室里。UDFB也是如此。即使是構(gòu)造和文檔最好的UDFB 也會(huì)受到一定程度的懷疑，特別是在故障排除事件發(fā)生幾個(gè)小時(shí)后。構(gòu)造一個(gè)好的微控制器函數(shù)的相同規(guī)則適用于UDFB。讓它們簡(jiǎn)單，讓它們把一件事做得很好。不要太聰明。相反，要簡(jiǎn)潔明了。

如何構(gòu)建UDFB

最困難的任務(wù)之一是定義UDFB的行為。我們必須理解UDFB要執(zhí)行的輸入?yún)?shù)、輸出和任務(wù)。我們還必須了解頂層程序?qū)⑷绾螌?shí)例化(使用或調(diào)用)UDFB。在我看來(lái)，這是整個(gè)過(guò)程中最難的部分，因?yàn)榫帉慤DFB的機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單。

小貼士 :弗雷德·布魯克斯在他的經(jīng)典著作《 The Mythical Man-Month》中有一句老話。轉(zhuǎn)述一下，它說(shuō)我們需要計(jì)劃一個(gè)迭代的設(shè)計(jì)過(guò)程，“因此計(jì)劃扔掉一個(gè);無(wú)論如何，你都會(huì)這么做?！蔽蚁Ｍ皇悄菢拥?，但是我們經(jīng)常需要構(gòu)建并實(shí)例化UDFB作為學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的一部分。只有通過(guò)構(gòu)建第一個(gè)原型，我們才能了解它是如何運(yùn)作的，以及它對(duì)更大的軟件項(xiàng)目的影響。

作為示例，我們將構(gòu)建如圖1中突出顯示的UDFB。這個(gè)塊被用作狀態(tài)機(jī)的一部分。它的作用是充當(dāng)看門人。如果機(jī)器的uiState狀態(tài)變量等于1，并且啟用了該塊，則執(zhí)行該行的其余部分。從C編程的角度來(lái)看，這就像一個(gè)以u(píng)iState為索引的開關(guān)語(yǔ)句。請(qǐng)注意，前綴ui是匈牙利語(yǔ)的無(wú)符號(hào)整數(shù)表示法。

這種特殊的構(gòu)造導(dǎo)致了一個(gè)相對(duì)干凈的階梯邏輯。梯級(jí)3的英文描述是這樣的:

1. 如果UDFB FBuiEqual被啟用并且機(jī)器狀態(tài)(uiState)繼續(xù)

2. 另外，如果主開關(guān)是打開的

3. 同樣，如果瞬時(shí)選擇開關(guān)處于前進(jìn)位置，則切換到狀態(tài)2

4. 否則，如果瞬間選擇開關(guān)處于反向位置，則切換到狀態(tài)4

我們將在此結(jié)束，因?yàn)闋顟B(tài)對(duì)于我們的UDFB討論并不重要。也許我們可以在以后的文章中探討狀態(tài)機(jī)。相反，關(guān)注UDFB和它正在尋找的兩個(gè)條件:是否啟用和值是否匹配。

“設(shè)置輸出線”功能的實(shí)用程序

注意，橫檔（rung ）從xEqual行而不是ENO行繼續(xù)從UDFB開始。這是一個(gè)方便的Arduino PLC IDE功能，稱為“Set Output Line.”。如果我們沒(méi)有使用這個(gè)選項(xiàng)，就需要一個(gè)中間變量來(lái)保存eEqual的值，同時(shí)還需要第二個(gè)梯級(jí)來(lái)執(zhí)行狀態(tài)改變操作。這將使梯級(jí)的數(shù)量增加一倍，從而降低代碼的可讀性。

圖 1 :突出顯示的UDFB在第3行上實(shí)例化，其操作類似于C程序中的switch語(yǔ)句。

定義輸入和輸出接口

構(gòu)造UDFB的第一步是確定輸入/輸出接口以及所需的變量。這是使用圖2上半部分所示的局部變量表完成的。觀察有兩個(gè)標(biāo)記為uiA和uiB的無(wú)符號(hào)整數(shù)(ui)輸入。還有一個(gè)布爾(x)輸出名為xEqual。沒(méi)有顯示隱含的“rung hanging”EN和ENO I/O。這些元素在圖1中很明顯，它顯示了實(shí)例化的UDFB。

小貼士 :正如您所知，PLC可以用幾種不同的IEC 61131-3語(yǔ)言編程。當(dāng)我們?cè)谡Z(yǔ)言之間切換時(shí)，事情就變得有趣了。例如，將塊掛在階梯邏輯梯級(jí)上的默認(rèn)EN和ENO行在所有語(yǔ)言中都不是通用的。很明顯，像結(jié)構(gòu)化文本這樣的語(yǔ)言并沒(méi)有圖形化的梯級(jí)。因此，“rung hanging”的I/O沒(méi)有直接的目的，或者至少我們應(yīng)該說(shuō)，目的和實(shí)現(xiàn)是可以解釋的。Arduino設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)似乎忽略了這些行，例如在結(jié)構(gòu)化文本中調(diào)用EQ函數(shù):OUT:= EQ(TRUE, FALSE);如您所見，EN和ENO行不存在，因?yàn)樵摵瘮?shù)只分析要比較的兩個(gè)值。

對(duì)了，還記得我說(shuō)過(guò)的“搭上去就扔了”嗎?UDFB中有一個(gè)bug。你永遠(yuǎn)不會(huì)在階梯邏輯實(shí)現(xiàn)中看到它，但它可能是結(jié)構(gòu)化文本的問(wèn)題。我把問(wèn)題留給你自己去發(fā)現(xiàn)。提示:我們的UDFB需要多少輸入?yún)?shù)(隱式和顯式)。

定義UDFB操作

圖2所示的表包含兩個(gè)局部變量，包括eEN和xisEqual。在第一級(jí)，我們有一個(gè)equal函數(shù)的實(shí)例化。在第2行，我們?cè)儐?wèn)是否啟用了UDFB，以及兩個(gè)值是否相等。請(qǐng)注意，UDFB的操作與原來(lái)的相等函數(shù)之間存在細(xì)微的差別。根據(jù)Arduino文檔，EQ塊的EN行不涉及操作。對(duì)于UDFB，我們放置了一個(gè)額外的約束，該約束要求啟用塊以及UDFB求值為true的值相等。

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圖 2 :通過(guò)定義I/O接口、變量和代碼來(lái)構(gòu)造UDFB。

最后

UDFB是PLC編程的一個(gè)強(qiáng)大的、必須具備的技術(shù)。UDFB可以簡(jiǎn)化代碼，并提供預(yù)構(gòu)建和測(cè)試模塊的有價(jià)值的庫(kù)。與此同時(shí)，我要再次提醒您為了清晰而編程。不要太聰明!難以理解的UDFB可能會(huì)給故障排除過(guò)程增加混亂和延遲。這是非常不可取的，因?yàn)楫?dāng)我們考慮到生產(chǎn)損失，商譽(yù)損失，浪費(fèi)材料，閑置勞動(dòng)力以及恢復(fù)目標(biāo)的高加班成本時(shí)，PLC的停機(jī)是非常昂貴的。