計算機專業課程設計論文

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1工業編程概述

在過去，電氣控制線路由大量的繼電器作為主要元件組成，以實現生產過程的自動化控制，然而這些由繼電器構成的龐大且復雜的控制系統往往需要大量的導線連接，需要大型機柜組裝，并且占據大量的空間，電力消耗和維護成本較高，重構難度極大，無法適應現代工業生產過程中的復雜狀況[1]。1968年，美國的通用汽車公司提出了一系列如編程簡單、可靠性強、維護簡便等的技術指標，旨在通過新型的通用控制器對其汽車生產設備進行控制，解決裝配流水線上各組裝流程控制線路的問題[2]。1969年，世界上第一臺可編程控制器(簡稱PLC)研制成功，后來被廣泛應用于各工業流水生產線[3]。到了20世紀70年代，PLC中開始使用大規模集成電路(LSI)以及微處理器，具備邏輯控制、計數及計時控制、算術運算、數據處理等功能，能夠處理分支、中斷、自診斷等。然而時至今日，PLC雖然依然是生產控制系統的重要組成部分，但在世界性貿易快速發展的今天，PLC高度的可靠性、復雜的功能設計、成本壓力等都是工業制造中急需解決的問題。越來越多的制造商意識到標準化的軟件開發平臺、詳細的需求分析、完善的軟件設計、周全的測試環境是現代工業軟件編程所必須具備的條件，統一的PLC編程技術標準、硬件無關的軟件體系、簡單便捷的開發環境均是亟待解決的難題。

2IEC61131-3標準及應用

早在1993年，PLC的國際標準IEC61131制定實施，其中的IEC61131-3是關于面向PLC的編程語言的標準，定義了PLC上進行編程的語言特征及規范[4]。這一標準二十多年來得到廣泛推廣，已經成為了當之無愧的行業標準，對整個工業體系有著極其重要的意義。IEC61131-3的制定，匯集了多個工業制造業發達國家無數從業專家和相關領域學者的智慧以及數十年在工控方面的經驗[5]。該標準允許多種編程語言同時應用于同一PLC中，開發人員同時也可以自由選擇最恰當或最熟悉的編程語言進行開發，還甚至在同一個程序中使用各不相同的編程語言完成不同功能模塊的編寫任務[6]。這一特性解決了PLC發展歷史上由于不同廠商不同技術導致的多種編程語言混合使用造成的兼容性難題，同時為全自動智能化生產提供了廣闊的發展空間。PLCopen是一個1992年成立于荷蘭的國際技術組織，一直持續關注如何提高工業編程的方法、效率及規范等業界難題。2005年9月以來，PLCopen根據各國的工業發展水平，有針對性對企業進行技術支持和指導，使IEC61131-3國際標準得以被廣泛的推廣。這一措施具有如下優點：1)減少資源在技術人員的培訓、調試、維護和咨詢方面的浪費；2)著眼于解決控制中的問題，提高工業軟件的可復用性；3)統一的編程標準減少了開發過程中的錯誤；4)通用性的編程技術可大規模推廣；5)減少不同廠商之間在不同組件之間的對接時間成本。

3課程設計

3.1教學需求及目標。在工業制造技術日益先進的今天，中國的制造業要想完成從“中國制造”到“中國智造”的轉變，增加工業附加值，就必須在全國范圍進行信息化人才的培養，用更為先進的技術適應新一輪的工業變革。職業院校作為技術型人才的重要培養基地，更應該走在技術變革和職業教育改革的前列，以先進技術為基礎、先進的教學理念為向導，積極參與到面向工業4.0的變革中去。由于工業軟件編程同樣屬于軟件編程的范疇，且計算機專業的基礎學習科目包含了基本的程序設計原理及基礎實踐，而工業軟件編程往往需要擁有扎實功底及對軟件設計有較好理解能力，因而面向計算機專業開設關于工業軟件編程的課程是符合行業發展的實際需要的。教學目標為針對計算機軟件類專業學生設計一門工業軟件編程課程，并以IEC61131-3編程標準的知識點要求為依據，設計計算機硬件原理、電氣工程原理、控制工程原理等多專業融合的理論知識模塊，面向工業4.0應用場景設計項目化教學案例，融入“教、學、做”為一體的教學方法，形成有鮮明特色的一門工業4.0專業方向的必修課或計算機類的專業選修課。3.2教學內容。1)PLC構成PLC由軟件系統和硬件系統構成，其中硬件系統組成部件包括處理器、存儲器、通訊接口、以及輸入輸出接口，而存儲器又可分為系統存儲器和用戶存儲器，輸入輸出接口可分為輸入單元和輸出單元，而軟件系統包含用戶程序和系統監控程序。其中用戶程序即開發人員根據IEC61131-3中對編程語言的定義標準編寫的執行程序。2)IEC61131-3編程基礎IEC61131-3可分為公用元素和編程語言兩部分進行解讀。其中公用元素有軟件模型、編程模型、數據外部表示、變量、程序組織單元以及順序功能圖表。其中軟件模型包含了配置、資源、任務、存取路徑和全局變量，從理論上將較為復雜的程序分割成多個相對獨立又相互關聯的可管理部分，通過預設的規則相互調用。編程模型(見圖1)則將信號處理、傳感器、執行器、通信等功能有機結合起來形成一種框架，為模塊化編程提供了體系參考。而數據外部表示、變量等剩下的一些公用元素則是為開發人員提供的基本編寫規范、預設操作指令及基本功能單元。IEC61131-3所定義的編程語言則是類似于軟件開發中使用的高級編程語言，通過基本語法構成邏輯運算的描述，方便開發人員的編寫和維護。另外，POU是一個能夠被獨立編譯的程序塊，作為項目程序的組成部件之一,耦合性較低且可分別由不同種類的編程語言編寫。POU具有唯一性、全局性，名字及接口均對其他組成部件開放，數據的傳輸采用統一的標準，這一特性方便了項目框架構造及程序編寫的模塊化，復用性強，后期維護成本較低。在熟悉并掌握IEC61131-3標準中編程標準的特征之后，需要進一步的學習其編程要素(如數據類型、變量等)，最后還需要根據其特性與一般高級軟件編程語言的異同進行深入學習其內部機理，徹底掌握IEC61131-3標準。圖1IEC61131-3標準編程模型3.3教學方式。1)以本學院軟件技術專業人才培養方案為主要研究藍本，分析軟件專業的編程基礎課設計，分析其與IEC61131-3編程基礎語法異同，設計基礎語法部分的教學內容，注重教學內容的相似性關聯及差異性區分，避免學生混淆IEC61131-3編程基礎語法與一般高級編程語言基礎語法。2)以IEC61131-3編程的語法、人機交互界面設計、邏輯控制及運動控制庫等主要知識點為分析對象，編制其相關的電氣工程、控制工程等專業理論教學要點，將理論教學內容以圖文等形象方式展示基礎原理，特別是針對工業軟件編程所需掌握的原理知識，而不是全套的理論知識教授，避免課程內容大篇幅出現理論教學枯燥無味。3)研究工業軟件編程思路與計算機軟件編程思路的異同點，設計相應的思維對比轉化教學模塊，讓學生更快更容易掌握工業軟件編程方法。例如電機轉動控制如果從計算機軟件編程角度，可以使用條件判斷、循環狀態判斷等多種方法，而在工業控制編程中比較多的傾向使用CASE語句的狀態機機制描。4)設計工業軟件中的常見小型案例，如以合耕科技的Gatherwin系統為開發環境完成項目化教學設計。Gatherwin系統不僅支持IEC61131-3標準還提供了大量的常用工業功能庫及較強的工業組件仿真系統，教學設計基于這樣的一套系統，使得學生能專注于上層業務邏輯控制而調用封裝好的下層通用控制庫，更為學生提供了仿真度非常高的環境，可以通過仿真環境調試業務邏輯，并能快速部署至真實物理系統。3.4考核方式。平時的考核方式以團隊協作為基礎的實踐為主。學生分組組成團隊,對某一興趣點進行深入了解，通過查閱資料、集體討論并設計方案加以實踐，以代碼的形式實現部分功能，最后學生以個人為單位根據自己在整個實踐過程中的收獲及心得體會做總結，要求條理清晰、邏輯性強，并形成實踐報告。期末考核以筆試加實操的形式進行。筆試主要注重工業軟件編程的理論知識及各基礎知識。以單項選擇題和多項選擇題的形式考核學生在知識易錯點上的辨別能力和計算能力，以填空題的形式考核學生在知識難點上掌握程度，以虛擬應用場景的形式作為主觀大題，考核學生的實際應用能力。考核的最終目標是讓學生能夠掌握工業軟件編程的標準，在課程規定的時間內學會利用已掌握的知識解決實際應用場景的問題，同時養成團隊協作的習慣，更好的發揮團隊合作的優勢。

4總結

本文通過概述IEC61131標準的由來，并分析了該標準在未來工業制造業中的應用前景，最后根據技術型人才的需求現狀，結合工業軟件編程與計算機專業軟件編程的相似性，提出了一個適合計算機專業學生的工業軟件編程課程設計，從客觀上解決了工業軟件編程中來自不同領域和平臺之間技術對接及編程技術在授課過程中的難題，為高職院校開設工業軟件編程課程提供了一個很好的參考范例。

作者:楊忠明 吳偉美 余君 單位:廣東科學技術職業學院

參考文獻：

[1]鄭友.PLC控制系統的發展及其應用[J].黑龍江科技信息,2009(35):67-67.

[2]李玉峰.汽車制造業的PLC市場分析[J].自動化博覽,2010,27(3):42-43.

[3]焦晶,周麗娟.淺談《PLC應用技術》在現代教學方法中的應用[J].內蒙古教育：職教版,2013(4):68-69.

[4]LydonB.IEC61131-3[J].Intech,2012.

[5]任繼鋒.基于IEC61131標準的PLC設計與實現[D].沈陽理工大學,2012.

[6]黃穎,張茂青,何旭平.基于IEC61131-3標準的可編程控制器多語言編程研究[J].電工電氣,2008(3):19-21.