ANY指针编程在多变量大数据处理中的应用

2016-07-09慕小乔李岩刘克平

制造业自动化 2016年5期

关键词：大数据

董令，慕小乔，李岩，刘克平

（长春工业大学　控制科学与工程，长春　130012）

ANY指针编程在多变量大数据处理中的应用

董令，慕小乔，李岩，刘克平

（长春工业大学控制科学与工程，长春130012）

摘要：针对工业现场多变量大数据特点，提出了一种西门子可编程控制器ANY指针编程方法。与传统逻辑控制编程方法相比，ANY指针编程可以对大量的数据进行批处理，速度快，实时性好，是对传统控制更好的应用和创新。以某汽车公司侧围生产线为例，给出了ANY指针编程方法的应用实例，详述了FB101功能块创建、ANY指针引用和定义以及ARRAY、STRUCT、UDT及多背景数据块的使用等方法，运用高级语言编程技巧显示人机界面，直观灵活的展现工业实时状况，很好地实现了结构化编程。应用结果表明该系统性能稳定，运行可靠，人机界面操作简便。

关键词：大数据；ANY指针；可编程控制器编程；汽车生产线

0　引言

西门子PLC广泛应用于工业控制，尤其在汽车生产线上，汽车生产工艺越来越复杂，人机化要求越来越高，精度要求越来越苛刻，所需求的变量随之增加，普通的一条生产线变量就要成千上万个，批量数据的传送与处理，给工业控制提出了难题，针对大数据多变量问题，设计可靠、方便、易读的控制程序尤为重要，充分合理的利用PLC控制技术，是实现自动化汽车生产的关键。在此，对于多变量系统，程序上进行了研究与验证，传统的PLC寻址方式［1］，包括直接寻址，存储器、寄存器间接寻址以及POINTER指针［2］数据类型都满足不了多变量大数据的控制，而且传统控制稳定性低，停台时间长等。基于某汽车侧围生产线上西门子PLC S7-400控制平台，利用ANY数据指针作为变量，开发出一种新应用。

ANY指针数据类型是10字节指针类型，用来传递DB块号、数据地址、数据数量以及数据类型。灵活采用高级编程语言中的一些技巧，实现变量的批量处理与控制，解决了传统PLC编程难以实现此控制的难题［3］。

1　汽车侧围生产线工作过程

1.1侧围生产线简介

侧围生产线为提高生产节拍是由若干个工位组成，每个工位根据生产工艺，成一定数量的冲压件焊接，最后完成侧围生产的半自动生产线。由于侧围冲压件多，为固定零件方便焊接，需要的气缸数量庞大且种类繁多。每个气缸需要检测原位和终点信号。侧围生产线控制除了气缸还有多种检测信号，比如零件占位检测，侧围外板检测，气源检测等，而且需要人工参与的协调控制。

1.2侧围生产线硬件系统配置

某汽车侧围生产线包括左右两侧，38个工位，16块触摸屏，左右各8块，选择HMI 2为例，如表1HMI 2控制工位气阀，表2HMI 2控制工位开关数量所示，HMI2控制三个工位，分别为AF03010，AF03015，AF03020，共96个气缸，19个检测信号，共需要211个输入点，20个输出点。从表中三个工位可以看出控制所需硬件和传感器繁多。据不完全统计，此侧围生产线共需要1300个气缸，180个检测信号，4000多组报警显示。

表1　HMI2控制工位气阀

表2　HMI2控制工位开关

1.3侧围生产线软件系统简介

首先，满足侧围生产工艺上的基本控制功能。要求人性化的HMI［3］（人机操作界面）。清晰的实时状态显示。准确的故障诊断，缩短故障的排除时间，减少停台时间［5］。这都大大增加了数据处理与传送的繁琐。在生产线中，各个工位的控制是相似的，因此对于所有工位的逻辑控制是一致的，可以将其提炼为一个公共的FB控制块，在所有工位控制中调用此FB块，实现逻辑控制。但由于各个工位在控制对象的数量、形式以及逻辑步骤之间的连接差异等，需要在调用FB块时给出不同的形参值，为此设计了图1工位控制参数设定画面。所以上述功能的实现都需要以大量的数据交换作为基础，为了达到上述目的，在程序中使用了ANY指针变量。

图1　工位控制参数设定画面

2　西门子ANY指针

2.1软件ANY指针声明

ANY指针是一种传递指针［6］的形参数据类型，用于逻辑块（FB、FC）之间传递参数，可以传递DB块号、数据地址、数据数量及数据类型。

在ANY数据类型参数中，数据区的含义如表3所示。

表3　数据区含义［2］

ANY指针由10个字节组成。其指针数据格式如表4所示，指针变量的数据格式，表5绝对（相对于地址等于0的地址指针对应指针数据格式的）地址分配。

表4　指针变量的数据格式

表5　绝对地址分配

2.2举例说明ANY指针赋值形式

1）对数据类型参数进行赋值时可以选择指针显示方式直接赋值，与其他指针相比，ANY类型指针可以表示一段长度的数据。例如：P#DB10.DBX0.0 BYTE 654，表示指向DB10.DBB0～DB10.DBB654 654个字节。

2）当在FB FC接口中定义了输入ANY指针变量时，指针按照指针的数据格式形式赋值。以模式命令指针为例：

3）I/O起始地址进行自定义指针#PLC_Use.HMI_ Setting.IO_Start_Address

3　程序应用实现

3.1程序结构分析

针对侧围生产线大数据多变量的问题，程序采用结构化编程［4，7］和ANY指针实现，在编程时需要规划整体结构［8，9］，采用层次化分别对每个工位进行控制，控制程序结构如图2所示。以FC101为例，FC101对应于触摸屏HMI2，可以实现AF03010，AF03015，AF03020工位的自动控制，与FB101，FB102，FB103分别对应，AF03010的控制包括FB95（Led_Exist_Sub），FB96 （Exist_check_Avail），FB97（Orig_Complete_sub），FB98（Orig_Valve_Control）等，其余FC102，FC103，FC104，FC105等为其他工位的控制。结构与FC101相似。

图2　控制程序结构

3.2ANY指针interface

根据工位具体情况，每块触摸屏控制的工位数不同，侧围生产线操作员通过触摸屏选择，控制不同工位。

以HMI的设计为例说明ANY指针［10］的应用。HMI是生产线上的重要部件，主要完成指令的输入和运行状态的显示及故障的报警输出。从数据流［11］向来看分为从HMI到PLC CPU的控制指令输出和从PLC CPU到HMI的显示数据的输入。在图3［3］中，按钮和模式选择是到PLC的输出数据，各种状态显示及报警是输入的数据，因此在FB101的接口定义中定义了Mode_Command_P、Ex_ Var_Button_P等到PLC的输出数据指针和LED_Point、HMI_IO_Dis_Point等到HMI的数据输入指针。

FB101［12～14］调用过程如图4所示。

在接口信号的输入端设置HMI_IO_Dis_Point为ANY指针数据变量，数据长度设置为320 byte，此时的ANY指针为形参变量，由于PLC内部的逻辑运算需要定义相应的临时变量，把临时变量赋值给输入的指针，使HMI_IO_Dis_Point 指针指向实际地址DB10. DBX1768.0，程序通过SFC20（块传送）把逻辑运算结果传送至临时变量temp T_HMI_IO_Dis_Point指针所指位置。并显示至触摸屏上。

图4　功能块FB101的调用

举例说明，设置两组阀分别设置4个气缸，设置MZ11夹紧，MZ12松开，I/O状态显示变量设置为整型量，当数值为2时显示黄色闪烁，代表气缸伸出或缩回的过程中，当数值为3时黄色不闪烁，代表缩回到位，当数值为4时，代表气缸报警。逻辑运算结果转化成数字量送入指针地址寄存器。I/O状态显示［3］如图5实例I/O状态显示所示。

图5　实例I/O状态显示

4　结束语

某汽车侧围生产线采用ANY指针方法的控制程序两年来得到了良好的效果，相比采用传统［15］的控制方法，CPU的工作内存明显减少，在CPU选型上可节省成本达25万元，再者，甲乙两班生产的停台时间由原来的平均每班组30分钟降低为5分钟，按10分钟两台侧围左右骨架计算，每个侧围骨架估价12000元，成本2000元。两年因减少停台而增加的利润为（30-5）×2×30×12×2÷5×（12000-2000）=7200万。

不仅在经济效益上有所提高，而且采用结构化和ANY指针编程的方法，易于调试，可移植性强，易读性强，易于分析逻辑关系，程序代码效率高，结构化编程和ANY指针的使用可简化程序设计过程，减小代码长度，提高编程效率，比较适合于较复杂自动化控制任务的设计。

参考文献：

［1］李琦.数据结构和指针在PLC编程中的灵活运用［J］.仪器仪表学报，2002（23）：125-130.

［2］苗虎.POINTER指针在连续平压机程序设计中的应用［J］.木材加工机械，2014（2）：27-29.

［3］邹伟，杨平，徐德.基于MCGS组态软件的上位机控制系统设计［J］.制造业自动化，2008，12，2007（9）：1235-1255.

［4］修志强，李阳，许国峰，任传敏.矿用蓄电池电动机车PLC程序模块化设计［J］.工矿自动化，2010（9）：102-104.

［5］陆广平，王秀琳.自动送料系统桶装计量自控系统设计［J］.计算机测量与控制，2009（11）：2213-2215.

［6］陈玉俊.指针在西门子S7系列PLC信号处理中的应用［J］.冶金自动化，2011（2）：832-836.

［7］ Oscar Ljungkrantz，Knut Akesson，Martin Fabian，Amir Hossein Ebrahimi.An empirical study of control logic specifications for programmable logic controllers.Empirical software engineering 2014，19（3）.

【】【】

［9］李佳，王广林.PLC编程中数据结构和指针的应用数字技术与应用［J］.数字技术与应用，2013：44.

［10］谭锦洁，程良鸿.嵌入式PLC梯形图的一种数据结构描述方法［J］.计算机工程，2004（10）：85-87.

［11］杨进才，杨雅琴.基于缓存与指针推进的混合移动性管理策略［J］.计算机工程与应用，journal6，2007，43（8）：46-48.

［12］李明.制造业中多工步组合机床监控系统设计［J］.制造业自动化，2012（20）.

［13］裴元方，冯萍，康继昌.PLC梯形图的一种数据结构描述方法［J］.计算机工程与科学，2009，31（12）：87-89.

［14］秦绪平，张万忠.西门子S7系列可编程控制器应用技术［M］.北京化学工业出版社，2011.

［15］王志芳.指针逻辑的扩展与应用［D］.中国科学技术大学，2009.

［16］刘丽华，李笑.基于PLC与触摸屏的玻璃清洗机控制系统设计［J］.制造业自动化，2008（6），2012，48（14）：68-73.

制造软件

控制技术

ANY pointer programming in multivariable big data processing