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软件工程方法在造纸机传动控制程序设计中的应用
时间:2020-09-20 23:16 | 栏目:软件工程 | 浏览:次
硕士论文网第2020-09-20期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇软件工程文章《软件工程方法在造纸机传动控制程序设计中的应用》，供大家在写论文时进行参考。
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对于大的造纸项目来说，通常除了纸机的传动控制系统外还有一些其他的辅助系统。纸机传动控制程序与辅助系统的程序共同构成纸机控制程序，这时纸机传动控制程序就也可以看作是一个构件，这里称之为纸机控制程序构件。
1 绪论
1.1 本课题的研究目的和意义
近年来，国内纸和纸板的生产量和消费量一直程增长趋势。《中国造纸工业 2012 年度报告》显示，国内纸的年生产量从 2003 年的 4300 万吨增长到 2013 年的 10250 万吨，纸及纸板的生产量年均增长率为 10.13%，消费量年均增长率为 8.54%。用纸需求量的不断增长，为我国纸机制造企业的发展提供了强劲的动力。我国是纸和纸板的生产大国，同样在造纸机的建设数量上也居于世界前列，从国外引进的造纸机中很多已具备了世界先进水平。据调查显示，2000 年至 2007 年我国造纸企业新建新闻纸机 70 余台，全部来自于芬兰的卓美造纸机械公司和德国的福伊特造纸技术公司。同样，2011 年一项国内新建造纸机项目的调查显示，宽幅 5 米以上的纸机全部来自于国外，而宽幅 4 米以下的纸机则以国产居多。由此可见，我国是新纸机的引进大国，但是纸机技术却落后于其他国家，这无疑制约着国内纸机制造企业的发展。因此，对于国内纸机制造企业，特别是中小型企业，急需要提高纸机的生产技术和性能来争取更好的发展空间。当前，纸机正朝着宽幅、高速化、高精度的方向发展，这就对纸机的车速、精度、可靠性、稳定性等方面提出了更高的要求。纸机性能的优劣很大程度上取决于纸机传动控制系统的性能，这其中包含了硬件和软件两方面的因素。对于硬件，通常是看得见、摸得着的，我们可以通过选购性能优良的控制器件来进行改善。但是软件即控制程序，由于技术的保密性，对于先进纸机的控制程序则通常难以借鉴和学习。因此，我们需要通过不断地摸索来寻找更好的程序设计方法，以提高整个纸机的生产性能。
近年来，国内纸和纸板的生产量和消费量一直程增长趋势。《中国造纸工业 2012 年度报告》显示，国内纸的年生产量从 2003 年的 4300 万吨增长到 2013 年的 10250 万吨，纸及纸板的生产量年均增长率为 10.13%，消费量年均增长率为 8.54%。用纸需求量的不断增长，为我国纸机制造企业的发展提供了强劲的动力。我国是纸和纸板的生产大国，同样在造纸机的建设数量上也居于世界前列，从国外引进的造纸机中很多已具备了世界先进水平。据调查显示，2000 年至 2007 年我国造纸企业新建新闻纸机 70 余台，全部来自于芬兰的卓美造纸机械公司和德国的福伊特造纸技术公司。同样，2011 年一项国内新建造纸机项目的调查显示，宽幅 5 米以上的纸机全部来自于国外，而宽幅 4 米以下的纸机则以国产居多。由此可见，我国是新纸机的引进大国，但是纸机技术却落后于其他国家，这无疑制约着国内纸机制造企业的发展。因此，对于国内纸机制造企业，特别是中小型企业，急需要提高纸机的生产技术和性能来争取更好的发展空间。当前，纸机正朝着宽幅、高速化、高精度的方向发展，这就对纸机的车速、精度、可靠性、稳定性等方面提出了更高的要求。纸机性能的优劣很大程度上取决于纸机传动控制系统的性能，这其中包含了硬件和软件两方面的因素。对于硬件，通常是看得见、摸得着的，我们可以通过选购性能优良的控制器件来进行改善。但是软件即控制程序，由于技术的保密性，对于先进纸机的控制程序则通常难以借鉴和学习。因此，我们需要通过不断地摸索来寻找更好的程序设计方法，以提高整个纸机的生产性能。
1.2 本课题的国内外研究现状
软件工程的概念在 20 世纪 60 年代被提出，先后经历了四个阶段：（1）程序设计阶段，这个阶段的特点是软件设计凭借个人的经验和编程技巧单独完成；（2）程序系统阶段，在该阶段计算机硬件技术提高，传统的软件设计方法无法满足计算机容量大、处理速度高以及应用领域广的要求，使得软件开发无法满足软件需求，从而引发了软件危机。软件危机出现的根源表现在四个方面：软件开发无计划、软件需求分析不充分、关键开发过程无规范、软件产品无测评；（3）软件工程阶段：为了摆脱软件危机，经过不断的实践，提出了“软件工程”这一概念，主要思路是把人类长期以来从事的各种工程项目累积起来的行之有效的原理、概念、技术和方法特别是人类从事计算机硬件研究和开发的经验教训，应用到软件的开发和维护中，逐步取得了有效的成果；（4）第四阶段已经不再着重于单台计算机和计算机程序，而是针对计算机和软件的综合影响。由复杂操作系统控制的强大的台式机、广域和局域网络，配以先进的软件技术应用已成为标准。在这个过程中先后出现了面向过程、面向对象和形式化的软件设计方法。近年来，随着软件工程理论的成熟发展和工业技术的快速发展，国内外不少学者开始尝试将软件工程的软件设计方法尝试运用到工业控制领域的程序设计中。在国外，1999 年 Benitez 等人提出面向对象方法在 PLC 程序设计应用中的必然性。2010 年 Chiacchio，P．等人提出 IEC 61131 标准中的 PLC 程序设计方法以无法满足自动化系统的发展需求，提出面向对象的编程方法。Adnan Salihbegović 等人也提出将软件工程方法运用到工业自动化控制中。在国内，2000 年陈娟等人将面向对象方法运用到粮食储运自动化系统中，讨论了类的抽象和封装的实现。2009 年张逸群等人将面向对象方法运用到煤输送机控制系统的 PLC 程序设计中，阐述了基于 STEP7 的面向对象程序设计方法。2011 年赵宗花等人对计算机编程思想在 PLC 程序设计中的应用做了相关的研究分析，通过分析结构化方法和面向对象方法的设计思想，分别提出了数据库的编程思想、程序嵌套的编程思想和模糊控制的编程思想，并给出了实例加以说明。由此可见，软件工程方法在工业控制领域中的应用中已经取得了广泛的应用。我国纸机传动控制系统从六十年代的模拟系统到八十年代的全数字调速系统，其幅宽、速度、控制精度、稳定性、可靠性都有了很大的提高。经过近五十年的发展，我国纸机也由最初的全套引进发展到只引进核心控制器件，在保证纸机性能的前提下，使得纸机成本大大降低。目前，造纸机传动已普遍采用以全数字变频调速和 PLC 控制技术为基础的自动控制系统。传统 PLC 程序设计方法源于电气控制技术中的继电器控制思想，再加之继电器控制电路与 PLC 程序梯形图设计的相似性更加导致了 PLC 程序设计中继电器控制思想的根深蒂固。继电器控制思想以系统具体功能的实现为基本出发点，对整个程序的框架结构缺乏系统地规划，再加之在实际工程中程序设计人员专业水平参差不齐，造成了大型系统中 PLC 程序思路不够清晰、无法有效地传承使用的问题。
2 基本理论介绍
本文中涉及的理论知识包括造纸机的生产工艺和结构、纸机传动控制系统、PLC 硬件、软件以及软件工程方法与技术，下面分别进行介绍：
2.1 造纸机
造纸机是将纸浆抄制成纸的机器，浆料被送至网部后，经过湿部的脱水、干部的烘干、压光和卷取，生产出成品纸。所以，造纸机主体一般包括网部、压榨部、烘干部、压光部和卷取部等分部，除此之外还有一些真空、液压的辅助系统。图 2-1 所示为纸机的结构简图。
网部也叫做成形部，是将纸浆做成湿纸的过程。首先，纸浆中的纤维通过逐渐沉积，在网面上形成湿纸，再通过强制脱水（95%以上的水分）使得湿纸具备一定干度和强度，能够从网面上剥离开来。网部一般包括真空伏辊、驱网辊和导网辊。压榨部的作用是采用挤压的方法进一步降低纸幅中的水分，提高纸幅进入干燥部的干度，并且起到改善纸的表面质量，增大成纸紧度的作用。压榨部主要包括真空吸移辊和真空压榨辊。烘干部也称干燥部，主要作用仍然是除去纸中的水分，同时提高成纸质量。经过压榨部的挤压后，纸内的水分再难以挤压出来，因此通过将纸幅与烘缸表面接触的方法将水分蒸发掉。烘干部通常分为前烘干和后烘干两个部分，经过两次烘干，可使成纸中的水分含量下降到 5%-8%。烘干部主要设备为多组烘缸。施胶部的目的主要是防止液体渗漏，获得较好的表面性能。施胶部主要包括施胶上、下辊，有时施胶也与烘干同时完成。压光部配置在后烘干部之后，压光部的主要作用是提高纸幅的平滑度、光泽度和紧度，另外还有校正幅厚度和保证均匀的作用。压光部一般包括 2-10 个压光辊。 2.2 PLC 控制技术PLC（Programming Logical Controller）为可编程逻辑控制器，它是一种具有存储、逻辑运算、顺序控制、定时、计数、通讯等功能的数字控制器，可通过执行内部程序给出输出信号来控制被控对象。PLC 技术的发展是继电器控制技术和计算机技术发展的结果。二十世纪六十年代末，伴随着计算机技术的发展，第一台 PLC 在美国问世。经过 40 余年的发展，PLC 在运算速度、模拟量处理、通络通讯、抗干扰能力方面都取得了巨大的发展，已成了工业自动化控制领域的主导产品，它使得工业化控制过程更加可靠、灵活和准确。由于 PLC 在工业控制领域的广泛应用，PLC 的生产厂家和产品也层出不穷。迄今为止，性能比较优秀的产品有西门子、施耐德、欧姆龙、AB 等等，虽然各个厂家的产品各有优略，但是基本原理都是相同的。本文中的控制器选择西门子的 S7-300 系列 PLC。PLC 可以说是工业控制专用的计算机，那么就涉及到硬件和软件两部分，因此下面以西门子 S7-300PLC 为例来介绍 PLC 的硬件和软件技术。a 可编程控制器 PLC S7-300 系列 PLC 属于标准模块式结构型 PLC，它是将电源、CPU、I/O 接口、通讯接口等分别做成独立的模块，主要组成部分有：导轨(RACK)、电源模块(PS)、中央处理单元模块(CPU)、接口模块(IM)、信号模块(SM)、功能模块(FM)、通讯模块（CP）等,使用时将所有模块安装在机架上，模块之间通过机架上的总线连接，从而形成一个完整的 PLC 系统。在 PLC 运行中，CPU 会同时运行系统程序和用户程序。系统程序是集成在 CPU 内部的程序，用户程序是由用户根据自己的特定控制需求来编写的。系统程序通常完成的工作有：启动、更新输入输出过程映像表、调用用户程序、管理内存、调用 OB、实现通讯等。用户程序由用户编写，编写完成后下载到 CPU 中。用户程序通常包括：确定重启条件、建立处理过程数据的逻辑过程以及相应中断等。
3 造纸机传动控制程序设计
3.1 问题定义
3.2 需求分析
3.3 程序设计
3.4 程序测试
3.5 本章小结
4 复用性分析
4.1 程序块复用
4.2 复用性分析
4.3 本章小结
5 总结与展望
5.1 总结
本文从实际工程项目中遇到的纸机传动控制程序复用性不强的问题出发，尝试运用软件工程中的软件设计方法来设计工业控制领域的纸机传动控制程序，以达到提高程序复用性的目的。通过学习软件工程理论，并结合纸机生产工艺特点、纸机传动控制系统结构以及编程平台 STEP7 软件的编程方法，选择运用面向对象方法、结构化方法和构件技术的思想设计纸机传动控制程序。根据软件工程理论将造纸机传动控制程序的设计过程划分为问题定义、需求分析、程序设计、编码、程序测试五个部分。在整机架构上，程序以对象为基本控制单元，程序结构简单明了，运用到不同的纸机上时，可根据实际速度链结构方便地对控制对象做出调整，具有很好的灵活性。在组成构件上，功能程序和类程序都具有较好的复用性，可减少程序设计的工作量。最后，运用软件工程的测试理论对纸机程序的正确性和健壮性进行测试。测试结果显示，软件工程方法在纸机控制程序设计中的应用是可行的，通过将现有方法与软件工程方法进行对比，软件工程方法可有效提高程序的复用性。
5.2 展望
与以往工业控制领域中的 PLC 程序设计相比，本文以发展成熟的软件工程理论为指导，对纸机传动控制程序进行了系统的、详细的分析、设计和测试，基于面向对象的设计和构件的思想使得程序在复用性上较以前有了很大的提高。这对于其他工业控制领域中的程序设计也具有较好的借鉴意义。本文主要是从程序的整体结构方面对程序进行设计，对于具体功能一般会有多种实现方法，文中仅选用了其中的一种，未来可以根据现场实际情况对具体功能的实现算法进行优化。由于测试条件的限制，只对整个程序的测试只在计算机上进行了仿真，验证了软件工程方法在造纸机传动控制程序设计上应用的可行性，以及程序的正确性和健壮性，未来应当对程序的可靠性进行进一步验证。另外由于现场实践经验较少，以及对软件工程理论系统学习的欠缺，所以在本论文中会存在一定的不足之处，希望以后的研究人员能够加以改进和完善。
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