PLC编程再思考之三：面向过程

现在的高级语言基本上都是面向对象的，但是PLC编程象较早的BASIC/FORTRAN语言一样，是面向过程的。

PLC逻辑处理的基本过程为：

1)       将外部设备输入的数据写入输入映像区(I)。

2)       逻辑处理，包括读I区、写Q区。

3)       将输出映像区(Q)的数据输出到外部设备。

其中，1)和3)是PLC内部处理的，所有的PLC用户程序只处理第2)部分。

PLC的这种处理方式带来了下面2个特点。

特点1：OB1调用的程序不存在并发

我们知道，PLC用户程序主要运行在2个地方：中断和OB1。

一般而言，能够在一个扫描周期里完成的逻辑处理，通常我们会在OB1中进行调用，而OB1中的程序是按照严格的调用顺序进行处理的。

比如CPU扫描周期是20ms，那么在某个ns，CPU只会处理某个特定的FC/FB/NW。

举个例子，1工位的工人同时按个2个按钮，而在PLC层面，对这2个按钮的事件处理是有先后顺序的。

因此，严格地说起来，PLC不存在真正的并发。

有效利用这一特点，可以让编程变得更轻松。

比如1条线有30个工位要进行呼叫处理，而每个工位的呼叫处理逻辑是一样的，那么我们可以建立一个临时DB，存储任意一个工位的所有中间变量。

OB1按照工位的顺序进行处理，当执行到第N个工位时，临时DB的变量值就记录了第N个工位的中间变量值。当执行到下一工位时，临时DB被重写，以用于下一工位业务处理。

由于PLC在任意一个瞬间只处理一个特定的工位，因此临时DB的值和此工位有严格的对应关系，因此我们无需在FC里声明变量，因为所有的变量都已定义在临时DB中。

这样处理可以让程序更加简洁通用、变量少，可以用FC变相地实现FB的功能。

特点2：后面赋值覆盖前面赋值

高级语言在符合条件的时候就会输出，而PLC只会在所有逻辑处理完成以后才会输出，并且只输出最后写入的值。

比如在同一个扫描周期，先执行了Q0.0=0，后执行了Q0.0=1，由于在执行的过程中，数据仍然存储于输出映像区，这2步操作相当于在同一个扫描周期内对Q0.0的映像区进行了2个赋值操作，并用后一次赋值覆盖前一次赋值，因此OB1最终将Q0.0赋值为1，然后将此值输出到外部设备。

我们在编程的时候利用这一特点，可以减少一些比较的运算处理。

比如某工位按下按钮1则亮黄灯(红灯灭)，按下按钮2则亮红灯(黄灯灭)，同时按下则红灯亮(黄灯灭)。

也就是说从业务上来说，按钮2的级别较高。

相对的，我们可以先写按钮1的处理逻辑，再写按钮2的处理逻辑，当2个按钮都按下时，根据PLC的特点，CPU只输出按钮2的处理结果，因此我们无需写比较的程序。

PLC编程再思考之二：SOA

随着AMAZON云服务的成功，许多人知道了BEZOS在AMAZON内部推广WEB SERVICE的故事，从而佩服他的技术眼光和执行力。

如果说AMAZON.COM的成功是因为长尾理论，是对万货商店的技术实现，那么从某个层面来说，AWS(AMAZON WEB SERVICE)是另一种形式的长尾，只不过它销售的是IT服务而不是物理产品。

BEZOS基于SOA的思想，通过网络接口和服务打通了AMAZON内部的各种子系统，他把基础设施的接口进一步对外开放，从而形成了AWS的基础功能。

那么，SOA的思想，对于PLC编程有没有借鉴意义呢？

我认为是有的，尤其是对于具备MES复杂功能的IT PLC。

本文以ANDON功能为例予以说明。

比如说1条线有20个工位，每个工位有1个拉绳、1个灯，每条线对应1套音乐播放系统。

那么基本逻辑过程应包含：

1)       用FOR循环遍历每个工位，找到每个工位拉绳/灯/喇叭对应的I/Q地址。

2)       在工位逻辑里，找到拉绳的状态，并触发亮灯和播放音乐。

调用结构为：

FC-LINE                                // 线FC ---- FC-ST[1..20]                  // 工位FC

由于在工位FC里，I/Q寻址和读/写操作混杂在一起，因此工位FC没有和拉绳/灯/喇叭的处理逻辑实现接口隔离。

如果我们分别针对拉绳/灯/喇叭封装成3个服务接口FC：

接口	输入变量	输出变量	说明
FC-I-ROPE	ROPE_ID	ROPE_FLAG	通用拉绳FC
FC-Q-LAMP	LAMP_ID		通用灯FC
FC-Q-SPEAKER	MUSIC_ID SPEAKER_ID		通用喇叭FC

我们可以看到，对这3个FC的调用不涉及I/Q的地址，从形式上看起来更象是逻辑服务函数，而对I/Q的寻址是FC内部的逻辑，不需要暴露在接口中。

经过上述转换后，程序的调用结构为：

FC-LINE                                                                               // 线FC ---- FC-ST[1..20]                                                                // 工位FC -------- FC-I-ROPE(ROPE_ID, ROPE_FALG)                   // 拉绳FC -------- FC-Q-LAMP(LAMP_ID)                                        // 灯FC -------- FC-Q-SPEAKER(MUSIC_ID, SPEAKER_ID)       // 喇叭FC

我们可以看到，工位FC更加专注于业务过程，拉绳/灯/喇叭FC更加专注于I/Q读/写处理。

这样处理以后，不仅程序结构清晰容易理解，而且开发和维护都更加方便。

因此我们在开发PLC程序时，也要有SOA的意识，在开发一些功能或功能块时，要思考能不能将功能写成可供外部调用的FC，以及输入输出变量要怎么设置。

下面是AMAZON的WEB SERVICE法则：

Amazon Web Service Laws: 1) All teams will henceforth expose their data and functionality through service interfaces. 2) Teams must communicate with each other through these interfaces. 3) There will be no other form of interprocess communication allowed: no direct linking, no direct reads of another team’s data store, no shared-memory model, no back-doors whatsoever. The only communication allowed is via service interface calls over the network. 4) It doesn’t matter what technology they use. HTTP, Corba, Pubsub, custom protocols — doesn’t matter. 5) All service interfaces, without exception, must be designed from the ground up to be externalizable. That is to say, the team must plan and design to be able to expose the interface to developers in the outside world. No exceptions. 6) Anyone who doesn’t do this will be fired. 7) Thank you; have a nice day!

Rethink PLC Programming (1) - MapReduce

We know that MapReduce is one of the 3 key success factors of Google(the other two are PageRank and BigTable), and now it has been widely used in Web App development and Corp System development.

This article is to describe usage of MapReduce in PLC Programming.

Now PLC and Automation technology are key factors in MES application, which enables MES to integrate to Control Layer and Device Layer. In some vehicle manufacturing plants, IT PLC or Master PLC is setup to integrate PMC/ANDON/AVI/EPS modules, and to read/write thousands of I/Q devices such as ropes and lamps.

In that case, for the purpose of MES business, key factors of IT PLC are business logic processing, and lots of I/O read/write.

Due to above reasons, lots of FB/FC will be running inside IT PLC, and will cause confusions if they are called by OB1 directly, and that requires us to design program structure carefully.

This article uses example of an ANDON demo, to show how MapReduce can be referenced in PLC Programming.

First, Map.

Map includes 2 segments: Program Structure and Relation Definition.

The below graph shows a very clear Call Relationship, and we only need to write business module statement in OB1:

We also need to define relationship, such as Line & Station, Station & Rope/Lamp.

The below graph shows, Array is used to build relationship between Line and Stations, and Rope Id/Lamp ID are configured as attributes of specific station:

So we can get all stations by tracing through Array, and get Rope ID and Lamp ID for each station.

Second, Reduce.

After ANDON Main FC(FC40000), we can find these business process:

-          Dealing with Line.

-          Dealing with Station.

-          Dealing with Rope.

-          Dealing with Lamp.

And we can write 4 FCs for them:

-          FC40100 for Line, including variables of: Line ID and Station Quantity.

-          FC40101 for station, including variables of: Station ID.

-          FC40111 for Rope, including variables of: Rope ID, Rope Flag.

-          FC40121 for Lamp, including variables of: Lamp ID.

After that, we get a very simple Call Structure:

With detail process:

-          FC40000 calls FC40100 for each line.

-          FC40100 calls FC40101 for each station.

-          FC40101 calls FC40111 of Rope.

-          FC40101 calls FC40121 of Lamp, based on Flag of Rope FC.

In conclusion, key factors of MapReduce in PLC Programming:

-          Clear and organized Call Structure.

-          Defined relationship in DB via Array and other tools.

-          Parameterized and reusable business FC.

PLC编程再思考之一：MapReduce

大家知道MapReduce是奠定GOOGLE成功基础的三大技术法宝之一(另外两个是PageRank和BigTable)，现在MapReduce方法论已经在网络开发甚至在企业开发中得到广泛的应用，而本文则探讨MapReduce在MES PLC编程中的应用。

目前PLC和自动化技术在MES的应用中非常关键，通过对PLC的集成，MES得以打通执行层、控制层、设备层，在一些汽车制造公司，甚至专门搭建IT PLC或MASTER PLC，以实现PMC、ANDON、AVI、EPS等高度复杂的业务模块，以及数以千计的外部设备(拉绳/按钮/灯)的集成。

因此，对于MES业务而言，IT PLC的重点不是过程控制，而是复杂业务逻辑的处理，以及大量I/O设备的读写。

由于上述原因，IT PLC内部运行的FB/FC就会非常多，如果不认真规划的话，OB1里调用关系就会非常混乱，因而需要对程序的结构进行严谨的设计。

本文试以ANDON为例，说明MapReduce在PLC编程上的借鉴。

首先是Map。

Map应体现在两个方面，一是程序结构。

如下图体现了非常清晰的调用关系，在OB1中只需要做一些业务模块的声明：

第二个方面是配置关系的定义，如线和工位的对应关系，工位和拉绳/灯的对应关系。

如下图所示，可以用数组建立线和工位的对应关系，然后把拉绳和灯的编号作为工位属性配置：

因而我们可以用遍历数组的方式得到线对应的所有工位，然后根据工位属性得到对应的拉绳编号和灯编号。

再来看Reduce。

从FC40000 ANDON主FC以下，我们又看到了以下几类业务处理过程：

1)       对于线的处理

2)       对于工位的处理

3)       对于拉绳的处理

4)       对于灯的处理

我们可以分别编写4个FC来进行相应的处理。

1)       FC40100处理线的逻辑，包含两个变量：线编号和工位数量。

2)       FC40101处理工位的逻辑，包含变量：工位编号。

3)       FC40111处理拉绳的逻辑，包含变量：拉绳编号和拉绳状态。

4)       FC40121处理灯的逻辑，包含变量：灯编号。

经由以上处理，我们就得到了一个非常简洁的调用结构：

具体过程为：

1)       FC40000依次调用各条线FC40100。

2)       FC40100调用本线对应所有工位的FC40101。

3)       FC40101调用工位对应拉绳的FC40111。

4)       FC40101根据拉强绳返回的状态值FLAG，决定是否调用灯的FC40121。

总结一下，本文中用MapReduce处理PLC程序结构的要点：

1)       OB1/FC的结构要清晰、有层次。

2)       业务模型通过DB中的数组等结构体现关系。

3)       业务过程FC要参数化、可重用。