物流系統(tǒng)PLC軟件的UML建模-2019年文檔

1、物流系統(tǒng)PLC軟件的UML建模一、UML簡(jiǎn)介Unified Modeling Language (UML，又稱(chēng)統(tǒng)一建模語(yǔ)言或 標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言，始于1997年一個(gè)OMG標(biāo)隹，它是一個(gè)支持模型 化和軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的圖形化語(yǔ)言， 為軟件開(kāi)發(fā)的所有階段提供模 型化和可視化支持， 包括由需求分析到規(guī)格、 構(gòu)造和配置。 目前， UML是大眾所接受的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言。二、PLC軟件建模的必要性1. 軟件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求 軟件質(zhì)量通用要求為：可維護(hù)性、可修改性、可測(cè)試性、可追蹤性、可擴(kuò)展性、可復(fù)用性、性能、安全性、可用性。隨著大型PLC控制設(shè)備和工業(yè)4.0的到來(lái)，以及競(jìng)爭(zhēng)的加劇， PLC軟件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化是發(fā)展的必由之路

2、，但PLC軟件建模的方法幾乎為空白。工程師們的 PLC項(xiàng)目設(shè)計(jì)思想無(wú)法有效表達(dá)， 導(dǎo)致維護(hù)性、可修改性、可測(cè)試性、可追蹤性、可擴(kuò)展性、可復(fù) 用性都很低。2. 企業(yè)軟件產(chǎn)品線(xiàn)( 1 )簡(jiǎn)介一個(gè)軟件產(chǎn)品線(xiàn)(software product line , SPL)包含一組 軟件系統(tǒng)，這些系統(tǒng)之間有著部分相同的功能和部分可變的功 能。軟件產(chǎn)品線(xiàn)工程涉及這一組軟件系統(tǒng)的需求、 體系結(jié)構(gòu)和構(gòu)件實(shí)現(xiàn)， 從中可以派生并配置出各種軟件產(chǎn)品 （即這組軟件系統(tǒng) 的成員）。（2）自動(dòng)化企業(yè)電控軟件的核心任務(wù) 軟件產(chǎn)品線(xiàn)（領(lǐng)域）工程（SPL。開(kāi)發(fā)產(chǎn)品線(xiàn)多視圖模 型來(lái)處理SPL中的多個(gè)視圖。開(kāi)發(fā)產(chǎn)品線(xiàn)軟件多視圖模型、 產(chǎn)

3、品 線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)以及可復(fù)用構(gòu)件，并將它們保存在產(chǎn)品線(xiàn)資產(chǎn)庫(kù)中。 軟件應(yīng)用工程。一個(gè)軟件應(yīng)用的多視圖模型是從 SPL多視 圖模型中派生出的一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)品線(xiàn)成員。 用戶(hù)從產(chǎn)品線(xiàn)中挑選 所需特征。 如果給定一些特征， 那么就能對(duì)產(chǎn)品線(xiàn)的模型和體系 結(jié)構(gòu)做出調(diào)整和剪裁， 從而得到一個(gè)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)。 該體系結(jié)構(gòu) 確定了用來(lái)派生及配置出可執(zhí)行應(yīng)用的那部分可復(fù)用構(gòu)件。（ 3）軟件產(chǎn)品線(xiàn)的演化過(guò)程模型（如圖 1）三、PLC利用UML建模的可行性1. 對(duì)UML的簡(jiǎn)化，使其適用于 PLC領(lǐng)域由于大多數(shù)PLC無(wú)法實(shí)現(xiàn)繼承、擴(kuò)展等面向?qū)ο蠊δ?，所?PLC編程只能利用UML的部分功能，主要是吸收其先進(jìn)的思想方 法，現(xiàn)選

4、出適用PLC的幾種視圖表達(dá)：?用例圖，描述所有功能?構(gòu)件體系圖，描述接口、模塊、層次、通訊?構(gòu)件接口設(shè)計(jì)?狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，描述控制模塊的狀態(tài)機(jī)2. 制圖工具手繪或使用微軟 MicrosoftVisio ，其中專(zhuān)門(mén)有UML繪制功 能，如圖2。四、PLC軟件UML的繪制1. 用例建模（1）簡(jiǎn)介用例圖是指由參與者（Actor ）、用例（Use Case）以及它們之間的關(guān)系構(gòu)成的用于描述系統(tǒng)功能的靜態(tài)視圖。用例圖（User Case ）是被稱(chēng)為參與者的外部用戶(hù)所能觀察到的系統(tǒng)功 能的模型圖， 呈現(xiàn)了一些參與者和一些用例， 以及它們之間的關(guān) 系，主要用于對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)或類(lèi)的功能行為進(jìn)行建模。（ 2）結(jié)構(gòu)?參

5、與者參與者不是特指人， 是指系統(tǒng)以外的， 在使用系統(tǒng)或與系統(tǒng)交互中所扮演的角色。如圖 3 表示。?用例是對(duì)包括變量在內(nèi)的一組動(dòng)作序列的描述， 系統(tǒng)執(zhí)行這些動(dòng) 作，并產(chǎn)生傳遞特定參與者價(jià)值的可觀察結(jié)果。用橢圓形表示。?連線(xiàn) 連線(xiàn)用來(lái)表示參與者和系統(tǒng)通過(guò)相互發(fā)送信號(hào)或消息進(jìn)行 交互的關(guān)聯(lián)關(guān)系。如圖 4 用箭頭形狀表示。?示例如圖 5 是某設(shè)備的功能用例圖，面對(duì)用戶(hù)、維護(hù)工程師、上 位有不同的功能， 以及功能間的關(guān)系， 標(biāo)記為包含應(yīng)用的功能、 標(biāo)記為擴(kuò)展的功能。2. 構(gòu)件體系圖（1）簡(jiǎn)介構(gòu)件在PLC里就是功能塊或功能。根據(jù)用例，使用構(gòu)件建立:分層、并發(fā)、分布式、復(fù)合，以及通過(guò)接口交互、實(shí)現(xiàn)模塊間低

6、耦合的軟件體系。（2）名詞解釋?分層:每一層只能調(diào)用下面幾層的服務(wù)功能，這樣便于增 刪上層構(gòu)件來(lái)擴(kuò)張或收縮系統(tǒng)功能。?并發(fā):構(gòu)件非調(diào)用，而是同時(shí)在系統(tǒng)任務(wù)或中斷中運(yùn)行。?分布式:構(gòu)件可分別獨(dú)立運(yùn)行，通過(guò)接口來(lái)發(fā)布、接收消 息。?復(fù)合: 構(gòu)件系統(tǒng)中可以包含子系統(tǒng)， 狀態(tài)轉(zhuǎn)換包括子狀態(tài)。（3）構(gòu)件分類(lèi) 數(shù)據(jù)對(duì)象一種軟件對(duì)象， 很多情況下是持久的， 封裝了信息并提供了 對(duì)它所儲(chǔ)存信息的訪(fǎng)問(wèn)。 邊界對(duì)象連接外部環(huán)境并與之通信的軟件對(duì)象。 邊界對(duì)象進(jìn)一步分類(lèi) 如下:?用戶(hù)交互對(duì)象。與人類(lèi)用戶(hù)進(jìn)行交互并通過(guò)接口連接到人類(lèi)用戶(hù)的軟件對(duì)象?代理對(duì)象。連接到外部系統(tǒng)或者子系統(tǒng)并與之通訊的軟件 對(duì)象。?設(shè)備 IO

7、 邊界對(duì)象。從硬件輸入 / 輸出設(shè)備連接輸入，或向 硬件輸入 / 輸出設(shè)備輸出的軟件對(duì)象。 控制對(duì)象 對(duì)對(duì)象的集合提供全局協(xié)調(diào)的軟件對(duì)象。可以是協(xié)調(diào)者對(duì) 象、狀態(tài)相關(guān)控制對(duì)象或計(jì)時(shí)器對(duì)象。 應(yīng)用邏輯對(duì)象?業(yè)務(wù)邏輯對(duì)象。 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯操作， 滿(mǎn)足某種邏輯功能。 ?算法對(duì)象。？服務(wù)對(duì)象。例如PLC作為服務(wù)器，對(duì)上位機(jī)提供服務(wù)。（4）結(jié)構(gòu)?構(gòu)件名稱(chēng)內(nèi)簡(jiǎn)要描述構(gòu)件的功能和類(lèi)型（ 中表達(dá)類(lèi)型）。由于PLC大多不支持類(lèi)，現(xiàn)使用 Office VISIO 中的信號(hào)圖表達(dá)（信 號(hào)圖正好有 I N 、 OUT、 inout 類(lèi)型參數(shù)），如圖 6。其中， 表示 代理系統(tǒng)外部的 HMI 交互。?輸入接口由于PLC

8、一般不支持高級(jí)語(yǔ)言的接口，這里用數(shù)據(jù)類(lèi)型代 替。如圖7中“in : HMI控制地址”為接受外部輸入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù) 類(lèi)型。?輸出接口如圖7中“out : HMI輸入”為提供被外部讀取的數(shù)據(jù)類(lèi)型。（5）示例如圖乙表示系統(tǒng)外部構(gòu)件 HM,通過(guò)“監(jiān)控系統(tǒng)”模塊的“ HMI控制地址”接口發(fā)送 HMI的輸入消息，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)命令 格式“ HMI 輸人命令”供“總控構(gòu)件”使用，“總控”再通過(guò)輸 出接口通信對(duì)“工藝單元 1、2” （未畫(huà)出）控制。3. 構(gòu)件接口設(shè)計(jì)（1）簡(jiǎn)介接口描述模塊間數(shù)據(jù)的通信。 模塊可以通過(guò)輸入、 輸出數(shù)據(jù) 類(lèi)型來(lái)傳遞消息。 一般一個(gè)模塊用輸人數(shù)據(jù)類(lèi)型來(lái)得到其他模塊 相應(yīng)數(shù)據(jù)類(lèi)型的消息， 同

9、時(shí)模塊通過(guò)輸出數(shù)據(jù)類(lèi)型， 產(chǎn)生傳遞給 其他模塊的消息。（2）示例PLC大多不支持接口，現(xiàn)使用 Office VISIO 中的數(shù)據(jù)類(lèi)型 圖的枚舉圖表達(dá)。枚舉圖參數(shù)表中“ =”號(hào)左是數(shù)據(jù)類(lèi)型，右是 元素名稱(chēng)，如圖 8。4. 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（1）簡(jiǎn)介 控制構(gòu)件（如總控模塊），常常包含狀態(tài)機(jī)，使用狀態(tài)轉(zhuǎn)換 圖將狀態(tài)機(jī)單獨(dú)表達(dá)。 通過(guò)描繪系統(tǒng)的狀態(tài)及引起系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換 的事件， 來(lái)表示系統(tǒng)的行為。 此外狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖還指明了作為特定 事件的結(jié)果系統(tǒng)將做哪些動(dòng)作（例如，處理數(shù)據(jù)）。因此狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖提供了行為建模機(jī)制。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)狀態(tài)。（2）結(jié)構(gòu)?狀態(tài)如圖9,表示控制機(jī)的某種狀態(tài)，可以用PLC里的

10、INT類(lèi)型表示。?轉(zhuǎn)換如圖 10，表示狀態(tài) 1 通過(guò)開(kāi)門(mén)事件轉(zhuǎn)換到狀態(tài) 2，并執(zhí)行動(dòng) 作1。這里的事件可以是 PLC數(shù)字量或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，動(dòng)作可以調(diào)用 某模塊或?qū)δ衬K傳遞命令。?初始狀態(tài)如圖 11 ，表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的起始位置。（3）示例如圖 12，表示某堆垛機(jī)的取貨狀態(tài)簡(jiǎn)易示意。五、后續(xù)工作UMIL模型可以作為搭建 PLC軟件結(jié)構(gòu)的依據(jù)。PLC功能塊、 功能FB、FC可以根據(jù)構(gòu)件設(shè)計(jì)，PLC自定義數(shù)據(jù)類(lèi)型UDT根據(jù) 構(gòu)件接口設(shè)計(jì)，PLC控制功能塊FB根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖設(shè)計(jì)其狀態(tài) 轉(zhuǎn)換流程。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人可以明確好接口后，按構(gòu)建將PLC功能模塊分配給各小組開(kāi)發(fā)。UMIL模型還可作為測(cè)試階段的依據(jù)。系統(tǒng)通常需要經(jīng)過(guò)單元 測(cè)試、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收測(cè)試。不同的測(cè)試小組使用不 同的