用面向?qū)ο蟮墓I(yè)編程（OOIP）技術(shù)，可提高面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）的效率，而不會(huì)為工業(yè)控制應(yīng)用增加額外的復(fù)雜性。本文是面向?qū)ο蠊I(yè)編程系列文章的第二篇（第一篇請(qǐng)見2020年1-2月合刊《用于工業(yè)控制的面向?qū)ο缶幊獭罚?，將介紹如何在其它塊的基礎(chǔ)上構(gòu)建新塊，以創(chuàng)建大型的分層分區(qū)系統(tǒng)，以及如何在面向?qū)ο蠊I(yè)編程設(shè)計(jì)中管理輸入/輸出(I/O)和配置。

抽象、嵌套和接口

除了封裝之外，抽象、嵌套和接口也是面向?qū)ο蠊I(yè)編程中3個(gè)重要的概念。抽象是將細(xì)節(jié)按層次結(jié)構(gòu)中的各個(gè)級(jí)別進(jìn)行分組，因此程序員只需要處理設(shè)計(jì)中任何一個(gè)級(jí)別上的相關(guān)復(fù)雜性。嵌套允許對(duì)象實(shí)例化其它對(duì)象，以構(gòu)建并在邏輯上劃分大型分層系統(tǒng)。接口提供了與層次結(jié)構(gòu)中下一級(jí)交互的標(biāo)準(zhǔn)化方法。以一輛“野馬”車為例，車輛包含一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)包含一個(gè)啟動(dòng)器，該啟動(dòng)器包含一個(gè)電樞，電樞中的銅線可能來自在世界上任何地方進(jìn)行開采和冶煉的銅礦（如圖1所示）。抽象隱藏了發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性，將銅線以及其它各個(gè)層次的細(xì)節(jié)隱藏起來，這些細(xì)節(jié)只適用于該層級(jí)。用戶只需要知道發(fā)動(dòng)機(jī)的接口——點(diǎn)火開關(guān)和油門踏板。

圖1：封裝、抽象、嵌套和接口表明，塊可以構(gòu)建在其它塊上，以實(shí)現(xiàn)分層劃分的系統(tǒng)，從而反映真實(shí)的設(shè)計(jì)。本文圖片來源：ControlSphere

圖2顯示了如何使用抽象、嵌套和接口來構(gòu)建分層的過程工廠。在頂層，工廠程序可以嵌套（實(shí)例化）兩個(gè)反應(yīng)器對(duì)象，每個(gè)對(duì)象都通過抽象簡(jiǎn)化了螺旋鉆的復(fù)雜性，而它們本身也嵌套了電動(dòng)機(jī)和軸編碼器對(duì)象。軸編碼器和電動(dòng)機(jī)對(duì)象封裝了從軸編碼器接收脈沖并控制電動(dòng)機(jī)所需的所有功能，例如合上其接觸器、監(jiān)視其輔助觸點(diǎn)或向心開關(guān)以驗(yàn)證其是否啟動(dòng)，如果未啟動(dòng)則生成警報(bào)、怠速等。

圖2：用于實(shí)現(xiàn)流程工廠的抽象、嵌套和接口概念。

經(jīng)過抽象后，在層次結(jié)構(gòu)的任何一個(gè)層次上唯一需要關(guān)注的是與下一個(gè)層次的接口。例如，螺旋鉆中的變速電動(dòng)機(jī)具有用于設(shè)置電動(dòng)機(jī)速度的接口。在螺旋鉆層次上，用戶無需了解或處理電動(dòng)機(jī)的任何潛在復(fù)雜性，例如確定電動(dòng)機(jī)是否正在響應(yīng)或發(fā)出警報(bào)。

一個(gè)例外是，如果螺旋鉆具有冗余配置的電機(jī)，那就需要了解電機(jī)是否響應(yīng)。但是，在這種情況下，附加功能將被抽象為附加的層次結(jié)構(gòu)層，代替螺旋鉆實(shí)例化變速電動(dòng)機(jī)，它將實(shí)例化冗余變速電動(dòng)機(jī)，后者將實(shí)例化多個(gè)變速電動(dòng)機(jī)，以及在主電動(dòng)機(jī)發(fā)生故障時(shí)使用備用電動(dòng)機(jī)的邏輯。冗余變速電動(dòng)機(jī)的接口仍然僅是速度指令。每個(gè)級(jí)別都封裝了它可以實(shí)現(xiàn)的所有功能，并且僅針對(duì)其自身無法完成的任務(wù)需求與更高級(jí)別接口。

對(duì)象配置和I/O映射

基于對(duì)象的控制與基于任務(wù)的控制之間的差異，與不同形式的組織架構(gòu)之間的差異有些類似?；谌蝿?wù)的控制，類似于集權(quán)化的企業(yè)架構(gòu)，新功能必須在最高層級(jí)報(bào)備和注冊(cè)。基于對(duì)象的控制類似于權(quán)力下放的企業(yè)，在該類型組織架構(gòu)中，新功能是自我支持的，并且在很大程度上可以自治的。

為了實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蠊I(yè)編程的可復(fù)用性優(yōu)勢(shì)，I/O映射和參數(shù)不能像以前的編程技術(shù)一樣被硬編碼到任何對(duì)象的實(shí)例中。例如，在圖3中所示，如果將第一個(gè)反應(yīng)器中第一個(gè)螺旋鉆的軸編碼器中的Pulse_FI輸入硬編碼為全局I/O變量，則其它3個(gè)軸編碼器的Pulse_FI輸入也將被綁定到同一全局變量。因此，該螺旋鉆對(duì)象無法重復(fù)使用。對(duì)于配置輸入（例如PulsePerLiter_CI）也是如此。硬編碼的I/O或配置與現(xiàn)代面向?qū)ο蟮墓I(yè)編程編程技術(shù)不兼容。

面向?qū)ο蠊I(yè)編程通過全路徑I/O映射解決了I/O問題。從70年代的內(nèi)存映射到90年代的全局符號(hào)映射，這是自然的發(fā)展。完整路徑名是程序名的組合，通過點(diǎn)（.）分隔，后接所有中間的實(shí)例名，并以變量名結(jié)尾（例如：Plant.R1.A1.SE1.Pulse_FI）。I/O編輯器使用這些完整路徑名將I/O映射到工廠層次結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的過程變量（如圖4所示）。

圖3：硬編碼的I/O和配置與面向?qū)ο蟮墓I(yè)編程不兼容。

圖4：面向?qū)ο蟮墓I(yè)編程可以使用全路徑I/O映射和集中式配置來映射到物理I/O并區(qū)分對(duì)象。

配置問題通過中央服務(wù)處理。在啟動(dòng)時(shí)，對(duì)象實(shí)例會(huì)向中央配置程序服務(wù)注冊(cè)，然后該服務(wù)從CSV文件或SQL數(shù)據(jù)庫獲取配置數(shù)據(jù)，并將值分配給每個(gè)實(shí)例。配置輸入允許一系列的對(duì)象類型，通過簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，滿足用戶最廣泛的需求。

面向?qū)ο蠊I(yè)編程的優(yōu)勢(shì)

面向?qū)ο蟮墓I(yè)編程可以提供很多優(yōu)勢(shì)，控制工程師應(yīng)當(dāng)了解下面這9個(gè)優(yōu)勢(shì)，以確定開發(fā)系統(tǒng)是否支持面向?qū)ο蟮墓I(yè)編程。

1.可創(chuàng)建與匹配的工廠對(duì)象相對(duì)應(yīng)的獨(dú)立控制對(duì)象，并執(zhí)行該工廠對(duì)象所需的所有功能，例如警報(bào)、審核、物理I/O、人機(jī)界面（HMI）I/O、縮放和控制等。

2.圖形編輯器允許聲明無限數(shù)量的對(duì)象實(shí)例，以任意方式互連對(duì)象實(shí)例，以及將其它對(duì)象實(shí)例化為任意深度和復(fù)雜性的層次結(jié)構(gòu)的對(duì)象。在運(yùn)行時(shí)，編輯器應(yīng)允許對(duì)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的導(dǎo)航，例如雙擊對(duì)象實(shí)例，即可進(jìn)入項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)，并可向后導(dǎo)航。

3.具有運(yùn)行時(shí)調(diào)試對(duì)象單個(gè)實(shí)例的能力，包括：在單個(gè)實(shí)例內(nèi)設(shè)置斷點(diǎn)，單步進(jìn)入單個(gè)實(shí)例以及查看/更改對(duì)象實(shí)例的私有變量。

4.通過在實(shí)例可能位于項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)中的任何位置為實(shí)例的配置輸入分配唯一值，來區(qū)分相同對(duì)象的實(shí)例的方法。這些配置值可以來自.CSV、微軟Excel文件、SQL數(shù)據(jù)庫以及OPCUA。還必須有一種在運(yùn)行時(shí)搜索這些配置變量的值的方法（例如，搜索ISA標(biāo)記名稱配置）。

5.能夠?qū)⑽锢鞩/O映射到項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)中任何位置的任何實(shí)例中的任何變量（包括將一個(gè)輸入點(diǎn)映射到多個(gè)實(shí)例）。諸如來自現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的復(fù)合I/O，必須能夠映射到單個(gè)變量，或者映射到項(xiàng)目層次結(jié)構(gòu)中任何位置的一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變量。該工具必須提供一種方法，從其輸入開始、經(jīng)過邏輯并到達(dá)其驅(qū)動(dòng)的輸出來追蹤變量（以此類推，從物理輸出通過邏輯返回到影響該輸出的物理輸入的過程與此相反）。

6.具有建立與分層控制對(duì)象匹配的分層HMI對(duì)象的能力，以及通過頂級(jí)對(duì)象的實(shí)例名稱互連兩個(gè)對(duì)象（及其潛在的數(shù)千個(gè)底層互連）的能力。

7.能夠打印分層設(shè)計(jì)的“扁平”版本，該版本顯示對(duì)象實(shí)例與每個(gè)實(shí)例上的唯一配置值之間的互連。

8.實(shí)現(xiàn)繼承、方法、多態(tài)性和接口的功能可能會(huì)有所幫助。

9.一個(gè)活躍的用戶社區(qū)和論壇，可以共享開源工廠對(duì)象和建議。

總體而言，面向?qū)ο蠊I(yè)編程的這些功能允許以對(duì)象為基礎(chǔ)構(gòu)建控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就像通過對(duì)象來構(gòu)建工廠或設(shè)備一樣，因此物理設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)可以成為一體。數(shù)字以一種易于理解的方式與實(shí)體相匹配。也許將來，設(shè)備供應(yīng)商將為他們的設(shè)備提供這些控制對(duì)象。

面向?qū)ο蠊I(yè)編程不僅使設(shè)計(jì)易于構(gòu)建，還使工廠技術(shù)人員易于進(jìn)行故障排除，并使將來的控制工程師更易于進(jìn)行維護(hù)。正如工業(yè)控制領(lǐng)域已開始采用其它最佳通用軟件發(fā)展進(jìn)步一樣，面向?qū)ο蟮墓I(yè)編程也將成為控制工程的一個(gè)未來趨勢(shì)。