一組PLC程序的邏輯錯誤分析
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可編程序控制器（簡稱plc）是一種工業(yè)自動控制中使用的計(jì)算裝置。它廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機(jī)械制造、汽車、輕紡、交通運(yùn)輸、航天、環(huán)保及文化娛樂等各個(gè)行業(yè)。小到家用設(shè)備，大到航天器材，都有plc的應(yīng)用。
典型的plc由一個(gè)專用的cpu，一個(gè)存儲器和一組輸入輸出端口構(gòu)成，如圖1所示。它通過輸入端口接收來自傳感器的信號，并通過輸出端口發(fā)出控制信號驅(qū)動同它連接的外部設(shè)備。存儲器中安放控制程序，系統(tǒng)的活動由控制程序所驅(qū)動。
plc系統(tǒng)每隔一定的時(shí)間間隔（比如5毫秒）從輸入端口讀入信號，執(zhí)行計(jì)算，然后向輸出端口發(fā)送輸出信號。每一“輸入－計(jì)算－輸出”周期稱為一個(gè)掃描周期。plc程序在每個(gè)掃描周期中重復(fù)執(zhí)行一遍。plc的簡單應(yīng)用有洗衣機(jī)控制，電梯控制。復(fù)雜的應(yīng)用有自動機(jī)床控制，自動化工程控制。
plc程序設(shè)計(jì)具有不尋常的軟件編程模式。設(shè)計(jì)中需要考慮多個(gè)并行線程，它們之間的交互作用，以及在時(shí)間域上的行為。在plc的五種主要的編程語言當(dāng)中，源自繼電器控制系統(tǒng)的梯形圖語言采用了一種簡單的方式巧妙地處理了并行程序設(shè)計(jì)問題，然而，由于plc編程問題的固有復(fù)雜性，以及測試手段的缺乏，許多plc程序中依然存在大量的錯誤。
為了解決這一問題，靈芯實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)plc測試系統(tǒng)，為plc程序的調(diào)試提供解決方案。在這一系統(tǒng)的試用過程中，在兩本plc入門教科書的6個(gè)簡單程序例子中發(fā)現(xiàn)其中的4個(gè)程序里面至少包含8個(gè)錯誤。
●一個(gè)搶答器程序在兩個(gè)參賽者同時(shí)按下?lián)尨鸢粹o時(shí)，只有其中一個(gè)人的警報(bào)器能夠發(fā)出警報(bào)；
●一個(gè)噴泉程序中，噴水組在幾個(gè)指定時(shí)間上沒有按要求停止噴水，或開始噴水；
●一個(gè)交通燈控制程序中，綠燈閃爍控制不正常；系統(tǒng)啟動的時(shí)候，一個(gè)方向綠燈亮，另一個(gè)方向的紅燈卻不亮；強(qiáng)通結(jié)束之后，交通燈沒有立即恢復(fù)正常運(yùn)行；
●在另一個(gè)交通燈程序中，按下停止按鈕之后，所有的燈熄滅，但兩個(gè)方向人行道上卻亮紅燈。
我們認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)是不同尋常的。雖然每個(gè)程序員和教師都會犯編程錯誤，但是我們還從未在任何一本程序設(shè)計(jì)的教科書中發(fā)現(xiàn)如此高比例的程序錯。這一現(xiàn)象初步證實(shí)了plc程序 錯誤的廣泛性和嚴(yán)重性。
本文將逐一分析上述每一個(gè)程序的錯誤，指出錯誤原因。其中大部分程序，我們給出糾正了錯誤的新程序。期望這一分析能夠幫助plc程序員和教師提高plc程序設(shè)計(jì)的正確性。plc程序的執(zhí)行原理以及梯形圖的語義將在例子的介紹中同時(shí)給予解釋。我們相信，通過分析錯誤來學(xué)習(xí)是掌握遍程技巧的好方法。
圖1 plc構(gòu)造原理圖
2 搶答器程序
題目：搶答器程序
來源：plc應(yīng)用技術(shù)開發(fā)與實(shí)踐
編程平臺：西門子公司 s7-200
問題描述：
（1）主持人控制開始按鈕；
（2）3個(gè)搶答者每人控制自己的搶答按鈕；
（3）開始按鈕按下之后所有警報(bào)器斷電；
（4）之后每個(gè)搶答按鈕按下將使自己的警報(bào)器得電，并鎖住其他搶答者輸入信號的有效性。
變量分配：
i0.0 主持人按鈕；
i0.1，i0.2，i0.3 分別為三個(gè)搶答者按鈕；
q0.0，q0.1，q0.2 分別為對應(yīng)于搶答者的警報(bào)器輸出；
原書給出的搶答器梯形圖程序（見圖2）。
圖2 搶答器梯形圖程序
plc程序語義：
上述梯形圖程序的語義可以用比較簡短的方式表達(dá)出來：
q0.0 := (i0.1 or q0.0) and ~i0.0 and ~q0.1 and ~q0.2；
q0.1 := (i0.2 or q0.1) and ~i0.0 and ~q0.0 and ~q0.2；
q0.2 := (i0.3 or q0.2) and ~i0.0 and ~q0.0 and ~q0.1；
其中~i0.0表示i0.0的邏輯非。
plc的程序周期性地重復(fù)執(zhí)行，每個(gè)周期時(shí)間很短。在一個(gè)周期中，plc將讀入輸入值（這里是i0.1,i0.2和i0.3），經(jīng)過對上述程序的計(jì)算之后，把輸出變量（這里是q0.0，q0.1和q0.2）的值送到外部。注意上述程序在每個(gè)周期中都重復(fù)執(zhí)行。在每個(gè)周期中，程序的執(zhí)行由上往下由左至右。
當(dāng)一個(gè)搶答按鈕按下之后（比如i0.1=1），對應(yīng)的輸出（q0.0）馬上變成1。在下一周期中，即使該按鈕方開（i0.1=0）程序的輸出依然會保持為0，原因是程序依靠自反饋?zhàn)饔茫╫r q0.0）。同時(shí)，由于在另外兩個(gè)程序段中含有~q0.1，因此它們的輸出都無法變成1，直到主持人按鈕i0.0把q0.0重新置0為止。
●程序問題
如果兩個(gè)搶答者在同一時(shí)刻按下按鈕，在程序中處于前面的搶答者的警報(bào)器輸出正常，另一個(gè)搶答者的警報(bào)器沒有輸出。
●程序分析
本問題分成三個(gè)程序段，它們本應(yīng)并行執(zhí)行方能達(dá)到公平的效果。但plc的cpu只能順序執(zhí)行程序，因此在程序中位置處于前面的搶答者的輸出產(chǎn)生之后，后面的程序輸出就被立即阻斷。因此兩個(gè)按鈕同時(shí)按下時(shí)，只有其中的一個(gè)得到響應(yīng)。
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