一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設計方法

1、一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設計方法1062007,43(21)ComputerEngineeringandApplications計算機工程與應用一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設計方法張崇明1,2汪春梅,周毅,葉宏ZHANGChong-ming1,2WANGChun-mei,ZHOUYi,YEHong1.上海師范大學機電學院.上海2014182.復旦大學信息學院,上海2004331.SchoolofMechanicalandElectronicEngineering,ShanghaiNormalUniversity,Shanghai201418,China2.SchoolofInformationSc

2、ienceandEngineering,FudanUniversity,Shanghai200433,ChinaE-mail:.anZHANGChong-ming,WANGChun-mei,ZHOUYi,eta1.Object-orienteddesignmethodforPLCprogram.ComputerEn-gineeringandApplications,2007,43(21):106107.Abstract:Tominimizetheinfluenceofexperientialfac0randimprovethequalitycontrolinthed

3、esignphase,withtheaidofobjectorientedanalyseanddesigntheory,anobject-orienteddesignmethodforPLCprogramispresentedasanimprovementonthetraditionalstatebasedmethod.WithUMLtool,classdiagramandstatediagramarechosenrespectivelytodescribethestaticstructureanddynamicbehaviorofthecontrolsystem,andladderdiagr

4、amisacquiredfromstatediagramsubsequently.Withthecombinmionofobject-orientedtechnology,UMLandclassicPLCcontroltechnology,thesoftwarereliabilityofPLCcontrolsystemispromoted,andtheapplicationareaofobject-orientedtechnologyandUMLisextended.Keywords:PLC;object-oriented;UML;statemachine摘要:為了減小經(jīng)驗因素的影響,對設計階

5、段進行更好的質(zhì)量控制,借助于面向?qū)ο蟮姆治雠c設計理論,對傳統(tǒng)的基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的PLC程序設計方法進行了改進.提出了一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設計方法.使用UML建模工具,分別用類圖和狀態(tài)機視圖描述控制系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為,進而把狀態(tài)機視圖轉(zhuǎn)化為梯形圖.通過把面向?qū)ο蠹夹g及UML引入傳統(tǒng)的PLC控制領域,既提高了PI程序設計的可靠性.也擴展了面向?qū)ο蠹夹g和UML的應用領域.關鍵詞:可編程控制器:面向?qū)ο?統(tǒng)一建模語言;狀態(tài)機文章編號:10028331(2007)21010602文獻標識碼:A中圖分類號:1P3lll導言可編程控制器是以微處理器為核心的工業(yè)控制裝置,它將傳統(tǒng)的繼電器控制與計算機技術

6、結(jié)合起來,具有可靠性高,通用靈活,易于編程,使用方便的特點.不同種類的可編程控制器的基本原理相同,多采用梯形圖語言編程.在具體應用中,梯形圖的設計往往是最主要的問題.梯形圖的設計是計算機軟件設計與電氣控制設計思想相結(jié)合的產(chǎn)物.在設計方法上,與計算機軟件設計和電氣控制設計既有相同點,也有不同點.對于典型的開關量邏輯控制系統(tǒng).傳統(tǒng)的梯形圖設計方法包括經(jīng)驗設計法,邏輯設計法和基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的設計方法等.這些設計方法由于普遍缺乏完善的設計方法學方面的理論基礎,都有其各自的局限性和優(yōu)缺點,所以在設計功能復雜的PLC梯形圖邏輯時.往往需要較多地依賴于設計人員的經(jīng)驗和技巧,這就為在設計階段進行質(zhì)量控制造成了困

7、難.而在計算機軟件領域,面向?qū)ο蠓椒▽W在理論上已經(jīng)形成完備的體系,在實際應用中已經(jīng)成為軟件設計的主流方法.本文嘗試把面向?qū)ο罄碚撘隤LC控制領域,把其應用于PLC的軟件設計過程,改進設計階段的質(zhì)量控制.2面向?qū)ο蟮腜LC程序設計的基本原理在面向?qū)ο蟮姆椒▽W中,對象是現(xiàn)實世界的實體或概念在計算機邏輯中的抽象表示.對象是具有唯一對象名和固定對外接口的一組屬性和操作的集合.用來模擬組成或影響現(xiàn)實世界問題的一個或一組因素.對象的屬性表示了它所處的狀態(tài),而對象的操作則用來改變對象的狀態(tài)以達到特定的功能,或者在狀態(tài)不變的情況下執(zhí)行一定的動作或活動.面向?qū)ο蟮膯栴}求解,就是力圖從實際問題中抽象出這些封裝了

8、屬性和操作的對象.把面向?qū)ο蟮姆椒▽W應用于PLC程序設計,關鍵是在具體的應用系統(tǒng)中查找和發(fā)現(xiàn)對象,然后設計這個對象的屬性和操作,對對象的動態(tài)行為進行分析.屬性對應于PLC系統(tǒng)的傳感器等輸入部件的狀態(tài),操作對應于PLC系統(tǒng)對各種執(zhí)行器等輸出部件狀態(tài)的控制.統(tǒng)一建模語言(UML)是一種通用的可視化建模語言,廣泛應用于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析和設計過程中.UML包含多種建模方法.其中類圖用來描述系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu),而狀態(tài)機視圖是描述系統(tǒng)的動態(tài)行為,即狀態(tài)與狀態(tài)轉(zhuǎn)換的有效工具.利用類圖和狀態(tài)機視圖可以有效地描述PLC系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)基金項目:上海市教委青年基金項目(No.04DC31).作者簡介:張崇明(1

9、973一),男,講師,博士生,研究領域為計算機網(wǎng)絡及應用,數(shù)據(jù)挖掘;汪春梅,副教授,博士生;周毅,高級工程師;葉宏,副教授.張崇明,汪春梅,周毅,等:一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設計方法2007,43(21)107行為.本文使用微軟公司的Visio2003為UML建模工具.方法的介紹請參閱文獻2lI3lI4】.3面向?qū)ο蟮腜LC程序設計步驟和實例下面以一個簡單而完整的PLC控制的小型垃圾壓縮裝置為例.介紹這種面向?qū)ο蟮腜LC程序設計方法.這是一個人工控制開關門的半自動壓縮裝置,其基本工作過程是:裝置剛上電時.門處于打開狀態(tài);操作人員放人垃圾后關上門,馬達驅(qū)動壓板向下運動.進入垃圾壓縮狀態(tài);壓縮到一

10、定位置,遠端限位開關被觸發(fā).停止壓縮,馬達驅(qū)動壓板向上運動;壓板運動到一定位置.近端限位開關被觸發(fā),壓板停止運動;操作人員打開門取走垃圾整個垃圾壓縮裝置可以被識別和建模為一個對象.該對象有3個屬性:門,遠端限位開關,近端限位開關.該對象有2個操作:馬達運轉(zhuǎn),馬達方向控制.用UML中的類圖表達,如圖1所示.垃圾壓縮裝置一門一遠端限位開關一近端限位開關+馬達運轉(zhuǎn)()+馬達方向控制()圖1垃圾壓縮裝置的類圖圖1中屬性的可能取值為:門(打開,關閉),遠端限位開關(觸發(fā),未觸發(fā)),近端限位開關(觸發(fā),未觸發(fā)).根據(jù)此裝置的工作原理和屬性值的不同組合.可以把其工作流程劃分為4個狀態(tài):初始態(tài).狀態(tài)1,狀態(tài)2

11、,狀態(tài)3.用UML中的狀態(tài)機視圖表達.如圖2所示.圖2垃圾壓縮裝置的狀態(tài)機視圖下一步就是根據(jù)狀態(tài)機視圖為PLC編寫梯形圖程序了.以國內(nèi)常見的Omron公司的CPM2APLC為例.I/O分配參見圖2.初始狀態(tài)和三個工作狀態(tài)分別用輔助繼電器2000020003存儲.梯形圖程序如圖3所示.程序中使用了置位指令SET和復位指令RSET進行狀態(tài)的切換.有些型號的PLC沒有提供置位和復位指令.但都有實現(xiàn)置位和復位指令功能的變通辦法.具體實現(xiàn)請參閱相關的技術資料.從本例可見.使用這種面向?qū)ο蟮乃悸吩O計PLC軟件系統(tǒng)的基本步驟是:識別對象;確定對象的屬性和操作.畫出類圖:根據(jù)屬性的不同取值和業(yè)務流程確定需要的

12、狀態(tài)數(shù).畫出狀態(tài)機視圖:在每個狀態(tài)下完成確定的操作.根據(jù)狀態(tài)機視圖畫出梯形圖.這種設計方法與傳統(tǒng)的基于狀態(tài)的設計方法有一定相似性,但由于采用了面向?qū)ο蟮乃悸放c技術.所以設計思路更為清晰.設計過程更有章可循.對傳統(tǒng)的基于狀態(tài)的設計20o0o0()Ooo圖3垃圾壓縮裝置的梯形圖程序4復雜系統(tǒng)需要解決的問題限于篇幅和確保完整性.上文介紹的例子無論用哪種程序設計方法完成都比較簡單.在實際應用中,PLC經(jīng)常被用在一些復雜的控制系統(tǒng)中.例如在一個PLC控制的柔性制造系統(tǒng)中,同時進行幾種不同規(guī)格零件的加工.在多個零件的加工過程中.某一個機械手需要同時為不同的加工工序服務,多個加工工序共享同一工位.如果把某一

13、種零件的加工工序建模為一個對象,則該軟件系統(tǒng)就包括多個對象.這些對象之間不是孤立的.他們之間存在一定的時序關系和資源競爭.傳統(tǒng)的狀態(tài)機由于缺乏表達對象間層次性和時序關系的能力,并不適合對復雜系統(tǒng)建模.面向?qū)ο蟮姆治龊驮O計理論卻完全適用于復雜系統(tǒng).對一個復雜系統(tǒng)建模時.使用面向?qū)ο蟮脑O計技術.可以用類的繼承表達層次關系.構(gòu)建一個對象樹.從而實現(xiàn)對復雜問題的分解.因此.在PLC軟件設計中.可以借鑒面向?qū)ο蟮姆治龊驮O計理論.引入分層的思想.對于上文柔性制造系統(tǒng)的例子.可以用若干主狀態(tài)表達不同零件加工工序之間的時序關系,而在一個主狀態(tài)中設計若干子狀態(tài).用子狀態(tài)表達某種零件的加工工序.假設該柔性制造系統(tǒng)

14、需要加工兩種零件.每個零件的加工工序?qū)粋€主狀態(tài).可以根據(jù)零件的加工優(yōu)先級和某些傳感器等輸入部件的狀態(tài)實現(xiàn)這兩個主狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換.具體如圖4所示.圖4狀態(tài)機的分層設計在面向?qū)ο蟮某绦蛟O計中.類的某個方法的具體實現(xiàn)往往仍然是采用面向過程的方式.與之類似.使用面向?qū)ο蟮乃悸吩O計PLC程序時,在某一個層次的狀態(tài)內(nèi)部.也可以使用傳統(tǒng)的設計方法.避免因?qū)ο髽溥^于龐大和子狀態(tài)嵌套層次太多而產(chǎn)生新的問題.5結(jié)論本文以傳統(tǒng)的基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的PLC程序設計方法為基礎,借助于面向?qū)ο蟮姆治雠c設計理論和UML建模工具,提出(下轉(zhuǎn)143頁)董濤,余昭平:一種高效的門限多重秘密分享方案2007,43(21)143半.這

15、樣可以在不降低協(xié)議的安全性的情況下,提高方案的計算速度,而且不用儲存任何中間數(shù)據(jù),降低了對存儲量的要求.(6)方案可以同時分享多個秘密,而且與分享一個秘密時的計算量相當,只是構(gòu)造的多項式的次數(shù)有所增加但對計算量的影響并不大.另外,產(chǎn)生分發(fā)給成員的秘密份額的過程不需要成員和分發(fā)者之間進行交互計算,簡化了方案的組成結(jié)構(gòu),降低了計算量,提高了方案的執(zhí)行效率.,對本文的方案同劉方案(文獻【9)以及龐方案(文獻【10)在計算量和通信量上都做了相應的比較.首先,為了方便敘述,給出一些基本符號描述:C:表示在有限域上做模乘運算的時間;C:表示在有限域上做模指數(shù)運算的時間;C:表示在橢圓曲線上做點乘運算的時間

16、;:在橢圓曲線上做點(倍)加運算的時間;C:做雙變量單向函數(shù)運算的時間;:構(gòu)造Lagrange插值多項式的時間.并且根據(jù)文獻111,可以推得不同運算量相對于有限域上模乘法運算量的比較關系如下:C毆舭29C般見CEC2tDD0.12CI眥(240C船見需要指出的是,在我們的方案中,通信量要略大于龐方案表1方案對比結(jié)果在龐方案中,他們指出在方案中是用RSA或者ELGamal密碼算法對通信消息做認證的.顯然最簡單的方法就是選擇一個大素數(shù)域的生成元,對消息m所做的承諾就是gmodn,且一共要對2n+mt一1個消息做認證.對龐方案計算量的統(tǒng)計即是以這種方式的認證和計算雙變量單向函數(shù)的時間為主的.在劉方案

17、中,對其計算量的統(tǒng)計是根據(jù)文獻9中的敘述進行2n+3t一1的:總共需要進行次模指數(shù)運算和ntn+8t一2次模乘運算(已經(jīng)忽略了方案中次對大數(shù)開方的計算量).由表可知,劉方案的通信量和計算量都很大,而且每次只能分享一個秘密.秘密份額的產(chǎn)生過程需要參與者之間進行四次交互,實現(xiàn)過程比較復雜.我們的方案在通信量上等于龐方案,但在計算量上要優(yōu)于龐方案,而且龐方案的秘密分配者事先要為每個成員秘密分發(fā)一個子秘密,要求存在安全信道來傳輸這些子秘密,實現(xiàn)這些要求則必然需要更大的計算量和通信量.綜上所述,我們方案的通信量要略大于龐方案,但計算量比龐方案小很多.與劉方案相比.我們的方案在通信量和計算量上都具有比較明

18、顯的優(yōu)勢.我們的方案不需要秘密分配者事先為每個成員秘密分發(fā)一個子秘密,成員的秘密都是由自己選擇的,這更符合實際應用情況.更為重要的是,我們的方案不需要安全信道來傳輸信息,攻擊者即使收集到所有中間信息也不能恢復出秘密.4總結(jié)本文基于橢圓曲線密碼體制以及Shamir門限體制設計了一個門限多重秘密分享方案.并且分析和討論了其安全性,證明了我們的方案是安全高效的,有效地解決了秘密更新和子秘密復用的問題,可以防止不誠實成員的欺詐,同現(xiàn)有的在線秘密分享方案(如文獻【9,【10)相比,方案計算量更小,交互次數(shù)更少,結(jié)構(gòu)更加簡單,具有一定的實用價值.(收稿日期:2006年11月)參考文獻:1SHAMIRA.H

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