可编程计算机控制器技术的发展与运用
自20世纪60年代末美国第一台可编程序控制器（Programming Logical Controller，PLC）问世以来，PLC控制技术已走过了30年的发展历程，尤其是随着近代计算机技术和微电子技术的发展，它已在软硬件技术方面远远走出了当初的"顺序控制"的雏形阶段。可编程计算机控制器（PCC）就是代表这一发展趋势的新一代可编程控制器。
与传统的PLC相比较，PCC最大的特点在于它类似于大型计算机的分时多任务操作系统和多样化的应用软件的设计。传统的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样处理方式直接导致了PLC的"控制速度"依赖于应用程序的大小，这一结果无疑是同I/O通道中高实时性的控制要求相违背的。PCC的系统软件完美地解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改。
基于这样的操作系统，PCC的应用程序由多任务模块构成，给工程项目应用软件的开发带来很大的便利。因为这样可以方便地按照控制项目中各部分不同的功能要求，如运动控制、数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等，分别编制出控制程序模块（任务），这些模块既独立运行，数据间又保持一定的相互关联，这些模块经过分步骤的独立编制和调试之后，可一同下载至PCC的CPU中，在多任务操作系统的调度管理下并行运行，共同实现项目的控制要求。
PCC在工业控制中强大的功能优势，体现了可编程控制器与工业控制计算机及DCS（分布式工业控制系统）技术互相融合的发展潮流，虽然这还是一项较为年轻的技术，但在其越来越多的应用领域中，它正日益显示出不可低估的发展潜力。
可编程序的逻辑控制器（PLC），是由Richard E.Morley 于1968年发明的，如今已经被广泛的应用于生产、运输、化学等工业中。当时的PLC以软式—连线逻辑或所谓的继电器梯形逻辑（RLL）代替HARDWIRED逻辑，程序的语言看起来像HARDWIRED逻辑，因此构造时间从6个月降到了6天。[Moody and Mrorley,1999]
虽然现在的PC控制已经开始得到应用，但由于PLC的高性能高效率和低价位以及高可靠性，使它仍然广泛应用于大多数工业控制中。而且，根据在PLC市场或Richard E.Morley的一项研究[1995]，一个每年1500万件PLC硬件营业额超过80亿美圆预言被证实，虽然计算机硬件的价格正稳定的下降。PLC的发明者，Richard E.Morley，认为PLC市场是一个40亿的行业。虽然PLC被广泛的应用于工业生产中，但是基于PLC控制系统的程序设计仍然非常依赖反复试验。PLC软件设计和软件工程一样面临着软件危机。Morley较多的强调了这个反面。
“如果房子像软件项目一样建造，一只啄木鸟就能破坏整个文明”。
尤其，在PLC程序设计过程中的实际问题是消除软件错误并且降低旧的梯形逻辑程序的维修费。虽然PLC的硬件成本正在连续下降，降低梯形逻辑的扫描时间仍然是工业应用中面临的一个问题，以便低成本的PLC能被使用。通常，在产生PLC过程中的生产力比其他领域低，例如，VLSI设计，有高效率的计算机辅助设计工具。现有的软件工程方法学对基于PLC的软件设计不一定适用，因为PLC语言需要同时考虑硬件和软件。所以现在的软件工程方法学对建立PLC的软件设计不是必然可用的。在许多工业设计应用中，超过50%的人力被预定为测试和检查PLC程序错误。
另外，当今的基于PLC的控制系统没有被正确的用于支持日益增多的对制造系统的灵活性和重新配置的需求。另外，一个更进一步的问题：推进系统的设计方法学的需要，是大规模的逐渐增加的软件复杂性。
这篇文章的目标是位PLC发展一种系统的软件设计方法学。设计方法学包括基于状态转移模型的高阶层的描述，如离散系统，一个梯形程序的自动化控制系统，而且提供指导指导达成一个成功的设计。这个课题的结果将寻找到在管理控制软件在开发过程中的错误，也就是说，减少经过模组化程序和调试时间和他们的变化，增加自动化系统的灵活性和促成软件可复用性。目标是克服单个软件开发者的经验的现行程序规划策略的缺点。
设计PLC软件的有效方法能克服在生产控制系统的程序设计传统的方式里的缺点，并且能够在工业生产中有广泛的应用。自动化控制系统被形式语言做模型，相等的状态机可能被分析是否达到被要求的目标。第二状态机描述提供一个结构化表示法传达合乎逻辑的需求和约束，像是详细的安全定则。第三，明确的控制系统设计结果有助于自动的代码产生。生产可运行的逻辑控制器上的控制软件能降低软件程序设计研制时间和人工成本。
用户驱动的制造业
在现代生产过程中，系统以产品和生产流程革新为特点，因此必须对改变系统要求迅速反应。主要的挑战是提供技术以能在变更需要和新的机会之后节俭的重新配置自动化控制系统。设计和操作的知识可能被使用，因此，在工业实践过程中给予了重要的竞争优势。
设计的自动化和软件的高质量
研究已经显示，在自动化系统过程中的程序设计方法学每能与计算机资源的迅速增加相配。例如，PLC的程序设计仍然是用梯形逻辑图解依赖一种常规程序风格。因此，延迟和资源是制造业发展的一块主要的绊路石。测试为PLC程序设计被分派的50%的人力。标准[IEC60848，1999；IEC611313，1993；IEC61499，1998；ISO15745-1，1999]已经成为固定并且广泛使用的最新型的设计方法，但是他们通常不能参加发展有效率的程序和系统的设计知识。
系统的方法将通过使用现有的新软件增加设计自动化的水平，并且提供方法使大规模系统设计容易。而且，它将会改良软件质量和可靠度，特别是危险的环境，例如飞机场控制和铁路。
软件产业被认为是一个绩效机构函数的产生器。硬件价格的下降损坏了软件性能的需要和效率。结果是庞大的低效率软件代码在速度上超过了硬件的性能。第二，软件到了难以控制大小的复杂性；软件重新设计和维护在现代化的自动化系统中几乎变得不可能。特别地，PLC程序已经在25年以前从一个光耦程序编码行进展到有输入/输出点的一个相似的数目数以千计的编码行。例如在增加安全放火墙上，现代自动化系统的灵活性给复杂性计划设计过程。从而，软件的生命周期费用是永久增长总费用的小部分。这些费用的80%～90%作为软件的维护，调整，适应和扩大满足不断变化的需求。
如今，大多数的设计研究的主要焦点以机械的或电气产品为基础。被计划的研究的副产品之一将提高我们的基本设计理论和方法学的理解，通过把它扩大到工程系统设计的领域。大规模和复杂系统的一个系统设计理论还没被完全发展。尤其，怎样简化一项错综复杂或者复杂的设计工作的问题没被以科学方式处理。而且，在设计理论和最新epistemological正式表现在计算机科学和运筹学的结果之间，例如模型化系统分离事件，将推动以后的工程设计。
从一个合乎逻辑的视角，PLC软件设计类似于集成电路的硬件设计。现代VLSI设计对数百万部分和3年发展一个产品时间感到极端的复杂。设计过程通常被分成一个组成部分设计阶段和一个系统设计阶段。在组成部分设计阶段，单个的功能被设计并且证实。在系统设计阶段，零部件和整个系统性能和功能被模拟测试。通常，一次完整的验证是不可能的。因此，一个有效的适合PLC设计的程序可能挤入合乎逻辑的硬件设计中。
图1.1说明以下论文的概要。第二章验证重要的挑战和研究的议题以及相关的背景和专有名词。它将表明PLC软件设计有系统的设计能有助于制造系统的更高的灵活性和重新配置能力。重要的议题是如何设计和操作系统在工程设计中处理复杂问题。
第三章在设计和PLC程序软件方面包括控制技术的练习。讨论软件工程以及计算机科学的那些潜在适用方法。正反两方面评价并且通过一新方法学习PLC软件设计的复杂性的结论。
第四章描述论文和设计方法学的必要的特征。虽然理论被认为是在一个预科学阶段，但它已经在机械的许多提议设计模型和他们的评估有关的软件和系统工程里发展。第二、三章的设计概念基于文学评论并且适用于PLC软件设计的上下文。因此对一篇特别的设计上下问没有限制，它为设计者提供指导，无须证明的设计被选择为设计概念的基础。为了要发展PLC软件设计的设计观念，设计程序被安排在一个顺序命令中并表现有关的设计结果。
在第五章，用许多实例证明发展设计方法学的应用性。例子有一个复杂的参考系统和ActiveX控制提供modularity并且使用一种网上的合作的程序设计。PLC软件的主要组成部分是结构上设计的模型化编辑，是个模拟编辑器。
