一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)方法

1、一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)方法1062007,43(21)ComputerEngineeringandApplications計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)電學(xué)院.上海2014182.復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)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(yàn)因素的影響,對(duì)設(shè)計(jì)階

5、段進(jìn)行更好的質(zhì)量控制,借助于面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)理論,對(duì)傳統(tǒng)的基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的PLC程序設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn).提出了一種面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)方法.使用UML建模工具,分別用類圖和狀態(tài)機(jī)視圖描述控制系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為,進(jìn)而把狀態(tài)機(jī)視圖轉(zhuǎn)化為梯形圖.通過把面向?qū)ο蠹夹g(shù)及UML引入傳統(tǒng)的PLC控制領(lǐng)域,既提高了PI程序設(shè)計(jì)的可靠性.也擴(kuò)展了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和UML的應(yīng)用領(lǐng)域.關(guān)鍵詞:可編程控制器:面向?qū)ο?統(tǒng)一建模語言;狀態(tài)機(jī)文章編號(hào):10028331(2007)21010602文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A中圖分類號(hào):1P3lll導(dǎo)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(jì)算機(jī)技術(shù)

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(diǎn).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(yīng)用中,梯形圖的設(shè)計(jì)往往是最主要的問題.梯形圖的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)與電氣控制設(shè)計(jì)思想相結(jié)合的產(chǎn)物.在設(shè)計(jì)方法上,與計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)和電氣控制設(shè)計(jì)既有相同點(diǎn),也有不同點(diǎn).對(duì)于典型的開關(guān)量邏輯控制系統(tǒng).傳統(tǒng)的梯形圖設(shè)計(jì)方法包括經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法,邏輯設(shè)計(jì)法和基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的設(shè)計(jì)方法等.這些設(shè)計(jì)方法由于普遍缺乏完善的設(shè)計(jì)方法學(xué)方面的理論基礎(chǔ),都有其各自的局限性和優(yōu)缺點(diǎn),所以在設(shè)計(jì)功能復(fù)雜的PLC梯形圖邏輯時(shí).往往需要較多地依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和技巧,這就為在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行質(zhì)量控制造成了困

7、難.而在計(jì)算機(jī)軟件領(lǐng)域,面向?qū)ο蠓椒▽W(xué)在理論上已經(jīng)形成完備的體系,在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)成為軟件設(shè)計(jì)的主流方法.本文嘗試把面向?qū)ο罄碚撘隤LC控制領(lǐng)域,把其應(yīng)用于PLC的軟件設(shè)計(jì)過程,改進(jìn)設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量控制.2面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)的基本原理在面向?qū)ο蟮姆椒▽W(xué)中,對(duì)象是現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體或概念在計(jì)算機(jī)邏輯中的抽象表示.對(duì)象是具有唯一對(duì)象名和固定對(duì)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(shí)世界問題的一個(gè)或一組因素.對(duì)象的屬性表示了它所處的狀態(tài),而對(duì)象的操作則用來改變對(duì)象的狀態(tài)以達(dá)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(dòng)作或活動(dòng).面向?qū)ο蟮膯栴}求解,就是力圖從實(shí)際問題中抽象出這些封裝了

8、屬性和操作的對(duì)象.把面向?qū)ο蟮姆椒▽W(xué)應(yīng)用于PLC程序設(shè)計(jì),關(guān)鍵是在具體的應(yīng)用系統(tǒng)中查找和發(fā)現(xiàn)對(duì)象,然后設(shè)計(jì)這個(gè)對(duì)象的屬性和操作,對(duì)對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行分析.屬性對(duì)應(yīng)于PLC系統(tǒng)的傳感器等輸入部件的狀態(tài),操作對(duì)應(yīng)于PLC系統(tǒng)對(duì)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(yīng)用于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)分析和設(shè)計(jì)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(jī)視圖是描述系統(tǒng)的動(dòng)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(jī)視圖可以有效地描述PLC系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)基金項(xiàng)目:上海市教委青年基金項(xiàng)目(No.04DC31).作者簡(jiǎn)介:張崇明(1

9、973一),男,講師,博士生,研究領(lǐng)域?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用,數(shù)據(jù)挖掘;汪春梅,副教授,博士生;周毅,高級(jí)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(shè)計(jì)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(qǐng)參閱文獻(xiàn)2lI3lI4】.3面向?qū)ο蟮腜LC程序設(shè)計(jì)步驟和實(shí)例下面以一個(gè)簡(jiǎn)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(shè)計(jì)方法.這是一個(gè)人工控制開關(guān)門的半自動(dòng)壓縮裝置,其基本工作過程是:裝置剛上電時(shí).門處于打開狀態(tài);操作人員放人垃圾后關(guān)上門,馬達(dá)驅(qū)動(dòng)壓板向下運(yùn)動(dòng).進(jìn)入垃圾壓縮狀態(tài);壓縮到一

10、定位置,遠(yuǎn)端限位開關(guān)被觸發(fā).停止壓縮,馬達(dá)驅(qū)動(dòng)壓板向上運(yùn)動(dòng);壓板運(yùn)動(dòng)到一定位置.近端限位開關(guān)被觸發(fā),壓板停止運(yùn)動(dòng);操作人員打開門取走垃圾整個(gè)垃圾壓縮裝置可以被識(shí)別和建模為一個(gè)對(duì)象.該對(duì)象有3個(gè)屬性:門,遠(yuǎn)端限位開關(guān),近端限位開關(guān).該對(duì)象有2個(gè)操作:馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn),馬達(dá)方向控制.用UML中的類圖表達(dá),如圖1所示.垃圾壓縮裝置一門一遠(yuǎn)端限位開關(guān)一近端限位開關(guān)+馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)()+馬達(dá)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(guān)閉),遠(yuǎn)端限位開關(guān)(觸發(fā),未觸發(fā)),近端限位開關(guān)(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(gè)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(jī)視圖表達(dá).如圖2所示.圖2垃圾壓縮裝置的狀態(tài)機(jī)視圖下一步就是根據(jù)狀態(tài)機(jī)視圖為PLC編寫梯形圖程序了.以國(guó)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(gè)工作狀態(tài)分別用輔助繼電器2000020003存儲(chǔ).梯形圖程序如圖3所示.程序中使用了置位指令SET和復(fù)位指令RSET進(jìn)行狀態(tài)的切換.有些型號(hào)的PLC沒有提供置位和復(fù)位指令.但都有實(shí)現(xiàn)置位和復(fù)位指令功能的變通辦法.具體實(shí)現(xiàn)請(qǐng)參閱相關(guān)的技術(shù)資料.從本例可見.使用這種面向?qū)ο蟮乃悸吩O(shè)計(jì)PLC軟件系統(tǒng)的基本步驟是:識(shí)別對(duì)象;確定對(duì)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(wù)流程確定需要的

12、狀態(tài)數(shù).畫出狀態(tài)機(jī)視圖:在每個(gè)狀態(tài)下完成確定的操作.根據(jù)狀態(tài)機(jī)視圖畫出梯形圖.這種設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)的基于狀態(tài)的設(shè)計(jì)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(shù).所以設(shè)計(jì)思路更為清晰.設(shè)計(jì)過程更有章可循.對(duì)傳統(tǒng)的基于狀態(tài)的設(shè)計(jì)20o0o0()Ooo圖3垃圾壓縮裝置的梯形圖程序4復(fù)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(shè)計(jì)方法完成都比較簡(jiǎn)單.在實(shí)際應(yīng)用中,PLC經(jīng)常被用在一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)中.例如在一個(gè)PLC控制的柔性制造系統(tǒng)中,同時(shí)進(jìn)行幾種不同規(guī)格零件的加工.在多個(gè)零件的加工過程中.某一個(gè)機(jī)械手需要同時(shí)為不同的加工工序服務(wù),多個(gè)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(gè)對(duì)象,則該軟件系統(tǒng)就包括多個(gè)對(duì)象.這些對(duì)象之間不是孤立的.他們之間存在一定的時(shí)序關(guān)系和資源競(jìng)爭(zhēng).傳統(tǒng)的狀態(tài)機(jī)由于缺乏表達(dá)對(duì)象間層次性和時(shí)序關(guān)系的能力,并不適合對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)建模.面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)理論卻完全適用于復(fù)雜系統(tǒng).對(duì)一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)建模時(shí).使用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)技術(shù).可以用類的繼承表達(dá)層次關(guān)系.構(gòu)建一個(gè)對(duì)象樹.從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問題的分解.因此.在PLC軟件設(shè)計(jì)中.可以借鑒面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計(jì)理論.引入分層的思想.對(duì)于上文柔性制造系統(tǒng)的例子.可以用若干主狀態(tài)表達(dá)不同零件加工工序之間的時(shí)序關(guān)系,而在一個(gè)主狀態(tài)中設(shè)計(jì)若干子狀態(tài).用子狀態(tài)表達(dá)某種零件的加工工序.假設(shè)該柔性制造系統(tǒng)

14、需要加工兩種零件.每個(gè)零件的加工工序?qū)?yīng)一個(gè)主狀態(tài).可以根據(jù)零件的加工優(yōu)先級(jí)和某些傳感器等輸入部件的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)主狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換.具體如圖4所示.圖4狀態(tài)機(jī)的分層設(shè)計(jì)在面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)中.類的某個(gè)方法的具體實(shí)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(shè)計(jì)PLC程序時(shí),在某一個(gè)層次的狀態(tài)內(nèi)部.也可以使用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ),借助于面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計(jì)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(jì)算速度,而且不用儲(chǔ)存任何中間數(shù)據(jù),降低了對(duì)存儲(chǔ)量的要求.(6)方案可以同時(shí)分享多個(gè)秘密,而且與分享一個(gè)秘密時(shí)的計(jì)算量相當(dāng),只是構(gòu)造的多項(xiàng)式的次數(shù)有所增加但對(duì)計(jì)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(jìn)行交互計(jì)算,簡(jiǎn)化了方案的組成結(jié)構(gòu),降低了計(jì)算量,提高了方案的執(zhí)行效率.,對(duì)本文的方案同劉方案(文獻(xiàn)【9)以及龐方案(文獻(xiàn)【10)在計(jì)算量和通信量上都做了相應(yīng)的比較.首先,為了方便敘述,給出一些基本符號(hào)描述:C:表示在有限域上做模乘運(yùn)算的時(shí)間;C:表示在有限域上做模指數(shù)運(yùn)算的時(shí)間;C:表示在橢圓曲線上做點(diǎn)乘運(yùn)算的時(shí)間

16、;:在橢圓曲線上做點(diǎn)(倍)加運(yùn)算的時(shí)間;C:做雙變量單向函數(shù)運(yùn)算的時(shí)間;:構(gòu)造Lagrange插值多項(xiàng)式的時(shí)間.并且根據(jù)文獻(xiàn)111,可以推得不同運(yùn)算量相對(duì)于有限域上模乘法運(yùn)算量的比較關(guān)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(duì)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(duì)通信消息做認(rèn)證的.顯然最簡(jiǎn)單的方法就是選擇一個(gè)大素?cái)?shù)域的生成元,對(duì)消息m所做的承諾就是gmodn,且一共要對(duì)2n+mt一1個(gè)消息做認(rèn)證.對(duì)龐方案計(jì)算量的統(tǒng)計(jì)即是以這種方式的認(rèn)證和計(jì)算雙變量單向函數(shù)的時(shí)間為主的.在劉方案

17、中,對(duì)其計(jì)算量的統(tǒng)計(jì)是根據(jù)文獻(xiàn)9中的敘述進(jìn)行2n+3t一1的:總共需要進(jìn)行次模指數(shù)運(yùn)算和ntn+8t一2次模乘運(yùn)算(已經(jīng)忽略了方案中次對(duì)大數(shù)開方的計(jì)算量).由表可知,劉方案的通信量和計(jì)算量都很大,而且每次只能分享一個(gè)秘密.秘密份額的產(chǎn)生過程需要參與者之間進(jìn)行四次交互,實(shí)現(xiàn)過程比較復(fù)雜.我們的方案在通信量上等于龐方案,但在計(jì)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(gè)成員秘密分發(fā)一個(gè)子秘密,要求存在安全信道來傳輸這些子秘密,實(shí)現(xiàn)這些要求則必然需要更大的計(jì)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(jì)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(jì)算量上都具有比較明

18、顯的優(yōu)勢(shì).我們的方案不需要秘密分配者事先為每個(gè)成員秘密分發(fā)一個(gè)子秘密,成員的秘密都是由自己選擇的,這更符合實(shí)際應(yīng)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(fù)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(shè)計(jì)了一個(gè)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(fù)用的問題,可以防止不誠(chéng)實(shí)成員的欺詐,同現(xiàn)有的在線秘密分享方案(如文獻(xiàn)【9,【10)相比,方案計(jì)算量更小,交互次數(shù)更少,結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,具有一定的實(shí)用價(jià)值.(收稿日期:2006年11月)參考文獻(xiàn):1SHAMIRA.H

19、owtoshareasecrel:J.ACM,1979,24(11):612-613.2BlakleyGtLSafeguardingcryptographickeysC/ProcAFIPS1979NatlConf.NewYork.1979:313317.3AsmuthC,BloomJ.AmodularapproachtokeysafegrardingJ.IEEETransactionsonInformationTheory,1983,29(2):208210.4KarninED,GreenJW,HellmanME.OnsharingsecretsystemJ.IEEETransactionso

20、nInformationTheory,1983,29(1):35-41.5許春香,陳凱,肖國(guó)鎮(zhèn).安全的矢量空問秘密共享方案J.電子,2002,30(5):715718.6ChanYeobYeun.Mitchel1CJ.Howtoidenti-allcheateriinchSschemeC/JW1S98.Singapore:JapanSingaporeJointWorkshoponInformationSecurity,1998.7吉文峰,金晟柱.利用雜湊函數(shù)的在線秘密分享機(jī)制J.電子,2003,31(1):4547.8黃梅娟,張建中.基于離散對(duì)數(shù)的在線秘密分享方案叨.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2005,41(25):127128.9劉鋒,張建中.一個(gè)完善的可公開驗(yàn)證秘密分享方案J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2006,23(5):9697.【1O】龐遼軍,柳毅,王育民.