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摘要：TRIZ功能分析基于系统论思想分析、认识和考察对象，使用TRIZ问题分析工具之一功能分析来剖析工业中常用控制器PLC的结构和功能，助力学习者从创新方法论角度深刻理解PLC功能，助力其养成使用创新思维去思考问题，使用创新方法去解决问题的习惯。
关键词：系统论；TRIZ功能分析；PLC结构和功能
本文引用格式：宋飞燕,等.使用TRIZ问题分析工具——功能分析剖析PLC结构和功能[J].教育现代化,2019,6(21):120-122.
一 引言
PLC可编程控制器，是自动化系统中一种重要的控制设备，被广泛应用在钢铁、冶金、石油、化工、汽车、电子、轻工、机械、国防等领域，对于自动化类学生而言，学好PLC课程非常重要。
TRIZ，即发明问题解决理论，经过60多年的发展演化，其主要内容和理论体系已经非常庞大而完备，经实践证明，其在解决实际问题特别是发明问题时，行之有效。将TRIZ理论融入到PLC专业课的学习中，来帮助学习者建立创新思维和创新方法论，以期在后期工作岗位中习惯使用创新思维去思考问题，使用创新方法解决问题。
二 TRIZ功能分析
TRIZ理论是基于系统论的。系统论包括系统思维的建立建模和系统方法的应用研究。系统思维就是把认识对象作为系统，从系统和要素、要素和要素、系统和环境的相互联系、相互作用中综合地考察认识对象的一种思维方法。系统方法是把对象作为系统进行定量化、模型化和择优化研究的科学方法。
TRIZ系统功能分析是对系统功能进行建模的过程，分析的结果是建立功能模型，明确功能关系，改善功能结构。TRIZ功能分析是现代TRIZ理论中一个非常重要的分析问题的工具，是后续许多工具，如因果链分析、功能导向搜索等的基础，是世界上许多著名大企业中应用最为广泛的TRIZ工具。
TRIZ功能模型用矩形框表示系统功能（组件），用箭头表示功能（组件）之间的逻辑（作用）关系，从系统具体的组件角度来分析系统，分析每一个组件实现功能的能力如何。使用功能分析进行建模，我们需要明确几个概念。
（一）系统
系统由若干要素（物质组件）以一定的结构形式联结构成，为满足人们的需要而实现某种功能的有机整体。系统包括工程系统和超系统。工程系统就是我们整体的研究对象，比如我们要研究西门子S7-200PLC CPU模块或者S7-200PLC控制三相异步电动机系统。超系统是包含被分析的工程系统的系统，在超系统中，我们所要分析的系统只是其中的一个组件。比如，啤酒厂罐装车间啤酒瓶传送带单元，可以视为“S7-200PLC控制三相异步电动机系统”的超系统。工程系统和超系统的划分没有严格的界限，完全取决于项目的需要。
（二）要素
要素又称为组件，是工程系统或超系统的组成部分，要执行一定的功能。这些组成部分是广义上的物体，是指物质、场、或物质与场的组合。物质是指具有静质量的物体，场指没有静质量，是可以在物质之间传递能量的实体。比如，研究自行车，则车轮、车把、车架、传动链条、脚蹬等都是组件，是物质；其超系统、地面、人是物质，但风场、热场、重力等没有质量，但能传递能量，也是组件。
再如，我们要研究西门子S7-200 PLC，可选定CPU224CN控制电机起停系统为工程系统（或技术系统），那么，CPU224CN、主令电器、继电器、接触器、三相异步电动机、PC机（编程器）、通讯电缆等，都是组件；考虑到系统运行和维护，那么环境中温度场、湿度场、电磁场等，也是组件。
（三）功能
功能是研究对象能够满足人们某种需要的一种属性，表现为改变了物质对象的某种状态（参数）的作用。我们分析功能的时候，要首先考虑这种设备（或系统）为满足某种，需要具备什么属性？功能是如何执行的？
功能的描述方式（图1），包括功能的载体、功能的对象和作用。载体是指执行功能的组件。对象是指某个参数由于功能的作用而得到了保持或发生了改变的组件，即接受功能的组件。参数是组件可以比较、测量的某个属性，比如温度、位置、重量、长度等。
例如，车移动人，就是一个正确的描述；热水器烧水就是正确的描述；头盔保护头部，就不是一个正确的描述，是一个日常用语。原因是头盔和头都是物质，二者之间也存在相互作用，但是，功能的载体却并没有改变头部的参数，头的硬度、参数都没有改变。正确的功能描述应该是挡住子弹。头盔这个功能的载体，改变了子弹这个功能对象的运动轨迹和速度。正确地描述了功能，那么在后来的头盔设计和改造的项目中，将会把重点放在如何更加有效地使头盔挡住子弹上面。
（四）结构
组件间是否存在相互作用关系。两个组件相互接触了，就存在相互作用。这里的作用包括有用作用和有害作用，有用作用又可分为充分、不足和过度三种作用。
明确了以上概念，我们还需要明白系统必备的三个条件：
至少有两个或两个以上的要素（组件）组成；要素之间相互联系、相互作用、相互依赖和相互制约，按照一定的方式形成一个整体（呈现系统要素的关联性）；整体具有的功能是各要素的功能所没有的（呈现整体性、非加和性）明确了以上概念后，我们可以使用功能分析进行建模了，具体步骤包括组件分析、相互作用分析和功能模型绘制。限于篇幅，我们这里不再做实例训练。通过建模，我们可以有效地识别系统和超系统组件的功能和它们的特点，并能分析其成本。可为后续的剪裁、因果链分析等提供降低成本、提高功能、挖掘缺点等系统分析基础。
三 使用TRIZ功能分析对PLC进行建模
国际电工委员会（IEC）对PLC的定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”简言之，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机。PLC结构组成图（图2）。
根据Triz功能分析的步骤，我们对其进行功能建模，得到功能模型如图3所示。
根据以上功能模型的建模，我们理解到这样的一层含义：PLC工作目标是要控制输出设备工作，故我们把输出设备作为此技术系统的控制对象。工作时，CPU是核心部件，其定期扫描读取输入接口的状态，写入存储器中；然后根据存储器的状态，执行和处理存储器中的程序，将程序处理结果送往输出接口。输入接口的信号，来自PLC的超系统组件输入设备；输出接口外面连接输出设备。如果有其他智能设备和CPU建立通讯，则二者之间通过通讯接口进行数据交换，如果基本单元外接了扩展单元，那么扩展单元和CPU间进行数据交换需通过扩展接口。
但是，分析此功能模型，我们发现一个问题，就是存储器的作用比较模糊，既有存输入信号的，又有存程序的。实际上，存储器是要分区，再建模，才好剖析透彻PLC的功能。故，我们先以S7-200 PLC为例，来分析其存储器的分区情况，再来重新构建功能模型。
四再用功能分析工具解构PLC基本单元结构和功能
要透彻理解PLC模块的基本功能，就需要研究PLC存储器的分类和功能，见表1所示。理解了存储器的细分和功能之后，我们再次构建PLC的功能模型，得到图1-6所示模型。我们再重新分析一下PLC的功能：PLC通过输入接口接收来自外部输入设备送来的各种状态或主令信号，存入输入映像寄存器；CPU从存储器中逐条读取用户程序，取用输入映像寄存器中的数据，在系统区规定的配置信息下，使用系统程序存储区的指令解释程序、管理程序等按指令规定的任务进行数据传递、逻辑运算或数字运算，之后，CPU根据运算结果，更新有关标志位的状态和输出映像寄存器的内容，再经由输出接口或通讯接口实现输出控制、制表打印或数据通信等功能。
比较图3、4所示的两个功能模型，第二个有助于我们深刻理解PLC的结构和功能。显然，对系统做功能分析，建模功能模型，需要对功能进行深挖，以对系统有一个全面细致的认知。
五结束语
TRIZ理论从经典理论发展到现代TRIZ，应用的三大步骤不变，分别是问题识别、问题解决和概念验证。各阶段可以使用的工具非常多，功能分析只是其中之一，但是它是很多工具的基础。将TRIZ理论教学融合到专业课教学中，是高职教育教学改革的一种思路
参考文献
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