工业控制程序的架构设计：从单机到系统的框架思维
单机设备的经典框架通常采用“状态机+模式管理”结构。设备被抽象为有限状态机：初始化、待机、手动、自动、报警等离散状态，状态转移由明确的条件触发。模式管理则分为手动模式（调试维护用）、自动模式（正常生产用）和维修模式（特殊操作用）。这种架构的核心优势在于逻辑清晰，任何时刻设备的状态都是确定的，便于操作人员理解和故障诊断。典型的实现方式是在程序开头设置状态判断模块，后续的所有控制逻辑都基于当前状态分支执行。
多设备协同的系统架构需要引入“任务调度”概念。当多个执行机构需要按特定顺序和时序工作时，简单的顺序控制已不足以应对复杂性。此时应采用任务分解方法，将整个工艺流程分解为独立的任务单元，每个任务包含预备条件、执行动作、完成条件和异常处理。任务调度器负责监控各任务状态，根据工艺配方动态调度任务执行顺序。这种架构特别适合批处理过程，如化工反应釜控制、食品混合加工等，能够灵活适应不同产品的生产需求。
分布式系统的通信架构是现代自动化系统的关键。当控制系统由多个PLC、远程IO站、智能设备组成时，需要设计清晰的通信架构。通常分为三层：现场层（实时控制数据）、控制层（设备间协调数据）、信息层（生产管理数据）。不同的数据对实时性要求不同，现场层数据要求毫秒级传输，常使用PROFINET IRT或EtherCAT等实时以太网协议；信息层数据则可容忍秒级延迟，采用标准TCP/IP协议。程序架构中必须明确各数据交换点的更新机制，避免通信阻塞或数据不同步。
故障安全架构是工业系统的生命线。在架构层面设计故障处理机制比在代码中修补更为有效。这包括：分级报警系统（预警、轻故障、重故障）、紧急停机回路（独立于PLC的硬线安全回路）、灾难恢复机制（重要参数自动备份）以及“安全状态”定义（故障时设备应进入的预设安全姿态）。高级架构还会包含冗余设计，如CPU冗余、电源冗余、网络冗余，确保关键过程不因单点故障中断。这些架构决策需要在项目初期确定，因为它们直接影响硬件选型和程序整体结构。
