Стандартные языки программирования ПЛК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«КАМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ИНЖЕНЕРНО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине «Интегрированные системы проектирования и управления»

На тему «Стандартные языки программирования ПЛК»

Выполнил:

Хаметов Н.И.

Проверил:

Зиятдинов Р.Р.

Набережные Челны, 2012

• Содержание

Введение

1. Архитектура ПЛК

2. Требования к языкам программирования для ПЛК

3. Выбор комплекса и языка

4. Языки пакета CoDeSys для ПЛК

4.1 Язык LD

4.2 Язык FBD

4.3 Язык IL

4.4 Язык ST

4.5 Язык SFC

Заключение

Список литературы

Введение

Программируемый логический контроллер (ПЛК) или программируемый контроллер -- электронная составляющая промышленного контроллера, специализированного (компьютеризированного) устройства, используемого для автоматизации технологических процессов. ПЛК был разработаны для замены релейно-контактных схем управления, собранных на дискретных компонентах - реле, таймерах, счетчиках, элементах жесткой логики. Принципиальное отличие ПЛК от релейных схем заключается в том, что в нем все алгоритмы управления реализованы программно. При этом надежность работы схемы не зависит от ее сложности. Использование ПЛК позволяет заменить одним логическим устройством любое необходимое количество отдельных элементов релейной автоматики, что увеличивает надежность системы, минимизирует затраты на ее тиражирование, ввод в эксплуатацию и обслуживание. ПЛК может обрабатывать дискретные и аналоговые сигналы, управлять клапанами, сервоприводами, преобразователями частоты и осуществлять регулирование.

Законченное изделие, имеющее физические входы, выходы, интерфейсы и человеко-машинный интерфейс. Отличие ПЛК от контрольно-измерительных приборов заключается в отсутствии жестко прописанного алгоритма работы. За счет этого на ПЛК можно реализовывать практически любые алгоритмы управления, но сам алгоритм управления должен создать непосредственно пользователь контроллера. Для создания алгоритма, его тестирования и записи в контроллер используется среда программирования.

1. Архитектура ПЛК

Как правило, многие контроллеры имеют закрытую структуру, т.е. программируются софтом от производителя ПЛК. Так, например, ПЛК Сименс программируются только с помощью Step7, Step7 Microwin или Logo Comfort, а ПЛК Шнейдер программируются только с помощью Unity или Concept.

Закрытую структуру ПЛК имеют контроллеры Мицубиши, Омрон, ABB, GE Fanuc и многие другие. Практически все приличные фирмы создают закрытые протоколы и системы с платной средой разработки.

Несмотря на это существуют программируемые логические контроллеры с открытыми или полуоткрытыми платформами, на них предустановленны такие ОС, как WindowsCE, VxWorks, Linux, либо они основываются на процессорах фирм Моторола, Интел, Инфинеон, Атмел, Хитачи, PowerPC и др. Такие ПЛК могут программироваться различным ПО, например, CoDeSys. Пример: ПЛК - Овен ПЛК или ADAM.

Несмотря на разнообразие программного обеспечения и реализаций ПЛК, языки программирования ограничены стандартом МЭК 61131-3. Это сделано не из праздной необходимости все унифицировать, а более с целью сохранить некоторые стандартные подходы к программированию контроллеров.

Наиболее выделяются пять видов языков программирования:

- LD (LAD, ladder diagram, по-немецки: KOP, kontakt plan, по-русски: РКС, релейно-контакторная схема, контактный план, лестничная диаграмма) 45.50%

- FBD (functional block diagram, диаграмма функциональных блоков) 24.64%

- IL (instruction list, STL, statement list, язык инструкций; очень похож на ассемблер, но очень своеобразен) 8.53%

- SFC (series functional charts, последовательные функциональные диаграммы, язык графов) 0.47%

В процентах указаны результаты голосования, проведенного на инженерном проекте (участие приняло более 200 человек). Которые показывают предпочтения практически половины аудитории к РКС(LAD,LD), что он заслужил своей наглядностью и легким созданием понятных широкой аудитории алгоритмов. Но все же он не занял абсолютное большинство, что означает необходимость рассмотрения производителями программируемых логических контроллеров поддержки и других языков.

Наименьшее количество голосов получил SFC, широкое применение которого существует на начальной станции проектирование (на бумаге), наверно многие специалисты вспомнят простыни алгоритмов «математики» различных установок. Редкое настоящее его использование вызвано развитием FBD, где можно использовать уже готовый блок либо создать свой, а не расписывать алгоритм отдельной функции в общем коде.

Кроме того чуть более 10% выбрали вариант «другой», что говорит о новых решениях, ждущих нас в будущем. Молодые посетители форума инженеров связывают их с растущей армией программистов на С++ и Java, но бывалые специалисты в автоматизации скептически относятся к этому в ближайшей перспективе.

2. Требования к языкам программирования для ПЛК

Наглядное описание автоматизируемых технологических процессов (ТП) и дальнейшая отладка в терминах исходного описания; мобильность - способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы; эффективное исполнение программы в реальном времени (РВ).

Наглядность описания определяется характером объекта и следующими задачами по управлению объектом.

Задачи параллельной обработки большого числа логических контуров (сотен и тысяч) с обработкой исполнительных действий при наступлении тех или иных событий. В основе логического контура лежит проверка истинности логической функции от нескольких переменных, а событие равнозначно истинности этой функции. Задачи такого рода характерны, например, для таких технологических объектов, как электростанции, химические производства и производства по переработке нефти. Задача адекватно и наглядно описывается системой булевых уравнений. Все языки стандарта, за исключением SFC, хорошо подходят для описания подобных задач, поскольку они или содержат в себе средство представления булевых функций (языки IL, ST), или являются графической формой их отображения (языки LD, FBD).

Задачи управления процессом, проходящим в своем развитии через ряд состояний (шагов, стадий). Переход от одного состояния к другому происходит по событиям, формируемым по сигналам датчиков процесса. Такие задачи управления возникают, например, при управлении транспортно-складскими системами, агрегатными станками, робототехническими комплексами, характерны они и для объектов, перечисленных в п. 1, в частности, при пуске и останове турбины и др. Задачи данного типа наиболее наглядно представляются автоматными моделями. В стандарте такая модель строится с использованием языка SFC (разметка состоянии, логика управления) и любого другого языка (описание действии, связанных с состоянием, и событий, предписывающих смену состояний). Заметим, что подобные задачи могут быть полностью представлены с помощью других языков стандарта, например языка FBD с использованием элементов памяти - триггеров, но в этом случае автоматная модель будет выражена неявно.

Задачи автоматического регулирования (ПИД-законы, нечеткое управление и т. д.) встречаются практически везде. Здесь, как правило, используются библиотеки заранее разработанных компонентов - графических блоков для языков LD и FBD и подпрограмм для языков ST и PL.

Задачи управления распределенными технологическими объектами, оптимизационные, а также задачи, связанные с интеллектуальным анализом данных. Задачи такого типа решаются в сложных технологических объектах типа химических производств. Здесь в качестве средств адекватного описания могут использоваться языки ST, универсальные типа С, С++, Паскаль, сценарные типа Visual Basic, объектно-ориентированные типа Java.

Мобильность языков, т. е. способность к переносу на различные аппаратные и операционные платформы, может поддерживаться для языков стандарта в случае использования пакета от одного разработчика. Это связано с невозможностью сосуществования в одной разработке программ на одинаковых языках от разных поставщиков, так как требования стандарта IЕС 61131-3 носят рекомендательный характер, а значит, приводят к различиям в реализации языков у разных производителей.

Эффективное исполнение в РВ дает ответ, насколько быстро сможет отреагировать система управления (ПЛК) на происшедшее событие. Обычно используется понятие «временной цикл», т. е. заранее задаваемый интервал времени, например, в диапазоне 10...300 мс, в течение которого ПЛК сможет гарантированно отреагировать на входное воздействие. Для обеспечения более быстрой реакции служат так называемые инициативные сигналы, которые обрабатываются по прерыванию (от десятков до сотен микросекунд).

Для широкого круга приложений задача обеспечения требуемого временного цикла решается достаточно легко благодаря высокому быстродействию процессоров, используемых в ПЛК. Haпример, в контроллерах Modicon применяются процессоры компании Intel от Intel 286 до Pentium. Тем не менее, здесь есть одна проблема: неэффективное использование процессора при управлении объектами, в которых осуществляется в основном обработка логической информации, при которой используется только один разряд из 32. Если найти решение этой проблемы, то, по крайней мере, можно будет понизить класс применяемого процессора, что выгодно по экономическим соображениям.

Согласно требованиям стандарта, не предопределенные объекты должны иметь имя и тип, объявленные программистом, предопределенные объекты распределяются на три зоны: зону памяти (%М), зону входов (%1) и зону выходов (%Q). Объектами могут быть: биты (X), байты (В), слова (W), двойные слова (D), «длинные» слова (L) - 64 бита

Ограничения стандарта: не фиксируется имя задач; размер графического редактора оставляется на выбор пользователя; нет минимального количества функций, готовых к реализации, но если используется имя по стандарту (функциональный блок и т. п.), то оно должно соответствовать стандарту; сервисные утилиты и средства разработки и отладки приложения (редакторы, языки, документирование и т.п.) не определены; нет точных правил выполнения программы (например, для функциональных блоков); не описана конвертируемость языков. Сертификат IЕС 61131-3 на сегодня не существует, нет определенного «класса соответствия». Каждый разработчик, объявивший свое соответствие норме, должен представить документацию таблиц соответствия, а также список дополнительных расширений.

Преимущества стандарта для конечных пользователей состоят в том, что уменьшается стоимость обучения, пользовательские приложения однородны, структура программ идентична, используются предопределенные объекты и т. п. Разнообразие стандартных языков позволяет каждую функцию приложения запрограммировать наиболее подходящим для данной задачи языком.

Следование стандарту позволяет разработчикам ПЛК обеспечить соответствие разработки техническим требованиям, предъявляемым потребителями, и даже ввести дополнительные функции.

3. Выбор комплекса и языка

Стандарт определяет языки программирования, синтаксис, вид объектов, структуру ПО, объявление переменных.

Программирование логики ведется с применением языков SFC, LD, FBD, PL, ST, а также дополнительных интерактивных редакторов для описания переменных, определений и конфигурации ввода/вывода.

Все языки программирования контроллеров взаимоувязаны - для них стандарт определяет единые модели ПО, связных функциональных блоков и модель собственно программирования. Стандартизированы общие элементы этих языков и, прежде всего, используемые символы, типы данных и переменные. Определены функции и функциональные блоки, их декларации, наборы стандартных функций и функциональных блоков, понятия программ на этих языках. Стандарт определяет и такие общие элементы, как конфигурации, ресурсы, пути доступа, задачи. Все это дает возможность программирования на любом из этих языков с обеспечением генерации кодов единой программы. Языки программирования определены в стандарте таким образом, что допускают разработку приложений на их смеси, которая впоследствии собирается в единую исполняемую программу. Кроме того, стандарт открыт для использования других языков программирования. И наконец, в стандарте рассмотрена специфика каждого из языков.

Ведущие изготовители ПЛК, опираясь на собственные фирменные наработки в плане инструментального программного обеспечения и поддержавшие стандарт МЭК 61131-3, используют с различными вариациями один или несколько комплексов. В каждом из них есть свои «плюсы» и «минусы». Поэтому предпочтение тому или иному инструменту программирования диктуется в основном предыдущим накопленным опытом.

Наибольшей популярностью все-таки пользуется комплекс CoDeSys, который насчитывает более 150 адаптации, не противоречащих стандарту МЭК, но учитывающий фирменные особенности.

CoDeSys (Controllers Development System) представляет проектировщику удобную среду для программирования контроллеров на языках МЭК. Используемые редакторы и отладочные средства базируются на широко известных принципах.

4. Языки пакета CoDeSys для ПЛК

4.1 Язык LD

Язык LD - графический язык, основанный на принципах релейно-контактных схем (элементами релейно-контактной логики являются: контакты, обмотки реле, вертикальные и горизонтальные перемычки и др.) с возможностью использования большого количества различных функциональных блоков.

Язык релейных схем существует со времен Т. Эдисона и адаптирован к ПЛК в начале 70-х годов прошлого века. Впервые появился в пакетах программирования ПЛК компаний Allen-Bradly и Modicon. Символика этого языка была заимствована из проектирования в области электротехники.

Достоинствами языка LD являются: представление программы в виде электрического потока (близок специалистам по электротехнике), наличие простых правил, использование только булевых выражений. Язык LD имеет большой круг пользователей, рационален для ручной оптимизации специфических критических мест кода.

4.2 Язык FBD

Язык FBD - это полностью графический язык высокого уровня, обеспечивающий управление потоками данных, включающих все типы. Позволяет использовать очень мощные алгоритмы простым вызовом функций и функциональных блоков, имеет большую библиотеку блоков, удовлетворяет непрерывным динамическим процессами, хорош для сложных вещей подобно ПИД-регуляторам (ПИД - пропорционально-интегрально-дифференциальньш регулятор, PID-регулятор), массивам и т. д.

FBD заимствует символику булевой алгебры и, так как булевы символы имеют входы и выходы, которые могут быть соединены между собой, FBD более эффективен для редставления структурной информации, чем язык релейно-контактных схем.

FBD замечателен для небольших приложений.

4.3 Язык IL

Язык IL является языком низкого (машинного) уровня, что существенно облегчает, например, условный или безусловный вызов функциональных блоков и функций, выполнение назначений и условных или безусловных переходов внутри секции, похож на Ассемблер. Язык IL позволяет создавать высокоэффективные и оптимизированные функции. Его можно рекомендовать для написания наиболее критических мест в программе.

Ассемблероподобные языки использовались для программирования компьютеров в 50-е годы XX века и все еще предлагаются некоторыми изготовителями ПЛК, особенно программистами, поддерживающими микроРС. Корни языка IL лежат в языке STEPS компании Siemens. IL можно программировать с помощью любого текстового редактора.

4.4 Язык ST

Язык ST является языком высокого уровня (типа Паскаля). Был популярен в середине 70-х годов XX века для сложных компьютерных приложений. Служит для создания процедур со сложной логикой. Может использоваться как в главных программах, так и в теле функции или FBD, а также для описания действий внутри элементов редакторов SFC или Flow Chart. Обладает высокой читабельностью исходного кода: ключевые слова, такие, как AND, OR, NOT, ГЕ, THEN, ELSE, WHILE (и т.д.) легко понимаемы.

4.5 Язык SFC

Язык SFC предложен в 1979 году (его прототипом является язык brafcet компании Telemecanique, стандарт IЕС 848) как графический язык, предназначенный для описания функций последовательных операции и позволяющий ясное и однозначное определение желаемого поведения системы управления. Отличается строгим математическим определением, (каждое операционное состояние может быть декодировано с очень небольшим анализом). Удобен для описания, как последовательных процессов, так и пакетных или параллельных процессов, легко комбинируется с другими языками (язык спецификаций). Обеспечивает улучшение понимания оборудования при формировании модели приложения. Обладает развитыми механизмами синхронизации. Использует простые динамические правила.

Диагностика языка SFC позволяет обнаружить ошибки проекта до того, как приложение тестируется в режиме Online. Интерактивно анимируемый язык SFC также служит для облегчения диагностики оборудования и ошибок системы управления и после ввода в действие. Использование языка SFC как диагностического инструмента может уменьшать среднее время устранения таких неполадок.

SFC широко принят, как стандарт в Европе.

Языки SFC и ST, в паре составляющие полную и завершенную среду для программирования ПЛК, не всегда удовлетворяют пользователей, например, из-за быстродействия или невозможности доступа к системным ресурсам, что заставляет прибегать к использованию языков типа С, который не входит в стандарт IЕС 61131-3.

Заключение

программируемый логический контроллер

На примере пакета CoDeSys рассмотрено пять языков, входящих в международный стандарт IEC 61131-3.

Язык LD - графический язык, основанный на принципах реллейно-контактных схем с возможностью использования большого количества различных функциональных блоков.

Достоинствами языка LD являются: представление программы в виде электрического потока (близок специалистам по электротехнике), наличие простых правил, использование только булевых выражений, большой круг пользователей. Рационален для ручной оптимизации специфических критических мест кода.

Недостатками языка LD являются: использование «непоследовательной» булевой логики (булево уравнение = LD-звенья); слабые возможности для последовательного и текущего контроля в реальном времени; отсутствие возможности изображать структуру программы (ветви или цепи); сложность и большая вероятность ошибок; утомительный поиск неисправностей в больших цепях; близок только специалистам по электротехнике; сложен для понимания.

Язык FBD - графический язык высокого уровня, обеспечивающий управление потоками данных, включающих все типы. Позволяет использовать очень мощные алгоритмы с помощью простого вызова функций и функциональных блоков. Имеется большая библиотека блоков. Удовлетворяет непрерывным динамическим процессам. Хорош для сложных вещей подобно ПИД регуляторам, массивам и т. д.

Язык FBD заимствует символику булевой алгебры и, так как булевы символы имеют входы и выходы, которые могут быть соединены между собой, более эффективен для представления структурной информации, чем язык релейно-контактных схем. Однако насыщенность информации контроля низка и требуется концентрированный анализ для понимания последовательной логики. Последовательная логика существует всякий раз, когда цикл или элемент памяти появляется в диаграмме FBD.

Замечателен для небольших приложений, но не подходит для больших систем, так как схема нечитабельна. Как только схема на языке FBD превышает одну страницу, должны использоваться текстовые ссылки, и FBD становится менее понятным, чем ST.

Язык IL является текстовым языком низкого (типа Ассемблера) уровня, что существенно облегчает вызов функциональных блоков и функций условно или безусловно, выполнение назначений и условных или безусловных переходов внутри секции. Язык IL позволяет создавать высокоэффективные и оптимизированные функции. Его можно рекомендовать для написания наиболее критических мест в коде. Программируется с помощью любого текстового редактора.

К недостаткам IL можно отнести то, что действия ассоциируются с невидимым аккумулятором.

Язык ST - текстовый язык высокого уровня (типа Паскаля). Служит для создания процедур со сложной логикой. Наиболее удобен для программ, включающих числовой анализ или сложные алгоритмы. Может использоваться в главных программах, в теле функции или FBD, а также для описания действий внутри элементов редакторов SFC или Flow Chart. Обладает высокой читабельностью исходного кода: ключевые слова, такие как AND, OR, NOT, ГЕ, THEN, ELSE, WHILE (и др.) легко понимаемы. Прост в сопровождении, если имена переменных понятны, имеются комментарии, код хорошо структурирован.

Однако язык ST создавался не для систем управления, а для универсального анализа данных. Поэтому он плохо подходит для определения параллельных управляющих структур или для представления управляемых прерываниями схем контроля реального времени.

Графический язык SFC позволяет ясно и однозначно определить желаемое поведение системы управления. Отличается строгим математическим определением (каждое операционное состояние может быть декодировано с очень небольшим анализом). Удобен для описания, как последовательных процессов, так и пакетных или параллельных процессов, легко комбинируется с другими языками (язык спецификаций). Обеспечивает улучшение понимания оборудования при формировании модели приложения, обладает развитыми механизмами синхронизации, использует простые динамические правила.

Диагностика языка SFC позволяет обнаружить ошибки проекта до того, как приложение тестируется в режиме Online.

Интерактивно анимируемый язык SFC также служит для облегчения диагностики оборудования и ошибок системы управления и после ввода в действие. Использование SFC как диагностического инструмента может уменьшать среднее время устранения таких неполадок.

Язык SFC принят как стандарт в Европе. Однако написание логики программы требует большого искусства, поэтому чаще всего используется в паре с другими языками.

Преимущества использования стандарта для конечных пользователей состоят в следующем: уменьшается стоимость обучения, пользовательские приложения однородны, структура программ идентична, используются предопределенные объекты и т. п. Разнообразие стандартных языков позволяет каждую функцию приложения запрограммировать наиболее подходящим для данной задачи языком.

Преимущества применения стандарта для разработчиков ПЛК состоят в том, что их разработки соответствуют техническим требованиям, предъявляемым потребителями, а также предоставляют дополнительные функции ПЛК по сравнению с мелкими разработчиками ПО.

Список литературы

1. «Программируемые логические контроллеры» / И.Г. Минаев, В.В. Самойленко - Ставрополь «Аргус», 2009

2. «Языки программирования промышленных контроллеров» / Деменков Н.П - МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004

3. Интернет источники www.ingener.info

Размещено на Allbest.ru