Языки программирования плк il. Сможет ли ПЛК удержать свои позиции в промышленной автоматизации современности? Языки программирования ПЛК

С чего начиналась промышленная автоматика? А начиналось все с контактно-релейных схем управления промышленными процессами. Кроме жуткого «шелестения», контактно релейные схемы имели фиксированную логику работы, и в случае изменения алгоритма, необходимо основательно переделать монтажную схему

Бурное развитие микропроцессорной техники, привели к созданию систем управления технологическими процессами на базе промышленных контроллеров. Но это не означает, что реле изжили себя, у них просто своя ниша для применения.

ПЛК – программируемый логический контроллер , представляют собой микропроцессорное устройство, предназначенное для сбора, преобразования, обработки, хранения информации и выработки команд управления, имеющий конечное количество входов и выходов, подключенных к ним датчиков, ключей, исполнительных механизмов к объекту управления, и предназначенный для работы в режимах реального времени.

Принцип работы ПЛК несколько отличается от «обычных» микропроцессорных устройств. Программное обеспечение универсальных контроллеров состоит из двух частей. Первая часть это системное программное обеспечение. Проводя аналогию с компьютером можно сказать, что это операционная система, т.е. управляет работой узлов контроллера, взаимосвязи составляющих частей, внутренней диагностикой. Системное программное обеспечение ПЛК расположено в постоянной памяти центрального процессора и всегда готово к работе. По включению питания, ПЛК готов взять на себя управление системой уже через несколько миллисекунд. ПЛК работают циклически по методу периодического опроса входных данных.
Рабочий цикл ПЛК включает 4 фазы:
1. Опрос входов
2. Выполнение пользовательской программы
3. Установку значений выходов
4. Некоторые вспомогательные операции (диагностика, подготовка данных для отладчика, визуализации и т. д.).

Выполнение 1 фазы обеспечивается системным программным обеспечением. После чего управление передается прикладной программе, той программе, которую вы сами записали в память, по этой программе контроллер делает то что вы пожелаете, а по ее завершению управление опять передается системному уровню. За счет этого обеспечивается максимальная простота построения прикладной программы – ее создатель не должен знать, как производится управление аппаратными ресурсами. Необходимо знать с какого входа приходит сигнал и как на него реагировать на выходах

Очевидно, что время реакции на событие будет зависеть от времени выполнения одного цикла прикладной программы. Определение времени реакции – времени от момента события до момента выдачи соответствующего управляющего сигнала – поясняется на рисунке:

Обладая памятью, ПЛК в зависимости от предыстории событий, способен реагировать по-разному на текущие события. Возможности перепрограммирования, управления по времени, развитые вычислительные способности, включая цифровую обработку сигналов, поднимают ПЛК на более высокий уровень в отличие от простых комбинационных автоматов.

Рассмотрим входа и выхода ПЛК. Существует три вида входов дискретные, аналоговые и специальные
Один дискретный вход ПЛК способен принимать один бинарный электрический сигнал, описываемый двумя состояниями – включен или выключен. Все дискретные входы (общего исполнения) контроллеров обычно рассчитаны на прием стандартных сигналов с уровнем 24 В постоянного тока. Типовое значение тока одного дискретного входа (при входном напряжении 24 В) составляет около 10 мА.

Аналоговый электрический сигнал отражает уровень напряжения или тока, соответствующий некоторой физической величине, в каждый момент времени. Это может быть температура, давление, вес, положение, скорость, частота и т. д.

Поскольку ПЛК является цифровой вычислительной машиной, аналоговые входные сигналы обязательно подвергаются аналого-цифровому преобразованию (АЦП). В результате, образуется дискретная переменная определенной разрядности. Как правило, в ПЛК применяются 8 - 12 разрядные преобразователи, что в большинстве случаев, исходя из современных требований по точности управления технологическими процессами, является достаточным. Кроме этого АЦП более высокой разрядности не оправдывают себя, в первую очередь из-за высокого уровня индустриальных помех, характерных для условий работы контроллеров.

Практически все модули аналогового ввода являются многоканальными. Входной коммутатор подключает вход АЦП к необходимому входу модуля.

Стандартные дискретные и аналоговые входы ПЛК способны удовлетворить большинство потребностей систем промышленной автоматики. Необходимость применения специализированных входов возникает в случаях, когда непосредственная обработка некоторого сигнала программно затруднена, например, требует много времени.

Наиболее часто ПЛК оснащаются специализированными счетными входами для измерения длительности, фиксации фронтов и подсчета импульсов.

Например, при измерении положения и скорости вращения вала очень распространены устройства, формирующие определенное количество импульсов за один оборот – поворотные шифраторы. Частота следования импульсов может достигать нескольких мегагерц. Даже если процессор ПЛК обладает достаточным быстродействием, непосредственный подсчет импульсов в пользовательской программе будет весьма расточительным по времени. Здесь желательно иметь специализированный аппаратный входной блок, способный провести первичную обработку и сформировать, необходимые для прикладной задачи величины.
Вторым распространенным типом специализированных входов являются входы способные очень быстро запускать заданные пользовательские задачи с прерыванием выполнения основной программы – входы прерываний.

Дискретный выход также имеет два состояния – включен и выключен. Они нужны для управления: электромагнитных клапанов, катушек, пускателей, световые сигнализаторы и т.д. В общем сфера их применения огромна, и охватывает почти всю промышленную автоматику.

Конструктивно ПЛК подразделяются на моноблочные, модульные и распределенные. Моноблочные имеют фиксированный набор входов выходов

В модульных контроллерах модули входов – выходов устанавливаются в разном составе и количестве в зависимости от предстоящей задачи

В распределенных системах модули или даже отдельные входа-выхода, образующие единую систему управления, могут быть разнесены на значительные расстояния

Языки программирования ПЛК

При создании системы управления технологического процесса, всегда существует проблема по взаимопониманию программиста и технологов. Технолог скажет «нам надо немного подсыпать, чуть подмешать, еще подсыпать и чуть нагреть». И мало когда следует ждать от технолога формализованного описания алгоритма. И получалось так, что программисту нужно долго вникать в тех. Процесс, потом писать программу. Зачастую при таком подходе программист остается единственным человеком, способным разобраться в своем творении, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Такая ситуация породила стремлении создание технологических языков программирования, доступные инженерам и технологам и максимально упрощающим процесс программирования

За последнее десятилетие появилось несколько технологических языков. Более того, Международной Электротехнической Комиссией разработан стандарт МЭК-61131-3, концентрирующий все передовое в области языков программирования для систем автоматизации технологических процессов. Этот стандарт требует от различных изготовителей ПЛК предлагать команды, являющиеся одинаковыми и по внешнему виду, и по действию.

Стандарт специфицирует 5 языков программирования:

Sequential Function Chart (SFC) – язык последовательных функциональных блоков;
Function Block Diagram (FBD) – язык функциональных блоковых диаграмм;
Ladder Diagrams (LАD) – язык релейных диаграмм;
Statement List (STL) – язык структурированного текста, язык высокого уровня. Напоминает собой Паскаль
Instruction List (IL) – язык инструкций., это типичный ассемблер с аккумулятором и переходам по метке.

Язык LAD или KOP (с немецкого Kontaktplan) похожи на электрические схемы релейной логики. Поэтому инженерам не знающим мудреных языков программирования, не составит труда написать программу. Язык FBD напоминает создание схем на логических элементах. В каждом из этих языков есть свои минусы и плюсы. Поэтому при выборе специалисты основываются в основном на личном опыте. Хотя большинство программных комплексов дают возможность переконвертировать уже написанную программу из одного языку в другой. Так как некоторые задачи изящно и просто решаются на одном языке, а на другом придется столкнуться с некоторыми трудностями

Наибольшее распространение в настоящее время получили языки LAD, STL и FBD.

Большинство фирм изготовители ПЛК традиционно имеют собственные фирменные наработки в области инструментального программного обеспечения. Например такие как «Concept» Schneider Electric, «Step 7» Siemens.

Программный комплекс CoDeSys

Открытость МЭК стандартов привели к созданию фирм занимающихся исключительно инструментами программирования ПЛК.

Наибольшей популярностью в мире пользуются . CoDeSys разработан фирмой 3S. Это универсальный инструмент программирования контроллеров на языках МЭК, не привязанной к какой-либо аппаратной платформе и удовлетворяющим всем современным требованиям.

Основные особенности:
- полноценная реализация МЭК языков
- встроенный эмулятор контроллера позволяет проводить отладку проекта без аппаратных средств. Причем эмулируется не некий абстрактный контроллер, а конкретный ПЛК с учетом аппаратной платформы
- встроенные элементы визуализации дают возможность создать модель объекта управления и проводить отладку, т.е. дает возможность создавать человеко-машинного интерфейса (HMI)
- очень широкий набор сервисных функции, ускоряющий работу программиста
- существует русская версия программы, и русская документация

Литература:
Современные технологии промышленной автоматизации: учебник / О. В. Шишов. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. – 273 с. ISBN 5-7103-1123-5

Для программирования ПЛК Международная электрическая комиссия (МЭК) разработала стандарт IEC 6-1131/3, в котором определены 6 языков программирования:

· CFC (Continuous Function Chart);

· SFC (Sequential Function Chart);

· FBD (Function Block Diagram);

· LD (Ladder Diagram);

· ST (Structured Text);

· IL (Instruction List).

Четыре первых языка CFC, SFC, LD и FBD используют графическую нотацию – выполняемые команды, операции и функции представляются графическими средствами, как схемы.

Два последних языка (ST, IL) являются текстовыми. Они расширяют возможности программистов .

С помощью языков IEC 61131-3 программируются не только задачи автоматики, но и алгоритмы человеко-машинного интерфейса (HMI).

Языки IEC 6-1131/3 сочетают в себе функциональность и простоту. Они также предохраняют пользователя от большинства ошибок, которые нередко возникают при использовании обычных языков программирования. Реализация IEC 6-1131/3 в интегрированной HMI-системе не только удовлетворяет требованиям стандарта , но и предоставляет пользователю дополнительный сервис в виде расширенного набора библиотек функциональных блоков, реализующих типовые алгоритмы управления.

Для всех шести языков существует единый механизм связи с базой данных реального времени . В соответствии с этим механизмом каждая программа должна обладать набором аргументов. Исходные данные передаются в программу через входные аргументы, а результаты вычислений возвращаются в выходных аргументах. Аргументы связываются с атрибутами каналов, то есть с реальными входами и выходами контроллеров, с устройствами сопряжения, ячейками корпоративных баз данных, а также с внутренними переменными. Благодаря такой схеме одна и та же программа может вызываться несколько раз за цикл для обработки разных потоков данных.

Программирование и отладка программ на языках IEC 6-1131/3 производится в интегрированной среде разработки , включающей в себя несколько различных редакторов. Программы на языках FBD, LD, CFC и SFC создаются и отлаживаются в специальных визуальных редакторах , а ST и IL – в текстовом редакторе .

Несмотря на различия, программы на разных языках стандарта IEC 6-1131/3 могут взаимодействовать между собой. Например, программа на FBD может вызывать функциональный блок, написанный на языке ST, а внутри этого блока может вызываться подпрограмма на LD и т.д. Такая гибкость в выборе средств описания алгоритмов позволяет эффективно работать над одной задачей и программисту, и технологу, и инженеру-наладчику и бизнес-консультанту, когда каждый из них выполняет свою часть работы удобным ему способом .

Язык SFC. В семействе МЭК-языков диаграммы SFC (Sequential Function Chart) являются высокоуровневым графическим инструментом, в котором использованы идеи сетей Петри. Благодаря SFC графическое представление модели системы превращается в законченную программу.

Начало практической реализации языка SFC для ПЛК принадлежит французским фирмам. Совместная работа изготовителей ПЛК и пользователей привела к появлению национального стандарта «Графсет», а затем и международного стандарта МЭК 848 (1988 г.). Последний стандарт IEC 61131-3 заимствовал «Графсет» с некоторыми доработками.

SFC это мощное средство структурирования сложных алгоритмов. По сути SFC не является самостоятельным языком. В переводе с английского аббревиатуру SFC можно перевести как "схема функциональной последовательности". Внешне программа на SFC похожа на блок-схему алгоритма (рис. 2.1) , на которой отображены отдельные программные блоки (шаги), переходы между ними и условия, по которым выполняются эти переходы.

Рисунок 2.1 – Пример представления программы на языке SFC

Переходы в SFC имеют выраженную направленность сверху вниз и отражаются прямыми линиями. Позиции в SFC называют шагами или этапами. На диаграмме они отображаются в виде прямоугольников. Благодаря такому представлению существует возможность реализации диаграмм в символах псевдографики. Задать несколько стартовых шагов в SFC нельзя, начальным является только один шаг диаграммы. Каждый программный блок, как и каждое условие перехода – это подпрограмма на любом из языков стандарта IEC 6-1131/3. Диаграмма SFC дает возможность быстрого построения прототипа системы без программирования, так как для представления системы на верхнем уровне не требуется детальное описание действий и привязка к конкретным аппаратным средствам.

Этот язык очень удобен для программирования стадийных (batch) процессов, систем дозирования и бизнес-приложений. SFC может быть использован как инженерами, так и бизнес-аналитиками .

Язык FBD . Язык FBD предназначен для инженеров-технологов, решающих задачи управления технологическим процессом. Он представляет собой наглядное средство для программирования контуров управления и регулирования. Программа на FBD представляет собой схему, состоящую из набора функциональных блоков, связанных между собой через входы и выходы (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Пример программы на языке FBD

В программных комплексах имеется более 150 типовых функциональных блоков, реализующих широкий набор функций – от простейших логических операций до готового адаптивного регулятора. В стандартных FBD-блоках реализованы функции фильтрации, ПИД-регулирования, модального, нечеткого и позиционного регулирования, ШИМ-преобразования, а также блоки управления клапаном, задвижкой, мотором и др.

Язык релейных диаграммLD (Ladder Diagram) или релейно-контактных схем (РКС) – графический язык, реализующий структуры электрических цепей.

РКС – это американское изобретение, предназначенное для замены релейной автоматики сборочных конвейеров программируемыми контроллерами. Язык РКС позволил решать задачи прозрачного переноса релейных схем в ПЛК. Различные варианты программной реализации релейных схем создавались практически всеми ведущими производителями ПЛК. Благодаря простоте представления язык РКС обрел популярность, что и стало основной причиной включения его в стандарт МЭК.

Слова «релейная логика» звучат сегодня достаточно архаично, однако релейная техника все еще широко применяется.

Графически LD-диаграмма представлена в виде двух вертикальных шин питания. Между ними расположены цепи, образованные соединением контактов (рис. 2.3). Нагрузкой каждой цепи служит реле. Каждое реле имеет контакты, которые можно использовать в других цепях.

Рисунок 2.3 – Представление релейной схемы на языке LD

Логически последовательное (И), параллельное (ИЛИ) соединение контактов и инверсия (НЕ) образуют базис Буля. Поэтому язык LD идеально подходит не только для построения релейных автоматов, но и для программной реализации комбинационных логических схем. Благодаря возможности включения в программу на языке LD функций и функциональных блоков, выполненных на других языках, сфера применения языка LD практически не ограничена.

Язык инструкций IL. Язык IL (Instruction list, дословно “список инструкций”) – это типичный ассемблер с аккумулятором и переходами по меткам (рис. 2.4). Набор инструкций стандартизован и не зависит от конкретной целевой платформы.

До принятия стандарта МЭК существовало ряд разновидностей этого языка, в том числе и с русскоязычными аббревиатурами.

Наибольшее влияние на формирование современного IL оказал язык программирования STEP контроллеров фирмы Siemens.

Язык IL позволяет работать с любыми типами данных, вызывать функции и функциональные блоки, реализованные на любом языке. Таким образом, на IL можно реализовать алгоритм любой сложности, хотя текст будет достаточно громоздким.

Рисунок 2.4 – Вид IL-программы в окне редактора CoDeSys

В составе МЭК-языков IL применяется при создании компактных компонентов, требующих тщательной проработки, на которую не жалко времени. При работе с IL гораздо понятнее, чем с другими языками, можно представить, как будет выглядеть оттранслированный код. Благодаря этому IL выигрывает там, где нужно достичь наивысшей эффективности.

Язык структурированного текста ST. Язык ST (Structured Text) – это язык высокого уровня. Синтаксически ST представляет собой несколько адаптированный язык Паскаль. Вместо процедур Паскаля в ST используются компоненты программ стандарта МЭК.

Для специалистов, знакомых с языком С, освоение ST также не вызовет никаких сложностей. В качестве иллюстрации сравним эквивалентные программы на языках ST и С:

WHILE CounteroO DO while (Counter – ! = 0)

Counter:= Counter-1; {

Varl:= Varl*2; Varl *= 2;

IF Varl > 100 THEN if (Varl > 100)

Var2:= Var2 + 1; Varl = 1;

В большинстве комплексов программирования ПЛК язык ST по умолчанию предлагается для описания действий и условий переходов SFC.

2.4 Комплексы проектирования, поддерживающие стандарт
МЭК 61131-3

В отличие от простых контроллеров, программирование которых сводится обычно к заданию набора констант и осуществляется со встроенного или выносного пульта, для программирования логических контроллеров универсального назначения применяются специализированные программные комплексы .

Благодаря открытости МЭК-стандарта возникло ряд специализированных фирм, занятых исключительно инструментами программирования ПЛК. Системы программирования этих фирм имеют определенные отличия, которые сосредоточены лишь в реализации интерфейса – в стиле графики, в наборе сервисных функций, в содержании дополнительных библиотек и в реализации системы исполнения, то есть в том, что не касается применения стандарта.

Наибольшей известностью в мире пользуются следующие комплексы.

Simatic Step 7 (производитель – немецкая фирма Siemens http://www.siemens.de/).

Программное обеспечение STEP 7 содержит центральный инструмент Simatic Manager, с помощью которого можно реализовать широкий набор функций программирования аппаратных средств фирмы Siemens .

Все аппаратные и программные требования процесса автоматизации в SIMATIC S7 выполняются внутри одного проекта.

Этот проект содержит в себе необходимое аппаратное обеспечение (+ конфигурация), создание сети (+ конфигурация), все программы и данные для решения задачи автоматизации.

CoDeSys (производитель – немецкая фирма 3S Smart Software Solutions http://www.3s-software.com).

CoDeSys – это один из самых развитых функционально полных инструментов программирования в стандарте МЭК 61131-3.

TRACE MODE (производитель – AdAstra Research Group, Ltd, Россия).

TRACE MODE – это интегрированная информационная система для управления промышленным производством. Программа содержит средства разработки операторского интерфейса (SCADA/HMI), программирования контроллеров (Softlogic), управления основными фондами (EAM), персоналом (HRM) и производственными процессами (MES).

Главная задача инструментов комплекса программирования ПЛК состоит в автоматизации работы разработчика прикладной системы. Он должен быть избавлен от рутинной работы и постоянного «изобретения велосипеда».

В интегрированных комплексах программирования ПЛК сложился определенный набор возможностей, позволяющий относить их к средствам быстрой разработки. Интегрированная среда предполагает наличие встроенных редакторов текстовой и графической информации.

Интеграция текстового редактора в единую среду программирования предполагает:

· возможность быстрого ввода стандартных текстовых элементов, мгновенную вставку в текст операторов, функций, функциональных блоков;

· возможность быстрого автоматического дополнения ввода. Например, строка: «INP1 I 3;Вход 1» по окончании ввода (CoDeSys) преобразуется в соответствии с требованиями МЭК в строку:

INP1: INT:= 3; (* Вход 1 *);

· автоматическое объявление переменных;

· представление раздела объявлений переменных в виде текста или картотеки таблиц, разделенных и отсортированных по функциональному значению (входные переменные, локальные и т. д.);

· проверка синтаксиса и автоматическое форматирование ввода;

· автоматическая нумерация строк, что упрощает описание и сопровождение программы.

Эти возможности в существенной мере способствуют ускорению процесса подготовки программ и уменьшению числа ошибок в программах.

Интеграция графического редактора обеспечивает следующие возможности при проектировании :

· автоматическая трассировка соединений компонентов (программисту вообще не приходится рисовать соединения – система автоматически проводит графические соединительные линии);

· автоматическая расстановка компонентов (этим свойством обладают графические редакторы CoDeSys и OpenPCS);

· автоматическая нумерация цепей;

· копирование и перемещение выделенной графической группы компонентов с учетом их индивидуальной специфики;

· произвольное масштабирование изображения с целью наилучшего представления для анализа больших разветвленных графических диаграмм.

В режиме исполнения встроенные редакторы отображают «ожившие» тексты и графические диаграммы. Для графических диаграмм наглядно отражается последовательность выполнения.

В целом программный комплекс должен обеспечивать :

· Унифицированный механизм соединения с ПЛК. Работа инструментов отладки не должна зависеть от способа соединения контроллера с отладчиком. Не имеет значения, эмулируется ли контроллер на том же самом компьютере, подключен ли контроллер через последовательный порт компьютера или же связан через Интернет.

· Загрузку кода управляющей программы в память контроллера.

· Автоматический контроль версий кода (проверку соответствия кода, содержащегося в памяти ПЛК, и кода, полученного после текущей компиляции.

· Выполнение управляющей программы в режиме реального времени.

· Режим останова. Останов означает прекращение выполнения только кода управляющей программы. При этом выполняются все прочие фазы рабочего цикла и сохраняется способность наблюдать значения входов. В этом режиме можно проводить тестирование и настройку датчиков и механизмов объекта управления;

· Сброс ПЛК. Может быть несколько видов сброса. В стандарте МЭК предусмотрено два вида сброса «горячий» и «холодный». Первый включает перевод управляющей программы в исходное состояние и выполнение начальной инициализации переменных. Во втором виде сброса добавляется начальная инициализация переменных, размещенных в энергонезависимой области памяти. Кроме того, в ПЛК может произойти аппаратный сброс путем выключения питания или перезапуска микропроцессора. Система программирования должна адекватно реагировать в случае аппаратного сброса. Детальная реакция на команды сброса определяется системой исполнения. Поэтому здесь возможны некоторые отличия для разных ПЛК, даже в одной среде программирования.

· Мониторинг и изменение мгновенных значений всех переменных проекта, включая входы-выходы ПЛК. Для удобства работы значения представляются в заданной пользователем системе счисления.

· Фиксацию переменных, включая входы-выходы. Фиксированные переменные будут получать заданные значения в каждом рабочем цикле независимо от реального состояния ПЛК и действий управляющей программы. Данная функция позволяет имитировать элементарные внешние события в лабораторных условиях и избегать нежелательной работы исполнительных механизмов при отладке на «живом» объекте управления. Неуправляемая работа механизмов может привести к поломке и представлять опасность для окружающих людей.

· Выполнение управляющей программы шагами по одному рабочему циклу. Применяется при проверке логической правильности алгоритма.

· Пошаговое выполнение команд программы и задание точек останова.

· Просмотр последовательности вызовов компонентов в точке останова.

· Графическую трассировку переменных. Значения нужных переменных запоминаются в циклическом буфере и представляются на экране ПК в виде графиков. Запись значений можно выполнять в конце каждого рабочего цикла либо через заданные периоды времени. Трассировка запускается вручную или синхронизируется с заданным изменением значения определенной (триггерной) переменной.

· Визуализацию – анимационные картинки, составленные из графических примитивов, связанных с переменными программы. Значение переменной может определять координаты, размер или цвет графического объекта. Графические объекты включают векторные геометрические фигуры или произвольные растровые изображения. Визуализация может содержать элементы обратной связи, например кнопки, ползунки и т. д. С помощью визуализации создается изображение, моделирующее объект управления или систему операторского управления.

Одним из ключевых назначений автоматизации является наблюдение за изменением состояния объекта и способность контролировать этот процесс. Снижение процессов изменений приводит к повышению производительности и эффективности. Машинное зрение и управление движением помогают уменьшить изменения и добавить гибкости в современные системы автоматизации. В свою очередь, увеличение гибкости и функциональных возможностей систем автоматического регулирования может поставить некоторые более старые системы на грань возможностей обработки.

В настоящее время программируемые логические контроллеры ПЛК являются нормой в системах автоматизации. Часто к стоимости новых технологий добавляются возможности модернизации оборудования и/или дополнительные возможности по внедрению новых операционных систем. Однако, добавление устройств управление движением или пользовательских модулей ввода в программируемый логический контроллер ПЛК, также может значительно отразится на стоимости всего оборудования.

Относительные затраты, расширяемость, функциональность, а также реализация пользовательских опций – требования к современным промышленным контроллерам. Поскольку запросы к скорости обработки данных, памяти, мощности в последнее время значительно увеличились, сможет ли ПЛК и далее оставаться основным средством автоматизации производственных систем?

Процесс управления

В простейшей своей форме процесс управления состоит из трех основных компонентов – датчика, контроллера, исполнительного механизма. Датчик собирает информацию об управляемом объекте и передает ее контроллеру, который обрабатывает полученные данные и выдает сигнал управления исполнительному механизму. Такая конструкция носит название системы с замкнутым контуром или с обратной связью.

Например, мониторинг газов и температура в азотной печи может играть важную роль для термической обработки, а данные о влажности в помещении или вибрациях не иметь вообще никакого отношения к процессу термической обработки. Добавление последних данных в систему автоматического управления не принесет абсолютно никакой пользы, а только усложнит ее и увеличит стоимость. Можем сделать вывод, что сложность приобретает решающее значение, так как она снижает затраты на проектирование, программирование узлов, устранение неполадок, а также позволяет избежать установки компонентов, которые не несут практической пользы.

После сбора датчиками, информация поступает в контроллер, который играет роль «мозга». Он будет обрабатывать полученную информацию на основании алгоритмов и программ, заданных ему программистом. Если значение не будет укладываться в границы установленных пределов, то контроллер пошлет сигнал на исполнительный механизм для исправления ошибки, и так будет происходить пока ошибка не войдет в допустимые границы. Исполнительный механизм – это мышцы системы автоматического регулирования (САУ). Именно он будет оказывать физическое воздействие на контролируемую систему. Исполнительными механизмами для САУ могут быть различные электроприводы, гидроприводы, пневмоприводы и другие механизмы.

«Контроллер осведомлен о происходящем и может принимать решения. ПЛК бесспорно лидирующая фигура в промышленной автоматизации» — говорит Matteo Dariol, инженер Bosch Rexroth. «Аббревиатура содержит «программируемый логический», так как в начале электронной революции в 1960-1970хх годах управляющие устройства начали строиться с помощью дискретных электронных компонентов. До этого изменение спецификации проекта приводило к перепроектированию и реинжинирингу всей логики управления вместе с изменением физических элементов устройств управления. С появлением программируемого логического контроллера ПЛК усилия по изменению алгоритма управления практически полностью заключаются только в изменении программного обеспечения».

Современные ПЛК являются вполне надежными устройствами, а их языки программирования стандартизированы. Среды разработки программного обеспечения для программируемых логических контроллеров пока не имеют общих единых стандартов, так как все основные игроки рынка электронных компонентов предлагают свои собственные уникальные решения. Программирование, а также поиск и устранение неисправностей в ПЛК может быть даже легче, чем в персональном компьютере ПК, который каждый из нас, казалось бы, знает очень хорошо. Программируемый логический контроллер ПЛК имеет модульную структуру и возможность подключения различных модулей в зависимости от требований проекта: дополнительные порты ввода/вывода, модули безопасности, а также конкретные коммуникационные и это лишь несколько примеров.

Модульная конструкция дает программируемым логическим контроллерам основное преимущество – расширяемость. Есть и другие преимущества, такие как стоимость, простота устройства и прочность конструкции. Такие элементы САУ как реле, периодически нужно осматривать и проводить замену, и тут появляется еще одно преимущество ПЛК – минимум движущихся механических частей. Существуют возможности интеграции с более сложными системами, например с ПК контроллером.

Ограничения ПЛК

ПЛК имеет ограниченную память, программное обеспечение и периферийные возможности, по сравнению с персональным компьютером ПК. Управление движением (например, робототехника или сложная автоматизированная система) требует огромного количества входов/выходов, требующих дополнительных модулей управление ПЛК или внешней электроники. Тем не менее, стоит отметить, что компьютер способен обрабатывать гораздо большее количество информации, причем быстрее, что может значительно уменьшить физический размер и обеспечить необходимую вычислительную мощность для внедрения систем машинного зрения, управления движением и обеспечить быструю обработку больших потоков данных. Постоянный рост обрабатываемой информации связан с постепенным внедрением некоторыми компаниями промышленных интернет вещей IIoT в производственные линии и промышленные объекты, которые требуют больших вычислительных мощностей.

Оригинальные производители оборудования (англ. original equipment manufacturer OEM) способны увеличить производительность оборудования, позволяя машинам одновременно выполнять несколько операций. Максимально интенсивные И/ИЛИ вычисления критически важных процессов, запущенных одновременно, может привести к перегрузке программируемого логического контроллера. Для уменьшения времени обработки критически важных процессов машины могут использовать несколько вычислительных платформ. Как правило, они включают в себя один или несколько контроллеров движения и один или более наблюдающий процессор, который поддерживает интерфейс оператора для программирования, информации работы машины, сбора данных, функции техподдержки. Однако, использование нескольких процессоров является более дорогим. Новое программное обеспечение, ориентированное на платформы ПК, может помочь решить данную проблему, хотя…

ПК не так надежен и ему трудно «выживать» в промышленных условиях, таких как повышенная запыленность и влажность. Использования ПК с боле сложным программным обеспечением или большим количеством программных опций, занимает гораздо больше времени для обучения обслуживающего персонала. Усовершенствованное программное обеспечение может потребовать наличие программиста для проведения технического обслуживания, а также выполнение ремонтных работ и установки обновлений. Программное обеспечение ПЛК может быть базовым, но имеющие свои проверенные временем стандартные языки, которые могут обеспечить долговечность устройства, несмотря на его скорость и линейный характер.

ПЛК обычно используют в отрасли стандартный набор языков программирования (МЭК 61131-3), в том числе LAD диаграммы. LAD диаграммы строятся по аналогии с электрическими схемами, что позволяет значительно упростить обучение персонала, проведения технического обслуживания и ремонта. В большинстве случаев вполне возможно обойтись без программиста. Другой язык из стандарта МЭК 61131-3 — структурированный текст, который похож на язык «высокого уровня». Тем не менее, использование других нестандартных языков высокого уровня, таких как C ++ или Visual Basic, может быть трудно с ПЛК. Только в последнее время новые программные инструменты позволяли пользователям общаться с ПЛК так, как если бы это был обычный ПК.

Последовательная программа ПЛК сканирует все инструкции в каждом цикле. Цикл сканирования занимает примерно 10 мс или чуть больше. После завершения выполнения всех инструкций программа переходит к следующему сканированию. Если инструкция не выполняется в установленное время, то это вызывает сообщение об ошибке и выполнение программы прекращается. Это программное обеспечение жесткого времени может ограничивать продолжительность программы и любые входные сигналы с частотой менее 100 Гц.

Например, если необходимо обрабатывать сигнал от датчика скорости с номинальными оборотами 1200 об/мин (частота сигнала 1200/60 = 200 Гц), микроконтроллер на базе ПЛК не может корректно измерять скорость используя такой вход. Необходима интеграция специального модуля с декодером или счетчиком на интегральных микросхемах, который преобразует сигнал от датчика в нормально-обрабатываемый микроконтроллером. Такие преобразовательные модули часто используются во многих системах. Также стоит отметить и необходимость модулей вывода на примере управление соленоидом с частотой работы ШИМ в 10 кГц. Для управления таким устройством с помощью ПЛК необходим модуль вывода с ШИМ генератором. Добавление таких модулей увеличивает стоимость системы в 2-3 раза.

Следующее поколение ПЛК

Новая система имеет название программируемого контроллера автоматизации (агл. programmable automation controller (PAC)) способного решить некоторые проблемы ПЛК. Некоторые специалисты утверждают, что программируемый контроллер автоматизации (ПКА) более коммерческое название, но это не совсем так. К сожалению, существуют некоторые различие между их определениями, а с технологической точки зрения принципиальные различия между ними найти довольно трудно.

ПКА, как правило, включают в себя функциональные возможности ПЛК. Оба являются цифровыми устройствами, но ПКА предоставляет расширенные возможности программирования и часто имеют более расширенную функциональность, память и периферические способности. ПКА предлагает более сложные архитектурные системы в случае необходимости большей связности вводов/выводов. Более того, он имеет обычно встроенные возможности передачи данных из памяти на USB накопитель, а также часто присутствует возможность прямого взаимодействия с базами данных.

Дополнительные возможности программного обеспечения звучит, конечно, хорошо, однако стоит отметить, что не все ПКА могут поддерживать стандартные языки МЭК 61131-3, что может привести к дополнительным проблемам при программировании и обслуживании.

Существуют различные модели этих устройств. ПКА могут предлагать модели сосредоточенные на системах машинного зрения или другие, предназначенные для одновременного контроля нескольких процессов. Выбор модели или технологии должны учитывать и требования будущего (модернизация и расширение производства), и стандарты (например, безопасности). Планирование может продлить срок службы контроллера путем удовлетворения будущих потребностей, но также и заложить фундамент под использования промышленных интернет вещей IIoT и децентрализованного управления.

ПЛК все еще актуальны, однако, развитие систем машинного зрения, динамических роботизированных процессов и управления движением, стремление к большей автоматизации производства с использованием IIoT, требуют от программируемого логического контроллера значительно большей мощности обработки данных или памяти, которые он не в состоянии обеспечить. Децентрализованная технология может помочь расширить устаревшую линейку путем предложения продуктов типа SoCs и FPGAs, которые обрабатывают информацию непосредственно на самом датчике. Это означает, что добавление сложного процесса к существующей линии может не требовать обязательной установки дорогого ПКА, но будет необходима группа интеллектуальных датчиков, способных самостоятельно хранить и обрабатывать данные своих измерений.

Возможно ли применение обеих вариантов?

Еще более запутывает дискуссию о ПЛК и ПКА то, что возможно построение системы управления без любого из них. Сеть интеллектуальных датчиков и программного обеспечения можно комбинировать для устранения или большей децентрализации программируемых контроллеров во всех цехах предприятия. SoCs является одной из технологий, которые могут децентрализовать процесс. Однако, не стоит забывать, что слишком много протоколов на одном SoCs может привести к увеличению количества циклов проверки, необходимых для проверки процесса или его части, что вызовет режим, аналогичный перегрузке программируемого логического контроллера.

Более того, существует целый ряд технологий, позволяющих совместную работу программируемых логических контроллеров, технологий децентрализации, программируемых контроллеров автоматизации, для максимально эффективной работы предприятия. Необходимо предпринять несколько основных шагов для определения, какие технологии, возможно, будут необходимы.

«Во-первых, нужно понять, какие факторы важны для успешного выполнения операций и уровень устаревания, который допустим для устройства или линии» — говорит Джули Робинсон, менеджер по маркетингу, Rockwell Automation. «После того, как риски определены, пользователи должны разработать стратегию для смягчения и, в конечном счете, устранения этого риска, и планировать первое обновление работы ячеек. Некоторые факторы, влияющие на эти изменения, включают в себя:

Совмещение будущих потребностей производства или улучшение текущей производительности;
Соответствие последним требованиям безопасности и нормативным документам;
Повышение гибкости производственных систем для эффективного расширения производства или обновления оборудования;
Повышение эффективности использования активов за счет сокращения простоев;
Повышение мер безопасности производства и сохранности оборудования;

Также пользователи должны понимать, какие изменения вносились в оборудование в течении нескольких лет работы завода или фабрики, что должно отображаться на схемах и чертежах.

Точная документация на устаревшее оборудование очень сильно поможет в интеграции нового оборудования. А если децентрализованная платформа уже интегрирована, то документация становится еще более важной. Децентрализованные контроллеры показали меньшее время при установке нового оборудования. В традиционной, централизованной системе, инженеры или обслуживающий персонал должны подключатся к программируемому логическому контроллеру для обнаружения проблем и скачки управляющей программы в случае необходимости. Хорошо спроектированная система должна быть простой в эксплуатации, обслуживании, а также масштабируемой.

Для того, чтобы произвести подключение к децентрализованной системе, специалисты не должны физически ходить «вокруг устройства». Для устранения этой проблемы обслуживающие оборудование компании стараются соединять по несколько систем, которые технологически совместимы. Часто это означает интеграцию старых систем с новыми технологиями и программным обеспечением.

В настоящее время очень малый процент хочет вкладывать в модернизацию работающего оборудования, если оно только не безнадежно устарело. Тем более решения о модернизации в будущем закладываются при проектировании оборудования, а часто проектированием различного оборудования занимается не одна компания, и в будущем при модернизации могут возникать конфликты.

Прежде чем выбрать оптимальную технологию для вашего оборудования важно понимать, что данная технология должна быть совместима с вашими целями не только сейчас, но и в будущем, и предлагает необходимые функции без излишней сложности. Для многих компаний трудно, и в некоторых случаях бессмысленно, содержать экспертов в каждой области, именно поэтому в последнее время начинает набирать обороты промышленные интернет вещей IIoT.

Термины и определения

Разница между ПЛК и ПКА может проникать и в другие технологии. Например, системы на кристалле (СнК), с английского System-on-a-Chip (SoC), встроенные компьютеры (embedded PC) и программируемая пользователем вентильная матрица (FPGA) предлагают собой некоторые технологии, которые способны заменять или расширять возможности программируемых логических контроллеров. Тем не менее, для некоторых технологий пока не существует устоявшихся определений, и ученые спорят о более правильном описании их. Но мы постараемся привести некоторые основные определения.

Программируемый логический контроллер ПЛК

Представляет собой цифровой компьютер, предназначенный для автоматизации промышленных систем. Он специально разрабатывался для работы в жестких условиях эксплуатации, таких как температурные диапазоны, давление, электрические шумы, вибрации и другие неблагоприятные факторы промышленной среды. Он имеет наиболее важную особенность, которая, собственно, и привело его к такой популярности – это жесткая система реального времени.

Режим реального времени

Многие понимают режим реального времени как выполнение задачи «как можно скорее». Но это не так. Система реального времени гарантирует, что все входы, выходы и вычислительные процессы будут обрабатываться за какой-то фиксированный промежуток времени, часто упоминаемый в технической литературе как дедлайн (с англ. deadline – предельный срок). В системах жесткого реального времени нарушение дедлайнов приравнивается к отказу системы. В свою очередь мягкая система реального времени допускает небольшие превышение дедлайнов, но только тогда, когда это приводит к допустимому снижению качества работы системы. Например, видеоконференция. Небольшое запаздывание звука или видео не приведет к катастрофическим последствиям.

При компиляции программы ПЛК, он рассчитывает, есть ли необходимые ресурсы для выполнения пользовательских инструкций, после чего переходит к выполнению поставленной задачи в нужный срок.

Программируемый контроллер автоматизации ПКА

Представляет собой цифровой компьютер, включающий в себя функциональные возможности ПЛК. Программируемый контроллер автоматизации понятие относительно недавнее, появившееся в начале 2000-х. В большинстве случаев ПКА представляет собой эволюцию программируемого логического контроллера. ПЛК является мостом между электрической автоматизацией, построенной на реле, и электромеханической программируемой автоматизацией, где акцент делается на программное обеспечение операций (определение, данное 40 лет назад).

Мягкая система реального времени(softPLC)

Как упоминалось выше, мягкая система реального времени не дает гарантии своевременного выполнения поставленной задачи. По этому, их не применяют для систем управления движением. Вместо этого softPLC предпочтительны для подключения связей завод-цех, человеко-машинных интерфейсов, систем диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA). Вполне возможно, для некоторых ПКА быть SoftPLC.

Встраиваемые ПК

Встраиваемый промышленный компьютер это не компьютер общего назначения. Он разработан и оптимизирован для одного пользовательского приложения. Все его компоненты, как правило, размещены на одной плате, включая и микроконтроллеры или микропроцессоры, шины ввода/вывода, память и другие пользовательские микросхемы. Устройство включает в себя даже программное обеспечение или прошивку (прошивка обычно находится в ПЗУ или памяти только для чтения). Встроенные ПК (embedded PC) действительно пересечение между аппаратным и программным обеспечением, поскольку существует тесная взаимосвязь между этими двумя частями – одна не может работать без другой. Проекты с использованием встраиваемых ПК могут реагировать на потребности жесткого или мягкого режима реального времени.

Введение

Я занимаюсь автоматизацией зданий. Сложилось так, что в основном мы строим свои системы на базе ПЛК Beckhoff. Такой выбор был сделан прежде всего потому, что эти контроллеры являются свободно-программируемыми в полном смысле этих слов. Что это значит? Возьмите контроллер TAC Xenta, например, и попробуйте на нем реализовать обмен с внешним устройством через RS232 по собственному протоколу, на уровне «байт послал - байт принял». Не получится, эти контроллеры так не умеют - используйте только те протоколы, которые в них заложил разработчик. А Beckhoff умеет. Но прежде чем лезть в такие дебри, давайте посмотрим на среду разработки? На каком, собственно, языке, мы будем писать?

Стандарт МЭК 61131-3

Промышленные ПЛК программируются на языках стандарта МЭК 61131-3 . Всего этих языков 5, некоторые производители добавляют свои. Языки друг на друга совсем не похожи, и, наблюдая за коллегами, могу предположить, что выбор того или иного языка связан прежде всего с тем, чем человек занимался до того, как он пришел в эту отрасль.

IL, instruction list, список инструкций. Похож на ассемблер. Не видел никого, кто его использовал бы, но подозреваю, что олдскульные кодеры, пробивавшие перфокарты по памяти, оценят.
LD, ladder diagram. Визуальный язык, для тех, кто занимался разработкой схем релейной автоматики.
ST, structured text. Более всего напоминает «классические» языки программирования, чем-то похож на Паскаль. Оттого ценится теми, кто до ПЛК занимался программированием на других языках и платформах, в частности - мной.
FBD, functional block diagram. Этакая блок схема, любим прежде всего технологами, решившими податься в программирование, за свою наглядность.
SFC, sequential function chart. Графический язык, больше ничего не скажу. Ни разу не видел, чтоб его использовали.

Из не всеми поддерживаемых языков стоит отметить язык CFC (continuous flow chart), Beckhoff его поддерживает. Это дальнейшее развитие языка FBD, одним из наиболее существенных отличий, на мой взгляд, является поддержка явной обратной связи в схемах. Зачем это нужно? Например, вот такой генератор коротких импульсов на CFC будет работать, а на FBD – нет.

Блок TON - это стандартный блок, таймер с задержкой включения. Логика работы: выход Q становится TRUE, когда на входе IN сигнал TRUE в течение не менее времени PT.
Самая популярная, наверное, среда разработки под ПЛК - это CoDeSys . Многие производители берут ее за основу, и либо делают к ней библиотеку для работы со своим ПЛК, либо доделывают среду под себя.

Как работает ПЛК?

Программа ПЛК работает циклично. Время цикла может быть от единиц миллисекунд до единиц секунд, в зависимости от задач, которые на этот ПЛК возложены. Большинство ПЛК позволяют задавать время цикла разработчику программы, однако в некоторых моделях такой возможности нет. Многие ПЛК, в частности Beckhoff, позволяют в одной программе создать более одной циклически выполняемой задачи, и задать приоритет для этих задач. Что нам дает эта возможность?
Представим ситуацию: ПЛК управляет вентиляционной установкой, и к нему подключена панель управления через RS232. Температура в помещениях меняется не быстро, и запускать алгоритм управления вентиляцией чаще, чем раз в 50 - 100 мс просто нет смысла. Зато панель оператора опрашивает контроллер постоянно, и задержка ответа ПЛК более 10 мс уже выражается в «притормаживании» интерфейса пользователя, а при задержке 20 мс у нас переполнится аппаратный буфер COM-порта. Наличие нескольких задач позволяет нам решить эту проблему красиво: пусть «быстрая» задача работает с COM-портом, и вызывается каждые 2 мс, а «медленная» реализует логику работы вентиляции, и вызывается каждые 50 мс. Все работает хорошо, панель оператора не тормозит, пользователь доволен.

А что у этих железок внутри?

Тут все очень и очень зависит от производителя. Кто-то делает свою embedded-платформу на RISC-процессоре (например, отечественный «Овен») - этот подход очень популярен. Beckhoff же пошли по другому пути - на их ПЛК установлена Windows CE 5.0 (а если обновить с официального сайта прошивку - то 6.0), или же Windows XP Embedded, а PLC-задача работает как служба. Достаточно интересный контраргумент для любителей рассказывать о нестабильности Windows.
Но это «голова» контроллера, а ведь ему еще нужны входы и выходы, чтобы общаться с внешним миром. Тут есть два подхода:

Можно сделать «все в одной коробке» - голова, некий набор входов / выходов, несколько вариантов конфигурации - вот тут у нас входов побольше, тут поменьше, тут голова помощнее, тут послабее. Так делают, например, Carel , и много кто еще. На маленьком проекте такой подход себя в чем-то, может быть, и оправдывает.
Но лично мне кажется, что большую гибкость дает другой подход. Голова отдельно, и к ней по шине подключается наборный «хвост» из модулей ввода-вывода. Мы ставим те модули, которые нам нужны, и в том количестве, которые нам нужно. Так делают Beckhoff и Siemens, например.

Вот так выглядит внешне подход «все в одной коробке». На фото Carel pCO3.

А вот другой вариант - голова Beckhoff серии CX9000 (слева на фото) с набором модулей ввода-вывода.

Помимо всего прочего, на голове еще имеется некая шина, позволяющая объединять ПЛК в сеть, а зачастую еще и менять его программу через эту же сеть. Какая это будет сеть - зависит от ПЛК. Это могут быть и незнакомые тем, кто не сталкивался с промышленными сетями EIA-485 , Profibus , CAN , а может быть и вполне привычный Ethernet. Именно через эту сеть, называемую fieldbus, и осуществляется подключение ПЛК к верхнему уровню - к СКАДА-системе, например. На фото выше хорошо видны 2 разъема 8P8C на голове Beckhoff"а - это Ethernet, а у Carel сверху слева видны (плоховато, правда) 2 разъема 6P4C - так они сделали RS-485. У этого интерфейса, к сожалению, нет общепринятого разъема.

Так все же, как под него программы писать-то?

Вообще, это тема не статьи, а целой книги. Но расскажу то, что увидел на личном опыте, и пусть это будет ложкой дегтя.
Для профессиональных программистов освоение ПЛК во многом покажется деградацией. ООП? Их нет у нас, есть только структуры, перечисления, и некое подобие класса, которое называется «функциональный блок». Что такое Private, Public и прочее, тоже можно забыть сразу - не пригодится. Из любого места вашей программы можно получить доступ к любому другому месту.
Динамическое выделение памяти? Их нет у нас совсем. Не уверен, сколько тебе пришлют данных? Выделяй буфер с запасом, и забудь про эту память - освободить ее не получится. Либо проявляй чудеса скорости и обрабатывай данные на лету, если успеешь уложиться в заданное время цикла.
Исключения? Да что вы… видел я одно чудо, которое намертво висло при выполнении конструкции вида:
foo, bar: int; baz: real; foo:= 2000; bar:= 2000; baz:= INT_TO_REAL (foo * bar);
Понятно, что переполнение, не влазит foo * bar в 16 бит, но зачем же виснуть-то? Да еще так, что ничего, кроме сброса по питанию не помогает.
Среда разработки? Не у всех CoDeSys, многим хочется пооригинальничать и написать что-нить свое. Одна из таких самописных сред вылетала с runtime error при попытке записать число 86400 в 16-битный INT. А вы говорите, обработка исключений на ПЛК. Ее и в среде разработки-то не всегда нормально могут сделать.

НО! Зато для любителей той тонкой грани, которая отделяет железо от программного обеспечения, софта в просторечии - это очень интересная ветвь ай-ти, правда.

Надеюсь, что этот небольшой обзор будет полезен. Если хабрасообществу будет интересна эта тема, то расскажу про ПЛК подробнее.