«Традиционная технология требует от разработчика прикладного ПО знаний не только в области алгоритмических языков программирования, но и особенностей ОС, а также аппаратных ...»

7. Языки программирования промышленных контроллеров (ПРК)

Прикладное программное обеспечение (ПО) современных ПРК, имеющих встроенную операционную систему (ОС), может быть разработано как с использованием традиционных инструментальных программных средств (языки Си, Паскаль и т.д.), так и на основе специализированных языковых средств .

Традиционная технология требует от разработчика прикладного ПО знаний не только в области алгоритмических языков программирования, но и особенностей ОС, а также аппаратных возможностей данного ПРК и организации системы ввода-вывода. При этом разработанное ПО будет привязано только к данному типу ПРК и не может быть перенесено на другую аппаратнопрограммную платформу .

Специальные платформо-независимые языки программирования ПРК могут быть применены для различных типов ПРК и разработанные с их помощью программы переносимы, т.к. языки этого типа стандартизированы. Под эгидой Международной Электротехнической Комиссии (МЭК/IEC) разработан стандарт IEC 1131-3, специфицирующий 5 языков программирования ПРК: три графических (SFC, FBD, LD) и два текстовых (ST, IL) .

В них заложена методология структурного программирования, позволяющая пользователю представить автоматизируемый процесс в наиболее простой и понятной форме .

На рисунке 7.1 отображены области применения языков программирования ПРК .

Уровень языка Рис. 7.1 SFC Flow Chart ST FBD IL Область LD применения Анализ Проектирование Программирование Современные интегрированные многоязыковые системы программирования ПРК позволяют осуществлять разработку и тестирование прикладных программ для ПРК; обеспечивают единую среду разработки программ для различных типов систем на нескольких языках (в основном, работают под управлением ОС Windows и); соответствуют стандартам графического интерфейса пользователя Microsoft Windows .

Они предоставляют также возможность создавать библиотеки функциональных блоков, которые можно использовать в прикладных программах .

Встроенный программный эмулятор работы ПРК позволяет производить отладку программ без подключения к реальному ПРК, используются также эмуляторы, с помощью которых можно моделировать состояния сигналов модулей ввода-вывода .

Одной из первых реализаций указанного выше стандарта стала инструментальная система ISaGRAF, разработанная компанией CJInternational (Франция) .

Язык последовательныхфункциональных схем - SFC (Sequential Function Chart) Характер многих технических объектов и технологических процессов предполагает выполнение отдельных операций последовательно. В этих случаях разработчику ПО очень важно иметь средство программирования, которое позволяло бы наглядно воспроизводить структуру объекта/процесса. Именно таким средством и является язык SFC. Это высокоуровневый графический язык, предназначенный для использования на этапе проектирования. Его основой является математический аппарат сетей Петри (СП), позволяющий описать процессы в форме двудольных ориентированных графов (рис. 7.2). Здесь: Pi – позиции, Tj – переходs, M(Pi) – разметка .

Срабатывание какого-либо перехода Tj в размеченной сети ведет к смене разметки .

М(Р2)=2 Т3 Т1 Т2 Т1 Р1 Р2 Р3 Р2

–  –  –

Функционированием (срабатыванием) размеченной СП называется процесс изменения разметки (начиная от M0), осуществляемый по правилам:

Естественно, что при формировании языка SFC интерпретация и реализация некоторых положений теории сетей Петри изменилась .

Язык SFC предназначен для использования на этапе проектирования ПО и позволяет описать блок-схему программы, т.е. логику ее работы на уровне последовательных шагов и условных переходов. Он обеспечивает общую структуризацию и координацию функций управления последовательными процессами или машинами и механизмами .

SFC-программа состоит из элементов двух типов: шагов (steps) и переходов (transitions), которые могут включать в себя элементы других языков. В соответствии с состоянием внутренних ссылок и входов-выходов логика шага может обрабатываться или игнорироваться, т.е. в каждый текущий момент времени шаг может быть активным или пассивным .

Логические структуры, связанные с шагом, обрабатываются до тех пор, пока не произойдет событие, предписывающее ПРК перейти к обработке другого шага. С помощью языка SFC автоматизируемый процесс представляется в виде совокупности определённых последовательных шагов (автономных ситуаций), разделённых (связанных) переходами. Каждому переходу сопоставлено логическое условие, а шагу – совокупность действий .

Условные графические обозначения компонентов SFC-программ приведены на рис. 7.3: Начальный шаг; Шаг; Переход; Переход на другой шаг (длинный переход); Макрошаг и др .

На рис. 7.4-7.6 приведены некоторые программы, разработанные на языке SFC в среде ISaGRAF .

Действия внутри шагов могут описываться более детально на других языках (ST, IL, LD, FBD) .

SFC-программа – это графически представленная совокупность шагов и переходов, соединенных направленными связями. По умолчанию, ориентация линии - сверху вниз. Некоторые части программы могут быть отделены и представлены в основной схеме одним специальным символом – макрошагом. Основное правило при построении схем: шаги не могут следовать подряд; переходы тоже не могут следовать подряд .

–  –  –

Программирование на SFC обычно разделяется на 2 различных уровня: уровень 1 - показывает графически блок-схемы, номера ссылок на шаги, переходы и комментарии, присоединённые к ним;

описание шагов и переходов дается внутри прямоугольников, присоединенных к символам шага и перехода, в виде свободного комментария (который не является частью языка); уровень 2 – программирование действий внутри шага или условий, присоединённых к переходу, на языке ST или IL;

подпрограммы, написанные на других языках (FDB, ST, LD или IL) могут обращаться к этим действиям или переходам .

Начальная ситуация описывается начальным шагом; после запуска программы автоматически активизируются (выделяются) все начальные шаги .

–  –  –

Рис. 7.5 .

Атрибуты шага

У шага имеются атрибуты, которые могут быть использованы в любом другом языке:

- GSnnn.x – характеризует его активность (логическая переменная);

- GSnnn.t – характеризует продолжительность (время) его активного состояния (таймер), здесь nnn – номер шага .

Действия внутри шагов и условия, соответствующие переходам На втором уровне программирования осуществляется детальное описание действий, которые выполняются во время активности шага, и условий, которые соответствуют переходам. По умолчанию языком программирования второго уровня является язык ST .

Переходы программируются чаще всего простыми булевыми выражениями, а шаг может содержать несколько различных типов действий (булевы, импульсные, не сохраняемые, SFC-действия) .

Действия внутри шагов могут быть следующих типов:

- Булевы действия и SFC-действия (управление дочерними SFC-программами), описываемые с помощью ограниченных текстовых возможностей самого языка SFC (рис. 7.6);

- “Pulse” и “Non-stored” - импульсные действия, программируемые на ST и IL (рис. 7.7);

- вызов подпрограмм, написанных на любом языке кроме SFC .

В одном и том же шаге может быть описано несколько действий одного или разных типов .

–  –  –

Условия, соответствующие переходам: Переход 2-уровня - это булево выражение. Для того чтобы задать его на языке ST, нужно просто ввести булево выражение в соответствии с синтаксисом ST .

Типы параллельных соединений: схождения и расхождения (рис. 7.8, 7.9) Расхождения – это множественные связи от одного шага или перехода ко многим .

Схождения – это множественные связи от более чем одного шага или перехода к одному другому .

При обозначении схождений и расхождений используются одиночные или двойные линии .

Альтернативные расхождения и схождения обозначаются одиночными горизонтальными линиями .

Расхождение альтернативное (альтернативные ветви) – это множественная связь от одного шага к нескольким переходам. Активной становится одна из ветвей (в зависимости от активности того или иного перехода). Проверка активности переходов осуществляется слева направо .

Каждая альтернативная ветвь начинается и заканчивается собственным условием перехода .

Проверка альтернативных условий выполняется слева направо. Если верное условие найдено, то прочие альтернативы не рассматриваются. В таких ветвях всегда работает только одна из них, поэтому ее окончание и будет означать переход к следующему за альтернативной группой шагу .

При создании альтернативных ветвей желательно задавать взаимоисключающие условия .

Схождение альтернативное – используется для того, чтобы объединить несколько ветвей SFC, начавшихся из альтернативного расхождения .

Параллельные расхождения (параллельные ветви) и схождения - обозначаются двойными горизонтальными линиями .

Каждая параллельная ветвь начинается и заканчивается шагом. Т.е. условие входа в параллельность всегда одно, условие выхода тоже всегда одно на всех .

Параллельные ветви выполняются теоретически одновременно. Практически – в одном рабочем цикле, слева направо .

Условие перехода, завершающее параллельность, проверяется только в случае, если в каждой параллельной ветви активны последние шаги .

Расхождение параллельное – это множественная связь от одного перехода к нескольким шагам. Она соответствует параллельному функционированию процесса .

Схождение параллельное – это множественная связь от нескольких шагов к одному и тому же переходу. Используется, чтобы объединить несколько ветвей SFC, начавшихся их параллельного расхождения .

–  –  –

Иерархия программы SFC. В системе ISaGRAF каждая SFC-программа может управлять (запускать, уничтожать, и т.д.) другими программами на этом же языке (SFC), которые в таком случае называют дочерними программами той программы, которая ими управляет (рис. 7.10). SFCпрограммы объединяются в иерархическое дерево на основе “родственных” отношений (родительнаследник) .

–  –  –

FBD – графический язык - применяется для построения комплексных процедур, состоящих из различных функциональных библиотечных блоков – арифметических, тригонометрических, регуляторов, мультиплексоров и т.д. Наиболее подходит для управления непрерывными процессами и регулирования .

При этом осуществляется: представление функций посредством блоков, связанных между собой; соединения между выходами функциональных блоков в явном виде могут отсутствовать;

выход блока может соединяться со входами одного или нескольких блоков .

Объектами языка FBD являются:

- элементарные функции и элементарные функциональные блоки (ФБ); они находятся в библиотеке; логика их работы (программа) написана на языке С и не может быть изменена в редакторе FBD; изменять можно только их параметры;

- функции и ФБ пользователя; конструируются пользователем из элементов языка FBD .

Разработка программы осуществляется с помощью графического редактора посредством формирования блок-схемы из перечисленных выше компонентов, которые объединяются друг с другом либо посредством внешних (фактических) параметров (переменные, соответствующие входам и выходам), т.е. таблично, либо непосредственно линиями связи – графическими связями .

Последовательность (очередность) обработки отдельных компонентов в программе определяется потоком данных .

FBD-программа (рис. 7.11) очень напоминает функциональную схему электронного устройства. Она строится из стандартных элементов библиотеки (например, ISaGRAF, КОНГРАФ и др.). Каждый ФБ имеет фиксированное количество входных точек связи и фиксированное количество выходных точек связи .

На рис. 7.11,7.12 приведены примеры FBD-программ в среде КОНГРАФ и ISaGRAF .

Рис. 7.11. Моделирование САР в среде КОНГРАФ; используются ФБ:

ГЕН ИМП – генератор последовательности импульсов; ПРЕОБР Л-А – преобразование логических переменных в аналоговые; УМНОЖЕНИЕ – умножение; РАЗНОСТЬ – вычитание; ПИД АН РУ – аналоговый ПИД-закон регулирования Рис. 7.12. Программа на языке FBD (ISaGRAF): blink – ФБ генератор импульсов; 1 – ФБ присваивание;

r-trig – ФБ обнаружение/определение переднего фронта; RETURN – условное завершение программы;

rol – ФБ циклический сдвиг влево; – ФБ - сравнение “меньше чем” FBD-программа описывает функцию между входными и выходными переменными. Эта функция представляется совокупностью элементарных ФБ. Тип каждой переменной должен быть тем же, что и тип соответствующего входа. Входом FBD-блока может быть константа, любая внутренняя, входная или выходная переменная .

Язык релейных диаграмм - LD (Ladder Diagram)

Язык LD – это графический язык - применяется для описания логических выражений различного уровня сложности, графического представления булевых уравнений. Он содержит контакты (входные аргументы) и катушки (выходные переменные). Элементы организуются в сеть релейноконтактных схем. При необходимости можно реализовывать более сложную логику, используя, например элементы языка FBD .

Каждому контакту ставится в соответствие логическая переменная, определяющая его состояние. Ее имя ставится над контактом и служит его названием. Если контакт замкнут, то переменная имеет значение true, если разомкнут – false. Последовательное соединение контактов или цепей соответствует логической операции И/AND, параллельное – ИЛИ/OR. Нормально замкнутый (инверсный) контакт равнозначен логической операции НЕ .

Релейно-контактные схемы и элементы Релейная схема представляет собой 2 вертикальные шины питания, между которыми расположены горизонтальные цепи из контактов и катушек реле. Графические символы языка LD соответствуют элементам электрических цепей и имеют те же названия и обозначения (табл. 7.1) .

–  –  –

LD-программа выполняется последовательно слева направо и сверху вниз. В каждом рабочем цикле однократно выполняются все цепи, входящие в сеть. Любая переменная в рамках одной цепи всегда имеет одно и то же значение. Если даже реле в цепи изменит переменную, то новое значение поступит на контакты только в следующем цикле. Цепи, расположенные ниже, получат новое значение переменной сразу, а расположенные выше - только в следующем цикле. Строгий порядок выполнения цепей очень важен. Благодаря жесткому порядку выполнения LD-программы сохраняют устойчивость при наличии обратных связей .

–  –  –

Для управления выполнением LD-программ, могут использоваться метки и условные/безусловные переходы к ним. Если линия соединения слева от длинного перехода имеет состояние TRUE, то выполнение программы продолжается с фрагмента, расположенного после соответствующей метки .

Используя LD-редактор, можно подключить функциональные блоки (ФБ) к логическим схемам. В общем случае это может быть оператор, функция или ФБ. Т.к. блоки не всегда имеют логические/булевы входы и/или логические выходы, то при введении блоков в LD-программы приводит к добавлению нескольких новых параметров (входов) EN, ENO в эти блоки .

На рис. 7.13 приведены LD-программы (ISaGRAF), реализующие булевы функции .

–  –  –

Это текстовый язык высокого уровня с инструкциями и синтаксисом уровня адаптированного языка Паскаль. Он позволяет программировать сложные алгоритмы обработки данных – последовательности команд с использованием: переменных, вызовов функций и функциональных блоков (ФБ), операторов повторения и т.д., а также для описания действий внутри шагов и условий языка SFC. В основном используется в тех случаях, когда алгоритм трудно описать с помощью графических языков .

Логика функциональных блоков создается в C++ и не может быть изменена в ST редакторе .

Выражения Основой ST-программы служат выражения. Выражения состоят из операндов (констант и переменных) и операторов .

Операторы - являются ”командами“ языка программирования ST. Они должны заканчиваться точкой с запятой. Одна строка может содержать несколько операторов (отделяемых точками с запятой) .

Результат вычисления выражения присваивается переменной при помощи оператора присваивания “:=”. Каждое выражение обязательно заканчивается точкой с запятой “;” .

Выражение состоит из переменных, констант и функций, разделенных операторами, например: Var1 := 1+Var2 / ABS(Var2);

Стандартные операторы в выражениях языка ST имеют символьное представление, например математические действия: +, -, *, /, операции сравнения и т.д .

Имена, используемые в исходном коде (идентификаторы переменных, константы, ключевые слова) разделены неактивными разделителями (пробелами, символами окончания строки и табуляции) или активными разделителями, которые имеют заранее определенное значение (например, символ-разделитель “” означает сравнение больше чем, а символ “+” операцию сложения и т.д.) .

Неактивные разделители могут быть свободно введены между активными разделителями, константами и идентификаторами. В отличие от неформатных языков, таких как IL, конец строки может быть введен в любом месте программы .

Для улучшения читаемости программ нужно использовать неактивные разделители в соответствии со следующими правилами: не более одного оператора в строке; табуляцию для сдвига сложных операторов; комментарии .

В текст могут быть введены комментарии, которые должны начинаться символами “(*“ и заканчиваться ими же “)*“ .

Несколько выражений можно записать в одну строку. Однако хорошим стилем считается запись одного выражения в строке. Длинные выражения можно перенести на следующую строку. Перенос строки равноценен пассивному разделителю .

Выражение может включать другое выражение, заключенное в скобки. Выражение, заключенное в скобки, вычисляется в первую очередь:

bAlarm :=byInp1 byInp2 AND byInp1+ byInp2 0 OR bAlarm2;

Тип всех операндов выражения должен быть одинаковым. Для изменения типов использовать функции преобразования типов: BOO, ANA, REAL, TMR и MSG .

Для того чтобы отделить подчасти выражения и явно определить приоритетность операций используются скобки. Когда в сложном выражении нет скобок, приоритетность ST-операторов задана неявно .

Например: 2 + 3 * 6 равно 2+18=20 - оператор * имеет высший приоритет;

(2+3) * 6 равно 5*6=30 - приоритет задается скобками .

Максимальное количество вложенных скобок - 8 .

Вызовы функций и функциональных блоков Стандартные ST-вызовы функций могут быть использованы для каждого из следующих объектов: Подпрограммы; Библиотечной функции и ФБ, написанных на IEC-языках; C-функции и ФБ;

Функции преобразования типов .

Вызовы подпрограмм или функций предполагает использование следующих элементов:

Имя: имя вызываемой подпрограммы или библиотечной функции, написанной на IECязыке или C .

Значение: вызывает ST-, IL-, LD- или FBD-подпрограммы или функции или C-функции и дает возвращаемое значение .

Синтаксис: variable := subprog (par1,...parN);

Операнды: За типом возвращаемого значения и параметрами вызова должен следовать интерфейс, определенный для подпрограммы .

Некоторые основные операторы языка ST: присваивание; вызов подпрограммы или функции; вызов функционального блока; операторы выбора/ветвления (IF-THEN-ELSE, CASE); операторы цикла (FOR, WHILE, REPEAT); управляющие операторы (RETURN, EXIT); операторы для управления программой, написанной на языке SFC .

На рис. 7.14 приведен пример ST-программы, разрабатываемой в соответствующем редакторе системы ISaGRAF .

–  –  –

IL – это текстовый язык низкого уровня, класса ассемблера, применяется для программирования булевых функций и эффективных, оптимизированных процедур. Это одноадресный язык, поэтому в большинстве его команд используется неуказываемый явно текущий результат. В микропроцессорах для этих целей используется внутренний регистр общего пользования, называемый аккумулятором (АК), поэтому далее для простоты будем использовать это обозначение .

Программа на языке IL представляет собой список инструкций/команд; каждая команда должна начинаться с новой строки и содержать оператор, заканчивающийся необязательным модификатором и, если необходимо, операндом .

Оператор – это символ арифметических или логических операций, или вызов функционального блока (ФБ). Он указывает операцию, которая должна быть выполнена над содержимым АК, в котором хранится текущий результат, представляющий собой неявно заданный операнд, и вторым операндом, явно указанным в этом операторе. Полученный результат выполнения оператора помещается снова в АК .

Команда – это один оператор плюс один или несколько операндов, разделенных запятыми;

перед командой может стоять метка (необязательно), после которого ставится символ “:” .

Комментарий - необязательный элемент, начинается и заканчивается символами “* и *” соответственно .

В таблице 7.2 приведен перечень операторов языка IL .

–  –  –

В АК загружается константа 10, затем прибавляется число 25 (оператор ADD), а результат присваивается переменной В. Теперь значение переменной В и содержимое АК равно 35. Любая следующая команда будет работать с содержимым АК, равным 35 (если это не команда LD) .

Булевы операторы. Оператор S (Set) устанавливает в true указанный операнд, если текущий результат имеет булево значение true, и ничего не делает, когда содержимое АК равно false .

Оператор R (Reset) сбрасывает указанную булеву переменную в false, если АК имеет значение true, и ничего не делает в противном случае. Команды S и R не имеют модификаторов .

Модификаторы операций: N – булево отрицание; ( - отложенная операция; C – условная операция. “N” - булево отрицание операнда. “(” - “открывающая скобка” означает, что выполнение команды должно быть отложено до тех пор, пока не встретится оператор “закрывающая скобка” .

Это обусловлено тем, что существует только один регистр-аккумулятор. Поэтому для изменения порядка выполнения команд некоторые операции следует отложить. “С” - означает, что прикрепленная к нему команда выполняется только в том случае, когда в АК булево значение true. Может использоваться совместно с идентификатором N, для указания того, что команда будет выполняться, когда АК имеет булево значение false .

–  –  –

Обозначено: АК – аккумулятор, (AК) – его содержимое; tmp – промежуточная переменная .

Решение на языке ST Решение на языке FBD