Языки программирования

Стандарт МЭК устанавливает пять языков программирования ПЛК, три графических и два текстовых. Продвижением стандарта занимается организация PLCopen. Основной целью стандарта является повышение скорости и качества разработки программ для ПЛК, а также создание языков программирования, ориентированных на технологов, обеспечение соответствия ПЛК идеологии открытых систем, исключение этапа дополнительного обучения при смене типа ПЛК.

Системы программирования, основанные на МЭК , характеризуются следующими показателями: надежностью создаваемого программного обеспечения. Надежность обеспечивается тем, что программы для ПЛК создаются с помощью специально предназначенной для этого среды разработки, которая содержит все необходимые средства для написания, тестирования и отладки программ с помощью эмуляторов и реальных ПЛК, а также множество готовых фрагментов программного кода;

Системы программирования, основанные на МЭК , характеризуются следующими показателями: возможностью простой модификации программы и наращивания ее функциональности; переносимостью проекта с одного ПЛК на другой; возможностью повторного использования отработанных фрагментов программы; простотой языка и ограничением количества его элементов.

Стандарт устанавливает пять языков программирования со следующими названиями: структурированный текст (ST - Structured Text); последовательные функциональные схемы (SFC - "Sequential Function Chart"); диаграммы функциональных блоков (FBD - Function Block Diagram); релейно-контактные схемы, или релейные диаграммы (LD - Ladder Diagram); список инструкций (IL - Instruction List). Графическими языками являются SFC, FBD, LD. Языки IL и ST являются текстовыми.

В стандарт были введены несколько языков (а не один) для того, чтобы каждый пользователь мог применить наиболее понятный ему язык. Программисты чаще выбирают язык IL (похожий на ассемблер) или ST, похожий на язык высокого уровня Паскаль; специалисты, имеющие опыт работы с релейной логикой, выбирают язык LD, специалисты по системам автоматического управления (САУ) и схемотехники выбирают привычный для них язык FBD.

Выбор одного из пяти языков определятся не только предпочтениями пользователя, но и смыслом решаемой задачи. Если исходная задача формулируется в терминах последовательной обработки и передачи сигналов, то для нее проще и нагляднее использовать язык FBD. Если задача описывается как последовательность срабатываний некоторых ключей и реле, то для нее нагляднее всего будет язык LD. Для задач, которые изначально формулируются в виде сложного разветвленного алгоритма, удобнее будет язык ST.

Языки МЭК базируются на следующих принципах: вся программа разбивается на множество функциональных элементов - Program Organization Units (POU), каждый из которых может состоять из функций, функциональных блоков и программ. Любой элемент МЭК-программы может быть сконструирован иерархически из более простых элементов; стандарт требует строгой типизации данных. Указание типов данных позволяет легко обнаруживать большинство ошибок в программе до ее исполнения;

имеются средства для исполнения разных фрагментов программы в разное время, с разной скоростью, а также параллельно. Например, один фрагмент программы может сканировать концевой датчик с частотой 100 раз в секунду, в то время как второй фрагмент будет сканировать датчик температуры с частотой один раз в 10 сек; стандарт поддерживает структуры для описания разнородных данных. Например, температуру подшипников насоса, давление и состояние "включено-выключено" можно описать с помощью единой структуры "Pomp" и передавать ее внутри программы как единый элемент данных; стандарт обеспечивает совместное использование всех пяти языков, поэтому для каждого фрагмента задачи может быть выбран любой, наиболее удобный, язык; программа, написанная для одного контроллера, может быть перенесена на любой контроллер, совместимый со стандартом МЭК

Язык релейно-контактных схем, LD Графический язык релейной логики впервые появился в виде электрических схем, которые состояли из контактов и обмоток электромагнитных реле. Такие схемы использовались в автоматике конвейеров для сборки автомобилей до эры микропроцессоров. Язык релейной логики был интуитивно понятен людям, слегка знакомым с электротехникой и поэтому оказался наиболее распространенным в промышленной автоматике. Обслуживающий персонал легко находил отказ в оборудовании, прослеживая путь сигнала по релейной диаграмме. Однако язык LD проблематично использовать для реализации сложных алгоритмов, поскольку он не поддерживает подпрограммы, функции, инкапсуляцию и другие средства структурирования программ с целью повышения качества программирования. Эти недостатки затрудняют многократное использование программных компонентов, что делает программу длинной и сложной для обслуживания.

Для выполнения арифметических функций в язык LD были добавлены функциональные блоки, которые выполняли операции сложения, умножения, вычисления среднего и т.д. Сложные вычисления в этом языке невозможны. Недостатком является также то, что только маленькая часть программы умещается на мониторе компьютера или панели оператора при программировании. Несмотря на указанные недостатки, язык LD относится к наиболее распространенным в мире, хотя используется для программирования только простых задач.

Список инструкций, IL Язык IL напоминает ассемблер и используется для реализации функций, функциональных блоков и программ, а также шагов и переходов в языке SFC. Основным достоинством языка является простота его изучения. Наиболее часто язык IL используется в случаях, когда требуется получить оптимизированный код для реализации критических секций программы, а также для решения небольших задач с малым количеством разветвлений алгоритма.

Структурированный текст, ST Язык ST является текстовым языком высокого уровня и очень сильно напоминает Паскаль: IF Voltage>220 THEN Current:=Current - 10; (*Если V>220 В, то уменьшить ток на 10*) ELSE Current:=50; Speed:= ON;(*Установить ток 50А и включить мотор*) END_IF; Но имеет много отличий от Паскаля и разработан специально для программирования ПЛК. Он содержит множество конструкций для присвоения значений переменным, для вызова функций и функциональных блоков, для написания выражений условных переходов, выбора операторов, для построения итерационных процессов. Этот язык предназначен в основном для выполнения сложных математических вычислений, описания сложных функций, функциональных блоков и программ.

Диаграммы функциональных блоков, FBD FBD является графическим языком и наиболее удобен для программирования процессов прохождения сигналов через функциональные блоки. Язык FBD удобен для схемотехников, которые легко могут составить электрическую схему системы управления на "жесткой логике", но не имеют опыта программирования. Функциональные блоки представляют собой фрагменты программ, написанных на IL, SFC или других языках, которые могут быть многократно использованы в разных частях программы и которым соответствует графическое изображение, принятое при разработке функциональных схем электронных устройств. Язык FBD может быть использован для программирования функций, функциональных блоков и программ, а также для описания шагов и переходов в языке SFC. Функциональные блоки инкапсулируют данные и методы, чем напоминают объектно- ориентированные языки программирования, но не поддерживают наследование и полиморфизм.

Типичным применением языка FBD является описание "жесткой логики" и замкнутых контуров систем управления. Язык функциональных блоков является удобным также для создания и пополнения библиотеки типовых функциональных блоков, которую можно многократно использовать при программирования задач промышленной автоматизации. К типовым блокам относятся блок таймера, ПИД-регулятора, блок секвенсора, триггера, генератора импульсов, фильтра, и т. п.

Последовательные функциональные схемы, SFC SFC называют языком программирования, хотя по сути это не язык, а вспомогательное средство для структурирования программ. Он предназначен специально для программирования последовательности выполнения действий системой управления, когда эти действия должны быть выполнены в заданные моменты времени или при наступлении некоторых событий. В его основе лежит представление системы управления с помощью понятий состояний и переходов между ними. Язык SFC предназначен для описания системы управления на самом верхнем уровне абстракции, например, в терминах "Старт", "Наполнение автоклава", "Выполнение этапа 1", "Выполнение этапа 2", "Выгрузка из автоклава". Язык SFC может быть использован также для программирования отдельных функциональных блоков, если алгоритм их работы естественным образом описывается с помощью понятий состояний и переходов. Например, алгоритм автоматического соединения модема с коммутируемой линией описывается состояниями "Включение", "Обнаружение тона", "Набор номер", "Идентификация сигнала" и переходами "Если длинный - то ждать 20 сек", "Если короткий - перейти в состояние "Набор Номера"" и т.д.

Показан фрагмент программы на языке SFC. Программа состоит из шагов и условий переходов. Шаги показываются на схеме прямоугольниками, условия переходов - жирной перечеркивающей линией. Программа выполняется сверху вниз. Начальный шаг на схеме показывается в виде двойного прямоугольника. Условия переходов записываются рядом с их обозначениями. Каждый шаг программы может представлять собой реализацию сложного алгоритма, написанного на одном из МЭК-языков.

Программирование ПЛК на описанных выше языках МЭК осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, которое разрабатывается производителями ПЛК или фирмами, специализирующимися на создании ПО для систем автоматизации. Наиболее известными в мире являются системы CoDeSys фирмы 3S и ISaGRAF фирмы ICS Triplex.

Вывод: Применение языков стандарта МЭК сокращает количество ошибок, которые ведут к непредсказуемым последствиям. Языки позволяют расчленить проект на уровни. Тем самым сокращается время разработки и проект делается прозрачным, не говоря о том, что снимается ряд проблем в обучении, отладке, обслуживании и консультировании проектов. Унификация делает возможным многократное использование программного обеспечения. Можно разделить проект на составные части, описать переменные и связи или приступать к составлению блоков и функций. Оба пути приведут к желаемому результату.