Графические и текстовые языки программирования промышленных контроллеров международных стандартов

2. Обзор языков программирования контроллеров

В качестве основных языков используются:
Графические языки:

• 
  Последовательных функциональных схем (SFC)
  
• 
  Релейных диаграмм (LD)
  
• 
  Функциональных блоковых диаграмм (FBD)
  

Текстовые языки:

• 
  Список инструкций (instruction list - IL)
  
• 
  Структурированный текст (Structured Text - ST)
  
• 
  SFC
  

1. SFC. Теория конечных автоматов, используемая для формализации состояний сложных процессов управления, опирается на различные графические модели описания состояний. Одну из самых известных моделей предложил К. Петри, она получила название “Сетей Петри”, или диаграммы состояний, и послужила теоретической основой языка последовательных функциональных схем (Sequential Function Charts, или Grafcet, SFC), наиболее важного из всего семейства языков.
SFC позволяет формулировать логику программы на основе чередующихся процедурных шагов и транзакций (условных переходов), а также описывать последовательно-параллельные задачи в понятной и наглядной форме.
Строго говоря, SFC не является языком программирования. Это средство проектирования прикладного ПО, состоящее из комплекса большого числа программных единиц: программ, функциональных блоков, функций. Обеспечение параллельности выполнения программ, установление и контроль состояния порожденных процессов, обеспечение синхронизации по приему и обработке данных, описание однозначно понимаемых заказчиком и исполнителем состояний автоматизируемого процесса -- все это возможно при использовании SFC.
К основным достоинствам SFC относятся:

• 
  высокая выразительность. Язык SFC имеет те же возможности, что и диаграммы состояний, и хорошо подходит для описания динамических моделей;
  
• 
  графическое представление. Благодаря графической мнемонике SFC максимально прост в использовании и изучении. Вместе с тем он является наглядным средством представления логики на разных уровнях детализации;
  
• 
  предварительное проектирование ПО. Использование языка SFC на ранних этапах проектирования прикладного ПО позволяет избежать в дальнейшем непонимания между заказчиком, проектировщиком ПО и программистом.
  

Написание программы на языке SFC может иметь 2 стадии:

• 
  Составление графа, представляющего собой последовательность шагов и переходов.
  
• 
  Программирование действий внутри шагов или условий на языке ST.
  

Область применения. Типичными областями применения последовательных систем являются производства с конвейерной обработкой. Однако последовательные системы управления могут использоваться и при управлении непрерывными производствами, например, для запуска и останова процессов, для изменения уставок, так же как и для изменения состояния в случае каких-либо ошибок.
Системы могут использоваться на всех уровнях производства:

• 
  Уровень индивидуального управления (Открытие вентилей, запуск моторов ...)
  
• 
  Уровень управления группой (Дозирование, нагрев, заполнение ...)
  
• 
  Уровень устройства (Бак, миксер, размельчитель …)
  
• 
  Уровень предприятия (Синхронизация устройств и общих ресурсов, выбор пути перемещения)
  

Взаимосвязь SFC и STEP 7. Рисунок 1 показывает взаимосвязь SFC и STEP 7.

Рис. 1. Взаимосвязь SFC и STEP7.
Элементы схемы. SFC -это последовательная система управления.
Схема состоит из последовательности элементов, причем элементы делятся на основные и структурные.
Основными элементами являются:

• 
  Шаг
  
• 
  Переход
  
• 
  Текст
  

Структурными элементами являются:

• 
  Последовательность
  
• 
  Параллельное ветвление
  
• 
  Альтернативное ветвление
  
• 
  Цикл
  

Основные элементы шаг и переход имеют название, уникальное внутри схемы. В процессе создания редактор последовательно нумерует их. Однако вы можете ввести собственное название не длиннее 16 символов. На схеме будут изображены первые 10 символов.
Помимо названия, редактор присваивает элементам последовательные номера, уникальные для данного типа основного элемента, и эти номера не могут быть изменены. При необходимости редактор перенумерует элементы для уничтожения промежутков в нумерации.
Комментарий может использоваться по желанию, например, для текстового описания функциональности элемента, и может содержать до 256 символов в нескольких строках. Однако его отображение на схеме ограничено 10 символами справа от элемента схемы.
2. FBD. Язык функциональных блоков (Function Block Diagrams) позволяет создать программную единицу практически любой сложности на основе стандартных кирпичиков(арифметические, тригонометрические, логические блоки, PID-регуляторы, блоки, описывающие некоторые законы управления, мультиплексоры и т. д.).
Он использует технологию инкапсуляции алгоритмов обработки данных и законов регулирования. Все программирование сводится к “склеиванию” готовых компонентов. В результате получается максимально наглядная и хорошо контролируемая программная единица.
3. LD. Язык релейных диаграмм, или релейной логики (Ladder Diagrams), применяется для описания логических выражений различного уровня сложности и использует в качестве базовых элементов программирования графические элементы “контакты” (contacts) и ”катушки” (coils), связанные с входными и выходными каналами соответственно.
Присутствие в стандарте языка LD определяется скорее всего данью традициям: для релейной техники было разработано огромное количество оборудования и алгоритмов. Сегодня, имея типовой набор цифрового ввода-вывода, можно создавать управляющие системы на отлаженной годами алгоритмической базе.
4. ST. Язык структурированного текста (Structured Text) относится к классу текстовых языков высокого уровня.
Он уходит корнями в такие известные языки программирования, как Aда, Паскаль и Cи. На его основе можно создавать гибкие процедуры обработки данных. Язык структурированного текста является основным для программирования последовательных шагов и транзакций языка SFC. Кроме того, он имеет “выходы” во все остальные языки, что делает его универсальным в применении разными категориями пользователей.
5. IL. В “достандартные” времена (до 1993 г.) практически каждый программируемый контроллер сопровождался своим Ассемблером.
Выросли целые поколения программистов, ориентированных на определенные кланы микропроцессоров. Освоение новой техники сталкивалось с проблемой освоения очередного языка программирования под новый кристалл. Отдельные мнемонические конструкции Ассемблеров были похожи, но о каком-либо стандарте не было речи.
Появление языка инструкций (Instruction List) в наборе стандартных языков -- это унификация интерфейса языка программирования низкого уровня, не ориентированного на какую-либо микропроцессорную архитектуру. У языка IL есть очень важное качество: на его основе создаются оптимальные по быстродействию программные единицы.
Выводы. Для каждого проекта, в зависимости от типа контроллера, сложности проекта и требований к эффективности кода производится выбор средств разработки, в частности, языка программирования. Существуют различные языки программирования контроллеров, как графические, так и текстовые.
Графические языки программирования контроллеров (SFC, FBD, LD)Текстовые языки программирования контроллеров (ST, IL)
Каждый язык по-своему уникален и находит применение в той или иной области.
В качестве стандартных инструментальных средств используются последние версии пакетов Siemens - в частности, STEP7.