Верхний уровень систем контроля и управления. SCАDA - информационно-управляющие системы.

Кафедра АТПП

КУРС ЛЕКЦИЙ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИТЕМЫ»

СОДЕРЖАНИЕ

Лк.	Тема лекционного занятия	Стр.
	Введение
	Верхний уровень систем контроля и управления. SCАDA - информационно-управляющие системы.
	Структура SCАDA-систем: основные блоки. Графическая среда разработки, HMI (часть 1).
	Структура SCАDA-систем: основные блоки. Встроенные языки программирования, SOFTLOGIC (часть 2).
	Структура SCАDA-систем: основные блоки. Тревоги и события. Архитектура системы архивирования (часть 3).
	Программно-технические средства для построения интегрированных систем проектирования и управления. Контроллерный уровень (часть 1).
	Программно-технические средства для построения интегрированных систем проектирования и управления. Организация взаимодействия с контроллерами (часть 2).
	Пример применяемой в отрасли SCADА-системы: Trace Mode 6.
	Проектирование АСУ ТП на базе SCADА-системы Trace Mode 6.

Введение.

Основные понятия и определения интегрированных систем проектирования и управления.

Современная АСУ ТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) представляет собой многоуровневую человеко-машинную систему управления.

Рис. 1.1. Пример структурной схемы АСУ ТП.

Создание АСУ сложными технологическими процессами осуществляется с использованием автоматических информационных систем сбора данных и вычислительных комплексов, которые постоянно совершенствуются по мере эволюции технических средств и программного обеспечения.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) и системы автоматизации производственных процессов (SCADA-системы) представляют собой наиболее важные разработки в области новых технологий по автоматизации.

САПР

Аббревиатуру САПР (Система Автоматизированного Проек­тирования) впервые использовал основоположник этого научного направления Айвен Сазерленд в своих лекциях, прочитанных в Массачусетском технологи­ческом институте в начале 60-х годов.

Фактически инженеры применяли компьютеры для решения сложных задач проектирования еще в эпоху ранних послевоенных моделей универсальных компьютеров. Однако широкое распространение САПР обус­ловлено появлением микропроцессорной техники, предоставившей возможнос­ти создавать, модифицировать и обрабатывать сложные графические изобра­жения на экране.

В настоящее время термином САПР обозначают процесс проектирования с использованием паке­тов программного обеспечения.

Примеры САПР: КОМПАС (распространённая российская САПР компании «АСКОН» с возможностями оформления проектной и конструкторской документации согласно стандартам серии ЕСКД и СПДС в вариантах для двухмерного и трехмерного проектирования).

«T-FLEX CAD» — российская САПР для машиностроения.

Electric VLSI Design System — САПР, используемая для разработки электрических схем и проектирования топологии печатных плат. Electric являлся open-source проектом.

Autodesk, Inc. — крупнейший в мире поставщик программного обеспечения (САПР) для промышленного и гражданского строительства, машиностроения, рынка средств информации и развлечений.

EPLAN —САПР для Электротехники и АСУТП

SCADA-системы

SCADA-система (Supervisory Control And Data Acquisition) – система диспетчерского управления и сбора данных. Специальное программное обеспечение, решающее задачи ввода-вывода информации в системе АСУ ТП, отслеживание аварийных и предаварийных ситуаций, обработки и представление на пульт оператора графической информации о процессе, поддержки отчетов о выполнении технологического процесса.

SCADA-система это программный комплекс, позволяющий визуализировать технологический процесс и управлять им в реальном времени с монитора компьютера.

SCADA-системы применяются везде, где требуется оперативный контроль параметров, хода производства с возможностью немедленно реагировать на события технологического процесса либо автоматически в соответствие с заданным алгоритмом, либо вручную действиями оператора.

Примеры SCADA-систем:

Trace mode 6

TRACE MODE® - это интегрированная информационная система для управления промышленным производством в реальном времени, объединяющая в едином целом продукты для автоматизации технологических процессов и бизнес-процессов.

 

 

«КРУГ – 2000» - российская разработка для управления производством в едином информационном пространстве.

SIMATIC WinCC предназначен для решения обширного комплекса задач человеко-машинного интерфейса: от разработки проекта отдельно взятой панели оператора до разработки мощных систем человеко-машинного интерфейса с архитектурой клиент/сервер.

InTouch – мощный человеко-машинный интерфейс (HMI) для промышленной автоматизации, управления технологическими процессами и диспетчерского контроля. В России SCADA активно применяется для создания DCS (распределенных систем управления) и других АСУ.

ПТК – программно-технический комплекс.

Примеры:

ПТК ТЕКРОН® разработан для построения автоматизированных систем управления технологическими процессами, систем телемеханики, коммерческого учёта газа, электрической и тепловой энергии. ПТК ТЕКРОН® является совместной разработкой ЗАО ПК «Промконтроллер» (торговая марка ТЕКОН) и Научно-производственная фирма «КРУГ».

Программно-Технические Комплексы (ПТК) серии "Tornado" предназначены для создания АСУ ТП на промышленных объектах энергетики, нефтяной, газовой, химической промышленности, перерабатывающих отраслей, транспорта, коммунального хозяйства и других объектах. ПТК "Tornado" является современной полнофункциональной системой созданной на базе микропроцессорной техники.

АРМ (автоматизированное рабочее место оператора) - специально оборудованное место для обслуживающего персонала, куда поступает вся информация о технологическом процессе. В ряде случаев оператор может вмешаться в ход процесса и перевести его на ручное управление.

Программный компонент:

1) «логика» (программа, согласно которой САУ реагирует на различные воздействия, как полевого КИП, так и оператора) – контроллер

Рис. 1.3. Пример логической программы на языке FBD.

2) человеко-машинный интерфейс, мнемосхема – интерактивная визуализация технологического процесса, позволяющая отслеживать состояние ТП и управлять им в реальном времени с монитора компьютера – ЭВМ, панель управления

Рис. 1.4. Примеры мнемосхем используемых на производствах.

Рис. 1.5. Примеры мнемосхем разработанных студентами.

 

3) базы данных реального времени и т. д.

Лекция №1

Терминология

Датчик - устройство, преобразующее контролируемую величину (давление, температура, расход и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи и преобразования информации о состоянии объекта.

Исполнительный механизм - устройство, осуществляющее воздействие на технологический объект управления по сигналу от системы управления. Примерами исполнительных механизмов являются: задвижка, регулирующий клапан, насос, теполнагревательный электрический элемент (ТЭН), пневмоотсечная арматура, вентиляционный клапан и т. д.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) – микропроцессорное устройство, содержащее в составе один или несколько микропроцессоров, модули памяти, порты ввода/вывода, предназначенное для сбора данных о состоянии технологического процесса, а также для автоматического управления им.

 

Непрерывную во времени картину развития АСУТП можно разделить на три этапа, обусловленные появлением качественно новых научных идей и технических средств. В ходе истории меняется характер объектов и методов управления, средств автоматизации и других компонентов, составляющих содержание современной системы управления.

Первый этап отражает внедрение систем автоматического регулирования (САР). Объектами управления на этом этапе являются отдельные параметры, установки, агрегаты; решение задач стабилизации, программного управления, слежения переходит от человека к САР. У человека появляются функции расчета задания и параметры настройки регуляторов.

Второй этап - автоматизация технологических процессов. Объектом управления становится рассредоточенная в пространстве система; с помощью систем автоматического управления (САУ) реализуются все более сложные законы управления, решаются задачи оптимального и адаптивного управления, проводится идентификация объекта и состояний системы. Характерной особенностью этого этапа является внедрение систем телемеханики в управление технологическими процессами. Человек все больше отдаляется от объекта управления, между объектом и диспетчером выстраивается целый ряд измерительных систем, исполнительных механизмов, средств телемеханики, мнемосхем и других средств отображения информации.

Третий этап - автоматизированные системы управления технологическими процессами - характеризуется внедрением в управление технологическими процессами вычислительной техники. Вначале - применение микропроцессоров, использование на отдельных фазах управления вычислительных систем; затем активное развитие человеко-машинных систем управления, инженерной психологии, методов и моделей исследования операций и, наконец, диспетчерское управление на основе использования автоматических информационных систем сбора данных и современных вычислительных комплексов.

От этапа к этапу менялись и функции человека (оператора/диспетчера), призванного обеспечить регламентное функционирование технологического процесса. Расширяется круг задач, решаемых на уровне управления.

Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления технологическими процессами получает информацию с монитора ЭВМ или с электронной системы отображения информации и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов.

Говоря о диспетчерском управлении, нельзя не затронуть проблему технологического риска. Технологические процессы в энергетике, нефтегазовой и ряде других отраслей промышленности являются потенциально опасными и при возникновении аварий приводят к человеческим жертвам, а также к значительному материальному и экологическому ущербу. В результате анализа аварий и происшествий в промышленности и энергетике были получены следующие данные: в 60 - х годах ошибка человека была первоначальной причиной аварий лишь в 20% случаев, тогда как к концу 80-х доля "человеческого фактора" стала приближаться к 80 %.

Одна из причин этой тенденции - ориентация на применение новейших технических и технологических достижений и недооценка необходимости построения эффективного человеко - машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера).

Дружественность человеко-машинного интерфейса, полнота и наглядность представляемой на экране информации, доступность элементов управления, удобство пользования подсказками и справочной системой и т. д. - повышает эффективность взаимодействия диспетчера с системой.

Управление технологическими процессами на основе систем SCADA стало осуществляться в передовых западных странах в 80-е годы. В России диспетчерское управление технологическими процессами опиралось, главным образом, на опыт оперативно-диспетчерского персонала.

Прообразом современных систем SCADA на ранних стадиях развития автоматизированных систем управления являлись системы телеметрии и сигнализации.

Примеры SCАDA-систем.

Программные продукты класса SCADA широко представлены на мировом рынке. Это несколько десятков SCADA - систем, многие из которых нашли свое применение и в России. Некоторые из них приведены ниже:

SCADA	Фирма-изготовитель	Страна
InTouch	Wonderware	США
RSView	Rockwell Software Inc.	США
Genesis	Iconics	США
SIMATIC WinCC	Siemens AG	Германия
КРУГ-2000	НПФ «КРУГ»	Россия
TraceMode	AdAstra	Россия
Citect	CI Technology	Австралия

При таком многообразии SCADA - продуктов на российском рынке естественно возникает вопрос о выборе. Ниже приводится примерный перечень критериев оценки SCADA - систем:

Технические характеристики

1) требовательность к программно-аппаратной платформе;

2) имеющиеся средства сетевой поддержки;

3) встроенные языки программирования;

4) графические возможности.

Стоимостные характеристики

При оценке стоимости SCADA-систем нужно учитывать следующие факторы:

· стоимость программно-аппаратной платформы;

· стоимость системы;

· стоимость освоения системы;

· стоимость сопровождения.

Требования к системам верхнего уровня

· они должны работать только с технологической информацией, отражающей основной технологический процесс;

· обеспечение открытости, как с точки зрения подключения различного контроллерного оборудования, так и коммуникации с другими программами;

· иметь гибкие средства, обеспечивающие пользователю эффективное создание экранных форм с минимальными затратами труда и времени;

· обеспечение простоты разработки приложений и доступной не только для разработчика, но и для конечного пользователя создаваемой АСУТП, поскольку облик системы определяется и может подвергаться изменениям, как разработчиком, так и пользователем;

· надежной (технологическая и функциональная) – быть устойчивой к ошибкам во внешних компонентах и к некорректным действиям обслуживающего персонала, т.е.:

- никакой единичный отказ оборудо­вания не должен вызнать выдачу лож­ного выходного воздействия (коман­ды) на объект управления:

- никакая единичная ошибка операто­ра не должна вызвать выдачу ложного выходного воздействия (команды) на объект управления;

- все операции по управлению долж­ны быть интуитивно-понятными и удобными для оператора (диспетчера).

· эффективной – обеспечивать необходимую функциональность и быстродействие при ограниченных требованиях к компьютеру;

· иметь умеренную цену на основное ПО и на лицензии исполнительных модулей пакета.

· иметь средства компьютерной защиты информации, разграничение ответственности пользователей

· должна предоставлять обслуживающему персоналу гибкий инструментарий для анализа поступающей информации.

SCADA-системы обеспечивают выполнение следующих основных функций:

1. Прием информации о контролируемых технологических параметрах от контроллеров нижних уровней и датчиков

2. Сохранение принятой информации в архивах.

3. Вторичная обработка принятой информации.

4. Графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме.

5. Прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов.

6. Регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы

7. Оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУ ТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях.

8. Формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации.

9. Обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием (или, как ее принято называть сейчас, комплексной информационной системой).

10. Непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

Если попытаться коротко охарактеризовать основные функции, то можно сказать, что SCADA-система собирает информацию о технологическом процессе, обеспечивает интерфейс с оператором, сохраняет историю процесса и осуществляет автоматическое управление процессом в том объеме, и котором это необходимо.

Лекция №2

Терминология

Аларм (Alarm) - состояние тревоги - некоторое сообщение, предупреждающее оператора о возникновении определенной ситуации, которая может привести к серьезным последствиям, и потому требующее его внимания, а часто и вмешательства.

Тренд (Trend) - графическое представление значений технологических параметров во времени. Подсистема создания трендов и хранения информации о параметрах с целью ее дальнейшего анализа и использования для управления является неотъемлемой частью любой SCADA - системы.

 

Структура SCADA как системы управления

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента.

Рис. 3.1. Основные структурные компоненты SCADA-системы

 

Remote Terminal Unit (RTU) удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени (специализированные многопроцессорные отказоустойчивые вычислительные комплексы, осуществляющие обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени).

Master Station (MS) диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого реального времени; одна из основных функций обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI).

Communication System (CS) коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU (или удаленный объект в зависимости от конкретного исполнения системы).

В состав типовой SCADA входят следующие подсистемы:

• графическая среда разработки,
• подсистема аварий (тревоги и события),
• встроенные языки программирования,
• т. д.

Терминология

АРМ – автоматизированное рабочее место оператора.

Мнемосхема – интерактивная визуализация технологического процесса, позволяющая отслеживать состояние ТП и управлять им в реальном времени с монитора компьютера.

Станция оператора – на базе промышленного компьютера обеспечивает отображение информации в текстовом и графическом виде, и управление.

После запуска станции оператора (АРМ), на экране монитора появляется основное окно системы.

Общее описание окна станции оператора на примере системы КРУГ–2000

Окно системы на базе пакета программ системы КРУГ-2000 разбито на 6 областей отображения информации (рис.5.1)::

1 - заголовок основного окна системы,

2 - основное меню системы,

3 - панель инструментов основного окна системы,

4 - панель сообщений,

5 - поле мнемосхем рабочего стола,

6 - панель выбора видеокадров.

Основное меню системы

В верхней части окна системы располагается основное меню системы, предназначенное для выбора отдельных функций управления системой, и состоящее из следующих выпадающих подменю:

Подменю «Файл» – предназначено для вывода на печать мнемосхемы текущего окна системы, предварительного просмотра выводимой на печать информации, для выбора принтера, определения параметров настройки принтера и выхода из системы.

Подменю «Окна» – предназначено для работы с окнами в системе,

Подменю «Помощь» – предназначено для получения справочной информации о функциях системы,

Меню управления окном мнемосхемы - предназначено для управления размером окна мнемосхемы.

Панель сообщений

Панель сообщений предназначена для отображения последних сообщений, зарегистрированных в протоколе событий системы. Формат сообщений состоит из даты регистрации, времени регистрации и текста сообщения.

В правой части поля отображаются текущие дата и время системы в формате: время - чч.мм.сс, дата - дд/мм/гггг.

Панель выбора видеокадров.

Панель выбора видеокадров находится в нижней части основного экрана системы и содержит функциональные кнопки для вызова мнемосхем. На каждой кнопке отображается краткое имя мнемосхемы. Для перехода на видеокадры системы необходимо нажать на соответствующую область экрана.

Рис. 5.3. Панель выбора видеокадров

Кнопка открытой мнемосхемы отображается в нажатом состоянии.

В правой части панели выбора видеокадров расположена область вывода аварийных сообщений и кнопка "Квит-е"; нажатие на экране в области данной кнопки производит квитирование всех переменных с нарушенными признаками в открытой мнемосхеме.

При нарушении параметров, принадлежащих какому-либо видеокадру системы, кнопка вызова данного видеокадра начинает мигать цветом, соответствующим нарушению. Квитирование световой сигнализации по параметру, вызвавшему нарушение, выполняется только после вызова видеокадра, на котором находится данный параметр, и осуществляется с помощью кнопки "Квитирование" на панели выбора.

После квитирования параметра, вызвавшего сигнализацию, мигание кнопки прекратится, и она будет подсвечена постоянным цветом, соответствующим самому опасному нарушению по параметрам данного видеокадра.

Цвет индикаторов на кнопках вызова видеокадров может принимать следующие цвета:

Зеленый - переменные, установленные на мнемосхеме в норме;

Мигающий зеленый - возврат в норму переменных, вышедших за границы предупредительных или предаварийных уставок сигнализации, или имевших состояние недостоверности по диагностике;

Мигающий желтый - выход текущих значений переменных за границу пpедупpедительной сигнализации;

Желтый - после квитирования переменной, вышедшей за границы пpедупpедительной сигнализации, если отсутствуют переменные с нарушениями предаварийных границ сигнализации;

Мигающий красный - выход текущих значений переменной за границу пpедаварийной сигнализации;

Красный - после квитирования переменной, вышедшего за границу пpедаварийной сигнализации;

Мигающий синий - срабатывание диагностики по недостоверному значению переменной или какого-либо описателя базы данных, который имеет атрибуты сигнализации, связанные с недостоверностью данных (например: отсутствие связи по каналу связи с УСО);

Синий - после квитирования параметра, имеющего недостоверное значение, если отсутствуют параметры с нарушениями предупредительных и предаварийных границ сигнализации;

Циановый (ярко-голубой) - при отсутствии на видеокадре переменных, назначенных на сигнализацию,

Белый - при всех снятых с опроса переменных на данном видеокадре или если эти переменные принадлежат к каналам связи, отключенным на данный момент.

Структура видеокадров на примере автоматизированной системы коммерческого и технического учета теплоносителей, газа и мазута

Структура видеокадров системы содержит следующие типы видеокадров:

· видеокадр “ МНЕМОСХЕМА ”,

· видеокадр “ ТАБЛИЦА НАСТРОЙКИ ПЕРЕМЕННОЙ ”,

· видеокадр “ ОДИНОЧНЫЙ ТРЕНД ”,

· видеокадр “ ГРУППА ТРЕНДОВ ”,

· видеокадр “ ПЕЧАТНЫЙ ДОКУМЕНТ ”,

· видеокадр “ ОБЩАЯ ”,

· видеокадр “ ДИАГНОСТИКА СЕТИ И КАНАЛОВ СВЯЗИ С КОНТРОЛЛЕРАМИ ”,

· видеокадр “ ДИАГНОСТИКА МОДУЛЕЙ КОНТРОЛЛЕРОВ ”,

· видеокадр “ ПРОТОКОЛ СООБЩЕНИЙ ”,

· видеокадр “ ПАСПОРТ ”,

· видеокадр “ НАВИГАТОР ”.

На видеокадрах типа “ МНЕМОСХЕМА ” отображают технологические схемы отдельных участков, состояние различного оборудования и значения наиболее важных технологических параметров для данной схемы в удобном для восприятия виде. С данных видеокадров можно просматривать и изменять настройки переменных базы данных, а также вызывать другие мнемосхемы.

Видеокадр “ ТАБЛИЦА НАСТРОЙКИ ПЕРЕМЕННОЙ ” предназначен для просмотра и изменения параметров настройки переменных непосредственно в системе реального времени (шкала, границы сигнализации, коэффициент фильтрации и дp.).

Видеокадр “ ОДИНОЧНЫЙ ТРЕНД ” отображает информацию в виде оперативного и архивного трендов для 1 аналоговой переменной.

Видеокадр “ ГРУППА ТРЕНДОВ ” - отображает информацию в виде оперативных и архивных трендов для нескольких переменных, входящих в данную группу.

Видеокадр “ ПЕЧАТНЫЙ ДОКУМЕНТ ” – отображает выходные отчётные формы, формируемые в системе.

Видеокадр “ ОБЩАЯ ” несет информацию о структуре АСКТУТГМ, состоянии связи с абонентами локальной сети системы по основной и резервной (при наличии) линиям, а также состоянии удалённых УСО контроллера К1.

Видеокадр “ ДИАГНОСТИКА МОДУЛЕЙ КОНТРОЛЛЕРОВ ” предназначен для отображения информации о состоянии мастер-модулей контроллеров, расположении и состоянии модулей контроллеров, расположенных в соответствующих шкафах, отображении сигнализации по переменным, физически привязанным к соответствующим модулям контроллеров.

Видеокадр “ ДИАГНОСТИКА СЕТИ И КАНАЛОВ СВЯЗИ С КОНТРОЛЛЕРАМИ ” отображает информацию о состоянии связи сервера БД с контроллерами и абонентами верхнего уровня по основной и резервной локальным сетям системы. Данный видеокадр позволяет производить включение/отключение каналов связи системы с УСО. С данного видеокадра может быть вызван прибор управления настройками серверов, прибор отключения звуковой сигнализации, а также может быть осуществлён вызов журналов событий Windows и выход из системы при наличии соответствующих прав доступа.

Видеокадр “ ПРОТОКОЛ СОБЫТИЙ “. На нем в различных вариантах сортировки и фильтрации выводятся сообщения о всех событиях, произошедших в системе.

На видеокадрах типа “ ПАСПОРТ ” приведены основные параметры по трубопроводам и измерителям расхода, а также другие данные, необходимые для дальнейшего расчета расхода и количественных параметров измеряемой среды. Данный видеокадр позволяет вносить изменения параметров точек учёта в режиме реального времени.

Примеры видеокадров

Рис. 5.4. Мнемосхема «Схема паропроводов»

Рис. 5.5. Мнемосхема «Котел»

Рис. 5.6. Видеокадр «Таблица настройки переменной»

Рис. 5.7. Пример видеокадра группы трендов

Рис. 5.8. Видеокадр «Диагностика сети и каналов связи с контроллерами»

Рис. 5.9. Видеокадр «Диагностика модулей контроллера»

Рис. 5.10. Видеокадр «Протокол событий»

Рис. 5.11. Видеокадр «Паспорт трубопровода с расходомером»

 

Лекция №3

Язык LD

Язык LD (LAD, Ladder) является графическим языком разработки, программа на котором представляет собой аналог релейной схемы. Пример программы на данном языке приведен на рис. 7.1. По идеи авторов стандарта, такая форма представления программы облегчит переход инженеров из области релейной автоматики на ПЛК.

К недостаткам данного языка можно отнести то, что по мере увеличения количества «реле» в схеме она становится сложнее для интерпретации, анализа и откладки. Еще один недостаток языка LD заключается в следующем: язык, построенный по аналогии с релейными схемами, может быть эффективно использован только для описания процессов, имеющих дискретный (двоичный) характер; для обработки «непрерывных» процессов (с множеством аналоговых переменных) такой подход теряет смысл.

Рис. 7.1. Язык релейных диаграмм LD.

 

Язык FBD

Язык FBD (Functional Block Diagram, Диаграмма Функциональных Блоков) является языком графического программирования, так же, как и LD, использующий аналогию с электрической (электронной) схемой. Программа на языке FBD представляет собой совокупность функциональных блоков (functional flocks, FBs), входа и выхода которых соединены линиями связи (connections). Эти связи, соединяющие выхода одних блоков с входами других, являются по сути дела переменными программы и служат для пересылки данных между блоками. Каждый блок представляет собой математическую операцию (сложение, умножение, триггер, логическое “или” и т.д.) и может иметь, в общем случае, произвольное количество входов и выходов. Начальные значения переменных задаются с помощью специальных блоков – входов или констант, выходные цепи могут быть связаны либо с физическими выходами контроллера, либо с глобальными переменными программы. Пример фрагмента программы на языке FBD приведен на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Функциональная схема FBD.

 

Практика показывает, что FBD является наиболее распространенным языком стандарта IEC. Графическая форма представления алгоритма, простота в использовании, повторное использование функциональных диаграмм и библиотеки функциональных блоков делают язык FBD незаменимым при разработке программного обеспечения ПЛК.

Язык SFC

Рис. 7.3. Язык последовательных функциональных схем SFC.

Язык последовательных функциональных схем SFC (Sequential Function Chart), использующийся совместно с другими языками (обычно с ST и IL), является графическим языком, в котором программа описывается в виде схематической последовательности шагов, объединенных переходами. Язык SFC построен по принципу, близкому к концепции конечного автомата, что делает его одним из самых мощных языков программирования стандарта IEC 61131-3. Пример программы на языке SFC приведен на рис. 7.3.

Шаги последовательности располагаются вертикально сверху вниз. На каждом шаге выполняется определенный перечень действий (операций). При этом для описания самой операции используются другие языки программирования, такие как IL или ST.

После того, как шаг выполнен, управление передается следующему за ним шагу. Переход между шагами может быть условным и безусловным. Условный переход требует выполнение определенного логического условия для передачи управления на следующий шаг; пока это условие не выполнено программа будет оставаться внутри текущего шага, даже если все операции внутри шага уже выполнены. Безусловный переход происходит всегда после полного выполнения всех операций на данном шаге. С помощью переходов можно осуществлять разделение и слияние ветвей последовательности, организовать параллельную обработку нескольких ветвей или заставить одну выполненную ветвь ждать завершения другой.

Как и любому другому языку, SFC свойственны некоторые недостатки. Хотя SFC может быть использован для моделирования конечных автоматов, его программная модель не совсем удобна для этого. Это связано с тем, что текущее состояние программы определяется не переменной состояния, а набором флагов активности каждого шага, в связи с чем при недостаточном контроле со стороны программиста могут оказаться одновременно активными несколько шагов, не находящихся в параллельных потоках.

Язык ST

Язык ST (Structured Text, Структурированный Текст) представляет собой язык высокого уровня, имеющий черты языков Pascal и Basic. Данный язык имеет те же недостатки, что и IL, однако они выражены в меньшей степени. Пример программы на языке ST приведен на рис. 7.4.

С помощью ST можно легко реализовывать арифметические и логические операции (в том числе, побитовые), безусловные и условные переходы, циклические вычисления; возможно использование как библиотечных, так и пользовательских функций. Язык также интерпретирует более 16 типов данных.

Рис. 7.4. Язык структурированного текста ST.

Язык ST может быть освоен технологом за короткий срок, однако текстовая форма представления программ служит сдерживающим фактором при разработке сложных систем, так как не дает наглядного представления ни о структуре программы, ни о происходящих в ней процессах.

Язык IL

Язык IL (Instruction List, Список Команд) представляет собой ассемблероподобный язык, достаточно несложный по замыслу авторов стандарта, для его практического применения в задачах промышленной автоматизации пользователем, не имеющим, с одной стороны, профессиональной подготовки в области программирования, с другой стороны, являющимся специалистом в той или иной области производства. Однако, как показывает практика, такой подход себя не оправдывает.

Пример программы на языке IL приведен на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Язык инструкций IL.

 

IL часто применяется для кодирования отдельных функциональных блоков, из которых впоследствии складываются схемы FBD или CFC. При этом IL позволяет достичь высокой оптимальности кода: программные блоки, написанные на IL, имеют высокую скорость исполнения и наименее требовательны к ресурсам контроллера. Язык IL имеет все недостатки, которые присущи другим низкоуровневым языкам программирования: сложность и высокую трудоемкость программирования, трудность модификации написанных на нем программ, малую степень «видимого» соответствия исходного текста программы и решаемой задачи.

Многие производители инструментальных средств, опирающиеся на стандарт IEC, не ограничиваются поддержкой рассмотренных выше пяти языков стандарта. Можно выделить, как минимум, еще один язык визуального программирования, который довольно популярен среди разработчиков.

Язык CFC

Язык CFC (Continuous Flow Chart) – еще один высокоуровневый язык визуального программирования. По сути, CFC – это дальнейшее развития языка FBD. Этот язык был специально создан для проектирования систем управления непрерывными технологическими процессами.

Рис. 7.6. Среда проектирования на языке CFC системы Simatic PCS7.