Структура scаda-систем: основные блоки. Встроенные языки программирования, softlogic (часть 2).

 

SCADA-системы, которые комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров, называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogіс. Современный контроллер свободно программируем, т.е. предоставляет разработчику возможность создавать пользовательские программы произвольной структуры без ограничений их функциональности, будь то программа управления пастеризатором на молочном комбинате или управление колонной ректификации на НПЗ. По сути, единственным ограничением здесь может быть объем свободных ресурсов контроллера. Очевидно, что незапрограммированный контроллер – это всего лишь пустая железка, не приносящая никакой пользы.

Большинство SCADA-систем имеют встроенные языки высокого уровня, Basic-подобные языки, позволяющие генерировать адекватную реакцию на события, связанные с изменением значения переменной, выполнением некоторого логического условия, использованием комбинации клавиш, а также реализацией некоторого фрагмента с заданной частотой относительно всего приложения или отдельного окна.

Встроенные языки программирования - мощное средство SCADA - систем, предоставляющее разработчику гибкий инструмент для разработки сложных приложений. Первые версии SCADA - систем либо не имели подобных языков, либо эти языки реализовывали небогатый набор функций. В современных версиях SCADA - систем функциональные возможности языков становятся существенно богаче. Явно выделяются два подхода:

• Ориентация встроенных языков программирования на технологов. Функции в таких языках являются высокоуровневыми, не требующими профессиональных навыков программирования при их использовании.
• Ориентация на системного интегратора. В этом случае в качестве языков чаще всего используются VBasic - подобные языки.

В каждом языке допускается расширение набора функций. В языках, ориентированных на технологов, это расширение достигается с помощью дополнительных инструментальных средств.

Во всех языках функции разделяются на группы, часть из которых присутствует практически во всех языках: математические функции, функции работы со строками, обмен по SQL, DDE - обмен и т. д. В разрабатываемом приложении создаются программные фрагменты, состоящие из операторов и функций языка, которые выполняют некоторую последовательность действий.

Существует международный стандарт IEC 61131, разработанный Международной Электротехнической Комиссией (МЭК, IEC) и состоящий из восьми частей. Третья часть этого стандарта, IEC 61131-3, описывает языки программирования ПЛК. Первоначальной целью стандарта IEC 61131-3 была унификация языков программирования ПЛК и предоставление разработчикам ряда аппаратно-независимых языков, что, по замыслу создателей стандарта, обеспечило бы простую переносимость программ между различными аппаратными платформами и снимало бы необходимость изучения новых языков и средств программирования при переходе разработчика на новый ПЛК.

Краткий обзор языков стандарта.

Аббр.	Обозначение Английский	Обозначение Русский	Описание
IL	Instruction List	Список инструкций	Текстовый язык. Аппаратно-независимый низкоуровневый ассемблероподобный язык.
LD	Ladder Diagram	Релейно-Контактные Схемы	Графический язык. Представляет собой программную реализацию электрических схем на базе электромагнитных реле.
FBD	Function Block Diagram	Функциональные блоковые диаграммы	Графический язык. Функциональный блок (ФБ) выражает некую подпрограмму. Каждый ФБ имеет входы (слева) и выходы (справа). Программа создается путем соединения множества ФБ.
SFC	Sequential Function Chart	Последовательностные функциональные диаграммы	Графический высокоуровневый язык. Создан на базе математического аппарата сетей Петри. Описывает последовательность состояний и условий переходов.
ST	Structured Text	Структурированный текст	Текстовый Паскалеподобный язык программирования

 

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.

 

Проектирование сводится к выбору из библиотек готовых функциональных блоков, их позиционированию на экране, установке соединений между их входами и выходами, а также настройке параметров выбранных блоков. В отличие от FBD, функциональные блоки языка CFC выполняют не только простые математические операции, а ориентированы на управление целыми технологическими единицами. Так в типовой библиотеке CFC блоков находятся комплексные функциональные блоки, реализующие управление клапанами, моторами, насосами; блоки, генерирующие аварийные сигнализации; блоки PID-регулирования и т.д. Вместе с тем доступны и стандартные блоки FBD. Унаследовав от FBD саму концепцию программирования, язык CFC в наибольшей степени ориентирован на сам технологический процесс, позволяя разработчику абстрагироваться от сложного математического аппарата.

CFC прост в освоении, и при этом позволяет разрабатывать сложнейшие алгоритмы автоматизированного управления без каких-либо специфических знаний других языков программирования.