Табличный ПЛК.Табличное программирование контроллеров
Стретенцев Васильевич Владимир
В данной книге предлагается альтернативный метод создания программ для программируемых логических контроллеров – ПЛК. Рассматривается метод управления контроллерами с помощью программ организованных в виде таблиц. Использование таблиц позволяет наблюдать за выполнением программы в контроллере, без подключения его к компьютеру с установленной средой разработки. Применение табличного программирования для управления оборудованием может упростить разработку программ для ПЛК, ускорить поиск неисправностей, существенно уменьшить время простоев, а также кратно снизить стоимость оборудования и программного обеспечения. В книге рассматриваются основы и особенности табличного программирования, а также примеры решения задач автоматизации с помощью табличных программ. Дополнительно представлена простая среда разработки программ организованных в виде таблиц.
Стретенцев Владимир
Табличный ПЛК.Табличное программирование контроллеров
Предисловие
Управление объектами при помощи вычислительных устройств со временем трансформировалось из важного компонента в основную задачу при проектировании различных систем и оборудования. Современные микропроцессоры и контроллеры на их основе помогают реализовать алгоритмы управления как отдельными частями оборудования, так и всей системой, учитывая сложные внутренние связи. Увеличение скорости вычислений и объема памяти контроллеров способствовало созданию сложных программных комплексов, использованию многоуровневых интерфейсов обмена данными. Помимо большой положительной роли автоматического управления объектами в современной жизни, увеличение сложности систем стало причиной их ненадежности. Постепенно алгоритм работы вычислительного устройства, управляющего оборудованием или его частью, оказался недоступен как для оператора, так и для обслуживающих специалистов. Знания о работе системы стали сводиться к ожиданию определенной ответной реакции механизмов и различных приборов на изменения сигналов на входах контроллера. Оборудование, работающее по заданному алгоритму, начало наделяться интеллектуальными или разумными свойствами из-за часто непредсказуемой реакции на действия оператора.
Работа системы в штатном режиме обычно не вызывает вопросов к ее внутреннему устройству. Но при поломке одной из частей системы или возникновении нештатной ситуации восстановление работоспособности системы потребует понимания алгоритма ее работы. И чем сложнее система, тем больше необходимо знать о взаимодействии между входящими в нее объектами. Большинство графических человеко-машинных интерфейсов в основном отражают состояние работающей системы и не позволяют во всей полноте обеспечить обслуживающий персонал информацией о ее повреждении или нештатном состоянии. Сложное программное обеспечение, часто недоступное в текстовом или графическом виде, может содержать ошибки или неучтенные состояния системы. В случае поломки какой-либо части системы восстановление ее работоспособности потребует от обслуживающих специалистов знания алгоритма управляющей программы и большого опыта в ремонте подобного оборудования.
Для привлечения к программированию не только профессиональных программистов, но и инженеров других специальностей были разработаны языки программирования высокого уровня и графические средства разработки программ. Такие средства ускоряют разработку программ управления оборудованием, снижают количество ошибок в программном обеспечении, но при этом создают новые трудности при эксплуатации оборудования. Даже если не брать в расчет тот факт, что очень часто программный код, управляющий оборудованием, закрыт, специалистам, обслуживающим такое оборудование, необходимо постоянно изучать новые решения, появляющиеся в области программирования контроллеров, чтобы прогнозировать поведение оборудования при минимальном объеме информации о его внутренней организации.
Таким образом, работа технических систем становится рискованной. Некоторые виды поломок могут серьезно увеличивать простой оборудования. Возникает зависимость живучести объекта от доступности специалистов и их квалификации. Даже у специалистов высокого уровня время выявления и последующего устранения причины неработоспособности оборудования постоянно возрастает.
Насущным условием становится появление открытых систем, позволяющих получать информацию об их алгоритме работы и внутреннем состоянии. При этом возникают серьезные требования к графическому человеко-машинному интерфейсу.
Требуется простая и понятная визуализация состояний системы. Настройка режимов работы не должна быть многослойной, когда для доступа к интересующим нас параметрам нужно проходить по ветвистому дереву переходов. Необходимо применять графические символы, создающие правильные ассоциации. При наведении указателя на элементы с изображением графических символов должна появляться подсказка, однозначно и ясно объясняющая назначение каждого символа. Причем это относится не только к интерфейсу пользователя, но и к графической системе, отражающей внутреннее состояние системы. Следует выбирать такие способы представления информации, которые будут достоверно и точно отображать состояние входов и выходов контроллера. Название внешних сигналов не должно ограничиваться только номером провода или контакта, оно должно также содержать в себе назначение сигнала, его функцию, быть написанным на понятном языке, без сокращений и выдуманных разработчиком сложных аббревиатур. Обязательно должны отображаться логические цепи формирования выходных сигналов.
Решение данной проблемы – не новая задача, и в программируемых логических контроллерах (ПЛК) наряду с текстовыми языками применяются графические языки программирования: LD (Ladder Diagram) – язык релейных схем, FBD (Function Block Diagram) – язык функциональных блоков, SFC (Sequential Function Chart) – язык диаграмм состояний. Данные языки стандартизованы для применения в программируемых контроллерах в МЭК 61131-3[1 - ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016 «Контроллеры программируемые. Часть 3. Языки программирования».]. Чтобы увидеть графическое отображение работы программы, созданной на одном из этих языков, необходимо подключить к ПЛК компьютер с установленной на нем средой разработки, в которую загружен исходный файл программы. Далее нужно синхронизировать программу в компьютере с программой в ПЛК. Тут опять возникает множество вопросов, не всегда имеющих адекватное решение:
– поставляется ли с оборудованием файл исходной программы?
– имеется ли в оперативном доступе компьютер с установленной средой разработки?
– есть ли возможность для подключения компьютера к ПЛК?
– необходима ли лицензия на использование среды разработки?
– есть ли вообще специалист, знакомый со средой разработки и умеющий разбираться в программах на перечисленных языках?
Даже если на все подобные вопросы ответить утвердительно, то остаются проблемы однозначного понимания применяемого алгоритма работы, использования нестандартных блоков и подпрограмм, созданных разработчиками оборудования, назначения внутренних переменных и комментариев.
Из приведенных в пример графических языков у специалиста по информационным технологиям, не знакомого с ПЛК, только язык диаграмм состояний может не вызвать вопросов. Для небольших алгоритмов достаточно прост и понятен язык релейных схем LD, но программы с большим количеством блоков, написанные на нем, могут вызвать серьезные затруднения. Язык функциональных блоков FBD похож на принципиальную схему на логических микросхемах и более понятен специалистам по электронике, чем программистам.
На практике разворачивание диагностического комплекса, содержащего среду разработки, с привлечением соответствующих специалистов требует времени, в течение которого оборудование простаивает. Решение встроить диагностический комплекс в оборудование снимает часть проблем, возникающих при поломках, и позволяет наладчикам сразу же начать диагностику неисправности. Однако это довольно дорогое решение, которое не всегда может быть применено по экономическим соображениям. Встроенный в оборудование диагностический комплекс также повысит требования к квалификации сервисных инженеров. Теперь на время простоя будет влиять не скорость развертывания диагностического оборудования, а время, требующееся на привлечение к ремонту необходимых специалистов, особенно если их нет в штате предприятия.
Языки, входящие в стандарт МЭК 61131-3, упорядочивают процесс разработки программ и снижают затраты на перенос программ с контроллеров одного производителя на контроллеры другого. Специалист, освоивший стандартные языки программирования контроллеров, может разобраться в программах, написанных для контроллеров разных производителей, но для поиска неисправностей еще необходимо знание особенностей контролируемого процесса и алгоритма работы, осуществляемого при помощи данного оборудования. К примеру, специалист, разбирающийся только в работе вентиляционного оборудования, скорее всего, не сможет быстро перейти на обслуживание газовых турбин или грузоподъемного оборудования, хотя язык программирования этих систем может быть одним и тем же.
Попробуем определить какую информацию и в каком виде нужно иметь обслуживающему персоналу, чтобы быстро и точно найти причину неисправности оборудования, а после ее устранения убедиться в правильности действий.
Во-первых, работнику должно быть понятно назначение оборудования или системы, которую он собирается ремонтировать. Неисправной может быть только какая-то часть большого и сложного комплекса, о котором можно иметь лишь общее представление. Обычно сложные системы состоят из частей или модулей, и специалисту по ремонту нужно понимать назначение и функцию неисправной части. А лучше, чтобы сам модуль мог сообщать о своем назначении и функции в системе, информировать об алгоритме своей работы и встроенных ограничителях, например аварийных кнопках, датчиках уровня, концевых выключателях. Кроме того, обязательно должны быть представлены контролируемые параметры и их границы.
Во-вторых, необходимо иметь однозначную информацию о назначении входных и выходных сигналов. Так как функция программируемого контроллера, управляющего оборудованием, – формировать выходные сигналы и данные, то специалисту по ремонту необходима информация о том, как формируются выходные сигналы и данные. Причем эта информация должна быть представлена в простом и понятном виде.
Применяемые при управлении объектами сложные алгоритмы имеют разные уровни детализации, и необходимо предоставить заинтересованным лицам такой уровень описания, когда алгоритм остается ясным и не тонет во множестве деталей. Можно и дальше добавлять требования к визуализации состояния оборудования, тем самым увеличивая нагрузку на программирование графической части программы. Но лучше, чтобы все эти требования имели автоматическую реализацию в среде разработки. Чтобы в момент написания программы создавалось такое графическое представление алгоритма, которое может быть использовано при сопровождении готового продукта.
Теперь необходимо задаться вопросом о том, как эта информация может быть доведена до пользователя и воспринята им. И здесь стоит отойти от оборудования и алгоритмов его работы и рассмотреть уже сложившиеся способы донесения информации до человека.
1. Введение в табличное программирование контроллеров
1.1. Почему таблица?
Многообразие форм информационных потоков, воспринимаемых человеком, несколько усложняет выбор такого метода, который применим в рассматриваемом случае. Ведь необходимо не только информировать человека о состоянии контролируемого процесса и его критических параметрах, но и показывать состояние входов и выходов контроллеров, их назначение и алгоритмы формирования выходных значений. Можно сузить круг поиска и рассматривать наиболее близкие для специалиста формы представления информации. Обычно специалист в области автоматизации – это человек с техническим образованием, привыкший работать на компьютере, понимающий основы булевой алгебры, разбирающийся в базовых алгоритмах.
Обучение профессии и последующая деятельность такого специалиста постоянно тренируют его в быстром восприятии и анализе таких форм представления информации, как графики, схемы, таблицы, диаграммы, блок-схемы, списки, тексты, чертежи и тому подобное. И здесь наступает момент выбора одной или нескольких таких форм. Все они имеют свои плюсы и минусы и могут быть адаптированы для решения поставленной задачи. При рассмотрении наиболее подходящих форм предоставления информации отбиралась та, которая позволяет объединить в себе максимальное количество необходимых свойств и не прибегать к дополнительному использованию других форм. Конечно, немалое влияние на выбор формы оказали предпочтения и опыт автора.
С появлением персональных компьютеров появилась возможность интерактивной обработки данных. Вместо пакетной обработки, когда между изменениями в программе или в данных и получением результата проходили часы или дни, появилась возможность видеть результат практически сразу после внесения изменений. Раньше перед автором стояла задача обработки рентгеновских спектров, получаемых при анализе содержания полезных элементов в руде. Для этого была написана соответствующая программа. Применение персонального компьютера позволило сохранять большое количество спектров, представляющих собой массивы, размерность которых соответствовала количеству каналов спектрометра, а значение элемента массива – интенсивности излучения. Программы электронных таблиц еще не были распространены, но в научной литературе обсуждалась их концепция и ожидаемая будущая популярность. Понимание того, что, используя электронную таблицу, можно упростить обработку спектров, сортировку и хранение, а также просто и наглядно решить множество вопросов, возникающих при определении состава проб, усиливало ожидание появления такого программного продукта.
Появление Microsoft Excel версии 3.0 и выше отодвинуло существовавшие на то время программы электронных таблиц других производителей на задний план. Хотя необходимо отметить, что электронная таблица Quattro Pro 9, входящая в Corel WordPerfect Office 2000, по своим возможностям не уступала аналогичной версии Microsoft Excel, но к этому времени MS Excel фактически стал стандартом. Особенно порадовала возможность заморозки части таблицы, как по вертикали, так и по горизонтали. Теперь можно было работать с довольно большими таблицами, используя замороженную часть как многострочный заголовок с возможностью видеть большое количество вычисляемых параметров. К примеру, таблица прихода и расхода комплектующих после появления MS Excel была сделана за пару часов и учитывала жизненный цикл каждой партии товара. Недостаток таких решений, состоящий в невысокой защищенности данных от случайных изменений, с лихвой покрывался скоростью получения интересующей вас информации и ее наглядностью.
Вообще информация, представленная в виде таблицы, легко воспринимается и анализируется человеком. Горизонтальные и вертикальные связи не затрудняют восприятие, а, наоборот, облегчают его. Достаточно беглого взгляда на товарный ценник, составленный в виде таблицы, чтобы понять, сколько представлено товарных позиций и какой у них диапазон цен. Мы непрерывно тренируемся в скоростном восприятии информации, представленной в виде таблиц. Календари, расписания, товарные чеки, окно с файлами на экране компьютера – не что иное, как таблицы, отформатированные особым образом. Даже арифметические вычисления в столбик в тетрадке в клеточку прививают нам способность быстрого анализа табличных данных. Остается вопрос, как приспособить эту замечательную способность человека к решению рассматриваемой задачи – программированию контроллера, управляющего оборудованием.
Для решения большинства проблем, связанных с отображением внутреннего состояния программы, которая управляет техническим объектом, предлагается выводить состояние программы в виде специальной таблицы на экран монитора или сенсорного дисплея удобного размера. Таблица с внутренним состоянием контроллера может находиться в одной из закладок монитора, на который в обычном режиме выводится информация о контролируемом процессе или другие необходимые данные. Специалисту, программирующему контроллер, не нужно создавать таблицу и организовывать отображение данных, таблица и является программой. Кроме данных в ячейках таблицы, нет никаких дополнительных блоков или файлов. Она же, по сути, и графический интерфейс между машиной и человеком. В ней мы видим состояние всех переменных. От программиста скрыт только код, пересчитывающий данные в ячейках. И самое главное, таблица является средством разработки программы контроллера. Отпадает необходимость в сложной и дорогостоящей среде для написания и отладки программ, загружаемых в контроллеры.
Так как отсутствует многоуровневая система меню для изменения параметров и на экран выводится одна-единственная таблица, в которой отображается весь процесс, то многократно сокращается время обучения программированию контроллеров. Может сложиться впечатление, что такая таблица будет иметь тысячи строк и столбцов, но это на самом деле далеко не так. Например, программа управления портальным краном, имеющим две лебедки, стреловой, поворотный механизм и систему передвижения, содержит 180 строк и 30 столбцов. Простые программы управления небольшими объектами часто не нуждаются в прокрутке строк или столбцов, помещаясь на экране целиком.
Для больших программ или программ, имеющих довольно большие повторяющиеся блоки, можно организовать многостраничную структуру, состоящую из нескольких таблиц на отдельных страницах, причем пересчет таблиц нужно производить параллельно. Так как параллельная обработка страниц выполняется циклически, то она не приведет к появлению ошибок, связанных с синхронизацией. Выходные данные от одной страницы по мере готовности могут участвовать в расчетах на другой странице. Если какие-либо данные с параллельной страницы не были готовы в этом цикле пересчета таблицы, то они могут быть готовы в одном из следующих. Программы на отдельных страницах можно рассматривать как программы, работающие в отдельных контроллерах. Так как подобные виртуальные контроллеры используют одну память, то практически нет ограничения скорости передачи данных между ними. Но чтобы не потерять прозрачность общего алгоритма, при многостраничной организации программы следует минимизировать связи между страницами.
1.2. Основы табличного программирования
Для начала рассмотрим таблицу, показанную на рис. 1. В левый столбец таблицы вводятся логические состояния входов контроллера, а в ячейках верхнего заголовка рассчитываются выходные значения. Состояние каждого выхода будем определять как логическое И по столбцу под ним.
Рис. 1. Пример таблицы
Чтобы таблица стала программой, внесем в нее некоторые изменения. Ячейки в теле таблицы, участвующие в расчете выходных значений, будем называть активными ячейками. Для обозначения активной ячейки используется символ «&», который в электронике и программировании обычно является символом битовой операции «логическое И». Чтобы увеличить наглядность таблицы, активные ячейки, состояние которых равно нолю, выделим синим цветом, а ячейки, состояние которых равно единице, – зеленым цветом. Таким же образом обозначим результат логического И по столбцу. Простая табличная программа представлена на рис. 2.
Рис. 2. Пример простой табличной программы
Пересчет таблицы выполняется следующим образом. Сначала идет обработка строк сверху вниз. Значение в каждой строке определяется входной переменной. В данном случае оно соответствует логическому уровню на соответствующем входе контроллера. При наличии в строке активных ячеек всем таким ячейкам строки присваивается полученное значение. По окончании перебора строк вычисляются значения выходных переменных – как логическое И по ячейкам столбца под каждой выходной переменой. В этом виде данные в таблице сложно назвать программой, однако под определение программы по ГОСТ 19.781-90[2 - ГОСТ 19.781-90 «Обеспечение систем обработки информации программное. Термины и определения».] – «данные, предназначенные для управления конкретными компонентами системы обработки информации в целях реализации определенного алгоритма» – она подходит.
Для написания или создания программы в такой таблице сначала нужно заполнить первый столбец именами входных переменных или комментариями к ним и указать соответствующий номер входного контакта контроллера. Затем заполнить верхнюю строку-заголовок именами выходных переменных, также добавив номера контактов, соответствующие выходам контроллера. Теперь остается ввести в ячейки, которые будут участвовать в формировании выходных значений, символ «&». В принципе, все, программа написана. В результате поисков удобного формата таблицы, который бы легко воспринимался специалистом, даже не писавшим программу, из всех возможных операций в столбце было оставлено только логическое И. Это сделано для удобства быстрого анализа состояния программы в таблице. Если в столбце хоть одна активная ячейка принимает значение ноль, то результат тоже будет ноль. Если все активные ячейки столбца будут равны единице, то выходная переменная над столбцом также будет равна единице. Выделение синим цветом ячеек, находящихся в состоянии «ноль», и зеленым цветом ячеек в состоянии «единица» помогает увидеть всю картину целиком, быстро найти ячейки, цвет которых не соответствует вашим ожиданиям.
1.3. Триггерные ячейки
Чтобы зафиксировать однократное появление сигнала в логических цепях, используются триггеры. Базовым видом триггеров является асинхронный RS-триггер, состояние выхода которого меняется в зависимости от логических уровней на его входах, обозначаемых буквами R и S. Для установки на выходе RS-триггера единицы на вход «S» подают логическую единицу, а для сброса выхода в ноль логическую единицу подают на вход «R».
Добавим в табличную программу возможность фиксировать однократное появление сигнала. Для этого в каждом столбце создадим свой RS-триггер с одним выходом и произвольным количеством входов. Ячейки, реализующие триггерные операции в программе, будем называть триггерными ячейками. Табличная программа, использующая триггерные ячейки, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Пример табличной программы, использующей триггерные ячейки
В верхний заголовок таблицы добавлена строка «RS». Каждая ячейка этой строки является выходом RS-триггера столбца, входы для которого находятся в ячейках под ним. Для того чтобы управлять этим выходом, в столбец добавлены ячейки, которые изменяют его состояние. Ячейки, использующиеся для сброса в ноль, будем обозначать символом «R», а для установки в единицу – символом «S». Ячейки «R» и «S» будем называть активными триггерными ячейками. Выберем для них следующее цветовое обозначение: серый для состояния «ноль» и пурпурный для состояния «единица». Ячейки в строке «RS» хоть и являются триггерными, но обозначены символом «&», так как они наравне с другими активными ячейками будут участвовать в логическом И по столбцу.
Начальное значение ячеек в строке «RS» равно единице. Это сделано для того, чтобы при отсутствии в столбце активных триггерных ячеек «R» и «S» ячейка «RS» не блокировала нулем результат логического И по столбцу. Выход триггера столбца, которым является ячейка «RS», управляется следующим образом. Если в столбце ячейка «R» принимает значение «единица», то значение ячейки «RS» в заголовке сбрасывается в ноль. Если же в столбце ячейка «S» принимает значение «единица», то значение ячейки «RS» устанавливается в единицу. При возвращении состояния ячейки «R» или «S» в ноль ячейка «RS» не меняет свое значение. Происходит «защелкивание». Так как внутренний интерпретатор проходит по таблице сверху вниз, то при многократном применении в столбце триггерных ячеек значение ячейки «RS» будет определяться нижней триггерной ячейкой. После учета состояния всех ячеек «R» и «S» столбца значение ячейки «RS» участвует в операции «логическое И» наравне с ячейками столбца, обозначенными символом «&».
1.4. Логические операции над входными переменными
Сигналы состояний устройств, такие как готовность к работе или предупреждение о неисправности, могут быть сформированы с помощью логических операций над входными переменными. Применение логических операций над входными переменными не только расширяет функционал таблицы, но также уменьшает количество активных ячеек. В логическом И по столбцу теперь могут участвовать не значения входных переменных, а сигналы состояний механизмов и систем. Вместо использования нескольких активных ячеек, отражающих логические уровни дискретных датчиков какого-либо устройства, будет нужна всего лишь одна активная ячейка с сигналом готовности этого устройства. Такой подход упрощает программирование и, самое главное, улучшает читаемость программы.
Добавим в таблицу столбцы, необходимые для выполнения операций над входными значениями. Чтобы улучшить читаемость программы, немного изменим внешний вид таблицы. Вставим дополнительные строки, которые будут разделять программу на блоки, а комментарии в строках, имеющих активные ячейки, выделим светло-серым фоном. Фон в остальных ячейках оставим белым. Табличная программа с внесенными изменениями показана на рис. 4.
Рис. 4. Табличная программа с логическими операциями над входными переменными
Сначала рассмотрим возможность инвертирования входных логических сигналов для дальнейшего использования в программе. Одни сигналы, поступающие на вход контроллера, могут приходить с датчиков, имеющих нормально открытый контакт (НО), и при срабатывании такого датчика на входе контроллера будет уровень, соответствующий единице. Другие же датчики могут иметь нормально замкнутый контакт (НЗ), и при их срабатывании на входе контроллера появится ноль. Реализуемый в программе алгоритм может потребовать инвертированных входных сигналов. Если инверсии не требуется, запишем в ячейку операции знак «=». Для инверсии входного значения в ячейку операции запишем слово «NOT». В строке 10 таблицы на рис. 4 значение переменной b1 сначала инвертируется, а потом участвует в логической операции «исключающее ИЛИ».
Далее рассмотрим применение основных логических операций – «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ» – для обработки входных переменных перед присвоением результата активным ячейкам таблицы. Так как для операций «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ» требуются не менее двух аргументов, то две строки будут формировать аргументы, а результат поместим в третью строку. Конструкция будет напоминать арифметическое действие в столбик. Многострочные логические операции производятся над данными в столбце «Результат», и в этом же столбце записывается ответ. Расположение в одном столбце операндов и результата операции позволяет использовать полученный результат в качестве одного из операндов для следующей операции. На рис. 4 в ячейке «Результат» строки 4 будет ответ на логическое И содержимого двух ячеек, расположенных выше. Аналогично – в строке 8 для операции логическое «ИЛИ» и в строке 12 для операции «исключающее ИЛИ». В обычном для текстовых языков программирования виде это будет выглядеть следующим образом:
– строка 4: b3 = b1 AND b2 // 0 AND 1 = 0;
– строка 8: b4 = b1 OR b2 // 0 OR 1 = 0;
