Программирование логических контроллеров в codesys. Программирование ПЛК

15 09.2016

Перед тем, как программировать ПЛК в среде разработки CoDeSyS 2.3 новички часто задаются вопросом: А какие системы требуется установить для корректной работы с аппаратом?? А как конфигурировать входы и выходы контроллера?? А каким образом связать устройство с ПК?? И снова, а как, а как?? Все мы с вами понимаем, устройства сложные и алгоритмы объёмные, и на изучение потребуется время. Я вот думаю, может написать небольшую книжку и назвать codesys для чайников? А вы согласны?

Из этой статьи вы узнаете:

Здравствуйте уважаемые коллеги и гости. Пишет вам автор блога сайт, Гридин Семён, и в этой статье я вам расскажу, как правильно программировать контроллер. Тема достаточно актуальная, я надеюсь после прочтения статьи, некоторые вопросы отпадут самим собой. =)

Как работает ПЛК?

ПЛК(программируемый логический контроллер) — это устройства полностью автоматизирующие работу аппаратов, различных агрегатов и станков. Фактически, это некий блок, который содержит входы и выходы, для подключения датчиков и исполнительных органов. Внутри прописывается логика.

Вычисления в устройстве выполняются циклически. То есть одни и те же действия выполнения программы выполняются в короткий промежуток времени.

В один цикл осуществляемый прибором выполняются следующие операции:

1. Начало цикла;
2. Чтение состояния входа;
3. Выполнение кода пользователя;
4. Запись состояния выходов;
5. Обслуживание аппаратных ресурсов;
6. Монитор системы исполнения;
7. Контроль времени цикла;
8. Переход на начало цикла;

Не буду больше разглагольствовать по теории. Давайте сразу перейдём к практике.

Из чего состоит программный комплекс для полноценной работы с ПЛК

Конечно вам поначалу покажется, что слишком много нужно знать, чтобы связать друг с другом основное приложение и утилитки, а потом соединить устройство. Я хочу вам сказать, что ничего сложного в процессе установки и связей — нет. В этом поможет моя статья.

Для начала нам нужно установить основной дистрибутив CoDeSyS 2.3 c официального сайта ОВЕН . А, я предлагаю во многих постах, касающихся программирования, использовать устройство ОВЕН ПЛК63 . Так как это универсальное устройство с экраном. У него на борту есть и дискретные входы, и аналоговые входы, и релейные выходы.

Итак, скачиваем программу:

Затем следует стандартная процедура установки. Указываем путь и все время жмём “Далее”, “Далее”.

Следующим этапом будет установка таргетов для плк. Таргет — это некое описание о конфигурации ПЛК. Инструкция подсказывает CoDeSyS 2.3, какое количество и какие входы/выходы имеет устройство.
Скачиваем также с сайта ОВЕН . Рекомендую установить все таргеты, которые там есть. Чтобы потом не искать и не думать об этом, если придется писать алгоритм на другой ПЛК.

Запускаем автоматический установщик, устанавливаем инструкции. Всё, половину пути мы с вами уже сделали в этой работе! После этих всех процедур можно устанавливать библиотеки, но о них позже. Переходим к следующему пункту.

Рабочее окно программы

Дистрибутив мы с вами установили, таргеты тоже. Давайте мы с вами рассмотрим рабочее окно среды разработки, элементы меню и основные вкладки.

Основное поле на рисунке выше делится на три области:

1. Редактор переменных и их типов;
2. Дерево объектов;
3. Редактор основного алгоритма программы;

Редактор переменных — здесь мы с вами вводим переменные и присваиваем им типы данных. Для тех, кто не знает, переменная — это имя, к которому будет обращаться программа и возвращать результат. А тип данных определяет род информации, диапазон представления чисел и множество других операций.

Дерево объектов — в этом окне располагаются такие объекты, как функции, функциональные блоки, подпрограммы, конфигурация ПЛК, библиотеки. Об этом я расскажу позже.

Редактор программы — тут мы с вами описываем основной алгоритм программы работы контроллера. Пишется на любом языке стандарта МЭК. Более подробно, можете статью .

Простой пример на ST

Для удобства восприятия информации я постарался структурировать. Поэтапно расписал последовательность действий. Если возникнут вопросы или пожелания, обязательно пишите в комментариях.

Изначально я размещу в статье код на языке ST. Логика работы заключается в следующем: на дискретный вход прибора подаётся сигнал и через задержку времени включается выход. В принципе задача простая, и мы с вами её решим.

Код codesys2.3

PROGRAM PLC_PRG VAR T1:TON; ("таймер") Timer_Ust:WORD:=5; ("уставка таймера") Time_tekuch:TIME; ("текущее время") END_VAR T1(IN:=Start , PT:=DWORD_TO_TIME(Timer_Ust*1000)); Time_tekuch:=T1.ET; IF T1.Q THEN Out:= 1; ELSE Out:=0; END_IF;

PROGRAM PLC_PRG T1 : TON ; ("таймер" ) Timer_Ust : WORD : = 5 ; ("уставка таймера" ) Time_tekuch : TIME ; ("текущее время" ) END_VAR T1 (IN : = Start , PT : = DWORD_TO_TIME (Timer_Ust * 1000 ) ) ; Time_tekuch : = T1 . ET ; IF T1 . Q THEN Out : = 1 ; ELSE Out : = 0 ; END_IF ;

Запускаем наш дистрибутив, создаём новый проект, указываем нужный нам таргет. Не забудьте предварительно проверить, что у вас установлены драйвера на преобразователь USB-COM, он нам понадобится для связи.

В листинге присутствуют две глобальные переменные Start и Out. Они связаны с физическими входами и выходами. Настройки все мы осуществляем во вкладке конфигурация ПЛК.

Компилируем проект (проверяем его на актуальность кода, чтобы не было ошибок). Можно нажать кнопку F11.

Вводим нужные настройки связи, как на картинке.

Собираем нашу схему логического программируемого контроллера. Подключаем интерфейс RS-232 с одной стороны и USB с другой. Жмём “подключение”. Ощущаем радость от процесса. =)) Если произошла ошибка связи , то проверьте ещё раз все подключения и параметры. Часто бывает, что провод преобразователя оборван.

Весь процесс я записал на видео, если будет что-то непонятно.

В следующей статье я напишу о , не пропустите. Будет интересно.

Успешных вам внедрений, дорогие читатели и гости. Если понравилась статья, подписывайтесь на новости блога и расскажите друзьям. А на каком языке и оборудовании вы предпочитаете строить систему автоматизации?

С уважением, Гридин Семён.

Как и было описано, в первой статье, ПЛК осуществляет циклическое чтение входов, выполнение прикладной программы и запись выходов. Потому написание программы для ПЛК отличается от традиционного написания программы для микроконтроллеров и ПК. К программам для ПЛК предъявляются жесткие требования по надежности, одно дело зависает текстовый редактор, а другое дело программа, управляющая ядерным реактором. Другое не менее важное требование – это своевременное реагирование на событие. А что значит, во время не прореагировать на событие в промышленности? Это значит потерять контроль над технологическим процессом. Что в некоторых случаях, примером с реактором, приведет к непоправимым последствиям.

Рассмотрим отличия написания программы для ПЛК и микроконтроллера. Для примера возьмем простейшую задачку для МК - мигающий светодиод. Подозреваю, что все начинали знакомство с МК именно с этой задачи. Алгоритм будет следующим

1. Записать в порт лог. 1.
2. Временная задержка
3. Записать в порт лог.0.
4. Временная задержка
5. Переход по метке на начало программы.

По данному алгоритму программа на ПЛК работать не будет, она содержит бесконечный цикл. А в ПЛК вся прикладная программа выполняется от начала до конца в каждом рабочем цикле, и любая программа должна отдавать управление системной программе. Поэтому при такой организации алгоритма наш ПЛК зависнет. Даже если и убрать, переход по метке на начало, программа не будет работать, так как нам хочется. Порт всегда будет в состоянии лог.0, так как физическая установка выходов производиться только после выполнения всей прикладной программы. И поэтому промежуточные состояния это всего лишь программные переменные в памяти, и на аппаратной части она ни как не отображаются.

В дополнение задержку времени тоже хорошо бы организовать с помощью таймера, периодически проверяя его значение, а не ожидать в пустую пока это время пройдет, наверняка для контроллера найдется другая более важная работа.

С учетом выше сказанного, правильный алгоритм будет выглядеть следующим образом:
1. Проверить таймер, если время паузы вышло, то
а) инвертировать выход
б) начать новый отсчет
2. Конец программы

Реализуем данный алгоритм на практике ниже, а теперь рассмотрим основные особенности LAD (Ladder Diagram) языка.

Релейная схема представляет собой две вертикальные шины, между ними расположены горизонтальные цепи образованные контактами и обмотками реле. Пример на рисунке:

Нормально разомкнутый контакт

Нормально замкнутый(инверсный) контакт

Обмотка реле

Количество контактов цепи может быть разным, а обмотка одна.

Любому контакту ставится в соответствие логическая переменная, определяющая его состояние. Если нормально замкнутый контакт замкнут, то ИСТИНА, если размокнут – Ложь, для инверсного наоборот, он замкнут когда переменная имеет значение ЛОЖЬ. Имя переменной пишется над контактом и служит его названием.

Последовательно соединенные контакты равносильны логической операции И, а параллельно-монтажное ИЛИ. Инверсный контакт равносилен операции НЕ. Параллельное соединение обмоток допускается, а последовательное нет. Обмотка реле также может быть инверсной, тогда она копирует в соответствующую логическую переменную инверсное состояние цепи.

Идея релейных схем, такова, что все цепи работают параллельно, т.е. ток во все цепи подается одновременно. Но мы знаем, что программу процессор выполняет последовательно, и мы не можем это сделать одновременно. Так и в LAD программа выполняется последовательно слева направо, сверху вниз. Но цикл процессора мал, поэтому и получается эффект параллельности.

Любая переменная в рамках одной цепи имеет одно и то же значение. Если даже реле в цепи изменит переменную, то новое значение поступит на контакты только в следующем цикле. Цепи расположенные выше получают новое значение переменной сразу, а цепи расположенные ниже – только в следующем цикле. Строгий порядок выполнения очень важен, и благодаря ним LAD- диаграмма сохраняет устойчивость при наличии обратных связей.

Хоть это и противоречит аналогии LAD с релейными схемами, порядок выполнения LAD- программы можно нарушить с помощью меток и переходов. Это ухудшает читаемость программе, и в них бывает сложно разобраться, но как говориться если очень хочется, то можно. Для этого желательно разбить программу на модули, и делать переходы между модулями.

Возможности LAD программы можно расширить, вставляя функциональные блоки. Вставлять можно все стандартные функциональные блоки, которые содержаться в МЭК. Описание для функциональных блоков можно найти в справке.

Давайте составим нашу первую программу на LAD в среде CoDeSys. , достаточно воспользоваться поисковиком

После установки, выбираем создать новый проект, и CoDeSys попросит выбрать целевую платформу для ПЛК. Указание целевой платформы необходимо, чтобы среда знала, для какого типа контроллера пишется программа. Выбираем 3S CodeSyS Sp PLCWinNT V2.4 и жмем OK.

Имя проекта оставляем по умолчанию, язык выбираем LD

Интерфейс программы на русском языке, и интуитивно понятен. При наведении на элемент всплывает имя. Советую рассмотреть все элементы, а также пункты главного меню.

Для добавления элемента в программу необходимо левой кнопкой мыши кликнуть в рабочее поле программы и потом ЛКМ кликнуть на элемент, который вы хотите поместить в программу. Например, нормально разомкнутый контакт, у вас должно получиться следующее.

Вместо вопросительных знаков пишем имя нашей переменной, например SB, и нажимаем Enter, выходит окно объявление переменной, выбираем Bool и нажимаем OК.

Рассмотрите, какие типы можно выбрать, а также какие классы переменных.

Давайте, реализуем программы для мигания светодиодом, а если говорить в общем, то программа для генератора одиночных импульсов

Для реализации программы используем функциональные блок таймер TP. Таймер TP – этой таймер одиночного импульса с заданной по входу PT длительностью.

Пока IN равен FALSE, выход Q = FALSE, выход ET = 0. При переходе IN в TRUE выход Q устанавливается в TRUE и таймер начинает отсчет времени на выходе ET до достижения длительности, заданной PT. Далее счетчик не увеличивается. Таким образом, выход Q генерирует импульс длительностью PT по фронту входа IN.

Для вставки TP, на панели элементов выбираем:

И у нас всплывает ассистент выбора функционального блока.

Скачайте файл проекта, и давайте рассмотрим как он работает.

В начальный момент X= False , поэтому инверсный контакт X замкнут и таймер T2 запущен, выход Q= True, поэтому цепь включена. А так как обмотка в цепи инверсная, значит она копирует инверсное состояние цепи в X , и X остается False, после переполнения таймера Q = False , и инверсная обмотка переводит X в True. После этого запускается T1, после переполнения скидывает X в False и все повторяется. Переменная X является выходом генератора. Таймер T2 устанавливает паузу, а T1 длительность импульса.

Компилируем проект Проект -> Компилировать

В пункте онлайн выбираем Режим эмуляции , а затем Подключение и Старт . И видим, наша схема начинает переключаться, цепь где «протекает ток» выделяется синим цветом. Также в области объявления переменных видим текущее значение переменных.

Выход генератора можно поглядеть с помощью цифрового трассировщика, для этого переходим на вкладку Ресурсы в нижнем левом углу

Выбираем Цифровой трассировщик -> Дополнение -> Настройка трассировки , выйдет следующее окно

Цикличность записи поставим Вручную , нажимаем на менеджер и выбираем переменные X(Bool)

Нажимаем Ok . Выбираем перо для нашей переменной

Выбираем в онлайн Подключение, нажимаем Старт, далее Дополнительно -> Начать трассировку, также выберите пункт Автоматическая трассировка

Рассмотрим еще один пример управление двигателем с электронной коммутацией обмоток статора
Саму программу представлять не буду, скачайте проект. А об алгоритме работы расскажу.

Все таймеры запускаются по сигналу старт. Каждый таймер отмеряет момент окончания фазы. Переменные Y1-Y3 являются выводами соответствующей фазы управления. Каждый выход включается в том случае, если таймер еще не переполнен и выключен предыдущий выход. Последняя цепь, является цепью автоматического перезапуска.

На производстве выполняется технологическим персоналом, поэтому общепринятые языки программирования микропроцессоров и персональных компьютеров не подходят для программирования промышленных контроллеров, так как требуют от персонала особых навыков и знаний. Привлечение к программированию сторонних инжиниринговых компаний зачастую приводит к привязанности конечного пользователя к конкретному исполнителю. Поэтому для программирования необходимы более понятные, простые и наглядные языки программирования, открытые для общего использования. В 1979 г. в рамках Международной Электротехнической Комиссии (МЭК или английская аббревиатура IEC) была создана специальная группа технических экспертов по проблемам , включая аппаратные средства, монтаж, тестирование, документацию и связь. Результатом работы данной комиссии был выпуск в 1982 г. стандарта IEC 1131. Современная редакция стандарта (который с 1997 г. называется IEC 61131) включает 8 разделов:

1. Общая информация.
2. Требования к оборудованию и тестам.
3. Языки программирования.
4. Руководства пользователя.
5. Спецификация сообщений.
6. Полевые сети.
7. Программирование с нечеткой логикой.
8. Руководящие принципы применения и реализации языков ПЛК.

Раздел 3 данного стандарта МЭК (IEC 61131-3) регламентирует использование пяти стандартных языков программирования ПЛК (промышленных контроллеров): язык функциональных блоков (FBD), язык релейной логики (LD), язык последовательных функциональных схем (SFC), язык инструкций (IL) и язык структурированного текста (ST). Выбор этих языков обусловлен простотой и наглядностью представления с их помощью алгоритмов управления. Внедрение стандарта IEC 61131 дало основу для создания единой школы подготовки специалистов в области программирования ПЛК. Также после появления стандарта появилась возможность создавать аппаратно-независимые библиотеки.

Краткая характеристика стандартных языков программирования промышленных контроллеров (ПЛК)

Язык релейной логики (LD)

Язык релейной логики используется для описания логических выражений различного уровня сложности с помощью электромеханических элементов (реле и контактов). На языке релейной логики проще всего и наглядней реализуются логические операции, такие как И, ИЛИ, НЕ. Язык программирования LD предусматривает также выполнение условных переходов между блоками программы.

Язык последовательных функциональных схем (SFC)

Реализует последовательность процедурных шагов и условных переходов. На каждом шаге выполняется конкретное действие, запрограммированное пользователем. Переход между шагами осуществляется после выполнения логических условий, назначенных данным условным переходам.

Язык инструкций (IL)

Текстовый язык низкого уровня. Принцип программирования, команды и структура записи команд такая же, как и у языков ассемблерного типа. Язык инструкций (IL) стандартизован и не зависит от используемой аппаратной платформы. Каждая инструкция может содержать четыре поля, разделяемых пробелами или знаками табуляции. Структура записи команд в языке инструкций выглядит следующим образом:

<Метка> : <Оператор> + <Модификатор> <Операнд> <Комментарий>

Метка, модификатор и комментарий в строке инструкции необязательны и указываются по необходимости. Оператор должен присутствовать в строке всегда, а операнд иногда может отсутствовать. Метка - это символическое имя (адрес) некоторой области памяти, в которой хранится номер отмеченной меткой строки в списке команд. После метки обязательно ставится знак двоеточия. Совместно с метками используются команды условного (исполняемые при выполнении определенных условий) и безусловного (выполняемые всегда) перехода (соответственно, операторы JMPC или JMP) . Переходы необходимо использовать достаточно аккуратно, чтобы не получить бесконечный цикл. Оператор - это непосредственно команда, которая выполняет определенное действие над операндом. Совместно с оператором может присутствовать модификатор, который предназначен для преобразования оператора к необходимому виду. Так модификатор N выполняет инверсию операнда до выполнения самой команды, а модификатор С - добавляет проверку содержимого аккумулятора и выполняет оператор только в том случае, если значение в аккумуляторе соответствует true (истина).

Язык структурированного текста (ST)

Язык структурированного текста - текстовый язык программирования высокого уровня для создания гибких процедур обработки данных. По структуре этот язык похож на Паскаль. Основу языка структурированного текста (ST) составляют выражения, каждое из которых должно заканчиваться точкой с запятой. Для присвоения значений переменным используется оператор «:=». Для описания математических выражений используются общепринятые символы: +, *, /, (,), <, <=, >=, > и др. Порядок вычисления выражений такой же, как и в алгебре - действия выполняются слева направо. Сначала выполняются действия, заключенные в скобки, затем - операции умножения или деления, и только после этого - сложение или вычитание. Для увеличения функциональных возможностей языка структурированного текста в нём предусмотрены операторы выбора (IF ... THEN ... ELSE ... ENDIF) , операторы множественного выбора (CASE ... OF ... ELSE ... ENDCASE) , операторы цикла (WHILE ... DO ... ENDWHILE, REPEAT ... UNTIL ... ENDREPEAT или FOR ... TO ... BY ... DO ... ENDFOR) .

В завершении статьи стоит обязательно упомянуть об особенности программирования промышленных контроллеров (ПЛК). При программировании ПЛК всегда нужно помнить, что выполнение программ в промышленном контроллере осуществляется циклически, причем время выполнения одного цикла может быть фиксированным или асинхронным (новый цикл начинается сразу после окончания предыдущего цикла). Алгоритм выполнения программы следующий. На первом шаге ПЛК получает необходимую для обработки информацию о состоянии объекта управления - производится считывание входных переменных (входы модулей аналогового и дискретного ввода). Далее осуществляется непосредственная обработка полученной информации - выполняется основная программа ПЛК. В результате обработки информации формируются команды управления, которые на следующем шаге передаются на выходы промышленного контроллера - процедура обновления выходных переменных.

Программируемые логические контроллеры (ПЛК)

До появления твердотельных логических схем разработка систем логического управления основывались на электромеханических реле. По сей день реле не устарели в своем предназначении, но все же в некоторых своих прежних функциях они заменены контроллером.

В современной промышленности существует большое количество различных систем и процессов, требующих автоматизации, но теперь такие системы редко проектируются из реле. Современные производственные процессы нуждаются в устройстве, которое запрограммировано на выполнение различных логических функций. В конце 1960-х годов американская компания «Bedford Associates» разработала компьютерное устройство, названное MODICON (Modular Digital Controller). Позже название устройства стало названием подразделения компании, спроектировавшей, сделавшей и продавшей его.

Другие компании разработали собственные версии этого устройства, и, в конце концов, оно стало известно как ПЛК, или программируемый логический контроллер . Целью программируемого контроллера, способного имитировать работу большого количества реле, была замена электромеханических реле на .

ПЛК имеет набор входных клемм, с помощью которых можно контролировать состояние датчиков и выключателей. Также имеются выходные клеммы, которые сообщают «высокий» или «низкий» сигнал индикаторам питания, электромагнитным клапанам, контакторам, небольшим двигателям и другим самоконтролируемым устройствам.

ПЛК легки в программировании, так как их программный язык напоминает логику работы реле. Так обычный промышленный электрик или инженер-электрик, привыкший читать схемы релейной логики, будет чувствовать себя комфортно и при программировании ПЛК на выполнение тех же функций.

Подключение сигналов и стандартное программирование несколько отличаются у разных моделей ПЛК, но они достаточно схожи, что позволяет разместить здесь «общее» введение в программирование этого устройства.

Следующая иллюстрация показывает простой ПЛК, а точнее то, как он может выглядеть спереди. Две винтовые клеммы, обеспечивающие подключение для внутренних цепей ПЛК напряженим до 120 В переменного тока, помечены L1 и L2.

Шесть винтовых клемм, расположенных с левой стороны, обеспечивают подключение для входных устройств. Каждая клемма представляет свой входной канал (Х). Винтовая клемма («общее» подключение) расположенная в левом нижнем углу обычно подключается к L2 (нейтральная) источника тока напряжением 120 В переменного тока.

Внутри корпуса ПЛК, связывающего каждую входную клемму с общей клеммой, находится оптоизолятор устройства (светодиод), который обеспечивает электрически изолированный «высокий» сигнал для схемы компьютера (фототранзистор интерпретирует свет светодиода), когда 120-тивольтный переменный ток устанавливается между соответствующей входной клеммой и общей клеммой. Светодиод на передней панели ПЛК дает возможность понять, какой вход находится под напряжением:

Выходные сигналы генерируются компьютерной схемотехникой ПЛК, активируя переключающее устройство (транзистор, тиристор или даже электромеханическое реле) и связывая клемму «Источник» (правый нижний угол) с любым помеченным буквой Y выходом. Клемма «Источник» обычно связывается с L1. Так же, как и каждый вход, каждый выход, находящий под напряжением, отмечается с помощью светодиода:

Таким образом, ПЛК может подключаться к любым устройствам, таким как переключатели и электромагниты.

Основы программирования ПЛК

Современная логика системы управления установлена в ПЛК посредством компьютерной программы. Эта программа определяет, какие выходы находятся под напряжением и при каких входных условиях. Хотя сама программа напоминают схему логики реле, в ней не существует никаких контактов переключателя или катушек реле, действующих внутри ПЛК для создания связей между входом и выходом. Эти контакты и катушки мнимые. Программа пишется и просматривается с помощью персонального компьютера, подключенного к порту программирования ПЛК.

Рассмотрим следующую схему и программу ПЛК:

Когда кнопочный переключатель не задействован (находится в не нажатом состоянии), сигнал не посылается на вход Х1. В соответствие с программой, которая показывает «открытый» вход Х1, сигнал не будет посылаться и на выход Y1. Таким образом, выход Y1 останется обесточенным, а индикатор, подключенный к нему, погасшим.

Если кнопочный переключатель нажат, сигнал будет отправлен к входу Х1. Все контакты Х1 в программе примут активированное состояние, как будто они являются контактами реле, активированными посредством подачи напряжения катушке реле, названной Х1. В этом случае открытый контакт Х1 будет «закрыт» и отправит сигнал к катушке Y1. Когда катушка Y1 будет находиться под напряжением, выход Y1 осветится лампочкой, подключенной к нему.

Следует понимать, что контакт Х1 и катушка Y1 соединены с помощью проводов, а «сигнал», появляющийся на мониторе компьютера, виртуальный. Они не существуют как реальные электрические компоненты. Они присутствуют только в компьютерной программе - часть программного обеспечения - и всего лишь напоминают то, что происходит в схеме реле.

Не менее важно понять, что компьютер, используемый для написания и редактирования программы, не нужен для дальнейшего использования ПЛК. После того, как программа была загружена в программируемый контроллер, компьютер можно отключить, и ПЛК самостоятельно будет выполнять программные команды. Мы включаем монитор персонального компьютера в иллюстрации для того, чтобы вы поняли связь между реальными условиями (замыкание переключателя и статусы лампы) и статусы программы (сигналы через виртуальные контакты и виртуальные катушки).

Истинная мощь и универсальность ПЛК раскрывается, когда мы хотим изменить поведение системы управления. Поскольку ПЛК является программируемым устройством, мы можем изменить, команды, которые мы задали, без перенастройки компонентов, подключенных к нему. Предположим, что мы решили функцию «переключатель - лампочка» перепрограммировать наоборот: нажать кнопку, чтобы выключить лампочку, и отпустить ее, чтобы включить.

Решение такой задачи в реальных условиях заключается в том, что выключатель, «открытый» при нормальных условиях, заменяется на «закрытый». Программное ее решение - это изменение программы так, чтобы контакт Х1 при нормальных условиях был «закрыт», а не «открыт».

На следующем изображении вы увидите уже измененную программу, при не активизированном переключателе:

А здесь переключатель активизирован:

Одним из преимуществ реализации логического контроля в программном обеспечении, в отличие от контроля с помощью оборудования, является то, что входные сигналы могут быть использованы такое количество раз, какое потребуется. Например, рассмотрим схему и программу, разработанной для включения лампочки, если хотя бы два из трех переключателей активизированы одновременно:

Чтобы построить аналогичную схему, используя реле, потребуются три реле с двумя открытыми контактами при нормальных условиях, каждый из которых должен быть использован. Однако используя ПЛК, мы можем без добавления дополнительного оборудования запрограммировать столько контактов для каждого «Х» входа, сколько нам хотелось бы (каждый вход и выход должен занимать не больше, чем 1 бит в цифровой памяти ПЛК) и вызывать их столько раз, сколько необходимо.

Кроме того, так как каждый выход ПЛК занимает не более одного бита в его памяти, мы можем вносить контакты в программу, приводя Y выход в не активизированное состояние. Для примера возьмем схему двигателя с системой контроля начала движения и остановки:

Переключатель, подключенный к входу Х1, служит кнопкой «Старт», в то время как переключатель, подключенный к входу Х2 - кнопкой «Стоп». Другой контакт, названный Y1, подобно печати в контакте, позволяет контактору двигателя оставаться под напряжением, даже если отпустить кнопку «Старт». При этом вы можете увидеть, как контакт Х2, «закрытый» при нормальных условиях, появится в цветном блоке, показывая тем самым, что он находится в «закрытом» («электропроводящем») состоянии.

Если нажать кнопку «Старт», то по «закрытому» контакту Х1 пройдет ток ток и он отправит 120 В переменного токак к контактору двигателя. Параллельный контакт Y1 также «закроется», тем самым замкнув цепь:

Если мы теперь нажмем кнопку «Старт», контакт Х1 перейдет в «открытое» состояние, но двигатель будет продолжать работать, потому что замкнутый контакт Y1 все еще будет держать катушку под напряжением:

Чтобы остановить двигатель, нужно быстро нажать кнопку «Стоп», которая сообщит напряжение входу Х1 и «открытому» контакту, что приведет к прекращению подачи напряжения к катушке Y1:

Когда вы нажали кнопку «Стоп», вход Х1 остался без напряжения, вернув тем самым контакт Х1 в его нормальное «закрытое» состояние. Двигатель ни при каких условиях не станет работать снова, пока вы снова не нажмете кнопку «Старт», потому что печать в контакте Y1 была потеряна:

Очень важна отказоустойчивая модель устройств контроля ПЛК, так же, как и в устройствах контроля электромеханического реле. Нужно всегда учитывать влияние ошибочно «открытого» контакта на работу системы. Так, например, в нашем случае, если контакт Х2 будет ошибочно «открыт», то не будет никакой возможности остановить двигатель!

Решением этой проблемы является перепрограммирование контакта Х2 внутри ПЛК и фактическое нажатие кнопки «Стоп»:

Когда кнопка «Стоп» не нажата, вход ПЛК Х2 находится под напряжением, т.е. контакт Х2 «закрыт». Это позволяет двигателю начать работу, когда контакту Х1 сообщается ток, и продолжать работу, когда кнопка «Старт» отпущена. Когда вы нажимаете кнопку «Стоп», контакт Х2 переходит в «открытое» состояние и двигатель прекращает работу. Таким образом, вы можете увидеть, что функциональной разницы между этой и предыдущей моделью нет.

Тем не менее, если входной контакт Х2 был ошибочно «открыт», вход Х2 может быть остановлен нажатием кнопки «Стоп». В результате двигатель немедленно отключается. Эта модель безопаснее, чем предыдущая, где нажатие кнопки «Стоп» сделает невозможным остановку двигателя.

В дополнение к входам (Х) и выходам (Y) в ПЛК есть возможность использовать «внутренние контакты и катушки. Они используются так же, как и промежуточные реле, применяемые в стандартных релейных схемах.

Чтобы понять принцип работы «внутренних» схем и контактов, рассмотрим следующую схему и программу, разработанную по принципу трех входов логической функции AND:

В данной схеме, лампа горит, до тех пора пока какая-либо из кнопок не нажата. Для того чтобы выключить лампу следует нажать все три кнопки:

В этой статье, посвященной программируемым логическим контроллерам, иллюстрирована лишь небольшая выборка их возможностей. Как компьютер ПЛК может выполнять и другие расширенные функции с гораздо большей точностью и надежностью, чем при использовании электромеханических логических устройств. Большинство ПЛК имеют больше шести входов и выходов. Следующая иллюстрация показывает один из ПЛК компании Allen-Bradley:

С модулями, каждый из которых имеет 16 входов и выходов, этот ПЛК имеет возможность управлять десятком устройств. Помещенный в шкаф управления ПЛК занимает мало места (для электромеханических реле, выполняющих те же функции, понадобилось бы гораздо больше свободного пространства).

Одно из преимуществ ПЛК, которое просто не может быть продублировано электромеханическим реле, является удаленный мониторинг и управление через цифровые сети компьютера. Поскольку ПЛК - это ничего больше, чем специализированный цифровой компьютер, он может легко «общаться» с другими компьютерами. Следующая фотография - графическое изображение процесса заполнения жидкостью (насосная станция для муниципальной очистки сточных вод), контролируемого ПЛК. При этом сама станция расположена в нескольких километрах от монитора компьютера.

Перевод с английского - Юлия Сурта.

Для программирования ПЛК Международная электрическая комиссия (МЭК) разработала стандарт IEC 6-1131/3, в котором определены 6 языков программирования:

· CFC (Continuous Function Chart);

· SFC (Sequential Function Chart);

· FBD (Function Block Diagram);

· LD (Ladder Diagram);

· ST (Structured Text);

· IL (Instruction List).

Четыре первых языка CFC, SFC, LD и FBD используют графическую нотацию – выполняемые команды, операции и функции представляются графическими средствами, как схемы.

Два последних языка (ST, IL) являются текстовыми. Они расширяют возможности программистов .

С помощью языков IEC 61131-3 программируются не только задачи автоматики, но и алгоритмы человеко-машинного интерфейса (HMI).

Языки IEC 6-1131/3 сочетают в себе функциональность и простоту. Они также предохраняют пользователя от большинства ошибок, которые нередко возникают при использовании обычных языков программирования. Реализация IEC 6-1131/3 в интегрированной HMI-системе не только удовлетворяет требованиям стандарта , но и предоставляет пользователю дополнительный сервис в виде расширенного набора библиотек функциональных блоков, реализующих типовые алгоритмы управления.

Для всех шести языков существует единый механизм связи с базой данных реального времени . В соответствии с этим механизмом каждая программа должна обладать набором аргументов. Исходные данные передаются в программу через входные аргументы, а результаты вычислений возвращаются в выходных аргументах. Аргументы связываются с атрибутами каналов, то есть с реальными входами и выходами контроллеров, с устройствами сопряжения, ячейками корпоративных баз данных, а также с внутренними переменными. Благодаря такой схеме одна и та же программа может вызываться несколько раз за цикл для обработки разных потоков данных.

Программирование и отладка программ на языках IEC 6-1131/3 производится в интегрированной среде разработки , включающей в себя несколько различных редакторов. Программы на языках FBD, LD, CFC и SFC создаются и отлаживаются в специальных визуальных редакторах , а ST и IL – в текстовом редакторе .

Несмотря на различия, программы на разных языках стандарта IEC 6-1131/3 могут взаимодействовать между собой. Например, программа на FBD может вызывать функциональный блок, написанный на языке ST, а внутри этого блока может вызываться подпрограмма на LD и т.д. Такая гибкость в выборе средств описания алгоритмов позволяет эффективно работать над одной задачей и программисту, и технологу, и инженеру-наладчику и бизнес-консультанту, когда каждый из них выполняет свою часть работы удобным ему способом .

Язык SFC. В семействе МЭК-языков диаграммы SFC (Sequential Function Chart) являются высокоуровневым графическим инструментом, в котором использованы идеи сетей Петри. Благодаря SFC графическое представление модели системы превращается в законченную программу.

Начало практической реализации языка SFC для ПЛК принадлежит французским фирмам. Совместная работа изготовителей ПЛК и пользователей привела к появлению национального стандарта «Графсет», а затем и международного стандарта МЭК 848 (1988 г.). Последний стандарт IEC 61131-3 заимствовал «Графсет» с некоторыми доработками.

SFC это мощное средство структурирования сложных алгоритмов. По сути SFC не является самостоятельным языком. В переводе с английского аббревиатуру SFC можно перевести как "схема функциональной последовательности". Внешне программа на SFC похожа на блок-схему алгоритма (рис. 2.1) , на которой отображены отдельные программные блоки (шаги), переходы между ними и условия, по которым выполняются эти переходы.

Рисунок 2.1 – Пример представления программы на языке SFC

Переходы в SFC имеют выраженную направленность сверху вниз и отражаются прямыми линиями. Позиции в SFC называют шагами или этапами. На диаграмме они отображаются в виде прямоугольников. Благодаря такому представлению существует возможность реализации диаграмм в символах псевдографики. Задать несколько стартовых шагов в SFC нельзя, начальным является только один шаг диаграммы. Каждый программный блок, как и каждое условие перехода – это подпрограмма на любом из языков стандарта IEC 6-1131/3. Диаграмма SFC дает возможность быстрого построения прототипа системы без программирования, так как для представления системы на верхнем уровне не требуется детальное описание действий и привязка к конкретным аппаратным средствам.

Этот язык очень удобен для программирования стадийных (batch) процессов, систем дозирования и бизнес-приложений. SFC может быть использован как инженерами, так и бизнес-аналитиками .

Язык FBD . Язык FBD предназначен для инженеров-технологов, решающих задачи управления технологическим процессом. Он представляет собой наглядное средство для программирования контуров управления и регулирования. Программа на FBD представляет собой схему, состоящую из набора функциональных блоков, связанных между собой через входы и выходы (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Пример программы на языке FBD

В программных комплексах имеется более 150 типовых функциональных блоков, реализующих широкий набор функций – от простейших логических операций до готового адаптивного регулятора. В стандартных FBD-блоках реализованы функции фильтрации, ПИД-регулирования, модального, нечеткого и позиционного регулирования, ШИМ-преобразования, а также блоки управления клапаном, задвижкой, мотором и др.

Язык релейных диаграммLD (Ladder Diagram) или релейно-контактных схем (РКС) – графический язык, реализующий структуры электрических цепей.

РКС – это американское изобретение, предназначенное для замены релейной автоматики сборочных конвейеров программируемыми контроллерами. Язык РКС позволил решать задачи прозрачного переноса релейных схем в ПЛК. Различные варианты программной реализации релейных схем создавались практически всеми ведущими производителями ПЛК. Благодаря простоте представления язык РКС обрел популярность, что и стало основной причиной включения его в стандарт МЭК.

Слова «релейная логика» звучат сегодня достаточно архаично, однако релейная техника все еще широко применяется.

Графически LD-диаграмма представлена в виде двух вертикальных шин питания. Между ними расположены цепи, образованные соединением контактов (рис. 2.3). Нагрузкой каждой цепи служит реле. Каждое реле имеет контакты, которые можно использовать в других цепях.

Рисунок 2.3 – Представление релейной схемы на языке LD

Логически последовательное (И), параллельное (ИЛИ) соединение контактов и инверсия (НЕ) образуют базис Буля. Поэтому язык LD идеально подходит не только для построения релейных автоматов, но и для программной реализации комбинационных логических схем. Благодаря возможности включения в программу на языке LD функций и функциональных блоков, выполненных на других языках, сфера применения языка LD практически не ограничена.

Язык инструкций IL. Язык IL (Instruction list, дословно “список инструкций”) – это типичный ассемблер с аккумулятором и переходами по меткам (рис. 2.4). Набор инструкций стандартизован и не зависит от конкретной целевой платформы.

До принятия стандарта МЭК существовало ряд разновидностей этого языка, в том числе и с русскоязычными аббревиатурами.

Наибольшее влияние на формирование современного IL оказал язык программирования STEP контроллеров фирмы Siemens.

Язык IL позволяет работать с любыми типами данных, вызывать функции и функциональные блоки, реализованные на любом языке. Таким образом, на IL можно реализовать алгоритм любой сложности, хотя текст будет достаточно громоздким.

Рисунок 2.4 – Вид IL-программы в окне редактора CoDeSys

В составе МЭК-языков IL применяется при создании компактных компонентов, требующих тщательной проработки, на которую не жалко времени. При работе с IL гораздо понятнее, чем с другими языками, можно представить, как будет выглядеть оттранслированный код. Благодаря этому IL выигрывает там, где нужно достичь наивысшей эффективности.

Язык структурированного текста ST. Язык ST (Structured Text) – это язык высокого уровня. Синтаксически ST представляет собой несколько адаптированный язык Паскаль. Вместо процедур Паскаля в ST используются компоненты программ стандарта МЭК.

Для специалистов, знакомых с языком С, освоение ST также не вызовет никаких сложностей. В качестве иллюстрации сравним эквивалентные программы на языках ST и С:

WHILE CounteroO DO while (Counter – ! = 0)

Counter:= Counter-1; {

Varl:= Varl*2; Varl *= 2;

IF Varl > 100 THEN if (Varl > 100)

Var2:= Var2 + 1; Varl = 1;

В большинстве комплексов программирования ПЛК язык ST по умолчанию предлагается для описания действий и условий переходов SFC.

2.4 Комплексы проектирования, поддерживающие стандарт
МЭК 61131-3

В отличие от простых контроллеров, программирование которых сводится обычно к заданию набора констант и осуществляется со встроенного или выносного пульта, для программирования логических контроллеров универсального назначения применяются специализированные программные комплексы .

Благодаря открытости МЭК-стандарта возникло ряд специализированных фирм, занятых исключительно инструментами программирования ПЛК. Системы программирования этих фирм имеют определенные отличия, которые сосредоточены лишь в реализации интерфейса – в стиле графики, в наборе сервисных функций, в содержании дополнительных библиотек и в реализации системы исполнения, то есть в том, что не касается применения стандарта.

Наибольшей известностью в мире пользуются следующие комплексы.

Simatic Step 7 (производитель – немецкая фирма Siemens http://www.siemens.de/).

Программное обеспечение STEP 7 содержит центральный инструмент Simatic Manager, с помощью которого можно реализовать широкий набор функций программирования аппаратных средств фирмы Siemens .

Все аппаратные и программные требования процесса автоматизации в SIMATIC S7 выполняются внутри одного проекта.

Этот проект содержит в себе необходимое аппаратное обеспечение (+ конфигурация), создание сети (+ конфигурация), все программы и данные для решения задачи автоматизации.

CoDeSys (производитель – немецкая фирма 3S Smart Software Solutions http://www.3s-software.com).

CoDeSys – это один из самых развитых функционально полных инструментов программирования в стандарте МЭК 61131-3.

TRACE MODE (производитель – AdAstra Research Group, Ltd, Россия).

TRACE MODE – это интегрированная информационная система для управления промышленным производством. Программа содержит средства разработки операторского интерфейса (SCADA/HMI), программирования контроллеров (Softlogic), управления основными фондами (EAM), персоналом (HRM) и производственными процессами (MES).

Главная задача инструментов комплекса программирования ПЛК состоит в автоматизации работы разработчика прикладной системы. Он должен быть избавлен от рутинной работы и постоянного «изобретения велосипеда».

В интегрированных комплексах программирования ПЛК сложился определенный набор возможностей, позволяющий относить их к средствам быстрой разработки. Интегрированная среда предполагает наличие встроенных редакторов текстовой и графической информации.

Интеграция текстового редактора в единую среду программирования предполагает:

· возможность быстрого ввода стандартных текстовых элементов, мгновенную вставку в текст операторов, функций, функциональных блоков;

· возможность быстрого автоматического дополнения ввода. Например, строка: «INP1 I 3;Вход 1» по окончании ввода (CoDeSys) преобразуется в соответствии с требованиями МЭК в строку:

INP1: INT:= 3; (* Вход 1 *);

· автоматическое объявление переменных;

· представление раздела объявлений переменных в виде текста или картотеки таблиц, разделенных и отсортированных по функциональному значению (входные переменные, локальные и т. д.);

· проверка синтаксиса и автоматическое форматирование ввода;

· автоматическая нумерация строк, что упрощает описание и сопровождение программы.

Эти возможности в существенной мере способствуют ускорению процесса подготовки программ и уменьшению числа ошибок в программах.

Интеграция графического редактора обеспечивает следующие возможности при проектировании :

· автоматическая трассировка соединений компонентов (программисту вообще не приходится рисовать соединения – система автоматически проводит графические соединительные линии);

· автоматическая расстановка компонентов (этим свойством обладают графические редакторы CoDeSys и OpenPCS);

· автоматическая нумерация цепей;

· копирование и перемещение выделенной графической группы компонентов с учетом их индивидуальной специфики;

· произвольное масштабирование изображения с целью наилучшего представления для анализа больших разветвленных графических диаграмм.

В режиме исполнения встроенные редакторы отображают «ожившие» тексты и графические диаграммы. Для графических диаграмм наглядно отражается последовательность выполнения.

В целом программный комплекс должен обеспечивать :

· Унифицированный механизм соединения с ПЛК. Работа инструментов отладки не должна зависеть от способа соединения контроллера с отладчиком. Не имеет значения, эмулируется ли контроллер на том же самом компьютере, подключен ли контроллер через последовательный порт компьютера или же связан через Интернет.

· Загрузку кода управляющей программы в память контроллера.

· Автоматический контроль версий кода (проверку соответствия кода, содержащегося в памяти ПЛК, и кода, полученного после текущей компиляции.

· Выполнение управляющей программы в режиме реального времени.

· Режим останова. Останов означает прекращение выполнения только кода управляющей программы. При этом выполняются все прочие фазы рабочего цикла и сохраняется способность наблюдать значения входов. В этом режиме можно проводить тестирование и настройку датчиков и механизмов объекта управления;

· Сброс ПЛК. Может быть несколько видов сброса. В стандарте МЭК предусмотрено два вида сброса «горячий» и «холодный». Первый включает перевод управляющей программы в исходное состояние и выполнение начальной инициализации переменных. Во втором виде сброса добавляется начальная инициализация переменных, размещенных в энергонезависимой области памяти. Кроме того, в ПЛК может произойти аппаратный сброс путем выключения питания или перезапуска микропроцессора. Система программирования должна адекватно реагировать в случае аппаратного сброса. Детальная реакция на команды сброса определяется системой исполнения. Поэтому здесь возможны некоторые отличия для разных ПЛК, даже в одной среде программирования.

· Мониторинг и изменение мгновенных значений всех переменных проекта, включая входы-выходы ПЛК. Для удобства работы значения представляются в заданной пользователем системе счисления.

· Фиксацию переменных, включая входы-выходы. Фиксированные переменные будут получать заданные значения в каждом рабочем цикле независимо от реального состояния ПЛК и действий управляющей программы. Данная функция позволяет имитировать элементарные внешние события в лабораторных условиях и избегать нежелательной работы исполнительных механизмов при отладке на «живом» объекте управления. Неуправляемая работа механизмов может привести к поломке и представлять опасность для окружающих людей.

· Выполнение управляющей программы шагами по одному рабочему циклу. Применяется при проверке логической правильности алгоритма.

· Пошаговое выполнение команд программы и задание точек останова.

· Просмотр последовательности вызовов компонентов в точке останова.

· Графическую трассировку переменных. Значения нужных переменных запоминаются в циклическом буфере и представляются на экране ПК в виде графиков. Запись значений можно выполнять в конце каждого рабочего цикла либо через заданные периоды времени. Трассировка запускается вручную или синхронизируется с заданным изменением значения определенной (триггерной) переменной.

· Визуализацию – анимационные картинки, составленные из графических примитивов, связанных с переменными программы. Значение переменной может определять координаты, размер или цвет графического объекта. Графические объекты включают векторные геометрические фигуры или произвольные растровые изображения. Визуализация может содержать элементы обратной связи, например кнопки, ползунки и т. д. С помощью визуализации создается изображение, моделирующее объект управления или систему операторского управления.