Выбор программных средств и аппаратных концепций построения систем управления электроавтоматикой

Авторы: Бабак Д. А.
Кафедра КСУ, МГТУ "СТАНКИН"
Перепелкина М. М.
Кафедра КСУ, МГТУ "СТАНКИН"

Введение

Современный уровень развития одно-компьютерных систем ЧПУ типа PCNC требует анализа и переоценки концепций одной из составляющих ЧПУ - программируемого логического контроллера (PLC). В статье представлен обзор программных средств и аппаратных концепций, используемых разработчиками при построении систем управления электроавтоматикой, а также обозначена собственная позиция авторов. Основной акцент сделан на анализе средств  разработки и аппаратном  обеспечении  внутренних контроллеров   систем ЧПУ.

Программные средства и аппаратные концепции построения систем управления электроавтоматикой

Сегодня главным событием в области   управления электроавтоматикой можно посчитать  объединение  усилий разработчиков и пользователей по стандартизации   программных и аппаратных средств. Основным документом, регламентирующим различные аспекты использования промышленных систем контроля и управления, служит стандарт IEC 61131 Международной Электротехнической комиссии (МЭК). Вопросами продвижения и всесторонней поддержки стандарта занимается организация PLCOpen, в которую входят производители и пользователи программного обеспечения, ориентированного на стандарт IEC 61131. В рамках организации PLCOpen действуют технические комиссии TC1-TC5 (Technical Committees), работающие над такими конкретными вопросами, как [1]: обобщение предложений членов организации и выработка общих решений; разработка библиотек функциональных блоков; сертификация сред разработки; согласование средств коммуникации с языками программирования (например, протоколов Profibus и CANopen со стандартом IEC 61131-3); адаптация стандарта IEC 61131-3 к новым стандартам IEC 61408 и 61411.

Одна из частей документа IEC 61131 посвящена стандартизации пяти существующих языков программирования PLC [2]. 

• SFC (Sequential Function Chart) - графический язык, используемый для описания алгоритма в виде набора связанных пар - шаг (step) и переход (transition). Шаг представляет собой набор операций над переменными. Переход - это набор   условных логических выражений, определяющий передачу управления к следующей паре шаг-переход. Прообразом   служит известный язык Grafcet  [3].
• LD (Ladder Diagram) - графический язык программирования из класса языков релейно-контактных схем. Прообразами являются различные варианты представлений релейно-контактных схем (Allen-Bradley, AEG Schneider Automation, GE-Fanuc, Siemens),  [3].
• FBD (Functional Block Diagram) - это графический язык, элементы которого выглядят как некоторые функциональные блоки, соединенные в электрическую цепь. Блоки представляют собой программные объекты для реализации  специализированных функций управления. 
• ST (Structured Text) - текстовый высокоуровневый язык, похожий по синтаксису на Паскаль. Он произошел от уже упомянутого языка   Grafcet. 
• IL (Instruction List) - текстовый язык низкого уровня.   Он использовался в качестве ассемблера в некоторых моделях PLC фирмы Siemens. В рамках стандарта IEC 61131-3 этот язык не привязан к конкретному процессору. Его оригиналом служит  STEP 5 (Siemens).

Набор, поддержанный стандартом IEC 61131-3, формировался исторически. Некоторые специалисты сомневаются в необходимости  поддержки всех пяти языков [4], отдавая предпочтение тем или иным языкам низкого и   высокого уровня.

Целесообразность  применения языков низкого уровня возникает:  при недоступности языков высокого уровня  или необходимости оптимизировать исполняемый код по быстродействию и   объему.

 Большинство  существующих программных систем имеют в своем составе языки программирования высокого уровня, такие как С и ST. Системы управления, которые традиционно   не использовали высокоуровневых языков, активно к ним адаптируются.  В качестве примера можно привести фирму BoschRexroth, которая приспосабливает свою среду разработки WinSPS к возможности применения языка ST.    Многие производители систем ЧПУ поддерживают один-два высокоуровневых языка; в качестве одного  из которых все чаще выступает язык С.  Так, фирма Num (Франция, в составе концерна Schneider, Германия) использует в своей системе ЧПУ языки    LD и (среда разработки PLCTool),  [5]; фирма   Allen-Bradley в своей системе ЧПУ 9/PC CNC и PLC PLC-5 применяет язык  RLL (Relay Ladder Logic) и стандартизованные в IEC 61131-3 языки SFC и STX [6];

Соответствие программного обеспечения требованиям стандарта IEC 61131-3 устанавливает  сертификационный комитет  организации PLCOpen. На сегодняшний момент в списке сертифицированных продуктов значатся 20 сред разработки, среди которых: ISaGRAF (Altersys Europe),  SUCOsoft S40 version 5.0 (Moeller), S7-SCL V4.02 (Siemens), Siemens Simotion Eng. Sytem Scout-standard (Siemens).

PLCOpen определяет три уровня совместимости сред разработки [1]: базовый (Base Level); уровень согласованности (Conformity Level, CL); уровень переносимости (Reusability Level, RL).

Базовый уровень составляет ядро стандарта IEC 61131-3, которое устанавливает в среде разработки обязательные языковые конструкции. Приложения, имеющие CL уровень, поддерживают 26 стандартных типов данных.  RL уровень разработан для обеспечения переносимости программ на уровне функций и функциональных блоков.

В вопросе выбора аппаратной платформы производители PLC и ЧПУ все чаще отдают предпочтение открытой архитектуре на базе персонального компьютера PC,  [7]. Концепция OMAC модульной архитектуры контроллеров (Open Modular Architecture Controls), выдвинутая фирмой General Motors, формулирует требования к контроллерам в следующих терминах, [8]: открытость, которая обеспечивает интеграцию широко распространенного программного и аппаратного обеспечения; экономичность, которая предполагает низкую стоимость на всех этапах жизненного цикла системы; модульность, которая позволяет использовать компоненты в режиме Plug & Play  ("установи и запускай"); легкость в обслуживании, ремонтопригодность и надежность; масштабируемость, которая означает возможность  простого изменения конфигурации системы под заданные требования.

Обычно выделяют следующие преимущества использования PC-архитектуры, [9]:

• Возможность применения самого современного оборудования, только что появившегося на мировом рынке. На сегодняшний день более сотни производителей предлагают аппаратуру, используемую в PC-контроллерах (архитектуры ISA,  PCI,  CompactPCI,  PC/104,  VME,  STD32).
• Родственность PC-контроллеров и персональных компьютеров, в силу чего отсутствуют  дополнительные затраты на подготовку обслуживающего персонала.
• Высокая   надежность, не уступающая   надежности PLC-контроллеров;
• Наличие большого числа операционных систем и средств разработки для них (Windows, QNX, VxWorks, OS9).

Операционная система PLC должна быть открытой, компактной и иметь возможность запуска из ПЗУ или флэш-памяти (в случае встраиваемых систем). В качестве таковых   могут быть использованы,  [10]: QNX, [9]; VxWorks, [11]; ОС9,  [12]; Windows (с расширением реального времени RTX  (VentureCom), [13].

Контроллеры на базе PC получили название . Особое место среди них занимают те, которые построены на основе ОС Windows. Такие контроллеры объединяют      функции PLC, среды разработки, интерфейса оператора и сбора данных.  Кроме очевидного   удешевления,   переход к системам управления на базе PC позволяет достичь значительных технических преимуществ, в том числе быстродействия [14].

К преимуществам систем управления на базе PC можно отнести следующие:

• использование графических возможностей ОС Windows при работе со средствами  программирования блок-схем;
• PLC-функции, средства разработки, ввод-вывод, система коммуникации работают на одной машине; это уменьшает число программных и субъективных ошибок, исключает дублирование информации о переменных, ускоряет пересылку баз данных, сокращает время разработки программного обеспечения;
• доступ к устройствам с разными интерфейсами ввода-вывода осуществляется путем установки карт, реализующих соответствующие протоколы ввода-вывода.

Однако, несмотря на все преимущества PC-контроллеров, есть области, где использование   PLC-систем  сохранится. Это прежде всего область "brick" (модульных) PLC со стоимостью менее $300. Для таких систем основными критериями являются малые размеры, отсутствие необходимости в средствах графики, в базах данных, в сложных интерфейсах ввода-вывода.

Современный рынок Soft PLC представлен контроллерами, работающими [14]:   со встроенными операционными системами;   с отдельной ОС или модифицированной ОС Windows, например, Visual Logic Controller (VLC), INtime (Radisys Corp.) или WinPLC (PLCDirect), PCL (BoschRexroth);   под операционной системой Windows, например, Logix (Rockwell Automation/Allen-Bradley).

В связи с появлением фирменных расширений реального времени для ОС Windows, например RTX (VentureCom), увеличилась привлекательность создания PC-контроллеров на этой базе. Укрупненная структура такого PC-контроллера (Рис. 1) состоит из двух подсистем: среды разработки (по стандарту IEC 61131-3 Program Support Environments - PSE); среды исполнения.

Рис. 1. Укрупненная организация программных модулей подсистем разработки и исполнения PLC   на базе PC

Среда разработки содержит редактор управляющих программ в стандарте IEC 61131-3 и редактор языка ANSI . Язык С используется как дополнение к стандартному набору языков, поддержанных   IEC 61131-3. Уровень переносимости приложений (RL)   устанавливает возможность переноса функциональных блоков (Библиотеки функциональных блоков на Рис. 1) между различными средами разработки. Также могут быть использованы библиотеки программ написанные на языке ANSI . Из стандартных  языков программирования используют языки, установленные стандартом IEC 61131-3: IL, LD, FDB, ST и SFC. Из них в особенности  необходимы   LD (Рис. 2), ST и SFC.

Рис. 2. LD-редактор

Опыт работы с такими большими средами разработки,   как программное обеспечение IsaGRAF компании CJ International, показывает эффективность использования в качестве промежуточного кода программы низкого уровня так называемого TIC-кода (Target Independed Code), который интерпретируется   в среде исполнения. Благодаря этому удается достичь переносимости исполняемых программ.  TIC-код, обозначенный в системе IsaGRAF, является ассемблер-подобным, полностью документированным, открытым языком и может быть использован в качестве первоначальной спецификации при разработке Soft PLC. Для тех случаев, когда необходима оптимизация кода по быстродействию или размеру, можно использовать язык С.

Система диагностики PLC включает в себя логический анализатор сигналов, позволяющий анализировать временные параметры и логику работы PLC. В качестве примера можно привести   систему  диагностики фирмы BoschRexroth. Эта система имеет в своем составе логический анализатор LogicAnalyzer и аппаратно-зависимый сервер измерений.  Логический анализатор LogicAnalyzer в составе модулей конфигуратора (Рис. 3) и отображения измерений (Рис. 4) позволяет проводить измерения для 16 битовых и 8 BWD (Byte, Word, Double Word) точек.

Рис. 3. Конфигуратор измерений

Рис. 4. Модуль отображения измерений

Параметры логического анализатора таковы: наличие двух стартовых и двух стоповых триггеров; запуск и останов по комбинации AND/OR триггеров; условия срабатывания триггеров, -  <, >, ?, ?, =, ?, ручной запуск; поддержка расширенного набора операндов (в зависимости от сервера измерений); поддержка символьного обозначения точек измерения; режимы развертки: по времени и по тактам; использование двух курсоров с индикацией текущих значений сигналов.

Аппаратно-зависимой частью системы диагностики является сервер измерения, выполненный по COM-технологии.  Текущая версия логического анализатора LogicAnalyzer предназначена для работы в составе системы ЧПУ Typ3 и программных PLC типа PCL (BoschRexroth).

Программа эмулятора среды исполнения в составе системы разработки позволяет сократить временные сроки разработки системы, упростить этапы анализа и выбора инструментальных средств за счет организации облегченной (Light) версии продукта, в которую включена только система разработки.

Встроенным эмулятором располагают среды разработки IsaGRAF (Altersys Europe), WinSPS (BoschRexroth). Эмулятор BoschVxSim фирмы BoschRexroth  специализирован для ОС VxWorks. Эмулятор представлен в двух конфигурациях: исследовательской (Explorer (Рис. 5)) и облегченной (Light).

Рис. 5. Эмулятор BoschVxSim

Облегченная версия позволяет эмулировать PLC программы, написанные при помощи среды разработки WinSPS. Explorer-версия эмулятора имеет расширенные возможности, в том числе для отладки программного обеспечения среды исполнения PLC.

Выводы

В числе рассмотренных концепций  наиболее перспективна  и современна   идея организации PLC на базе персонального компьютера. Подобные PC-ориентированные контроллеры получили наименование "Soft PLC". Благодаря такому подходу, удается снизить стоимость системы при одновременном получении многих преимуществ, в числе которых: упрощение программного обеспечения, уменьшение ошибок программирования.

Литература

1. PLCOpen (http://www.plcopen.org).
2. HTML версия стандарта IEC 1131-3, http://www.tornado.nsk.ru/Documents/HT1131/toc.htm.
3. Некоммерческий информационный интернет-ресурс http://dcs-scada.narod.ru/glossary.
4. V. Zyubin. К пятилетию стандарта IEC 1131-3. Итоги и прогнозы. http://www.ce.cctpu.edu.ru/msclub/plc/iec1131.htm
5. http://www.schneider-num.com
6. http://www.ab.com
7. В.Л. Сосонкин, Г.М Мартинов. Концепция числового программного управления мехатронными системами: реализация логической задачи управления // Мехатроника, автоматизация, управление. 2001. №2. С. 3-7.
8. Requirements of Open, Modular Architecture Controllers for Applications in the Automotive Industry,  http://www.arcweb.com/omac/Techdocs/omacv11.htm
9. А. Н. Иванов, С. В. Золотарев. Построение АСУ ТП на базе концепции открытых систем. //Мир ПК. 1998. №1. Построение АСУ ТП на базе концепции открытых систем. http://www.osp.ru/pcworld/1998/01/40.htm
10. А. А. Блискавицкий, С. В. Кабаев. Операционные системы реального времени (обзор). АО "РТСофт", Москва,  http://mka.org.ru/1_95/6_1.htm.
11. А. В. Демьянов. VxWorks: Операционная система реального времени и комплекс инструментальных средств разработки ПО РВ. AVD Systems, г. Москва, http://mka.org.ru/3_95/4.htm.
12. http://www.dedicated-systems.com/encyc/buyersguide/rtos/Object141.html
13. N. Frampton (Real Time Development Corporation), J. Tsao (Raytheon Consulting Group), J. Yen (General Motors Powertrain Group) Hard Real-time Extensions of Windows NTc Evaluation Report.
14. Automotive. Design and Production. http://www.autofieldguide.com/articles/019903.html