Programowanie_PLC.pdf

Programowanie sterowników PLC

4. Programowanie sterowników PLC

4.1. Wstęp

Przez lata rozwoju sterowników programowalnych producenci wprowadzali różne

metody programowania. Było to związane z przechodzeniem od technik związanych z

układami „sprzętowymi” do technik bliższych komputerom osobistym. Tak więc wśród

technik programowania największą popularność, w kręgach inżynierskich, zyskał język

schematów drabinkowych ze względu na jego podobieństwo do sposobu projektowania

klasycznych systemów sterowania stykowo – przekaźnikowego [Michel 1990; Brock et.al.

2000; Legierski et.al. 1997; Rho et.al. 1995; Koo et.al. 1996, 1998; Erickson 1996; Welch

1995; Fabian, Hellgren 1998; Bhowal et.al. 1999; Turnbull 1998; Falcione, Krogh 1992;

Rullan 1997; Davidson, McWinnie 1997; Auslander et.al. 1996; Warnock 1988; Batten 1994;

Kwaśniewski 1999; Webb, Reis 1999; Berger 2001b]. Jednak w związku z poszerzaniem

zakresu zastosowań sterowników do coraz większej gamy układów sterowania okazało się, że

klasyczny schemat drabinkowy już nie wystarcza. Sterowanie sygnałami ciągłymi wymagało

używania coraz bardziej skomplikowanych bloków funkcyjnych dodawanych do

oprogramowania podstawowego. A więc dzisiejszy schemat drabinkowy (stykowy – LD –

Ladder Diagram ) to już schemat z wieloma dodatkowymi elementami wykorzystywanymi

coraz częściej – wśród nich najczęściej używany są bloczki służące do przesyłania stałych

oraz zmiennych [Rho et.al. 1995; Koo et.al. 1997]. Wydaje się, że jest to zgodne z ogólnymi

tendencjami, które zmierzają w kierunku języków wyższego poziomu, gdzie programista

korzysta z gotowych „klocków” układając je w odpowiedniej sekwencji w programie. W tym

momencie język LD już niewiele różni się od języka, w którym używa się elementów

logicznych (bramek) [Siemens 1996a, 1996c; Berger 2001b].

W historii rozwoju technik programowania pojawiały się próby ujednolicenia

i usystematyzowania tychże technik. I tak można wymienić normy i wytyczne, takie jak: IEC

848 – Grafcet (Francja), DIN 40719, DIN 19239, VDI 2880 (Niemcy), czy NEMA ICS-3-304

(USA). W 1993 roku przyjęta została przez Międzynarodową Komisję Elektroniki norma IEC

1131 [IEC 1993] zatytułowana „Sterowniki Programowalne” długo nie mogła utorować sobie

drogi do świadomości producentów sterowników. Istnieją jednak producenci, jak np. Festo,

którzy proponują sterowniki z możliwością wymiany systemu operacyjnego. Jeden system

pozwala na programowania przy pomocy standardowego oprogramowania firmy Festo,

Programowanie sterowników PLC

natomiast drugi umożliwia programowanie przy pomocy pakietu IsaGraf [Chodań 2000b],

która wypuściła na rynek oprogramowanie w pełni zgodne z normą.

Coraz większego znaczenia zaczyna nabierać programowanie wykorzystujące sieci SFC

( Sequential Function Chart ). Sieci SFC posiadają swój, dobrze znany z diagramów Petry’ego,

opis matematyczny, co ułatwia rozwijanie podstaw teoretycznych. Dlatego też można znaleźć

bardzo wiele opracowań zarówno popularnonaukowych, jak i naukowych dotyczących

modelowanie układów sterowania z wykorzystaniem sieci SFC [Gomółka 1988; Grandek

1995; Adamski, Monteiro 1995; Adamski, Chodań 2000; Adamski 2001; Legierski et.al.

1997; Michel 1990; Brock et.al. 2000; Kwaśniewski 1999; Lewis 1995; Webb, Reis 1999;

Bonfatti et.al. 1997; Mikulczyński 1997; Halang 1989; Chodań 2000a; Falcione, Krogh 1992;

Węgrzyn et.al. 1998; Davidson, McWhinnie 1997]. Pojawiają się także publikacje pokazujące

możliwości zastąpienia grafów SFC zapisem typowym dla innych sposobów programowania

sterowników, co powoduje, że kod wynikowy jest mniejszy, a więc daje możliwości

oszczędzania pamięci programu, jak i skracania czasu realizacji programu [Kulisz 1999;

Danĕček, Rozehnal 1999; Wciślik 2003].

4.2. Norma EN 61131

Norma składa się z pięciu części, a w opracowaniu są jeszcze trzy następne. Te części,

które już istnieją to:

1. Informacje ogólne ( General Information ) – w części tej znajdują się definicje pojęć

i charakterystyka funkcji, które są typowe dla PLC, np. przetwarzanie cykliczne, obraz

procesu, podziała zadań, urządzenia do połączenia z operatorem.

2. Sprzęt i wymagania testowe ( Equipment and Test Requirements ) – część ta dotyczy

wymagań elektrycznych, mechanicznych i funkcyjnych dla sterowników programowalnych.

Definiowane są wymogi odnośnie temperatury, wilgotności, zasilania, odporności na

zakłócenia, przedziały robocze dla sygnałów cyfrowych i testy mechaniczne.

3. Języki programowania ( Programming Languages ) – próba ujednolicenia szeroko

rozpowszechnionych języków programowania z nieznacznym, przyszłościowym

poszerzeniem o nowe elementy.

4. Wytyczne użytkownika ( User Guidelines ) – część ta stanowi przewodnik dla projektantów

systemów PLC. Podano w niej informacje potrzebne dla poszczególnych etapów projektu,

Programowanie sterowników PLC

począwszy od analizy systemu, fazy specyfikacji i wyboru urządzeń, wykonania aplikacji

i obsługi urządzeń.

5. Wymiana informacji ( Messaging Service ) – opis komunikacji pomiędzy PLC od różnych

producentów i komunikacji z innymi urządzeniami. Opisano tu bloki komunikacji

w połączeniu ze standardowymi operacjami odczytywania i wyprowadzania danych.

Część trzecia normy, EN 61131-3, dotyczy języków programowania i stanowi jej

najważniejszą część. Przede wszystkim dzięki niej ujednolicono koncepcję programowania

sterowników PLC tak, aby w oparciu o wprowadzone zasady, użytkownik był w stanie

programować bez większych trudności różne sterowniki, różnych producentów.

4.2.1. Sposoby tworzenia oprogramowania

W ramach normy EN 61131-3 określono dwie grupy języków programowania: języki

tekstowe oraz języki graficzne.

Grupę języków tekstowych tworzą dwa języki:

język listy instrukcji IL ( Instruction List ) – odpowiednik języka typu asembler, którego

zbiór instrukcji obejmuje operacje logiczne, arytmetyczne, operacje rotacji, jak również

funkcje przerzutników, czasomierzy, liczników itp.;

język strukturalny ST ( Structured Text ) – odpowiednik algorytmicznego języka wysokiego

poziomu takiego jak FORTRAN, PASCAL, zawierającego struktury programowe takie,

jak: IF...THEN, FOR...TO.

Grupę języków graficznych opisanych w normie tworzą:

język schematów drabinkowych LD ( Ladder Diagram ) – podobny do stykowych obwodów

przekaźnikowych, w którym dopuszcza się użycie także funkcji: arytmetycznych,

logicznych, porównań i relacji, jak również bloków funkcyjnych: przerzutników,

czasomierzy, liczników, regulatora PID czy bloków programowych;

język schematów blokowych FBD ( Function Block Diagram ) – odpowiednik schematów

przepływu sygnału dla obwodów logicznych przedstawionych w formie połączonych

bramek logicznych oraz bloków funkcyjnych takich jak w języku LD. Różnice pomiędzy

językiem FBD, a LD kończą się w zasadzie na najprostszych symbolach, którymi opisuje

się proste funkcje kombinacyjne. Reszta, bardziej skomplikowanych, funkcji jest taka sama

– różni się co najwyżej graficzną reprezentacją.

Programowanie sterowników PLC

graf sekwencji SFC ( Sequential Function Chart ) – służy do tworzenia struktury programu

sterownika napisanego z użyciem wymienionych języków. Pozwala on na opisywanie

zadań sterowania sekwencyjnego za pomocą grafów zawierających etapy (kroki) i warunki

przejścia (tranzycji) między tymi etapami. Ten sposób pisania programu właściwie jest

niejako nadrzędny w stosunku do pozostałych i równocześnie wykorzystuje je do

opisywania poszczególnych bloków grafu.

4.2.1.1. Lista instrukcji IL

Cechą charakterystyczną języka IL jest sekwencja instrukcji podobnych do kodów

programowania mikroprocesora w języku asembler. Każda instrukcja zaczyna się w nowej

linii. Instrukcja zawiera nazwę operatora z ewentualnymi modyfikatorami oraz operand (jeden

lub więcej, oddzielone przecinkami, w zależności od wymagań operatora). Instrukcja może

być poprzedzona przez etykietę zakończoną dwukropkiem, natomiast ewentualny komentarz

powinien być ostatnim elementem linii. Między instrukcjami można wprowadzać puste linie.

Listę standardowych operatorów i dozwolonych modyfikatorów przedstawiono w tabeli 4.1.

Najczęściej poszczególne operatory działają w ten sposób, że wartość wyrażenia jest

obliczana jako wynik działania operatora na wartość bieżącą wyrażenia z uwzględnieniem

wartości operandu, np. instrukcję AND %IX1 należy interpretować jako:

wynik = wynik and %IX1

Wyrażenie podstawowe może zostać uzupełnione o modyfikator w postaci nawiasów. Lewy

nawias „(” oznacza wstrzymanie wykonania operacji aż do napotkania prawego nawiasu „)”.

Następująca sekwencja rozkazów:

AND

(%IX1

%IX2

)

zostanie zinterpretowana jako:

wynik = wynik and (%IX1 or %IX2)

4.2.1.2. Język strukturalny ST

Język strukturalny wykorzystuje struktury algorytmicznych języków programowania

wyższego poziomu, takich jak Pascal, czy C. Podstawowymi elementami są zdania logiczne

Programowanie sterowników PLC

zawierające warunki oraz polecenia związane z wyrażeniami, które składają się z operatorów

i operandów. Najczęściej wykorzystywane struktury zdań języka ST przedstawiono poniżej.

Dwa pierwsze są strukturami zdań umożliwiającymi dokonywanie wyboru.

Zdanie :

IF warunek THEN polecenie1 ELSE polecenie2

W czasie realizacji tego fragmentu programu sprawdzany jest warunek występujący po słowie

kluczowym IF. Jeżeli jest on spełniony (wyrażenie logiczne z nim związane jest spełnione)

następuje wykonanie polecenia1 występującego po słowie THEN. W przeciwnym wypadku

wykonywane jest polecenie2 , które występuje po słowie ELSE.

Tabela 4.1. Standardowe operatory i modyfikatory IL

Operator

Modyfikator

Operand

Opis

zmienna, stała

operand do wynik bieżący

zmienna

wynik bieżący do operand

zmienna logiczna

ustaw wartość operandu

zmienna logiczna

wyzeruj wartość operandu

AND

N, (

zmienna logiczna

logiczne AND

N, (

zmienna logiczna

logiczne AND

N, (

zmienna logiczna

logiczne OR

XOR

N, (

zmienna logiczna

logiczna suma z wyłączeniem

ADD

(

zmienna, stała

dodawanie

SUB

(

zmienna, stała

odejmowanie

MUL

(

zmienna, stała

mnożenie

DIV

(

zmienna, stała

dzielenie

(

zmienna, stała

porównanie: >

(

zmienna, stała

porównanie: >=

(

zmienna, stała

porównanie: =

(

zmienna, stała

porównanie: <>

(

zmienna, stała

porównanie: <=

(

zmienna, stała

porównanie: <

)

ograniczenie modyfikatora

CAL

C, N

nazwa

wywołanie bloku funkcyjnego

JMP

C, N

etykieta

skok do etykiety

RET

C, N

powrót z wywołania

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: