SPS-Programmiersprachen und CoDeSys-Automatisierungssoftwareplattform

Nehmen Sie als Beispiel die einfachste Aufgabe: Sie müssen die Presse 1 Sekunde lang einschalten, nachdem der Bediener gleichzeitig die beiden Tasten im gedrückten Zustand gehalten hat. Somit garantieren wir, dass beide Hände des Bedieners beschäftigt sind und geben ihm Zeit, die Bereitschaft der Maschine zu überwachen. Die einfachste Lösung besteht darin, die Kontakte beider Tasten in Reihe zu schalten und ein elektronisches Relais mit einem Timer zu platzieren. Wenn der Zeitgeber eine Einstellung der Verzögerungszeit ermöglicht, bietet ein solches Schema eine gewisse Flexibilität des Systems, jedoch nicht zu hoch.

Alle zusätzlichen Bedingungen, zum Beispiel die Anforderung, die Reihenfolge der Tastendrücke zu steuern, werden uns in eine schwierige Situation bringen - wir werden gezwungen sein, die Schaltung durch Einführung zusätzlicher Relais zu ändern. Dies ist kein schwieriges Problem, vorausgesetzt, ein solcher Bedarf tritt äußerst selten auf.

Unter Bedingungen einer wettbewerbsfähigen Produktion ist jedoch die Zeit, die ein neues Produkt benötigt, um auf den Markt zu kommen, von entscheidender Bedeutung. Daher muss bei einer flexiblen automatisierten Produktion die Neueinstellung der Ausrüstung schnell und mit minimalen Kosten durchgeführt werden.

Ein zusätzliches Problem ist die zunehmende Komplexität des Steuerungssystems, wenn sich die Produktion entwickelt und zusätzliche Funktionen auftreten (Komplikationen des Betriebsalgorithmus).

Jeder Automatisierungsspezialist sah sich auch mit dem Problem konfrontiert, ein Steuerungssystem für Geräte in diesem Fachbereich zu bauen, mit dem er nicht ausreichend vertraut ist: Das Fehlen einer klaren Erklärung des Problems, das Auftreten neuer Bedingungen bei der Einführung der Geräte kann es unmöglich machen, das Projekt erfolgreich umzusetzen.

Es war notwendig, ein Steuergerät zu erstellen, dessen Betriebsalgorithmus geändert werden konnte, ohne den Schaltplan des Steuerungssystems zu wiederholen, und als Ergebnis entstand eine logische Idee, Steuerungssysteme durch „harte“ Betriebslogik (eine Reihe von Relais, Reglern, Zeitschaltuhren usw.) durch zu ersetzen Automaten mit programmierbarer Arbeitslogik. So geboren speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS). Zum ersten Mal wurden in den USA SPS verwendet, um die Produktion von Fließbandmontagen in der Automobilindustrie zu automatisieren (1969).

Da die Definition der „speicherprogrammierbaren Steuerung“ „programmierbar“ war, stellte sich fast sofort die Frage, wie die SPS programmiert werden soll.

Die algorithmischen Programmiersprachen der damaligen Computer waren auf die Lösung von Rechenproblemen ausgerichtet. Der Beruf eines Programmierers galt als äußerst selten und schwierig, an keinem Produktionsstandort gab es solche Spezialisten. Eine ideale Option wäre die automatische Übersetzung von Schaltplänen von Relaismaschinen in SPS-Programme.

Warum nicht? So erschien in der SPS Sprache der Relaiskontaktschaltungen (RCS oder LD im Kontaktplan der englischen Quellen). Der Techniker könnte den Steuerkreis auf dem Display der SPS-Programmierstation „neu zeichnen“. Natürlich wurde das Diagramm nicht grafisch dargestellt, sondern mittels bedingter Symbole.

Beispielsweise könnte die oben beschriebene Aufgabe wie folgt programmiert werden:

Links und rechts in einem solchen Programm sehen wir vertikale Leistungsbusse, die durch horizontale Schaltkreise verbunden sind. Schaltungen können aus ihren Kontakten und einigen zusätzlichen Elementen (z. B. einem Timer) bestehen, die parallel oder in Reihe geschaltet sind. Rechts endet jeder Stromkreis mit einer Relaisspule. Die Kontakte dieses Relais können wiederum in anderen Schaltkreisen vorhanden sein. Somit ist es möglich, eine ziemlich komplexe Schaltung in ihrer Funktionalität einer realen Relaisschaltung ähnlich zu machen.

Die ersten Programmierstationen waren sehr sperrige Geräte, die von mehreren Personen transportiert wurden. Trotzdem begannen SPSen, noch sperrigere und vor allem Relaisautomatisierungsschränke aktiv durch „starre“ Logik zu ersetzen.

Physikalisch besteht eine SPS aus einem oder mehreren Blöcken mit einem bestimmten Satz von Ausgängen und Eingängen zum Verbinden von Sensoren und Aktoren (siehe 1).

Die Logik seines Betriebs wird in der Software beschrieben und vom eingebauten Mikroprozessor ausgeführt. Infolgedessen können genau dieselben SPSen völlig unterschiedliche Funktionen ausführen. Um den Betriebsalgorithmus zu ändern, sind keine Hardwareänderungen erforderlich.

Abb. 1. Das Funktionsprinzip der SPS

Die Entwicklung der Elektronik hat zu einer erstaunlichen Miniaturisierung von SPS geführt. Heutzutage gibt es programmierbare Miniatursteuerungen, die mit einem kleinen Display und eingebauten Programmierfunktionen ausgestattet sind. Solche Steuerungen werden als programmierbare Relais bezeichnet. Typische Aufgaben programmierbarer Relais sind sehr einfache lokale Systeme mit bis zu einem Dutzend Eingängen und mehreren Leistungsrelaisausgängen.

Das Schreiben eines komplexeren Programms mit der eingebauten Fernbedienung ist nicht einfach. Ebenso können wir problemlos SMS-Text auf der Tastatur eines Mobiltelefons eingeben, aber selbst die Eingabe mehrerer Textseiten, ganz zu schweigen von großen Mengen, scheint problematisch. Dafür gibt es PCs, die den Menschen wesentlich komfortablere Arbeitsbedingungen bieten.

Eine moderne SPS kann Dutzende von Reglern, Hunderte von Zeitschaltuhren und Tausende von Relais ersetzen. Die Verwendung eines PCs zum Programmieren eines solchen Systems ist überhaupt nicht schwierig. Die Verwendung des PCs als SPS-Programmierstation ist heute die vorherrschende Lösung. Dies vereinfacht nicht nur die Programmierung, sondern löst auch die Probleme der Archivierung von Projekten, der Vorbereitung der Dokumentation, der Visualisierung und der Modellierung. Der Computer bietet ein praktisches universelles Werkzeug zum Programmieren der einfachsten lokalen Aufgaben auf einer SPS sowie für Prozessleitsysteme.

Bitte beachten Sie, dass wir bei der SPS-Programmierung immer wieder darauf zurückkommen, wie dieser Vorgang für den Menschen einfach und bequem gestaltet werden kann. Es scheint, dass eine programmierte SPS, sobald sie jahrelang funktioniert, und es nicht sehr wichtig ist, ob ihr Programm schön aussieht, die Hauptsache ist, dass sie gut funktioniert.

Dies ist leider nicht so. Die Notwendigkeit, das Programm in der SPS zu ändern, tritt regelmäßig manchmal und unerwartet auf. Daher sollte es so geschrieben sein, dass jede Person, nicht nur ihr Autor, es schnell verstehen und schnell die notwendigen Verbesserungen vornehmen kann. Zu sagen, dass die Programme für die SPS geschrieben sind, ist nicht ganz richtig.

Alle Programme sind vom Menschen geschrieben und für das menschliche Lesen gedacht. Alle Programmierwerkzeuge geben dem Mikroprozessor letztendlich Anweisungen in seinen Maschinencodes. Es gibt für ihn keinen Unterschied, in welcher Sprache das Programm geschrieben ist.

Oben erwähnt LD-Sprache wurde in den USA während der Relaisautomatisierung erfunden. Die Mode für SPS kam wenig später nach Europa, als Relaisschränke bereits erfolgreich durch Schränke mit Logikschaltungen ersetzt wurden. Daher bestand die Notwendigkeit, andere Programmiersprachen zu erfinden, die für eine neue Generation von Ingenieuren verständlich sind.

So gab es in Deutschland Sprachen mit einfachen Textanweisungen, die Assembler (IL) ähnelten. In Frankreich Grafik Funktionsblockdiagrammsprachen (FBS) und allgemeine Diagramme, die Phasen und Bedingungen von Übergängen beschreiben (Graphset, moderne SFC). Die zum Programmieren von Computern verwendeten Sprachen (Pascal, Basic) wurden ebenfalls verwendet. In den späten siebziger Jahren entwickelte sich eine äußerst schwierige Situation.

Jeder SPS-Hersteller (auch in der UdSSR) entwickelte eine eigene Programmiersprache, daher waren SPS verschiedener Hersteller Software-inkompatibel, und es gab ein Problem mit Hardware-Inkompatibilität. Das Ersetzen einer SPS durch ein Produkt eines anderen Herstellers ist zu einem großen Problem geworden.Der SPS-Käufer war gezwungen, die Produkte nur eines Unternehmens zu verwenden oder Energie für das Erlernen verschiedener Sprachen und Mittel für den Erwerb geeigneter Werkzeuge aufzuwenden.

Infolgedessen wurde 1979 im Rahmen der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) eine spezielle Gruppe technischer Experten für SPS-Probleme gebildet. Sie wurde beauftragt, Standardanforderungen für Hardware, Software, Installationsregeln, Tests, Dokumentation und SPS-Kommunikation zu entwickeln.

1982 wurde der erste Entwurf der Norm veröffentlicht, der den Namen IEC 1131 erhielt. Aufgrund der Komplexität des resultierenden Dokuments wurde beschlossen, es in mehrere Teile zu unterteilen. Der dritte Teil der Norm „SPS-Programmiersprachen“ ist Programmierfragen gewidmet.

Da die IEC seit 1997 auf 5 digitale Notationen umgestellt hat, lautet der korrekte Name für die internationale Version des Teils der Norm, der den SPS-Programmiersprachen gewidmet ist, IEC 61131-3. Die IEC-Arbeitsgruppe traf eine ziemlich originelle Entscheidung. Aus der gesamten Vielfalt der zum Zeitpunkt der Entwicklung des Standards existierenden SPS-Programmiersprachen wurden 5 am häufigsten verwendete Sprachen identifiziert.

Die Sprachspezifikationen wurden fertiggestellt, so dass es möglich wurde, einen standardisierten Satz von Elementen und Datentypen in Programmen zu verwenden, die in einer dieser Sprachen geschrieben wurden. Dieser Ansatz der IEC wurde mehr als einmal kritisiert, aber die Zeit hat die Richtigkeit dieser Entscheidung bewiesen.

Die Implementierung eines solchen Ansatzes ermöglichte es, Spezialisten aus verschiedenen Wissensgebieten (und, was besonders wichtig ist, mit unterschiedlichen Qualifikationen) für die Programmierung derselben SPS zu gewinnen: Spezialisten für Relaisautomatisierung (und sogar Elektriker), Programmierer in LD, Spezialisten auf dem Gebiet der Halbleiterschaltung und der automatischen Steuerung für wen Die übliche Sprache ist FBD, Programmierer mit Erfahrung im Schreiben von Programmen für Computer in Assemblersprache (entspricht der IL-Sprache für SPS), in Hochsprachen (ST-Sprache), auch in weit entfernten Sprachen Programmiertechnologen haben ihr Programmiertool erhalten - die SFC-Sprache.

Die Einführung der IEC-Programmiersysteme hat zwar die Dienste professioneller Programmierer nicht vollständig aufgegeben (dieses Ziel wurde jedoch nicht festgelegt), aber es ermöglichte, die Qualifikationsanforderungen und dementsprechend die Arbeitskosten für SPS-Programmierer zu senken. Die Standardisierung der Sprachen ermöglichte es (zumindest teilweise), das Problem der Abhängigkeit des SPS-Benutzers von einem bestimmten Hersteller zu lösen.

Alle modernen SPS sind mit Programmiertools nach IEC 61131-3 ausgestattet, die die Arbeit der Steuerungsbenutzer vereinfachen (Sie können SPS verschiedener Unternehmen ohne Umschulungskosten verwenden) und gleichzeitig eine Reihe von Problemen für SPS-Hersteller beseitigen (Sie können SPS-Komponenten anderer Hersteller verwenden).

Der Standard hat die Möglichkeiten auf dem Arbeitsmarkt für einen Spezialisten für SPS-Programmierung erheblich erweitert. So wie ein Automechaniker mit einem Standardwerkzeugsatz die Reparatur eines Teils (außer eines nicht standardmäßigen Werkzeugs) einer Maschine eines Unternehmens durchführen kann, kann ein Spezialist, der die Sprachen der IEC 61131-3 studiert hat, das Programm jeder modernen SPS herausfinden. Dies ermöglichte es, sowohl die Abhängigkeit des Unternehmens vom SPS-Programmierspezialisten als auch des Spezialisten vom Unternehmen zu verringern.

Heute ist die führende Position auf dem Markt für IEC-Programmiersysteme CoDeSys-Komplex Deutsches Unternehmen 3S-Smart Software Solutions GmbH. Es wird von 190 Unternehmen weltweit eingesetzt. Die meisten dieser Unternehmen sind führende Hersteller von Geräten und / oder industriellen Automatisierungssystemen.

In Russland sind SPS mit CoDeSys Fachleuten bekannt, und die Produktpalette, die unter der Kontrolle dieser SPS hergestellt wird, ist riesig. CoDeSys umfasst 5 spezialisierte Editoren für jede der Standardprogrammiersprachen:

• Liste der Anweisungen (IL),

• Funktionsblockdiagramme (FBS),

• Relaiskontaktkreise (LD),

• Strukturierter Text (ST),

• Sequential Function Charts (SFCs).

Editoren werden von einer Vielzahl von Hilfstools unterstützt, die die Programmeingabe beschleunigen. Dies sind Eingabeassistent, automatische Variablendeklaration, intelligente Eingabekorrektur, Farbhervorhebung und Syntaxsteuerung während der Eingabe, Skalierung, automatische Platzierung und Verbindung von Grafikelementen.

In einem Projekt können Sie Programme kombinieren, die in mehreren IEC-Sprachen geschrieben sind, oder eine davon verwenden. Es gibt keine besonderen Anforderungen für die Auswahl einer Sprache. Es ist ausschließlich auf persönliche Vorlieben zurückzuführen.

Die beliebteste Sprache in Russland ist ST. Dies ist eine Textsprache, bei der es sich um einen leicht angepassten Pascal handelt. Die zweitbeliebteste Grafiksprache ist FBD, gefolgt von LD. Neben den Tools zur Programmvorbereitung enthält CoDeSys einen integrierten Debugger, einen Emulator, Visualisierungs- und Projektmanagement-Tools, eine SPS und Netzwerkkonfiguratoren.

Die Verkörperung einer anderen unerwarteten Idee, die gemeinsam von CoDeSys-Benutzern generiert wurde, war die freiwillige Vereinigung von SPS-Herstellern, die CoDeSys unterstützen, in der gemeinnützigen Organisation CoDeSys Automation Alliance (CAA). Der Kern der Idee besteht darin, Hersteller von Produkten für die industrielle Automatisierung, die CoDeSys unterstützen, zu Partnern zu machen (soweit dies in einem wettbewerbsintensiven Markt möglich ist) und die Folgen des Wettbewerbs zwischen Herstellern für SPS-Benutzer zu neutralisieren.

Anstatt absichtlich technische Hindernisse zu schaffen, die Benutzer daran hindern, Produkte eines anderen Unternehmens problemlos zu verwenden, ergreifen CAA-Mitglieder absichtlich Maßnahmen, um die Kompatibilität ihrer Produkte sicherzustellen.

Der Benutzer kann sicher sein, dass seine CoDeSys-Anwendung in jedem Controller eines Unternehmens funktioniert, das Mitglied der CAA ist. Der Benutzer kann sicher sein, dass die von ihm verwendeten Tools (CoDeSys) von Tausenden von Benutzern auf der ganzen Welt überprüft wurden. Der Benutzer kann jederzeit über seine Schwierigkeiten sprechen und echte Hilfe von einer Vielzahl von Kollegen erhalten, die Erfahrung in der Lösung solcher Probleme haben.

Brokarev A.Zh., Petrov I.V. Firma "PROLOG"