У сфері промислової автоматизації сходова логіка залишається однією з найбільш часто використовуваних мов програмування; однак для складніших об’єктів керування об’єктно-орієнтоване програмування, безперечно, є дуже ефективним підходом. Давайте спочатку обговоримо об’єктно-орієнтоване програмування:
Об’єктно-орієнтоване програмування — це вдосконалена парадигма програмування на комп’ютерних мовах-високого рівня. Ця філософія проектування також може бути застосована до програм ПЛК у промислових системах керування. Хоча ми не можемо реалізувати багато чудових функцій об’єктно-орієнтованого програмування-таких як «наслідування»-і мова ПЛК може навіть не мати характеристик об’єктно-мови програмування, основними поняттями об’єктно-орієнтованого програмування є класи та екземпляри класів (тобто об’єкти). Нам потрібно лише використовувати ці концепції. У комп’ютерному програмуванні нам потрібно абстрагувати та узагальнювати певні сутності, щоб визначити класи. Однак у промислових системах керування такі об’єкти керування, як двигуни та клапани, є чітко визначеними категоріями керування; ми можемо визначити класи для них безпосередньо без необхідності абстракції. У наступних розділах використовуватимуться мова програмування Siemens Step7 і мова програмування Schneider Unity для пояснення об’єктно-орієнтованого програмування для ПЛК.
I. Методи реалізації
Об’єктно-орієнтоване програмування на кроці 7 реалізовано за допомогою функціональних блоків (FB). Коли виникає ця тема, люди часто згадують підхід модульного програмування, запропонований Siemens. Справді, це та сама концепція, але такі терміни, як «модулярність», «блоки фонових даних» і «множинні фони», введені Siemens, не завжди дозволяють користувачам чітко зрозуміти та застосувати цю чудову філософію дизайну.
Однак, якщо ви підійдете до цього з точки зору об’єктно-орієнтованого програмування, ви зможете набагато краще зрозуміти цей шаблон проектування. «Блок FB» розглядається як «клас»; його можна розглядати як групування коду для схожих об'єктів керування. Наприклад, для частотно--регульованого приводу MM440 ви можете написати блок FB під назвою «MtrMM440». В об’єктно-орієнтованому програмуванні це називається «клас». Коли вам потрібно запрограмувати керування для певного двигуна, ви можете призначити йому фоновий блок БД-в об’єктно-орієнтованому програмуванні, це називається реалізацією класу (тобто створення екземпляра класу: об’єкта). Якщо вам потрібно керувати декількома двигунами, ви можете призначити різні фонові БД для цього блоку FB, що еквівалентно створенню кількох екземплярів класу.
Step7 містить ще один тип програмного блоку: блок FC. Програмування, в основному з використанням блоків FC, у системах Siemens називається структурованим програмуванням, яке можна порівняти з процедурним програмуванням у комп’ютерному програмуванні-тобто програмуванням, яке базується виключно на функціях-.
Програмування за допомогою програмного забезпечення Schneider Unity забезпечує краще розуміння об’єктно-орієнтованого програмування. Його визначення DFB включають параметри введення/виведення, приватні/загальнодоступні змінні та реалізацію коду-, які є саме основними елементами «класу» в комп’ютерному об’єктно-орієнтованому програмуванні. Створення екземпляра класу (об'єкта) так само просто, як створення звичайної "булевої" змінної; вам просто потрібно визначити змінну цього «класу» у «Функційних блоках».
І Step7, і Unity підтримують як процедурний, так і об’єктно--орієнтований підхід до програмування. Різниця між цими двома підходами подібна до різниці між програмуванням на C і C++ у комп’ютерних мовах-високого рівня.
У наступному поясненні FB у Кроці 7 і DFB в Unity називатимуться «класами», тоді як комбінація FB і фонової БД у Кроці 7, а також екземпляри DFB в Unity називатимуться «об’єктами».
II. Архітектура об’єктно-програмування
Наведене вище обговорення охоплює деталі реалізації, але філософія програмування побудована на архітектурі програми. Просте використання об’єктно-орієнтованих методів у певній частині коду не означає, що вся програма є об’єктно-орієнтованою. Цей тип програмування вимагає підходу, що базується на таких аспектах:
1. Проектування структурної схеми.
У цьому розділі в основному йдеться про автоматизовані виробничі лінії; для автономних верстатів можна використовувати спрощену структуру:
<1>Рівень автоматизованої виробничої лінії: це найвищий рівень, який містить головний ПЛК, який контролює різні зони під ним.
<2>Рівень проекту: цей рівень має незалежну систему розподілу електроенергії, але не має ПЛК; він складається лише з розподілених модулів, керованих автоматизованою виробничою лінією. Як випливає з назви, він має високий ступінь незалежності і може бути розроблений і виготовлений як окремий проект. Якщо автоматизована виробнича лінія відносно невелика, цей шар можна опустити.
<3>Рівень функціональної групи: на основі поділу процесу сегменти обладнання, які виконують певну функцію процесу, групуються у функціональну групу. Ця група належить до інженерного рівня; якщо інженерний рівень опущено, він належить до рівня автоматизованої виробничої лінії. Об’єктно-орієнтоване програмування не обов’язково потребує використання наведеної вище структури, але добре-спроектована електрична структура є більш сприятливою для об’єктно-орієнтованого програмування.
2. Уся логіка будь-якого об’єкта керування реалізована в межах «класу».
Для цього необхідно аналізувати інформацію, що стосується об’єкта управління. Наприклад, для двигуна необхідно враховувати наступну відповідну інформацію:
Вхідна інформація:
<1>,Інформація про захист ланцюга, наприклад автоматичний вимикач двигуна та теплове реле.
<2>,Інформація про функціональний захист, наприклад, кінцеві вимикачі для двигунів руху, реле тиску для вентиляторів і реле рівня масла для масляних насосів.
<3>Умови запуску та зупинки: хоча згадані вище захист ланцюга та функціональний захист можуть спричинити зупинку двигуна, а скидання може спричинити перезапуск, тут згадуються умови запуску та зупинки під час нормальної роботи-, як-от етапи процесу послідовного керування.
<4>Режими управління: такі як ручний і автоматичний.
<5>Скидання несправності: перезапуск системи за допомогою сигналів скидання.
Вихідна інформація:
<1>Керуючі виходи, такі як головний контактор, що керує двигуном.
<2>Виходи інформації про стан
<3>Виходи несправностей
Статус збереження інформації:
Проміжні змінні, що використовуються для реалізації коду, а також змінні стану, які можуть бути прочитані HMI. Інтегруйте всю вищезазначену інформацію в єдиний клас і максимально стандартизуйте параметри класу. Проте існують деякі відмінності порівняно з-мовами програмування високого рівня. Для кроку 7 слід дотримуватися стандарту: структура програми реалізована за допомогою FC, а керування об’єктами реалізовано за допомогою FB, як показано на наступній структурній основі (електрична структура якої базується на вступі вище): Це просто приблизна архітектура програми PLC; Хороша архітектура має бути більш комплексною та науковою.
3. Ретельно плануйте структури даних
Визначення структур даних має вирішальне значення, і ви повинні прагнути максимально уніфікувати ці структури, не турбуючись про простір для зберігання; пам'яті сучасних ПЛК достатньо для розміщення великих обсягів даних. Варто зазначити, що на кроці 7 вам слід уникати визначення-користувальницьких типів (UDT) поза класами, коли це можливо; натомість визначте їх у класах. Хоча це може призвести до дублювання визначень однієї структури в різних класах, це підвищує незалежність класів.
У наступних розділах ми порівняємо ці два підходи до програмування:
Переваги об’єктно-орієнтованого програмування Порівняно зі сходовою логікою об’єктно-орієнтоване програмування пропонує такі переваги:
• Код портативний і його легко використовувати повторно;
• Легко використовувати математичні функції, цикли та інші конструкції;
• Об’єктно-програмування викладають практично в кожному курсі комп’ютерного програмування;
• Код може працювати на різних апаратних платформах.
Щоб освоїти об’єктно{0}}орієнтоване програмування, ви повинні спочатку зрозуміти концепцію об’єктів і способи їх використання. Після написання об’єкта або класу його можна легко повторно використовувати за допомогою кількох викликів. Наприклад, створіть об’єкт для керування двигуном, який обробляє всі входи, виходи та несправності. За потреби кількома двигунами можна керувати, створюючи екземпляр цього єдиного об’єкта керування кілька разів. Це відомо як-інстанціювання на вимогу. Коли необхідно керувати декількома двигунами, цей єдиний об’єкт можна використовувати багаторазово. Він викликається за потреби, і екземпляри створюються в міру їх використання.
Кожен екземпляр кожного двигуна має власні характеристики, такі як зупинка двигуна, робота двигуна, швидкість двигуна та перевантаження двигуна. Більшість роботи з програмування завершено, коли об’єкт створено вперше. Це спосіб мислення, відмінний від сходової логіки, і він потужніший, тому що коли об’єкт побудовано, його легко використовувати та використовувати повторно. Об’єктно-орієнтоване програмування полегшує виконання складних математичних функцій, циклічних обчислень, масивів і вкладених підпрограм. Практично кожен курс комп’ютерного програмування-у середній школі, коледжі чи онлайн-уроки-викладає цю концепцію. Створений код є портативним і може працювати на різних апаратних платформах.
«Сходова логіка відповідає формату електричних сходових схем, які використовуються в системах релейного керування, і більшість людей можуть швидко її вивчити та освоїти».
Однак, порівняно зі сходовою логікою, об’єктно-орієнтоване програмування має такі недоліки:
• Вища вартість;
• Більш крута крива навчання;
• Усунення несправностей не є особливо легким для обслуговуючого персоналу;
• Перед завантаженням вихідного коду в процесор зазвичай потрібна компіляція.
Порівняно зі сходовою логікою, об’єктно-орієнтоване програмування часто потребує більше пам’яті та потужності обробки, що призводить до вищих витрат. Вивчення об’єктно-мови програмування може тривати довше. Ймовірно, потрібне навчання в класі, а оволодіння основними концепціями потребує значного часу, практики, тестування та застосування. Програмісти повинні часто вивчати об’єктно-орієнтоване програмування, щоб використовувати трасувальники для відстеження коду або налагоджувачі для налагодження логіки. З таким типом-програмування високого рівня може бути важко реалізувати-можливості онлайн-моніторингу в реальному часі.
Перш ніж завантажити вихідний код на контролер, його необхідно скомпілювати. Як правило, вихідний код не зберігається в пам'яті процесора. Це означає, що потрібно подбати про створення резервної копії вихідного коду, оскільки скомпільований код зазвичай не редагується. З об’єктно-орієнтованим програмуванням файли бібліотек мають бути пов’язані з іншими ресурсами, які використовуються під час процесу компіляції. Без розуміння зв’язків і ресурсів буде важко запустити програму.
Переваги Ladder Logic:
Сходова логіка є простим і само{0}}документованим методом кодування-дехто навіть ставить під сумнів, чи кваліфікується він як мова програмування. Він відповідає формату сходових діаграм, які використовуються в системах релейного керування, і більшість людей можуть швидко його вивчити та освоїти. Це була єдина мова програмування, яка широко використовувалася в галузі автоматизації машин протягом десятиліть, і вона залишатиметься однією з основних мов програмування в галузі автоматизації в осяжному майбутньому.
З часом, коли в галузь увійшли люди з різних професій і галузей, різні мови програмування були введені в набір інструментів промислової автоматизації. До них належать програмування функціональних блоків, структурований текст, програмування станів і послідовні функціональні діаграми. Ці чотири мови програмування разом із сходовою логікою складають стандартні мови програмування, визначені стандартом IEC 61131-3 Міжнародної електротехнічної комісії (IEC).
Логіка IEC 61131 полягає в тому, що якщо кожен постачальник дотримується цього стандарту, тоді-принаймні певною мірою-людині потрібно буде лише вивчити ці п’ять мов програмування, щоб легко перемикатися між платформами, які пропонують різні постачальники. Однак це не так.
Те саме стосується базової сходової логіки (наприклад, використання контактів і котушок реле); однак під час програмування необхідно вивчити синтаксис і досвід користувача кожного постачальника, а також специфіку використання їх платформи програмування. Незважаючи на відсутність стандартизації, сходова логіка пропонує такі переваги перед об’єктно-орієнтованим програмуванням:
• Він добре -підходить для керування машинами та процесами;
• Його легше зрозуміти, оскільки він за своєю суттю само-документується;
• полегшує пошук несправностей контрольованої системи;
• Легко налагодити;
• Вихідний код зазвичай може зберігатися в процесорі.
Сходова логіка добре -підходить для керування машинами та процесами, зокрема для систем автоматизації з великою кількістю дискретних входів і виходів (I/O). Протягом багатьох років сходова логіка також постійно вдосконалювалася для обробки аналогового вводу-виводу, роблячи її більш придатною для широкого діапазону додатків управління процесами
Порівняно з додатками керування машиною, додатки процесів зазвичай мають вищу частку аналогового вводу/виводу.
Оскільки лестничну логіку легше використовувати, ніж об’єктно-орієнтоване програмування, багато кваліфікованих техніків та інженерів можуть її швидко освоїти. Логіка дуже систематична та організована, а її само-документований характер полегшує розуміння та засвоєння. Перш ніж активувати пристрій, кожен рядок коду має отримати значення true. Якщо є п’ять двигунів для керування, потрібно принаймні п’ять рядків коду, що значно спрощує процес.
«Вихідний код сходової логіки та дескриптори, як правило, зберігаються в контролері, усуваючи необхідність доступу до вихідного коду та тим самим усуваючи розчарування, яке програмісти часто відчувають, намагаючись зрозуміти скомпільовані програми».
Для інженерів-електриків і обслуговуючого персоналу сходова логіка дуже інтуїтивно зрозуміла. Хоча сходова логіка потребує іншого мислення, ніж об’єктно-орієнтоване програмування, її можна швидко освоїти шляхом навчання, і для розуміння коду, написаного іншими, потрібно менше часу. Кришталево ясно, коли логіка істинна, а коли хибна. Навіть ті, хто має обмежений досвід програмування, можуть легко осягнути такі поняття, як увімкнено/вимкнено стани, живлення котушки, змінні порівняння та загальні математичні функції.
Він простий і легкий у використанні, спрощує пошук і налагодження несправностей. При моніторингу логіки легко зрозуміти поточні умови роботи. Немає жодного ступеня програмного забезпечення або передових навичок програмування. За допомогою сходової логіки обслуговуючий та інженерний персонал може легко відстежувати процес і розуміти, що відбувається. Сходову логіку можна розглядати як таблицю істинності: якщо логіка зліва істинна, активується логіка справа.
Вихідний код сходової логіки та дескриптори зазвичай зберігаються в контролері. Це усуває розчарування, яке програмісти часто відчувають, намагаючись зрозуміти скомпільований код без доступу до вихідного коду-. Проблема також поширена в об’єктно-орієнтованому програмуванні.
Проте, порівняно з об’єктно{0}}орієнтованим програмуванням, сходова логіка також має такі недоліки:
• Комп’ютерні програмісти та ІТ-фахівці не знайомі з схемою сходової логіки;
• Важко виконувати математичні функції, обробку тексту та даних;
• Залежить від часу сканування;
• Для його виконання потрібне спеціальне апаратне забезпечення, наприклад програмований логічний контролер (PLC).
Сходова логіка - це символічна мова, з якою програмісти та ІТ-фахівці не знайомі, оскільки вони не вивчають її в школі. Обробка математичних функцій, текстових рядків і даних у схемній схемі може бути складною, головним чином через те, що логіка схемної схеми спочатку не була розроблена для обробки цих функцій.
Сходова логіка також залежить від часу сканування. Більші програми потребують більше часу для сканування та обробки логіки. При виконанні сходової логіки система зчитує вхідні дані, сканує логіку, оновлює таблиці даних і виводить дані, здійснює зв’язок, а потім повторює цикл. Такі функції, як переривання та інші методи програмування, можуть бути реалізовані для забезпечення швидшого виконання певної логіки.
Хоча ПЛК-на основі програмного забезпечення, налаштовані за допомогою схемної логіки, можуть працювати на ПК, апаратне забезпечення (наприклад, ПЛК) зазвичай має бути сумісним із програмним забезпеченням для програмування, і найкраще придбати обидва в одного постачальника. Це забезпечує сумісність, але не дуже зручно, якщо ви бажаєте змінити постачальника.
Окрім порівняння плюсів і мінусів сходової логіки й об’єктно-орієнтованого програмування, користувачі також мають оцінити, як ці мови програмування використовуватимуться в середовищі, де їх буде розгорнуто. Якщо фабрика чи підприємство вже стандартизували сходову логіку, заміна її на об’єктно-орієнтоване програмування не заохочується, навіть якщо останнє краще підходить для програми. Оскільки використання об’єктно-орієнтованого програмування продовжує зростати, очікується, що воно співіснуватиме зі сходовою логікою протягом наступних десятиліть. Передбачуваному-професіоналу автоматизації було б-пораджено оволодіти обома мовами.