用户中心

资讯 > 封面特写

对于PLC编程,哪种IEC 61131-3编程语言最适合?

来源:控制工程网2021.03.25阅读 2104

  可编程逻辑控制器(PLC)有很多编程语言可供选择。有种说法,标准的伟大之处在于有很多选择!尽管这很讽刺,但在IEC 61131-3编程语言中,有多种语言标准可供选择确实是一个优势。
  在参加我的培训班时,很多学生抱着这样一种心态:选择最适合自己的语言,然后专门学习该语言。上课伊始,他们经常会问我会推荐适用哪种语言。或者,"最好的语言是哪个?"

图1:IEC 61131-3编程语言提供了适合特定需求的语言。图片来源:ControlSphere Engineering

  我没有回答,问他们一个问题:"在阿拉伯数字中,哪个数字最好?"或"英语中,哪个词最好?" 再比如:办公室软件中,哪个工具最好?是文档编辑器、演示文稿编辑器,还是电子表格编辑器?虽然可以使用文档编辑器创建演示文稿和电子表格,但这是正确的方法吗?

图2:该图比较了在Codesys中实现复杂布尔逻辑的不同语言。

  使用一种工具实现多种目的,需要学习各种技巧,这是否值得付出?仅学习该工具对工作有用的主要功能,是不是更有效?与办公软件一样,为应用选择最佳编程语言是最有效的,可以避免很多麻烦。当使用的IEC 61131-3编程语言能够充分发挥其语言的优势时,PLC的编程和维护功能就会得到加强。
  梯形图编程
  梯形图(LD)编程的历史,可以追溯到大约100年前的继电器梯形逻辑(RLL),它主要用于描述电气元件系统(如继电器、计时器和电动机)。在自动化时代初期PLC逐步替换继电器和计时器时,创建一种用户熟悉并与被替换的工具相似的编程语言非常重要。
  不幸的是CONTROL ENGINEERING China版权所有,控制器变得越来越强大,能够实现的功能也已经远远超过继电器和计时器,LD语言被用于各种新的场景,而这并不是LD所擅长的,因此效果也不是特别理想。

图3:该图显示了顺序功能图的编程组件。

  PLC供应商提供新的、更适合PLC和可编程自动化控制器(PAC)应用的语言的速度比较缓慢,使这种情况进一步恶化。对于源自北美的控制器而言尤其如此,这可以解释在全球范围内,LD持久受欢迎的程度为什么会有所差异。
  LD编程的优势是什么?为什么它能持久受欢迎?关键就是图形化。而通常来说工程师是更倾向于图形化思维的。
  起初,大多数LD编程的替代方法都是基于文本的语言,这些语言与工程师的图形化思维不会产生共鸣,其结果就是不愿从LD转向其它语言。幸运的是,这种情况正在发生变化。
  LD仍然是一门伟大的语言,它的初衷是执行复杂的布尔逻辑。在这个领域内,LD逻辑易于设计且易于调试。要确定为什么结果与预期不符,有多容易?在LD语言中,只需要观察蓝色实心触点的路径在何处中断就可以快速获得答案。
  顺序功能图编程
  顺序功能图(SFC)是一种图形语言,非常适合表示状态机(state machine),并且像LD语言一样,它吸引了工程师的图形化思维天性。

图4:基于Codesys连续功能图语言,展示了一个基于块的编程设计示例。

  状态机的历史可以追溯到很多年前,但是直到最近才被用于工业编程。状态机是表示系统行为的一种非常强大的方法,可用于表达行为取决于过去历史记录的系统逻辑,例如:
  1.设置线圈或复位线圈;
  2.封装逻辑(布尔反馈);
  3.由代码设置的内部标志,用于决定未来的行为。
  实际上,即使是简单的TON On-Timer和R-Trig one-shot都是状态机。它们的下一个行为取决于先前的输入和行为。与其它编码技术相比,状态机具有许多优势:
  1.它们易于设计www.cechina.cn,因为它清楚地描述了系统可能的状态,系统如何在这些状态之间转换,系统在这些状态下应采取的行动。
  2.在运行时,可以很容易地确定系统处于什么状态,在该状态下正在做什么,以及在什么条件下系统会切换到下一个状态(或者过程中出了什么问题,导致无法切换到下一个状态)。
  3.促进构思周密且组织良好的设计。这样可以确保所有可能的事件都已得到妥善处理(就不会有人半夜三更把你从床上叫起来,去修复无法正确处理异常工况的代码)。
  4.易于确定是否已经测试了所有可能事件。只需打印出SFC,并在执检查时划掉每个状态和切换条件即可。完成所有工作后,测试就完成了(程序员的置信度为100%)。
  如何实现状态机?
  几乎任何语言都可以实现状态机,但它们都需要特定的编码技术,包括步(step)、转换(transition)、分支/跳转(branch/jump)和动作(action)。
  步描述了系统可以驻留的状态;转换指示系统何时应从上一步转移至下一步;分支和跳转指示下一步应该是什么;动作指定在该步期间(进入或退出该步)应执行的操作。
  由于其图形化属性和工作的专业性,SFC语言是状态机最自然的选择。对于那些需求异常复杂或要求特别灵活的系统,状态机也可以用基于文本的语言来实现。对于只能使用LD的企业,状态机甚至可以在LD中实现,方法是为每个状态使用一个线圈,转移逻辑为每个线圈通电/断电,将系统从一个状态转移到下一个状态,以及利用使用状态线圈的独立逻辑来执行动作。
  一些供应商还可以用统一建模语言(UML)来实现状态图,作为SFC的更强大、更灵活的替代方法,但这需要更长的学习曲线,而且在工业控制领域中的接受度有限。
  对于状态机,语言的选择是次要的,所用技术的选择更重要。在SFC中,该语言强制使用状态机技术。在其它语言中,使用的技术取决于工程师制定的规则。

图5:结构引脚可以减少不必要的细节和混乱,从而增强了图表的可读性。

  功能块图编程
  功能块图(FBD)是一种图形语言,符合工程师的图形化思维。来自Codesys(以前被称为3S-Smart Software Solutions)的集成开发环境提供了两种FBD,即传统的IEC 61131-3 FBD和类似但更灵活的连续功能块图(CFC),CFC还没有正式成为IEC 61131-3的一部分。CFC是FBD的超集,具有两大优势:
  1.基于块的功能编程(执行布尔和数学运算);
  2.分层设计(调用其它功能和功能块)。
  ·基于块的编程
  基于块的设计由预定义功能组件组成,这些组件连接在一起执行布尔逻辑、数学计算或二者兼而有之。当输出是输入的函数时(换句话说www.cechina.cn,当没有状态变量,例如布尔反馈、设置/复位线圈或标志时),CFC块编程非常出色。当同时使用无状态功能和基于状态的功能时,请结合使用CFC和SFC。
  因为连接性是用功能块之间的线来表示的,所以很容易理解信息流以及信息是如何沿着其路径进行修改的。如果功能开始变得复杂,则应将其分为较小的、更易于管理的子块。如果块之间存在大量连接,则可以将这些线连接至数据结构类型的引脚。
  结构引脚(structure pin)具有3个优点:
  1.在层次化结构设计中,每个层次都消除了不必要的细节,更清晰易于理解;
  2.保持较小的功能块,可以在一页上查看整个信息流;
  3.允许信息流向上游和下游,以进一步减少不必要的细节。
  对于以前采用LD实施基于块或分层功能的PLC程序员来讲,CFC提供了一种更为简洁和灵活的方法。CFC的开发速度更快,而且对于将来负责维护或改进代码的工程师来说,也更容易理解。
  ·分层设计
  分层设计是一种从很多简单的构建块层层设计的实践。与传统的扁平化设计相比,分层设计具有许多优点:
  1.定制;
  2.创建;
  3.测试与完善;
  4.理解和维护;
  5.易于复用。
  构建块技术支持并鼓励在层次结构的每个级别上,展现同等程度的细节,这就使块技术更易于设计和理解。这样,在较高层次的设计中,不必因为展现细节而被弄得杂乱无章,这些细节只在较低层的设计中很重要。在层次结构的每个级别上,分层CFC设计应都具有统一的细节展示。
  使用LD作为构建块语言的传统方法会存在2个弊端:
  1.信息的低密度导致LD设计可能会分布到数10页上,很难或不可能看到和理解全局;
  2.不同层次的细节混杂在同一层次上会十分混乱,这使设计难以理解和维护。
  而使用结构化文本的CFC分层设计可以解决这两个问题,同时保持了LD的图形特性。这是个两全其美的解决方案。
  分层设计是面向对象的工业编程(OOIP)的关键功能。在部署和配置用户自定义的功能块以后,CFC编程开始与分布式控制系统(DCS)的编程/组态有点类似,但使用IEC 61131-3程序员可以控制底层的块。如果某个块需要较小的改进,程序员就可以执行此操作,而无需费时费力的请DCS供应商介入。
  完整的分层PLC设计,可以看作是一棵由分层CFC构成主干和分支的树。基于块的CFC、SFC、LD和ST填充树叶所处位置的详细功能设计。IEC 61131-3语言共同构成了一个团队,该团队比其各个部分的功能更强大。

  结构化文本编程
  尽管LD、SFC和FBD/CFC语言可以出色的完成其任务,但有些运算并不适合使用图形化语言。
  一些支持使用结构化文本(ST)语言编程的运算包括:
  1.迭代运算,例如For、While和Repeat;
  2.复杂条件和选择,例如IF-THEN和CASE;
  3.位运算,例如按位与、移位、旋转;
  4.文本字符串运算;
  5.具有特殊要求或特别复杂的状态机;
  6.纯粹的面向对象编程(调用方法,设置属性等)。
  有许多很好的教程www.cechina.cn,可指导工程师从其它基于文本的语言过渡到ST。对于那些完全不熟悉基于文本的语言的人来说,Visual Basic教程是一个很好的起点。尽管结构化文本基于Pascal编程语言,但它与VB有非常相似,因此可以参考应用更广泛的VB教程。

图6:此处的分层设计是在连续功能图编程中实现的。图片来源:Marine Hydraulic Consultancy

  使用最合适的语言编程
  要创建有效的工业控制程序,掌握合适的编程语言并知道如何有效使用这些语言非常重要。有很多语言可供PLC选择,IEC 61131-3编程语言标准也提供了多种选择。充分利用每种语言的优势效率会更高,而不是学习一种语言的各种技巧和变通方法来使其适用于所有应用。程序员应为应用选择最佳语言。
  "为了创建有效的工业控制程序,掌握合适的语言控制工程网版权所有,并知道如何有效使用这些语言非常重要。" (作者:Gary L. Pratt) 

版权声明:版权归控制工程网所有,转载请注明出处!

频道推荐

关于我们

控制工程网 & CONTROL ENGINEERING China 全球工业控制、自动化和仪器仪表领域的先锋媒体

CE全球

联系我们

商务及广告合作
任小姐(北京)                 夏小姐(上海)
电话:010-82053688      电话:18616877918
rendongxue@cechina.cn      xiashuxian@cechina.cn
新闻投稿:王小姐

关注我们的微信

关于我们 | 网站地图 | 联系我们
© 2003-2020    经营许可编号:京ICP证120335号
公安机关备案号:110102002318  服务热线:010-82053688