Гибкая система разработки программ управления для промышленных контроллеров

Промышленные контроллеры представляют собой устройства, обеспечивающие управление производственными процессами и технологическим оборудованием путем обработки входной информации, поступающей обычно с датчиков, и выдачи управляющего воздействия на исполнительные механизмы. Для решения широкого круга технологических задач обычно используются универсальные программируемые промышленные контроллеры (ПК), управляющие объектами в соответствии с прикладными технологическими программами, записанными в память ПК.

Первые ПК, имевшие ограниченные возможности и небольшой объем памяти, не предъявляли больших требований к средствам разработки прикладного ПО. Ввод и отладка программ легко осуществлялись на примитивных пультах, использовавшихся тогда для программирования ПК. По мере усложнения задач управления технологическими процессами совершенствовались как архитектура ПК, так и средства разработки прикладного ПО. Значительные ресурсы, ставшие необходимыми для создания и отладки программ, требовали кроссовых средств, реализованных на компьютере. Поскольку затраты на создание прикладных программ стали соизмеримыми с затратами на аппаратные средства или даже превосходить их, потребовалось повышение эффективности средств разработки прикладного ПО.

Для эффективного создания прикладных технологических программ, их удаленной загрузки по сети в память ПК и проведения отладки стали широко применяться системы программирования, включаемые в автоматизированные рабочие места разработчиков прикладного ПО и, как правило, объединяющие пользовательский язык программирования (ЯП), транслятор ЯП, библиотеку прикладных функций, редактор, загрузчик и отладчик.

Ввиду выравнивания в последнее время вычислительных мощностей ПК различных производителей поставляемое ПО и, в частности, системы программирования, стали играть решающую роль при выборе ПК. От того, как реализована система программирования ПК, в значительной степени зависят возможности программного управления объектом, надежность функционирования системы автоматизации, время ее реакции на входную информацию, продолжительность этапа написания и отладки технологических программ, простота их модернизации, стоимость системы и степень ее ориентации на основных разработчиков прикладного ПО — специалистов в области автоматизации, не являющихся профессиональными программистами.

Единственным обобщением опыта разработки многофункциональных (т.е. предназначенных для решения задач дискретного и непрерывного управления, регулирования, вычислений) систем программирования является принятый несколько лет назад международный стандарт 1ЕС 1131−3 на языки для ПК. Системы программирования, реализованные в соответствии с рекомендациями данного стандарта, обеспечивают многофункциональность и наглядное представление программ за счет совместного использования нескольких ЯП. Однако введение нескольких ЯП затрудняет освоение и использование системы программирования, особенно непрофессиональными программистами. Включение нескольких ЯП усложняет также реализацию подобных систем программирования, что в конечном счете приводит к их достаточно высокой стоимости.

Известные системы программирования ПК, базирующиеся на единственном ЯП и поэтому менее дорогие, также имеют существенные недостатки. Так, системы программирования, построенные на базе графических технологических ЯП предназначены для решения ограниченного числа задачбазирующиеся на одном из универсальных ЯПориентированы только на достаточно квалифицированных программистовбазирующиеся на текстовых технологических ЯП — не обеспечивают надежное выполнение программ с гибким (недетерминированным) временем рабочего цикла и корректное функционирование систем автоматизации в нештатных ситуациях (временное пропадание питания ПК, «зависание» программы), обладают недостаточно гибкими и эффективными возможностями переключения задач и оперативного реагирования на возникновение различных ситуаций, управления аппаратными прерываниями, драйверами, пользовательскими таймерами и дискретными выходами.

Задача, послужившая целью диссертационной работы, состоит в создании гибкой системы разработки программ (ГСРП) управления для ПК, базирующейся на единственном, но качественно новом ЯП и обеспечивающей многофункциональность, простоту освоения и использования, малую стоимость, а также большие по сравнению с известными системами программирования ПК надежность функционирования систем автоматизации, гибкость и эффективность при решении технологических задач.

При разработке ГСРП используется метод системного анализа. При разработке нового ЯП, на котором базируется ГСРП, а также компилятора этого ЯП применяются методы теории автоматов и формальных языков. При разработке библиотеки прикладных функций используются методы вычислительной математики и теории автоматического регулирования. При реализации ГСРП применяются методы структурного и модульного программирования.

Научная новизна работы заключается в решении новой научно-технической задачи — создании гибкой системы разработки программ управления для ПК, которая базируется на качественно новом конъюнктивном языке структурированного текста, объединившем достоинства распространенных ЯП ПК и ряд новых возможностей таким образом, что впервые наиболее полно обеспечены такие взаимопротиворечащие требования, как многофункциональность, гибкость и эффективность при решении технологических задач, надежность функционирования систем автоматизации, простота освоения и использования, малая стоимость созданного программного продукта.

Практическая значимость работы состоит в реализации гибкой системы разработки программ управления для ПК серии ЭК-2000, а также в ее внедрении и применении для создания прикладного ПО при автоматизации производственных процессов.

На защиту выносятся:

— научно обоснованные требования к ГСРП;

— конъюнктивный язык структурированного текста, объединивший достоинства наиболее распространенных ЯП ПК и ряд новых возможностей, повысивших надежность функционирования систем автоматизации, а также гибкость и эффективность при решении технологических задач;

— гибкая система разработки программ управления для ПК, построенная на базе конъюнктивного языка структурированного текста и наиболее полно удовлетворяющая всем поставленным требованиям;

— результаты внедрения и практического применения реализованной ГСРП для создания прикладного ПО при автоматизации производственных процессов.

Данная работа включает: введениеосновную часть, состоящую из пяти главзаключениебиблиографический список и приложение.

В первой главе характеризуются область применения ПКприводится их классификацияраскрывается место систем программирования ПК в иерархии ПО, применяемого в системах управления производствомрассматриваются общие и специфические задачи, решаемые прикладным ПО промышленных контроллеровопределяются и обосновываются требования, которым должна отвечать ГСРП. Далее проводится анализ известных отечественных и зарубежных программных продуктов на соответствие поставленным требованиям и формулируется задача настоящей работы.

Во второй главе формулируются и обосновываются концепция конъюнктивного языка структурированного текста, а также принципы построения на базе этого языка ГСРП, наиболее полно отвечающей поставленным в 1-й главе требованиям.

В третьей главе описываются конъюнктивный язык структурированного текста, а также компилятор этого языка, разработанные автором в соответствии со сформулированной во второй главе концепцией.

В четвертой главе описывается ГСРП, разработанная автором на базе конъюнктивного языка структурированного текста в соответствии со сформулированными во 2-й главе принципами ее построения.

В пятой главе раскрываются особенности архитектуры и операционной системы универсальных ПК серии ЭК-2000 и описывается реализация ГСРП для этих контроллеров. Далее приводятся результаты экспериментальной проверки реализованной ГСРП при программировании ПК серии ЭК-2000, а также результаты ее внедрения и практического применения при создании систем автоматизации.

В заключении формулируются основные результаты работы.

В приложении приведены акты о результатах, в том числе о полезном эффекте, внедрения и практического использования реализованной ГСРП.

Основные результаты исследований и разработок, итогом которых явилась данная диссертация, опубликованы в работах [3−6,26] и доложены на научно-технических конференциях Московского государственного университета леса (1996;1999 гг.).

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Обобщены и обоснованы требования, которым должна отвечать современная система программирования ПК.

2. Проведен анализ известных отечественных и зарубежных систем программирования ПК на соответствие сформулированным требованиям и показано, что ни одна из них не отвечает в достаточной мере всем поставленным требованиям.

3. Разработан новый, конъюнктивный язык структурированного текста, впервые объединивший достоинства наиболее распространенных ЯП ПК и обеспечивший ряд преимуществ, а именно: корректное функционирование систем автоматизации в нештатных ситуацияхнадежное выполнение программ с гибким (недетерминированным) временем рабочего циклаболее гибкие и эффективные по сравнению с известными ЯП возможности переключения задач и оперативного реагирования на возникновение различных ситуаций, управления аппаратными прерываниями, драйверами, пользовательскими таймерами и дискретными выходами.

4. Создана гибкая система разработки программ (ГСРП) управления для ПК, которая, в отличие от распространенных программных продуктов, построена на базе конъюнктивного языка структурированного текста и наиболее полно соответствует поставленным требованиям.

5. Разработанная ГСРП реализована для ПК серии ЭК-2000 и в настоящее время входит в стандартный комплект поставки программного обеспечения этих ПК.

6. Реализованная ГСРП внедрена и применена для создания прикладного ПО при автоматизации производственных процессов на ряде крупных предприятий, что подтверждается актами ее внедрения и практического использования (см. приложение).

7. Достигнутый полезный эффект внедрения и практического использования реализованной ГСРП выразился в повышении гибкости и эффективности при решении технологических задач, значительной экономии трудозатрат на разработку и модификацию прикладного ПО, увеличении быстродействия и наглядности технологических программ, повышении надежности создаваемых систем автоматизации, а также в уменьшении времени освоения и стоимости системы программирования ПК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.