Разработка пользовательского функционального блока реализующего конечный автомат с памятью на языке релейных диаграмм и графического интерфейса

Выполнение лабораторной работы будет состоять из следующей последовательности действий: разработка пользовательского функционального блока реализующего конечный автомат с памятью, проверка работоспособности автомата (симуляция объекта управления). Программу управления конечного автомата с памятью удобней писать на языке релейных диаграмм. Симуляция объекта управления будет состоять из двух частей: первая часть ручное формирование комбинаций состояний датчиков с использованием графического интерфейса среды разработки Logic Workbench, вторая часть автоматическое формирование последовательно во времени комбинаций состояний датчиков с целью проверки условий перехода конечного автомата. Так как автоматическое формирование последовательности комбинаций состояний датчиков удобней писать на языке функциональных блоков, а в одной программе нельзя использовать различные языки программирования, необходимо выполнить их разделение. Для этого ознакомимся с типами программных блоков поддерживаемыми средой разработки.

В среде разработки Logic Workbench реализована возможность создания трех типов программных блоков («Execution style» (Стиль исполнения)): «Main program» (Основная программа), «Sub-program» (Подпрограмма), «UDFB User Defined Functional Block» (Пользовательский функциональный блок). интерфейс конфигурирование тревога блок Основная программа представляет собой циклически исполняемую программу, разрабатываемую на одном из языков стандарта МЭК 61 131−3, и является единственным программным блоком, вызываемым напрямую программным программируемым логическим контроллером. Тело основной программы может содержать вызовы стандартных функциональных блоков (И, ИЛИ, НЕ и других), подпрограмм и пользовательских функциональных блоков. Основная программа может иметь внутренние переменные (локальные переменные), их значения сохраняются между ее вызовами. Так же основная программа имеет доступ к глобальным переменным.

Подпрограмма представляет собой фрагмент основной программы, выделенный в отдельный программный блок. Подпрограмма может иметь внутренние переменные, их значения сохраняются между ее вызовами. Доступ к внешним переменным из подпрограммы осуществляется с помощью ее параметров: входных, выходных, входных-выходных.

Входные параметры используются для передачи в подпрограмму значений внешних переменных. Во время вызова подпрограммы автоматически создаются внутренние переменные, которые инициализируются переданными значениями.

Выходные параметры используются для получения значений из подпрограммы. Во время вызова подпрограммы автоматически создаются внутренние переменные, по завершению вызова подпрограммы их значения передаются внешним переменным. Входные-выходные параметры используются для передачи значений внешних переменных в подпрограмму и получения значений из подпрограммы. Во время вызова подпрограммы автоматически создаются внутренние переменные, которые инициализируются переданными значениями, по завершению вызова подпрограммы их значения передаются внешним переменным.

Подпрограмма имеет единую область памяти, в которой хранятся значения всех внутренних переменных. Каждый ее вызов в теле основной программы приводит к изменению ее внутренних переменных. Поэтому в первую очередь подпрограмма используется для структурирования основной программы и может вызываться в ее теле не более одного раза.

Создание на основе подпрограммы программного блока, который может многократно вызываться в основной программе, другой подпрограмме или пользовательском функциональном блоке, допустимо только в том случае если во время выполнения ее тела не используются значения внутренних переменных 90 полученных в предыдущем цикле выполнения основной программы. Примером такой подпрограммы может служить реализация комбинационного автомата. Пользовательский функциональный блок представляет собой фрагмент основной программы, выделенный в отдельный программный блок. Блок может иметь внутренние переменные (локальные переменные), их значения сохраняются между ее вызовами. Доступ к внешним переменным из блока осуществляется с помощью его параметров: входных, выходных, входных-выходных.

Внутренняя память (локальные переменные) пользовательского функционального блока сохраняются в отдельной переменной, передаваемой в качестве операнда функционального блока. Таким образом, пользовательский функциональный блок может многократно вызываться в основной программе, подпрограмме или другом пользовательском функциональном блоке и использовать значения внутренних переменных полученных в предыдущем цикле выполнения основной программы. При этом для каждого набора внутренних переменных будет использоваться соответствующая переменная, передаваемая в качестве операнда функционального блока при его вызове.

Для реализации конечного автомата с памятью будет использоваться пользовательский функциональный блок. Это связано с тем, что функционирование конечного автомата с памятью зависит от состояния, в котором он находится. При возникновении необходимости многократного использования реализованного автомата с памятью, достаточно будет добавить разработанный пользовательский функциональный блок, в основную программу необходимое количество раз задав для каждого добавленного блока свой набор датчиков, реле и указав соответствующий операнд, отвечающий за внутренние переменные.

Создание подпрограммы управления конечного автомата с памятью в среде разработки Logic Workbench происходит аналогично созданию основной программы. В окне создания программы необходимо выбрать язык программирования «LD — Ladder Diagram» и «UDFB (User Defined Functional Block)».

После создания пользовательского функционального блока откроется окно «Program properties» с выбранной вкладкой «Parameters». Для добавления в пользовательский функциональный блок входного параметра необходимо нажать дважды левой кнопкой мыши в поле «Inputs» по «…». Для добавления в пользовательский функциональный блок выходного параметра необходимо нажать дважды левой кнопкой мыши в поле «Outputs» по «…». Для редактирования параметра необходимо выбрать его и нажать кнопку «Edit». Для удаления параметра необходимо выбрать его и нажать кнопку «Delete». Для изменения порядка параметров используются кнопки «Move Up» и «Move Down».

После нажатия кнопки «…» откроется окно параметров. В поле «Name:» задается название параметра соответствующее имени внутренней переменной, которая будет использоваться внутри пользовательского функционального блока. В поле «Type:» задается тип параметра, который должен соответствовать типу внешней переменной. Флажок «IN_OUT» позволяет указать, что параметр будет входным-выходным. В поле «Description:» задается описание, которое будет отображаться в окне переменных. По завершению заполнения всех полей необходимо нажать кнопку «OK».

В связи с особенностью реализации среды разработки Logic Workbench и непосредственно ее отладчика не допускается использование в качестве имен переменных для входных, входных-выходных и выходных параметров, а так же внутренних (локальных) переменных имен глобальных переменных. Поэтому в подпрограммах и пользовательских функциональных блоках предлагается использовать следующие префиксы: «bi_» для входных параметров, «bio_» для входных-выходных параметров, «bo_» для выходных параметров и «l_» для локальных переменных.

Пользовательский функциональный блок, реализующий конечный автомат с памятью на основе состояний датчиков и состояния графа должен формировать управляющие воздействия для исполнительных механизмов. Поэтому в качестве входных параметров в блок должны передаваться состояния датчиков (bi_D1, bi_D2, bi_D3, bi_D4, bi_D5), а в качестве выходных параметров из блока должны получаться управляющие значения реле (bo_R1, bo_R2, bo_R3) и сигналы состояния графа (bo_SS0, bo_SS1, bo_SS2, bo_SS3, bo_SS4).

Переменные состояния графа являются частью его программной реализации и не должны быть доступны за пределами пользовательского функционального блока, поэтому они должны быть расположены в его внутренней память (l_S0, l_S1, l_S2, l_S3, l_S4). Для добавления внутренней переменной в пользовательский функциональный блок необходимо в окне переменных пользовательского функционального блока нажать правой кнопкой мыши по ветке с его названием «StateMachine», выбрать в меню пункт «Add Variable». В открывшемся меню нажать по «Private Variable», далее необходимо изменить имя и тип данных переменной. После этого переменная будет доступна для использования в пользовательском функциональном блоке.

При вводе программы на языке релейных диаграмм ввод идет сверху вниз. Добавление цепей выполняется с помощью кнопки «Добавить новую цепь». Для того, что бы изменить тип контакта или тип катушки используется кнопка «Сменить элемент». Для того, что бы добавить контакт перед уже существующим контактом по нему необходимо нажать левой кнопкой мыши, после чего он станет выделенным, далее нужно нажать кнопку «Добавить контакт перед», аналогично добавляется контакт после или параллельно.

В сегменте 14 установки состояния 0 реализация условия включает блок «НЕ», поэтому вычисление результата условия происходит в отдельной цепи R14. Переменная «l_C4₀» отвечающая за хранения результата условия должна быть доступна только в области памяти пользовательского функционального блока. Ее добавление выполняется аналогично добавлению переменных состояний.

Пользовательский функциональный блок не может самостоятельно выполняться на программном программируемом логическом контроллере, поэтому необходимо создать программу, которая будет его вызывать.

В программе программного программируемого логического контроллера уже присутствуют переменные, объявленные в SCADA системе: D1, D2, D3, D4, D5, R1, R2, R3, SS0, SS1, SS2, SS3, SS4. Для добавления в программу разработанного пользовательского функционального блока в окне блоков необходимо развернуть дерево «Project» и перетащить название блока «StateMachine» в окно программы. Далее необходимо задать входам и выходам блока соответствующие переменные. Для задания операнда необходимо нажать по серому полю пользовательского функционального блока и ввести название операнда, после чего среда разработки автоматически создаст внутреннюю переменную подпрограммы с указанным именем. Результат приведен на рисунке:

Что бы выполнить проверку, правильности функционирования программы управления конечного автомата с памятью необходимо создать графический интерфейс позволяющий изменять состояния датчиков и наблюдать состояния реле и графа, детально данный вопрос описан в Лабораторной работе № 2.

Среда разработки Logic Workbench позволяет выполнять отладку программы в пошаговом режиме. Что бы перейти в режим отладки необходимо в режиме симуляции нажать кнопку «Pause (cycle to cycle)». Так же можно установить точку остановки, при достижении которой будет выполняться автоматический переход в режим отладки. Что бы установить точку остановки необходимо в режиме симуляции нажать правой кнопкой мыши по блоку или цепи и выбрать пункт меню «Set/Remove Breakpoint».

Управление всеми точками остановки выполняется во вкладке «Breakpoints». С помощь кнопки «Remove Break/Trace Point» можно удалить выбранную точку остановки. С помощью кнопки «Remove All Breakpoints» можно удалить все точки остановки.

С помощью кнопки «Вернуться в режим симуляции» выполняется возврат из режима отладки в режим симуляции. С помощью кнопки «Отработать один цикл» можно выполнить один программный цикл. С помощью кнопки «Шаг внутрь» выполняется один блок или одна цепь, если действие выполняется над подпрограммой или пользовательским функциональным блоком, то происходит переход внутрь ее. С помощью кнопки «Шаг» выполняется один блок или одна цепь, вход в подпрограмму не выполняется. С помощью кнопки «Шаг наружу» можно выйти из подпрограммы на более высокий уровень. При проверке, правильности функционирования программы управления конечного автомата с памятью необходимо подставлять такие комбинации состояний датчиков, что бы проверялись не только переходы из одного состояния в другое, но и удержание текущего состояния, как требуется в задании на автоматическое формирование комбинаций состояний датчиков с использованием таблицы формирования сигналов.