1. Введение в табличное программирование контроллеров
1.1. Почему таблица?
Многообразие способов подачи информации, воспринимаемой человеком, несколько усложняет выбор такого метода, который мог бы оптимально подойти для визуального отображения текущего состояния системы управления оборудованием. Ведь необходимо не только информировать пользователя о контролируемом процессе и его критических параметрах, но и показывать состояние входов и выходов контроллеров, их назначение и алгоритмы формирования выходных данных.
Можно сузить круг поиска и рассматривать наиболее близкие пользователю способы подачи информации. Обычно специалист в области автоматизации – это человек с техническим образованием, привыкший работать на компьютере, понимающий основы булевой алгебры, разбирающийся в базовых алгоритмах. Обучение профессии и последующая деятельность такого специалиста постоянно тренируют его в быстром восприятии и анализе различных способов представления информации: в виде графиков, схем, таблиц, диаграмм, блок-схем, списков, текстов, чертежей и так далее. И здесь наступает момент выбора одного или нескольких из них. Все они имеют свои плюсы и минусы и могут быть адаптированы для решения стоящей перед нами задачи. При рассмотрении наиболее подходящих форм предоставления информации отбиралась та, которая позволяет объединить в себе максимальное количество необходимых свойств и не прибегать к дополнительному использованию других форм. Конечно, немалое влияние на выбор оказали предпочтения и опыт автора.
С появлением персональных компьютеров появилась возможность интерактивного анализа данных. Вместо пакетной обработки, когда между изменениями в программе или в данных и получением ответа проходили часы или дни, результат становится доступен практически сразу после внесения изменений. Раньше перед автором, например, стояла задача обработки рентгеновских спектров, получаемых при анализе содержания полезных элементов в руде. Для этого была написана специальная программа. Применение персонального компьютера позволило сохранять большое количество спектров, представляющих собой массивы, размерность которых соответствовала количеству каналов спектрометра, а значение элемента массива – интенсивности излучения. Программы электронных таблиц еще не были распространены, но в научной литературе обсуждались их концепция и ожидаемая будущая популярность. Понимание того, что, используя электронную таблицу, можно упростить обработку спектров, их сортировку и хранение, а также просто и наглядно решить множество вопросов, возникающих при определении состава проб, усиливало ожидание появления такого программного продукта.
Появление Microsoft Excel версии 3.0 и выше отодвинуло существовавшие на то время программы электронных таблиц других производителей на задний план. Хотя необходимо отметить, что электронная таблица Quattro Pro 9, входящая в Corel Word Perfect Office 2000, по своим возможностям не уступала аналогичной версии Microsoft Excel, но к этому времени MS Excel фактически стал стандартом. Особенно порадовала функция заморозки части таблицы, как по вертикали, так и по горизонтали – это позволило работать с довольно большими таблицами, используя замороженную часть как многострочный заголовок с возможностью видеть большое количество вычисляемых параметров. К примеру, таблица прихода и расхода комплектующих в MS Excel была сделана за пару часов и учитывала жизненный цикл каждой партии товара. Недостаток таких решений, состоящий в невысокой защищенности данных от случайных изменений, с лихвой покрывался скоростью получения интересующей информации и ее наглядностью.
Вообще материал, представленный в виде таблицы, легко воспринимается и анализируется человеком. Горизонтальные и вертикальные связи не затрудняют восприятие, а наоборот, облегчают его. Достаточно беглого взгляда на товарный ценник, составленный в виде таблицы, чтобы понять, сколько представлено товарных позиций и какой у них диапазон цен. Мы непрерывно тренируемся в скоростном восприятии информации, представленной в виде таблиц. Календари, расписания, товарные чеки, окно с файлами на экране компьютера – не что иное, как таблицы, отформатированные особым образом. Даже арифметические вычисления в столбик в тетрадке в клеточку прививают нам способность быстрого анализа табличных данных. Остается вопрос, как применить эту замечательную способность человека к решению рассматриваемой задачи – программированию контроллера, управляющего оборудованием.
Для решения большинства проблем, связанных с отображением внутреннего состояния управляющей техническим объектом программы, предлагается выводить ее текущие параметры в виде специальной таблицы на экран монитора или сенсорного дисплея удобного размера. Таблица с внутренним состоянием контроллера может находиться в одной из закладок монитора, на который в обычном режиме выводится информация о контролируемом процессе или другие необходимые данные. Специалисту, программирующему контроллер, не нужно создавать таблицу и организовывать отображение данных, таблица и является программой. Кроме данных в ее ячейках, нет никаких дополнительных блоков или файлов. Она же, по сути, и графический интерфейс между машиной и человеком. В ней мы видим состояние всех переменных. От программиста скрыт только код, пересчитывающий данные в ячейках. И самое главное, таблица является средством разработки программы контроллера. Отпадает необходимость в сложной и дорогостоящей среде для написания и отладки программ, загружаемых в контроллеры.
Так как отсутствует многоуровневое меню, с помощью которого можно изменять параметры, и на экран выводится одна-единственная таблица, отображающая весь процесс, то многократно сокращается время обучения программированию контроллеров. Может сложиться впечатление, что такая таблица будет иметь тысячи строк и столбцов, но это на самом деле далеко не так. Например, программа управления портальным краном, имеющим две лебедки, стреловой, поворотный механизмы и систему передвижения, содержит 180 строк и 30 столбцов. Простые программы управления небольшими объектами часто не нуждаются в прокрутке строк или столбцов, помещаясь на экране целиком.
Большие программы или с довольно длинными повторяющимися блоками можно организовать в многостраничную структуру, состоящую из нескольких таблиц на отдельных страницах, причем пересчет таблиц будет производиться параллельно. Так как параллельная обработка страниц выполняется циклически, то она не приведет к появлению ошибок, связанных с синхронизацией. Выходные данные с одной страницы по мере готовности могут участвовать в расчетах на другой странице. Если какие-либо показания с параллельной страницы не были готовы в этом цикле пересчета таблицы, то они станут готовы в последующих циклах. Программы на отдельных страницах можно рассматривать как программы, работающие в отдельных контроллерах. Так как подобные виртуальные контроллеры используют одну память, то практически нет ограничения скорости передачи данных между ними. Но чтобы не потерять прозрачность общего алгоритма, при многостраничной организации программы следует минимизировать связи между страницами.
1.2. Основы табличного программирования
Для начала рассмотрим таблицу, показанную на рис. 1. Нумерованные строки таблицы отвечают за входы контроллера, а нумерованные столбцы – за выходы. Состояние каждого входа контроллера описывается входной переменной, которая получает значение, равное логическому уровню на соответствующем ей входе. А логические уровни на выходах контроллера получают значения своих выходных переменных. Состояние каждой выходной переменной будем определять как логическое И в столбце под ней. Чтобы задать зависимость выходной переменной от нескольких входных переменных, продублируем значения входных переменных в ячейки под выходной переменной.
В приведенном примере состояние выходной переменной 2 будет равно логическому И входных переменных 1 и 4. Так как результат логического И равен единице, то на выходном контакте 12 будет высокий логический уровень.
Рис. 1. Пример таблицы
Чтобы таблица стала программой, внесем в нее некоторые изменения. Ячейки в теле таблицы, участвующие в расчете выходных значений, будем называть активными ячейками. Для их обозначения используем символ &, который в электронике и программировании обычно является символом битовой операции «логическое И». Чтобы увеличить наглядность таблицы, активные ячейки, состояние которых равно нолю, выделим синим цветом, а ячейки, состояние которых равно единице, – зеленым. Таким же образом обозначим результат логического И по столбцу. Простая табличная программа представлена на рис. 2.
Рис. 2. Пример простой табличной программы
Пересчет таблицы выполняется следующим образом. Сначала идет обработка строк сверху вниз. Значение в каждой строке определяется входной переменной. В данном случае оно соответствует логическому уровню на соответствующем входе контроллера. При наличии в строке активных ячеек всем им присваивается полученное значение. По окончании перебора строк вычисляются значения выходных переменных – как логическое И по ячейкам столбца под каждой выходной переменой. В этом виде данные в таблице сложно назвать программой, однако под определение программы по ГОСТ 19.781–90[2] – «данные, предназначенные для управления конкретными компонентами системы обработки информации в целях реализации определенного алгоритма» – она подходит.
Чтобы написать или создать программу, в такой таблице сначала нужно заполнить первый столбец именами входных переменных или комментариями к ним и указать соответствующие номера входных контактов контроллера. Затем заполнить верхнюю строку-заголовок именами выходных переменных, также добавив номера контактов, соответствующие выходам контроллера. Теперь остается ввести в ячейки, которые будут участвовать в формировании выходных значений, символ &. В принципе все, программа написана.
В результате поисков удобного формата таблицы, который бы легко воспринимался специалистом, не писавшим программу, из всех возможных операций в столбце было оставлено только логическое И. Это сделано для удобства быстрого анализа состояния программы в таблице. Если в столбце хоть одна активная ячейка принимает значение ноль, то результат тоже будет ноль. Если все активные ячейки столбца будут равны единице, то выходная переменная над столбцом также будет равна единице. Выделение синим цветом ячеек, находящихся в состоянии «Ноль», и зеленым цветом ячеек в состоянии «Единица» помогает увидеть всю картину целиком, быстро найти ячейки, цвет которых не соответствует ожиданиям.
1.3. Триггерные ячейки
Чтобы зафиксировать однократное появление сигнала в логических цепях, используются триггеры. Базовым видом триггеров является асинхронный RS-триггер, состояние выхода которого меняется в зависимости от логических уровней на его входах, обозначаемых буквами R (Reset) и S (Set). Для установки на выходе RS-триггера единицы на вход S подают логическую единицу, а для сброса выхода в ноль логическую единицу подают на вход R.
Добавим в табличную программу возможность фиксировать однократное появление сигнала. С этой целью в каждом столбце создадим свой RS-триггер с одним выходом и произвольным количеством входов. Ячейки, реализующие триггерные операции в программе, будем называть триггерными. Табличная программа, использующая триггерные ячейки, представлена на рис. 3.
Рис. 3. Пример табличной программы, использующей триггерные ячейки
В заголовок таблицы добавлена строка RS. Каждая ячейка этой строки является выходом RS-триггера столбца, входы которого находятся в ячейках под ним. Чтобы управлять этим выходом, в столбец могут быть добавлены ячейки, изменяющие состояние RS-триггера. Ячейки, использующиеся для сброса в ноль, будем обозначать символом R, а для установки в единицу – символом S. Ячейки R и S будем называть активными триггерными ячейками. Выберем этим ячейкам следующее цветовое обозначение: серый для состояния «Ноль» и пурпурный для состояния «Единица». Ячейки в строке RS хоть и являются триггерными, но обозначены символом &, так как они наравне с другими активными ячейками будут участвовать в логическом И по столбцу.
Начальное значение ячеек в строке RS равно единице. Это сделано для того, чтобы при отсутствии в столбце активных триггерных ячеек R и S ячейка RS не блокировала нулем результат логического И по столбцу. Выход триггера столбца, которым является ячейка RS, управляется следующим образом. Если в столбце ячейка R принимает значение «Единица», то значение ячейки RS в заголовке сбрасывается в ноль. Если же в столбце ячейка S принимает значение «Единица», то значение ячейки RS устанавливается в единицу. При возвращении состояния ячейки R или S в ноль ячейка RS не меняет свое значение. Происходит «защелкивание». Так как внутренний интерпретатор проходит по таблице сверху вниз, то при многократном применении в столбце триггерных ячеек значение ячейки RS будет определяться нижней триггерной ячейкой. После учета состояния всех ячеек R и S столбца значение ячейки RS участвует в операции «логическое И» наравне с ячейками столбца, обозначенными символом &.
1.4. Логические операции над входными переменными
Сигналы состояний устройств, такие как «Готовность», «Ожидание», «Авария», могут быть сформированы с помощью логических операций над входными переменными. Это не только расширяет функционал таблицы, но и уменьшает количество активных ячеек. В логическом И по столбцу теперь могут участвовать не значения входных переменных, а сигналы состояний механизмов и систем. Вместо использования нескольких активных ячеек, отражающих состояние датчиков какого-либо устройства, будет нужна всего лишь одна активная ячейка с сигналом готовности этого устройства. Такой подход упрощает программу и, самое главное, улучшает ее читаемость.
Добавим в таблицу столбцы, необходимые для выполнения операций над входными значениями. Чтобы улучшить читаемость программы, немного изменим внешний вид таблицы. Вставим дополнительные строки, которые будут разделять программу на блоки, а комментарии в строках, имеющих активные ячейки, выделим светло-серым фоном. Фон в остальных ячейках оставим белым. Табличная программа с внесенными изменениями показана на рис. 4.
Рис. 4. Табличная программа с логическими операциями над входными переменными
Сначала рассмотрим возможность инвертирования входных логических сигналов для дальнейшего их использования в программе. Одни сигналы, поступающие на вход контроллера, могут приходить с датчиков, имеющих нормально открытый контакт (НО), и при срабатывании такого датчика на входе контроллера будет уровень, соответствующий единице. Другие датчики могут иметь нормально замкнутый контакт (НЗ), и при их срабатывании на входе контроллера появится ноль. Реализуемый в программе алгоритм может потребовать инвертированных входных сигналов. Если инверсии не требуется, запишем в ячейку операции знак «=». Чтобы инвертировать входное значение, в ячейку операции запишем слово NOT. В строке 10 таблицы на рис. 4 значение переменной b1 сначала инвертируется, а потом участвует в логической операции «исключающее ИЛИ».
Далее рассмотрим применение основных логических операций – «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ» – для обработки входных переменных перед присвоением результата активным ячейкам таблицы. Так как операциям «И», «ИЛИ», «исключающее ИЛИ» требуется не менее двух аргументов, то две строки будут формировать аргументы, а результат поместим в третью строку. Конструкция будет напоминать арифметическое действие в столбик. Многострочные логические операции производятся над данными в столбце «Результат», и в этом же столбце записывается ответ. Расположение в одном столбце операндов и результата операции позволяет использовать полученный результат в качестве одного из операндов для следующей операции. На рис. 4 в ячейке «Результат» строки 4 будет ответ на логическое И содержимого двух ячеек, расположенных выше. Аналогично – в строке 8 для операции логическое «ИЛИ» и в строке 12 для операции «исключающее ИЛИ». В обычном для текстовых языков программирования виде это будет выглядеть следующим образом:
– строка 4: b3 = b1 AND b2 // 0 AND 1 = 0;
– строка 8: b4 = b1 OR b2 // 0 OR 1 = 1;
– строка 12: b5 = (NOT b1) XOR b2 // 1 XOR 1 = 0.
1.5. Инверсия выходных переменных
Иногда бывает необходимо, чтобы один из выходных сигналов контроллера был инвертирован – например, если в схеме устройства используется сигнал, состояние которого должно быть равным нолю, когда результат логического И по столбцу дает единицу. Чтобы реализовать такую возможность, дополним заголовок таблицы двумя строками: «Операция» и «Результат» (рис. 5).
Рис. 5. Табличная программа с логическими операциями над входными и выходными переменными
Выходным переменным, которым не требуется инверсия, в ячейку «Операция» запишем «=», а переменным, значение которых нужно инвертировать, запишем NOT. В приведенном на рис. 5 примере выходной переменной 3 присваивается инвертированное значение логического И по столбцу 3 с помощью операции NOT.
1.6. Таймеры
Управление оборудованием часто требует жестких временных рамок. Иногда нужна задержка между последовательным включением механизмов или систем, иногда наоборот – между последовательным их выключением. Наиболее ответственные операции должны выполняться за определенное время, и если этого не происходит, то оператору выдается предупреждение или происходит остановка процесса. Для формирования временных интервалов в программах контроллеров используются различные таймеры. Наиболее распространенные – таймер с задержкой на включение TON (timer on delay), таймер с задержкой на выключение TOF (timer off delay), таймер, формирующий импульс заданной длительности, TP (timer pulse). Рассмотрим алгоритм работы каждого из них.
В исходном состоянии на выходе таймера с задержкой на включение TON будет ноль (рис. 6). При переходе сигнала на его входе из ноля в единицу, то есть по переднему фронту сигнала, запускается обратный отсчет времени, начиная со значения, предустановленного в параметрах таймера.
Рис. 6. Временная диаграмма таймера с задержкой на включение TON
При достижении счетчиком нулевого значения на выходе таймера устанавливается единица. То есть сигнал, установившийся на входе таймера, появляется на выходе не сразу, а через заданное время. При возвращении входного сигнала в нулевое состояние выход таймера тоже будет равен нолю без какой-либо задержки. Если входной сигнал станет равным нолю до истечения предустановленного времени, то обратный отсчет прекратится, таймер перейдет в начальное состояние и сигнал на выходе не появится.
У таймера с задержкой на выключение TOF в исходном состоянии на выходе будет ноль (рис. 7). При переходе входного сигнала из ноля в единицу на выходе таймера будет единица без какой-либо задержки.
Рис. 7. Временная диаграмма таймера с задержкой на выключение TOF
А при переходе сигнала на его входе из единицы в ноль, то есть по заднему фронту сигнала, запускается обратный отсчет времени, начиная со значения, предустановленного в параметрах таймера. Установившийся на входе таймера ноль появится на выходе не сразу, а через заданное время – при достижении счетчиком нулевого значения. Если входной сигнал станет единицей до истечения предустановленного времени, то обратный отсчет прекратится, таймер перейдет в начальное состояние и на выходе останется единица.
В исходном состоянии на выходе импульсного таймера TP будет ноль (рис. 8). При переходе сигнала на его входе из ноля в единицу, то есть по переднему фронту сигнала, на выходе таймера будет единица без какой-либо задержки. Сразу же запускается обратный отсчет времени, начиная со значения, предустановленного в параметрах таймера. При достижении счетчиком нулевого значения на выходе таймера устанавливается ноль. Таким образом, по переднему фронту будет сформирован импульс заданной длительности. Возвращение входного сигнала в нулевое состояние до истечения заданного времени не повлияет на формирование импульса. Если входной сигнал снова станет единицей и будет сформирован передний фронт, то таймер будет перезапущен и отсчет начнется заново.
Рис. 8. Временная диаграмма таймера, формирующего импульс заданной длительности, TP
Чтобы при необходимости в программе можно было формировать временные интервалы, добавим в таблицу три столбца. Первый соответствует типу используемого таймера, второй – установленному времени, третий – текущему состоянию внутреннего счетчика таймера. Дополнительно сократим названия колонок и отформатируем таблицу. Табличная программа с внесенными изменениями представлена на рис. 9.
Рис. 9. Пример использования таймеров
Битовый результат операции сначала поступает на вход таймера, выходное значение которого будет присваиваться активным ячейкам строки. Если тип таймера не указан, то результат логической операции записывается в активные ячейки без задержки. Если результат операции не используется в активных ячейках строки, то ячейка этой строки в столбце «Знач.» остается пустой. Это сделано для того, чтобы в столбце «Знач.» отображались только те значения, которые принимают участие в формировании результата по столбцу. В приведенной на рис. 9 таблице используются три таймера: таймер с задержкой на включение TON, таймер с задержкой на выключение TOF, таймер, формирующий импульс, TP.
Теперь результат логической операции над входными переменными записывается в ячейки столбца «Резул.», а логический уровень выхода таймера – в ячейки столбца с названием «Знач.». Тип применяемого в строке таймера указывается в столбце «Таймер». Время работы таймера записывается в миллисекундах в столбце «Устан.». При обратном отсчете времени текущее состояние внутреннего счетчика таймера будет выводиться в ячейку «Текущ.». Пример отображения обратного отсчета показан в строке 12 (рис. 9).
Установленная в строке 12 длительность импульса равна 2000 миллисекундам, или 2 секундам, до окончания импульса остается 1610 миллисекунд, или 1,61 секунды. По истечении этого времени значение в столбце «Знач.» строки 12 перейдет из единицы в ноль. В строках 4 и 8 также используются таймеры, однако их текущее значение времени не отображается, следовательно, в данный момент таймеры в этих строках неактивны.
Можно заметить, что заголовок «Входной контакт» заменен на «Адрес», но цифры в столбце остались те же. Это сделано для того, чтобы максимально приблизить табличную программу к электрической схеме. Обычно при программировании контроллера с помощью графических языков переменным присваиваются адреса с точностью до бита, хотя в среде программирования контроллера каждой переменной соответствует определенная структура размером в несколько десятков байтов. Назначение адресов с точностью до бита – не более чем исторически сложившаяся практика. В табличной программе адрес входной или выходной переменной может соответствовать порядковому номеру контакта на разъеме контроллера. Тип переменной будет определяться ее адресом. К примеру, первые десять адресов будут принадлежать входным битовым переменным, а адреса с одиннадцатого по двадцатый – выходным.