Гибкая система разработки программ управления для промышленных контроллеров тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.14, кандидат технических наук Алексеев, Александр Васильевич

• Алексеев, Александр Васильевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алексеев, Александр Васильевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Глава 1. Постановка требований к гибкой системе разработки программ

управления для промышленных контроллеров

1.1. Область применения и классификация промышленных контроллеров

1.2. Место систем программирования в иерархии программного

обеспечения, используемого при управлении производством

1.3. Общие и специфические задачи, решаемые прикладным

программным обеспечением промышленных контроллеров

1.4. Требования к гибкой системе разработки программ

управления для промышленных контроллеров

1.5. Анализ известных отечественных и зарубежных систем программирования промышленных контроллеров и постановка задачи настоящей работы

Глава 2. Принципы построения гибкой системы разработки программ

управления для промышленных контроллеров

2.1. Концепция конъюнктивного языка структурированного текста

2.2. Принципы построения гибкой системы разработки программ управления для промышленных контроллеров на базе конъюнктивного языка структурированного текста

2.3. Выводы

Глава 3. Разработка конъюнктивного языка структурированного текста

3.1. Выбор способа описания языка

3.2. Данные

3.3. Синтаксические элементы языка

3.3.1. Идентификаторы

3.3.2. Числа

3.3.3. Операции

3.3.4. Ограничители и скобки

3.3.5. Комментарии и шумовые слова

3.3.6. Инструкции

3.3.7. Псевдооператоры

3.3.8. Логические выражения

3.4. Структура программ

3.5. Расширяемость функциональных возможностей

3.6. Формальное описание языка

3.7. Сравнительные характеристики конъюнктивного языка структурированного текста и известных технологических языков программирования

3.8. Разработка компилятора

3.8.1. Структура компилятора

3.8.2. Лексический блок

3.8.3. Синтаксический блок

3.8.4. Семантический блок

3.8.5. Генератор кода

3.9. Выводы

Глава 4. Создание гибкой системы разработки программ

управления для промышленных контроллеров

4.1. Разработка интегрированной среды

4.1.1. Интерфейс взаимодействия с пользователем

4.1.2. Редактор

4.1.3. Транслятор

4.1.4. Система отладки

4.2. Создание сервисных программ

4.2.1. Программа "Конфигуратор"

4.2.2. Программа формирования общего конфигурационного файла

4.2.3. Программа "Библиотекарь"

4.3. Создание библиотек прикладных функций

4.3.1. Арифметические функции

4.3.2. Функции обработки измерений

4.3.3. Функции регулирования

4.4. Выводы

Глава 5. Результаты экспериментальной проверки и практического применения гибкой системы разработки программ управления для промышленных

контроллеров

5.1. Специфика архитектуры и операционной системы промышленных контроллеров серии ЭК-2000

5.2. Реализация конъюнктивного языка структурированного текста

5.3. Реализация гибкой системы разработки программ управления

для промышленных контроллеров серии ЭК-2000

5.4. Экспериментальная проверка реализованной системы при программировании промышленных контроллеров серии ЭК-2000

5.5. Результаты внедрения и практического применения реализованной

системы при автоматизации производственных процессов

5.6. Выводы

Заключение

Библиографический список использованной литературы

Приложение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гибкая система разработки программ управления для промышленных контроллеров»

ВВЕДЕНИЕ

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 задач; базирующиеся на одном из универсальных ЯП -ориентированы только на достаточно квалифицированных программистов; базирующиеся 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 извест-

ными 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: введение; основную часть, состоящую из пяти глав; заключение; библиографический список и приложение.

В первой главе характеризуются область применения ПК; приводится их классификация; раскрывается место систем программирования ПК в иерархии ПО, применяемого в системах управления производством; рассматриваются общие и специфические задачи, решаемые прикладным ПО промышленных контроллеров; определяются 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.).

Заключение диссертации по теме «Системы обработки информации и управления», Алексеев, Александр Васильевич

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 ситуациях; надежное выполнение программ с гибким (недетерминированным) временем рабочего цикла; более 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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алексеев, Александр Васильевич, 1999 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аблин И.Е. Технологический язык программирования IBM PC совместимых контроллеров // Современные технологии автоматизации. - 1996. - №1. - С.110-114.

2. Автоматизированная система управления технологическими процессами МА-ИС-7.30 // Приборы и системы управления. - 1994. - №4. - реклама.

3. Алексеев A.A., Алексеев A.B. Пользовательский язык Turbo-CONT и интегрированная среда CONT-Designer для контроллеров сер. ЭК-2000 // Приборы и системы управления. - 1997. - №7. - С.14-16.

4. Алексеев A.B. Интегрированная система разработки прикладного программного обеспечения контроллеров технологического оборудования // Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии / Научн. тр. - Вып. 300. - М.: МГУЛ, 1999. - С.105-115.

5. Алексеев A.B. Концепция пользовательского языка и интегрированной среды для программирования контроллеров технологического оборудования среднего класса // Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии / Научн. тр. -Вып. 282. - М.: МГУЛ, 1998. - С.124-131.

6. Алексеев A.B. Сравнительный анализ пользовательских языков программирования контроллеров технологического оборудования среднего класса // Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии / Научн. тр. - Вып. 282. - М.: МГУЛ, 1998. - С.131-137.

7. Ахо А., Ульман Дж. Теория синтаксического анализа, перевода и компиляции. Т.1. Синтаксический анализ / Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 612 с.

8. Бахвалов Н.С. Численные методы. - М.: Наука, 1975. - 632 с.

9. Болдырев A.A., Бреман В.В., Громов B.C. Построение АСУТП с помощью ПТК "Интегратор" // Современные технологии автоматизации. - 1998. - №4. - С.27-30.

10. Братчиков И.Л. Синтаксис языков программирования. - М.: Наука. - 1975. -

232 с.

11. Будько И., Варнавский И., Туганов Б., Юриков В. Автоматизированная система контроля и учета молокопродуктов для молочных заводов // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №3. - С.30-33.

12. Быкадоров A.A. Интегрированные пакеты для разработки программ мониторинга в ИИС и АСУТП // Приборы и системы управления. - 1993. - №4. - С. 19-20.

13. Ван Тассел Д. Стиль, разработка, эффективность, отладка и испытание программ / Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 332 с.

14. Генис Я.Г., Ястребенецкий М.А. Надежность автоматизированных систем: прошлое, настоящее, будущее // Приборы и системы управления. - 1994. - №4. - С.7-10.

15. Горелик А.Х., Дуэль М.А., Хаит Я.Г., Пинхасик B.C. Программно-технические комплексы в атомной энергетике // Приборы и системы управления. - 1994. - №4. - С.1-6.

16. Грибанов В.П., Дробин C.B., Медведев В.Д. Операционные системы. - М.: Финансы и статистика, 1990. - 239 с.

17. Грыциев П.Е. АСУТП сахарных заводов на базе комплексов МСКУ M // Приборы и системы управления. - 1997. - №7. - С.7-9.

18. Деменков Н.П. Разработка АСУТП на базе промышленных контроллеров и систем оперативного управления //Приборы и системы управления. - 1998. - №3. - С.4-6.

19. Зайцев A.B. Новый уровень интеграции систем управления производством // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №1. - С.22-26.

20. Злобин В.К., Григорьев В.П. Программирование арифметических операций в микропроцессорах. - М.: Высшая школа, 1991. - 303 с.

21. Зюбин В.Е. Проектирование алгоритмов работы микроконтроллеров // Приборы и системы управления. - 1998. - №1. - С. 18-20.

22. Зюбин В.Е. Язык СПАРМ - средство программирования микроконтроллеров // Автометрия. - 1996. - №2. - С.40-50.

23. Иванов А.Н., Золотарев C.B. QNX-контроллеры - шаг в XXI век // Приборы и системы управления. - 1998. - №1. - С.4-8.

24. Иванов С. Операционная система реального времени LynxOS // Современные технологии автоматизации. - 1998. - №4. - С.57-63.

25. Ивченко В.Д. Отказоустойчивость - свойство современных систем автоматического управления // Приборы и системы управления. - 1997. - №7. - С.12-14.

26. Интегрированная система разработки прикладного программного обеспечения CONT-Designer: Руководство пользователя / Сост. Алексеев A.B. - М.: Эмикон, 1998. -109 с.

27. Клюев A.C. Автоматическое регулирование. - М.: Энергия, 1967. - 344 с.

28. Кожевников А., Сафронов В., Прокопенко Л., Ерохин И. Коммерческий учет энергоресурсов // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №3. - С.62-67.

29. Комаров К. OPTOSOFT - система сбора данных и управления реального времени // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №2. - С.94-95.

30. Коутс Р., Влейминк И. Интерфейс "человек-компьютер" / Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 501 с.

31. Кривоносов А., Харитонов А., Гуличев В. Система управления газоперекачивающими агрегатами // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №2. - С.66-68.

32. Круг Е.К., Александриди Т.М., Дилигенский С.Н. Цифровые регуляторы. - М. -Л.: Энергия, 1966. - 504 с.

33. Кузнецов А.Ю. Промышленные компьютеры фирмы Advantech // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №1. - С.12-20.

34. Кузнецов А.Ю. Genesis for Windows - графическая SCADA-система для разработки АСУТП // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №3. - С.104-108.

35. Куцевич H.A. FactorySuite 2000 - комплексный инструментарий следующего поколения // Современные технологии автоматизации. - 1998. - №4. - С.64-70.

36. Льюис Ф., Розенкранц Д., Стирнз Р. Теоретические основы проектирования компиляторов / Пер. с англ. - М.: Мир, 1979. - 654 с.

37. Магрупов У.М., Болдырев A.A., Шахмаев P.A. и др. Специализированный программно-технический комплекс "Машинист" для тепловых электростанций // Приборы и системы управления. - 1997. - №7. - С.3-5.

38. Микропроцессорные контроллеры для регулирования и управления технологическими процессами: Сб. науч. тр. / Под ред. В.В.Певзнера. - М.: НИИтеплоприбор, 1989.-65 с.

39. Мороз C.B. Продукция корпорации Omron на рынке СНГ // Приборы и системы управления. - 1997. - №4. - С. 1-4.

40. Новоселов О.H., Алексеев A.B. Построение феноменологического уравнения по измеренным значениям выходного процесса // Измерительная техника. - 1995. - №5. -С.3-7.

41. Операционная система OS-188: Руководство пользователя. - М.: Эмикон, 1998. - 56 с.

42. ПИД-регулирование посредством МОДИКОН 884: Руководство по обслуживанию ПИД-функций. - Мюнхен: Гульд Модикон Г.м.б.Х., 1985. - 13 с.

43. Польский C.B. Быстрые алгоритмы вычисления элементарных функций в системах реального времени // Автоматизация и компьютеризация информационной техники и технологии / Научн. тр. - Вып. 300. - М.: МГУЛ, 1999. - С.88-91.

44. Пратт Т. Языки программирования: разработка и реализация / Пер. с англ. -М.: Мир, 1979.-574 с.

45. Ржеуцкий Ю.С. Автоматизация процессов обезвоживания нефти // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №2. - С.70-72.

46. Рогачев H.H. Микроконтроллерные автоматизированные системы на предприятиях пищевой промышленности // Приборы и системы управления. - 1997. - №7. - С.6.

47. Российские производители контроллеров имеют шанс утвердиться на отечественном рынке // Коммерсант-дейли. - 1992. - №7. - С.3-4.

48. Семантика языков программирования / Пер. с англ. / Сб. статей - М.: Мир, 1980. - 394 с.

49. Сердюков О.В. и др. Что дают идеи открытых систем при проектировании технических средств автоматизации // Мир компьютерной автоматизации. - 1996. - №3. -С.85-89.

50. Сорокин С.А. Системы реального времени // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №2. - С.22-29.

51. Трой Д. Программирование на языке Си для персонального компьютера IBM PC / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1991. - 432 с.

52. Универсальные программируемые промышленные контроллеры серии "ЭК-2000": Инструкция по эксплуатации. - М.: Эмикон, 1994. - 30 с.

53. Фаронов В.В. Программирование на персональных ЭВМ в среде Турбо-Паскаль. - 2-е изд. - М.: МГТУ, 1992. - 448 с.

54. Фомичев И.А. АСУТП "Космотроника" // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №2. - С.54-60.

55. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений / Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. - 279 с.

56. Халявка А.В. OS-9 как она есть // Приборы и системы управления. - 1997. -№4.. С.14-18.

57. Хопгуд Ф. Методы компиляции / Пер. с англ. - М.: Мир, 1972. - 160 с.

58. Шакиров С., Биюсов Р., Якубович Б., Журавлев В. ULTRALOGIC - система подготовки программ для промышленных контроллеров // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №3. - С.96-102.

59. Шмелев Г.С., Ашкалиев Э.Я., Ляпин А.В. Опыт реализации стандарта МЭК 1131-3 (ISaGRAPH) в среде операционной системы реального времени // Приборы и системы управления. - 1997. - №4. - С.8-10.

60. Шустов В.В.. Шмельков С.Б., Малышев С.М. Система контроля радиационной безопасности // Современные технологии автоматизации. - 1997. - №3. - С.44-47.

61. American Nation Standard COBOL (ANS X3.23 - 1968). - American National Standards Institute, New York. - 1968. - 300 p.

62. Backus J. The Syntax and Semantics of the Proposed International Algebraic Language of the Zurich ACM-GAMM Conference. - Information Processing, UNESCO, Paris. -1960.- P.125-132.

63. B&R System 2000: Programming Languages Manual. - Bernecer und Rainer In-dustrie-Electronik Ges.m.b.H. - 1995. - 192 p.

64. CHOICES: Perspectives on the Future of Automation Control // Real-Time Magazine. - 1997. - №4. - P.9-16.

65. Dewhurst S.C., Stark K.T. Programming in С++, Prentice-Hall, Inc., 1989. - 233 p.

66. Gould Modbus Protocol: Reference guide. - Gould Inc., Programmable Control Division, Andover, Massachusetts. - 1985. - 68 p.

67. International Standard IEC 1131-3. - Programmable controllers, Part 3: Programming languages. - 1993. - 411 p.

68. ISaGRAPH. Version 2.10: User's Guide. - CJ International. - 1994. - 576 p.

69. PforC: Руководство пользователя. - Т.: НПО "Центрпрограммсистем". - 1990. -

72 с.

70. Quercy С. Embedded Workstation Benefits // VITA Journal, June 1996. - P.12-15.

71. Stroustrup D. The С++ Programming Language, Addison-Wesley Publishing Company, 1991.-669 p.

72. Varhol P. Building tomorrow's embedded software // Computer Design, April 1998. -P. 17-22.