Понимание языков программирования IEC61131-3
Сложность программного обеспечения, возможности PLC/PAC и возможность портировать программный код являются ключевыми факторами при выборе языка программирования контроллера. Около 120 лет назад Марк Твен сказал «есть несколько способов снять шкуру с кошки». Это клише все еще актуально в мире программирования контроллеров.
Долго считавшиеся чисто европейским феноменом, языки программирования контроллеров IEC получают распространение в Соединенных Штатах. IEC разработала данные стандарты программирования, реагируя на увеличивающееся количество разработчиков систем автоматизации, возрастающую сложность приложений, и множество методов реализации функций управления.
Многие инженеры в области АСУ ТП интересуются возможностями каждого языка программирования. В каких случаях предпочесть тот или иной язык? Какие преимущества и недостатки каждого? В данной статье содержится краткий обзор и сравнение каждого из пяти основных языков программирования контроллеров.
Язык релейно-контактных схем (LD)
Этот язык программирования, изобретенный в США десятилетия назад, получил наиболее широкое распространение. Изначально изобретенный для замены логических схем, выполненных на релейной технике, язык релейно-контактных схем является базовым в США на сегодняшний день, и применяется в 95% всех приложений. Визуально этот язык напоминает последовательность цепей управления, в которой все входы должны быть установлены в значение «истина» для активации одного или нескольких выходов.
Язык релейно-контактных схем получил такое широкое распространение, потому что на нем могут писать практически все программисты в любой стране.
Поскольку он напоминает знакомый всем формат электрических цепей, даже не специалист в области программирования, знакомый с электроникой может разобраться в программе для поиска ошибок в ней. На этом языке легко писать программы. Имея базовое представление о входных и выходных сигналах, можно начать писать код. Большинство других языков IEC требуют большей подготовки, например, прорисовки диаграмм всех потенциальных процессов. Наконец, программа, реализованная в виде релейно-контактных схем, может быть организована в виде папок или подпрограмм, которые загружаются в контроллер, позволяя проводить легкую сегментацию программы.
Рис. 1. Этот язык напоминает последовательность цепей управления, в которой все входы должны быть установлены
в значение «истина» для активации одного или нескольких выходов.
Язык релейно-контактных схем идеален для простых приложений перемещения материалов. Например, когда один датчик распознает наличие коробки, другой датчик проверяет наличие препятствий, а затем выходной сигнал, при соответствующем условии, запускает привод для перемещения коробки на другой конвейер. В данном случае дискретные входы контролирую текущие условия, базовая программа анализирует эти входы и подает соответствующие сигналы на выходы. В программе могут быть использованы таймеры, некоторые базовые сравнения или математические операции, но нет возможности использовать сложные функции.
На языке релейно-контактных схем затруднительно реализовывать более сложный функционал ПЛК (программируемый логический контроллер, англ.: PLC), сохраняя парадигму легкой визуализации и понимания. Такие функции как ПИД-регулирование, тригонометрия и анализ данных в приложении реализовать трудно. Другой сложностью является то, что по мере роста объема программы, ее становится сложно читать и интерпретировать, если нет подробнейшей документации. Наконец, реализация полного процесса управления на языке релейно-контактных схем может быть чрезвычайно трудным.
Светофор на ПЛК – все языки МЭК 61131-3
В прошлой статье Светофор на ПЛК – 30 блоков программа для ПЛК светофора была написана только на FBD.
Новая программа использует все 5 языков стандарта МЭК 61131-3.
Первая секция на IL.
Это похожий на ассемблер язык.
В секции всего 2 строки:
LD — загрузка значения в аккумулятор
S — установка переменное в true, если в аккумуляторе true, иначе переменная не изменяется. 
Генератор импульсов периодом 0,5 секунды написан на FBD, как и в предыдущей версии. 
Основная секция написана на SFC. Как мне кажется, это самый сложный для применения язык в стандарте МЭК 61131-3.
Программа состоит из шагов и переходов.
При запуске программы выполняется шаг Init.
Следующий шаг выполняется, если усовие перехода за ним истинно. Шаг может быть выполнен с задержкой, время шага может быть ограничено.
На рисунке ниже только однин переход содержит условие. Остальные переходы выполняются всегда.
В конце цепочки выполняется безусловный переход на метку WaitPeople. 
Каждый шаг выполняется с задержкой, соответсвующей требуемому времени пребывания светофора в заданном состоянии. 
При выполнении каждого шага выполняется опеределенное действие. В моей программе задано выполнение секции на языке ST. 
В проекте добавлена переменная uState, соответсвующая состоянию светофора.
Вот содержимое всех секций, выполнемых по шагам: 
Секция на ST в зависимости от состояния uState записывает значение на булевские переменные, которые потом будут переписаны на выходы. Это можно было сделать в секциях stStep_1..stStep_8, но тогда бы вы не увидели оператора CASE и не поняли бы, что ST — самый близкий для программиста язык из стандарта МЭК 61131-3. Так же в этой секции введена защита от программных ошибок в виде мигающего желтого при неопределенном состоянии. 
Язык LD близок к схемам релейной логики. Основа LD — контакты и катушки. На схеме видно, что слева расположен проводник, от которого «напряжение» (true) распростроняется направо по ответвлениям.
Нормально разомкнутый контакт (похож на конденсатор) замыкается, если привязанная к нему переменная истинна.
Нормально замкнутый контакт (похож на конденсатор со слэшем внутри) замыкается, если привязанная к нему переменная ложна.
Катушка (2 скобки) пропускает «напряжение» через себя и переписывает его значение (false или true) в привязанную к ней переменную.
В программе данная секция используется для того, чтобы переписать промежуточные переменные в переменные, привязанные к выходам, с защитой от программной ошибки. Зеленый свет загарается только если нет красного на данном светофоре и зеленого на другом светофоре. 
Результат работы программы:
Применение всех 5 языков в одной программе не оправдано. Но в реальных проектах иногда приходится применять одновременно 2..3 языка. Чаще всего я использую ST, реже FBD, еще реже IL. SFC и LD в реальных проектах мне применять не приходилось.
UPD. Сделал исправление — убрал лишний ноль из названия стандарта по замечанию RouR
UPD2. Небольшое изменение в описании LD.
Редакторский дайджест
Присылаем лучшие статьи раз в месяц
Скоро на этот адрес придет письмо. Подтвердите подписку, если всё в силе.
5 языков программирования стандарта МЭК 6-1131/3
Для всех 5 языков существует единый механизм связи с базой данных реального времени TRACE MODE® 6. Каждая программа обладает набором аргументов, исходные данные передаются в программу через входные аргументы, а результаты вычислений возвращаются в выходных аргументах. Аргументы связываются с атрибутами каналов TRACE MODE 6, т.е. с реальными входами и выходами контроллеров и УСО, ячейками корпоративных баз данных, либо с внутренними переменными. Таким образом, одна и та же программа может вызываться несколько раз за цикл для обработки разных потоков данных.
Краткое описание языков
Язык Techno LD понравится инженерам, привыкшим к составлению схем релейной логики. Внешне редактор LD очень похож на редактор FBD, только вместо функциональных блоков пользователю предлагается использовать «контакты» и «катушки». При желании в схему Techno LD можно включать и вкрапления из обычных блоков FBD, хотя эта возможность TRACE MODE® 6 несколько выходит за рамки стандарта.
Techno ST ориентирован прежде всего на программистов, он представляет собой язык программирования высокого уровня, похожий на Паскаль. В нем поддерживаются массивы (в том числе многомерные), контроль преобразования типов, присутствуют такие конструкции как DO-WHILE, REPEAT-UNTIL, FOR-TO-DO, IF-THEN-ELSE, CASE-OF и прочие интуитивно понятные любому программисту операторы. Заголовок программы строится автоматически по списку аргументов, что позволяет экономить время на оформлении программы. Служебные слова, метки, комментарии и числовые константы выделяются цветом, как это принято в современных средах разработки, настройки цветов доступны пользователю.
Techno IL это простейший язык мнемонических инструкций, внешне напоминающий ассемблер. Этот язык был включен в стандарт для программирования контроллеров, обладающих низкой вычислительной мощностью. Программы IL легко транслируются в машинные коды любого процессора, что позволяет создавать очень быстрые программы. Однако, на сегодняшний день проблема производительности давно решена, и реально Techno IL не имеет никаких преимуществ перед ST или FBD, тем более, когда речь идет о программировании операторской станции. Тем не менее, этот язык был включен в TRACE MODE® 6 для поддержки устаревшего оборудования. Сам по себе этот факт лишний раз подчеркивает преимущество стандарта МЭК 6-1131/3 перед пусть более совершенными, но локальными средствами автоматизации.
Программы на языках МЭК 6-1131/3 могут быть перенесены в TRACE MODE 6 с любой другой платформы, поддерживающей этот стандарт.
В отличие от некоторых других SCADA-систем, в которых реализуются интерпретаторы языков МЭК 6-1131/3, среда разработки TRACE MODE 6 компилирует в машинные коды программы, написанные на всех 5 языках, в том числе SFC! Это позволяет достичь максимальной производительности обработки информации в реальном времени.
Примеры программирования в TRACE MODE
Пример разработки простого программного задатчика на языке FBD в SCADA TRACE MODE показан в следующем учебном фильме: