Introduzione alla norma IEC

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1 -3 Marco Mauri Politecnico di Milano P.zza Leonardo da Vinci, 32 Tel Fax: Maggio Sommario delle lezioni Breve introduzione alla norma Elementi sintattici introduttivi (Common Elements) SFC (Sequential Function Chart) I linguaggi di programmazione IL (Instruction List) ST (Structured Text) LD (Ladder Diagram) FBD (Function Block Diagram) Maggio

2 Introduzione La norma IEC è una norma internazionale applicabile ai controllori programmabili (PC) Obiettivi della IEC 61131: Stabilire e identificare le principali caratteristiche dei PC e delle loro periferiche Specificare i requisiti minimi per le caratteristiche di funzionamento Definire una serie di linguaggi standard utilizzabili per la programmazione Fornire informazioni per l utente Definire le comunicazioni tra i PC e gli altri sistemi elettronici Maggio Struttura della norma Part 1: General Information (1992) Part 2: Equipment requirements and tests (1992) Part 3: Programmable Languages (1993) Part 4: User Guidelines (1995) Part 5: Messaging Service Specification (1998) Part 6: Communication via Fieldbus (-) Part 7: Fuzzy Control Programming (1997) Part 8: Guidelines for the Implementation of (1998) Languages for Programmable Controllers Maggio

3 Lo scopo Armonizzare il modo in cui differenti progettisti vedono il controllo. Aumentare il numero di persone in grado di capire un programma PLC. Aumentare la qualità, affidabilità e riusabilità del software Maggio IEC Programming languages Un linguaggio di programmazione rappresenta l interfaccia tra il programmatore e il sistema di controllo. In altre parole quello che vede sullo schermo Persone con formazione differente usano differenti approcci al controllo. La norma IEC fornisce il supporto adeguato per team con persone di differenti livelli o background Maggio

4 Il significato degli standard In te rn a tio n a l Standards National Standards Company Standards Past Present Future Lo sviluppo della tecnologia ha bisogno degli standard Maggio I benefici dello standard Riduce lo spreco di risorse umane (nel training, debugging, manutenzione e consulenza) Maggio

5 I benefici dello standard Riduce lo spreco di risorse umane (nel training, debugging, manutenzione e consulenza) Si focalizza sulla risoluzione dei problemi attraverso la riusabiltà del software (riduce investimento per le applicazioni e la dipendenza dai fornitori) Maggio I benefici dello standard Riduce lo spreco di risorse umane (nel training, debugging, manutenzione e consulenza) Si focalizza sulla risoluzione dei problemi attraverso la riusabiltà del software (riduce investimento per le applicazioni e la dipendenza dai fornitori) Riduce gli errori e le incomprensioni Maggio

6 I benefici dello standard Riduce lo spreco di risorse umane (nel training, debugging, manutenzione e consulenza) Si focalizza sulla risoluzione dei problemi attraverso la riusabiltà del software (riduce investimento per le applicazioni e la dipendenza dai fornitori) Riduce gli errori e le incomprensioni Definisce tecniche di programmazione utilizzabili in più ambienti (controlli industriali) Maggio I benefici dello standard Riduce lo spreco di risorse umane (nel training, debugging, manutenzione e consulenza) Si focalizza sulla risoluzione dei problemi attraverso la riusabiltà del software (riduce investimento per le applicazioni e la dipendenza dai fornitori) Riduce gli errori e le incomprensioni Definisce tecniche di programmazione utilizzabili in più ambienti (controlli industriali) Combina armonicamente differenti componenti provenienti da diversi compagnie,stati o progetti Maggio

7 I benefici dello standard Riduce lo spreco di risorse umane (nel training, debugging, manutenzione e consulenza) Si focalizza sulla risoluzione dei problemi attraverso la riusabiltà del software (riduce investimento per le applicazioni e la dipendenza dai fornitori) Riduce gli errori e le incomprensioni Definisce tecniche di programmazione utilizzabili in più ambienti (controlli industriali) Combina armonicamente differenti componenti provenienti da diversi compagnie,stati o progetti Aumenta la connettività Maggio I benefici dello standard Riduce lo spreco di risorse umane (nel training, debugging, manutenzione e consulenza) Si focalizza sulla risoluzione dei problemi attraverso la riusabiltà del software (riduce investimento per le applicazioni e la dipendenza dai fornitori) Riduce gli errori e le incomprensioni Definisce tecniche di programmazione Function "LIMIT" utilizzabili in più ambienti (controlli industriali) Combina armonicamente differenti componenti provenienti da diversi compagnie,stati o progetti Aumenta la connettività Function "TEST" Software Library Function Block "Turning" Function Block "Feeding" Function Block "Heating" Maggio

8 La norma IEC Common Elements Programming Languages Maggio I linguaggi di programmazione Structured Text (ST) : Linguaggio testuale di alto livello. Ha una sintassi simile al PASCAL IF SPEED1 > THEN Flow_rate := offest_a1; ELSE Flow_rate := 100.0; steam := ON END_IF Istruction List (IL) : Linguaggio testuale Assembler like di basso livello. LD R1 JMPC RESET LD PRESS1 ST MAX_PRESS RESET: LD 0 ST A_X Maggio

9 I linguaggi di programmazione Function Block Diagram (FBD) : Linguaggio grafico per raffigurare i segnali che entrano e escono dai function block High_press T#30s TON IN Q1 PT Over_press Ladder Diagram (LD) : Linguaggio grafico. Utilizza la logica a contatti SW1 SW2 OVR1 START R Maggio I linguaggi di programmazione Sequential Function Chart (SFC) : Linguaggio grafico per raffigurare il comportamento del sistema di controllo START N PUMPS Ready Vacuum S DEPRESS Checks N PRESS_CHK Maggio

10 La norma IEC Elementi sintattici introduttivi (Common Elements) Maggio Aspetti della presentazione Ci concentreremo su tutti gli aspetti sintattici che non sono strettamente legati a un particolare linguaggio Questi aspetti fanno parte della sezione della norma detta Common Elements Ci si concentra quindi su: gestione delle variabili, Data Types, Definizione della Configurazione, concetto di POU (Programming Organisation Units) e Function Blocks Maggio

11 Elementi introduttivi Il set di caratteri che è possibile usare è definito nello standard ISO 646 Basic Code Table Gli identificatori che devono essere usati nel linguaggio: Non ammettono come primo carattere un numero Non ci sono 2 o più caratteri di sottolineatura consecutivi Non sono ammessi spazi W123_PW W12_3PV atemp1 _PROG1 W123 PW W12 3PV 1aTemp Q%TY Maggio Elementi introduttivi I commenti possono essere inseriti in tutti i linguaggi della norma Non sono ammessi commenti annidati (* Activate pump *) (*************************) (* End of comments *) (*************************) Maggio

12 Tipi di dato SINT Short int. 8 bit -128 a +127 INT Integer 16 bit a DINT Double int. 32 bit a LINT Long int. 64 bit a USINT Unsigned sh. Int 8 bit 0 a 255 UINT Unsigned Int 16 bit 0 a UDINT Unsigned double Int 32 bit 0 a ULINT Unsigned long Int 64 bit 0 a Se un tipo di dato è ambiguo si può far precedere da un prefisso Esempio: INT# Maggio Tipi di dato REAL real number 32 bit ± 10 ±38 LREAL Long real number 64 bit ± 10 ±308 STRING Stringa di caratteri (i.d.) Stringhe di bit BOOL BYTE WORD DWORD LWORD stringa di 1 bit stringa di 8 bit stringa di 16 bit stringa di 32 bit stringa di 64 bit Maggio

13 Tipi di dato Durata TIME time duration (i.d.) es: T#12d3h3s36ms Data e orario DATE data (i.d.) TIME_OF_DAY ora (i.d) DATE_AND_TIME data e ora (i.d.) es: D# TOD#10:10:30 DT# :15: Maggio Tipi di dato La norma definisce per ogni tipo di dato un valore iniziale Per i tipi standard: 0 per tutti i valori numerici stringa vuota per le stringhe per le date Nella dichiarazione di una variabile è comunque possibile sovrascrivere il valore iniziale di default del tipo Maggio

14 Tipi di dato Si possono definire alcuni tipi derivati Semplici Structured data types Enumerated data types Sub-ranges data types Array data types Per i tipi derivati si possono definire valori iniziali che modificano il valore di default definito dalla norma Maggio Tipo di dato - DERIVATI TYPE PRESSURE: REAL := 1.0 END_TYPE Tipo derivato semplice TYPE PRESSURE SENSOR: Tipo derivato strutturato STRUCT INPUT: PRESSURE := 2.0; STATUS: BOOL:= 0; CALIBRATION: DATE := DT# ; HIGH_LIMIT: REAL := 30.0; ALARM_COUNT: INT := 0; END_STRUCT END_TYPE Maggio

15 Tipo di dato - DERIVATI TYPE DEVICE_MODE: Tipo derivato enumerativo (INITIALISING, RUNNING, STANDBY, FAULTY):= STANDBY; END_TYPE TYPE MOTOR_VOLTS: INT( ); END_TYPE Tipo derivato subrange TYPE VESSEL_PRESS_DATA: ARRAY[1..20] OF PRESSURE END_TYPE Tipo derivato array Maggio Variabili La norma definisce un vasto set di tipi di variabili ma ammette anche la definizione di nuovi tipi da parte dell utente Si possono poi individuare poi diverse categorie secondo cui organizzare i vari tipi di variabili Maggio

16 Variabili All inizio di ogni POU è possibile dichiarare nuove variabili Le variabili locali, cioè visibili solo all interno della POU, sono dichiarate utilizzando la keyword VAR VAR vel : REAL; allarme: BOOL; Maggio Variabili Variabili di ingresso: variabili che consentono alle POU di ricevere dati dall esterno VAR_INPUT ERRORE: REAL; VAL_MASSIMO: REAL; Variabili di uscita: variabili che consentono di alle POU di scambiare dati con l esterno VAR_OUTPUT POSIZIONE_VALVOLA: BOOL; Maggio

17 Variabili Alcune variabili possono sia essere in ingresso che poi essere il risultato dell elaborazione della POU. Si parla allora di input_output variables VAR_IN_OUT STATO: REAL; Sono variabili globali quelle definite a livello di configuration, resource, o program VAR_GLOBAL CONTATORE: INT; Maggio Variabili E possibile definire delle variabili external per accedere a variabili globali definite a livello di configurazione VAR_EXTERNAL CONTATORE: INT; E possibile definire delle variabili temporanee che vengono poste in un area temporanea della memoria (es. uno stack) VAR_TEMP RESULT : REAL Maggio

18 Variabili E poi anche possibile direttamente referenziare l allocazione in memoria %I100 (* Input memory bit 100 *) %IW122 (* Input memory word 122 *) %MW150 (* Memory location word 150 *) X Bit I Q M Locazione di memoria di input Locazione di memoria di output Memoria interna B W D L Byte (8bit) Word(16 bit) Double Word(32 bits) Long Word (64 bits) Maggio Variabili - ATTRIBUTI RETAIN : il valore di questa variabile viene mantenuto anche in mancanza di alimentazione del PLC VAR_OUT RETAIN Speed_profile: ARRAY[1..4] OF REAL; CONSTANT: la variabile non può essere modificata VAR CONSTANT Gear_ratio : SINT := 12; AT : serve ad allocare la variabile ad un preciso indirizzo VAR SCAN_DATA AT %IW10: ARRAY[1..8] OF SINT; Maggio

19 Il Modello Software Elementi sintattici introduttivi (Common Elements) Maggio Il modello software - CONFIGURATION Configuration Communication Function Maggio

20 Il modello software - CONFIGURATION La configurazione definisce il software per un PLC completo o di un sistema di controllo programmabile Una configurazione è specifica per un particolare tipo di PLC e per una particolare configurazione hardware che include: Risorse di calcolo (schede con certi tipi di microprocessore) Indirizzi di memoria per i canali di input o output Caratteristiche di sistema (es. numero max di task diversi ammissibili e tempo di esecuzione delle istruzioni) La definizione della configurazione comincia con la parola chiave CONFIGURATION e termina con la parola chiave END_CONFIGURATION Maggio Il modello software - CONFIGURATION CONFIGURATION unit_1_config VAR_GLOBAL G_speed_setpoint : REAL; G_RUNuP_Time : TIME; G_Log_Data : ARRAY[1..100] OF INT; RESOURCE Res1 ON Proc_386 VAR_GLOBAL ALARM_FLAG : BOOL; TASK IO_SCAN_TASK (INTERVAL:=t#100ms, PRIORITY:=0); TASK CONTROL_TASK (INTERVAL:=t#200ms, PRIORITY:=1); TASK PROG_TASK (INTERVAL:=t#400ms, PRIORITY:=2); PROGRAM turbine1 WITH PROG_TASK: turbine( speed_setpoint := G_speed_setpoint, runup_time := G_runUp_time, speed_pv := %ID200, loop1 WITH CONTROL_TASK, ramp1 WITH CONTROL_TASK, io_scanner1 WITH IO_SCAN_TASK); END_RESOURCE RESOURCE Res2 ON Proc_ END_RESOURCE VAR_ACCESS END_CONFIGURATION Maggio

21 Il modello software - RESOURCE Configuration Resource Resource Communication Function Maggio Il modello software - RESOURCE Una risorsa definisce il supporto per l esecuzione dei programmi IEC. Una risorsa è definita all interno di una configurazione usando la parola RESOURCE seguita da un identificatore e dal tipo di processore sulla quale la risorsa deve essere caricata. La definizione di risorsa contiene la definizione di: Variabili globali Acces path ovvero le variabili che permettono l accesso remoto Programmi Task e function blocks La definizione è conclusa dalla parola chiave END_RESOURCE Maggio

22 Il modello software - TASK Configuration Resource Resource Task Task Task Task Communication Function Maggio Il modello software - TASK Generalmente le differenti parti di un programma sono eseguite a differenti velocità determinate dalle caratteristiche del sistema. La dichiarazione di una task è introdotta dalla parola chiave TASK, dall identificatore della task e dal valore dei seguenti parametri: Parametro Tipo Descrizione SINGLE BOOL Passando da 0 a 1 causa l esecuzione del task una volta sola INTERVAL PRIORITY TIME UINT Il periodo che passa tra due esecuzioni successive La priorità del task. 0 è la più alta Maggio

23 Il modello software - TASK Esempio di dichiarazione dei task: TASK IO_SCAN_TASK (INTERVAL:=t#100ms, PRIORITY:=0); TASK CONTROL_TASK (INTERVAL:=t#200ms, PRIORITY:=1); TASK PROG_TASK (SINGLE := LogFlag, PRIORITY:=2); Maggio Il modello software - SCHEDULING Non-preemptive Scheduling: quando un task è in esecuzione non può essere interrotto. Al termine viene eseguito il task in attesa a priorità più alta. E possibile che alcuni task non vengano eseguiti La progettazione di un sistema di questo tipo è molto più facile Ha caratteristiche scarse per creare controlli stabili Preemptive Scheduling: i task a priorità più bassa possono essere interrotti da task ad alta priorità che sono pronti per l esecuzione E adatto ai sistemi di controllo in cui è necessario che alcuni algoritmi vengano eseguiti in istanti regolari e precisi Maggio

24 Il modello software - SCHEDULING Non-preemptive Scheduling Task A, Priority 0,Interval 100ms Task B, Priority 1,Interval 200ms Task C, Priority 2,Interval 300ms Preemptive Scheduling Task C interrotto Maggio Il modello software - PROGRAM Configuration Resource Resource Task Task Task Task Program Program Program Program Communication Function Maggio

25 Il modello software - PROGRAM Il concetto di programma è quello di un blocco software di considerevoli dimensioni (ad es.il controllo di una parte dell impianto) Può contenere la dichiarazione di variabili globali e ad allocazione fissa Può anche fare riferimento ad access variables Non può contenere istanze di altri programmi Può contenere istanze di Function Blocks che possono essere eseguiti da task diversi Il corpo del programma può essere definito con uno dei linguaggi definiti dalla norma Maggio Il modello software - PROGRAM La definizione è introdotta con le parole chiave PROGRAM e END_PROGRAM L istanza di un programma può operare utilizzando come variabili di ingresso variabili dichiarate a livello di risorsa o globali Può anche avere come ingresso variabili che sono state dichiarate ad allocazione fissa Maggio

26 Il modello software - PROGRAM PROGRAM fermeter VAR_INPUT Reagent_Code : INT; Sterilise : BOOL; FermentPeriod : TIME; VAR_OUTPUT Yield : REAL; Status : WORD; VAR Ph_loop, Temp_Loop : PID; Phase : INT :=1; END_PROGRAM Maggio Il modello software - FB Configuration Resource Task Task Resource Task Task Variable access path FB Function Block Program Program FB FB Program Program FB FB Variable Global and direct variables Access path Execution control path Communication Function Maggio

27 Il modello software - FB Un FUNCTION BLOCK (FB) è caratterizzato da: variabili di ingresso variabili di uscita variabili locali variabili locali che identificano il suo stato un algoritmo espresso utilizzando uno dei linguaggi permessi dalla norma Le variabili interne del FB non sono accessibili dall esterno E possibile accedere ai valori correnti delle variabili di ingresso e uscita di un FB Maggio Il modello software - FB Si deve distinguere tra dichiarazione e istanziazione del FB Istanze di un FB possono essere usate all interno di altri FB Le istanze sono dichiarate come dichiarazione di variabili Un istanza può essere passata ad un altra POU come parametro La norma definisce una serie di FB standard che dovrebbero essere presenti in ogni sw. Possono essere definiti dei FB dall utente Maggio

28 Il modello software FB: un esempio FUNCTION_BLOCK COUNTER VAR_INPUT MODE: Mode_Type := RESET; VAR_OUTPUT OUT : INT := 0; (* Definizione dell algoritmo *) IF MODE = RESET THEN OUT:=0; ELSEIF MODE = COUNT THEN OUT := OUT + 1; END_IF; END_FUNCTION_BLOCK TYPE Mode_Type: (RESET, COUNT, HOLD) := RESET; END_TYPE Istanziazione: ModeType MODE COUNTER VAR C1 : COUNTER; ecc. OUT Maggio Il modello software FUNCTION Spesso le FUNCTION sono scambiate per FB Una FUNCTION è un elemento software che con un particolare set di input produce un risultato primario. (ad es. la funzione SIN()) Le FUNCTION a differenza dei FB non hanno uno stato interno: producono sempre lo stesso risultato per medesimi ingressi. Una funzione ha solo un output (per controllare il flusso dati nei linguaggi grafici ci sono un input e output addizionali, EN ed ENO) Maggio

29 Il modello software FUNCTION Calc EN Add ENO EN Sqrt ENO Done A1 B1 X1 Controllo flusso dati Un emendamento del 1993 consente anche ai FB di avere a disposizione gli ingressi e uscite addizionali EN e ENO Maggio Il modello software FUNCTION I parametri ad una funzione possono essere passati by reference usando la parola chiave VAR_IN_OUT E consentito l overload delle FUNCTION. Per prodotti PLC che non supportano questa funzionalità lo standard specifica di far seguire al nome della funzione il tipo trattato (es. SQRT_REAL o SQRT_LREAL) La norma specifica un insieme di FUNCTION standard che ogni programma commerciale dovrebbe prevedere Maggio

30 Il modello software FUNCTION Quando una funzione deve essere chiamata (in ST) il nome del parametro deve essere specificato: Esempio: FUNCTION AVE_REAL : REAL VAR_INPUT INPUT1, INPUT2 : REAL AVE_REAL := (INPUT1 + INPUT2)/2 END_FUNCTION AVE1 = AVE_REAL( INPUT1 := 3.1, INPUT2 := 10.0 ) Molte delle funzioni standard non hanno dei nomi dei parametri formali e quindi possono essere chiamate semplicemente con una lista di valori Maggio Il modello software - POU Lo standard definisce program, function blocks e function come Program Organisation Units (POU). Le POU sono componenti dal comportamento ripetitivo che possono essere usate in differenti parti di una applicazione Le POU incoraggiano la riusabilità del codice dal macro-livello con i program al micro-livello con le function A differenza dei linguaggi di alto livello, la IEC impedisce l utilizzo di POU ricorsive. Questo perché è difficile testare il software ricorsivo e non è predicibile il suo comportamento real-time. Program e Function blocks possono essere descritte con ST, IL, FBD, LD, SFC. Le function con ST, IL, FBC, LD Maggio

31 Il modello software - POU Tipo Replicata come : Program Function Blocks Function Istanza di programma Istanza di un Function block Funzione Fornisce un riutilizzo del software ad alto livello (es. il controllo di una caldaia) Strumento per il riutilizzo del codice degli algoritmi di controllo (es. PID) Elaborazione di dati frequentemente utilizzata (es. SIN) Maggio Il modello software DIFFERENZE Configuration Resource Resource Variable access path Task Task Task Task FB Function Block Program Program FB FB Program Program FB FB Variable Global and direct variables Access path Execution control path Communication Function Maggio

32 Il modello software DIFFERENZE La struttura tradizionale di un PLC era composta da una unica risorsa, un unico task e un unico programma. La struttura proposta dalla norma è molto più generale e si può applicare anche a sistemi molto evoluti. Configuration Program Resource PLC singolo Maggio Il modello software - MAPPING Multi processor PLC PLC distribuiti su una rete ad alta velocità Configuration Program Resource Maggio

33 Il modello software APPLICAZIONE Il concetto di APPLICAZIONE non è definito nella norma, ma è una importante parte del modello software se consideriamo PLC che sono in grado di controllare diversi parti del sistema. Un applicazione ad esempio potrebbe includere tutti i controlli necessari per lo start-up o lo shut-down di una parte del sistema Le applicazioni possono essere eseguite indipendentemente solo se caricate su differenti RESOURCE Maggio Il modello software APPLICAZIONE Configuration Resource Resource Resource Resource Program Program Program Program Program Application A Application B Application C Maggio

34 GLOBAL INPUT INPUT OUTPUT IN_OUT EXTERNAL Una progettazione gerarchica Start : BOOL; Emergency : BOOL; Limit : INT; Automation application PROGRAM Type Local FUNCTION_BLOCK Type Local FUNCTION Type Local Maggio