МЭК 61131-3: как программировать ПЛК по стандарту

[kirilljsx]

Когда речь заходит о программировании промышленных контроллеров, первое, с чем сталкиваешься - это хаос языков и платформ. Каждый производитель предлагает свою среду разработки, свои диалекты, свои подходы. Вот для решения этой проблемы и появился МЭК 61131-3 - международный стандарт программирования программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Что такое стандарт МЭК 61131-3

МЭК 61131-3 (IEC 61131-3) — это третья часть международного стандарта для программируемых логических контроллеров, который устанавливает синтаксис и семантику унифицированного набора языков программирования. Первоначально стандарт был опубликован в 1993 году под названием IEC 1131-3, но в 1997 году МЭК перешла на новую систему обозначений, добавив в название цифру «6».

Основная цель стандарта — повышение скорости и качества разработки программ для ПЛК, создание языков программирования, ориентированных на технологов, обеспечение соответствия ПЛК идеологии открытых систем и исключение этапа дополнительного обучения при смене типа ПЛК.

Зачем нужна стандартизация

В 80-90-х годах каждый производитель ПЛК создавал программы на собственном языке. Siemens работал на одном языке, Mitsubishi — на другом, Beckhoff — на третьем. Если система разрабатывалась на контроллере одного производителя, а потом требовался переход на другого — всё приходилось переписывать с нуля. Это означало месяцы работы, новые ошибки, переналадку оборудования.

Промышленность поняла, что такой подход экономически неэффективен. Крупные компании объединились и разработали единый стандарт, который позволил писать программы один раз и запускать на любом контроллере, поддерживающем МЭК 61131-3.

Ключевые преимущества стандартизации

• Портативность программ — код, написанный под МЭК 61131-3, работает на контроллерах разных производителей
• Переносимость проекта — можно перейти с одного ПЛК на другой без полной переработки
• Надёжность ПО — специализированная среда разработки содержит все необходимые средства для написания, тестирования и отладки
• Мобильность специалистов — инженеры могут работать с разными платформами без длительного обучения
• Возможность повторного использования кода — отработанные фрагменты программы применяются в новых проектах

Пять языков программирования МЭК 61131-3

Стандарт определяет пять основных языков программирования: три графических и два текстовых. Каждый язык разработан для определённых типов задач и специалистов с разным опытом.

1. LD (Ladder Diagram) — Релейно-контактные схемы

LD представляет собой графическое визуальное представление логики управления, похожее на электрическую схему. Язык появился как программная реализация электрических схем на базе электромагнитных реле. Видны рельсы питания слева и справа, между ними контакты, катушки, логические блоки — сигнал протекает по схеме как ток.

Кому подходит: электрикам и инженерам, имеющим опыт работы с релейной логикой

Применение: простые задачи автоматизации, системы, где логика естественно выражается через контакты и катушки

Недостатки: проблематично использовать для реализации сложных алгоритмов, не поддерживает подпрограммы, функции, инкапсуляцию

2. FBD (Function Block Diagram) — Диаграммы функциональных блоков

FBD — это графический язык, где программа представляет собой схему из функциональных блоков, связанных между собой через входы и выходы. Блоки представляют собой фрагменты программ, написанных на других языках, которым соответствует графическое изображение.

Кому подходит: схемотехникам и инженерам по системам автоматического управления (САУ)

Применение: программирование процессов прохождения сигналов через функциональные блоки, описание «жёсткой логики» и замкнутых контуров систем управления

Особенности: функциональные блоки инкапсулируют данные и методы, напоминая объектно-ориентированные языки, но не поддерживают наследование и полиморфизм

Пример использования FBD

В TRACE MODE 6 включено более 150 типовых функциональных блоков: фильтрация, ПИД-регулирование, статистические функции, тригонометрические операции, блоки управления клапаном, задвижкой, мотором.

3. ST (Structured Text) — Структурированный текст

ST является текстовым языком высокого уровня, очень сильно напоминающим Pascal. Это самый мощный язык в стандарте, позволяющий писать сложные алгоритмы, математические расчёты, обработку строк.

Кому подходит: программистам, имеющим опыт работы с языками высокого уровня

Применение: выполнение сложных математических вычислений, описание сложных функций, функциональных блоков и программ

Пример кода на ST

IF Voltage > 220 THEN
    Current := Current - 10;  (* Если V>220 В, то уменьшить ток на 10 *)
ELSE
    Current := 50; 
    Speed := ON;  (* Установить ток 50А и включить мотор *)
END_IF;

Язык содержит множество конструкций для присвоения значений переменным, вызова функций и функциональных блоков, условных переходов, выбора операторов, построения итерационных процессов.

Пример с циклом FOR

FOR i := 1 TO k / 2 DO
    var3 := var3 + k;
    k := k - 1;
END_FOR;

Объяснение: цикл FOR выполняет блок кода от начального значения i = 1 до k / 2. Внутри цикла происходит накопление значения в переменной var3 и декремент счётчика k. Для выхода из любого цикла может использоваться оператор EXIT.

Пример с оператором CASE

CASE k OF
    1:
        k := k * 10;
    2..5:
        k := k * 5;
        i := 0;
    6, 9..20:
        k := k - 1;
ELSE
    k := 0;
    i := 1;
END_CASE;

Объяснение: оператор CASE проверяет значение переменной k и выполняет соответствующий блок кода. Можно указывать диапазоны значений (2..5), отдельные значения через запятую (6, 9..20), а также блок ELSE для всех остальных случаев. Значение выражения может быть только целым.

4. IL (Instruction List) — Список инструкций

IL напоминает ассемблер и используется для реализации функций, функциональных блоков и программ. В основе языка лежит понятие аккумулятора и переходов по меткам.

Кому подходит: программистам, знакомым с низкоуровневым программированием

Применение: критические секции программы, требующие оптимизированного кода, решение небольших задач с малым количеством разветвлений алгоритма

Особенности: программа начинается с загрузки в аккумулятор значения переменной, дальнейшие шаги состоят в выполнении над ним ограниченного числа допустимых действий (всего 24 операции)

5. SFC (Sequential Function Chart) — Последовательные функциональные схемы

SFC — это не совсем язык программирования, а вспомогательное средство для структурирования программ. Он предназначен для программирования последовательности выполнения действий системой управления, когда действия должны быть выполнены в заданные моменты времени или при наступлении определённых событий.

Кому подходит: технологам, работающим с последовательными процессами

Применение: описание системы управления на верхнем уровне абстракции, программирование отдельных функциональных блоков с чёткой последовательностью состояний

Структура: программа состоит из шагов (показываются прямоугольниками) и условий переходов (жирная перечеркивающая линия). Программа выполняется сверху вниз, начальный шаг обозначается двойным прямоугольником.

Пример использования SFC

Алгоритм работы автоматического соединения модема с коммутируемой линией описывается состояниями:

• «Включение»
• «Обнаружение тона»
• «Набор номера»
• «Идентификация сигнала»

С переходами: «Если длинный — ждать 20 сек», «Если короткий — перейти в состояние “Набор номера”».

Базовые принципы МЭК 61131-3

Языки стандарта базируются на нескольких фундаментальных принципах:

Программные организационные единицы (POU)
Вся программа разбивается на множество функциональных элементов — Program Organization Units (POU), каждый из которых может состоять из функций, функциональных блоков и программ. Любой элемент может быть сконструирован иерархически из более простых элементов.

Строгая типизация данных
Стандарт требует строгой типизации данных. Указание типов данных позволяет легко обнаруживать большинство ошибок в программе до её исполнения.

Параллельное выполнение
Имеются средства для исполнения разных фрагментов программы в разное время, с разной скоростью, а также параллельно. Например, один фрагмент может сканировать концевой датчик с частотой 100 раз в секунду, в то время как второй фрагмент будет сканировать датчик температуры с частотой один раз в 10 секунд.

Поддержка структур данных
Стандарт поддерживает структуры для описания разнородных данных. Например, температуру подшипников насоса, давление и состояние «включено-выключено» можно описать с помощью единой структуры Pump и передавать её внутри программы как единый элемент данных.

Совместное использование языков
Стандарт обеспечивает совместное использование всех пяти языков в одном проекте, поэтому для каждого фрагмента задачи может быть выбран наиболее удобный язык. Например, программа на FBD может вызывать функциональный блок, написанный на ST, а внутри этого блока может вызываться подпрограмма на LD.

Где применяется МЭК 61131-3

Стандарт используется везде, где применяются ПЛК:

• Производство — пищевая, химическая промышленность
• Энергетика — управление генераторами, распределительными системами
• Водоснабжение и водоотведение
• Логистика и транспорт
• Любые процессы, требующие автоматизации управления

Популярные платформы разработки

Стандарт поддерживают такие системы программирования как:

• CoDeSys (3S Software) — одна из наиболее известных в мире систем для ПЛК
• ISaGRAF (ICS Triplex)
• TIA Portal (Siemens)
• TRACE MODE 6 (AdAstra) — российская платформа с поддержкой всех пяти языков

ПЛК СТАБУР от ООО ПО «Промсвязь» полностью соответствует МЭК 61131-3, что позволяет разработчикам использовать привычный набор инструментов независимо от платформы.

Ограничения и особенности стандарта
Несмотря на мощь стандарта, существуют моменты, которые нужно учитывать:

Расширения производителя
Каждый производитель может добавить свои функции поверх стандарта. Если активно использовать эти расширения, переход на другую платформу потребует доработок.

Зависимость от железа
МЭК 61131-3 покрывает язык программирования, но интеграция с внешним оборудованием, протоколы связи, конфигурация модулей зависят от производителя и архитектуры. Переход на другой контроллер может потребовать переделки интерфейсов.

Производительность
На разных контроллерах одна и та же программа может выполняться с разной скоростью. Если критична производительность на миллисекунды, необходимо тестировать на конкретном железе.

Требования к знаниям
Для эффективного использования МЭК 61131-3 нужны специалисты, которые знают стандарт. Если в компании только опыт с проприетарными языками, может потребоваться обучение.

Развитие и будущее стандарта

МЭК 61131-3 не статичен - выходят новые версии, добавляются возможности. Появились расширения для работы с облаком, для параллельных вычислений, для интеграции с системами безопасности. Существует также стандарт МЭК 61499, который может использоваться совместно с МЭК 61131-3 как средство описания базовых типов функциональных блоков.

Платформы разработки (CoDeSys и другие) постоянно обновляются. Когда выходит новый контроллер, поддерживающий стандарт, может потребоваться обновление среды разработки, но суть остаётся неизменной.

Практические рекомендации по выбору языка

Выбор языка программирования определяется не только предпочтениями пользователя, но и смыслом решаемой задачи:

Тип задачи	Рекомендуемый язык	Причина
Последовательная обработка сигналов	FBD	Наглядность потоков данных
Последовательность срабатываний реле	LD	Интуитивная схемотехника
Сложный разветвлённый алгоритм	ST	Мощность текстового языка
Последовательные процессы с состояниями	SFC	Визуализация переходов
Оптимизация критических секций	IL	Компактность и скорость

---

Вывод: МЭК 61131-3 - это стандарт, который связывает промышленность. Он дает инженерам, компаниям и заказчикам уверенность в том, что система будет работать и сегодня, и в будущем. При выборе контроллера для нового проекта первый вопрос должен быть: поддерживает ли он МЭК 61131-3? Если да, то программа будет портативна, надежна, долгоживуща.