שפות בקרה תעשייתיות

עמוד השדרה של אוטומציה תעשייתית מודרנית נשענת על בקרים לוגיים הניתנים לתוכנה (PLCs) ביצוע לוגיקה מבוקרת שנכתבה בשפות סטנדרטיות.בין הנפוצים ביותר הם Ladder Logic ו- Function Blockgram (FBD), שניהם מוגדרים תחת תקן IEC 61131-3, בעוד כל אחד מהם משרת את אותה מטרה האולטימטיבית & #8212; שליטה במכונות ותהליכים R הפילוסופיה שלהם, ויזואלית, ויזואלית, ויזואלית, יישומים שונים וטכנולוגיות פיתוח, אשר יכולים באופן משמעותי.

מאמר זה מספק השוואה עמוקה של לוגיקה סולם ו- FBD, מעבר להגדרות בסיסיות כדי לחקור את ההקשר ההיסטורי, נקודות חוזק וחולשות מעשיות, ותרחישים בעולם האמיתי שבו שפה אחת מחלחלת השנייה.We גם לדון גישות תכנות היברידיות וכיצד הנוף התעשייתי המתפתח ו- #8212; כולל האינטרנט התעשייתי של הדברים (I) ומחשוב ומחשוב באמצעות #82; הוא משפיע על שפה.

מה זה Ladder Logic?

לוגיקה הסולם מקורה בשנות ה-60 וה-70 כחלופה ישירה עבור לוחות ממסר קשיחים.העיצוב החזותי שלה מראה את ה ⁇ החשמליים בשימוש על ידי חשמלאים, עם מסילות חשמל אנכיות וריצה אופקית המכילה מגעים (inputs) ו סלילים ( ⁇ s) דמיון חזותי זה אומר כי כוח קרקעי צמח יכול לעבור משליטה מבוססת-ממסר ל- PLC עם אימון מינימלי.

מאפיינים מרכזיים כוללים:

  • (ב) ,0) ,Rung-based Extraction: כל רץ מובחן שמאלה מימין, למעלה לתחתית, מחק את זרם הזרם במעגל.
  • (ב) לוגיקה טהורה: 1) מגעים פתוחים בדרך כלל וסגורים בדרך כלל משלבים עם סלילים ליישום, או, לא, ותפקודי זיכרון.
  • (FLT:0)Timers ו-נגד (FLT:1: מובנה-in functionblock) (לעתים קרובות מיוצג כ- coils או הוראות מיוחדות) מטפלות בתזמון ובספירה.
  • (FLT:0)IEC 61131-3 תאימות: מודרני לdder Logic עוקב אחר תקן, הבטחת יכולת מעבר למותגים PLC כגון Rockwell Automation, Siemens, ומיקושי.

בגלל המורשת שלה, Ladder Logic נשאר השפה של בחירה עבור ייצור דיסקרטי, אריזה, טיפול חומרי, וכל יישום שבו חשמלאים הם פותרי בעיות העיקריים.טבע אינטואיטיבי שלה מאפשר במהירות של debugging שדה: טכנאי יכול לצפות את המתפתלים מדגיש כמו סריקות PLC, להצביע בדיוק מי מגע או פלט גורם תקלה.

מה זה Function Block Diagram (FBD)?

פונקציונלי בלוק דיאגרה התפתחה מתעשיית בקרת התהליך, שבו לולאות רציפה, אלגוריתמים PID ושילוב מורכב נפוצים.במקום לייצג את ההיגיון כעיגול ממסר, FBD משתמש בלוקים מלבניים המחוברים על ידי קווי אותות.כל בלוק encapsulates פונקציה מסוימת & #8212;mathematical, לוגי או מונחה נתונים ו-#8212; ניתן להשתמש שוב על פני התוכנית ב-Inputs, ניתן להזין את ה-inds בצד ימין, כדי ליצור קידוד בצד ימין, כדי ליצור קידוד בצד ימין, קידוד בצד ימין, כדי ליצור קידוד בצד ימין, ניתן להזין את ה-Nams.

תכונות הליבה של FBD כוללות:

  • (FLT:0)ModularityFLT:1: מהנדסים יכולים לבנות ספריות של בלוקים טרום-מבחן (למשל, שליטה מוטורית, שסתום) וגרור אותם לפרויקטים חדשים, להפחית את זמן הפיתוח ואת שיעורי השגיאה.
  • (FLT:0Data Flowing TrendFLT:1): השפה מדגישה כיצד נתונים עוברים דרך המערכת ולא לוגיקה של צעד הכרחי, מה שהופך אותו טבעי לתהליכים מתמשכים כמו כורים כימיים או טיפול במים.
  • תמיכה בפונקציות מורכבות של פונקציות FLT:1: בלוקים יכולים ליישם פעולות ⁇ , עיבוד אות, מכונות ממשלתיות ואלגוריתמים מותאמים אישית. פלטפורמות PLC רבות לספק ספריות נרחבות לשליטה מתקדמת (לוגיקה מטושטשת, פרופילי תנועה, תקשורת).
  • (FLT:0)IEC 61131-3 ציות ל-FLT:1: Like Ladder Logic, FBD הוא סטנדרטי, אבל כמה ספקים מרחיבים את השפה עם בלוקים קנייניים.

FBD נפוץ במיוחד ביישומים הדורשים לולאות PID, בקרת קדמי, בקרת יחס, וסידור ריצוף.בהירות הראייה שלו בקנה מידה טוב: אפילו תוכנית גדולה עם מאות בלוקים נותרת קריא אם באופן הגיוני שקוע על הסדינים (כמו גם לדדינים סכימטיים חשמליים).

השוואה מפורטת: Ladder Logic vs. Function Blo Diagram

כדי לבחור ביניהם, מהנדסים חייבים לשקול את הבורסות על פני כמה ממדים.התתתות הבאות לבחון גורמים מרכזיים בעומק.

קריאה ולמידה Curve

(FLT:0 ⁇ FLT:1) מציע מחסום נמוך לכניסה לחשמלנים וטכנאים המוכרים עם schematics. a Single Rung יכול להעביר מעגל פשוט או להתחיל / להפסיק מעגל כמעט מיד. עם זאת, כמו לוגיקה גדל יותר מורכב #8212; שילוב השוואות אנלוגיות, מתמטיקה, או טיפול מיתרים #8212; המבנה הופך להיות מסובב למהנדסים מתקדמים יותר כדי ליישם את המניפולציות לא נועדו לתפקודים מתקדמים.

(FLT:0)FBDigtureFLT:1 יש עקומת למידה גבוהה יותר עבור אנשים ללא ניסיון תכנות, אבל הפריסה מבוססת בלוק שלה הופכת אינטואיטיבית במהירות. ברגע שמשתמשים מבינים את הרעיון של קלטות, פונקציות, ופלטים, הם יכולים לבנות לוגיקה מתוחכמת ללא קלמנט חזותי של מכשולים מרובים.עבור מהנדסים עם רקע בתאוריה או עיבוד אותות, FBD מרגיש טבעי גישה מודולרית גם מעודד את הרזולוציה לטווח ארוך של מחסומים.

פענוח ופתרון בעיות

ב- Ladder Logic, ניטור מקוון מדגיש את זרימת הכוח של כל רץ.זה מאפשר טכנאי לעבור דרך התוכנית בזמן אמת, התבוננות באנשי קשר לשנות מצב כמו תנאים שונים. כי הפונקציות תואמים ישירות לשקע פיזי, הקורלציה בין תוכנית PLC לבין המכונה בפועל הוא חזק.זה יתרון גדול עבור תיקונים מהירים על הרצפה.

ב FBD, debugging הוא חזק באותה מידה אבל מסתמך על ויזואליזציה זרימת נתונים: מהנדסים צופים ערכי אות propagate דרך בלוקים. עבור לולאות או מסלולי משוב, זה יכול להיות קשה יותר לעקוב אחר סדרה פשוטה של ריצות. עם זאת, סביבות פיתוח מודרני לאפשר נקודות, בלוק חד-שלבי, ופלט גלפורץ, אשר יכול לעלות על סולם באבחון או בעיות אנלוגיות הקשורות לתזמון.

אחריות ומודולריות

FBD מאיר כאן.A. a היטב תוכנן בלוק (למשל, "Motor Start with Fault איפוס") ניתן למתן מיידית עשרות פעמים עם סטים פרמטרים שונים.שינויים בהפצת ההיגיון הפנימי של בלוק לכל המקרים, הבטחת עקביות וצמצום מאמצי תחזוקה. ארגונים רבים בונים ספריות פנימיות של בלוקים סטנדרטיים, צמצום משלוח פרויקטים ולוודא תאימות עם סטנדרטים של החברה.

לוגיקה סולם תומכת גם subroutines ו בלוקים מוגדרים למשתמש (UDFBs) ביישום מודרני, אבל יכולת ההחזרה אינה חלקה. העתקת ריצות בין פרויקטים לעתים קרובות מוביל לשכפול וחוסר עקביות. בעוד שניתן ליצור רכיבים לוגיים לסוליים ניתנים להחלפה, המאמץ הנדרש לתכנון, לבדוק ולתעד אותם גבוה יותר מאשר עם FBD.

ביצועים ו-Sicropri

שתי השפות מתאספות לאותו קוד מכונה בסיסי, כך שמהירות ביצוע גולמי דומה ללוגיקה שווה ערך.עם זאת, סריקות הסידוריות של Ladder יכולה להציג ריצוף בלתי-מחייב שעשוי להשפיע על התזמון.מודל של הנתונים של FBD הוא במקביל בתוך מחזור סריקה: בלוקים עם קלטות עצמאיות ניתן להעריך במקביל, אם כי רוב ה-PLC עדיין לבצע הסתברותיות.

שיקול ביצועים עדין אחד: תוכניות FBD עם בלוקים עמוקים מאוד (רמות רבות של היררכיה) עשויים לצרוך יותר זיכרון עבור מחסניות שיחות בלוק, אבל זה לעתים רחוקות גורם מגביל ב PLC מודרני עם משאבים בשפע.

סקלאלה עבור מערכות גדולות

עבור מכונות קטנות עם פחות מ-50 נקודות I / O ולוגיקה ישירה, Ladder Logic הוא לעתים קרובות הדרך המהירה ביותר לתכנית עבודה. אבל כמו מערכות לגדול למאות נקודות I / O, מספר כוננים, ושילוב מורכב, מספר רץ יכול להתפוצץ.

FBD מקנה יותר חסד מהנדסים יכולים לארגן בלוקים על הסדינים השונים (עמודים) המייצגים אזורים פונקציונליים (למשל, "סעיף A", "Pump Station B") .המופע הירארכי הזה מראה שיטות הנדסה תוכנה טובות והופך פרויקטים גדולים לניווט. רבים FBD עורכים גם תומכים בגני או בגליונות מחבת, ומאפשר למשתמשים לראות את התמונה הגדולה או לבדוק פרטים.

מתי להשתמש ב-Ladder Logic

לוגיקה סולם נשאר תקן הזהב עבור תעשיות שבהן צוות תחזוקה חשמלית מבצע את רוב מקרי פתרון בעיות.

  • (FLT:0) ,Simple Machine Control FLT:1: יחידות Pick-and-place, חגורות שידור, חתלתול עיתונות ומכונת אריזה שבו הלוגיקה מורכבת משילובים, מתגי גבול, והתחלנים מנועים.
  • (FLT:0Legacy systemמודרניזציהizationFLT:1: Re הצבת לוחות ישנים עם PLC אבל שמירה על אותה ייצוג בסגנון סכאמטי עבור הכשרה ותיעוד.
  • (FLT:0) מעגלים מאובטחים (FLT:1): בטיחות PLCs לעתים קרובות להשתמש Ladder עבור פונקציות בטיחות בסגנון קשיח, כפי שהוא מתאים עם schematics העברת בטיחות, וקל יותר לאמת באמצעות רשימת.
  • (FLT:0) חינוך וחינוך (FLT) 1: בתי ספר מקצועיים רבים ותוכניות הכשרה תעשייתית מלמדים את לוגיקה סולם ראשון כי הוא בונה על מושגים מקורסים חשמליים בסיסיים.

לדוגמה, לשקול מתווך מוטורי פשוט עם התחלה / הפסקת לדחוף, עומס תרמי, מנורת סטטוס. ב Ladder Logic זה יכול להיות כתוב עם שלושה ממריצים והוא מובן מיד לטכנאי. אותו לוגיקה ב FBD היה דורש שני בלוקים ופרק, שהוא מעט אינטואיטיבי עבור מישהו רגיל לדמיון.

מתי להשתמש ב-Powerblock Diagram

FBD היא השפה המועדפת עבור יישומים הדורשים חישובים מורכבים, לולאות בקרה רציפה, או רמות גבוהות של שימוש חוזר.

  • (FLT:0) דרישות שליטה ב- 1:1: צמחים כימיים, זיכוכים, מתקני טיפול במים, עיבוד מזון שבו לולאות PID, קדמיות, הזנה קדימה, ובקרת היחס הם יסוד.
  • (FLT:0)Motion ControlofFLT:1: מערכות Multi-axis servo שבו יחסי הילוכים, פרופילי הסימון, ו- interpolation קל יותר ליישם כבלוקים פונקציונליים.
  • (FLT:0Building AutomationsFLT:1): מערכות HVAC עם מספר אזורי, לוחות זמנים סטנקט ואסטרטגיות אופטימיזציה אנרגיה ליהנות מספריות בלוקים שניתן לשנות את השימוש.
  • (FLT:0) מערכות בקרה (DCS)IRLT:1: הרבה סביבות DCS (למשל, Emerson DeltaV, Honeywell Experion) מסתמכות רבות על FBD לשליטה רציפה ונאפנית.

לדוגמה, לולאה בקרת טמפרטורה עבור כור עם שסתום חום וקירור ידרוש פעולות מתמטיות מרובות, בלוק PID, טיפול אזעקה ופלט. ב-FBD זה יכול להיות מיוצג כ גיליון אחד עם בלוקים מתויגים בבירור. in Ladder Logic, אותו לוגיקה תמתח על פני עשרות ממריצים עם מבני נתונים נסתרים, מה שהופך את השגיאה.

גישות היברידיות: שילוב שתי השפות

מערכות IEC 61131-3 תומכות בשפות מרובות בתוך אותו פרויקט מהנדסים יכולים להקצות לוגיקה לשילוב פשוט אזורי בטיחות, תוך שימוש ב-FBD עבור לולאות תהליכים וטיפול בנתונים. גישה היברידית זו מממנת את נקודות החוזק של כל שפה שבה הם חשובים ביותר.לדוגמה, מכונת אריזה עשויה להשתמש ב- Ladder עבור ההנקה והמקרה, ו-FD לטמפרטורה ולחץ של מנהרה.

סביבות תכנות רבות (למשל, Siemens TIA Portal, Rockwell Studio 5000, CodeSYS) מאפשרות מתכנתים ליצור יחידת ארגוני תוכנה (POU) בשפה אחת ולקרוא לזה מעוד.זה גמישות אומר שצוות יכול להתמחות: חשמלאים לשמור על קטעי Ladder בעוד בקרים מפתחים בלוקים FBD עבור אלגוריתמים מתקדמים.

יתרון נוסף של תכנות היברידי הוא הגירה קלה יותר ממערכות מורשת. צמח עשוי להגר בהדרגה חלקים של מכונה מ Ladder ל FBD מבלי לדרוש תיקון שלם, להפיץ סיכונים ועלויות הכשרה על פני מספר הודעות.

מגמות עתידיות בשפת תכנות PLC

הנוף האוטומציה התעשייתית מתפתח עם בקרים המוגדרים בתוכנה, מחשוב קצה, וה-IIoT. בעוד Ladder ו-FBD נשארים דומיננטיים, מספר מגמות משפיעות על בחירת שפה:

  • (FLT:0) הרחבות מוכוונות-היסוד של ה-FLT:1: מהדורה 3 של IEC 61131-3 הציגה תכונות מוכוונות-אובייקטיות ל-FBD ו- FBD. בלוקים פונקציונליים יכולים כעת לכלול שיטות, תכונות וירושה, מה שהופך את FBD אפילו יותר חזק עבור מערכות מורכבות.
  • (FLT:0) שילוב שפה ברמה גבוהה אינטגרציה (FLT:1): חלק מה- PLCs מאפשרים הטמעת C, C++ או Python בתוך בלוקים של תפקוד עבור אלגוריתמים מותאמים אישית.
  • (FLT:0) ,Virtual CommissionringFLT:1: תאומים דיגיטליים וכלי סימולציה דורשים לעתים קרובות לוגיקה להיות מחוספס חומרה. האופי המודולרי של FBD מעניק עצמו לבדיקות מוקדמות בסביבות סימולציה.
  • (FLT:0) אבטחת מידע ובקרת גישה ל-FLT:1: ככל שאיומים הסייבר עולים, נהלים מאובטחים הופכים חיוניים.ההההפקעת של FBD מסייעת לאכוף את הממשקים הנסתרים והשליטה של הנתונים, הפחתת פני השטח של ההתקפה.

למרות השינויים האלה, הצורך הליבה של ההיגיון ברור, הלוגי הנישמר לעולם לא יברח.הלוגיקה נותרה חזקה לייצור דיסקרטי, בעוד FBD מתרחב לתחומים חדשים הודות ליכולת הדרגתית שלו וליכולתו.

מסקנה: מה יותר טוב?

אין תשובה אוניברסלית.הבחירה בין גרף לוגיקה ותפקוד בלוק דיגרמה תלויה המורכבות של היישום, המומחיות של צוות תחזוקה, הצורך בגמישות, ואת התשתית הקיימת.עבור שליטה מהירה, פשוטה, ביקורתית בטיחותית עם כוח עבודה ממוקד חשמלאי, La Logic היא לעתים קרובות הבחירה הפרגמטית.

במקום לבחור שפה אחת לנצח, אנשי מקצוע אוטומציה של savvy לפתח מיומנות הן & #8212; וכן בטקסט מובנה, רצף פונקציונלי, ורשימת הדרכה & #8212; כך הם יכולים לבחור את הכלי המתאים ביותר עבור כל משימה.המטרה הסופית היא אמינה, יעילה ובטוחה אוטומציה, וגם לוגיקה ו- FBD הוכיחו את הערך שלהם מעל עשרות שנים של שימוש תעשייתי.

(ב) בפרשת ה-IEC 61131-3 ובחירת שפת התכנות, מומלץ להתייעץ עם מקורות מ-FLT:0PLCopenFLT:1 ו-FLT:2 International Society of AutomationsFLT 3; יצרניות PLC רבות מספקות דוגמאות יישומים מקיפים, כגון FLT:4Siemens SupportFLT:5 ו-FLT6Rockwell Automation KnowledgeFreaplerated, 7, 7.