Системное и прикладное программное обеспечение промышленных контроллеров

Программное обеспечение современных универсальных контроллеров состоит из двух частей – системного и прикладного обеспечения. Системное программное обеспечение (СПО) контроллеров играет функции во многом схожие с функциями операционной системы персонального или промышленного компьютера. Оно выстаивает определенную архитектуру взаимодействия различных составных частей аппаратного и программного обеспечения контроллера.

Основной составной частью СПО является система исполнения кода прикладной программы. Система исполнения включает драйверы модулей ввода-вывода, загрузчик кода программ пользователя, интерпретатор команд и отладочный монитор. Кроме этого СПО отвечает за тестирование работы памяти, источника питания, модулей ввода-вывода и интерфейсов, таймеров и часов реального времени, реализует протоколы сетевого обмена. Код СПО расположен в ПЗУ и изменяться может быть только изготовителем ПЛК (некоторые производители контроллеров предусматривают возможность обновления СПО пользователем).

Пользователь для решения своей конкретной задачи создает прикладную программу. Для этого сейчас используются только языки высокого уровня. Создание прикладной программы выполняется пользователем ПЛК при помощи специализированного пакета – системы программирования – на ПК. Код программы размещается в энергонезависимой памяти контроллера. Изменение кода может быть выполнено многократно.

После включения питания ПЛК выполняет самотестирование и настройку аппаратных ресурсов, очистку оперативной памяти данных (ОЗУ), контроль целостности прикладной программы пользователя. Если прикладная программа сохранена в памяти (загружена) и нет запрета ее запуска, ПЛК переходит к выполнению ее действий.

Задачи управления любым объектом требуют непрерывного контроля его состояния. В любых цифровых системах (автоматах или программируемых микропроцессорных устройствах) непрерывность контроля и управления достигается за счет применения дискретных алгоритмов, повторяющихся через некоторые достаточно малые промежутки времени. По этой причине и в ПЛК действия прикладной программы выполняются циклически. Причем в каждом таком цикле – его называют рабочим циклом ПЛК – выполняется определение значений на входах, соответствующий расчет, выработка и выдача управляющих воздействий.

Для более детального рассмотрения последовательности действий выполняемых контроллером в рабочем цикле выделим следующие его фазы:

1. Чтение состояния входов.

2. Выполнение кода программы пользователя.

3. Запись состояния выходов.

4. Обслуживание аппаратных ресурсов ПЛК.

5. Монитор системы исполнения.

6. Контроль времени цикла.

В начале цикла ПЛК производит чтение значений сигналов с физических входов. Считанные значения размещаются в области памяти входов – создается полная одномоментная копия значений входов. Выполнение первой фазы обеспечивается драйверами системным программным обеспечением.

Далее выполняется код прикладной программы пользователя. Пользовательская программа работает с копией значений входов, зафиксированных и размещенных в оперативной памяти, т. е. со значениями, которые в процессе выполнения пользовательской программы в пределах одного рабочего цикла не изменяются. Это фундаментальный принцип функционирования абсолютного большинства промышленных ПЛК (ссылаясь на него, иногда подобные ПЛК выделяют в отдельный класс контроллеров, сканирующего типа). Такой подход исключает неоднозначность алгоритма обработки данных в различных его ветвях, и в конечном итоге определяет во многом простоту создания программы. Кроме этого, пользователь не должен знать процедуру обращения к физическим входам, которых по типам может быть достаточно много – за него чтение проводит системное программное обеспечение.