Программирование ПЛК: как автоматизировать промышленность

В условиях стремительного развития промышленной автоматизации программируемые логические контроллеры (ПЛК) стали неотъемлемой частью современных производственных систем. Они обеспечивают точное управление технологическими процессами, обработку сигналов в режиме реального времени, взаимодействие с другими устройствами (например, устройства распределённого ввода/вывода, частотные преобразователи, панели оператора,  SCADA и т.п.)  и интеграцию с информационной системой, предназначенной для управления производственными процессами на предприятии (MES-системой).

Однако разработка ПО и настройка ПЛК — задачи, требующие глубоких знаний в области автоматики, понимания языков программирования и умения работать с оборудованием различных производителей. В данной статье мы рассмотрим основные принципы программирования контроллеров, типичные ошибки и советы по выбору компании, которой не страшно доверить работу.

Что такое ПЛК

Программируемый логический контроллер (ПЛК) — это устройство, предназначенное для автоматического управления технологическим процессом в промышленности. Его главные задачи — сбор данных с датчиков, обработка сигналов по заданному алгоритму и управление исполнительными механизмами (например, электрическими двигателями или клапанами). Центральный процессор ПЛК выполняет команды, написанные на языках, определённых стандартом МЭК 61131-3, обеспечивая работу систем управления в режиме реального времени. 

Ключевые функции ПЛК:

• Обработка дискретных и аналоговых входных сигналов (например, от кнопок управления или датчиков текущего давления).
• Выполнение логики работы на основе релейных схем или более сложных алгоритмов.
• Управление дискретными и аналоговыми выходными сигналами (например, активация исполнительных механизмов или задание величины открытия пропорционального клапана).
• Возможность обмена данными с другими устройствами через промышленные сети (Ethernet, Profibus, Modbus и т.п.). 

Согласно стандарту МЭК 61131-3, существует пять основных языков программирования контроллеров:

• Ladder Diagram (LD) — графический язык, имитирующий релейно-контактные схемы. Диаграмма идеальна для реализации простой логики.
• Function Block Diagram (FBD) — язык функциональных блоков, где каждый элемент представляет собой простую операцию (в качестве примера можно взять сложение или сравнение двух значений). Используется для реализации различных математических задач.
• Structured Text (ST) — текстовый язык высокого уровня, похожий на Pascal. Поддерживает реализацию сложных алгоритмов с множеством функций.
• Sequential Function Chart (SFC) — позволяет создавать последовательности шагов и переходов между ними.
• Instruction List (IL) — низкоуровневый язык, близкий к ассемблеру.

Выбор разных языков из представленного выше списка зависит от специфики проекта и требований клиента. Например, Ladder Diagram — часто применяется для замены релейной логики, и позволяет упростить обслуживающему персоналу задачу поиска причины неисправности в оборудовании, прослеживая сигнал по релейной диаграмме, а Structured Text — для реализации сложных расчётов.

Этапы программирования ПЛК

Процесс разработки программ для ПЛК включает следующие этапы:

1. Анализ требований. На данном этапе происходит погружение разработчика в поставленную клиентом задачу. Детально прорабатывается техническое задание и техническая документация к проекту и компонентной базе. Совместно с клиентом обсуждаются и, при необходимости, вносятся правки в ТЗ. Кроме того, определяется язык программирования и используемая среда разработки (IDE), соответствующая используемому ПЛК.
2. Разработка логики управления. Учитываются все возможные состояния системы и переходы между ними, чтобы определить, как будет выглядеть программа. Происходит настройка конфигурации ПЛК, человеко-машинного интерфейса (ЧМИ/HMI) и модулей ввода-вывода. В соответствии с  ранее утвержденным графиком разрабатываются алгоритмы программных блоков. В результате создается программа, которая описывает последовательность действий и условия, необходимые для управления оборудованием и процессом.
3. Тестирование и отладка. Основная задача – это выявление и устранение ошибок и несоответствий. Данный этап можно разделить на два: тестирование на симуляторе и отладка на реальном оборудовании.  Тестирование на симуляторе позволяет проверить  корректность отдельных модулей кода программы. При отладке на оборудовании особое внимание уделяется обработке сигналов, синхронизации с другими устройствами и реакции на аварийные ситуации. Например, проверяется, как система реагирует на обрыв датчика или нажатие аварийной кнопки.
4. Документация. Подготовка технической программной документации в соответствии с ЕСПД, описывающей структуру программы и настройки контроллера для дальнейшего обслуживания, а также руководство оператора.
5. Обучение пользователей. Проведение тренингов, выезд на объекты заказчика и подготовка инструкций для персонала, обслуживающего автоматизируемое оборудование.
6. Поддержка и обновление. Обеспечение технической поддержки и модернизации программного обеспечения в соответствии с изменяющимися требованиями.

Следует отметить, что этапы не следуют строго друг за другом. К примеру, перед разработкой логики управления программного модуля, создается блок-схема возможных состояний и переходов между ними, а также описывается основной алгоритм, что является основой программной документации. Тестирование на симуляторе проводится для каждого отдельно взятого программного модуля непосредственно при разработке, не дожидаясь завершения программирования всего проекта. 

Чтобы система работала корректно, важно грамотно оценить требования предприятия, выбрать эффективное решение, выполнить комплексную проверку на наличие ошибок и решить другие задачи. Поэтому рекомендуется обращаться к опытному подрядчику, который уже имеет успешные кейсы и готов выполнить полный цикл разработки и внедрения программ для ПЛК.

Ошибки при программировании ПЛК и их устранение

Даже в случае возникновения небольших ошибок в коде или настройках могут возникнуть сбои в работе автоматизированных систем. Рассмотрим несколько типичных проблем:

• Некорректная настройка конфигурации ПЛК, распределенных модулей ввода/вывода, периферийных устройств. Ошибка в конфигурации приводит к неверной обработке данных. Например, если датчик расхода с выходом 0–10В подключён к аналоговому входу ПЛК, сконфигурированному как 4-20мА, контроллер не сможет корректно обработать принятый аналоговый сигнал.
• Ошибки в логике работы. Непродуманные условия переходов или некорректное использование циклов, счетчиков или таймеров могут вызвать бесконечные циклы или привести к сбою работы ПЛК.
• Проблемы с обработкой информации. Использование неверного типа переменной (например, целочисленного вместо вещественного) искажает результаты вычислений.
• Перегрузка процессора и памяти контроллера. Слишком сложный алгоритм или неоптимизированный код увеличивают время отклика – это особенно критично для систем, работающих в режиме реального времени.
• Несовместимость с другим оборудованием. Ошибки протоколов обмена данными приводят к сбоям связи с панелями оператора, устройствами распределенного ввода/вывода, частотными преобразователями и т.п.

Избежать перечисленных выше и других проблем помогут специализированное программное обеспечение и большой опыт подрядчика. Профессионалы справляются с неполадками следующим образом:

• Ищут ошибки с помощью статических анализаторов кода. К примеру, такие IDE как Codesys и TIA Portal позволяют устанавливать дополнительные плагины для проверки соответствия исходного кода на основе заданных правил. Однако данные плагины являются платными, хотя и предоставляют возможность использования демоверсии в течение пробного периода.
• Открывают программу в режиме эмуляции, перед тем как запускать на оборудовании (хотя без тестирования в реальных условиях не обходится). Тестируют разработанные программные модули в симуляторе или на виртуальном контроллере, для снижения затрат рабочего времени и ресурсов клиента на пусконаладочные работы.
• Проводят нагрузочные тесты для проверки стабильности. Проводят тестирование всего заложенного функционала для проверки стабильности системы управления, фиксируя измеренное время выполнения контроллером цикла программы.
• Документируют каждый этап разработки для упрощения внесения дополнительных изменений.

Таким образом, программирование ПЛК является непростой задачей, требующей не только знания языков стандарта МЭК 61131-3, но и понимания принципов промышленной автоматизации. Ошибки на этапе разработки могут привести к простоям производства, авариям или несанкционированному доступу (если ошибка произойдет в системах контроля доступа — СКУД).

Руководитель отдела Backend Ирина: «Программирование ПЛК — это не просто код, а настройка взаимной работы «железа» и ПО. Любая ошибка грозит сбоем всей системы. Такие проекты требуют не только знания языков IEC, но и глубокого понимания физических процессов, умения предвидеть риски и адаптироваться под уникальные условия производства. Здесь нужны специалисты, которые сделают надежные, масштабируемые решения для компании»

Компания, которая будет выполнять программирование контроллеров, должна обладать необходимыми компетенциями. Специалисты учитывают требования стандартов, используют современные среды разработки и обеспечивают безопасное взаимодействие между устройствами.

Если проект включает реализацию сложных алгоритмов, настройку периферийных устройств, частотных преобразователей, устройств распределенного ввода/вывода, программирование панелей оператора или интеграцию с информационными системами предприятия, его стоит доверить профессионалам. Это гарантирует не только корректную работу программы, но и сокращение сроков внедрения, а также минимизацию рисков. Компетентные специалисты смогут помочь с программированием, отладкой и поддержкой систем автоматического управления любой сложности. 

Следует отметить, что в данной статье акцентируется внимание на решение задачи программирования автоматических систем управления технологическим процессом (АСУТП). В статье не рассмотрены такие этапы, как предпроектное исследование и формирование требований к АСУ, разработка концепции и технического задания, разработка конструкторской документации, выбор комплектующих и формирование спецификации, а также монтаж оборудования. 

Если надо запрограммировать ПЛК (PLC), обращайтесь по телефону 8-800-200-99-24, пишите на request@simbirsoft.com или в Telegram. Разберемся в задаче, предложим оптимальное решение.