Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Jazyk funkčních bloků ke standardizaci řízení pohybu

číslo 3/2003

Jazyk funkčních bloků ke standardizaci řízení pohybu

K řízení pohybu a nastavování polohy (anglicky motion control, dále pro stručnost jen řízení pohybu) se v průmyslové automatizaci využívá velmi mnoho systémů a řešení, hardwarových i softwarových, bohužel navzájem většinou nekompatibilních. Cena, kterou za tuto nekompatibilitu platí výrobci i uživatelé strojů a zařízení, je značná. Je nákladné osvojovat si další a další produkty a systémy, plýtvá se pracovní kapacitou konstruktérů a projektantů, zdržuje se uvádění nových výrobků na trh a složitá, a tudíž nákladná je i údržba stávajících řešení.

Obr. 1.

Podobně jako jinde by i v oblasti řízení pohybu byl užitečný vhodný mezinárodní standard, při jehož použití by bylo možné jednoduše a bez jakéhokoliv dodatečného úsilí a nákladů integrovat jednotlivá řešení kdykoliv podle potřeby do větších celků i popř. zase je dezintegrovat.

Se všeobecně akcelerujícím pohybem od čistě mechanických k mechatronickým řešením pohonů se přitom velmi výrazně projevuje úloha softwaru.

Řešení je u PLCopen

V současné době je asi jediným subjektem schopným navrhnout a prosadit v oblasti řízení pohybu potřebný softwarový standard nezávislá organizace PLCopen, celosvětově se věnující programování řídicích systémů a podpoře používání mezinárodních standardů na tomto poli od roku 1992. Mluví pro ni nejen doba činnosti, ale především hlavní výsledek této činnosti – zatím jediný a široce akceptovaný mezinárodní standard pro programování průmyslových řídicích systémů, známý jako IEC 61131-3.

V osvědčeném pojetí PLCopen jde o standardizaci v té úrovni inženýrské práce, kde se představa o způsobu řešení dané řídicí aplikace přetváří v počítačové programy. Standard zde sjednocuje různé přístupy k projektování a provozování řídicích systémů tím způsobem, že standardizuje softwarová rozhraní. Výsledkem je, že se na tvorbě softwaru mohou v jednotlivých stadiích jeho životního cyklu – od specifikace, přes návrh, psaní programového kódu, testování a instalaci až po údržbu – podílet pracovníci s různým odborným zaměřením a dovednostmi, a přesto všechen vytvořený software patří do jedné společné struktury, jejíž části hladce spolupracují.

Obr. 2.

V oblasti řízení pohybu se standardizace týká zejména softwarových rozhraní směrem k různým používaným prostředkům a řešením. Efektivně ji lze uskutečnit definováním knihovny opakovaně použitelných objektů a tak dosáhnout relativní nezávislosti programování na hardwaru, podpory opakovaného používání aplikačních programů a menších nákladů na zaškolování a podporu. Současně je také možné vytvářet odstupňované aplikace zasahující i několik úrovní řízení, podle aktuální potřeby.

Mezi jazyky definovanými standardem IEC 61131-3 využívá princip knihovny objektů jazyk funkčních bloků (Function Blocks – FB). Tím, že poskytuje skrytá a zapouzdřená data použitelná v nejrůznějších architekturách řízení, umožňuje vytvářet aplikační programy téměř nezávislé na hardwaru, a tudíž opakovaně použitelné na různých výpočetních základnách.

Protože jazyk funkčních bloků podle IEC 61131-3 je založen na otevřeném principu zaručeně kompatibilním se stávajícími i budoucími programovými i technickými prostředky, byl podle něj navržen pro řízení pohybu standard PLCopen Motion Control Library (někdy také PLCopen Function Blocks for Motion Control; v dalším textu také stručně standardní knihovna).

Specifikace PLCopen Motion Control Library

Úplná specifikace standardu PLCopen Motion Control Library obsahuje především vlastní knihovnu funkčních bloků pro řízení jednotlivé osy a pro koordinaci pohybů několika os, stavový diagram řízené osy, formulář prohlášení o shodě a logo k vyznačení shody produktu se standardem. Jako doplňky jsou ke specifikaci připojeny příklady použití funkčních bloků, včetně diagramů časování, a příklady zpracování chyb.

Základem jsou funkční bloky

Co je pro uživatele rozhodující, jsou funkční bloky. Představit si je lze jako softwarové ekvivalenty elektronických čipů. Obsahují vstupy a výstupy s přiřazenými názvy a definovanými typy dat. V každém funkčním bloku je obsažen kód (odpovídá krátkému programu) určující a provádějící jeho funkci (podobnou funkci komponent v čipu) a promítající ji do odpovídajícího okolního prostředí (řízení pohybu). Uživatel vidí pouze rozhraní tvořené vstupy a výstupy. Samotný kód je pro něj skryt. Jde o techniku známou jako zapouzdřování dat, která je klíčem k oddělení různých úrovní tvorby a údržby programů.

Příklad grafické reprezentace funkčního bloku s názvem MC MoveAbsolute je na obr. 1. Tento funkční blok řídí řízený pohyb osy do určené absolutní polohy. Na obr. 2 je příklad dvou funkčních bloků pracujících s toutéž osou. Přístup k ose vede přes AXIS_REF, což je datová struktura popisující samotný pohon, ke které mají přístup všechny funkční bloky.

Obr. 3.

Naznačeným způsobem je uživatel odstíněn od vnitřních detailů pohonu anebo architektury řízení. Výsledkem je nezávislost na hardwaru: ať jde o řízení distribuované, integrované nebo centralizované, uživatel komunikuje s pohonem stále stejným způsobem, bez ohledu na použitou architekturu.

Přehled definovaných funkčních bloků

Aniž by se zacházelo do podrobností, je na obr. 3 uveden celkový seznam funkčních bloků definovaných ve specifikaci standardu, a to včetně rozdělení do dvou skupin – na bloky administrativní (podpůrné, nesvázané s řízenými pohyby) a na bloky „pohybové“, obstarávající vlastní řízení pohybu (znění i forma záznamu jsou opět převzaty ze specifikace).

Certifikace

Pravidla pro certifikaci a uznávání shody jsou, jak již bylo uvedeno, nedílnou součástí specifikace standardu. V principu jde o samoobslužný proces, jehož výsledky, poskytnuté výrobcem, jsou publikovány na webové stránce http://www.plcopen.org. Společnosti s certifikátem mají právo používat k označení certifikovaných produktů zvláštní logo s vyznačeným identifikačním číslem a datem certifikace.

Závěr

Standardizace v roztříštěné oblasti softwarových řešení pro řízení pohybu je důležitá pro snižování celkových nákladů na techniku pohonů. Organizace PLCopen proto definovala knihovnu funkčních bloků pro řízení pohybu a na jejím základě mezinárodní standard PLCopen Motion Control Library, vycházející z osvědčeného standardu pro programování průmyslových řídicích systémů IEC 61131-3.

Standard PLCopen Motion Control Library je publikován a je volně přístupný. Jako soubor ve formátu pdf je možné zdarma ho stáhnout z webové stránky http://www.plcopen.org.

Důležité je, že standard, za kterým stojí PL-Copen jako nezávislá organizace, je pro uživatele celkem dobře přijatelný. Přesto, že byl vytvořen v těsné spolupráci především s reprezentanty oboru balicích strojů, nejde o standard omezený jen na jednu vybranou oblast aplikací, ale standard otevřený vůči všem stávajícím i budoucím řešením. Jeho současná verze je základem dále rozvíjeným podle připomínek a doplňkových požadavků uživatelů z téměř všech oblastí, v nichž se řízení pohybu využívá.

První úspěšné implementace standardu i certifikované produkty jsou již k dispozici a další jistě budou představeny na nadcházejícím strojírenském veletrhu v Hannoveru. Protože se odhaduje, že standardizace se může uplatnit celkem v asi 80 % úloh řízení pohybu, lze o standardní knihovnu funkčních bloků pro řízení pohybu očekávat značný zájem. Ten bude navíc ještě podpořen skutečností, že zvolené řešení nabízí jedinou společnou vývojovou základnu pro tvorbu programů pro řízení pohybu i pro klasické programovatelné automaty (Programmable Logic Controller – PLC).

(kp)

Inzerce zpět