DIN EN Fachsprachen

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1 Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Automatisierungstechnik, Professur Prozessleittechnik DIN EN Fachsprachen VL Prozessleittechnik I (SS 2012) Professur für Prozessleittechnik

2 Programmiersprachen spezifiziert fünf Programmiersprachen zur Implementierung von POE Standardfunktionen und Standardfunktionsbausteine Typwandlungsfunktionen typ1_to_typ2 Textbasiert Anweisungsliste (AWL) Grafisch Kontaktplan (KOP) Strukturierter Text (ST) Funktionsbausteinsprache (FBS) Ablaufsprache (AS) PLT-1 (c) , UR Folie 2

3 Übersicht Beispiel: Setze Ausgang Q1.1 auf 1, wenn folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind: Eingänge I0.1 oder I0.2 oder Ausgang Q1.1 gesetzt Eingang I0.3 gesetzt Eingang I0.4 gesetzt Zu realisierender boolscher Ausdruck: Q1.1 = ( I0.1 I0.2 Q1.1) I0.3 I PLT-1 (c) , UR Folie 3

4 Lösung in den verschiedenen Fachsprachen LD OR OR AND AND ST %IX0.1 %IX0.2 %QX1.1 %IX0.3 %IX0.4 %QX1.1 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 S0 T0 Step 0 R Q1.1 I0.1 I0.2 Q1.1 I0.3 I0.4 Q1.1 ( ) I0.3 I0.4 Q1.1:=(I0.1 OR I0.2 OR Q1.1) AND I0.3 AND I0.4; S1 T1 S0 Step 1 S Q1.1 I0.1 I0.2 Q1.1 >1 I0.3 I0.4 & Q1.1 = PLT-1 (c) , UR Folie 4

5 Gemeinsame Elemente der Programmiersprachen Zeichensatz Textelemente Spalten der ISO/IEC-646 IRV Zusätzlich Kleinbuchstaben (aber nicht case sensitiv), # oder, $ oder, oder! Bezeichner: Folge von Buchstaben, Ziffern und Unterstrich Muss mit Buchstaben oder Unterstrich beginnnen Mehrere oder angehängte Unterstriche sind nicht zulässig Mindestens sechs Zeichen werden zur eindeutigen Unterscheidung genutzt, Maximum impl.-abh. Leerzeichen, Kommentare (* *), Numerische Literale, Zeichenfolgeliteral, Zeitdauer PLT-1 (c) , UR Folie 5

6 Zahlen- und Zeitdauerliterale Zahlen Unterstriche zur Strukturierung erlaubt 100_000_ _26 Basis 2/8/16 Literale möglich 2#1111_1111 8#377 16#ff Literale mit Typangaben BOOL#0 Zeitdauern kurzes/langes Präfix TIME#14ms UINT#16#FF T#14.7s mit/ohne Unterstrichen t#5d14h12m18s3.5ms t#5d_14h_12m_18s_3.5ms PLT-1 (c) , UR Folie 6

7 Elementare Datentypen Wahrheitswert: BOOL 1 Ganzzahl mit/ohne Vorzeichen: SINT 8, INT 16, DINT 32, LINT 64 / USINT 8, UINT 16, UDINT 32, ULINT 64 Reele Zahl: REAL 32, LREAL 64 Zeiten: TIME, DATE, TIME_OF_DAY/TOD, DATE_AND_TIME/DT Variabel lange Zeichenkette: STRING 8, WSTRING 16 Bit-Folgen: BYTE 8, WORD 16, DWORD 32, LWORD PLT-1 (c) , UR Folie 7

8 Hierarchie der allgemeinen Datentypen (zur Festlegung von Ein/Ausgängen von POE) ANY ANY_DERIVED ANY_ELEMENTARY ANY_MAGNITUDE ANY_NUM ANY_REAL LREAL, REAL ANY_INT LINT, DINT, INT, ULINT, SINT, ULDINT, UDINT, UINT, USINT TIME ANY_BIT LWORD, DWORD, WORD, BYTE, BOOL ANY_STRING STRING, WSTRING ANY_DATE DATE_AND_TIME, DATE, TIME_OF_DAY PLT-1 (c) , UR Folie 8

9 Abgeleitete Anwender- oder herstellerdefinierte Datentypen TYPE Bezeichner :... END_TYPE Aufzählung TYPE A_SIG : (SINGLE, DIFF) ; END_TYPE Bereich TYPE A_DATA : INT ( ) ; END_TYPE Feld TYPE A_8IN : ARARY [1..16] OF A_DATA; END_TYPE Struktur TYPE Bezeichner : STRUCT... END_STRUCT; END_TYPE Kann geschachtelt werden PLT-1 (c) , UR Folie 9

10 Einzelelementvariablen % Q X 7.3 Adresse der Variablen Speicherort I Eingang Q Ausgang M Merker X kein B W D L (Einzel-)Bit-Größe (Einzel-)Bit-Größe Byte(8 Bit)-Größe Word(16 Bit)-Größe Doppelwort(32 Bit)-Größe Langwort(64 Bit)-Größe Kennung einer direkten Variablen (Optional) I0.1 I0.0 & Schalter 1 Q1.1 & Lampe Schalter PLT-1 (c) , UR Folie 10

11 IEC Standardfunktionen 1/2 Mit einer numerischen Variablen ABS, SQRT, LN, LOG, EXP, SIN, COS, TAN, ASIN, ACOS, ATAN Arithmetische Funktionen ADD *, MUL *, SUB, DIV, MOD, EXPT, Bitfolgefunktionen SHL, SHR, ROR, ROL Bitweise boolsche Standardfunktionen AND *, OR *, XOR *, NOT, Auswahl SEL, MAX *, MIN *, LIMIT, MUX *, PLT-1 (c) , UR Folie 11

12 IEC Standardfunktionen 2/2 Vergleich GT *, GE *, EQ *, LE *, LT *, NE Zeichenfolgen LEN, LEFT, RIGHT, MID, CONCAT *, INSERT, DELETE, REPLACE, FIND Zeit (DATE, TIME, TIME_OF_DAY,DATE_AND_TIME) ADD, SUB, CONCAT_DATE_TOD PLT-1 (c) , UR Folie 12

13 IEC Standardfunktionsbausteine Bistabile Funktionsbausteine SR (* vorrangig Setzen *) RS (* vorrangig Rücksetzen *) Flankenerkennung R_TRIG (* steigende Flanke *) F_TRIG (* fallende Flanke *) Zähler CTU, CTU_(D L UD UL)INT (*Aufwärtszähler*) CTD, CTD_(D L UD UL)INT (*Abwärtszähler*) Zeitgeber TON, TOF (* Ein/Ausschaltverzögerung *) TP (* Puls *) PLT-1 (c) , UR Folie 13

14 Textbasiert Anweisungsliste (AWL) Strukturierter Text (ST) Grafisch Kontaktplan (KOP) Funktionsbausteinsprache (FBS) Ablaufsprache (AS)

15 Anweisungsliste AWL (engl. Instruction List, IL, STEP7: AWL) AWL: universell einsetzbare Maschinensprache, vergleichbar mit einem Assembler. Nach wie vor am weitesten verbreitet. wenig Möglichkeiten zur strukturierten Programmierung. In den jeweiligen Implementierungen zum Teil unterschiedliche Operatoren und Sprachumfänge PLT-1 (c) , UR Folie 15

16 AWLs Virtuelle Maschine AWL definiert implizit eine virtuelle Maschine mit AKU Variablen (funktionale Speicher) Zentrales Element ist der AKKUMULATOR (AKU) Grundlegende Semantik von Operatoren Ergebnis := Ergebnis Operator Operand Ergebnis und Operand müssen denselben Datentyp besitzen Formale Syntax: [Marke:] Operator Operand [(* Kommentar *)] PLT-1 (c) , UR Folie 16

17 Modifzierer für Negation, Zurückstellung, bedingte Auswertung N: Negation ANDN %IX2 Erg := Erg AND NOT %IX2 (: Zurückstellung der Auswertung bis zum Operator ) AND( %IX1 Erg := Erg AND (%IX1 OR %IX2) OR %IX2 ) C: Bedingung, Anweisung wird nur durchgeführt, wenn der vorherige Ausdruck eine boolsche 1 ergeben hatte Achtung: Modifizierer gelten nur für bestimmte Befehle PLT-1 (c) , UR Folie 17

18 Operatoren der Anweisungsliste Nr. Operator N ( C Bedeutung 1 LD N Erg := Operand 2 ST N Operand := Erg 3 S, R Operand := (bool) Erg 4-7 AND,&,OR,XOR N ( Erg := Erg OP Operand 7a NOT Einerkomplement 8-11a ADD,SUB,MUL, DIV,MOD GT,GE,EQ,NE,LE, LT ( Erg := Erg OP Operand ( Erg := Erg OP Operand JMP, CAL, RET N C Sprung, Aufruf, Rücksprung 21 ) Bearbeitung rückgesteller OP PLT-1 (c) , UR Folie 18

19 Funktionsaufruf Eintrag Funktionsname in Operatorfeld Argumente als nicht-formale Eingangsliste LIMIT(1,B,5) Argumente als formale Eingangsliste LIMIT( EN:=COND, IN:=B, MN:=1, MX:= 5, ENO => TEMPL ) Zurückgegebener Wert (RET) wird Ergebnis ST A PLT-1 (c) , UR Folie 19

20 Einschub: Ausführungssteuerung mit EN/ENO Für Funktionen und Funktionsbausteine können ein zusätzlicher Freigabeeingang EN (Enable) und Ausgang ENO (Enable Out) oder beide zur Verfügung gestellt werden VAR_INPUT EN: BOOL := 1 ; END_VAR VAR_OUTPUT ENO: BOOL ; END_VAR EN == False Operation wird nicht ausgeführt, durch SPS ENO := False ENO == False Werte der Funktionsausgänge implementierungsabhängig PLT-1 (c) , UR Folie 20

21 Funktionsbausteinaufruf Aufruf FBS mit nicht-formaler oder formaler Argumentliste CAL C10(%IX10, FALSE, A, OUT, B) CAL C10( CU := %IX10, Q=> OUT) Aufruf mit Laden/Speichern mit FBS-Eingangs von Argumenten Operatoren LD A LD A ST C10.PV PV C10 LD %IX10 LD %IX10 ST C10.CU CU C10 CAL C PLT-1 (c) , UR Folie 21

22 Unvollständige formale Argumentliste oder Eingangsoperatoren Fehlende Argumente werden von der letzten Zuweisung (ggf. Initialisierung) übernommen Fehlende Argumente ändern sich also nicht! Beispiel VAR C10: CTU; LD 15 PV C10 Zähler C10 wird bei steigender Flanke auf Eingang CU inkrementiert CU ist nicht angegeben keine Änderung, Zähler zählt nicht! PLT-1 (c) , UR Folie 22

23 AWL Beispiel LD %IX0.1 (* Lade Eingang 0.1 in Akku *) OR %IX0.2 (* Akku=Akku oder Eingang 0.2 *) OR %QX1.1 (* Akku=Akku oder Ausgang 1.1 *) AND %IX0.3 (* Akku=Akku und Eingang 0.3 *) AND %IX0.4 (* Akku=Akku und Eingang 0.4 *) ST %QX1.1 (* Ausgang 1.1=Akku *) PLT-1 (c) , UR Folie 23

25 Strukturierter Text (engl. Structured Text, ST, STEP7 SCL) Pascal-ähnliche, höhere Programmiersprache Vorteile: sehr kompakte Formulierung abstrakte maschinenferne Befehle übersichtlicher Aufbau durch Anweisungsblöcke umfangreiche, komplexe Aufgaben realisierbar Nachteile: Qualität des Maschinencode ist abhängig von Compiler (Übersetzer). Bei einigen Compilern Effizienzverlust zur Laufzeit durch höhere Abstraktion (ST-Code i.d.r. langsamer als AWL- Code) PLT-1 (c) , UR Folie 25

26 Ausdrücke Auswertungsreihenfolge Rangfolge (Punkt vor Strich): A+B*C Auswertung von links nach rechts: A+B+C Auswertung linker Operand zuerst: SIN(A)*SIN(B) Boolsche Ausdrücke Lazy Evaluation ist erlaubt: (A>B)&(C>D) Operatoren Funktionsaufruf, e.g. SIN(A) - (Negation), NOT, **, *, / MOD, +, -, <,>,<=,>=, =, <> &, AND, XOR, OR PLT-1 (c) , UR Folie 26

27 Anweisungen Zuweisung: A := B; C := SIN(X); FBS-Aufruf: TMR(IN:=%IX5, PT:=T#300ms); A := TMR.Q; Bed. Ausführung: IF B1 THEN ELSIF B2 THEN ELSE END_IF; Falluntersch.: CASE B1 OF 1,5: 7..10: ELSE END_CASE; Wiederholung: FOR I:= 1 TO 3 DO END_FOR; WHILE B1 DO END_WHILE; REPEAT UNTIL B1 END_REPEAT; PLT-1 (c) , UR Folie 27

28 ST Beispiele (Viele Wege führen nach Rom) Beispiel 1: Q1.1:=(I0.1 OR I0.2 OR Q1.1) AND I0.3 AND I0.4; Beispiel 2: M = Q1.1; Q1.1:=0; IF (I0.1 OR I0.2 OR M) THEN IF (I0.3 AND I0.4) THEN Q1.1:=1; END_IF; END_IF; Negativbeispiel 3: Q1.1:=((I0.1+I0.2+Q1.1)>0)*I0.3*I PLT-1 (c) , UR Folie 28

30 Kontaktplan KOP (engl. Ladder Diagramm, LD, STEP7: KOP) Funktionen werden durch Schaltsymbole aus der Elektrotechnik dargestellt: Schließer, Öffner usw., die schaltbildähnlich zu Netzwerken zusammengefügt werden. An den Seiten befinden sich zwei Stromschienen, zwischen denen die Relaislogik liegt (90 Drehung zur Anpassung an Computer/Textschreiben) Programmiersprache beschränkt sich im Wesentlichen auf boolsche Signale Reihenschaltung: UND Parallelschaltung: ODER Negation: Arbeitskontakt / Ruhekontakt PLT-1 (c) , UR Folie 30

31 KOP Beispiel I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 Q1.1 ( ) Q1.1 Eingang: Schaltkontakt Ausgang: Relaisspule --( )-- Negation: -- / -- --(/) PLT-1 (c) , UR Folie 31

32 Textbasiert Anweisungsliste (AWL) Strukturierter Text (ST) Grafisch Kontaktplan (KOP) Funktionsbausteinsprache Ablaufsprache (AS)

33 Funktionsbausteinsprache FBS (engl. Function Block Language, FB, STEP7: FUP) Symbolik der Digitalen-Schaltungen UND-, ODER-Gatter, INVERTIERTER Eingang, usw. gut strukturierte und übersichtliche Programmierung bool scher Verknüpfungen. Grafisch anschauliche Programmierung des Informationsfluss von ganzzahligen und Gleitkomma- Operationen PLT-1 (c) , UR Folie 33

34 FBS Beispiel I0.1 I0.2 Q1.1 >1 I0.3 I0.4 & Q1.1 = PLT-1 (c) , UR Folie 34

36 Ablaufsprache AS (engl. Sequential Function Chart Language, SFC) Industrielle Automatisierungsaufgaben lassen sich häufig als Sequenz einzelner Schritte darstellen. Die Ausführung der Schritte hängt vom Erreichen einer Bedingung ab Verschiedene Schritte können/müssen auch parallel ausgeführt werden Vereinfachte Petrinetze: Übergang von einem Schritt zu einen oder mehreren (parallelen) folgenden Schritten erfolgt durch eine Übergangsbedingung (Transition). Aktionen und Transitionen werden in einer der vorgenannten Sprachen spezifiziert PLT-1 (c) , UR Folie 36

37 AS Beispiel I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 S0 T0 Step 0 R Q1.1 I0.3 I0.4 S1 T1 Step 1 S Q1.1 S PLT-1 (c) , UR Folie 37

38 Siemens STEP7 vs. IEC Aus TIA, Anhang II, IEC 61131: Die Programmiersprachen KOP und FUP entsprechen den in der Norm DIN EN (int. IEC ) festgelegten Sprachen Kontaktplan und Funktionsbaustein-Sprache. [ ] AWL entspricht der in der Norm DIN EN (int. IEC ) festgelegten Sprache Anweisungsliste, wobei hinsichtlich der Operationen wesentliche Unterschiede bestehen. [ ] Die Ablaufsprache S7-GRAPH entspricht der in der Norm DIN EN (int. IEC ) festgelegten Sprache Sequential Function Chart. Zusätzlich S7-HiGraph (Zustandsgraphen) PLT-1 (c) , UR Folie 38