Реализация конечных автоматов в масштабных проектах автоматизации

Реализация конечных автоматов в масштабных проектах автоматизации

И.М. Сафаров, Д.И. Хаматханов Казанский государственный энергетический университет

Аннотация: Несмотря на стремительную поступь технологий, надежные методы программирования, в частности в технологиях автоматизации, развиваются крайне медленно. Поэтому эффективное программирование, особенно в масштабных проектах автоматизации, является задачей сегодняшнего дня. В данной научно-исследовательской работе рассматривается шаблон состояние как метод проектирования конечных автоматов на примере торгового автомата.

Ключевые слова: Конечный автомат, Structured text, МЭК 61131-3, CoDeSys, объектно-ориентированное программирование, CASE, наследование, интерфейсы, методы, состояние.

Конечные автоматы используются повсеместно, особенно в технологиях автоматизации. Типичный пример реализации автоматов это оператор CASE. Некоторые программисты в местах перехода состояний используют методы. Очевидно, что более крупные приложения не могут быть реализованы таким образом. Ясность полностью теряется после нескольких переходов состояний. Это говорит о том, что данные методы не масштабируются. Более того, каждый раз, когда добавляется новое состояние, необходимо править несколько методов или участки кода, где используется оператор CASE. Рассмотренная далее концепция позволяет с легкостью структурировать процессы автоматизации, что обеспечивает удобство в проектировании системы и дальнейшей ее масштабируемости [1].

Рассмотрим применение шаблона на примере торгового автомата, который выдает продукт после вставки монеты и нажатия кнопки. Условимся, что при отсутствии товара, монета возвращается.

Конечный автомат удобно представить в виде диаграммы состояний

UML:

start

Ьа: сот

Ч_)

Рис. 1. - ЦМЬ-диаграмма состояний, описывающая торговый автомат

Логику торгового автомата поместим в функциональный блок (ФБ) ББ_МасЫпе, где входные переменные блока это события, а на выходные переменные запишем количество доступных продуктов и текущее состояние.

Листинг 1. - Функциональный блок ББ_МасЫпе

1 FUNCTION_BLOCK PUBLIC FB_Machine

2 VAR_INPUT

3 bButton : BOOL;

4 bInsertCoin : BOOL;

5 bTakeProduct : BOOL;

6 bTakeCoin : BOOL;

7 END_VAR

8 VAR_OUTPUT

9 eState : E_States;

10 nProducts : UINT;

11 END_VAR

Листинг 2. - Собственный тип E States

1 TYPE E States :

2 (

3 eWaiting := 0,

4 eHasCoin,

5 eProductEjected,

6: еСо1пЕ]'ес1еС 7: );

8: ЕШ ТУРЕ

Шаблон разбивает все возможные состояния торгового автомата на несколько объектов. Таким образом, каждый возможный статус представлен отдельным ФБ. Эти статусные ФБ содержат все поведения для соответствующего состояния. Благодаря этому, новый статус может быть введен без изменения исходного кода исходных блоков.

Каждое действие (Сш1;отегТакевСот(), СиБ1;отегТакевРгоёис1;(), 1пБег1;Сот() и РгеББВиИопО) может выполняться в любом состоянии. Таким образом, все статусные ФБ используют один и тот же интерфейс:

Рис. 3. - иМЬ-диаграмма компонентов торгового автомата

БВ_МасЫпе объединяет этот интерфейс (строка 9), который делегирует вызов метода соответствующим ФБ состояния (строки 30, 34, 38 и 42) [9].

Листинг 7. - Реализация интерфейса

9 FUNCTION_BLOCK PUBLIC FB_ _Machine

10 VAR_INPUT

11 bButton : BOOL;

12 bInsertCoin : BOOL;

13 bTakeProduct : BOOL;

14 bTakeCoin : BOOL;

15 END_VAR

16 VAR_OUTPUT

17 ipState : I_ State := fbWaitingState;

18 nProducts : UINT;

19 END_VAR

20 VAR

21 fbCoinEjectedState FB_CoinEjectedState(THIS);

22 fbHasCoinState FB_HasCoinStat (THIS);

23 fbProductEjectedState FB_ProductEjectedState(THIS);

24 fbWaitingState FB_WaitingStat (THIS);

25 rtrigButton R_TRI ;

26 rtrigInsertCoin R_TRI ;

27 rtrigTakeProduct R_TRI ;

28 rtrigTakeCoin R_TRI ;

29 END VAR

30 rtrigButton(CLK := bButton);

31 rtrigInsertCoin(CLK := bInsertCoin);

32 rtrigTakeProduct(CLK := bTakeProduct);

33 rtrigTakeCoin(CLK := bTakeCoin);

34 IF (rtrigButton.Q) THEN

35 ipState.PressButton() ;

36 END_IF

37 IF (rtrigInsertCoin.Q) THEN

38 ipState.InsertCoin();

39 END_IF

40 IF (rtrigTakeProduct.Q) THEN

41 ipState.CustomerTakesProduct();

42 END_IF

43 IF (rtrigTakeCoin.Q) THEN

44 ipState.CustomerTakesCoin();

45 END_IF

Листинг 10. - Проверка функционального блока FB_Machine

46 1 2

3

4

5

6

7

8 9

10 11 12

13

14

15

16

17

18 19

PROGRAM MAIN VAR

fbMachine sState bButton bInsertCoin bTakeProduct bTakeCoin END VAR

FB_Machir ( );

STRING;

BOOL;

BOOL;

BOOL;

BOOL;

fbMachine(bButton := bButton,

bInsertCoin := bInsertCoin, bTakeProduct := bTakeProduct, bTakeCoin := bTakeCoin); sState := fbMachine.ipState.Description;

bButton := FALSE; bInsertCoin := FALSE; bTakeProduct := FALSE; bTakeCoin := FALSE;

Output

Show msg

msg msg

MSG msg msg msg msg msg msg msg msg

output from:

'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask 'PlcTask

Twin CAT

ÍP

is

Customer has insert a coin.

Customer has pressed the button,

Customer has taken the product,

Customer has insert a coin.

Customer has pressed the button,

Customer has taken the product,

Customer has insert a coin,

Customer has pressed the button,

Customer has taken the product,

Customer has insert a coin.

Customer has pressed the button,

Customer has taken the coin,

Output product,

Output product,

Output product,

No more products. Return coin,

Рис. 5. - Результат программы в системном журнале TwinCAT

Распределение обязанностей каждого ФБ делает этот подход очень гибким и гораздо более надежным для расширений. Это особенно заметно, когда статус ФБ становится более обширным, где конечный автомат может управлять сложным процессом, в котором каждый статус ФБ содержит дополнительные подпроцессы.

Литература

1. Новиков Д. А. Теория управления организационными системами. 2-е изд. М.: Физматлит, 2007. 604 с.

2. Сафаров И.М., Хаматханов Д.И. Автоматизированная система управления параметрами теплоносителя с удаленным доступом // Инженерный вестник Дона, 2018, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4912.

3. Шамгунов Н.Н., Корнеев Г.А. State Machine — новый паттерн объектно-ориентированного проектирования // Информационно-управляющие системы, 2004, №5 с. 13-25.

4. Белоусов А.И., Ткачев С.Б. Дискретная математика. М.: МГТУ, 2006. C. 460-587.

5. Руководство пользователя по программированию ПЛК в CoDeSys 2.3. Смоленск: ПК Пролог, 2006. 453 с.

6. Капустин Н.М. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учеб. для вузов / Под ред. Н.М. Капустина. М.: Высшая школа, 2004. 415 с.

7. МВА8 Модуль ввода аналоговый измерительный: Руководство по эксплуатации. М.: АТЛАС-ПРЕСС, 2008. 90 с.

8. Вадутов О. Настройка типовых регуляторов по методу Циглера-Никольса. Методические указания к выполнению лабораторной работы. Томск. 2014. 10 с.

9. Софиева Ю.Н., Абрамов К.В. Применение пакета моделирующих программ ChemCAD в учебно- тренировочных комплексах для изучения систем автоматизации ректификационных установок // Инженерный вестник Дона, 2012, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/619.

10. Матвеева Л.Л. Информационные технологии в менеджменте. М., 2010. 187 с.

11. McGraw-Hill, Sybil P. Parker Dictionary of Scientific and Technical Terms. 6th Edition. New York: Merck, 2002. 2380 p.

12. Grigoryuk E.N ., Bulkin V.V. Problems of Automation and Management Principles. Information Flow in Manufacturing // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, Volume 221, conference 1 URL: doi.org/10.1088/1755-1315/221/1/012006.

References

1. Novikov D. A. Teoriya upravleniya organizatsionnymi sistemami [Organization Management Theory]. vol 2. M.: Fizmatlit, 2007. 604 p.

2. Safarov I.M., Khamatkhanov D.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2018, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N2y2018/4912.

3. Shamgunov N.N., Korneyev G.A. Informatsionno-upravlyayushchiye sistemy, 2004, №5 pp. 13-25.

4. Belousov A.I., Tkachev S.B. Diskretnaya matematika [Discrete Math]. M.: MGTU, 2006. pp. 460-587.

5. Rukovodstvo polzovatelya po programmirovaniyu PLK v CoDeSys 2.3 [PLC Programming User Guide for CodeSys 2.3]. Smolensk: PK Prolog, 2006. 453 p.

6. Kapustin N.M. Avtomatizatsiya proizvodstvennykh protsessov v mashinostroenii: Ucheb. Dlya Vuzov [Automation of production processes in mechanical engineering: Proc. For universities]. Pod. Red. N.M. Kapustina. M.: Vysshaya shkola, 2004. 415 p.

7. MBA8 Modul' vvoda analogoviy izmeritelniy: Rukovodstvo po ekspluatastii [MVA8 Analog Measuring Input Module: Operation Manual]. M.: Atlas-Press, 2008. 90 p.

8. Vadutov O. Nastroyka tipovykh regulyatorov po metodu Tsiglera-Nikolsa. Metodicheskiye ukazaniya k vypolneniyu laboratornoy raboty [Setting type regulators according to the Ziegler-Nichols method. Guidelines for the implementation of laboratory work]. Tomsk. 2014. 10 p.

9. Sofieva Iu.N., Abramov K.V. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №1 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2012/619.

10. Matveeva L. L. Informatsionnye tehnologii v menedjmente [Management Information Technology]. M., 2010. 187 p.

11. McGraw-Hill, Sybil P. Parker Dictionary of Scientific and Technical Terms. 6th Edition. New York: Merck, 2002. 2380 p.

12. Grigoryuk E.N., Bulkin V.V. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, Volume 221, conference 1 URL: doi.org/10.1088/1755-1315/221/1/012006.