電梯PLC控制系統(tǒng)設計【含1張CAD圖】
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電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計附錄 1：外文譯文第十九屆世界大會論文集國際自動控制聯合會開普敦，南非。2014 年 8 月 24 日至 29 日大型 PLC 程序中的定時方面的建模和正式驗證Borja Fernandez Adiego 丹尼爾·達拉斯Enrique Blanco Vi?nuela Jean-Charles TournierV ctor M. Gonzalez Suarez Jan Olaf BlechCERN，歐洲核研究組織，CH-1211 Geneva 23，瑞士（電子郵件:fborja.fernandez.adiego,daniel.darva，enrique.blanco， jean-charles.tournierg@cern.ch） 。 ISA，University of Oviedo，Campus de Viesques 33204 - Gijon，Spain（電子郵件：victor@isa.uniovi.es）RMIT 大學，澳大利亞墨爾本（電子郵件： janolaf.blech@rmit.edu.au）摘要：防止模型檢查在工業(yè)控制系統(tǒng)中廣泛使用的主要障礙之一是從 PLC 程序構建正式模型的復雜性，特別是當需要集成時序方面時。本文通過提出一種模擬和驗證 PLC程序的時序方面的方法來解決這個障礙。提出了兩種方法以允許用戶平衡模型的復雜性（即其狀態(tài)數）與可能被驗證的規(guī)范的集合之間的貿易。已經開發(fā)了一種支持該方法的工具，該方法允許直接從 PLC 程序產生用于不同模型檢查器的模型。 本文使用NuSMV 提出了實際 PLC 程序的時序方面的驗證。關鍵詞：PLC，定時器，正式驗證，模型檢驗，自動機，抽象1.引言CERN，歐洲核研究組織，依靠大量的 PLC（可編程邏輯控制器）應用來操作其不同的粒子加速器。這些應用對于 CERN 操作至關重要，因此保證其行為符合其規(guī)定是最重要的。正式驗證，特別是模型檢查，似乎是一個有前途的技術，以確保 PLC 程序滿足其初始規(guī)格。然而，由于構建 PLC 程序的形式模型的復雜性，這種技術在工業(yè)中沒有被廣泛使用，構建這樣的形式模型需要對系統(tǒng)進行建模（硬件和軟件）以及基礎模型的深入知識檢查器。此外，當需要考慮定時方面，即 PLC 時間和定時器時，模型化任務變得甚至更復雜，因為所得到的模型，無需重新定義表示，通常在狀態(tài)空間而言過大而無法通過模型檢查器來處理。在本文中，我們提出了一種方法來建立 PLC 時間和計時器。該方法被整合到Darvas 等人描述的通用框架中（ 2013）允許從 PLC 程序自動生成正式模型。提出了兩種方法來考慮定時方面：現實和抽象模型化。在現實的做法表示定時器的行為和時間在 PLC 的內部表示高保真度。這種建模允許驗證時間相關的屬性以確保給定的動作將（或不會）在給定延遲之后或之后執(zhí)行（例如，在給定輸入被設置為真之后 500ms 后PLC 輸出設置為真） 。雖然這種模型化在表現力方面是強大的，但是它可能產生太大而不能由模型檢查器處理的模型，因此導致第二建模方法。抽象方法省略了時間本身的建模，并給出了一個非確定性的定時器模型。與第一種方法相比，這大大減少了生成模型的狀態(tài)空間，因此允許驗證大型 PLC 程序，同時仍然提供驗證一些時間相關規(guī)格的能力?？梢酝ㄟ^應用該第二建模來驗證的屬性例如是活性屬性（例如，在其輸入被設置為假之后，PLC 輸出將被設置為真） 。使用抽象時間模型化驗證的要求在現實模型上仍然有效，因為現實的方法是抽象的模型的重構。最后，工具實現兩種類型的時間電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計模型化，并產生正式型號為 NuSMV（Cimatti 等人（2002） ） ，BIP（Basu 等人（2011） ）和 UPPAAL（ Amnell 等人（2001） ）已 開發(fā)并應用于 CERN 的控制系統(tǒng)。1.1 相關工作雖然以前在文獻中已經研究了 PLC 程序的建模時序行為，但是它們都沒有提供允許自動地生成包括時序方面的形式模型并且同時執(zhí)行對這些模型的驗證的一般方法。此外，文獻中發(fā)現的所有方法都限于特定的模型檢查器，從而阻止了不同類型的模型檢查器的優(yōu)點。事實上，Mader 和 Wupper（1999）或 Perin 和 Faure（2013）提出了一種使用定時自動機模型對 PLC 定時器建模的方法，但不提供驗證結果。由于時間被認為是線性和單調函數，所以生成的模型將具有巨大的狀態(tài)空間，如果這種方法將被應用于大型系統(tǒng)，使得驗證是不可能的，因為是在 CERN 開發(fā)的系統(tǒng)。類似地，Mokadem 等人（2010）提出了一個案例研究，其中為驗證目的創(chuàng)建了定時多任務 PLC 程序的全局模型。這種方法類似于由 Mader 和 Wupper（1999）提出的方法，但是使用 UPPAAL 使用時鐘執(zhí)行驗證，并且因此具有單調時間表示。在 Wang et al（2013）中，使用基于組件的 BIP 框架對包括定時器的 PLC 控制系統(tǒng)的幾個方面進行建模。在這種情況下，在這種情況下，它們假設 xed PLC 周期長度是一個大的應變，與實際的 PLC 定時器相比，定時器模型不夠精確。此外，不提供驗證結果。本文的其余部分結構如下：第 2 節(jié)介紹了 PLC 中的時間和計時器的概念。第 3 節(jié)概述了所提出的方法，允許為 PLC 程序中的各種模型檢查器生成正式模型。第 4 節(jié)詳細介紹了對 PLC 程序時序方面進行建模的兩種建議方法，以及應用模型化的案例研究。此外，本節(jié)正式表明，現實的時間模型化是其抽象的一個要素。最后，第 5 節(jié)通過突出它們的優(yōu)點和缺點來分析這兩種方法，并在文章結束。2.定時 PLC 控制系統(tǒng)本節(jié)概述 PLC 控制系統(tǒng)，重點介紹時序方面。此外，提出了一個案例研究，將用于其余部分，以說明本文提出的模型化方法。2.1 PLC 的時序特性PLC 是執(zhí)行稱為掃描周期的同步和循環(huán)過程的工業(yè)計算機，包括以下主要步驟：（1）讀取存儲器的輸入值， （2）使用讀取數據解釋和執(zhí)行程序邏輯 ，以及（3）將計算的輸出值寫入實際輸出。在標準 PLC，即非安全 PLC 中，周期時間不是固定的，但是存在由看門狗模塊實施的上限。 如果 PLC 循環(huán)時間大于該上限，例如，由于 PLC 程序中的無限循環(huán)，PLC 執(zhí)行負責處理定時錯誤的程序的特殊部分。相比之下，安全 PLC 具有固定周期時間。定時器操作，例如定時器，由 IEC 61131 定義，可以被認為是延遲信號或產生脈沖的功能塊。 不同類型定時器可以在 PLC 中找到，最常見的定時器之一是 TON（定時器打開延遲） （見圖 1） 。該定時器有 2 個輸入變量：IN 和 PT。IN 是一個布爾輸入信號，PT 是延遲時間。定時器有 2 個輸出：Q 和 ET。Q 是布爾輸出變量，當 IN 執(zhí)行上升沿時，其值將在預定延遲（PT）后為真，如果 IN 為假，則其值為假。 ET 是經過的時間，其值增加到 PT，當 IN 上出現上升沿時開始。電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計圖 1.TON 時間圖PLC 定時器使用特定的數據類型用于稱為 TIME 的定時操作。這種數據類型由 IEC 61131 定義為一個簡單的變量，它說明“這些數據類型中的值的范圍和表示的精度是依賴于實現的” 。通過一個有限變量表示時間導致非單調的時間表示為變量可以溢出時（比較圖的上半部分圖 2） 。例如，在 Siemens S7 PLC 中，TIME 數據類型定義為具有1 毫秒相同精度的有符號 32 位整數（見 Siemens（1998） ） ，其上限約為+24 天，下限為 的 24 天。然而，在 Schneider 和 Beckho PLC 中，TIME 數據類型是無符號的 32 位整數，精度為 1 ms。在本文中，我們考慮在西門子 PLC 中標記的時間解釋。圖 2.有時間表示的后果2.2 案例研究在本文的上下文中，把 CERN 開發(fā)和使用的工業(yè)控制系統(tǒng)框架稱為 UNICOS（Blanco等人（2011） ）作為一個案例研究。UNICOS 提供了表示通用工業(yè)控制儀器（例如傳感器，執(zhí)行器，子系統(tǒng)）的基本對象的庫。這些對象在 PLC 代碼中表示為功能塊，使用ST（結構化文本）語言，可以調用 PLC 上的不同功能塊。目前 UNICOS 被實現用于標準PLC，即其中周期時間不是固定的，并且取決于總體應用。在本文中，我們重點介紹由 UNICOS 庫為西門子 PLC 提供的 OnO 對象。該對象用于表示作為由數字信號（例如閥，加熱器，電動機）驅動的執(zhí)行器的物理設備。使用 60個輸入變量（其中 13 個是參數） ，62 個輸出變量，600 行 ST 代碼和 3 個定時器實例，OnO 對象在大小和復雜性方面代表其他 UNICOS 對象。電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計附錄 2：外文文獻電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計電梯 PLC 控制系統(tǒng)設計