電梯PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含1張CAD圖】
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電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)附錄 1：外文譯文第十九屆世界大會(huì)論文集國際自動(dòng)控制聯(lián)合會(huì)開普敦，南非。2014 年 8 月 24 日至 29 日大型 PLC 程序中的定時(shí)方面的建模和正式驗(yàn)證Borja Fernandez Adiego 丹尼爾·達(dá)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(xué)，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(gòu)建正式模型的復(fù)雜性，特別是當(dāng)需要集成時(shí)序方面時(shí)。本文通過提出一種模擬和驗(yàn)證 PLC程序的時(shí)序方面的方法來解決這個(gè)障礙。提出了兩種方法以允許用戶平衡模型的復(fù)雜性（即其狀態(tài)數(shù)）與可能被驗(yàn)證的規(guī)范的集合之間的貿(mào)易。已經(jīng)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(chǎn)生用于不同模型檢查器的模型。 本文使用NuSMV 提出了實(shí)際 PLC 程序的時(shí)序方面的驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：PLC，定時(shí)器，正式驗(yàn)證，模型檢驗(yàn)，自動(dòng)機(jī)，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(yīng)用來操作其不同的粒子加速器。這些應(yīng)用對于 CERN 操作至關(guān)重要，因此保證其行為符合其規(guī)定是最重要的。正式驗(yàn)證，特別是模型檢查，似乎是一個(gè)有前途的技術(shù)，以確保 PLC 程序滿足其初始規(guī)格。然而，由于構(gòu)建 PLC 程序的形式模型的復(fù)雜性，這種技術(shù)在工業(yè)中沒有被廣泛使用，構(gòu)建這樣的形式模型需要對系統(tǒng)進(jìn)行建模（硬件和軟件）以及基礎(chǔ)模型的深入知識(shí)檢查器。此外，當(dāng)需要考慮定時(shí)方面，即 PLC 時(shí)間和定時(shí)器時(shí)，模型化任務(wù)變得甚至更復(fù)雜，因?yàn)樗玫降哪Ｐ?，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(shí)間和計(jì)時(shí)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(dòng)生成正式模型。提出了兩種方法來考慮定時(shí)方面：現(xiàn)實(shí)和抽象模型化。在現(xiàn)實(shí)的做法表示定時(shí)器的行為和時(shí)間在 PLC 的內(nèi)部表示高保真度。這種建模允許驗(yàn)證時(shí)間相關(guān)的屬性以確保給定的動(dòng)作將（或不會(huì)）在給定延遲之后或之后執(zhí)行（例如，在給定輸入被設(shè)置為真之后 500ms 后PLC 輸出設(shè)置為真） 。雖然這種模型化在表現(xiàn)力方面是強(qiáng)大的，但是它可能產(chǎn)生太大而不能由模型檢查器處理的模型，因此導(dǎo)致第二建模方法。抽象方法省略了時(shí)間本身的建模，并給出了一個(gè)非確定性的定時(shí)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(yàn)證大型 PLC 程序，同時(shí)仍然提供驗(yàn)證一些時(shí)間相關(guān)規(guī)格的能力。可以通過應(yīng)用該第二建模來驗(yàn)證的屬性例如是活性屬性（例如，在其輸入被設(shè)置為假之后，PLC 輸出將被設(shè)置為真） 。使用抽象時(shí)間模型化驗(yàn)證的要求在現(xiàn)實(shí)模型上仍然有效，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的方法是抽象的模型的重構(gòu)。最后，工具實(shí)現(xiàn)兩種類型的時(shí)間電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型化，并產(chǎn)生正式型號(hào)為 NuSMV（Cimatti 等人（2002） ） ，BIP（Basu 等人（2011） ）和 UPPAAL（ Amnell 等人（2001） ）已 開發(fā)并應(yīng)用于 CERN 的控制系統(tǒng)。1.1 相關(guān)工作雖然以前在文獻(xiàn)中已經(jīng)研究了 PLC 程序的建模時(shí)序行為，但是它們都沒有提供允許自動(dòng)地生成包括時(shí)序方面的形式模型并且同時(shí)執(zhí)行對這些模型的驗(yàn)證的一般方法。此外，文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)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(diǎn)。事實(shí)上，Mader 和 Wupper（1999）或 Perin 和 Faure（2013）提出了一種使用定時(shí)自動(dòng)機(jī)模型對 PLC 定時(shí)器建模的方法，但不提供驗(yàn)證結(jié)果。由于時(shí)間被認(rèn)為是線性和單調(diào)函數(shù)，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(yīng)用于大型系統(tǒng)，使得驗(yàn)證是不可能的，因?yàn)槭窃?CERN 開發(fā)的系統(tǒng)。類似地，Mokadem 等人（2010）提出了一個(gè)案例研究，其中為驗(yàn)證目的創(chuàng)建了定時(shí)多任務(wù) 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(shí)鐘執(zhí)行驗(yàn)證，并且因此具有單調(diào)時(shí)間表示。在 Wang et al（2013）中，使用基于組件的 BIP 框架對包括定時(shí)器的 PLC 控制系統(tǒng)的幾個(gè)方面進(jìn)行建模。在這種情況下，在這種情況下，它們假設(shè) xed PLC 周期長度是一個(gè)大的應(yīng)變，與實(shí)際的 PLC 定時(shí)器相比，定時(shí)器模型不夠精確。此外，不提供驗(yàn)證結(jié)果。本文的其余部分結(jié)構(gòu)如下：第 2 節(jié)介紹了 PLC 中的時(shí)間和計(jì)時(shí)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(xì)介紹了對 PLC 程序時(shí)序方面進(jìn)行建模的兩種建議方法，以及應(yīng)用模型化的案例研究。此外，本節(jié)正式表明，現(xiàn)實(shí)的時(shí)間模型化是其抽象的一個(gè)要素。最后，第 5 節(jié)通過突出它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)來分析這兩種方法，并在文章結(jié)束。2.定時(shí) PLC 控制系統(tǒng)本節(jié)概述 PLC 控制系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹時(shí)序方面。此外，提出了一個(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)，包括以下主要步驟：（1）讀取存儲(chǔ)器的輸入值， （2）使用讀取數(shù)據(jù)解釋和執(zhí)行程序邏輯 ，以及（3）將計(jì)算的輸出值寫入實(shí)際輸出。在標(biāo)準(zhǔn) PLC，即非安全 PLC 中，周期時(shí)間不是固定的，但是存在由看門狗模塊實(shí)施的上限。 如果 PLC 循環(huán)時(shí)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(fù)責(zé)處理定時(shí)錯(cuò)誤的程序的特殊部分。相比之下，安全 PLC 具有固定周期時(shí)間。定時(shí)器操作，例如定時(shí)器，由 IEC 61131 定義，可以被認(rèn)為是延遲信號(hào)或產(chǎn)生脈沖的功能塊。 不同類型定時(shí)器可以在 PLC 中找到，最常見的定時(shí)器之一是 TON（定時(shí)器打開延遲） （見圖 1） 。該定時(shí)器有 2 個(gè)輸入變量：IN 和 PT。IN 是一個(gè)布爾輸入信號(hào)，PT 是延遲時(shí)間。定時(shí)器有 2 個(gè)輸出：Q 和 ET。Q 是布爾輸出變量，當(dāng) IN 執(zhí)行上升沿時(shí)，其值將在預(yù)定延遲（PT）后為真，如果 IN 為假，則其值為假。 ET 是經(jīng)過的時(shí)間，其值增加到 PT，當(dāng) IN 上出現(xiàn)上升沿時(shí)開始。電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 1.TON 時(shí)間圖PLC 定時(shí)器使用特定的數(shù)據(jù)類型用于稱為 TIME 的定時(shí)操作。這種數(shù)據(jù)類型由 IEC 61131 定義為一個(gè)簡單的變量，它說明“這些數(shù)據(jù)類型中的值的范圍和表示的精度是依賴于實(shí)現(xiàn)的” 。通過一個(gè)有限變量表示時(shí)間導(dǎo)致非單調(diào)的時(shí)間表示為變量可以溢出時(shí)（比較圖的上半部分圖 2） 。例如，在 Siemens S7 PLC 中，TIME 數(shù)據(jù)類型定義為具有1 毫秒相同精度的有符號(hào) 32 位整數(shù)（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(shù)據(jù)類型是無符號(hào)的 32 位整數(shù)，精度為 1 ms。在本文中，我們考慮在西門子 PLC 中標(biāo)記的時(shí)間解釋。圖 2.有時(shí)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(gè)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(jié)構(gòu)化文本）語言，可以調(diào)用 PLC 上的不同功能塊。目前 UNICOS 被實(shí)現(xiàn)用于標(biāo)準(zhǔn)PLC，即其中周期時(shí)間不是固定的，并且取決于總體應(yīng)用。在本文中，我們重點(diǎn)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(shù)字信號(hào)（例如閥，加熱器，電動(dòng)機(jī)）驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行器的物理設(shè)備。使用 60個(gè)輸入變量（其中 13 個(gè)是參數(shù)） ，62 個(gè)輸出變量，600 行 ST 代碼和 3 個(gè)定時(shí)器實(shí)例，OnO 對象在大小和復(fù)雜性方面代表其他 UNICOS 對象。電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)附錄 2：外文文獻(xiàn)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)電梯 PLC 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