基于标准化数字处理信息的PLC软件自动生成外文翻译资料

Automated PLC Software Generation

Based on Standardized Digital Process Information

Martin Bergert, Christian Diedrich

Magdeburg University

Institute of Automation Technology (IFAT)

Magdeburg / Germany

uni-magdeburg.bergert@daimlerchrysler.com

Jens Kiefer, Thomas Bauml;r

DaimlerChrysler Research amp; Technology

Function and Production Modeling (GR/EPF)

Ulm / Germany

jens.kiefer@daimlerchrysler.com

Abstract

In order to meet the various challenges in the automotive industry, new and integrated methodologies for production planning and ramp-up processes are required. Thus, a concept for automated PLC software generation based on standardized digital process information is introduced with the special focus on the needs of the body shop in the automotive industry.

The foundation for PLC software generation is a digital process plan that describes the production steps in a graphical way. For the special needs of PLC software generation new process elements and attributes are introduced. So the process plan contains the stepwise specialization of all necessary information for a PLC program. This paper additionally presents a specification extending the digital process information with resource-specific PLC function blocks.

1. Introduction

Due to the increasing competition for key market shares, car manufacturers are engaged in an innovation race characterized by a soaring number of product variants. In parallel, the innovation and model cycles are constantly decreased. These intensified competitive conditions inevitably lead to higher complexity both in overall production planning and in ramp-up processes. Moreover, the time for the future accomplishment of production engineering projects has been cut to the bone.

Today, the activities in the production planning process (mechanical design, electrical design, control engineering) are accomplished in a most sequential way. Especially the tasks of the control engineering do not begin before the mechanical design is nearly completed. In addition to that there is a deep gap between mechanical design and control engineering. This phenomenon is shown especially in different working methodologies, tools, and in the use of different, department-specific terms. The results of these department-specific differences inevitably lead to loss of information, repeated manual inputs, additionally iteration loops as well as high time pressure for the PLC project (PLC: Programmable Logic Controller).

In order to cope with these challenges new planning methodologies are necessary to encourage simultaneous engineering. As one important contribution, a new methodology for automated PLC software generation is introduced in this paper. To give an overview, the paper starts with a short description of important and representative approaches regarding this topic. Based on the identified advantages and disadvantages of the existing approaches, requirements towards a new and integrated methodology for automated PLC software generation are described.

After a short introduction of the concept of digital factory, the new methodology fulfilling the mentioned requirements is presented. The several steps from the digital process plan to an IEC 61131-3 conform PLC program are described. Finally, the practical applicability of the new methodology is shown using adapted and enhanced commercial software tools.

2. Existing approaches for automated PLC software generation

In the following sections different representative approaches for automated PLC software generation are presented. Moreover, the concept-specific advantages and disadvantages are worked out.

2.1. DFG project DisPa (Distributed Process Automation)

Within the research project DisPa an object-oriented methodology was developed that allows the generation of executable PLC software code based on an abstract, system-neutral model [1]. This model is developed with an extension of the formal description language UML (UML: Unified Modeling Language) that was adapted to the special requirements of control engineering. By the use of UML a modular and structured model developing is guaranteed. To support accelerated and transparent engineering processes standardized and reusable software components are used. The concept of UML-based PLC software generation was implemented using an elementary example of screening plant with 28 sensors and 19 actors. With a special developed software translator the UML model is translated to IEC 61131-3 conform PLC software code. Afterwards this code is imported as Structured Text (ST) in the PLC programming tool CoDeSys [1].

2.2. Automated PLC software generation based on Petri Nets

In [2] and [3] a concept for automated PLC software generation based on Signal Interpreted Petri Nets(SIPN) is presented. The basic idea is similar to the UML-approach from the research project DisPa. Analog to the formal description language UML, SIPN allows a transparent graphical description of process oriented control algorithms. With special software translators these SIPN can be translated in executable IL code (IL: Instruction List). For prototypical applicability a demonstrator was developed that creates IL code from SIPN related to PLC open standard based on the program Mathematica. Thus, SIPN not only are specification tools but also they can be used as adequate PLC programming language [2]. One important advantage of SIPN towards the programming languages defined in IEC 61131-3 are SIPN-specific algorithms that analysis automatically the transparency and correctness of the programs [3].

2.3. VR based PLC software generation related to Osmers<!--

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基于标准化数字处理信息的PLC软件自动生成

摘要：为满足汽车产业中的诸多挑战，研究新的集成的生产规划与提速生产过程的方法是必要的。因此,鉴于汽车产业实体店需要的特殊关注，一个基于标准化数字处理信息的全自动PLC软件生成的概念被引入了。

PLC软件生成的基础是一个数字化处理规划，它用图形化的方法描述生产步骤。由于这种PLC软件生成的特殊需求，引入了新的进程元素及属性。所以进程规划包含了PLC程序所有逐步专业化的必要信息。本文还给出一种规格扩展——带有特殊资源PLC功能模块的数字处理信息。

关键词：PLC；软件自动生成；进程规划；IEC 61131 – 3

bull;1．前言

由于主要市场划分中竞争的日益激烈，汽车制造商忙于通过大量的产品来增强竞争力。相应的，创新和模型的周期不断减小。激烈的竞争状况不可避免地导致在整个生产规划和提速生产过程的加度复杂化。另外，未来生产工程项目成熟的机会也大大减小。

如今,生产规划阶段的活动(机械设计,电子设计,控制工程),几乎都要按顺序完成，特别是机械设计没有差不多完成之前不进行控制工程的设计。除此之外, 在机械设计和控制工程间存在很大的差距，尤其在使用不同的工作方法、工具、使用不同的具体部门的条款时这种现象格外明显。具体部门的差异不可避免的造成信息的丢失，重复的手动输入，额外的迭代循环以及对PLC项目高度的时间压力。

为了应对这些挑战，新的规划方法必须鼓励同时工程。本文中介绍的全自动PLC软件生成的新方法便能够为同时工程做出重大贡献。作为概述，该文以一个看待这个问题重要而有代表性的方法的简单描述作为开始，基于现存方法明确的优点和弊病，给出了对于一个全自动PLC软件生成的新的综合方法的要求。

简短的介绍了数字化工厂的概念之后，介绍了能够满足前面所提要求的新方法，包括了从数字化进程规划到一个符合IEC 61131 – 3规则的PLC程序等几个步骤。最后，给出了这种新方法应用改进的商业软件工具的应用实例。

bull;2．现有的全自动PLC软件生成方法

在接下来的部分给出了不同的全自动PLC软件生成的具有代表性的方法，此外，也指出了具体概念的优点和不利之处。

bull;2．1．DFG项目DisPa(分布式过程自动化)

在DisPa这个研究项目中采用了面向对象的方法，使得可执行PLC软件代码的生成基于一个抽象的、神经系统模型。该模型用扩展的统一建模语言UML生成，以适应控制工程的特殊要求。由于采用了UML，模型发展的模块化和结构化有了保障，而为了加速和透明工程流程又使用了标准的可复用的软件组件。用一个含有28个传感器和19个致动器的屏幕对象做比喻给出了基于UML的PLC软件生成的概念，用一种专用的开发软件把UML模型翻译成符合IEC 61131 – 3标准的PLC软件代码，然后把这段代码以结构化文本（ST）的形式送入PLC编程工具CoDeSys。

bull;2．2．基于实验室网络的全自动PLC软件生成

在文献[2],[3]中给出了的一个基于信号解释说明网(SIPN)的全自动PLC软件生成的概念，其基本思想与基于UML方法的研究项目DisPa是相似的。模仿标准的描述语言UML，SIPN采用了一种面向过程控制算法的透明的图形化的描述方法，通过专门的翻译软件，可将这些SIPN译成可执行的IL代码（IL：指令表）。为了加强原型的可用性，生成了一种基于项目的，把符合PLC开放标准的SPIN生成IL代码的程式Mathematica。因此，SPIN不仅是一种专用工具，也可以当作独立的PLC编程语言来使用。对比IEC 61131-3中所述的编程语言，采用SPIN的一个重要优势在于SPIN的专用算法自动分析程序的透明度和正确性。

bull;2．3．有关于Osmers的基于虚拟现实软件（VR）的PLC软件生成

Osmers的论文着目于在VR技术的帮助下提高PLC的预测。在规划阶段制造单元被分配到虚拟环境，PLC编程在相同的模式下进行，这是在一个图形化、交互方式下完成的。全自动PLC代码生成的基础是电子元件(传感器，致动器)。这些对象都化做三维图像被嵌入到单元模型里。在下一步中通过与用户预先互动（可视化程序），把这些独立的对象逻辑连接到布尔操作器上，借助于一个特别发达的IL专有的编译器，这些信息就从虚拟现实工具转变成了机器可识别的模式，然后生成的PLC代码被下载到一个PLC编程工具。Osmers所开发的这个软件的专用传输的概念可以由虚拟现实工具VRT(Superscape有限公司)以及PLC编程工具STEP 7(西门子)来实现。

bull;2．4．BMBF的项目 MODALE

BMBF项目MODALE关注的焦点在于公司范围内，参与在自动化生产单元规划过程的各不同部门之间的数据交换。为此,开发了面向本体的相关模型——嵌入在一种技术基础设施中——执行中央数据拨号功能。基于这些技术条件，数字规划工具的数据在语义桥梁的帮助下输出和转移到面向本体的相关模型上。此处数据发生转换，生成的数据输入到各自的目标应用。因此可以做到在不同的IT工具之间交换数据规划信息而不会丢失。

使用初等实例论证了IT基础设施的原型转换以及主要可操作性的验证。一个实际场景着目于一个与IEC 61131-3相关的PLC序列运行功能表的自动生成。基本模型是一种用PLC专用信息(例如转换)生成生产规划与改善规划的数字过程开发计划。该模型使用一种特殊扩展的RDF出口(RDF:资源描述框架)，参考相关模型转化并最终以SFC格式输入到目标系统。数字过程开发计划由DELMIA公司的数字过程规划工具DELMIA过程工程师(DPE)生成。使用Open PCS 作为PLC编程工具，有公司的信息小组开发并分派。

bull;2．5．过程仿真调试的PLC软件生成

相比于前面部分提到的方法,IT工具过程仿真模拟代表了Tecnomatics与西门子合作于2002年开发的一种商业软件工具。PLC软件自动化生成的基础是一个数字三维单元模型和本单元的数字化进程描述。仿照MODALE项目延伸的方法，数字化进程描述随控制技术信息增强，例如，输入/输出信号。通过手动添加所需参数或将资源(夹、阀门、机器人等)与数字进程模型中相对应的操作连接均可增强描述。通过这个增强的进程模型和一个西门子开发的软件翻译器即可生成一个PLC编程工具STEP 7的可执行PLC程序。生成的程序包含了符号表中所有相关的输入/输出信号以及一个描述在S7图中的进程流的SFC。

bull;2．6．评估

在前面的段落中阐述了全自动PLC软件生成的不同方法，这些方法基于不同的假设，方法和IT工具。考虑一个制造单元规划过程中的潜在用途，下面表1中比较给出了这些方法各自的优点以及不利之处。

概念	DisPa（UML）	Petri Net（SPIN）	Osmers	MODALE	Process Simulate Commissioning
优点	bull;面向对象，使用UML建模 bull;生成ST及SFC代码	bull;规范而灵活的描述语言 bull;对PLC模型可行性的自动验证 bull;支持相关PLC开放标准的格式转化	bull;集成在规划过程中 bull;图形（可视化）PLC编程	bull;集成在规划过程中（使用已有的数字规划信息） bull;基于商业软件（DPE） bull;生成SFC代码	bull;集成在规划过程中（使用已有的数字规划信息） bull;基于商业软件 bull;生成SFC代码
缺点	bull;未集成在规划过程中 bull;额外开发UML模型和软件翻译器 bull;无双向数据转换能力	bull;未集成在规划过程中 bull;额外开发SPIN 有限的PLC软件生成 bull;只生成IL代码	bull;未集成在规划过程中 bull;只生成IL代码 bull;无双向数据转换能力	bull;只生成简单而有限的序列功能表 bull;基于非标准化的格式转换（RDF） bull;重复工作时极大的手动量	bull;只生成简单而有限的序列功能表 bull;没有开放的系统接口，只能接到西门子STEP 7 bull;无双向数据转换能力

表格 1． 现有的方法

比较不同的方法很明显理论上的方法都有良好的结构，并可使用规范的描述语言(UML,SIPN)可灵活基础概念，但是,因为上述缺点(额外的模型、特定软件翻译器等)实际使用并不合适。

于是由实际的概念给出了一个反向的观点，这些方法基于的商业的IT规划工具,但与工具特定的不变性不相容，失去了开放的编程接口，这导致了简化的和功能有限的PLC程序以及软件程序的大量手动返工。至今为止，并没有一个可行而经济的解决方案。

bull;3．PLC软件生成的需求

根据先前的描述的不利之处，一些要求引导自动PLC软件生成的新概念。这些要求不止是对方法也是对使用的IT工具，详细来说，要求包括：

bull;没有(小)额外负担

为了经济性和大众用户接受，新方法在规划过程中应尽可能少的造成额外负担。

bull;利用现有的规划结果

为了避免重复的数据输入以及在从一个规划工具到另一个规划工具标准化传输规划结果时的信息丢失，工具和数据转化格式间的标准化接口是必要的。

bull;随过程变化进行功能升级

在改善和生产过程中，过程改变经常是必要的，例如，新的产品变量的一体化。因此这些变化必须可以在运行生产进程中集成到PLC程序中去。

bull;根据IEC 61131 – 3生成PLC软件

这个自动生成的PLC代码必须符合所有的IEC 61131-3的限制要求来接到各种不同的商业PLC编程工具上。

bull;可维护的PLC程序代码

必须以可读易理解的格式来生成PLC代码以便未来在软件代码上的更改，因此，图形化SFC或FBD（FBD：功能框图）比隐秘语言IL合适的多。

bull;双向数据交换

对于自动PLC软件生成的实用性，在规划工具改善和生产过程中有必要进行PLC程序的再移植变化。只有这样，才能保证数据的一致性。

bull;4．概念

在这一章里的新概念,给出了自动化PLC软件生成的新概念，经过对数字化工厂的目标和方法的简短的描述，列出了基于数字规划信息的PLC编程的步骤。

bull;4．1．数字化工厂

数字化产品和数字化工厂是加速整个产品制造过程的两个主要概念，而数字化产品是一个产品完整的机械处理能力的代表，使其在开发阶段优化自身性能，数字化工厂代表了一套相关联的产品、过程、资源模型使得所有的制造过程得到控制并在时间和费用上最优化。数字化工厂是：

bull;扩展的或类似的数字化产品的生产设备

bull;产品开发和生产之间的桥梁

bull;真实的工厂的数字代表

在[10]中数字化工厂被定义为“由一个无缝数据管理集成的整个网络的数字模型,方法和工具的通用的术语。其目的是整体的规划、评价和不断改进与产品密切互动中的现实工厂中所有相关结构、过程和资源。”

bull;4．2．过程规划以及在数字化进程规划中的使用

各个单元的进程规划伴随着资源规划的密切互动发生。目前,每个进程规划部门(例如，生产规划、机械设计、机器人)使用自己在标准的列表项目或在其它办公软件生成的进程描述语言，所以,一个统一的、清晰、集成过程描述格式并不存在。差错导致的误解——尤其是对于后期PLC软件生成-是分别的以及模棱两可的过程描述的必然结果。

为了弥补这个不足，一个清晰,放之四海而皆准应用进程规划产生了。这种集成过程规划在规划过程中一步步修改。最后，它包含所有过程信息从生产计划、机械设计、机器人和控制工程。

因此,这个数字化进程规划是一个把涉及的部门各自对进程设计的特殊贡献做综合的简单的工作介质。此外，过程规划有明确的和全面的文档介质以及不同部门之间中央通讯平台的功能。综上所述,图1描述了使用集成的进程规划的最重要的目标。

图1．使用集成进程规划的目标

集成的进程规划以图形的方式描述了串行和并行生产的工艺流程，因此，参考IEC 61131给出了相似的序列功能表，但是从集成的进程规划中自动生成足够的PLC程序，还需要额外的进程元素和属性。

bull;4．3．过程元素和IEC 61131-3的要求

一个遵守IEC 61131 – 3的SFC由以下步骤转换，平行、替代和替代逻辑组成，因此，有串行和并行进程的进程规划必须有控制工程跟逻辑器件一起处理。

此外,手动和自动的过程分类是必要的,因为并不是所有的专用的单元过程流与后面的PLC程序相关。自动化的进程还需分为机器控制和PLC驱动作业，另外，对所有过程元件的通用性质，专用的元件的属性是必要的。

例如说不论在选择还是并行逻辑是分支的数目是要求的，并要识别他们是否是开始或结束节点。图2给出了要求的过程元素的。

过程元素

可变逻辑

并行逻辑

开始节点

过渡

活动

逻辑参数

技术元素

结束节点

图2．为

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