Dataflow + G = LabVIEW

Машина Тьюринга, как модель автоматных программ

1. Введение

1. Введение

1. Введение

Когда мы научимся создавать безошибочные алгоритмы? Двойная катастрофа самолета Боинг 737 МАХ явилась крупнейшей по своим масштабам алгоритмической трагедией за всю историю человечества.
На руках разработчиков алгоритмов кровь сотен людей.
Глава корпорации Boeing, выдающийся инженер и талантливый руководитель Деннис Мюленбург на слушаниях в конгрессе США выглядел как нашкодивший мальчишка и слетел со своего поста как пушинка.

Может быть, уже пора вздрогнуть, содрогнуться и осознать, что наступила точка невозврата? Что мы вступаем в новую эпоху, которая властно требует покончить с прошлым и навсегда отречься от небезопасных методов разработки алгоритмов?
Или нам нужна еще более страшная трагедия?

Визуальный алгоритмический язык ДРАКОН и ДРАКОН-методология опираются на новые идеи, демонстрируют заметные успехи в области безопасного создания алгоритмов и жизнеритмов.
ДРАКОН использует мантру безошибочности (батарею новых методов) и уверенно делает первый шаг к безошибочному будущему.
К сожалению, есть и ложка дегтя. Язык ДРАКОН пока еще не существует (есть лишь только разговоры) и занимает микроскопическую долю рынка. Но на него стоит обратить серьезное внимание.

Анатолий Шалыто — доктор технических наук, профессор Университета ИТМО, специалист в области автоматного программирования и проектирования алгоритмов логического управления технологическими процессами. C 1970 года он работает в НПО «Аврора», в 2018-м стал одним из первых троих специалистов, награжденных государственной наградой, — знаком отличия «За наставничество». В интервью музейному проекту DataArt Анатолий Абрамович рассказал о выборе профессии и институте, провалившемся под землю, инженерах в белых и синих халатах, своих учителях и учениках, книге, напечатанной одним пальцем, и вере в собственные силы.

Про конечные автоматы (finite state machine, fsm) много кто слышал, но используют их явно в реальных проектах редко. Чаще встречаются конструкции, которые поведением напоминают КА, но ими не являются.
Почему же автоматы обходят стороной и/или изобретают велосипеды, превращая код в спагетти?
По-моему, тут дело в стереотипе: мол, автоматы — это что-то сложное из теоретической математики и к реальной жизни не относится. А применять их можно только в лексических анализаторах или еще чем-нибудь специфичном.

На самом деле, область применения КА куда шире и понятнее. Давайте разберем на примере автоматизации процессов в любимом кровавом enterprise.

Промышленный логический контроллер (ПЛК) - это тот же компьютер, но попроще. В нем есть все или почти все, что есть в любом ПК, но только, может,  в меньшем объеме или не такой производительности. Но зато он может работать там, где обычный компьютер неприменим. У ПЛК есть то, что делает работу с ним проще при управлении оборудованием.  Например,  наличие "на борту" каналов ввода/вывода дискретных логических сигналов. Его программирование специфично. Выбор языков программирования достаточно ограничен, по  большому счету их всего-то пять, и определяется стандартом МЭК 61131-3 [1]. И этого, как убеждает практика, по большому счету вполне достаточно.

Выбор ПЛК фирмы DELTA, кроме наличия собственной IDE, предоставляет доступ к широкому перечню периферийного оборудования. Фирменное ПО, как минимум, удобнее тем, что не требует особой настройки и «в один клик» работает на всей линейке технических средств фирмы. Минусы могут проявиться в отставании от передовых тенденций программирования. Но для ПЛК это не самая большая проблема, т.к. языки, определяемые стандартом, достаточно консервативны, а их настройка под разные типы ПЛК, как правило, не так уж сложна.

Можно даже утверждать, что тип ПЛК достаточно условен, т.к. программирование при наличии промышленного стандарта для них фактически неотличимо (различие в IDE пока не рассматриваем). По крайней мере, сам стандарт на это настраивает. Нам же далее будет важнее реализация определенной идеи. И если уж, как мы увидим,  с этим справится столь элементарный язык программирования, как язык релейно-контактных диаграмм, то это будет вполне по силам и любому другому языку программирования для ПЛК.  И уж тем более по плечу почти любому из известных языков для ПК. 

А что сказка дурна — то рассказчика вина.
Изловить бы дурака да отвесить тумака,
ан нельзя никак — ведь рассказчик-то дурак!
А у нас спокон веков нет суда на дураков!..
Леонид Филатов.

При обсуждении предыдущей статьи буквально, как "чертик из табакерки", выскочил вид программирования, названный шаговым. Автор был готов к подобному, поскольку был знаком ним, хотя, может быть, и "шапочно". В документации на ПЛК такое программирование носит, правда, название пошагового управления (видимо, это и сбивало меня на термин "пошаговое программирование"). Но это не столь принципиально, чтобы по этому поводу «ломать копья». Важна суть, а именно в силу ее далее эти термины будем считать равноправными.

Но дело даже не в том, что этот вид программирования был, возможно, новостью для участников обсуждения (в рамках программирования ПЛК DELTA это стандартный вид программирования), а в том, что он позиционировался, как известная идея, заменяющая автоматное программирование (АП).  Собственно это и было определенно неожиданным... Но поскольку, так и не удалось дождаться исполнения просьб о реализации модели RS-триггера на языке шагового программирования, а формат обсуждения статьи не предполагает написания больших постов, то это и послужило поводом к написанию статьи.

Штабелер – устройство, расположенное после гильотины.  Для отражения своего состояния он может иметь один или два датчика. Таких состояний обычно два - закрытое и открытое. Находясь в исходном состоянии - закрытом, штабелер принимает лист металла и затем - в открытом состоянии сбрасывает его в накопительное устройство. После этого возвращается в исходное состояние. Мы рассмотрим штабелер, содержащий один датчик. Для правильной трактовки текущего состояния штабелера нужно в ручном режиме установить его в исходное состояние и далее вести отсчет состояний уже от него.

Запуск и режимы работы штабелера

Система управления линией профилирования металла поддерживает три базовых режима - ручной, полуавтоматический и автоматический. В программе им соответствуют реле - M9, M10, M11. Штабелер имеет всего два режима работы, названных  далее ручным и автоматическим. В ручном режиме работы системы он работает соответственно в ручном режиме, а в остальных - в автоматическом.

В ручном режиме штабелер управляется только кнопкой "Штабелер", при каждом нажатии которой он отрабатывает половину своего цикла работы, поочередно переходя при каждом нажатии кнопки из одного состояния в другое.  В автоматическом режиме штабелер отрабатывает полный цикл. В этом случае он принимает лист, находясь в исходном состоянии, затем сбрасывает его на приемный стол и после этого возвращается в исходное состояние, где ожидает поступление очередного листа.

На рис.1 представлен код, который запускает в работу штабелер, устанавливая единичное значение флагу bПускШтабелера. При этом текущий режим ему задается флагом bРежимШтабелера, нулевое значение которого определяет ручной режим работы, единичное - автоматический.

В предыдущих статьях мы фрагментарно описали практику автоматного программирования для ПЛК. Здесь мы сведем все в одном месте и кое-что добавим. Ответы на вопросы, которые все же могут возникнуть после прочтения данного материала, можно найти в ранее написанных статьях автора. Перечень базовых статей следующий:

1. Автоматное программирование: определение, модель, реализация.

2. Вот, как просто! Автоматы в деле. Для ПЛК фирмы DELTA.

3. Автоматы в деле. Штабелер. Засады ПЛК.

Задание на проектирование программы

В предшествующей статье мы уже рассматривали штабелер. Здесь будет более сложный его  вариант. Это узкое «крыло», которое, находясь в исходном состоянии, с паузой после старта проката подхватывает лист металла и поддерживает его в процессе движения. После останова проката и отсечения листа оно выполняет «отскок» вперед, освобождая конец листа, который падает на приемное устройство - гидростол.  После этого "крыло" возвращается в исходное состояние. Во время этих движений прокат должен быть остановлен. После исполнения задания (формирования нужного числа листов заданной длины)  «крыло» перемещается в заключительную позицию за пределы гидростола. Возврат в исходное состояние происходит после нажатия кнопки «Штабелер». Выполнение самого задания начинается с нажатия кнопки «Прокат», а длина отдельного листа и общее их количество указывается на панели оператора. 

После нажатия кнопки «Сброс» (прокат останавливается, переходя в режим паузы) штабелер должен войти в режим паузы. Повторное нажатие кнопки выполняет реальный сброс системы управления. Продолжить прокат, находясь в ситуации паузы,  можно с помощью кнопки «Прокат». Штабелер, находясь в режиме «Автомат», может входить в тот же режим паузы, но после формирования текущего листа.   Работа штабелера в режиме системы «Полуавтомат» несколько отличается от работы в режиме «Автомат». В первом случае он останавливается после выполнения проката и ожидает срабатывания гильотины (в режиме «Полуавтомат» она запускается вручную). Дождавшись, он сбрасывает лист и перемещается в заключительную позицию. Из нее нажатием кнопки Штабелер «крыло» возвращается в исходное состояние. В режиме «Автомат» перемещение в заключительную позицию происходит только после выполнения задания.

Соловей!.. Ведь, слушайте, ведь вот пичуга! Ну, смотреть не на что!.. Ну, мелочь пузатая!.. А ведь как, подлец, природу украшал!.. Что делал, мерза­вец!.. Э-тю-тю-тю-тю-тю-тю, тю-тю-тю!..

Райкин А. Люди и манекены

Рассмотрим алгоритм, который заимствован из несложного проекта системы управления прессом. В сам проект вникать не будем, а рассмотрим лишь его небольшую и, пожалуй, самую простую часть – управление валками. На пульте управления есть кнопка «Валки» (на рис. 1 сигнал X6), при нажатии на которую посылается сигнал, который то прижимает, то отпускает валки. Преобразуем алгоритм управления валками в автоматную форму и посмотрим, что из этого получится.

Код исходного проекта, реализующий поставленную задачу, приведен на рис. 1. Верхняя цепь данного фрагмента задает текущий режим системы управления, а нижняя - собственно управление валками.