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1、PLC程序的缩减时间自动装置H.X.Willems摘要在这项工作中，开发了一套工具，用于将可编程序控制器（PLC）程序转换成定时自动装置，以便核查这个程序。这是表明，我们的PLC程序的定时自动装置模型可以被分解成定时部分和不定时部分，通常情况下，不定时部分，在规模上远远大于定时部分，且可以使用CADP工具箱将其简化到合适的大小。这样的简化，使状态空间的减少量是很可观的，即使是小型的PLC程序。关键词：可编程序控制器、PLC自动装置、定时自动装置AMS主题分类（1991）： 68N20, 68Q05, 68Q55, 68Q60CR主题分类(1994): C.3, D.2.4, D.2.5, D.
2、3.2, D.3.4, F.3.11 说明可编程序控制器（PLC）越来越多地被应用于各种工业环境中的关键安全应用程序。这项工作的目的是PLC应用程序的验证。因为许多由PLC控制的过程是时间先决的，时间被认为是由PLC的施加控制的不可分割的一部分，时间自动装置的形式对于PLC系统的建模似乎是适当的，因为它允许包括实时方面。此外，模型检查工具可为时间自动机的系统验证提供方便。如图1所示，这里考虑的PLC有一个运作框架。在每个周期开始时，PLC从环境中读取所有的传感元件，并且将其可访问内存单元的实际状态放置到PLC程序中；随后，将被编入执行PLC的程序指令和计算结果写入（其他的）内存单元；第三步，这
3、些结果送入由PLC控制的执行机构。输出完成后，才能进入下一个周期。在这项工作中，我们只考虑简单的PLC。因为PLC不支持多任务和中断，这些功能会使所遇到的问题更复杂。在验证PLC应用时，所遇到的问题之一，是状态空间剧增。例如，如果我们有一个PLC控制3个开关量（这是并不鲜见的），每个开关可以打开或关闭。仅由开关产生的状态空间就有230个。然而，其中许多可能无法访问，因为某些开关不能进行组合。4，5，6，7中已描述多种算法，以减少状态空间。状态空间减少方法是由Caesar/Aldebaran开发包（CADP工具集）支持，可访问http:/www.inrialpes.fr/vasy/cadp.ht
4、ml，从中获得。然而，这些算法（工具集）并没有把时间考虑在内，因此CADP提供的减少状态空间方法不能直接用于PLC系统的状态空间减少。本项目中，我们分成定时和不定时两个部分，并将PLC系统的状态减少法用于后者。在这方面，值得庆幸的是，两部分中不定时的部分是迄今为止最大的。 下一节，我们将讨论一种可转换成定时自动机的PLC语言，以及完成该转换的编译器的设计。第3章侧重讲，使用CADP以减少PLC系统的状态空间，和一种现有的用来生成省时自动机编译器。第4章，呈现并讨论安装有前面章节开发编译器的PLC系统所获得的结果。第5章给出从这项研究得出的结论，第6章进一步研究提供建议。2 编译器的设计本节介绍
5、，指令表（IL）语言，它被IEC定义为标准1131-3 8，和其它一些定时器结构。2.2节在基本语言上的采用了一些限制，以简化的编译器的设计。本节还将介绍模型检查Uppaal，它是本项目中用来执行时间自动检查的模型。以及从IL转化成中间格式在转化成Uppaal定时自动格式的过程。 Uppaal时间自动格式将在本文中进行介绍（在Uppaal中它被称为“ta”格式）。本文将与编译器生成的描述（定时自动机）表示为PLC自动机。2.1 基础语言：指令表IL是一种低层次的语言，它的结构类似于一个简单的机器汇编。国际电工委员会（IEC）已经认可了IL8，因为它简单，易于学习，非常适合用来解决项目执行过程中
6、直接的较小问题以及小范围的变化。9。此外，它有时是一个IEC标准的PLC语言的基础，其中的所有其他语言（在该标准的定义中）可以转换 9。图2给出了一个用IL写的小程序。IL程序包括一系列指令，每个指令在一个新行。由一个指令（至少）包括一个运算符和一个操作数；运算符可通过一个标签运行，而且可以通过追加所谓的修饰符改变其内涵。表2.1中已给出可用于IL的运算符的数量，每个运算符允许的修改次数和操作的数量。最后，可根据需要给各个操作数附上评论。一些句法的细节：一个标签以字母开头，由字母和数字和结束与一个冒号（VOLTS_OK: 和END: 见图2）。修饰符确认操作数N（按位取反），C（条件）和“（”
7、，（表示暂停运作，即先计算括号之间的部分）。IL指令，可以是布尔值，整数或变量名。在IL中，标签和变量名不区分大小写的意见，可在目前以指令开始，不包含“换行”。将IL代码包含在一个“项目类型定义”中，此定义以关键词“项目”开始，“结束项目”结束，可完成一个PLC程序。其定义包含（IL）的程序文本，还包括输入，输出和内部变量声明列表。图3给出一个示例程序类型定义。将IL代码包含在一个“项目类型定义”中，此定义以关键词“项目”开始，“结束项目”结束，可完成一个PLC程序。其定义包含（IL）的程序文本，还包括输入，输出和内部变量声明列表。图3给出一个示例程序类型定义。IL程序的语义是由Mader和W
8、upper描述的布尔变量10。这项工作，包括整数的扩展很简单。然而，有一个问题：有一个特殊的变量，称为实际的寄存器（AE），其代表在PLC的中央处理单元累加器的值，它应承担布尔值和整数值。由于我们不希望使用重载变量，应给寄存器应加装与它相关的单一型号。决定使用的寄存器类型的一个整数，1代表true，0代表false。2.2有关基础语言的约束准则关于计时器：本文只涉及导通延迟计时器（TON计时器），即是在IEC 1131-3中描述的有两个输入口（IN和PT）和两个输出件（Q和ET）的标准化计时器。图4（上部）给出了这样一类定时器布局图。IN输入口确定时钟是否运行；如果其状态为true，计时器将在
9、Q变为true之前，进入等待状态，等待时间由PT给出。在这段等待时间中，ET开始计时，当等待时间结束，ET则与PT等值。在图4(下部)给出计时器终端（TON计时器）各组件的之间联系。 这种定时器可以被视为厨房警报器的一个代表： 如果设置它，它将在指定的时间后报警。此种计时器由软件设计（不由硬件）实现的，与理想计时器相比，人们常常采用这类延时。在文本的中， 这种不精确性没有得到清楚的阐述。 此外，除非计时器设定时间到了，计时器的输出口不改变：定时器间接接地影响着可变参数，但是CAL timer命令必须用于更新Q和ET的值。在此处所用的程序语言解析方法里，计时器必须事先接入在输入口，而在 IL标准
10、中可用的计时器将形成一个计时器列表在此处不可用，由于目标格式不支持包含点的变量名称，这些点被翻译为“底线”（TIMER.PT被翻译为定时器TIMER_PT）。 如果TON定时器在输入被找到，四个变量被加入变量列表中：<timer_name>_IN，<timer_name>_PT，<timer_name>_ET，<timer_name>_Q，对于不同的程序，变量之一的<timer_name>_PT将被赋予不同的值。其中的原因将在2.4.2节中详细阐明。其他类型的计时器也能同样地处理。 Mader和Wupper展示了这样一类计时器是如何被
11、转被换成一个定时自动机的。 关于细节，读者查阅请原文 10。 在这里，参数ET没有使用，因此我们也不探讨它。按照标准，控制器的限定量N（参见表2.1）应该是按位取反。在这项工作中，它被分别解释为布尔值和整数值：对于布尔值，它被解释作为逻辑否定（例如LDN B1布尔变量B1为true 将导致实际寄存器的值为0)，而对于整数值，它被解释作为整数信号的改变（LDN 1导致AE = -1）。注意，这里所开发的翻译器不允许将true和false作为操作数使用：这些布尔值在翻译成中间格式的过程中，保持一成不变 (参见下段)，但是引起了进一步的问题（因为他们将被视为未声明的标识符）；取而代之，我们使用1和0
12、。 然而，这可能导致一类问题是否原始程序包含语句LDN true或LDN false中的一个，因为LDN 1将导致AE = -1而不是AE = 0。 所以LDN控制器不应该使用true和false (而应该使用LD 1或0)。 这里使用的翻译器能识别的只有三个基本类型（BOOL，INT，TON）和三个使用类型（输入，输出和正常），而标准型定义了更多的类型。限制基本类型的原因是，整数值和布尔值可大量修改，且一部分模型检验器不支持更复杂的类型，如：对效率因素的实时控制。限制使用类型的原因是，至于有关PLC的核查，除这三个变量外，不需要变量：如果需要的话，可以轻松地纳入其他类型（例如“保留”变量），
13、而不会产生其它的问题。 此外，除了调用TON计时器时，函数不能被识别（这意味着，CAL控制器只执行定时器，而RET控制器不得执行）。这样做是因为，对于核查来说，代码是连续的或包含函数调用都无关紧要，而所有的带有函数调用的PLC程序都可以改写成没有函数调用的PLC程序。一般来说，包含函数调用的程序不能简单地在顺序程序中被改写。然而，因为递归函数不允许出现在带有有界周期时间应用程序中（如实例PLC Programs1），所以使函数退化成简单的宏指令和重写的程序成为可能。最后，没有公认的标准（例如%IW40）中定义的绝对地址，相反，应该使用标识符。2.3从指令列表到中间格式最初，我们预期可以使用Ex
14、tended Affix Grammar（EAG）编译器，来将IL转换成定时自动机，但这种方法导致编译器运算过慢，所以我们放弃了这种方法。然后，我们决定使用C程序来翻译，因为我们已经有了EAG解析器，我们用它来生成一个中间格式，就可以很容易地读取一个C程序。中间格式上的第一行（ASCII）为程序的名称，下一行是数量的声明，其次是bij的声明。每个声明行的格式为：variable_name : base_type : use_type : 当base_type是BOOL，INT或TON的use_type和use_type是INPUT、OUTPUT或NORMAL。下一行包含IL文件中指令的数目，其
15、次指令的格式：sequence_number : level : label : operator : modifiers : operand，每项一行。当这种格式的后一个单元没有自我解释是，序列号和等级，可能需要一些说明。等级就是一个特定语句开头括号中的那个数字。引入这样一个等级的原因是，我们打算定义一种嵌套括号，不带一个堆栈，但带有对应每个等级的不同变量。我们这样做是因为我们不想想用有限自动机（嵌套括号的数量可以被静态确定）。在图5a中描绘的结构被转换到图5b中所述。可以看出，在图5b中的语句序列（“后缀”符号）与在图5a中的“前缀”符号是不同的。图5b的后缀表示法对于支架施工是很必要的。
16、5b中的结构稍后会为主等级和嵌套等级分别用变量ae0和ae1来定义（见章节2.4和3）。见EAG语法文字文本的可用性报告的结束部分（及相关文件）。EAG编译器本身可从ftp:/ftp.cs.kun.nl/pub/eag获得。2.4 从中间格式到TA格式我们选择Uppaal(参见http:/www.docs.uu.se/docs/rtmv/uppaal/)模型检测器，是因为它支持整数和大多IL语言的多种元件(任务、算术和比较)。此外，实时编写可以被定义，且如上所示的内容这对PLC的应用非常重要。应用包不支持布尔值 (仅支持整数值)，并且如上所述，这与实际计数器的实施选择恰好相符。另外的好处是这个包裹支持TA输入格式，且是十分简单的格式(注：DIV操作员没有被实施维护与i2lotos编译器的相似性，参考第3.1节)
