Уважаемые коллеги, мы рады предложить вам, разрабатываемый нами учебный курс по программированию ПЛК фирмы Beckhoff с применением среды автоматизации TwinCAT. Курс предназначен исключительно для самостоятельного изучения в ознакомительных целях. Перед любым применением изложенного материала в коммерческих целях просим связаться с нами. Текст из предложенных вам статей скопированный и размещенный в других источниках, должен содержать ссылку на наш сайт heaviside.ru. Вы можете связаться с нами по любым вопросам, в том числе создания для вас систем мониторинга и АСУ ТП.


Типы данных в языках стандарта МЭК 61131-3

Уважаемые коллеги, в этой статье мы будем рассматривать важнейшую для написания программ тему — типы данных. Чтобы читатели понимали, в чем отличие одних типов данных от других и зачем они вообще нужны, мы подробно разберем, каким образом данные представлены в процессоре. В следующем занятии будет большая практическая работа, выполняя которую, можно будет потренироваться объявлять переменные и на практике познакомится с особенностями выполнения математических операций с различными типами данных.

Простые типы данных

В прошлой статье мы научились записывать цифры в двоичной системе счисления. Именно такую систему счисления используют все компьютеры, микропроцессоры и прочая вычислительная техника. Теперь мы будем изучать типы данных.

Любая переменная, которую вы используете в своем коде, будь то показания датчиков, состояние выхода или выхода, состояние катушки или просто любая промежуточная величина, при выполнении программы будет хранится в оперативной памяти. Чтобы под каждую используемую переменную на этапе компиляции проекта была выделена оперативная память, мы объявляем переменные при написании программы. Компиляция, это перевод исходного кода, написанного программистом, в команды на языке ассемблера понятные процессору. Причем в зависимости от вида применяемого процессора один и тот же исходный код может транслироваться в разные ассемблерные команды (вспомним что ПЛК Beckhoff, как и персональные компьютеры работают на процессорах семейства x86).

Как помните, из статьи Знакомство с языком LD, при объявлении переменной необходимо указать, к какому типу данных будет принадлежать переменная. Как вы уже можете понять, число B016 будет занимать гораздо меньший объем памяти чем число 4 C4E5 01E7 7A9016. Также одни и те же операции с разными типами данных будут транслироваться в разные ассемблерные команды. В TwinCAT используются следующие типы данных:

Классификация типов данных TwinCAT 3

Биты

BOOL — это простейший тип данных, как уже было сказано, этот тип данных может принимать только два значения ​0 и 1. Так же в TwinCAT, как и в большинстве языков программирования, эти значения, наравне с 0 и 1, обозначаются как TRUE и FALSE и несут в себе количество информации, соответствующее одному биту. Минимальным объемом данных, который читается из памяти за один раз, является байт, то есть восемь бит. Поэтому, для оптимизации скорости доступа к данным, переменная типа BOOL занимает восемь бит памяти. Для хранения самой переменной используется нулевой бит, а биты с первого по седьмой заполнены нулями. Впрочем, на практике о таком нюансе приходится вспоминать достаточно редко.

BIT — то же самое, что и BOOL, но в памяти занимает 1 бит. Как можно догадаться, операции с этим типом данных медленнее чем с типом BOOL, но он занимает меньше места в памяти. Тип данных BIT отсутствует в стандарте МЭК 61131-3 и поддерживается исключительно в TwinCAT, поэтому стоит отдавать предпочтение типу BOOL, когда у вас нет явных поводов использовать тип BIT.

Целочисленные типы данных

BYTE — тип данных, по размеру соответствующий одному байту. Хоть с типом BYTE можно производить математические операции, но в первую очередь он предназначен для хранения набора из ​8 ​бит. Иногда в таком виде удобнее, чем побитно, передавать данные по цифровым интерфейсам, работать с входами выходами и так далее. С такими вопросами мы будем знакомится далее по мере изучения курса. В переменную типа BYTE ​можно записать числа из диапазона 0..255 (0..28-1).

WORD — то же самое, что и BYTE, но размером ​16​ бит. В переменную типа WORD можно записать числа из диапазона 0..65 535​ ​(0..216-1). Тип данных WORD переводится с английского как «слово». Давным-давно термином машинное слово называли группу бит, обрабатываемых вычислительной машиной за один раз. Была уместна фраза «Программа состоит из машинных слов.». Со временем этим термином перестали пользоваться в прямом его значении, и сейчас под термином «машинное слово» обычно подразумевается группа из 16​ бит.

DWORD — то же самое, что и BYTE, но размером 32 бит. В переменную типа DWORD можно записать числа из диапазона 0..4 294 967 295​​ ​(0..232-1). DWORD — это сокращение от double word, что переводится как двойное слово. Довольно часто буква «D» перед каким-либо типом данных значит, что этот тип данных в два раза длиннее, чем исходный.

LWORD — то же самое, что и BYTE, но размером 64 ;бит. В переменную типа LWORD можно записать числа из диапазона 0..18 446 744 073 709 551 615 (0..264-1). LWORD — это сокращение от long word, что переводится как длинное слово. Приставка «L» перед типом данных, как правило, означает что такой тип имеет длину 64 бита.

SINT — знаковый тип данных, длинной 8 бит. В переменную типа SINT можно записать числа из диапазона -128..127​​ ​(-27..27-1). В отличии от всех предыдущих типов данных этот тип данных предназначен для хранения именно чисел, а не набора бит. Слово знаковый в описании типа означает, что такой тип данных может хранить как положительные, так и отрицательные значения. Для хранения знака числа предназначен старший, в данном случае седьмой, разряд числа. Если старший разряд имеет значение 0, то число интерпретируется как положительное, если 1, то число интерпретируется как отрицательное. Приставка «S» означает short, что переводится с английского как короткий. Как вы догадались, SINT короткий вариант типа INT.

USINT — беззнаковый тип данных, длинной 8 бит. В переменную типа USINT можно записать числа из диапазона 0..255​​ ​(0..28-1). Приставка «U» означает unsigned, переводится как беззнаковый.

Остальные целочисленные типы аналогичны уже описанным и отличаются только размером. Сведем все целочисленные типы в таблицу.

Тип данныхНижний пределВерхний пределЗанимаемая память
BYTE02558 бит
WORD065 53516 бит
DWORD04 294 967 29532 бит
LWORD0 264-1 64 бит
SINT-1281278 бит
USINT0 2558 бит
INT-32 76832 76716 бит
UINT0 65 53516 бит
DINT-2 147 483 6482 147 483 64732 бит
UDINT0 4 294 967 295 32 бит
LINT-263-263-164 бит
ULINT0 -264-1 64 бит

Выше мы рассматривали целочисленные типы данных, то есть такие типы данных, в которых отсутствует запятая. При совершении математических операций с целочисленными типами данных есть некоторые особенности:

  • Округление при делении: округление всегда выполняется вниз. То есть дробная часть просто отбрасывается. Если делимое меньше делителя, то частное всегда будет равно нулю, например, 10/11 = 0.
  • Переполнение: если к целочисленной переменной, например, SINT, имеющей значение 255, прибавить 1, переменная переполнится и примет значение 0. Если прибавить 2, переменная примет значение 1 и так далее. При операции 0 — 1 результатом будет 255. Это свойство очень схоже с устройством стрелочных часов. Если сейчас 2 часа, то 5 часов назад было 9 часов. Только шкала часов имеет пределы не 1..12, а 0..255. Иногда такое свойство может использоваться при написании программ, но как правило не стоит допускать переполнения переменных.

Подробно такие нюансы разбираются в пособиях по дискретной математике. Мы на них пока что останавливаться не будем, но о приведенных двух особенностях не стоит забывать при написании программ.

Можно встретить упоминания о данных с фиксированной запятой, это такие данные, в которых количество знаков после запятой строго фиксировано. В TwinCAT типы данных с фиксированной запятой отсутствуют в чистом виде. TwinCAT поддерживает типы данных с плавающей запятой, то есть количество знаков до и после запятой может быть любым в пределах поддерживаемого диапазона.

Типы данных с плавающей запятой

REAL — тип данных с плавающей запятой длинной 32 бита. В переменную типа REAL можно записать числа из диапазона -3.402 82*1038..3.402 82*1038​​.

LREAL — тип данных с плавающей запятой длинной 64 бита. В переменную типа LREAL можно записать числа из диапазона -1.797 693 134 862 315 8*10308..1.797 693 134 862 315 8*10308​​.

При присваивании значения типам REAL и LREAL присваиваемое значение должно содержать целую часть, разделительную точку и дробную часть, например, 7.4 или 560.0.

Так же при записи значения типа REAL и LREAL использовать экспоненциальную (научную) форму. Примером экспоненциальной формы записи будет Me+P, в этом примере

  • M называется мантиссой.
  • e называется экспонентой (от англ. «exponent»), означающая «·10^» («…умножить на десять в степени…»),
  • P называется порядком.

Примерами такой формы записи будет:

  • 1.64e+3 расшифровывается как 1.64e+3 = 1.64*103 = 1640.
  • 9.764e+5 расшифровывается как 9.764e+5 = 9.764*105 = 97640.
  • 0.3694e+2 расшифровывается как 0.3694e+2 = 0.3694*102 = 36.94.

Еще один способ записи присваиваемого значения переменной типа REAL и LREAL, это добавить к числу префикс REAL#, например, REAL#7.4 или REAL#560. В таком случае можно не указывать дробную часть.

Старший, 31-й бит переменной типа REAL представляет собой знак. Следующие восемь бит, с 30-го по 23-й отведены под экспоненту. Оставшиеся 23 бита, с 22-го по 0-й используются для записи мантиссы.

В переменной типа LREAL старший, 63-й бит также используется для записи знака. В следующие 11 бит, с 62 по 52-й, записана экспонента. Оставшиеся 52 бита, с 51-го по 0-й, используются для записи мантиссы.

При записи числа с большим количеством значащих цифр в переменные типа REAL и LREAL производится округление. Необходимо не забывать об этом в расчетах, к которым предъявляются строгие требования по точности. Еще одна особенность, вытекающая из прошлой, если вы хотите сравнить два числа типа REAL или LREAL, прямое сравнение мало применимо, так как если в результате округления числа отличаются хоть на малую долю результат сравнения будет FALSE. Чтобы выполнить сравнение более корректно, можно вычесть одно число из другого, а потом оценить больше или меньше модуль получившегося результата вычитания, чем наибольшая допустимая разность. Поведение системы при переполнении переменных с плавающей запятой не определенно стандартом МЭК 61131-3, допускать его не стоит.

Строковые типы данных

STRING — тип данных для хранения символов. Каждый символ в переменной типа STRING хранится в 1 байте, в кодировке Windows-1252, это значит, что переменные такого типа поддерживают только латинские символы. При объявлении переменной количество символов в переменной указывается в круглых или квадратных скобках. Если размер не указан, при объявлении по умолчанию он равен 80 символам. Для данных типа STRING количество содержащихся в переменной символов не ограниченно, но функции для обработки строк могут принять до 255 символов.

Объем памяти, необходимый для переменной STRING, всегда составляет 1 байт на символ +1 дополнительный байт, например, переменная объявленная как «STRING [80]» будет занимать 81 байт. Для присвоения константного значения переменной типа STRING присваемый текст необходимо заключить в одинарные кавычки.

Пример объявления строки на 35 символов:

sVar : STRING(35) := 'This is a String'; (*Пример объявления переменной типа STRING*)

WSTRING — этот тип данных схож с типом STRING, но использует по 2 байта на символ и кодировку Unicode. Это значит что переменные типа WSTRING поддерживают символы кириллицы. Для присвоения константного значения переменной типа WSTRING присваемый текст необходимо заключить в двойные кавычки.

Пример объявления переменной типа WSTRING:

wsVar : WSTRING := "This is a WString"; (*Пример объявления переменной типа WSTRING*)

Если значение, присваиваемое переменной STRING или WSTRING, содержит знак доллара ($), следующие два символа интерпретируются как шестнадцатеричный код в соответствии с кодировкой Windows-1252. Код также соответствует кодировке ASCII.

Код со знаком доллараЕго значение в переменной
$<восьмибитное число> Восьмибитное число интерпретируется как символ в кодировке ISO / IEC 8859-1
‘$41’A
‘$9A’©
‘$40’@
‘$0D’, ‘$R’, ‘$r’Разрыв строки
‘$0A’, ‘$L’, ‘$l’, ‘$N’, ‘$n’Новая строка
‘$P’, ‘$p’Конец страницы
‘$T’, ‘$t’Табуляция
‘$$’Знак доллара
‘$’ ‘Одиночная кавычка

Такое разнообразие кодировок связанно с тем, что у всех из них первые 128 символов соответствуют кодовой таблице ASCII, но в статье для каждого случая кодировка указывалась так же, как она указана в infosys.

Пример:

  1. VAR CONSTANT
  2. sConstA : STRING :='Hello world';
  3. sConstB : STRING :='Hello world $21'; (*Пример объявления переменной типа STRING с спец символом*)
  4. END_VAR

Типы данных времени

TIME — тип данных, предназначенный для хранения временных промежутков. Размер типа данных 32 бита. Этот тип данных интерпретируется в TwinCAT, как переменная типа DWORD, содержащая время в миллисекундах. Нижний допустимый предел 0 (0 мс), верхний предел 4 294 967 295 (49 дней, 17 часов, 2 минуты, 47 секунд, 295 миллисекунд). Для записи значений в переменные типа TIME используется префикс T# и суффиксы d: дни, h: часы, m: минуты, s: секунды, ms: миллисекунды, которые должны располагаться в порядке убывания.

Примеры корректного присваивания значения переменной типа TIME:

TIME1 : TIME := T#14ms;
TIME1 : TIME := T#100s12ms; // Допускается переполнение в старшем отрезке времени.
TIME1 : TIME := t#12h34m15s;

Примеры некорректного присваивания значения переменной типа TIME, при компиляции будет выдана ошибка:

TIME1 : TIME := t#5m68s;   // Переполнение не в старшем отрезке времени недопустимо
TIME1 : TIME := 15ms;   // Пропущен префикс T#
TIME1 : TIME := t#4ms13d;   // Не соблюден порядок записи временных отрезок

LTIME — тип данных аналогичен TIME, но его размер составляет 64 бита, а временные отрезки хранятся в наносекундах. Нижний допустимый предел 0, верхний предел 213 503 дней, 23 часов, 34 минуты, 33 секунд, 709 миллисекунд, 551 микросекунд и 615 наносекунд. Для записи значений в переменные типа LTIME используется префикс LTIME#. Помимо суффиксов, используемых для записи типа TIME для LTIME, используются µs: микросекунды и ns: наносекунды.

Пример:

LTIME1 : LTIME := LTIME#1000d15h23m12s34ms2us44ns; (*Пример объявления переменной типа LTIME*)

TIME_OF_DAY (TOD) — тип данных для записи времени суток. Имеет размер 32 бита. Нижнее допустимое значение 0, верхнее допустимое значение 23 часа, 59 минут, 59 секунд, 999 миллисекунд. Для записи значений в переменные типа TOD используется префикс TIME_OF_DAY# или TOD#, значение записывается в виде <часы : минуты : секунды> . В остальном этот тип данных аналогичен типу TIME.

Пример:

TIME_OF_DAY#15:36:30.123
tod#00:00:00

Date — тип данных для записи даты. Имеет размер 32 бита. Нижнее допустимое значение 0 (01.01.1970), верхнее допустимое значение 4 294 967 295  (7 февраля 2106), да, здесь присутствует возможный компьютерный апокалипсис, но учитывая запас по верхнему пределу, эта проблема не слишком актуальна. Для записи значений в переменные типа TOD используется префикс DATE# или D#, значение записывается в виде <год — месяц — дата>. В остальном этот тип данных аналогичен типу TIME.

DATE#1996-05-06
d#1972-03-29

DATE_AND_TIME (DT) — тип данных для записи даты и времени. Имеет размер 32 бита. Нижнее допустимое значение 0 (01.01.1970), верхнее допустимое значение 4 294 967 295 (7 февраля 2106, 6:28:15). Для записи значений в переменные типа DT используется префикс DATE_AND_TIME # или DT#, значение записывается в виде <год — месяц — дата — час : минута : секунда>. В остальном этот тип данных аналогичен типу TIME.

DATE_AND_TIME#1996-05-06-15:36:30
dt#1972-03-29-00:00:00

На этом раз мы заканчиваем рассмотрение типов данных. Сейчас мы разобрали не все типы данных, остальные можно найти в infosys по пути TwinCAT 3TE1000 XAE → PLC → Reference Programming → Data types.

Следующая статья будет целиком состоять из практической работы, мы напишем калькулятор на языке LD.


Продолжение следует