Chiến lược phát triển phần mềm lập trình điều khiển cho hệ thống công nghiệp đang thay đổi do mong muốn tái sử dụng  và thích nghi lập trình cho hàng loạt bộ điều khiển khác nhau như PLC, PAC, IPC và bộ điều khiển nhúng.

Có lựa chọn nào khi chuẩn bị các ứng dụng hệ thống điều khiển công nghiệp? Người dùng có phải chọn giữa độ bền và chức năng của giải pháp điều khiển không? Có giải pháp nào dành cho sự tạo nguyên mẫu nhanh của hệ thống điều khiển công nghiệp không?

Hầu hết các bộ điều khiển lôgic khả trình (PLC) không làm sẵn có thể được lập trình bằng ít nhất một trong những ngôn ngữ được mô tả trong IEC 61131-3

• IL – Danh sách chỉ dẫn – Ngôn ngữ lập trình cấp thấp tương tự như hợp ngữ
• LD – Biểu đồ bậc thang – ngôn ngữ đồ họa dựa trên quy luật của mạch điện với dây điện và rơle…
• FBD – Biểu đồ khối chức năng – ngôn ngữ đồ họa với khả năng triển khai điều khiển phức tạp và chức năng số học bằng phương pháp đơn giản. Người sử dụng khối chức năng được nhóm lại trong thư viện để để tạo ra các khối tùy chỉnh (được viết bằng bất cứ ngôn ngữ IEC 61131-3 nào phù hợp) để xây dựng thuật toán điều khiển
• ST – Dữ liệu dạng chữ có cấu trúc – ngôn ngữ kí tự có cú pháp tương tự như Pascal và Basic; giải pháp hiệu quả cho mọi bước toán điều khiển phức tạp
• SFC – Lược đồ hàm tuần tự – ngôn ngữ đồ họa miêu tả sự vận hành của quá trình và máy móc. Đây là ngôn ngữ duy nhất trong tiêu chuẩn IEC 61131-3 phải phụ thuộc vào việc sử dụng của ít nhất  ngôn ngữ còn lại trong danh sách. SFC được dùng để tạo ra máy trạng thái của quá trình, mỗi trạng thái được tạo ra dưới bằng một ngôn ngữ khác như lá ST hay IL

Đâu là ngôn ngữ được sử dụng rộng rãi nhất? Trong quộc bình chọn của độc giả của Control Engineering U.S. và Control Engineering Poland, kết quả ngôn ngữ phổ biến nhất là biểu đồ bậc thang.

Ngôn ngữ biểu đồ khối chức năng tương tự như mạch với các phần tử lôgic đứng ở vị trí thứ 2 trong các ngôn ngữ lập trình PLC.

Đứng thứ 3 là ngôn ngữ  danh sách chỉ dẫn. Các công cụ quản lý ắc quy tiên tiến giúp giải quyết chức năng số học phức tạp trong các thuật toán hệ thống điều khiển.

Dữ liệu dạng chữ có cấu trúc có thể được dùng để triển khai bất cứ thuật toán điều khiển nào. Những người sử dụng có trình độ cao có thể dễ dàng tạo ra các khối chức năng điều chỉnh để kiểm soát cả quá trình đơn tín hiệu (SISO) và quá trình đa tín hiệu (MIMO). Ngôn ngữ này đứng ở vị trí thứ 4 trong danh sách các ngôn ngữ lập trình thông dụng. Nó trở nên ngày càng phổ biến cùng với sức mạnh tính toán tăng lên của PLC mới nhất.

Ngôn ngữ dữ liệu dạng chữ có cấu trúc là công cụ hoàn hảo để tạo ra thư viện người dùng, thêm giá trị cho mọi PLC. Việc sử dụng khối chức năng là bước đầu tiên trong việc tạo ra tác vụ định hướng đối tượng cho PLC. Mỗi năm số người hiểu biết về ST ngày càng tăng. Nhiều kỹ sư trẻ thích sử dụng ST hơn LD, do đó nó sẽ trở nên phổ biến trong ngành công nghiệp trong những năm tới.

Với ngôn ngữ SFC, được biết đến như “ngôn ngữ của các chuyên gia kỹ thuật học”, người sử dụng có thể tạo ra lưu đồ của cả bộ máy hay quá trình.

Một số PLC hiện nay chấp nhận chương trình sử dụng ngôn ngữ ANSI C, phù hợp với tiêu chuẩn Kernighan và Ritchie. Một số model tiên tiến còn có thể lập trình với C++.

Các nhà sản xuất hệ thống điều khiển công nghiệp thường cung cấp các ngôn ngữ lập trình bổ xung chuyên dụng, độc lập với nền tảng. Những ngôn ngữ này đã được chuẩn bị để dễ dàng tích hợp với các chức năng phần cứng cụ thể ví dụ như truy cập vào BIOS, dãy số duy nhất,vv.

Máy tính công nghiệp (IPC) được trang bị hệ điều hành truyền thống, thường là Microsoft Windows và hệ thống thời gian thực chạy trên cùng một máy tính. Lợi thế cuả việc kết nối như vậy là việc sử dụng ngôn ngữ thời gian thực từ danh sách tiêu chuẩn IEC 61131-3 và những ngôn ngữ cao cấp dựa trên Microsoft Windows như C++ hay C#. trong vòng vài năm gần đây, nhiều IPC truyền thống đã tiến hóa và đôi khi rất khó để phân biệt giữa IPC và PLC. Trong khi một thiết bị có nhiều chức năng hơn hẳn PLC, sức mạnh tính toán tương tự như IPC, nhưng có vỏ bảo vệ chắc chắn như của PLC. Đó là bộ điều khiển tự động khả trình (PAC). PAC đã dành được sự chú ý của các nhà sản xuất hệ thống điều khiển phân tán (DCS); một số nhà sản xuất đang sử dụng PAC trong sản phẩm DCS bán ra của mình. PAC cho phép sử dụng lượng lớn các ngôn ngữ lập trình cao cấp dạng kí tự (C, C++, C#) cũng như dạng đồ họa (xem bên dưới).

Để lập trình hệ thống điều khiển phức tạp, một ngôn ngữ lập trình mới đã được giới thiệu, đó là biểu đồ chức năng liên tục (CFC). CFC là ngôn ngữ đồ họa cao cấp tương tự như FBD, nhưng nó có thêm chức năng để tạo ra các thuật toán đa chuỗi có thể tính toán song song từ cách nhìn của người lập trình.

Lập trình đồ họa

Lập trình đồ họa (như là Mathworks Matlab/Simulink, National Instruments LabVIEW và các phần mềm khác) đang ngày càng dành được sự quan tâm nhiều hơn vì những công cụ này thường tích hợp chức năng lập trình và mô phỏng. Người sử dụng có thể kiểm tra hay thậm chí tìm kiếm những lợi ích điều chỉnh chính xác hay thuật toán kiểm soát nguyên mẫu của máy móc/quá trình trong trạng thái software-in-the-loop

Các giao diện môi trường phát triển tích hợp đồ họa (IDE), nếu được thiết kế hợp lý , có thể rất hữu ích trong suốt quá trình thiết lập và gỡ lỗi hệ thống. Nhiều IDE mới cho phép người sử dụng xác định cấu hình hệ thống với phương pháp kéo-và-thả (drag and drop) thay vì mã hóa cứng tất cả các thông số.

Thiết kế hệ thống điều khiển, mô phỏng

Hầu hết thiết bị điều khiển IDE, nơi mà kiểm soát, trực quan và chuyển động được thiết kế, có thể mô phỏng dự án cuối cùng trước khi nó được biên dịch và tải lên phần cứng. IDE tiên tiến mới nhất là hệ thống IT phức tạp hỗ trợ công nghệ OPC (OLE cho điều khiển quá trình) và giao thức truy cập dữ liệu OPC. (Ví dụ, Mathworks Matlab/Simulink có thể là khách hàng OPC DA và lấy dữ liệu từ hệ thống điều khiển công nghiệp hỗ trợ OPC).

Thiết kế song song cơ điện tử

Kỹ thuật thiết kế song song cơ điện tử giúp tạo ra hệ thống điều khiển máy móc hợp lý. Để tạo nguyên mẫu nhanh các thiết kế phần mềm-phần cứng của phép toán điều khiển mới (với phương thức tiếp cận khoa học), cần phải thực hiện các bước sau đây:

1. Chuẩn bị model mô phỏng
2. Biên dịch dự án và kiểm tra trên nên tảng tạo nguyên mẫu phần cứng
3. Thiết kế nền tảng phần cứng chuyên dụng dựa trên bộ vi điều khiển, FPGA, vv.

Một cách tiếp cận mới cho tạo nguyên mẫu hệ thống điều khiển công nghiệp loại bỏ nhu cầu dùng card giao tiếp chuyên dụng (như dSpace DS1104 hoặc các loại khác). Nó cho phép lập trình hệ thống đích cuối từ cấp độ phần mềm mô phỏng. Nó cũng đảm bảo giúp tiếp thị sản phẩm mới và phức tạp một cách nhanh chóng.