Development of Functional Libraries Supporting Object-Oriented PLC Programming of Industrial Workstations

Abstract

This document discusses the development of a support library for object-oriented programming (OOP) of programmable logic controllers (PLCs). However, since this programming approach is still not a well-established concept, especially in the PLC domain, object-oriented programming is introduced, discussed, and evaluated in advance.

The text starts by reporting how PLCs have evolved, especially along with the IEC 61131- 3 standard, and comparing OOP and traditional procedural programming (PP). To better understand how this paradigm shift impacts industrial software applications and how OOP usage in this context compares to information systems applications, a comparison is made between the use of OOP in information technology (IT) and operational technology (OT). A case study is also presented to compare OOP and PP paradigms in a fairly complex virtual PLCcontrolled system. Ending the dissertation, the development of a software library supporting the OOP approach for PLCs is presented, and its utilization is exemplified.

The research conducted concludes that OOP, by dividing the system into objects, allows for programming complex systems in a more organized manner, thereby making software easier to interpret, modify, and expand compared to using PP. However, this new type of PLC programming requires object-oriented supporting tools for problem-solving and software modeling, leading to the widespread adoption of UML and SysML. Consequently, going from PP to OOP in PLC applications requires proper education and training in software engineering.

Therefore, OOP is not a master key, as traditional ladder programming and GRAFCET modeling are still the best options for simple, classical, and well-established control scenarios. As such, OOP does not replace traditional PLC programming, but it is an option for complex systems, where flexibility and adaptability are fundamental.

However, this document is solely an introduction to the topic and, as such, there are many possibilities for continuing the work carried out, such as addressing OOP for human-machine interfaces (HMIs), expanding the developed library, and exploring safety and security using OOP concepts.

Alternate abstract:

Estée documento discute O desenvolvimento de uma biblioteca de suporte à programação orientada a objetos de controladores lógicos programáveis. No entanto, como este paradigma da programação ainda não é um conceito bem estabelecido, especialmente no domínio dos PLCs, antes de abordar o objetivo principal do documento, a programação orientada a objetos é devidamente introduzida, discutida e avaliada.

O texto começa por abordar a evolução dos PLCs em conjunto com a norma IEC 61131- 3 e comparar a programação orientada a objetos com a tradicional programação procedural. De forma a compreender melhor como esta mudança de paradigma impacta as aplicações de software industrial e como o uso da programação orientada a objetos neste contexto se compara às aplicações em sistemas de informação, é feita uma comparação entre o uso deste paradigma de programação nas tecnologias de informação e nas tecnologias operacionais. É também apresentado um case study com o objetivo de comparar a programação orientada a objetos e programação procedural num sistema virtual, relativamente complexo, controlado por um PLC. Para concluir a dissertação, é apresentado o desenvolvimento de uma biblioteca de software que suporta a programação orientada a objetos de PLCs, exemplificando a sua utilização.

Com todo o estudo desenvolvido foi possível concluir que a programação orientada a ob- jetos, ao dividir o sistema em objetos, permite programar sistemas complexos de uma forma mais organizada, tornando o software mais fácil de interpretar, modificar e expandir do que utilizando programação procedural. No entanto, este novo tipo de programação de PLCs re- quer ferramentas de suporte orientadas a objetos para resolução de problemas e modelação de software, levando à adoção generalizada do UML e do SysML. Consequentemente, passar de programação procedural para programação orientada a objetos em aplicações de PLCs requer uma educação e formação adequadas em engenharia de software.

Portanto, a programação orientada a objetos não é uma chave mestra, uma vez que o tradicional ladder e a modelação em GRAFCET continuam a ser as melhores opções para cenários de controlo simples, clássicos e bem estabelecidos. Assim, a programação orientada a objetos não substitui a programação tradicional de PLCs, mas é uma opção para sistemas complexos, onde a flexibilidade e a adaptabilidade são fundamentais.

Contudo, este documento é apenas uma introdução ao tema e, como tal, existem muitas possibilidades para continuar o trabalho realizado, tais como abordar o uso da programação ori- entada a objetos para interfaces homem-máquina, expandir a biblioteca desenvolvida e explorar em mais detalhe a seguranca utilizando conceitos de programação orientada a objetos.