Что такое codesys и для чего он нужен
ПО CODESYS для программирования ПЛК
CODESYS («кодесис») – комплексный инструмент для программирования промышленных контроллеров (ПЛК).
CODESYS v3 – это совершенно новая разработка. В основу CODESYS v3 положен модульный принцип, который позволяет дополнять систему посредством подключения дополнительных модулей.
Единожды изучив среду программирования, вы будете уметь программировать огромное количество контроллеров, основанных на CODESYS.
Особенности ПО для программирования и конфигурирования ПЛК CODESYS
В соответствии со стандартом МЭК 61131-3 CODESYS поддерживает 5 языков программирования:
Кроме этих языков CODESYS включает в себя еще один язык – CFC (Continuous Function Chart). Он похож на FBD, но позволяет располагать функциональные блоки свободно на экране и задавать порядок их выполнения.
Первая версия CODESYS увидела свет в 1994 году. С тех пор CODESYS обрел огромную популярность среди пользователей и производителей ПЛК. На данный момент сотни производителей выпускают тысячи моделей контроллеров на базе CODESYS.
CODESYS очень удобен для программиста.
Единожды изучив среду программирования, вы будете уметь программировать огромное количество контроллеров, основанных на CODESYS.
Описание ПО для программирования и конфигурирования ПЛК CODESYS
CODESYS – это не только среда программирования — это целый комплекс средств по работе с промышленным оборудованием. Он включает собственный OPC-сервер, графический редактор для создания визуализаций, менеджер рецептов, лог аварий и многое другое. На данный момент выпускаются контроллеры на базе двух версий CODESYS: версия 2 и версия 3.
CODESYS v2 поддерживается производителем только в режиме исправления ошибок. Новые функции в него уже не добавляются. Тем не менее, функционала CODESYS v2 достаточно для подавляющего большинства задач. К тому же он требует меньше ресурсов ПЛК и компьютера.
CODESYS v3 – это совершенно новая разработка. В основу CODESYS v3 положен модульный принцип, который позволяет дополнять систему посредством подключения дополнительных модулей.
Основные отличия СODESYS v3 от v2:
И это лишь немногие изменения, которые принесла третья версия CODESYS. Таким образом, CODESYS v3 аккумулировал в себе многие тенденции современной промышленной автоматизации и продолжает регулярно обновляться, обзаводясь всё новыми и новыми функциями.
О тенденциях в промышленных сетях
С тех пор, как в 1979 году появился протокол Modbus, он стал де-факто стандартом промышленной сети. Изначально он был спроектирован для использования с последовательными интерфейсами RS-232/RS-485. Позже практически без изменений он «перекочевал» в сети Ethernet в виде протокола Modbus TCP.
Всемирная популярность протокола Modbus обусловлена несколькими причинами:
При разработке протокол был рассчитан на потребности и вычислительные возможности оборудования того времени. Многие актуальные для сетей нынешнего времени вопросы учтены не были:
Стремление к развитию промышленных сетей привело в появлению в 2003 году стандарта EtherCAT.
Основой EtherCAT является технология Ethernet, что позволяет использовать все преимущества данной технологии.
Что такое CoDeSyS 2.3 и с чем его едят?
Приветствую вас друзья, я надеюсь, что у вас сегодня хорошее настроение, наливайте себе зелёного чаю, берите печенье, всякие вкусняшки. В этой статье мы с вами поговорим об универсальной среде разработки программ для программируемых логических контроллеров (ПЛК) CODESYS 2.3
Итак, что же это за программа такая. Это среда разработки, то бишь некая программа, которая создает в себе другие программы для логических устройств. CoDeSyS разработан фирмой 3S Software, немецкими разработчиками. Это универсальный инструмент программирования контроллеров и встраиваемых систем. Комплекс программируется на стандартных языках МЭК 61131-3. О них буду говорить позже.
Из этой статьи вы узнаете:
Сама система реализована на языке С. Существует несколько модификации для различных микропроцессоров. Для привязки к конкретному контроллеру требуется конфигуратор, в настройках которого идет распределение памяти, интерфейс и привязка входов-выходов. Об этом будет ниже.
На рисунке выше я разместил рабочее окно проекта, чтобы показать как оно выглядит. Особенностями данного пакета являются:
Стандартные языки МЭК
Выбор стандарта языков программирования МЭК основан на том, что он является универсальным и удобным языком для программистов, инженеров и технологов. В течение времени язык программирования формировался и изменялся. Как вы думаете, было бы разумно делать мощный инструмент, опираясь на прошлый опыт разработок. В условиях конкурентного производства оборудования очень важно внедрять технологию быстро.
Всего таких языков из стандарта МЭК существует 5:
Какими языками удобнее всего пользоваться? Ну, это для кого как и кому как удобно, жёстких правил нету. Для программистов ближе будет ST, для электриков LD, для технологов скорее всего CFC.
Мне удобно пользоваться CFC и ST. На CFC языке всё наглядно видно, а это очень важно. Особенно когда идёт процесс наладки программы. А ST удобен своей гибкостью, и сложность программы ограничивается лишь вашей фантазией. А какие языки выбрали вы??
Кстати я чаще всего использую комбинацию различных языков. Я использовал такой трюк в проекте с холодильной камерой. Очень сложный проект, на написание программы у меня ушло 2 недели времени.
Конфигуратор входов/выходов
Теперь вернёмся к конфигуратору входов-выходов. О чем идёт речь? Предположим, у вас есть контроллер. У него много входов и выходов, аналоговых и дискретных. И, нам же к каждому входу и выходу нужно каким-то образом привязаться. Чтобы мы могли управлять, либо считывать данные.
Компания 3S Software реализовала в своём пакете CoDeSyS структуру дерева, в которой уже подготовлены некие ячейки памяти, отвечающие за каждый вход и выход контроллера. И мы просто присваиваем имя каждой ячейке, чтобы в дальнейшем управлять ими.
Очень большой плюс комплекса CoDeSyS в том, что среда разработки внедрена во многих логических контроллерах, как и в отечественных, так и в заморских.
Список контроллеров внушителен, поэтому я приведу те, которые знаю:
В целом CoDeSyS это мощный инструмент для реализаций технических задач. Для изготовления пультов управления технологическим процессом, от простых до сложных. Удобен для автоматизации умных домов. Минусом является стоимость подобных систем. Ну как говорится, в автоматике, чем надёжнее система, тем она дороже.
На этом у меня всё, успешных вам внедрений.
Как вам статья? Если понравилась, обязательно поделитесь ею в социальных сетях и подписывайтесь на новости блога.
CODESYS для программирования встраиваемых систем
В системах промышленной автоматизации базовым интеллектуальным элементом является программируемый логический контроллер (ПЛК) [1, 2, 3, 6, 7]. С точки зрения программирования главная особенность ПЛК состоит в том, что для работы с ним не требуется образование в области информатики. Инструменты и языки программирования ПЛК должны быть максимально просты и в то же время эффективны. Упрощение использования не должно повлечь за собой ограничение круга решаемых задач.
Рис. Эволюционный набор для PLC Core модулей SYSTEC с системой исполнения и визуализацией CODESYS V3
Для удовлетворения этих противоречивых требований были созданы специальные языки программирования. В 1982 г. вышла первая редакция международного стандарта МЭК61131-3 (далее МЭК). В нем определено пять языков программирования ПЛК: три оригинальных визуальных и два, пришедших из мира компьютеров. Так, к первым относятся языки «релейных схем» (Ladder Diagram, LD), «функциональных блоковых диаграмм» (Function Block Diagram, FBD) и «последовательных функциональных схем» (Sequential Function Chart, SFC). А «Список инструкций» (Instruction List, IL) — это аппаратно-независимый ассемблер. Высокоуровневый язык «структурированный текст» (Structured Text, ST) представляет собой модифицированный Паскаль. Отдельные программные компоненты можно описывать на разных языках МЭК даже в одном проекте. В зависимости от уровня подготовки, типа решаемой задачи и личных предпочтений прикладной МЭК-программист выбирает оптимальный язык.
Создание качественного транслятора языка программирования высокого уровня является сложной и трудоемкой задачей. Для графических языков объем работы увеличивается за счет необходимости создания соответствующего графического редактора и отладчика. Поэтому задача поддержать несколько разных языков в одной программной среде стала серьезной проблемой для многих изготовителей ПЛК. В итоге это привело к возникновению компаний, специализирующихся на создании универсальных сред программирования на языках МЭК. Одной из наиболее успешных оказалась немецкая 3S-Smart Software Solutions GmbH со своим комплексом CODESYS.
CODESYS включает в себя редакторы и трансляторы для всех пяти стандартных языков с рядом существенных расширений. Он также поддерживает значительное число специализированных отладочных и сервисных функций. На сегодня CODESYS — мировой лидер среди МЭК-комплексов. С его помощью ежегодно программируется более полумиллиона контроллеров. После долгих лет горячих споров 18.01.2013 г. была одобрена третья редакция стандарта МЭК 61131-3. В нее вошли оригинальные объектно-ориентированные расширения языков МЭК [4], впервые реализованные в комплексе CODESYS V3. Таким образом, CODESYS создал новый международный стандарт. Описанию его составляющих, приемам эффективной работы и практике применения посвящено несколько книг и множество статей [1, 3, 6, 7, 8, 9].
Аспекты программиста
Чаще всего программисты встраиваемых систем противопоставляют CODESYS интегрированным компиляторам языка С/C++. Попробуем сравнить их технически (результаты сравнения приведены в таблице).
| С++ | CODESYS |
| 1. Трансляция кода/Среда программирования | |
| Компиляторы генерируют машинный код с качественной оптимизацией по размеру и быстродействию. Для разных семейств микропроцессоров обычно применяются разные компиляторы. Как правило, обновление версий компиляторов идет независимо от среды программирования. | Встроенные компиляторы генерируют машинный код с оптимизацией по надежности и переносимости. Тысячи разных устройств, на разных микропроцессорах, используют одинаковые компиляторы, что обеспечивает их качество. Обновление компиляторов идет вместе с обновлением среды программирования. Но есть опция выбора версии компилятора. Это позволяет исключить риск при правке старых проектов. |
| 2. Интерфейс с системным уровнем (API) | |
| Функции чтения входов и записи выходов нужно писать в программе. На разных аппаратных платформах интерфейс с системным уровнем разный. Он меняется при замене процессора или ОС. | МЭК-программа работает с образом входов/выходов. Их обслуживает система исполнения. Доступ к специфическим устройствам выполняется через системные библиотеки. |
| 3. Переносимость | |
| Многие функции прикладного кода могут быть использованы повторно. Системно-зависимые интерфейсы нужно адаптировать. | Если набор ресурсов (порты, полевые сети и др.) не изменился, то программа переносится без изменений. Необходимо переконфигурировать ввод/вывод и адаптировать системно-зависимые библиотеки. |
| 4. Удобство прикладного программирования | |
| Естественная среда для компьютерных программистов, чего не скажешь о сервисном персонале. Модификации прикладного кода могут влиять на стабильности системы в целом. Должны выполняться только опытными программистами. | Семь различных языков программирования, включая графические, позволяют программисту создавать код так, чтобы он был понятен прикладным специалистам и обслуживающему персоналу. Программист может выбирать оптимальный язык для разных функций. |
| 5. Разделение между верхним/прикладным/пользовательским уровнем управляющей программы и системным уровнем | |
| Не реализовано. Для понимания работы управляющей программы нужно предварительно иметь представление об организации программного обеспечения в целом. | Правильно организованное МЭК-приложение имеет два или более уровня с четким разделением. Верхний уровень отображает общую структуру и алгоритмы управления. Это позволяет понимать работу системы обслуживающему персоналу, не имеющему специальной подготовки. Внутренние детали приложения скрыты (защищены) в функциональных блоках и библиотеках. |
| 6. Объектно-ориентированное программирование (ООП) | |
| Было сильнейшим аргументом в пользу выбора C++ до выхода CODESYS V3. | Поддержано в CODESYS V3 для всех языков. Позволяет использовать современную технологию организации приложений. |
| 7. Графический интерфейс оператора (HMI) | |
| Возможен. Требует написания дополнительного кода или использования вспомогательных инструментов. Интерфейс отображения должен быть адаптирован для разных устройств вывода. | Встроенный графический редактор с набором типовых элементов отображения и ввода. Для управления графическим элементом нужно ввести наименования переменных программы в соответствующие поля. Визуализация отображается в среде программирования, на графической панели устройства или через Интернет. Способ отображения выбирается в диалоговом окне. |
| 8. Отладка | |
| Среды программирования имеют встроенные отладчики. Дополнительные функции, типа графической трассировки, фиксации значений переменных, не практикуются. | Полная поддержка общепринятых отладочных функций (выполнение по шагам, условные точки останова, стек вызовов и т. д.) на всех языках МЭК. Дополнительные функции для отладки и обслуживания системы в целом (графическая трассировка, менеджер рецептов, фиксация переменных, визуализация). Возможно визуальное моделирование объекта управления. |
| 9. Реальное время | |
| Определяется организацией программы. Зависит от ОС. Может вызвать ограничения при отладке. | Обеспечивается системой исполнения. В прикладной программе усилий не требует. |
| 10. Поддержка стандартных полевых сетей (Fieldbus) | |
| Не включена. Требуется дополнительное ПО, реализующее стек протокола, и отдельный конфигуратор. Стеки аппаратно-зависимы. Конфигуратор (если есть) обычно не интегрирован в среду программирования. Символьное отображение входов/выходов проблематично. | Интегрированные конфигураторы и стеки полевых сетей. Стеки полевых сетей написаны в среде CODESYS и независимы от нижнего уровня. Нужный стек компилируется и линкуется с приложением автоматически. |
| 11. Специализированный инструментарий для прикладных областей | |
| Нужно программировать самим или приобретать дополнительные инструменты. Интеграция обычно требует разделяемой памяти. Контроль движения и логика управляются разными процессами. | Интегрированный механизм сохраняемых переменных. Мониторинг входов и управление выходами без программирования. Специализированные прикладные библиотеки. Встроенная система управления движением (Soft Motion CAM/CNC), 3D-редактор перемещений, интерпретатор G-кодов (ЧПУ). Работает в одном процессе, единая адресация. |
| 12. Командная работа/управление версиями | |
| Большинство сред разработки поддерживают контроль версий. | Поддерживается путем установки специального плагина для интеграции с Subversion. |
| 13. Быстрое создание/тиражирование однотипных систем | |
| Существуют специальные приемы и инструменты, ускоряющие работу программиста. | Пакет CODESYS Application Composer позволяет конструировать приложения с автоматической генерацией надежного кода. Приложение составляется из готовых настраиваемых блоков без программирования. |
| 14. Поддержка новых стандартов на рынке систем управления | |
| Нужно отслеживать и делать самостоятельно, заказывать или приобретать сторонние разработки. | Функционал, соответствующий новейшим мировым стандартам, наращивается постоянно. Например: FDT, OPC UA, EtherCAT, CANopen, PROFINET, ASi и т. д. |
| 15. Контроль целостности/защита копирования | |
| Нет. Реализуется программно. | Встроенная защита модификации кода, уникальный идентификатор проекта. Опционально: шифрование проекта, многоуровневая система прав доступа, сохранение исходных текстов в памяти устройства. |
Как показано в таблице, для человека, имеющего образование по специальности программирование, C/C++ является естественным выбором. Переход к использованию МЭК-языков потребует некоторых усилий по освоению. Обычно начальный дискомфорт в CODESYS вызывает отсутствие главного цикла и функций ввода/вывода, которые полностью «спрятаны» в системе исполнения. Существенно отличается работа с таймерами. Ближе всего к языку C в CODESYS язык ST. Как правило, для его уверенного освоения программисту достаточно нескольких часов [5].
Использование МЭК-языков может не дать явных преимуществ мгновенно. Они проявляются ярко при необходимости пояснения прикладной программы другим людям. В этом смысле весьма эффективна связка языков SFC и ST. Диаграмма SFC визуально представляет интуитивно понятный алгоритм работы, буквально «оживающий» в онлайновом режиме. Действия шагов SFC описываются на привычном высокоуровневом языке ST.
Аспекты руководителя
Некоторые успешные практические применения CODESYS во встраиваемых системах инициировались не техническими специалистами, а менеджментом компании. Чаще всего главной причиной становилась одна из четырех, перечисленных ниже.
Проблема правильной организации работ
Как правило, в компании есть системный программист с соответствующим образованием. Он начинает с «оживления» платы, установки операционной системы (ОС) или самостоятельной разработки необходимого функционала нижнего уровня. Кажется логичным, чтобы он продолжил работу над системой далее, включая прикладные функции. Ему приходится потратить немало времени на то, чтобы разобраться с прикладной сферой. Будь то газовый котел, система управления яхты, пульт авиационного тягача или что угодно, постепенно он начнет ориентироваться в теме не хуже заказчика. Иногда даже лучше, поскольку вынужден разобраться с причинно-следственными связями и выстроить алгоритмы. В итоге компания приобретает абсолютно уникального специалиста. Работа успешно сдается. Далее становится ясным, что только этот специалист способен сопровождать систему. Его нельзя отвлекать или заменять, нельзя предоставить отпуск или уволить. Компания попадает в зависимость от специалиста.
Рис. Самолетный тягачком пании TREPEL. Вместо обычных рычагов управления он оснащен встраиваемым панельным PC c CODESYS компании Janz Tec
Вначале сам программист рад своей уникальной позиции. По прошествии нескольких лет он замечает, что «золотой фонтан» не забил, а работа стала утомительной. Он отстал от новых технологий по основной специальности. Сменить работу не реально. Проблема возникает с двух сторон.
CODESYS выручает благодаря свойствам 2 и 5 (см. таблицу). Нижним уровнем, включая установку системы исполнения CODESYS, занимаются системные программисты. Прикладной проект делается в CODESYS специалистами по прикладной области. Благодаря 4, им не требуется специальное образование. Системный и прикладной уровни четко разделены, как и требования к их исполнителям. При необходимости сопровождение ПО может быть передано заказчику. Специалистам заказчика достаточно пройти двухдневные учебные курсы.
Проблема развития универсальности системы и расширения рынка сбыта
Рис. Пульт управления яхтой, разработанный компанией Exor
Если устройство оказалось востребованным, то постепенно возникает необходимость специальных исполнений для разных заказчиков. Появляется несколько «прошивок» программы. Потом разрабатывается специальная компьютерная программа — конфигуратор системы. Она настраивает параметры устройства. Постепенно число параметров возрастает. Соответственно, разбухает документация. Но по-прежнему находятся заказчики, которым не хватает нужного именно им функционала. Рождается логичная мысль пойти дальше и дать заказчикам (дистрибьюторам, установщикам) возможности программирования системы. С языком C++ это нереально. CODESYS решает данную проблему. Существует ряд специализированных контроллеров для печатных машин, деревообрабатывающих станков, заправочных станций, дорожных машин, химических аналитических приборов и др., которые оснащены CODESYS и дополнены специализированными библиотеками. Изготовитель соответствующей машины сам адаптирует контроллер под разнообразные модели и наращивает функционал. Изготовитель встраиваемой системы выигрывает за счет унификации и расширения областей применения.
В простых устройствах выручает встроенная визуализация CODESYS (п. 7 таблицы). С ее помощью графические конфигураторы, включая веб-интерфейс, делаются «попутно» на ранних версиях прикладного проекта.
Проблема интеграции с устройствами других компаний
Обычно в успешно развивающейся системе возникает необходимость подключения приборов, датчиков и других устройств ведущих мировых изготовителей. Самостоятельная реализация стандартных полевых сетей значительна по трудоемкости. Покупка готового стека дорога. CODESYS (см. п. 10 таблицы) позволяет поддержать практически все стандартные сети. В нашей практике к использованию CODESYS во встраиваемых системах чаще других приводила необходимость поддержки стеков CANopen и EtherCAT.
Проблема замены ПЛК встраиваемой системой
В некоторых случаях, помимо базового серийного изделия, требуются особые исполнения. Пример: компактный холодильник и заказная холодильная установка, различные термокамеры, весы, сварочные автоматы, научное оборудование и др. Под специальное исполнение целесообразно применить готовый ПЛК с CODESYS. На нашем рынке доступны десятки таких ПЛК разных ценовых категорий. В разных применениях могут использоваться компактные, модульные или панельные ПЛК. Для серийных изделий изготавливается собственный встраиваемый контроллер. Если везде стоит CODESYS, то одна команда справляется с разработкой ПО и сопровождением всех вариантов. Практически везде применяется один проект с разной конфигурацией.
Установка к CODESYS
Для того чтобы устройство программировалось в CODESYS, в нем предварительно должна быть установлена так называемая система исполнения CODESYS Control. Она включает планировщик задач, загрузчик, функции отладки, обслуживает полевые сети, ввод/вывод и т. д. Именно благодаря ей МЭК-программа оказывается аппаратно-независимой. Набор ресурсов, которые должна обслуживать система исполнения, отличается у разных контроллеров. Речь идет не только о микроконтроллере, но и об устройстве в целом. По этой причине нельзя просто скопировать систему исполнения с одного устройства на другое. Она всегда требует некоторой индивидуальной адаптации. Все существующие встраиваемые системы с CODESYS созданы одним из трех способов:
По требованию российских заказчиков Beck создала специальное исполнение чипов с расширенным температурным диапазоном (–40 °С). Существует исполнение для энергетики с поддержкой коммуникационной библиотеки МЭК 61850.
Первый путь выбирают крупные изготовители встраиваемых систем. Он оправдан при выпуске от нескольких сотен изделий в год и выше. В странах ЕС все более развивается практика заказа разработки. По числу применений в России лидирует технология Beck IPC@CHIP. В любом случае среда программирования CODESYS поставляется бесплатно. Никаких ограничений в функционале и числе установок в ней не предусмотрено. В CODESYS имеется встроенный эмулятор контроллера. Это позволяет начать работу без приобретения аппаратных средств.
Рис. «Беспилотный» транспортер E&K AUTOMATION на базе собственного встроенного контроллера и модулей ввода/вывода Wago IO
Заключение
Сегмент встраиваемых систем в суммарном годовом объеме применений CODESYS ежегодно увеличивается. CODESYS применяется во встраиваемых контроллерах компаний Bosh, Rolls-Royce Marine, Praxis, CC Systems, Moba и др. Это далеко не опытные прототипы, речь идет о десятках тысяч изделий. Примеры нескольких применений показаны на фотографиях.
Среди МЭК-систем программированиия CODESYS выделяется тем, что, подобно компиляторам С/С++, непосредственно генерирует надежный и компактный машинный код, пригодный для встраиваемых систем. Простые в освоении языки МЭК позволяют привлечь к разработке и сопровождению специалистов прикладной области. Интерес для разработчика встраиваемых систем может представлять богатый функционал комплекса CODESYS. Многозадачность реального времени, обработка событий, встроенная визуализация, развитый набор коммуникаций, «горячее» обновление кода, полевые сети, поддержка управления через Интернет, средства национальной локализации проектов и другие функции CODESYS могут быть не востребованы во встраиваемой системе изначально. Но необходимо учитывать, что все они создавались эволюционно, исходя из практических требований, возникавших у пользователей контроллеров в разных странах, разных условиях и на разных этапах работ. В процессе жизни встраиваемой системы неизбежно возникают аналогичные или близкие задачи. Например, задача настройки и тестирования оборудования заказчиком, интеграция с другим оборудованием, веб-интерфейс и т. п. Во многих случаях CODESYS даст готовое решение.