CoDeSys – повседневный инструмент программиста ПЛК

Представлены архитектура, основные особенности и возможности многофункционального программного комплекса, предназначенного для решения задач промышленной автоматизации, CoDeSys V3, названы наиболее важные и новые его компоненты.

На сегодняшний день CoDeSys (Controller Development System) - это самый популярный в мире аппаратно независимый комплекс для прикладного программирования ПЛК и встраиваемых контроллеров. Основным его компонентом является среда программирования на языках стандарта МЭК 61131-3. Комплекс работает на компьютере. Программы компилируются в машинный код и загружаются в контроллер. Любую задачу, которая имеет решение в виде программы, можно реализовать в CoDeSys.

Назначение и области применения CoDeSys

Изначально CoDeSys был нацелен на задачи, требующие автономности, надежности и предельного быстродействия при минимизации аппаратных средств. Благодаря этому он вышел далеко за рамки традиционных для МЭК 61131-3 систем ПЛК. Сегодня автомобили, краны, экскаваторы, самосвалы, яхты, печатные машины, деревообрабатывающие станки, литейные и прокатные машины, сборочные автоматы крупнейших мировых брендов включают один или группу встроенных контроллеров с CoDeSys. Компанией ITQ GmbH в 2011 г. было проведено исследование характеристик и распространенности программных инструментов в областях машиностроения и мобильных применений в Европе [1]. По его результатам, CoDeSys и инструменты на его базе (Bosh Rexroth IndraWorks, Beckhoff TwinCAT и др) используют 36% компаний. Конкурирующие с CoDeSys универсальные инструменты совместно составили 7%.

На сегодняшний день CoDeSys успешно применяется во всех без исключения областях промышленности. В мире более 350 компаний, изготавливают контроллеры с CoDeSys в качестве штатного инструмента программирования. За 2011 г. продано 500 тыс. лицензий на различные устройства с CoDeSys. Все конкурирующие системы отстают в разы, что позволяет доказательно говорить о мировом лидерстве.

Как продукт, CoDeSys ориентирован на изготовителей контроллеров. Разрабатывая новый контроллер, они устанавливают в него систему исполнения CoDeSys Control. Собирают из ее компонентов требуемую конфигурацию, добавляют собственные ноу-хау и специфические компоненты и получают собственное инструментальное ПО. Как правило, к пользователю CoDeSys попадает в коробке вместе с оборудованием. Ему нужно только установить систему и перейти к решению своих практических задач. Все коммерческие и технические вопросы, связанные с поддержкой ядра контроллера, всех типов его аппаратных модулей, библиотек, стеков и конфигураторов сетей его беспокоить не должны. Все это должно быть решено за него разработчиками ПЛК и CoDeSys совместно.

Среда программирования - это та часть, с которой непосредственно имеет дело пользователь (рис.1). Она функционирует на ПК и является основным компонентом комплекса. Она включает редакторы для девяти языков программирования ПЛК, в том числе стандартные языки МЭК 61131-3. Пользователь может выбрать один из них и программировать простыми средствами либо задействовать всю мощь новейших инструментов CoDeSys. На выходе CoDeSys непосредственно дает быстрый машинный код. Поддержаны все распространенные семейства микропроцессоров от 16 до 64-разрядных.

Рис. 1. Редактирование FBD диаграммы в CoDeSys

Среда программирования CoDeSys включает набор инструментов для подготовки и отладки программ, компиляторы, конфигураторы, редакторы визуализации и т.д. При необходимости функциональность системы дополняется опциональными компонентами. Проект CoDeSys можно хранить не только на диске ПК, но и в контроллере, если он имеет достаточный объем памяти, что позволяет избежать потери исходных текстов или путаницы в проектах. Для больших проектов предусмотрено использование системы контроля версий (SVN).

Для отладки пользователю не нужно открывать специальных отладочных окон или составлять каких-либо списков переменных. При подключении к ПЛК редакторы ввода программ "оживают". Непосредственно в них отображаются значения всех видимых на экране переменных. Причем в сложных выражениях видны все промежуточные результаты.

В CoDeSys V3 впервые в мире была реализована поддержка объектно-ориентированного программирования (ООП) в языках стандарта МЭК 61131-3. Разработка концепции была начата в 2005 г. [2]. Введен ряд новых ключевых слов для определения методов, свойств, интерфейсов и наследования, позволивших эволюционно развить в объект привычный функциональный блок. Пользователь может по своему усмотрению писать программы привычным образом или использовать объекты. Такой подход не создает лишних проблем "старым" прикладным программистам. В тоже время молодые специалисты, изучившие ООП в вузе и уже не представляющие себе серьезную работу без данной технологии, смогут реализовать свой потенциал. Предложенные расширения ООП прошли проверку временем в CoDeSys, получили широкое одобрение и будут включены в стандарт.

Из новшеств CoDeSys, добавленных за последний год, следует отметить странично-ориентированный FBD и поддержку языка Python для автоматизации работы в среде программирования. Обычно для таких целей используются пакетные файлы. Они удобны для примитивных задач, но не позволяют выполнять разные действия по условиям, разобрать XML файл, обработать результаты и отправить их по электронной почте. Использование Python снимает все мыслимые ограничения.
CoDeSys включает конфигураторы ввода/вывода с поддержкой полевых сетей Modbus, PROFIBUS, PROFINET, DeviceNet, CANopen, J1939, EtherCAT, SERCOS III, Ethernet IP и большое число сервисных модулей.

CoDeSys поставляется бесплатно. С сайта 3S-Smart Software Solutions доступен для загрузки полнофункциональный дистрибутив. В него входит интерфейс и интерактивная документация на русском языке.

CoDeSys Automation Platform

В CoDeSys V3 впервые в мире реализована сквозная платформа автоматизации. Не только система исполнения собирается из компонентов с фиксированными интерфейсами, но и среда программирования. Она основана на технологии Microsoft .NET. Automation Platform позволяет разобрать CoDeSys на отдельные компоненты и собрать требуемым образом, добавив собственные компоненты. Это позволяет изготовителям ПЛК прозрачно интегрировать собственные программные инструменты и технологию CoDeSys.

Типовые области применения CoDeSys Automation Platform:

расширение функциональности CoDeSys: возможность добавления в среду программирования нового редактора программ, инструмента конфигурирования специализированной полевой сети, автоматизация некоторых типовых операций (мастера) и др.;

замена составных компонентов (plug-in) CoDeSys: если штатный компонент среды программирования не удовлетворяет требованиям пользователей, то возможно заменить его, например, изменить форму отображения программ, вид окон и др.;

создание собственного программного комплекса на базе CoDeSys. Известными примерами могут служить системы SoMachine от Schneider Electric и TwinCAT 3 от Beckhoff.

Система исполнения CoDeSys Control

CoDeSys Control - это часть, которая должна быть встроена ПЛК. Нередко возникает вопрос: "Если CoDeSys даёт на выходе машинный код, то зачем вообще нужна система исполнения?" Ответ кроется в стержневой идее технологии ПЛК. Программируя ПЛК, пользователь должен думать исключительно о сути прикладной задачи. Его не должны волновать организация памяти, процедуры опроса модулей ввода/вывода, способы синхронизации данных, функции сетевого обмена и связи с верхним уровнем, вызовы циклических и событийных задач, организация фиксации выходов при отладке на оборудовании и т. п. Так, для получения значения входа в своей программе, прикладной программист ПЛК выбирает переменную и задает в диалоговом окне единицы измерения, параметры фильтрации и другие параметры. Всю черновую работу за него должна выполнить система исполнения. Если программисту приходится думать о передаче байтов или вызове библиотечных функций для работы с вводом/выводом, то это не ПЛК? и говорить об удобстве и надежности прикладного программирования не приходится.

В общей сложности CoDeSys Control включает более 200 компонентов. Каждая "сборка" под конкретную модель ПЛК будет отличаться. Ее состав определяется возможностями аппаратуры и типом ПЛК. Включение абсолютно всех компонентов, на всякий случай, привело бы к неоправданному росту аппаратных ресурсов и стоимости. Например, включение функции "горячей" правки кода без остановки ПЛК удваивает требования к ОЗУ. Некоторые компоненты представлены в нескольких вариантах. Например, компонент "менеджер задач". Самый дешевый ПЛК может иметь единственный аппаратный таймер, "тикающий" каждые 10 мс, и не иметь ОС. Для него подойдет простой планировщик циклических задач без вытеснения. С ним не смогут работать некоторые другие компоненты, например, ЧПУ или стек CANopen, но они и не требуются в ПЛК такого уровня. Для ПЛК с мощным 32- или 64-битным процессором и ОС РВ разумно включить наиболее совершенный "менеджер задач" с поддержкой событий, реального времени и нескольких приложений в одном устройстве. С каждым таким приложением можно работать как с независимым ПЛК: загружать, запускать, останавливать и отлаживать программы, не влияя на работу других приложений.

CoDeSys Control может функционировать под управлением любой ОС или даже без нее. Наиболее часто используют ОС VxWorks, Windows CE и Linux. Имеются адаптации под RT-OS32 (RTKernel), QNX, Nucleus, pSOS, OS9, TenAsys INtime. Изготовитель оборудования может самостоятельно адаптировать CoDeSys Control под другую ОС.

В некоторых случаях адаптация CoDeSys Control в свое оборудование может быть проблематична. Ограничением может стать отсутствие технических специалистов, соответствующего уровня или экономические условия. В таких случаях целесообразно использовать готовые процессорные модули (PLCcore) с уже адаптированным и установленным CoDeSys Control. Популярным PLCcore для CoDeSys является Beck IPC@CHIP.

CoDeSys Control непрерывно развивается. Добавляются принципиально новые компоненты, совершенствуются и "мелкие детали". Например, для современных быстрых ПЛК c CoDeSys пришлось вводить новый тип данных для работы с наносекундными интервалами времени. Обычному пользователю CoDeSys не нужно заботиться об устройстве системы исполнения. Ему достаточно только периодически загружать и устанавливать бесплатные обновления в соответствии с рекомендациями изготовителя ПЛК.

SoftPLC CoDeSys SP RTE

CoDeSys SP RTE представляет собой специальную систему исполнения для ОС семейства Windows со встроенным ядром жесткого реального времени. Она позволяет превратить обычный компьютер в быстродействующий ПЛК. Ввод/вывод подключается через полевые сети. SP RTE обеспечивает стабильность рабочего цикла МЭК программ в диапазоне микросекунд и работу контроллера при зависании ОС.

CoDeSys визуализация

Среда CoDeSys оснащена встроенной системой визуализации и операторского управления. Непосредственно в CoDeSys можно построить графический интерфейс оператора или модели объекта, без использования внешних инструментов. Для интеграции с программой достаточно прописать в свойствах элементов соответствующие переменные. Не требуется создавать символьные файлы, настраивать связь или выполнять иные рутинные операции. Если работает CoDeSys, то работают и средства визуализации.

CoDeSys HMI часто называют SCADA-системой. Это не верно. Она не имеет столь мощных графических средств, не использует OPC, не имеет средств ведения суточных архивов и интеграции с БД, а также функций программирования. Но она обеспечивает управление в реальном времени и на порядок менее требователена к ресурсам. Весь интеллект системы сосредоточен в ПЛК, а HMI выполняет роль тонкого клиента отображения. Ее типичные применения - это встроенные пульты управления станками, погрузчиками, кранами, трамваями и подобными системами, где нужна быстрая гарантированная реакция и стоимость оборудования критична.
Сервер данных (Data Server) позволяет собирать данные от нескольких контроллеров. При этом не обязательно, чтобы все они программировались в CoDeSys. Сервер данных является частью системы исполнения.

Визуализация CoDeSys может параллельно работать на нескольких устройствах:

CoDeSys WebVisu позволяет контролировать работу своей системы из любого места и в любое время через Internet. Web-сервер является компонентом системы исполнения.

CoDeSys HMI - это отдельная утилита, предназначенная для операторского управления с отдельного компьютера локальной сети.

CoDeSys TargetVisu - интегрированный компонент системы исполнения, предназначенный для создания панельных ПЛК. Применяется в локальных пультах управления.

Из последних новшеств визуализации CoDeSys выделяется пакет библиотек элементов визуализации для различных прикладных областей с современным графическим представлением [См. рис 2.]. Наиболее впечатляющим элементом можно назвать 3D редактор движений для SoftMotion.

Рис.2. Визуализация панели автомобиля

CoDeSys SoftMotion

CoDeSys SoftMotion - это встроенный в среду программирования и систему исполнения CoDeSys функциональный набор средств управления движением: от простых перемещений по одной оси до многоосевых ЧПУ. Поддерживается движение по лекалам (ECAM) и интерпретация программ в G-кодах (Рис.3). В среду программирования встроен текстовый и графический 3D редактор для задания траекторий и набор элементов визуализации стандартных узлов мехатроники. Установить SoftMotion можно на 32-битный ПЛК с математическим сопроцессором.

Рис. 3. G-код движения в CoDeSys и его визуальное представление

CoDeSys V3 Safety

Комплекс Safety ориентирован на обеспечение безопасности там, где присутствует человек. CoDeSys Safety представляет собой комплекс инструментов, который позволяет разрабатывать контроллеры, удовлетворяющие требованиям стандарта IEC 61508 для оборудования систем безопасности Safety Integrity Levels 3 (SIL3). Он включает безопасную систему исполнения, безопасный компилятор, конфигураторы безопасных сетей, библиотеки PLCopen Safety и набор документов, включающий методику тестирования и сертификации. Эта технология существенно сложнее обычных ПЛК систем. Так, например, до запуска кода выполняется целый ряд специальных проверок. После загрузки машинного кода в контроллер и создания загрузочного образа код скачивается обратно в среду разработки, производится его декомпиляция и сравнение с исходным текстом. Безопасные контроллеры уровня SIL3 должны проходить обязательную сертификацию. Это весьма сложный и дорогостоящий процесс. Применение CoDeSys Safety позволяет существенно упростить его.

Выше упоминалась технология PLCcore, позволяющая радикально упростить создание контроллеров с CoDeSys. Похожая идея воплощена и для безопасных контроллеров. Ее основой служит сертифицированный модуль TwinSafe EL6900 компании Beckhoff. Встроив это в устройство, имеющее поддержку CoDeSys и EtherCAT Master, получаем собственный SIL3 контроллер.

Для систем уровня SIL2 все гораздо проще. CoDeSys сертифицирована как надежная система, имеющая боле 1 млн. применений. Для SIL2 используются все стандартные редакторы МЭК языков, компактная система исполнения с определенным набором компонентов, сертифицированные библиотеки элементов и безопасный ввод/вывод.

CoDeSys redundancy

В противоположность безопасным (Safety), надежные системы (Redundancy) чаще необходимы в местах, куда человеку трудно добраться, либо там, где остановка работы оборудования недопустима по технологическим или финансовым критериям. Например, 5 мин простоя линии разгрузки крупного морского порта обходятся дороже стоимости всего электронного оборудования.

CoDeSys Redundancy представляет собой специальный плагин для среды программирования и набор компонентов системы исполнения, обеспечивающий синхронизацию, диагностику и переключение основного и дублирующего контроллеров.

CoDeSys Professional Developer Edition

CoDeSys Professional Developer Edition - новый продукт комплекса CoDeSys. Он ориентирован на растущую группу пользователей, имеющих высшее образование и опыт работы с современными профессиональными системами программирования на языках высокого уровня для компьютеров. Его область - создание крупных, либо новых уникальных проектов, не имеющих аналогов. Профессиональная редакция среды разработки CoDeSys включает следующие компоненты: систему управления версиями проекта на базе Subversion (SVN), графические редакторы UML (диаграммы классов, состояний и деятельности) и статический анализатор кода. Все эти компоненты устанавливаются и интегрируются в среду программирования. Система контроля версий необходима в больших проектах над которыми работает группа людей. При сохранении изменений в обычном файле проекта CoDeSys, они записываются поверх старой информации. Она теряется бесследно. При использовании SVN сохраняется вся история исправлений с указанием кто исправлял, когда и с какой целью. Если правка вызвала сбои, то всегда есть возможность вернуться к проверенной версии на любую дату. Кроме того, один проект могут открыть несколько людей со своих рабочих мест. Каждый человек может править параллельно 'свои' части. Контроль версий естественным образом интегрируется в среду программирования. Так, для всех языков программирования, включая графические предусмотрены визуальные средства сравнения версий.

Интеграция UML стала следующим логическим шагом после реализации в CoDeSys ООП. Диаграмма классов дает визуальное представление зависимостей функциональных блоков, методов и интерфейсов, которые теперь могут редактироваться графически. Диаграммы состояний и диаграммы активности представляют собой новые языки для разработки прикладных проектов. Они позволяют описывать состояния и переходы сложных процессов. Оба высокоуровневых языка призваны упростить совместную работу программистов и инженеров технологов, ускорить построение структуры приложения и собственно программирование.

Статический анализатор кода осуществляет проверку исходного кода МЭК программ на соблюдение более чем 50 адаптивных правил. Он выявляет потенциально опасные места, способные вызвать ошибки и устранить их сразу, еще до фазы отладки и тестирования проекта. Это улучшает качество кода, ускоряет работу и позволяет избежать ошибок с самого начала работы.

Комплект инструментов профессионального разработчика продолжает расширяться. В настоящее время в разработке находятся: профилировщик кода и генератор тестов.

CoDeSys Application Composer

CoDeSys Application Composer напротив, ориентирован не на сложные научные проекты, а на повседневные прикладные задачи. В них решающими являются время создания проекта, простота процесса программирования и надежность итогового кода. При выполнении работ по автоматизации однотипных объектов, например умных домов или типографских машин, Application Composer позволит повысить производительность труда на два порядка.

Составление прикладного проекта выполняется на основе заранее подготовленных наборов прикладных программных модулей. Такой модуль может обслуживать определенную часть машины или системы. Например, это может быть пневматический цилиндр, автооператор, терморегулятор, либо программный блок управления доступом или конфигуратор сети. Каждый модуль включает программный код, конфигурацию входов/выходов, параметры и графическое представление для визуализации. Пользователь строит структуру своей системы управления, используя необходимые модули. Он определяет их настройки и связи в специальных редакторах. Затем интегрированные генераторы кода автоматически создают законченное, хорошо структурированное программное приложение на языках стандарта МЭК61131-3. Одновременно генерируется соответствующая визуализация. Программы компилируются и загружаются в контроллер. Пользователь может просматривать и корректировать полученный код при необходимости.

Рис. 4. Проект управления перекладчиком в Application Composer

Такой подход позволяет перейти от рутинного программирования к модульному проектированию прикладных проектов. Он открывает двери пользователям, хорошо знающим устройство машин, технологию соответствующего производства, но не владеющих программированием.

Заключение

Благодаря своим отличным функциональным возможностям, надежности и открытым интерфейсам, CoDeSys стал лидером в области инструментов программирования ПЛК. Не случайно он выбран в качестве базового инструмента многими ведущими мировыми поставщиками аппаратных решений для промышленной автоматизации.

Разработчик CoDeSys - компания 3S-Smart Software Solutions GmbH (Германия) никогда не ставила приоритетной задачи "бюджетного внедрения" и распространения CoDeSys путем удешевленной либо упрощенной установки на любые типы контроллеров любых компаний. Для запуска CoDeSys Control достаточно 1 дня, но выпуск нового ПЛК с CoDeSys - это всегда серьезная работа, требующая грамотной организации, наличия квалифицированных специалистов и строгого выполнения ряда этапов, от сборки до выходного тестирования изделия в целом.

В мае 2012 г. в г. Смоленске проходила ежегодная конференция пользователей CoDeSys, на которой главный инженер Европейского отделения компании Hitachi господин Kenji Shimoda рассказал о переводе новых контролеров Hitachi с фирменного ПО на CoDeSys, занявшего немногим более 1 года. Это небольшой срок для разработки нового ПЛК с CoDeSys. Перевод включал собственно адаптацию, интеграцию с собственным ПО, тесты всего функционала на опытных ПЛК, написание руководства по применению и стартовых примеров, обучение дистрибьюторов. Типичный для некоторых конкурирующих МЭК систем подход ускоренной бюджетной установки с переносом части затрат и технических сложностей на плечи пользователей в CoDeSys принципиально не применим. Вы не встретите CoDeSys в ПЛК, собранных "на коленке". Это всегда будут продукты компаний, твердо стоящих на ногах и имеющих достаточно ресурсов на грамотный маркетинг, качественную разработку и сопровождение.

Простота и удобство именно для конечного пользователя - это стержневая идея CoDeSys. Компания 3S-Smart Software Solutions с немецкой целеустремленностью придерживается ее многие годы. Состав компонентов CoDeSys измеряется уже сотнями и продолжает расти. Но, каждый новый компонент нацелен на упрощение решения нового круга прикладных задач. Своим непрерывным развитием и огромной популярностью CoDeSys обязан исключительно конечным пользователям.

Литература

1. Jorn Linke. Der SPS-Benchmark: Das Ergebnis. Computer Automation. 2011. 9.

2. Дитер Хесс. Объектно-ориентированные расширения МЭК 61131-3 // Современные технологии автоматизации. 2006. №2.

Петров Игорь Викторович - директор ООО "ПК Пролог".

Контактный телефон (481-2) 38-29-31.

www.prolog-plc.ru