Telepace studio руководство на русском языке

Итак, знакомьтесь. Это программируемый логический контроллер (ПЛК) под названием SCADAPack фирмы Schneider Electric (ранее Control Microsystems).

Программи́руемый логи́ческий контро́ллер (сокр. ПЛК; англ. programmable logic controller, сокр. PLC; более точный перевод на русский — контроллер с программируемой логикой), программируемый контроллер — промышленный контроллер, используемый для автоматизации технологических процессов. В качестве основного режима работы ПЛК выступает его длительное автономное использование, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей среды, без серьёзного обслуживания и практически без вмешательства человека. [Википедия]

ПЛК эти заслужили славу своей надежностью и богатыми возможностями программирования. Внутри у контроллера в зависимости от серии стоит ARM-процессор на котором работает операционная система VxWorks.

В промышленной автоматизации общепризнанным стандартом являются языки МЭК, такие как LD/LAD, FDB и ST. Первый из них представляет собой ни что иное, как схемы, похожие на схемы релейной логики. Второй представляет собой ни что иное, как схемы, похожие на схемы с логическими элементами и электронными компонентами (таймеры, счетчики, и т.д.). Третий представляет собой текстовый язык, навевающий воспоминания о Паскале. Но сегодня мы поговорим не про них (желающие всегда могут погуглить), а про разработку под эти контроллеры на Си, что во-первых гораздо ближе «простым программистам», а во-вторых спасает при необходимости программирования сложных математических расчетов или реализации нестандартных коммуникационных протоколов.

Для компиляции нам понадобится, собствено, компилятор, заголовочные файлы и стандартная библиотека контроллера. Всё это можно найти на сайте производителя под названием C Tools, а описание API — там же.
Разработка начинается с написания Makefile’а (скрипта для сборки проекта из исходников в бинарный файл). Пример makefile’а можно найти в директории C Tools:
C:Program FilesControl MicrosystemsCToolsControllerFramework ApplicationsTelePACE
Там же есть пример main.cpp и файла appstart.cpp (он тоже необходим для сборки).
Ctools.h лежит в C:Program FilesControl MicrosystemsCToolsControllerTelePACE

Обратить внимание в нём стоит на 3 вещи:
objects = appstart.o main.o 
данная строка задает, какие файлы необходимо компилировать для сборки прошивки. Если у вас проект разделен (а так и должно быть) на .c- или .cpp-файлы с заголовками (.h- или .hpp-файлы), то они должны быть перечислены в этой секции. Если вы вдруг забудете что-нибудь, компилятор напомнит об этом ошибкой Undefined reference.

CTOOLS_PATH = C:Program FilesControl MicrosystemsCTools
Это путь к Ctools. Скореектируйте, если он у вас отличается.

TARGET = SCADAPack350
эта строка определяет, под какое семейство контроллеров мы компилируем прошивку. Возможные варианты: 
SCADAPack350 (сюда относятся 357, и т.д.), SCADAPack33x, 4203

Компиляция прошивки производится командой make из командной строки.
Если выводится сообщение, что не удалось найти эту команду, проверьте, что у вас в системной переменной PATH прописан путь к библиотекам C-Tools:
C:Program FilesControl MicrosystemsCToolsArm7hostx86-win32bin

Простое приложение
Для компиляции простой (и пустой) прошивки, нам будет необходим Makefile, файлы appstart.cpp и main.cpp.

Их примеры можно найти в той же директории C Tools, что была упомянута выше. Appstart.cpp отвечает за инициализацию оборудования и среды выполнения, а в main.cpp мы уже можем писать нужный нам код.

Общая структура программы на Си для SP выглядит вот так

Вызов release_processor() необходим в каждом цикле, потому что кроме нашей программы ОС контроллера выполняет также другие служебные процессы (обработчики портов и протоколов, среда исполнения, и т.д.). Без вызова этой функции, к примеру, после запуска программы будет невозможно остановить ее или перепрошить контроллер.

Стиль кодирования в C Tools, увы, оставляет желать лучшего: встречаются разные стили именования функций (process_io() и release_processor(), но ioReadDin16() и addRegAssignment(), а еще getclock()/setclock()), в некоторых схожих функциях с одинаковыми аргументами поменяны местами эти самые аргументы, короче говоря, будьте внимательны.

Из общих советов разработки надежных встраиваемых систем: старайтесь писать максимально простой и понятный код, придерживаться выбранного стандарта кодирования, будьте аккуратны с преобразованиями типов, лучше избегайте динамического выделения памяти и арифметики указателей без большой надобности.

Как основу для правил можно взять отдельные пункты стандартов MISRA (стандарт разработки встраиваемого ПО для автомобилей) или JSF (для авиации).

Загрузка программы в контроллер
Для этого нам и понадобится TelePACE. К контроллеру можно подлючаться по RS232/485, по Ethernet и даже по USB (если он есть у используемой модели скадапака).

Принцип примерно один и тот же:

1. Выбираем сверху в поле Protocol нужный нам протокол (Modbus RTU, Modbus TCP или Modbus USB)
2. Нажимаем Configure Settings и задаем все нужные данные (RTU-адрес, скорость порта для RS232/485 или IP-адрес для TCP)
3. Нажимаем Connect и убеждаемся, что соединились с контроллером.
4. На вкладке Initialize можно сбросить контроллер к первозданному виду — удалить все программы, LAD-проекты, настройки портов и register assignments.
5. На вкладке C/C++ можно посмотреть, какая программа загружена в контроллер, остановить/запустить ее, загрузить новую (исследуете кнопочки вверху вкладки!).

Работа с таймерами
Начнем с самой простенькой программы – Hello World, а именно, помигаем светодиодом на контроллере.

Работа с modbus-регистрами

Modbus — открытый коммуникационный протокол, основанный на архитектуре ведущий-ведомый (master-slave). Широко применяется в промышленности для организации связи между электронными устройствами. Может использоваться для передачи данных через последовательные линии связи RS-485, RS-422, RS-232, и сети TCP/IP (Modbus TCP). Также существуют нестандартные реализации, использующие UDP. Основные достоинства стандарта — открытость и массовость. Промышленностью сейчас выпускается очень много типов и моделей датчиков, исполнительных устройств, модулей обработки и нормализации сигналов и др. Практически все промышленные системы контроля и управления имеют программные драйверы для работы с MODBUS-сетями. [Википедия]

В SCADAPack работа с Modbus реализована красиво и удобно.

Память modbus-регистров у контроллера энергонезависимая, и не теряется даже после перезагрузки или пропадания питания. С одной стороны, это немного неудобно (не забывайте очищать или инициализировать регистры при старте, если есть такая необходимость), но с другой стороны, это позволяет хранить в адресном пространстве modbus настройки, уставки, и даже архивы небольшого объема.

Кроме того, в modbus-регистры помещаются результаты выполнения различных команд (чтение состояния дискретных и аналоговых входов, опроса внешних устройств, и т.д.).

Обработчик modbus в скадапаках реализован на уровне операционной системы, и поэтому после запуска программы, по всем COM-портам (и по Ethernet) мы сразу можем опрашивать контроллер по модбасу (о настройке портов будет чуть позже). Более того, на modbus-запросы контроллер будет отвечать, даже если программа остановлена.

Запись и чтения modbus-регистров осуществляется функциями dbase() и setdbase(), например, вот так:

Данный пример читает два числа из регистров 0001 и 0002 зоны Inputs и сохраняет результат их умножения в регистр 0020 зоны Holding. Всё просто.

Работа с сигналами ввода-вывода
Работа модулями ввода и вывода может проходить тремя способами:

Первый способ
Первый вариант — создать «register assignment». Состояние (дискретные и аналоговые значения) входных каналов модулей DIN и AIN будет автоматически “отображаться” в modbus-регистры, и наоборот, для модулей DOUT и AOUT состояние выходов будет определяться значениями, записанными в регистрах. Для этого используются функции clearRegAssignmnet (очистка все старых назначений) и addRegAssignment (создание новых).

Первый аругмент функции addRegAssignment – тип модуля (список констант можно посмотреть в документации на TelePACE и в заголовочных файлах, могут быть DIN_5401, DIN_5404, AIN_5301 и другие), второй – адрес модуля (он обычно задается перемычкой на самом модуле, а если используются встроенные в SP входы, то равен 0), и далее идут адреса регистров, начиная с которых должна производиться запись (если модуль обеспечивается получение данных разных типов, то и групп регистров будет несколько – coils, status, inputs и т.д.)

Стоит иметь в виду, что если вы принудительно остановите среду выполнения (runTarget(FALSE)), то они работать не будут, но если вы не вносили изменений в стандартный файл appstart.c в целях оптимизации, то беспокоиться не о чем.

Не забывайте выполнять clearRegAssignment(); при запуске программы, даже если вы не пользуетесь ими – кто знает, кто и что делал на этом контроллере до вас.

Если вы не знаете точно, какая плата ввода-вывода будет стоять на контроллере, на котором будет запущена ваша прошивка, можно воспользовать решением, предложенным специалистами из ОЗНА.

Второй способ
Вызывать явно функции чтения, которые сохранят данные в заданные modbus-регистры.
Это могут быть функции ioRead8Din, ioRead8Ain, ioRead16Din, ioRead16Ain, ioRead5604Inputs, ioWrite16Dout, ioWrite5604Outputs, ioRead4Counter (для счетных входов), ioReadSP2 (для чтения встроенных входов, в зависимости от модели контроллера). Подробности и синтаксис этих команд можно прочитать в документации на C Tools, обычно первым аргументом следует адрес модуля (0 для встроенных входов), а вторыми и дальше – адреса modbus-регистров, начиная с которых нужно сохранить значения сигналов (или откуда их брать для записи в выходные каналы).

Пример:

Вызов функций ioWrite* аналогично произведет установку нужных значений из modbus-регистров в выходные каналы контроллера и модулей.

Третий способ
То же самое, но с сохранением результатов не в modbus-регистры, а в переменные или массив. Функции называются так же, но имеют перегруженную реализацию с другими аргументами.

Нечто подобное можно сделать с данными, которые мы хотим записать в выходные каналы (например, замкнуть релейный выход):

Конкретные функции и константы для чтения и записи данных в используемые модули нужно смотреть в документации и в заголовочных файлах C Tools. К примеру, у функций для модуля 5607, как можно заметить выше, есть дополнительные опции для настройки типа входа, параметров фильтра, и т.д. Они также описаны в документации.

Есть еще функции получения текущей температуры контроллера и напряжения на батарее – readThermistor(T_CELSIUS), readBattery(). Мелочь, а полезно.

Масштабирование AI
Каналы аналогового ввода модулей контроллера могут работать в разных режимах (например, с входными диапазонами 0-20 или 4-20 мА, это определяется перемычками на модуле). Выдают данные они в единицах АЦП, и преобразовать их в нужную нам шкалу (например 4-20 мА будет соответствовать 0-100%) довольно просто:

Естественно, вместо 100 можно умножить число на нужный вам верхний предел шкалы.

Настройка портов RS-232/RS-485
Здесь, опять же, никакой магии:

Настройки портов сохраняются в EEPROM, однако в зависимости от конфигурации контроллера, версий библиотек, и т.д., можно по определенному событию (команда, замыкание перемычки, и др) читать, например, из тех же modbus-регистров, чтобы автоматически переконфигурировать и обновлять их.

Опрос устройств по modbus
Если вам хочется не просто работать как slave-устройство, но и самим опрашивать другие контроллеры или датчики, есть функции вида master_message(), позволяющая произвести опрос внешних устройств по модбасу, и сохранить результаты к себе в регистры, откуда потом их можно считать и использовать в алгоритме (или же просто предоставить верхнему уровню). Примеры есть в документации, только учтите два нюанса: необходимо обязательно проверять результат выполнения функции командой get_protocol_status(), перед тем как отправлять повторный запрос или работать с полученными данными, и второй нюанс: необходимо либо вообще отключать обработчик modbus на используемом порту, либо следить, чтобы его адрес не совпадал с адресом опрашиваемого устройства (иначе можно получить неопределенное поведение или странные ошибки).

stream – порт, через который будет идти обмен данными (например, com1), function – номер функции modbus для запроса (например 3), slave_station – адрес RTU опрашиваемого устройства, slave_address – стартовый адрес регистров в удаленном устройстве, которые мы хотим прочитать, master_address – стартовый адрес регистров на нашем контроллере, куда будут записаны данные, length – количество регистров для чтения).

Пример:

Также можно установить свой обработчик Modbus-пакетов (installModbusHandler()) чтобы реализовывать какие-либо расширения протокола.
Система ведет статистику обмена (принято/отправлено, количество ошибок, и т.д.), которую тоже можно считать из соответствующих структур.

Коммуникации
Можно также установить свой обработчик данных, пришедших по COM-портам (install_handle()) для реализации каких-то нестадартных протоколов. 
С TCP/IP все тоже хорошо. Доступны стандартные функции работы с BSD Sockets: bind(), getsockopt(), и т.д. Настройки сети на контроллере можно программно считать и записать (ethernetGetIP(), ethernetSetIP()).

Ведение архивов
В документации SCADAPack для этих целей предлагается использовать DataLog из библиотеки C Tools, который, к сожалению, обладает большим количеством недостатков, главный из которых состоит в том, что он не обеспечивает прямой непоследовательный доступ к записям в архиве. Некоторые разработчики обходятся хранением архивов прямо в регистровой памяти, но, учитывая что количество Holding и даже Inputs (при желании их можно использовать тоже, да) в контроллере ограничено, это решение тоже не всегда подходит.

На самом же деле, учитывая что операционная система в контроллере вполне себе POSIX-совместимая, а сам контроллер несет у себя на борту вполне нормальную файловую систему (плюс есть возможность вставлять USB Flash-накопители), есть возможность хранить архивы в файлах на флешке на борту контроллера, о чем совершенно вскользь упомянули в документации.

Работать с файлами можно как и в любой Си-программе:

То есть нет никаких препятствий чтобы записывать (как вариант — вести циклический архив) в файл сериализованные структуры, а потом свободно по ним перемещаться и отдавать их пользователю либо маппируя определенную часть архива в пространство modbus-регистров, либо отдавая их пользовательской (кастомной) modbus-функцией большими блоками.

В точку /d0/ монтируется файловая система, в /bd0/ — внешний USB-флеш накопитель. Опять же, нет никакой проблемы реализовать копирование архива из встроенной памяти на флешку при нажатии на кноку на контроллере, и много других вариантов.

В TelePACE файловая система просматривается совершенно спокойно, что может помочь для отладки или сбора данных.

Энергонезависимая память
Как я уже отмечал, в энергонезависимой памяти, прежде всего, хранятся данные Modbus-регистров, то есть значения, сохраненные в них, будуь доступны и после перезагрузки контроллера.
Кроме того, существует отдельная структура s_nvMemory, объявленная в файле nvMemory.h, с максимальным размером 8 килобайт, которую вы можете отредактировать как вам удобно (создав нужные поля) и хранить там данные, которые должны остаться целостными в том числе после пропадания питания и перезагрузки контроллера. Если этого недостаточно, то дополнительно методом allocateMemory() можно выделять блоки энергонезависимой памяти общим размером до 1 мегабайта и хранить в них архивы, логи, и т.д. Самое главное в этом случае — после выделения блока памяти не забыть сохранить указатель на нее в вышеупомянутую структуру s_nvMemory, иначе выделенная память будет потеряна, и вы не сможете ни использовать ее, ни освободить (freeMemory()). А еще при доступе к энергонезависимой памяти нужно не забывать захватывать ресурс DYNAMIC_MEMORY.

Многозадачность и многопроцессность
Можно как одновременно запускать несколько разных программ, так и внутри одной программы запускать одновременно несколько разных методов (функции createTask(), getTaskInfo() и т.д.), задавать им приоритеты и даже слать сигналы между задачами и сообщения между процессами (так называемые ‘envelopes’).
Многозадачночность кооперативная, то есть переключение между задачами и программами выполняется не принудительно операционной системой, а поочередно, когда они сами готовы передать исполнение дальше или при возникновении определенных событий. С одной стороны, это решает проблему с атомарностью операций при совместном доступе к данным, а с другой стороны, нужно не забывать вызывать release_processor() и не захватывать ресурсы на слишком долгое время. Пример многозадачной программы и граф изменения состояния при возникновении событий описаны в документации в главах «RTOS Example Application Program» и «Explanation of Task Execution».

Динамическая память
malloc() и free() вполне работают, как и new и delete. Единственный довольно важный нюанс — при остановке программы (например, нажатием кнопки Stop), выделенная память системе не возврращается: необходимо осознанно установить обработчик завершения работы программы (installExitHandler) и освободить там все запрошенные блоки из кучи.

Работа с часами реального времени
У контроллера есть также на борту часы реального времени.
Получать текущее время и устанавливать его можно функциями getclock и setclock, в документации есть подробные примеры.

Пример простого алгоритма
Допустим, у нас есть контроллер с платой ввода-вывода 5604, к каналу AI 2 которой подключен аналоговый датчик уровня в емкости, к каналу DO1 подключено реле пускателя насоса.

Необходимо поддерживать в емкости заданный уровень жидкости (требуемый уровень задается из SCADA или с панели HMI), то есть при слишком высоком уровне должен включаться насос, откачивающий излишек, и выключаться при достижении нужного уровня.

В регистр 0020 зоны Holding (40020) будем записывать приведенное значение уровня для отображения на SCADA или HMI-панели.

Также нужно предусмотреть небольшой гистерезис для защиты от «щелканья» реле насоса в случае, когда уровень колеблется около нужной отметки.

Опрос контроллера будет идти через порт COM2.

Вот, собственно, и всё
Описание всех функций и примеры их использования есть в документации на C Tools.

Очень хорошо обладать целостными знаниями Си (например, при реализации алгоритмов это касается приведения типов), чтобы писать код красиво и без ошибок.

Изучайте, экспериментируйте, и всё получится!

Источник:

https://habr.com/post/350282/

и
SCADAPack.

Для
программирования контроллеров серий
TeleSAFE
Micro
16 и SCADAPack,
отладки и документирования программ
контроля и управления используется
пакет
TelePACE
.

Пакет
программирования
TelePACE
содержит
редактор
программ
релейной логики LL
(TelePACE
Ladder
Logic)
и
набор
инструментов для работы на языке С
(TelePACE
C
Tools)
— ANSI
C
компилятор, библиотеку дополнительных
функций С и загрузчик.

• Пакет
  программирования на языке релейной
  логики —
  TelePACE
  Ladder
  Logic
  разработан
  и широко используется
  инженерами
  в системах управления дискретными и
  непрерывными процессами. Редактор
  релейной логики – это мощный инструмент
  для написания, отладки и документирования
  программ контроля и управления. Редактор
  релейной логики используется также
  для загрузки программ на языке С
  и контроля за их состоянием.

Редактор
языка релейной логики LL
(TelePACE Ladder Editor) работает на персональном
компьютере в среде WINDOWS.
Части программ могут быть скопированы,
вырезаны, вставлены и удалены. Логические
имена (tag
name)
и значения могут быть экспортированы
и импортированы в электронные таблицы.

Встроенная помощь
содержит всю информацию из руководства
по программированию.

Редактор
позволяет легко связывать логические
переменные с физическими адресами
модулей ввода/вывода и регистрами базы
данных. Оперируя мышью, можно включать
в программу контакты, выходы, счетчики,
таймеры, ПИД-регуляторы и многое другое.
Также просто осуществляется загрузка
программы в контроллер и ее запуск.
Режим отладки и мониторинга позволяет
контролировать работу программы и
изменять значение переменных.
Редактирование может производиться в
режимах без связи с контроллером
(Off-line)
и с работающим контроллером (On-line).

Программирование,
загрузка и отладка программ, диагностика
работы контроллера может производиться
удаленно по сети, даже по коммутируемым
телефонным линиям.

• Однако,
  когда необходимы большие возможности,
  можно использовать язык С. ANSI
  C
  – компилятор подходит для реализации
  пользовательских протоколов, сложных
  вычислений, организации хранения данных
  и других функций, недоступных в языке
  релейной логики.

Для
создания операторского интерфейса в
системах управления, построенных на
базе контроллеров фирмы Control Microsystems,
часто используется пакет InTouch
фирмы Wonderware.

InTouch обеспечивает стандартный спектр
функций, реализованный практически во
всех пакетах:

— автоматизированная
разработка, дающая возможность создания
ПО

системы автоматизации
без реального программирования;

— средства исполнения
прикладных программ;

— сбор первичной
информации от устройств нижнего уровня;

— обработка первичной
информации;

— регистрация
алармов и исторических данных;

— хранение информации
с возможностью ее пост-обработки (как
правило,

реализуется через
интерфейсы к наиболее популярным базам
данных);

— визуализация
информации в виде мнемосхем, графиков
и т.п.;

• наличие подсистемы
  для автоматической генерации отчетов.

Исполнительная система InTouch поддерживает
базу данных текущих значений процесса.
Значения параметров отображаются на
одном или нескольких компьютерах,
использующих распределенную структуру
программного обеспечения. Поддерживаются
следующие типы данных: вещественные,
целые, дискретные, строковые и
суперпеременные.

Новый выпуск TelepaceStudio 5.0 значительно усилен, по сравнению с TelepaceStudio 4. В нем предлагается оптимизированная и более наглядная операционная среда, новые улучшенные инструменты редактирования, усовершенствованная программная аттестация. TelepaceStudio 5.0 позволяет снизить количество операций мыши на 65%, новые свойства TreeViewпомещают все команды в поле зрения постоянно, удалены все табуляторные элементы управления, значительно упрощая лицензионный редактор регистра.

Telepace Studio 5.0 бесплатно доступен для всех пользователей лицензий TelePACE Studio 4.x.

Демо-версия пакета программирования TelepaceStudio 5.0 доступна на сайте www.plcsystems.ru.