英特爾開發(fā)者套件愛克斯板與CODESYS實現(xiàn)軟PLC配置并與外界程序通信

序言

愛克斯板介紹

AIxBoard愛克斯板開發(fā)者套件是一款功能強大的小型計算機，專為支持入門級邊緣人工智能應(yīng)用程序和設(shè)備而設(shè)計。無論是在人工智能學(xué)習(xí)、開發(fā)還是實訓(xùn)等應(yīng)用場景下，它都能完美勝任。

該開發(fā)板是類樹莓派的x86主機，可支持Linux Ubuntu及 完整版Windows操作系統(tǒng)。板載一顆英特爾4核處理器，最高運行頻率可達(dá)2.9 GHz，且內(nèi)置核顯（iGPU），板載 64GB eMMC存儲及LPDDR4x 2933MHz（4GB/6GB/8GB），內(nèi)置藍(lán)牙和Wi-Fi模組，支持USB 3.0、HDMI視頻輸出、3.5mm音頻接口，1000Mbps以太網(wǎng)口。完全可把它作為一臺mini小電腦來看待，且其可集成一塊Arduino Leonardo單片機，可外拓各種傳感器模塊。

此外， 其接口與Jetson Nano載板兼容，GPIO與樹莓派兼容，能夠最大限度地復(fù)用樹莓派、Jetson Nano等生態(tài)資源，無論是攝像頭物體識別，3D打印，還是CNC實時插補控制都能穩(wěn)定運行?？勺鳛檫吘売嬎阋嬗糜谌斯ぶ悄?a target="_blank">產(chǎn)品驗證、開發(fā)；也可以作為域控核心用于機器人產(chǎn)品開發(fā)。

然而，雖然愛克斯板具有如上的諸多優(yōu)點。但由于其運行的Windows或者Linux系統(tǒng)都是非實時性的操作系統(tǒng)，難以用于對實時性要求較高的工業(yè)環(huán)境中。而實時性的PLC環(huán)境通常較為封閉，難以使用python，Openvino等外界程序。

CODESYS介紹

CODESYS是一款工業(yè)自動化領(lǐng)域的一款開發(fā)編程系統(tǒng)（CODESYS是Code System的簡寫），應(yīng)用領(lǐng)域涉及工廠自動化、汽車自動化、嵌入式自動化、過程自動化和樓宇自動化等等。CODESYS軟件可以分為兩個部分，一部分是運行在各類硬件中的RTE（Runtime Environment），另一部分是運行在PC機上的IDE。因此CODESYS的用戶既包括生產(chǎn)PLC、運動控制器的硬件廠商，也包括最終使用PLC、運動控制器的用戶。

目前全球有近400家的控制系統(tǒng)生產(chǎn)制造商是CODESYS的用戶：如ABB、施耐德電氣SchneiderElectric、伊頓電氣EATON、博世力士樂Rexroth、倍福BECKHOFF、科控KEBA、日立HITACHI、三菱自動化MITSUBISHI、歐姆龍OMRON、研華科技、凌華科技ADLINK、新漢電腦、和利時集團(tuán)、SUPCON 中控集團(tuán)、步科自動化KINCO、深圳雷賽、匯川技術(shù)、深圳合信、深圳英威騰、華中數(shù)控、固高科技等等。

簡單來說，CODESYS可以說是PLC界的安卓，許多PLC廠商都以CODESYS作為其PLC的內(nèi)核。

此外，CODESYS可以將任何一款arm架構(gòu)或者x86架構(gòu)的處理器變?yōu)閷崟r的PLC系統(tǒng)。CODESYS結(jié)合AIxBoard，我們能夠得到一個可以用于工業(yè)控制檢測領(lǐng)域的一款功能強大的人工智能小型計算機。

前期準(zhǔn)備

CODESYS軟件分三層架構(gòu)，可用下圖來表示：

| CODESYS軟件架構(gòu)示意圖

其中開發(fā)層（IDE）可使用CODESYS Development System（具有完善的在線編程和離線編程功能）、編譯器及其配件組件、可視化界面編程組件等對CODESYS程序進(jìn)行開發(fā)與部署。本文使用的版本為CODESYS V3.5 SP17，下載與安裝教程可見：CODESYS 3.5.17.0 軟件安裝_codesys安裝教程_小 Co的博客-CSDN博客。

開發(fā)層主機前期準(zhǔn)備

在安裝完CODESYS后，還需要根據(jù)需求下載安裝部分CODESYS軟件包，由于本文需要在運行有Ubuntu的AIxBoard上部署CODESYS Runtime，并通過共享內(nèi)存實現(xiàn)與外界程序通信，故需安裝的軟件包有以下幾種：

1． CODESYS Control for Linux SL

2． CODESYS Edge Gateway for Linux

3． Shared Memory Communication

完成安裝后，可在包管理器中查看到這三個軟件包。

| 在CODESYS中安裝軟件包

安裝完成三個軟件包后，重啟CODESYS，隨后能夠在工具中最下面一行找到Update Linux，點擊后會打開一個能夠與安裝了Linux系統(tǒng)的AIxBoard進(jìn)行通信部署的界面。

| 安裝軟件包完成后的效果

設(shè)備硬件層前期準(zhǔn)備

為了提高AIxBoard的適用性，本文將使用Ubuntu系統(tǒng)作為AIxBoard的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)版本為Ubuntu 20.04LTS，這里使用的是Canonical為Intel優(yōu)化的版本。下載與安裝教程如下：系統(tǒng)安裝 - AIxBoard開發(fā)指南 （xzsteam.com）。

除此之外，安裝完成系統(tǒng)后，還需安裝python以進(jìn)行共享內(nèi)存通信，本文使用的python版本為3.8.10。

為驗證CODESYS能夠與外界程序通信，同時也安裝了Epics。Epics全稱為Experimental Physics and Industrial Control System即“實驗物理及工業(yè)控制系統(tǒng)”，是上世紀(jì)90年代初由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）和阿貢國家實驗室（ANL）等聯(lián)合開發(fā)的大型控制軟件系統(tǒng)。安裝完成Epics后，需使其在后臺運行，后續(xù)將通過CODESYS與其進(jìn)行通信。

| 在AIxBoard中預(yù)先安裝好Ubuntu系統(tǒng)與Epics

工程建立

新建標(biāo)準(zhǔn)工程

在CODESYS中，選擇文件-新建工程，命名工程為AIxBoard，選擇新建標(biāo)準(zhǔn)工程。

| 新建標(biāo)準(zhǔn)工程

在彈出的標(biāo)準(zhǔn)工程對話框中，選擇設(shè)備為CODESYS Control for Linux SL，選擇結(jié)構(gòu)化文本（ST）作為編程語言。

| 新建標(biāo)準(zhǔn)工程選項

加載所需函數(shù)庫

將我們剛剛安裝的軟件包中的所需函數(shù)庫加載到此工程中，需要添加的函數(shù)庫有：

· SysShm，3.5.8.0 （System）

· SysTypes2 Interfaces，3.5.4.0 （System）

打開庫管理器（Library Manager），選擇“添加庫（Add Library）”，點“高級（Advanced.。.）”;

| 在工程中加載剛剛安裝好的函數(shù)庫

在搜索框（String for a fulltext search.。.）中分別輸入SysShm和SysTypes搜索添加SysShm，3.5.8.0 和SysTypes2 Interfaces，3.5.4.0 ，

選中搜索到的庫，點“OK”確認(rèn)添加，

| 搜索并添加所需的兩個函數(shù)庫

建立設(shè)備通信

點擊工具-Update Linux打開與Linux通信的界面，在左側(cè)輸入用戶名和密碼，搜索到AIxBoard的IP后，點擊Install將CODESYS Runtime安裝至AIxBoard中，安裝文件可以在AIxBoard的/etc/中找到。

| 與AIxBoard通信并將Runtime部署在AIxBoard上

經(jīng)過圖9的操作之后，AIxBoard便已經(jīng)成為了一個能夠運行CODESYS的實時性系統(tǒng)的PLC了。

| 在AIxBoard上安裝好的CODESYS Runtime程序文件

新建項目后，點擊左下角設(shè)備進(jìn)入設(shè)備樹，雙擊Device后，點擊掃描網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備連接，選擇AIxBoard為控制器的網(wǎng)絡(luò)路徑。

| 進(jìn)行設(shè)備掃描與連接

輸入賬號密碼進(jìn)行登錄，如果是第一次登陸，還需要另外設(shè)置一次登錄密碼。

| 在CODESYS Runtime上登錄并自動下載代碼

登陸完成后，將會自動下載程序代碼至AIxBoard上，并且可以在device中看到設(shè)備信息。

| 連接完成后的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)圖

代碼編寫

定義數(shù)據(jù)單元類型與全局變量

右擊Application，選擇添加DUT（Data Unit Type，數(shù)據(jù)單元類型），DUT為自定義的數(shù)據(jù)類型，本文中新建自定義的數(shù)據(jù)單元類型目的為通過不同類型的數(shù)據(jù)單元，將輸出至外部程序的變量與從外部程序輸入進(jìn)來的變量分離開。

新建兩個數(shù)據(jù)類型分別為：Str_ParaFromHMI與Str_ParaToHMI，目前結(jié)構(gòu)體內(nèi)部僅包含一個長整型格式的數(shù)據(jù)（LREAL），可根據(jù)實際需求修改或添加。

TYPE Str_ParaToHMI ： STRUCT fOut： LREAL; END_STRUCT END_TYPE TYPE Str_ParaFromHMI ： STRUCT fIn： LREAL; END_STRUCT END_TYPE 右擊Application添加全局變量列表GVL（Global Var List），并將剛剛新建的兩種數(shù)據(jù)類型實例化，并添加至全局變量中。實例化的名稱分別為GetPara與SetPara。其中GetPara用于從外部程序中獲取數(shù)據(jù)進(jìn)入CODESYS，SetPara用于將CODESYS中的數(shù)據(jù)輸出至外部程序中。

VAR_GLOBAL GetPara:Str_ParaFromHMI; SetPara:Str_ParaToHMI; END_VAR

編寫共享內(nèi)存POU

右擊Application添加POU（Program organizational unit，程序組織單元），命名為Sharedmemory。

| 新增程序組織單元的相關(guān)配置

POU上方為局部變量聲明區(qū)域，下方為結(jié)構(gòu)化文本程序區(qū)域。

局部變量聲明如下：

PROGRAM SharedMemory VAR bStart： BOOL：= FALSE; ReadHandle： RTS_IEC_HANDLE：= RTS_INVALID_HANDLE; WriteHandle： RTS_IEC_HANDLE：= RTS_INVALID_HANDLE; szNameRead： STRING：= ‘CODESYS_MEMORY_READ’; //聲明共享內(nèi)存的讀取內(nèi)存名稱 szNameWrite： STRING：= ‘CODESYS_MEMORY_WRITE’; //聲明共享內(nèi)存的寫入內(nèi)存名稱 ulPhysicalAddressRead： __UXINT：= 0;//讀取數(shù)據(jù)的偏移地址，0為從頭讀取 ulPhysicalAddressWrite： __UXINT：= 0;//寫入數(shù)據(jù)的偏移地址，0為從頭寫入 ulSizeRead： __UXINT：= 1024;//讀取空間大小 ulSizeWrite： __UXINT：= 1024;//寫入空間大小 ResultRead： ARRAY［0..2］ OF RTS_IEC_RESULT; //返回運行錯誤碼，0中為運行錯誤碼，1中為讀取執(zhí)行錯誤碼，2中為寫出執(zhí)行錯誤碼 ResultWrite： ARRAY［0..2］ OF RTS_IEC_RESULT; //返回運行錯誤碼，0中為運行錯誤碼，1中為讀取執(zhí)行錯誤碼，2中為寫出執(zhí)行錯誤碼 SMRead： __UXINT; SMWrite： __UXINT; ulOffsetRead： __UXINT：= 0; ulOffsetWrite： __UXINT：= 0; END_VAR 其中，高亮部分語句所指定的名稱是之后需要與python中讀取共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)一致的文件名稱?？扇我庑薷牡菓?yīng)與python中程序一致，共享內(nèi)存的文件將會保存在/dev/shm/中。 下方ST程序部分編寫代碼如下：

//Init Memory IF NOT bStart THEN ReadHandle：= SysSharedMemoryCreate（pszName：= szNameRead， ulPhysicalAddress：= ulPhysicalAddressRead， pulSize：= ADR（ulSizeRead）， pResult：= ADR（ResultRead［0］））; WriteHandle：= SysSharedMemoryCreate（pszName：= szNameWrite， ulPhysicalAddress：= ulPhysicalAddressWrite， pulSize：= ADR（ulSizeWrite）， pResult：= ADR（ResultWrite［0］））; IF RTS_INVALID_HANDLE 《》 ReadHandle AND RTS_INVALID_HANDLE 《》 WriteHandle THEN bStart：= TRUE; END_IF END_IF //讀入數(shù)據(jù) IF RTS_INVALID_HANDLE 《》 ReadHandle THEN SMRead：= SysSharedMemoryRead（ hShm：= ReadHandle， //讀取內(nèi)存的設(shè)備句柄 ulOffset：= ulOffsetRead， //讀取數(shù)據(jù)的偏移地址 pbyData：= ADR（GVL.GetPara）， //指向讀取數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) ulSize：= SIZEOF（Str_ParaFromHMI）， //讀取數(shù)據(jù)的字節(jié)大小 pResult：= ADR（ResultRead［1］））; //返回執(zhí)行的錯誤碼 END_IF //寫出數(shù)據(jù) IF RTS_INVALID_HANDLE 《》 WriteHandle THEN SMWrite：= SysSharedMemoryWrite（ hShm：= WriteHandle， //寫入內(nèi)存的設(shè)備句柄 ulOffset：= ulOffsetWrite， //寫入數(shù)據(jù)的偏移地址 pbyData：= ADR（GVL.SetPara）， //指向?qū)懭霐?shù)據(jù)的緩沖區(qū) ulSize：= SIZEOF（Str_ParaToHMI）， //寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)大小 pResult：= ADR（ResultWrite［2］））; //返回執(zhí)行的錯誤碼 END_IF 在Maintask中調(diào)用編輯好的POU，將此POU加入到執(zhí)行程序中。

| 在任務(wù)配置中調(diào)用編寫好的程序

編寫數(shù)據(jù)來源POU

在主程序PLC_RPG中添加正弦數(shù)據(jù)函數(shù)，不斷向SetPara中發(fā)送正弦波數(shù)據(jù)。

| 編寫主程序相關(guān)函數(shù)，用于輸入正弦波形 完成后，點擊上方編譯，編譯通過后即可將程序登錄下載至AIxBoard中。 在AIxBoard上，編寫相關(guān)python程序接收來自CODESYS傳遞的信號并通過pyepics將其發(fā)送至Epics中，代碼如下： import mmap import struct from epics import caput import epics import time name=“CODESYS_MEMORY_WRITE” f= open（‘/dev/shm/’+name，“r”） while 1： f.flush（） mm=mmap.mmap（f.fileno（），0，prot=mmap.PROT_READ） #print（mm.read（8）） ［number，］=struct.unpack（‘d’，mm.read（8）） print（number） #print（epics.ca.find_libca（）） caput（‘a(chǎn)iHost:xxxExample’，number） time.sleep（0.05） 運行結(jié)果 以管理員身份運行python程序，可在AIxBoard上不斷讀取到CODESYS發(fā)送的數(shù)據(jù)。

| AIxBoard上最終運行結(jié)果，左側(cè)為接收到的數(shù)據(jù)量 同時在CODESYS中可建立信號跟蹤器，檢測發(fā)送出的數(shù)據(jù)波形。

| 信號跟蹤器上顯示的CODESYS中發(fā)出的數(shù)據(jù)波形 通過新建CS-Studio界面，可以從Epics中查看數(shù)據(jù)，驗證CODESYS中發(fā)送出來的數(shù)據(jù)的正確性。

| 在CS-Studio界面上監(jiān)視到的Epics網(wǎng)絡(luò)中PV量的變化波形 至此，我們已完成了將AIxBoard變?yōu)镻LC并與外界程序通信的全部任務(wù)，順利將AIxBoard從一臺非實時性的開發(fā)板變成了一個能夠用于工業(yè)控制領(lǐng)域的實時PLC控制器。能夠與外界程序進(jìn)行通信，使基于AIxBoard與CODESYS配置而成的軟PLC相比傳統(tǒng)的PLC而言，具有了更高的靈活性，通過搭配OpenVINO等人工智能模型，能夠?qū)崿F(xiàn)更加智能化的控制效果。 文中所涉及到的所有工程文件與代碼均已開源于github。 網(wǎng)址為： https://github.com/EHU0/Codesys_ShareMemory_On_AIxBoard.git