Arduino & Pi

В сети давно уже есть тесты с примером использования микроконтроллера STM32F103 в качестве ПЛК. Также продолжается выпуск китайскими компаниями современных ультра дешевых (около 100$) ПЛК на базе этого микроконтроллера с использованием среды разработки от Mitsubishi. Поэтому интересно было и мне попробовать этот чип и сравнить с брендом.

Что у меня за проект: Своими разработками соревнуюсь с брендами в АСУ ТП. Превзойти Codesys

Что у нас есть:

Режим работы моего ПЛК - многозадачный:

Вытесняющее-многозадачный , значит если задача не успела отработать - ошибки не будет(в обычном режиме - будет). Контекст задачи сохранится и наша виртуальная  3o|||sheet OS  переключиться на другую задачу. В данном тестовом случае задача не большая, отработать - успеет, и результаты будут корректны.

Алгоритм теста:

Тестовая программа содержит 184 LD,  часть из которых истинная, часть ложная. Зная количество истинных , мы знаем количество отработанных команд.

1. чтение переменной,

2. проверка на истинность,

3. переход  по адресу в зависимости от результата

Каждая вкладка в моей среде разработки - новая задача. Это будут вытесняющие задачи с ОС или последовательные задачи без ОС , режим работы сохраняется в настройках проекта.

Компилятор и выполняемая среда данные не кеширует, и работает программа в самом трудозатратном режиме. В конце тестовой задачи устанавливаем/ сбрасываем физический вывод.

Замеряем время  осциллографом.

По тестам видно, что мой ПЛК работает в три раза медленнее чем на том же чипе но с средой о Mitsubishi. Почти 9 микросекунд за операцию в моем случае, против 3 микросекунды оппонентов. Да мой МК работал на 64 Мгц (не запустился внешний кварц, дефект платы, а внутренний HSI работал на 64 Мгц, до 72 не настраивался, оставил так) в отличии от 72 Мгц у Mitsubishi, но 10% роли не изменят, можем пренебречь.

Но если б я стремился к быстродействию, я б пошел коротким путем, которым идут как отечественные разработчики ПЛК, так и открытые проекты типа OpenPLC\Beremiz. А именно - простая трансляция LD/ST в текст СИ, и уже СИшным компилятором создавать прошивку.

Я выбрал сложный путь - создание полноценной виртуальной машины с компилятором. Что это дает? Дальше.

Что можно выжать с STM3F103 в качестве ПЛК с моей средой разработки.

1500 LD инструкций + 1500 дополнительно можно подгружать из флеш ( Mitsubishi предлагает 8000, Allen Bradley Micro810 - 2000 LD). Сколько влезет ST строк - трудно сказать, сложно измеряеммый, думаю около 500 -800 строк + стоько же с флэш (имеется ввиду версия МК с флэш 64 КБ. Так как моя версия оказалась - 128 Кб , по крайней мере так указывалось в утилите STLink. С этой версией (128кб) размер программы будет конечно не малым, LD как раз 8000, так и ST.

В отличии от прошлого теста камня STM32G030 у которого 8 КБ ОЗУ (тест его в прошлой статье - Своими разработками, соревнуюсь с брендами в АСУ ТП. Аналог Allen Bradley? STM32G030 против Micro810 ) микроконтроллер с 16 КБ и больше способен уже на многое. Он уже может работать в режиме, который я называю - множественных исполнителей. Невероятная реализация безопасности.

Критический код, можно отделить от кода с высоким риском фатальной ошибки. Связь, HMI и даже WEB сервер в ПЛК можно вынести - отдельно. А критический отлаженный код, отдельно. Что бы там не произошло в одном исполнителе - фатальная ошибка, никогда не остановит других исполнителей. У них полностью изолированы друг от друга области памяти и адресов. Там где обычный ПЛК бы слетел полностью, тут такого быть не может.

Кроме того, есть и обычные преимущества виртуализации памяти:

в машине с ОС 3o|||sheet - можно добавлять задачи не перезапуская ПЛК физически (как в Windows/Linux - установил, и сразу работает) . Изменение кода задачи ПЛК на лету я уже упоминал.

Все это я продемонстрирую уже на микроконтроллере, о котором много писали СМИ ( тот который на RISC V, 16 KB ОЗУ :) Объективно, среда 3o|||sheet (Зошит) это первый вменяемый и уже существующий инструмент который может превратить такой МК с ограниченными ресурсами в ПЛК причем с топовой функциональностью. На этот раз и вправду - аналоговнет).

Почему я полностью не пишу что имею ввиду - работаю в паре с одним небольшим предприятием по этому конкретному чипу. Если интересно что из этого получилось - присоединяйся, и напишите в комментах что за чип имеется ввиду :)

Пока еще некоторые отладочные платы для полного теста еще едут (жду более разнообразных маленьких RISC V), хотел бы сравнить свою разработку с Allen Bradley и их базовым ПЛК Micro810.

Что у меня за проект такой, начало тут: Своими разработками c нуля, решил тягаться с Rockwell Automation и Siemens в АСУ ТП

Железо:

Тестовая программа:

400 LD  инструкций в целом (на 4 задачи, но тестируем только одну с примитивами 184 LD. Так же в фоне работает своя виртуальная RTOS - можно и без нее, но берем самый тяжелый случай). Но так как в программе есть ветки - не все эти 400 LD  отрабатывают. При отличном от ожидаемого значении - идет перемещение указателя на инструкцию:

В моей виртуальной машине кеширования нет, или какой либо оптимизации, все переменные каждый раз пройдут полный путь загрузки и проверки.

В  конце цикла - устанавливаем/сбрасываем ножу микроконтроллера.

Замеряем время осциллографом.

Рассчитываем среднее время выполнения 1 инструкции в составе всех отработанных LD.

Результаты сравнения:

Одна LD базовая инструкция выполняется от 9.5 до 14.5 микросекунд против 2.5 мксек у Micro810.

STM32G030  (мой ПЛК на нем) в 4 - 6 раз медленнее чем Micro810.

Также стоит отметить, что частота STM32G030 в моем тесте была намеренно снижена с 64 до 42 Мегагерц. Но даже если частоту поднять и скорость возрастет на треть, все равно ,бренд Allen Bradley Micro810 будет в разы быстрее STM32G030.

Еще стоит отметить, я не знаю какой процессор стоит в ПЛК  Micro810, но судя по производительности скорее всего не сильно производительнее  нашего STM32G030. Моя задача была проверить возможности  ПЛК на STM32G030 в режиме энергосбережения, и сравнить с брендом.

За счет того что программа нашего ПЛК с STM32G030 выполняется  виртуальной машиной собственной разработки, обычно, есть проигрыш по скорости примерно 2-4 раза от нативной реализации (от того я и предположил что Allen Bradley Micro810 имеет CPU не сильно производительнее STM32G030 ).

Что можно выжать из STM32G030  в качестве ПЛК:

При настройках цикла в 5 миллисекунд, за этот период мы можем отработать 400 LD и отправить/принять по Modbus  на RS485 : 32 целочисленные переменные, на низких скоростях. Много это или мало? в тесте, например тут 184 LD.

таймеры/счетчики еще отнимут 64 - 100 байт за каждый. Шахтный конвейер, одна из веток конвейера обошелся около 300 LD, тут - 184 но влезет в STM32G030  400 LD.

Cамое главное, преимущество перед Micro810

Наш ПЛК STM32G030  может работать в режиме вытесняющей многозадачности. И мы можем менять программу  не перезагружая ПЛК физически - отправить кусок кода по Ethernet  или  RS485, и полностью переписать программу задачи не останавливая другие задачи. Эти функции есть только в Топовых ПЛК.

Еще есть момент, у STM32G030 всего 8кб ОЗУ: 4кб примерно забирают переменные виртуальной машины, еще на 4кб остаются под программу, поэтому больше 400 LD и несколько десятков целочисленных и булевых переменных не получится на нем реализовать. Флеш 32кб занят полностью прошивкой. Расширить программу ПЛК можно только через внешнюю память (например через интерфейс I2C / SPI), у Micro810 по документации влезет 2000 LD .

Минимальную цену Allen Bradley Micro810  которую видел на международных площадках - 140$  за один такой ПЛК. Сложно сказать какая  себестоимость его на производстве но думаю ПЛК на STM32G030 обошелся бы не дороже 50$ (цена платы с STM32G030 3$ + хорошие гальванические развязки с корпусом и прочее).

Следующий тест я проведу на знаменитой синей плате  STM32F103C8T6.

В интернете (на известном и других ресурсах) видел тестирование ее в качестве ПЛК со средой разработки от Mitsubishi. Тут уже будет поинтереснее, так как все сравниваться будет на одном и том же железе ( в отличии от Allen Bradley Micro810,которые не разглашают что у них там в качестве CPU) , и прямой  соревнование с брендом - будет интересно. Сравниваться буду всем - своим компилятором, средой разработки и выполнения на микроконтроллере. Если вам тоже интересно  - присоединяйтесь.

Два года назад мы набрались смелости и начали искать единомышленников, кто готов, на наших наборах учить детей схемотехнике/Arduino. Было немного страшно не получить откликов, но и получить очень много тоже не хотелось). В итоге откликнулся один человек (возможно пост не получил должного охвата, либо не заинтересовал аудиторию) но получилось как получилось и, после небольших согласований, первые наборы уехали в г.Шелехов.
Фото с разрешения преподавателя публикую:

На второй год мы подумали, что у нас же есть тематическая группа ВК и разместили всю информацию там, далее будем размещать только там. Отклик был уже намного больше, и в 2024 году получилось открыть кружки в:

Сарапул
Челябинск
Сургут
Семенов
Кузнецк

Тут уже работа шла более уверенно и плодотворно. Преподаватели рады, дети счастливы, мы довольны, или наоборот, уже не помню)
В этом году мы продолжили нести свет мигающего светодиода по стране, отклик был уже настолько большой, что закрыли набор достаточно быстро, но ещё некоторое время получали обратную связь. В итоге набралось 14 населенных пунктов. Были отправлены тестовые наборы для преподавателей для ознакомления и общий старт был намечен на 1 октября, но прознал президент заморский, что скоро Россия станет лидеров в робототехнике и подготовил заговор против устремлений светлых, а так как не знал, где конкретно едут наборы – вообще перекрыл поток товаров из Китая.  Погрустили, погоревали, но где у себя на складе что-то нашли, где в других ардуино магазинах выкупили, собрали и отправили по 8 наборов в 14 городов, мы даже стали немного международным проектом(отправили в Кыргызстан) в нашем понимании у образования нет границ. Ещё в 2 (по договоренности с ними, так как обратились уже после закрытия границ) поедут наборы в ноябре. В 2025 году кружки были согласованы/открыты в следующих населенных пунктах:

Красногорский
Сатка
Новосибирск
Барабинск
Краснотуранск
Сарапул
Вологда
Муезерский
Новосибирск (ещё раз)  
Актаныш
Карасук
Киров
Таганрог
Нарын (Кыргызстан)
В ноябре отправим в Новодвинск и Котельнич

Этим постом мы не ищем одобрения, просто хотели бы показать, что делать добрые дела можно на любом уровне. Главное желание, да мы отнимаем у себя ресурсы, время, но взамен получаем намного больше – понимание, что действительно меняем мир.
В последнее время на Пикабу все стараются добавить ссылки на тг/вк ресурсы, чтобы получить подписчиков, мы же здесь не для этого и размещать ссылки не планируем, найти информацию о проекте не сложно, но просьба не выкладывать переходы/название магазина, возможно выпускники Бизнес молодости скажут, что это нелогично, непрактично, даже делая добрые дела надо стараться получать выгоду, ну а мы скажем: конь, стул, двадцать восемь. Всем добра)