Ladder на экране 0.96": программирую ПЛК тремя кнопками

Проект называется AtsPLC. Это мой пет-проект: я начал его в 2024 году и делал неспешно. В этой статье я расскажу об идее и о том, как с контроллером работать. А во второй части — о том, как все устроено внутри.

Идея: ladder не нужен большой экран

Мне хотелось, чтобы логику можно было увидеть и поменять прямо на устройстве. И чтобы для этого хватило маленького и дешевого экрана.

Первопричина

Все началось с аквариума. Надоело каждый день включать свет, а днем еще и следить за солнцем: от избытка света вода в аквариуме зеленела. Компрессор тоже приходилось время от времени выключать. В ящике как раз лежало несколько модулей “WeMos ESP8266 board with OLED and 18650”, и один из них стал контроллером. Сначала программа была жестко зашита в код, без всяких настроек. Но скоро стали видны ее недостатки: в выходные хотелось, чтобы свет включался позже, а пороги фотодатчика приходилось то и дело подстраивать. И каждый раз ради этого нужно было править код и перепрошивать контроллер. Тогда вспомнилась Ladder Diagram, и появилась идея: пусть программу можно будет менять прямо на устройстве.

Для этой задачи хорошо подходит ladder. Программа на ladder — это просто список сетей. Каждая сеть читается как одна строка слева направо: от левой шины через контакты к катушке у правой шины. Такую строку легко показать даже на узком экране, а список строк удобно листать двумя кнопками.

Идея не новая: писать программу прямо на устройстве давно позволяют умные реле и даже конструкторы LEGO:

В AtsPLC на графическом экране 128×64 пишется именно ladder. Каждый элемент нарисован как настоящий элемент схемы и сразу показывает свои параметры прямо в сети: адрес контакта, уставку компаратора, время таймера, значение индикатора.

Программа и есть экран оператора

В AtsPLC программа сама показывает, что происходит:

• Активный участок цепи нарисован сплошной линией, а пассивный — пунктиром. Сразу видно, где проходит сигнал, а где цепь разорвана.

• Сверху экрана есть строка состояния с 8 маленькими шкалами: AI, DI, O1, O2 и V1…V4. Так значения всех входов, выходов и переменных видны всегда.

• Элемент Indicator показывает значение адреса крупным шрифтом. Его можно масштабировать и поставить десятичную точку. Например, сырое значение АЦП можно показать сразу в вольтах.

• В режиме Stop правая шина каждой сети пунктирная, а у отключенной сети пунктирная левая шина.

Получается, что отдельный HMI делать не нужно — он уже есть в самой программе. Нужно показать температуру? Достаточно добавить в программу сеть с одним элементом Indicator.

Железо

Фото собранного устройства

Сразу предупрежу: это макет, собранный на скорую руку. Задача была проверить идею, а не сделать красиво, поэтому здесь много термоклея и проводов поверх платы.

Устройство состоит из двух частей: платы контроллера и периферии. Плата контроллера — это готовый модуль “WeMos ESP8266 board with OLED and 18650”, а периферию я собрал на макетной плате. Для моих задач этого вполне хватает. Схема лежит в репозитории, так что при желании ее можно перенести на свою печатную плату.

Что есть на плате контроллера:

• ESP8266;

• OLED 0.96″ 128×64 на контроллере SSD1306, шина I2C;

• джойстик на 5 положений: вверх, вниз и нажатие работают как кнопки Up, Down и Select;

• на этом модуле джойстик вправо замыкает вход DI (GPIO0), поэтому DI удобно проверять без внешнего датчика, а влево сбрасывает устройство;

• светодиод.

Что есть в периферии:

• 1 дискретный вход (DI);

• 1 аналоговый вход (AI), это АЦП ESP8266, 0…1 В;

• 2 выхода (O1, O2);

• питание от сети 220 В через модуль AC/DC на 5 В.

Выходы я собирал в двух вариантах: с электромагнитными реле с катушкой на 12 В и переключающим контактом, и с твердотельными оптореле K293KP11BP. Входы защищены TVS-диодами и RC-фильтрами.

Схема. Деталей там немного, и все они легко находятся.

Так что если у вас в ящике лежит пара ESP8266 без дела, это хороший повод дать им работу.

Как писать программу тремя кнопками

На экране помещаются две сети, а кнопки Up и Down листают программу.

Менять программу можно только в режимах Stop и Debug, о них чуть ниже. В режиме Run программа защищена от случайных правок, и кнопки только листают ее.

Чтобы изменить сеть, нужно сделать так:

1. Select выбирает сеть.

2. Второй Select открывает ее.

3. Up и Down выбирают место в сети.

4. На выбранном месте Up и Down перебирают элементы. При этом контроллер предлагает только те элементы, которые помещаются на оставшееся место. Параметры переходят к новому элементу: например, если поменять нормально открытый контакт на нормально закрытый, адрес останется прежним.

5. Select подтверждает элемент, и дальше Up и Down меняют его параметры. Если держать Up или Down нажатой, значение меняется большим шагом.

А если долго держать Select на выбранной сети, откроются действия со всей сетью: переместить, копировать, удалить или отключить.

Как оказалось, тремя кнопками собирать программу на ladder довольно просто. Сначала я относился к этой идее скептически и собирался подключить больше кнопок. Но лень творит чудеса: новые кнопки я так и не подключил, а трех оказалось вполне достаточно.

Режимы работы

Debug нужен при наладке: можно поменять уставку и сразу увидеть результат на живом объекте. Но это опасное сочетание, поэтому флаг Debug не переживает пропадание питания: после него устройство стартует в Run.

Сервисный режим

Если включить питание с нажатой кнопкой Up, откроется сервисное меню. В нем можно выбрать режим работы, настроить WiFi через приложение ESP-Touch, сохранить программу в один из 4 слотов, восстановить ее или сбросить настройки.

Какие элементы есть

Что может делать программа, зависит от набора элементов, поэтому перечислю их все. Но сначала про адреса. Доступны DI, AI, O1, O2 и переменные V1…V4, и все они хранят значения 0…255.

Входные элементы:

Выходные элементы:

Связь между сетями:

В одну сеть помещается до 5 элементов. Если этого мало, выручает пара ContinuationIn и ContinuationOut: цепь просто продолжается в следующих сетях. Причем одна ContinuationIn может питать сразу несколько сетей ниже.

Привязки к WiFi, времени и настройкам:

Как элементы выглядят на экране

Пример: сигнализация, где телефон — это ключ

Чтобы было понятнее, как это выглядит в деле, разберу одну задачу.

Контроллер поднимает свою точку доступа WiFi. Если к ней подключен телефон хозяина, то значит, хозяин дома. Посторонний телефон к точке доступа не подключится: для этого нужно знать пароль. Но пароль могут знать и другие устройства, которые когда-то подключались: старый телефон, планшет или телефон гостя. Чтобы их не считать, в маске MAC-адреса указывается MAC телефона хозяина, и тогда хозяином считается только он. А если телефона нет и при этом открылась дверь, контроллер ждет 30 секунд и включает сирену на 10 минут. Красный светодиод показывает, в каком состоянии охрана. Линия датчика двери тоже проверяется: обрыв или короткое замыкание видно на светодиоде, а если дома никого нет, то неисправность сразу включает тревогу.

Подключение:

Датчик двери включен в делитель на аналоговом входе. Благодаря этому по одному входу можно различить сразу четыре состояния:

Переменные:

• V1 — сколько телефонов подключено к точке доступа;

• V2 — состояние охраны: 0 — тишина, 1…30 — ожидание 30 секунд, 31…180 — тревога, 181 — тревога закончилась.

V2 тут работает сразу и как состояние, и как счетчик времени. Генератор перед элементом Inc прибавляет 1 на каждом импульсе, и поэтому значение V2 растет вместе со временем.

Начнем с начала программы. Первая сеть поднимает точку доступа, а следующие три выводят значения на экран:

 1  ||--[WiFiAp V1 "AtsPLC" "ats-PLC0" "************"]----|| 2  ||--[Indicator AI 0..255]-----------------------------|| 3  ||--[Indicator V1 0..255]-----------------------------|| 4  ||--[Indicator V2 0..255]-----------------------------||

Теперь запуск тревоги. Если телефона нет, дверь открыта, а охрана в покое, то V2 становится равной 1:

12  ||--[V1 == 0]--[AI >= 130]--[V2 == 0]----------------->>                                                      V213  >>-----------------------------------------------(+)--||

Дальше ожидание 30 секунд. Пока V2 находится между 1 и 30, она растет на 1 каждую секунду:

16  ||--[V2 > 0]--[V2 <= 30]------------------------------>>                                                      V217  >>--[SQW off 500ms on 500ms]---------------------(+)--||

И наконец, хозяин вернулся. Как только телефон подключился, все сбрасывается. Здесь одна ContinuationIn питает сразу три сети:

21  ||--[V1 > 0]------------------------------------------>>                                                      V222  >>-----------------------------------------------(R)--||                                                      O123  >>-----------------------------------------------(R)--||                                                      O224  >>-----------------------------------------------(R)--||

Все ladder-схемы в статье сделаны скриптом Tools/ladder.py из файла программы.

Сети 2-4 здесь работают как экран оператора. При наладке на них видно значение AI при открытой и закрытой двери, так что пороги можно поправить прямо на месте.

Полное описание, схема делителя и вся программа лежат в Demo/security-alarm.md. Там же есть еще три готовые программы:

• аквариум: свет и насос фильтра по расписанию, с датчиком освещенности;

• WiFi watchdog: перезагружает роутер, когда его сигнал слабый или пропал;

• термостат: держит температуру в ящике с помощью нагревателя и вентилятора, датчик — термистор.

Веб-интерфейс

Когда устройство подключено к роутеру, у него появляется веб-интерфейс. Браузер показывает ту же картинку, что и OLED, только крупнее, а кнопки можно нажимать прямо на странице или с клавиатуры. При этом в браузере видно больше сетей, чем на устройстве: он собирает их из кадров, которые уже видел.

Еще через веб-интерфейс можно скачать и загрузить программу и переключить режим работы. А прошивка обновляется по WiFi через тот же HTTP-сервер, об этом во второй части.

Своего редактора программы со страницами, формами и кнопками в браузере нет, и это сделано специально. Браузер просто показывает копию экрана устройства, поэтому умеет ровно то же, что и само устройство. Как это устроено, я расскажу во второй части.

Ограничения

• Это самодельный ПЛК. Язык программы — подобие ladder из IEC 61131-3. Контроллер подходит для несложных процессов, где не нужна высокая надежность: ESP8266 с включенным WiFi на нее и не рассчитан, а на входах нет гальванической развязки.

• Мало входов и выходов. Сейчас их всего 1 DI, 1 AI, 2 выхода и 4 переменные. Но можно добавить расширитель GPIO: исходный код доступен, и лицензия разрешает его менять. Если сделаете это как отдельную конфигурацию, буду рад pull request.

• Значения только 0…255. Знаковых чисел, дробей и арифметики нет.

• Каждая сеть — одна цепочка. Так ее удобно показывать на маленьком экране. Логическое ИЛИ собирается из нескольких сетей: например, каждое условие в своей сети ставит общую переменную через Set, а отдельная сеть сбрасывает ее через Reset, когда все условия ложны.

• Размер программы. До 80 сетей, до 5 элементов в сети, файл до 4 КБ.

• Одно радио. ESP8266 не может одновременно держать свою точку доступа и подключение к роутеру. Поэтому, например, в программе сигнализации веб-интерфейс работает только в режиме Stop.

• Веб-интерфейс без пароля. Устройство рассчитано на домашнюю сеть, которой вы доверяете.

Лицензия

Бесплатно для хобби, обучения и для работы внутри своей компании. А если вы продаете устройства с AtsPLC или ставите его клиентам за деньги — нужна коммерческая лицензия.

Исходный код доступен всем, но в строгом смысле это не open source, правильнее называть это source available.

Что дальше

Идея оказалась удачной, и на ее основе я начал новый проект — SuPLC. Он пока еще в разработке.

SuPLC работает на нескольких платформах из одного кода: ESP32, ESP32-S3, ESP32-P4, ESP8266, LPC4088 и Linux. Дисплеи тоже разные: E-Ink 2.13″, AMOLED 2.41″ с тачем, LCD 3.5″ с тачем, TFT 5.6″. В нем уже есть Modbus TCP и RTU, сохраняемые переменные и значения до 65535.

Фото SuPLC на трех дисплеях

А во второй части я расскажу, как AtsPLC устроен внутри: как работает цикл контроллера без постоянного опроса, как рисуется картинка на 128×64, почему веб-интерфейс — это просто копия экрана, как устройство перезапускается без потери состояния и как все это тестируется.

Ссылки

• Репозиторий: https://github.com/viordash/AtsPLC

• Элементы: Docs/LADDER_ELEMENTS.md

• Готовые программы: Demo/README.md

• Схема: Docs/Schematic_ESP8266_2026-11-03.pdf