Zastosowanie TIA Portal Openness w automatyzacji projektowania i testowaniu systemów przemysłowych

Deep research ChatGPT

Wprowadzenie

TIA Portal Openness to interfejs programistyczny (API) udostępniony przez firmę Siemens w środowisku TIA Portal, pozwalający na automatyzację zadań inżynierskich i projektowych. Umożliwia on zewnętrznym aplikacjom tworzenie i modyfikację projektów sterowników PLC, konfigurację sprzętu, import/eksport danych oraz wiele innych operacji w sposób programowy¹. Co ważne, TIA Openness jest dostępny bez dodatkowych opłat – jest instalowany domyślnie z TIA Portal i nie wymaga osobnej licencji². Dzięki temu inżynierowie automatycy mogą tworzyć własne narzędzia usprawniające pracę, integrując TIA Portal z zewnętrznym oprogramowaniem w celu automatyzacji powtarzalnych czynności.

Automatyzacja tworzenia projektów i generowania kodu PLC

Jednym z głównych zastosowań Openness jest automatyczne generowanie projektów oraz kodu sterującego na bazie zdefiniowanych szablonów lub danych wejściowych. Pozwala to na szybsze tworzenie standardowych aplikacji i zapewnienie spójności kodu w wielu projektach. Na przykład w przypadku maszyn o modułowej budowie można przygotować generator kodu, który na podstawie listy wybranych modułów automatycznie utworzy strukturę programu PLC. Standardowe bloki programu (np. sterujące poszczególnymi modułami maszyny) mogą być automatycznie wstawiane do projektu i powiązywane z właściwymi urządzeniami oraz interfejsami³.

Jak opisuje jeden z inżynierów, dzięki takiemu podejściu „używając Openness, 80–90% programu sterownika można wygenerować automatycznie za pomocą jednego kliknięcia” – resztę stanowią tylko specyficzne wymagania danego projektu, które dopisuje się ręcznie³. Openness umożliwia utworzenie nowego projektu, dodanie do niego urządzeń (sterowników, modułów I/O itp.), skonfigurowanie sieci przemysłowej, a następnie wygenerowanie w nim bloków programowych i innych obiektów bez udziału interfejsu użytkownika TIA Portal⁴. Takie podejście znacząco zwiększa skalowalność tworzenia oprogramowania – jeśli firma realizuje wiele podobnych aplikacji, można zdefiniować standard architektury projektu i procedury generowania, dzięki czemu nowy projekt powstaje automatycznie zgodnie ze standardem (dodawane są odpowiednie bloki z bibliotek, konfiguracje sieci, pliki urządzeń GSD itp.)⁴. Dla maszyn posiadających warianty, generator może tworzyć bazowy projekt, a następnie dodawać lub usuwać moduły w zależności od konfiguracji danej instancji maszyny⁴. Wszystko to ogranicza ręczne, żmudne programowanie i minimalizuje błędy – zmiany w standardowych blokach wprowadza się tylko raz w generatorze, a następnie są one propagowane do wszystkich projektów.

Praktyczne przykłady:

W praktyce inżynierowie realizują różne narzędzia oparte o Openness do automatycznego tworzenia kodu. Na rynku istnieją komercyjne aplikacje, takie jak Siemens SiVArc, które automatycznie generują wizualizacje HMI na podstawie programu PLC, jak również rozwiązania tworzone we własnym zakresie. Dobrym przykładem customowego zastosowania jest opisany przez jednego z integratorów system, gdzie maszynę rozkłada się na zestandaryzowane komponenty, a każdy komponent ma przypisany blok programu sterującego – na podstawie listy komponentów aplikacja wytwarza odpowiednie wywołania bloków w PLC wraz z parametryzacją ich interfejsów³ (taki blok i jego parametry są wcześniej zdefiniowane i przetestowane, co zapewnia poprawność działania). Dzięki temu podejściu złożony program sterujący powstaje niemal automatycznie, a inżynier musi jedynie dopisać nietypowe fragmenty logiki specyficzne dla danej instalacji.

Automatyczne generowanie dokumentacji i konfiguracji

Poza samym kodem sterownika, TIA Openness umożliwia także automatyzację tworzenia dokumentacji projektowej oraz konfiguracji urządzeń. Możliwe jest np. wygenerowanie list sygnałów, tabel tagów, opisów bloków czy raportów konfiguracyjnych bezpośrednio z projektu PLC. Siemens udostępnia tzw. TIA Portal Add-Ins – dodatki do TIA bazujące na Openness – które realizują konkretne zadania. Przykładem jest dodatek „Code2Docu”, który „generuje dokumentację na podstawie informacji i elementów tekstowych obiektów TIA Portal”². Innymi słowy, potrafi zebrać z projektu istotne dane (np. opisy bloków, komentarze do zmiennych, konfiguracje modułów) i wygenerować z nich gotowy dokument.

Inżynierowie często tworzą także własne skrypty do eksportu danych projektowych do formatów takich jak Excel czy XML, co pozwala na dalsze przetwarzanie i generowanie specyficznych dokumentów (list okablowania, zestawień I/O, itp.). Dzięki Openness możliwe jest również integracyjne wykorzystanie narzędzi takich jak Excel do wprowadzania danych konfiguracyjnych. Istnieją przykłady użycia, gdzie na podstawie arkusza Excel generowane są bloki danych i tablice tagów w sterowniku (Siemens opublikował np. przykład Excel Code Generator integrujący plik XLS z projektem PLC poprzez Openness⁵). Tego typu automatyzacja zmniejsza ryzyko błędów przy przenoszeniu konfiguracji (np. z dokumentacji elektrycznej) do programu sterownika i przyspiesza uruchamianie systemu.

Automatyczne testowanie i walidacja aplikacji sterownikowych

TIA Openness znajduje też zastosowanie w automatyzacji testów oprogramowania PLC, choć jest to obszar stosunkowo nowy w automatyce przemysłowej. Dzięki API Openness można programowo wywoływać kompilację projektu, sprawdzać poprawność bloków czy porównywać zmiany, co bywa wykorzystywane w skryptach ciągłej integracji (CI) dla oprogramowania sterowników. Bardziej zaawansowanym zastosowaniem jest integracja z symulatorem PLC (S7-PLCSIM). Dostępne są narzędzia i biblioteki pozwalające na uruchamianie testów jednostkowych logiki PLC na symulatorze PLCSIM Advanced z wykorzystaniem Openness. Przykładowo, projekt PLCSIM UnitTest udostępniony na GitHub umożliwia automatyczne wykonanie zestawu testów dla programu TIA Portal na symulatorze – jest to rozwiązanie pluginów pod .NET, obsługujące różne wersje Openness i PLCSIM¹. Tego typu podejście pozwala w sposób powtarzalny przetestować logikę sterownika (np. wywołując blok z różnymi kombinacjami wejść i sprawdzając otrzymane wyjścia) bez fizycznego sprzętu, co podnosi jakość oprogramowania jeszcze przed wdrożeniem na obiekcie.

Innym aspektem jest automatyzacja testów integracyjnych i procedur utrzymaniowych. Openness w wersjach TIA Portal V16 i wyższych udostępnił funkcje automatycznego downloadu programu do sterownika oraz uploadu (pobierania programu z PLC). Inżynierowie wykorzystują te możliwości do tworzenia własnych systemów backupu i wersjonowania aplikacji. Na forach użytkownicy opisują np. rozwiązanie do automatycznego backupu projektów sterowników – jedna z komercyjnych platform do zarządzania wersjami, Versiondog, już od TIA V13 SP1 potrafi pobierać program ze sterownika S7 wykorzystując wewnętrznie API Openness⁶. Również samodzielnie można z pomocą Openness napisać narzędzie cyklicznie łączące się ze sterownikiem i archiwizujące program (potwierdza to doświadczenie jednego z forumowiczów pracującego nad systemem auto-backupu klienta z użyciem Openness⁶). Automatyczne pobieranie projektu z PLC oraz porównywanie zmian może służyć weryfikacji, czy działający w obiekcie program jest zgodny z bazową wersją projektu – co stanowi formę testu integralności systemu sterowania.

Biblioteki Pythona do integracji z TIA Portal Openness

Choć oficjalnie Siemens przewiduje tworzenie aplikacji z użyciem języków .NET (jak C# czy VB), społeczność opracowała metody wykorzystania Openness także w języku Python. Istnieje kilka otwartoźródłowych bibliotek i przykładów, które ułatwiają korzystanie z API Openness w Pythonie – zazwyczaj przez wykorzystanie mechanizmu .NET (CLR) wewnątrz Pythona lub przez interfejs COM.

Przykładowe biblioteki i projekty:

• TIA-Openness-From-Python – biblioteka (repozytorium GitHub) pokazująca użycie Openness w Pythonie. Jej autor zaznacza, że Siemens oczekuje tworzenia aplikacji w językach typu C/C#, jednak on wolał użyć Pythona i udostępnił kod jako przykład dla innych¹. Biblioteka ta umożliwia m.in. generowanie kodu w języku SCL lub schematów drabinkowych (LAD) oraz importowanie ich do projektu TIA, a także automatyczne dodawanie urządzeń do konfiguracji sprzętowej projektu¹.
• tia-openness-api-client – biblioteka Python napisana przez społeczność, dostępna na PyPI/GitHub, która tworzy klienta ułatwiającego pracę z API Openness¹. Pozwala ona w prosty sposób wykonywać typowe operacje: tworzyć/otwierać projekty, dodawać urządzenia, odczytywać listę sterowników i bloków, eksportować bloki do plików, kompilować projekt, itp. Przykładowy kod użycia pokazuje, jak otworzyć projekt, zapisać go pod nową nazwą, a następnie wyeksportować wszystkie bloki programowe na dysk¹. Biblioteka ta działa w oparciu o pakiet pythonnet, który pozwala załadować do Pythona dostarczane przez Siemensa biblioteki .NET (np. Siemens.Engineering.dll) i wywoływać ich metody¹.
• Przykłady Maroder1 – użytkownik o pseudonimie Maroder1 opublikował przykładowy kod Pythona pokazujący niemal pełne workflow automatycznego stworzenia projektu PLC od zera¹. Skrypt ten uruchamia w tle TIA Portal, tworzy nowy projekt, dodaje sterownik S7-1500 wraz z modułami i konfiguracją sieci (IP, interfejs PROFINET itp.), tworzy układ sieciowy, dodaje kanały I/O, następnie kompiluje projekt, eksportuje bloki i tablice tagów do plików, a na koniec może także załadować (download) wygenerowany program do sprzętu lub symulatora¹. Autor zaleca korzystanie z Jupyter Notebook podczas pracy z Openness, co ułatwia iteracyjne testowanie kodu (nie trzeba za każdym razem uruchamiać całego skryptu). W swoich instrukcjach podkreśla też potrzebę zgodności wersji (np. użycie Pythona 3.7 z uwagi na problemy pythonnet z nowszym 3.8¹) oraz konieczność dodania użytkownika Windows do grupy Siemens TIA Openness (to wymóg bezpieczeństwa TIA pozwalający zewnętrznym programom sterować portalem¹).
• RPA TIA Openness – ciekawy projekt będący graficznym narzędziem do generowania projektów TIA, stworzony z użyciem Pythona¹. Aplikacja ta udostępnia przyjazny interfejs GUI (w bibliotekach tkinter) do wprowadzania danych projektu, a wewnątrz wykorzystuje pythonnet aby komunikować się z API Openness. Jak opisano w dokumentacji: „projekt składa się z interfejsu graficznego napisanego w Pythonie z użyciem tkinter oraz pythonnet, aby ułatwić zarządzanie tworzeniem projektów TIA Portal”¹. Rozwiązanie to pokazuje, że nawet bardziej rozbudowane narzędzia (z interfejsem użytkownika) można budować poza środowiskiem TIA, wykorzystując Openness jedynie jako silnik do operacji na projektach.

Warto zauważyć, że wszystkie powyższe biblioteki korzystają z oficjalnego API udostępnionego przez Siemensa – nie ingerują bezpośrednio w pliki projektu, lecz wywołują odpowiednie metody interfejsu TIA. Najczęściej stosowanym podejściem jest właśnie użycie pythonnet lub podobnych mechanizmów do załadowania bibliotek .NET (Siemens.Engineering i pokrewnych) i wywoływania ich funkcjonalności w Pythonie. Alternatywnie, jeśli biblioteki te są zarejestrowane w systemie jako COM, można by użyć modułu win32com do ich wywołania – jednak większość przykładów skupia się na podejściu .NET. Społeczność automatyki udostępnia też przykłady kodu w C# na GitHub, które mogą służyć jako odniesienie przy pisaniu skryptów Python (gdyż wywoływane metody API są takie same). Siemens opublikował oficjalny dokument PDF z opisem API Openness oraz Openness Explorer – aplikację pokazującą strukturę obiektów i metod dostępnych w API¹. Z tych zasobów korzystają autorzy bibliotek, przekładając oficjalne możliwości na wygodniejsze w użyciu interfejsy Pythona.

Opinie użytkowników: efektywność i ograniczenia TIA Openness

Opinie inżynierów na temat TIA Portal Openness są podzielone. Wielu docenia możliwości automatyzacji, jakie oferuje to API, zwłaszcza przy realizacji powtarzalnych projektów. Inni jednak wskazują na pewne ograniczenia i bariery w użyciu tego narzędzia.

Zalety i pozytywne doświadczenia:

Użytkownicy podkreślają, że Openness pozwala znacząco przyspieszyć pracę i zapewnić powtarzalną jakość projektów. Przewijającym się słowem jest skalowalność – możliwość łatwego tworzenia wielu wariantów projektu. Jak stwierdza autor jednego z artykułów: „Openness to świetne narzędzie do tworzenia skalowalnego i modularnego kodu dla TIA Portal”⁴. Osoby, które wdrożyły to rozwiązanie, zauważają, że oszczędność czasu przy dużych projektach jest ogromna – czynności, które normalnie zajęłyby tygodnie, mogą zostać zautomatyzowane i wykonane w kilka minut przez program generujący projekt.

Co istotne, wielu inżynierów z powodzeniem nauczyło się obsługi Openness we własnym zakresie. Według relacji użytkowników forum, nie jest to przesadnie skomplikowane dla kogoś, kto zna nowoczesne języki programowania: „I’ve used TIA Openness to automate S7-1200 stuff and it was pretty easy to learn in just a few days (although I was using C# not Python)”⁷ – jak przyznał jeden z automatyków, opanowanie podstaw API zajęło mu tylko kilka dni. Inny użytkownik potwierdza, że jeśli podejdzie się metodycznie, to tworzenie skryptów (np. w C#) do automatyzacji czynności w TIA Portal jest wykonalne w krótkim czasie i daje satysfakcjonujące rezultaty.

Ograniczenia i trudności:

Mimo powyższych zalet, TIA Openness bywa krytykowane za wysoki próg wejścia i pewne braki funkcjonalne. Często przytaczanym problemem jest skomplikowana dokumentacja i konieczność posiadania umiejętności programistycznych. Na forum Reddit pojawiła się opinia, że przed podejściem do Openness warto najpierw nauczyć się C#: „the Openness documentation is bad enough if you already know C#, but if you don’t know it just forget completely…”⁷. Użytkownicy wskazują, że oficjalny podręcznik (dostępny w Help TIA Portal lub PDF) jest trudny do zrozumienia, „bezużyteczny” według dosadnej opinii jednego z uczestników dyskusji⁶. Z tego powodu wiele osób szuka porad na forach lub gotowych przykładów w sieci. Siemens co prawda udostępnia przykładowe projekty i TIA Add-Ins, ale ich możliwości są dość podstawowe i często nie obejmują konkretnych potrzeb danego użytkownika.

Kolejną barierą jest złożoność technologiczna: Openness w praktyce wymaga zrozumienia działania TIA „od środka”. Wiele operacji (zwłaszcza generowanie kodu) opiera się na formacie XML – aby wygenerować blok PLC, trzeba albo ręcznie skonstruować odpowiedni fragment XML, albo wyeksportować wcześniej przygotowany blok z TIA i użyć go jako szablonu⁴. Jak zauważa jeden z komentujących, bywa to nieco uciążliwe: „Just a bit too much friction because of the XML requirement” – konieczność operowania na XML dodaje sporo „tarcia” do procesu³. Pliki XML potrafią też być bardzo rozbudowane i mało czytelne, co czyni ręczną manipulację trudną. Zwykle zaleca się więc podejście polegające na przygotowaniu wzorcowych obiektów w TIA (np. jednego bloku funkcyjnego), wyeksportowaniu ich do XML i potem automatycznej modyfikacji określonych fragmentów (np. nazw, adresów) przez program zewnętrzny⁴. Mimo to, próg zrozumienia struktury tych plików jest wysoki.

Ważne jest również zrozumienie, że nie wszystko da się zautomatyzować. API Openness nie obejmuje 100% funkcjonalności TIA Portal. Pewne operacje nie są udostępnione (zwłaszcza starsze czy rzadziej używane funkcje), choć z każdą kolejną wersją TIA lista możliwości API rośnie. Jak zauważono w jednym z blogów: „istnieją funkcje, których nie można zrealizować przez Openness, ale większość typowych operacji jest dostępna i z każdą wersją dochodzą nowe”⁴. Przykładowo, we wcześniejszych wersjach brakowało możliwości zdalnego załadowania programu do PLC czy obsługi pewnych elementów HMIs, co dopiero dodano w nowszych wydaniach. Niektórzy użytkownicy narzekają też na wydajność – skrypty muszą czekać na wykonanie operacji w TIA Portal, który sam w sobie nie słynie z szybkości. Uruchomienie TIA w tle i załadowanie projektu może zająć kilkadziesiąt sekund, co przy częstym testowaniu skryptów wymaga cierpliwości. Dlatego zaleca się rozwijanie i testowanie logiki na małych projektach lub fragmentach (np. tylko eksport/import jednego bloku), zanim zastosuje się ją na dużym kompletnym projekcie.

Odbiór w środowisku automatyki:

Ogólnie rzecz biorąc, TIA Portal Openness jest postrzegane jako krok w dobrą stronę – otwarcie zamkniętego dotąd ekosystemu Siemens na możliwości automatyzacji. Integratorzy i programiści doceniają fakt, że Siemens udostępnił oficjalne API (bez dodatkowych opłat), co umożliwia tworzenie własnych narzędzi zwiększających produktywność. W praktyce jednak narzędzie to pozostaje niszowe: korzystają z niego głównie zaawansowani użytkownicy lub firmy, które mają bardzo konkretną potrzebę (np. generowanie setek bloków według wzorca). Dla przeciętnego programisty PLC bariera wejścia (konieczność programowania w wysokopoziomowym języku, zrozumienia API i struktury projektów TIA) jest na tyle duża, że wielu z nich nigdy z Openness nie skorzysta w codziennej pracy. Ci jednak, którzy zainwestują czas w naukę, mogą zyskać potężne możliwości. Podsumowując wypowiedź jednego z ekspertów: Openness ma dość “stromą krzywą nauki”, ale oferuje ogromną elastyczność i możliwość dostosowania procesu inżynierskiego do własnych potrzeb⁴. W środowisku inżynierów automatyki słychać głosy zarówno entuzjazmu (gdy widzą, jak automatyzacja potrafi skrócić żmudne etapy pracy), jak i frustracji (gdy napotykają na ograniczenia lub walczą z dokumentacją). Niemniej jednak, trend automatyzacji inżynierii jest wyraźny i TIA Portal Openness jest kluczowym narzędziem umożliwiającym implementację tego trendu w świecie systemów sterowania.

Źródła:

1. github.com
2. support.industry.siemens.com
3. linkedin.com
4. dmcinfo.com
5. industry-mobile-support.siemens-info.com
6. plctalk.net
7. reddit.com