Программирование на C для станков с ЧПУ и промышленного оборудования

[kirilljsx]

Программирование на языке C для промышленности - это не то же самое, что писать код для веб-сайтов или мобильных приложений. В станках с ЧПУ и промышленном оборудовании C используется для разработки программного обеспечения встраиваемых систем, контроллеров и управляющих модулей, которые работают на микропроцессорах и программируемых логических контроллерах (ПЛК).

Важно понимать, что для непосредственного управления станком обычно применяются G-коды и M-коды, но язык C необходим для создания постпроцессоров, драйверов устройств и низкоуровневых систем управления.

Где и как изучать программирование на C

Классическим учебником для изучения языка C является книга «Язык программирования C» Брайана Кернигана и Денниса Ритчи - создателей самого языка. Эта книга выдержала более 34 переизданий и считается эталонным справочником, хотя больше подходит для тех, кто уже знаком с основами программирования. Для абсолютных новичков стоит начать с более простых онлайн-курсов и видеоуроков.
​
Для промышленного применения существуют специализированные программы обучения. Учебные центры предлагают курсы по программированию ПЛК на языках стандарта IEC 61131-3, включая язык ST (структурированный текст), который основан на С. Университеты также проводят курсы промышленного программирования, где обучают разработке для встроенных систем и многозадачных контроллеров.​

Онлайн-ресурсы для самостоятельного изучения включают бесплатные видеокурсы на YouTube, специализированные сайты и платформы типа Skillbox, которые предлагают структурированные программы от базового до продвинутого уровня.

Инструменты для программирования на C

Для написания программ на C потребуется компилятор и среда разработки (IDE). Самым распространённым компилятором является GCC (GNU Compiler Collection), который бесплатен и работает на всех операционных системах. Для Windows существуют готовые сборки MinGW-w64, MSYS2 и TDM-GCC, которые легко устанавливаются и автоматически прописываются в системные переменные.
​
Среди популярных IDE для программирования на C выделяются несколько вариантов:

• Visual Studio Code — бесплатный редактор от Microsoft с поддержкой множества расширений
• Code::Blocks — простая и бесплатная среда, хороший выбор для новичков
• Eclipse CDT — мощная IDE с открытым исходным кодом
• CLion от JetBrains — платная профессиональная среда с продвинутыми функциями отладки

Для промышленных контроллеров используются специализированные среды разработки: CoDeSys, PC WORX для контроллеров Phoenix Contact и Prompower PLC Studio для программирования ПЛК

Как по мне оптимальным вариантом будет выбрать VS code, он простой в установке и настройке, а также имеет множество плагинов.

Первая программа на C

И так мы дошли до самого интересно, наша первая программа на языке C, надеюсь к этому моменту вы уже установили себе редактор.

Традиционно первой программой на любом языке является вывод текста «Hello, World!» на экран. Код этой программы выглядит следующим образом:

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello World!\n");
    return 0;
}

А теперь разберем подробнее что здесь происходит: Первая строка подключает стандартную библиотеку ввода-вывода stdio.h, функция main() является точкой входа программы, printf() выводит текст на экран, а return 0 завершает программу с кодом успешного выполнения.

Для компиляции и запуска программы нужно сохранить код в файл с расширением .c (например, hello.c), затем в командной строке выполнить команду gcc hello.c -o hello для создания исполняемого файла. После компиляции программу можно запустить командой ./hello в Linux или просто hello.exe в Windows.

Компиляция (в программировании) - это процесс перевода программы, написанной человеком на языке высокого уровня (исходный код), в эквивалентную программу на низкоуровневом языке, близком к машинному коду, чтобы компьютер мог ее понять и выполнить.

Применение C в промышленности

В промышленной автоматизации язык C используется для создания встраиваемого программного обеспечения, которое работает непосредственно на контроллерах и микропроцессорах станков. Embedded Coder генерирует компактный и быстрый код для массового производства, соответствующий промышленным стандартам вроде MISRA C и IEC 61508.
​
Программирование на C++ (расширенная версия C) позволяет писать драйверы для неподдерживаемых устройств, обеспечивать работу протоколов обмена данными и создавать диспетчеризацию систем любой сложности. Для разработки систем управления технологическими процессами применяются специализированные среды вроде VisSim, SimInTech и Matlab, которые также используют C в качестве основы.

Путь развития для промышленных программистов

Начинающим стоит сначала освоить базовый синтаксис C, типы данных, операторы и функции. После понимания основ можно переходить к изучению работы с регистрами микроконтроллеров, таймерами, прерываниями и периферией вроде UART, I²C и SPI. Параллельно полезно изучить принципы работы операционных систем реального времени (RTOS) вроде FreeRTOS для многозадачных приложений.
​
Для работы непосредственно со станками ЧПУ критически важно освоить G-коды и M-коды, которые являются языками управления станками. CAM-системы преобразуют 3D-модели в управляющие программы через постпроцессоры, которые как раз пишутся на C или C++. Понимание всей цепочки от модели до реального движения инструмента дает конкурентное преимущество на производстве.

[kirilljsx]

И да чуть не забыл для, для использования GCC необходимо обязательно установить сам компилятор, поскольку он не входит в стандартную поставку Windows. В Linux-системах вроде Ubuntu установка проще - достаточно одной команды sudo apt install build-essential, которая поставит GCC, G++ и утилиту Make.

Теперь в консоли вводим команду выше, в моем случае gcc у меня уже установлен и пакеты просто проверились:

После установки, давайте проверим работает ли у нас установленная библиотека, для этого используем следующую команду:

gcc --version

Все отлично мы видим версию GCC 11.4.0 отображается корректно - это часть build-essential, которая включает компилятор.

Эта установка та что касаемо linux, в моем случае Ubuntu (wsl).

---

Установка на Windows

Для Windows существует несколько вариантов установки GCC:
​
MinGW-w64/MSYS2 - самый популярный вариант. Скачиваете установщик с официального сайта, запускаете его и выбираете путь установки (обычно C:\mingw или C:\msys64). После установки обязательно нужно добавить путь к папке bin (например, C:\msys64\mingw64\bin) в системную переменную PATH.
​
TDM-GCC - вариант для тех, кто хочет быстро поставить и забыть. Скачиваете с официального сайта, запускаете инсталлятор, и он автоматически прописывается в PATH без дополнительных настроек.

ВАЖНО ДЛЯ WINDOWS!

По мимо этого компилятора что бы воспроизводить программы на windows под расширение .exe потребуется дополнительная библиотека: sudo apt install mingw-w64.
Также как и в linux все делаем через консоль. Во время установки пакетов терминал попросил разрешение для этого вводит англ. буква - y (Yes) и нажимаем enter.

После установки перейдем ниже к написанию кода, компиляции и запуску программы.

[kirilljsx]

А теперь о самой компиляции и коде подробнее, я буду использовать свой редактор кода - VS code.

И так вот наша программа:

Слева находятся файлы, справа код, а под кодом терминал(консоль). В нашем терминале нам необходимо использовать команду: gcc hello.c -o hello для компиляции.

Смотрим внимательно, у нас слева где все наши файлы теперь появился скомпилированный файл наше программы.

Так как я работаю из под linux я спокойно запускаю программу прямо из терминала ./hello, и в терминале вижу ответ:

По компиляции Windows опишу чуть ниже.

[kirilljsx]

Выше я писал по поводу установки компилятора sudo apt install mingw-w64. Если вы все сделали правильно, теперь перейдем к шагу самой компиляции программы под windows.

Для этого в нашем терминале мы вводим следующую команду: x86_64-w64-mingw32-gcc hello.c -o hello.exe.

После ввода команды, слева мы увидим что появился новый файл hello.exe который мы уже можем исполнить в самом windows:

После запуска произойдет сразу же завершение программы, но не пугайтесь на самом деле она запускается!

Но что бы увидеть это воочию нам надо переписать наш код:

#include <stdio.h>

int main() {
    printf("Hello World!\n");
    printf("Press Enter to exit...");
    getchar();  // Ждёт нажатие клавиши
    return 0;
}

Все фишка в функции getchar(); которая будет ждать и держать так сказать окно программы открытой до тех пор пока мы не нажмем Enter.

Что бы обновить нашу программу удалим уже устаревший файл hello.exe и перекомпилируем нашу программу:

Ну а после идем в папку с проектом и запускаем наш hello.exe:

Поздравляю! Мы написали свою первую программу на языке C, а также сделали компиляцию под Linux и Windows!

[kirilljsx]

Переход к промышленным задачам

Выше было описано практическое использование языка C, понятное дело что в форум не поместишь полную базу написания полноценной программы, но я все же постараюсь объяснить максимально на пальцах что вообще такое промышленное программирование и с чем его едят.

Программирование микроконтроллеров
Для работы с промышленным оборудованием нужно освоить программирование микроконтроллеров. Начните с платформ Arduino или AVR - они доступны, имеют обширную документацию и активное сообщество.

Пример базовой программы для микроконтроллера выглядит так:

#define F_CPU 20000000UL
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void) {
    // Настройка пина как выхода
    DDRB |= (1 << PB0);
    
    while(1) {
        // Включить светодиод
        PORTB |= (1 << PB0);
        _delay_ms(1000);
        
        // Выключить светодиод
        PORTB &= ~(1 << PB0);
        _delay_ms(1000);
    }
    
    return 0;
}

Здесь уже видны низкоуровневые операции: прямая работа с регистрами портов, управление выходными сигналами и таймингом.

Понятное дело то что написано выше вы вряд ли поймете сейчас, тут нужны знания синтаксиса самого языка C, а также понимание с каким оборудованием вы работаете. Не переживайте, все придет с опытом! Читайте документации, книги и смотрите ролики и конечно не забывайте про практику.

Работа с ПЛК

Программируемые логические контроллеры используют стандарт IEC 61131-3. Хотя сам стандарт предлагает пять языков программирования (включая текстовый Structured Text), знание C помогает понимать внутреннюю логику и создавать более сложные алгоритмы управления.

Про ПЛК, я писал подробнее в этой статье если кому будет интересно.

Среда CoDeSys популярна для программирования промышленных ПЛК и поддерживает интеграцию с кодом на C/C++.

Интеграция с CAM-системами

Для станков с ЧПУ программирование на C может использоваться при разработке постпроцессоров - программ, которые преобразуют траектории из CAM-систем в конкретный G-код для вашего станка. Это продвинутый уровень, но он дает полный контроль над процессом генерации управляющих программ.

[kirilljsx]

Практические советы для начинающих

Начинайте с малого
Не пытайтесь сразу написать сложную систему управления. Сначала освойте базовые конструкции языка: переменные, циклы, условия, функции. Каждая новая программа должна решать одну небольшую задачу.

Изучайте чужой код
Открытые проекты на GitHub — отличный источник для обучения. Например, проект GCodeWorkShop показывает, как создаются редакторы программ для станков с ЧПУ.
​
Практикуйтесь регулярно
Программирование требует постоянной практики. Пишите код каждый день, даже если это простые упражнения. Решайте задачи на специализированных платформах, пробуйте модифицировать существующие примеры.
​
Объединяйте теорию с практикой
Если есть доступ к учебному станку или микроконтроллеру, используйте его для практических экспериментов. Реальное железо дает понимание того, как код превращается в физические действия машин.
​
Общайтесь с сообществом
Форумы, Telegram-группы и специализированные ресурсы помогут быстрее разобраться в сложных вопросах. Не стесняйтесь задавать вопросы — сообщество программистов обычно готово помогать начинающим.
​

Дальнейшее развитие

После освоения базового C стоит изучить:

• C++ для объектно-ориентированного программирования и работы с библиотеками MFC, Qt
• Python для быстрого прототипирования и автоматизации задач
• Assembler для максимально низкоуровневой работы с процессором
• Стандарты промышленной автоматизации (IEC 61131-3, OPC UA)
• Архитектуру микроконтроллеров (ARM Cortex, AVR, PIC)

Путь программиста в промышленности требует времени и усилий, но результат того стоит. Вы получаете полный контроль над оборудованием, можете решать уникальные задачи автоматизации и создавать собственные инструменты для производства.
​
Начните с малого, двигайтесь пошагово, и уже через несколько месяцев сможете писать программы для реальных промышленных систем. Удачи в освоении C!