Современные индустриальные системы,

Функционирующие в режиме реального времени

Измерительные и управляющие системы в современном мире не видны, но именно они обеспечивают движение самолетов на авиалиниях, на них основана работа атомных электростанций, телефонных сетей, автопилотов поточных линий на промышленных предприятиях. С их помощью осуществляется распределение электроэнергии, управление полетом космических аппаратов и работой металлорежущих станков, регулирование микроклимата в зданиях. Полагаться на людей нельзя – и ответственность в критических приложениях перекладывается на автоматику.

Автоматическое управление начиналось с простых релейных схем, но теперь уровень сложности задач предполагает опору на цифровую обработку информации с использованием практически всех современных компьютерных технологий. Динамика развития индустрии промышленных систем отражена в отчете [14], данные которого основаны на опросах потребителей о закупаемых продуктах в трех крупных областях:

– управление процессами и инструментами (33%);

– интерфейс оператор - компьютер (37%);

– двигатели, приводы и управление движением (30%).

Наиболее интенсивно используются в промышленных системах распределенные системы управления, приложения на основе ПК и электроника для авиационных моторов, суммарно составляя 30% всех затрат в этой области.

Другой аспект – процентное распределение покупок по отраслям промышленности. Можно отметить следующие тенденции: увеличивается присутствие ПК в промышленном управлении, а по отраслям растут темпы автоматизации машиностроения; в химическом производстве динамика сохраняется; в нефтепереработке заметно небольшое замедление.

Организация промышленных систем

В качестве примера можно взять систему управления ректификационной колонной, которая отделяет легкие химические фракции от тяжелых при перегонке бензина из нефти. В такой системе компьютер получает информацию об уровнях и скоростях течения различных жидкостей, о температуре и давлении. Основываясь на текущих значениях, он выдает команды на регулировку параметров и тем самым определяет объемы и качественные показатели конечных продуктов. Подобная система управления обычно нацелена на минимизацию энергетических затрат.

На этом примере можно рассмотреть основные части промышленной системы.

1. Центральным элементом в ней служит вычислительный блок, который в зависимости от решаемой задачи может быть либо простейшей микроплатой, либо многопроцессорным комплексом с внешней памятью большого объема, базой данных и средствами сетевого взаимодействия. Вычислительный блок решает две задачи. Первая – это собственно программное управление на основе модели реального процесса. Вторая – организация интерфейса с обслуживающим персоналом. Здесь визуализируется состояние объекта управления путем вывода его параметров и статистических данных, а также содержатся средства для ручного управления.

2. Информация об объекте, как правило, аналоговая, собирается датчиками. Некоторые из датчиков пассивны: управляющая система сама периодически их опрашивает. Другие датчики самостоятельно прерывают работу системы, передавая ей информацию.

3. Воздействие на регулируемый процесс осуществляется с помощью электрических или электромеханических исполнительных механизмов. Например, это может быть включение/выключение вентилятора с целью регулирования температуры.

4. Между датчиками и исполнительными устройствами, с одной стороны, и устройствами цифровой обработки – с другой, ставятся алфавитно-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи. Кроме того, для управления исполнительными устройствами применяются программируемые логические контроллеры (ПЛК).

В развитии промышленных систем автоматизации в основном просматривались общие тенденции компьютерной индустрии, однако можно указать несколько принципиальных особенностей, которые требуют специализированных решений [4].

1.Промышленные системы функционируют в тяжелых для электронной техники условиях внешней среды, поэтому по сравнению с обычными компьютерами они должны иметь повышенную термо-, вибро-, ударопрочность.

2.Требуется подключать гораздо более широкую номенклатуру внешних устройств.

3.Время реакции системы на изменения параметров объекта управления определяется внешними реальными временными интервалами – такие системы называются системами реального времени. Для особо ответственных приложений, например при управлении самолетом, реакция должна быть практически мгновенной. Это, в частности, предполагает повышенную надежность и аппаратной, и программной частей.

Традиционный подход выделяет в системах промышленной автоматизации пять уровней: ввод/вывод (В/В), управление В/В, диспетчерское управление и сбор данных (SCADA), управление производством (MES) и планирование ресурсов предприятия (MRP). Таким образом при разработке подобных систем решаются и аппаратные, и программные задачи: первый и частично второй уровень составляют аппаратную базу для программного обеспечения верхних слоев.

Аппаратная архитектура

Необходимость создания для каждой системы автоматизации уникальной конфигурации разнообразных периферийных устройств ставит на первое место вопрос о принципах их подключения и обеспечении возможности согласованного функционирования. Путь, по которому пошла эволюция систем автоматизации, – модульность с опорой на стандартизацию.

Стандарты плохо растут на пустом месте и в тиши кабинетов. Все начиналось с того, что фирмы-поставщики разрабатывали аппаратуру, ориентируясь на собственные предпочтения и стремясь максимально покрыть потребности разработчиков систем управления только своими продуктами. Это приводило к тому, что заказчик был привязан только к своему поставщику и оказывался перед необходимостью тратить деньги на все новые и новые разработки, даже если его потребности могли быть удовлетворены уже готовой продукцией соседней фирмы, однако продукты разных производителей было невозможно стыковать.

Ситуация радикально изменилась после того, как рынок выявил лидеров, предлагавших достаточно хорошие решения, способных учитывать пожелания других заинтересованных сторон и готовых спонсировать профессиональную деятельность по стандартизации таких некоммерческих организаций, как IEEE, ISO, IEC (МЭК) и ANSI.

Что дают стандарты? Для разработчиков систем автоматизации – это возможность создавать открытые модульные комплексы из готовых программных и аппаратных блоков разных производителей. Выигрывают и поставщики – во-первых, они могут действовать на всем рынке, а не только на своей частной делянке. Во-вторых, они получают доступ к профессионально разработанным спецификациям открытых стандартов, для которых не требуется приобретение патентов и которые не защищены авторским правом.

Успех стандарта не определяется постановлением правительства. Он будет продуктивен при условии, что его поддерживают поставщики, разработчики и потребители. И уж во всяком случае стандарт должен развиваться, отражая постоянно растущий потенциал базовых технологий. В этом плане в области систем управления жизнь кипит: при изобилии стандартов разного уровня идет жесткая конкурентная борьба альтернативных подходов.

Стандарты шин

По отмеченным причинам одним из основных архитектурных решений для систем промышленной автоматизации является магистрально-модульная архитектура, в которой различные внешние блоки – модули связываются между собой через общую магистраль. Первым из получивших широкое признание международных стандартов на магистрально-модульные системы стал принятый в 1968 году стандарт CAMAC. Сегодня уже очевидно, что большинство разработчиков систем промышленной автоматизации практически отказались от применения нестандартных технических решений (их доля снизилась до 12%), возможно, даже в ущерб техническим характеристикам, ориентируясь на стандарты де-факто и де-юре.

16. Технологии VME и PCI

Технология шины VMEbus зародилась в 1979 году как спецификация компании Motorola и в 1987-88 гг. была признана международным стандартом (IEEE 1014, IEC821). Эта магистрально-модульная архитектура выдержала конкуренцию с Multibus, FUTUREbus+ и, несмотря на почтенный возраст, остается лидером для промышленной автоматизации. По-видимому, успех стандарта VME стал следствием множества факторов.

Технология VME [12] позволяет создавать вычислительные системы в очень широком диапазоне производительности, от настольных компьютеров до многопроцессорных супер-ЭВМ, от простых и дешевых промышленных контроллеров до мощнейших многопроцессорных систем управления десятками тысяч аналоговых и цифровых каналов ввода/вывода. Не претендуя на достижение рекордных показателей, VMEbus обеспечивает наилучшее соотношение цена/производительность для системы в целом и предоставляет хорошие возможности для наращивания ресурсов.

Важным фактором стало то, что продвижением и развитием стандарта VME занимается организованная в 1984 году международная ассоциация VITA – VFEA International Trade Association. Ее основные спонсоры – крупнейшие американские компании Motorola и Sun Microsystems. Членами VITA являются около 100 европейских, американских, азиатских производителей совместимой продукции VMEbus: DEC, HP, Force Computer, Microware, IBM и др.

После официального принятия стандарта заботой комитета стало поддержание жизнеспособности VME в соответствии с быстро меняющимися технологическими условиями. Ввод в строй нескольких расширений и новой версии стандарта для 64-разрядной передачи данных VME64 показал, что потенциал шины VME далеко не исчерпан. Новейшие реализации VMEbus обеспечивают пропускную способность 320 Мбайт/с.

Архитектура VME выросла вокруг семейства Motorola 68xxx, но сейчас имеются VME-реализации для RISC-процессоров, рабочих станций Sun, DEC, HP, SGI, Intel и клона PowerPC.

Технические характеристики VMEbus. Конструктивно в основу VMEbus положен самый популярный механический стандарт – Евромеханика. Конечная система компонуется из функциональных модулей VME, устанавливаемых в крейты, число которых не ограничено. Крейт представляет собой каркас с объединительной магистралью VME, источником питания и вентиляцией. В каждый крейт можно поместить до 21 модуля VME. Модули соединяются через объединительную плату с нормированным волновым сопротивлением и терминаторами на каждой сигнальной линии. В качестве соединителей используются надежные 96-штырьковые разъемы DIN602-3, причем 8- и 16-разрядные модули имеют один разъем, 32/64-разрядные - два.

Сегодня технология VME, кроме основного стандарта VMEbus/VME64, включает несколько расширений.

Технология оперативной замены Live Insertion представляет собой минимальное аппаратное дополнение к стандартным модулям VMEbus, позволяющее беспрепятственно вставлять/вынимать модули из работающей системы. Для реализации горячей замены предложен специальный механизм изоляции модуля от шины.

Широкое распространение получил стандарт измерительных систем VXIbus, который поддерживают более 200 зарубежных фирм, выпускающих свыше 500 типов модулей.

В 1995 году был принят стандарт мезонинных технологий ANSI/VITA 4 на модули IP (Industry Pack).

Для телекоммуникаций предложен стандарт SCSA подшины для обработки цифровой аудио- и видеоинформации в телефонии. VMEbus используется как основная управляющая шина системы, а SCSA P2 – для интерфейса с телефонными цепями.

Работа над спецификацией VME64 уже завершена, хотя отделение VITA по стандартам продолжает уточнять расширения к стандарту VME64, но, по всей вероятности, массовое производство VME-изделий, включающих эти расширения, начнется не раньше 1998-99 гг. Сейчас же VME-системы ощущают сильное давление дешевых систем на базе ПК. Однако можно рассчитывать, что после того, как новые расширения VME64 будут освоены на рынке высокопроизводительной аппаратуры, высокая рентабельность VME-систем восстановится. Это подтверждается и тем, что за последний год самые высокие темпы развития в VME-сообществе имели три компании, специализирующиеся на быстрых вычислениях: Mercury, Sky Computers и CSPI.

Шина PCI и ее производные. ПК проектируются для работы в комфортных условиях офиса, и их использование в производственной обстановке зачастую невозможно. С другой стороны, разработчики систем промышленной автоматизации не могут игнорировать продукты, имеющие массовое распространение на рынке и, следовательно, относительно дешевые. Прогресс технологии производства электронных плат сделал выгодным изготовление широкой номенклатуры микросхем В/В в виде кристаллов. Для того чтобы их можно было использовать в промышленных системах, требовалась, по крайней мере, стандартизация с учетом требований повышенной надежности.

За основу была взята 32/64-разрядная высокопроизводительная шина PCI, локальный интерфейс подсистемы В/В для надплатных расширений активной материнской платы, ставшая стандартом де-факто для современных ПК. Эта шина имеет массу достоинств: она не зависит от типа микропроцессора, может работать с самыми быстрыми из них, имеет большую пропускную способность и аппарат автоконфигурирования устройств В/В. Сейчас PCI активно применяется в VME-компьютерах для подключения периферии.

После доработки, в 1995 году был выпущен стандарт CompactPCI, основанный на общепринятой технологии создания надежных промышленных модульных систем – пассивной объединительной магистрали [5]. Большое практическое значение имеет тот факт, что любое ПО, работающее на настольных ПК, может быть без изменений перенесено в систему CompactPCI. А программисты, работающие на ПК, но не имеющие дела с аппаратурой, могут быстро скомпоновать систему CompactPCI, установить ОС и сконфигурировать систему в соответствии с реальными потребностями.

CompactPCI стал достойным конкурентом технологии VME. Однако CompactPCI – относительно новый стандарт, и некоторые необходимые функции в нем либо отсутствуют (горячая замена), либо не доведены до кондиций. Кроме того, номенклатура продуктов CompactPCI пока небольшая, особенно в сравнении с рынком VME/ISA-оборудования. Поэтому сейчас следует ориентироваться на связку двух стандартов, используя CompactPCI как недорогую объединительную панель с высокой скоростью передачи данных.

Мезонинные технологии

Мезонинные технологии применяются достаточно давно: в середине 80-х гг. не было способа запаивать на основной плате кристаллы памяти емкостью более 64 Кбайт, и для увеличения ее объема использовались мезонинные модули. Сейчас, когда степень интеграции микросхем гораздо выше, на одной плате размещается простой компьютер со всеми соответствующими электронными атрибутами, и еще остается место. Мезонинные технологии приобрели новый смысл – сегодня это средство модульного наращивания функциональных возможностей. Взяв за основу типовую плату, разработчик может добавить к ней специальные пользовательские функции, реализованные в готовом мезонинном модуле.

Таким образом, мезонинные платы представляют еще один, более низкий по сравнению, например, с модулями VMEbus, уровень модульности. Типичный размер мезонинных плат 50× 80 мм. Они являются функционально законченными изделиями и устанавливаются на плату-носитель (в стандарте VMEbus, ISAbus или каком-либо другом). Стандартные установочные габариты платы при этом не меняются – мезонины устанавливаются поверх нее. Носитель может быть пассивным или содержать собственный процессор. Так, самый, пожалуй, популярный в мире одноплатный компьютер/контроллер MVME162, кроме обычных аксессуаров (CPU MC68040, Ethernet, SCSI, DRAM, RTC, 2xRS232, Flash-диск, EPROM, VME64), имеет порты для установки 4 мезонинных плат. Это позволяет дополнить плату компьютера, например, 192 каналами цифрового ввода/вывода, спецпроцессорами TMS32040, графикой, любой сетью.

Существует широкая номенклатура мезонинных плат: многоканальные ЦАП, АЦП, цифровой ввод/вывод, EEPROM/FLASH, SRAM, графические контроллеры, различные типы сетей, интерфейс PCMCIA и т. д. Хотя до сих пор довольно активно применяются частные мезонинные интерфейсы, особенно широко распространено несколько стандартов: PCI Mezzanine Card (PMC), IndustryPack (IP) и ModPack.

Как показывает опыт, модульность на уровне мезонинов обеспечивает поразительную гибкость при интегрировании системы, резко повышает ремонтопригодность и снижает стоимость ЗИПа.

Полевые системы

Рассмотренные архитектурные решения относятся к локальному (центральный процессор и локальная шина) и региональному (VMEbus) уровню организации систем промышленной автоматизации. В условиях реального производства необходимо еще наладить взаимодействие центрального управляющего блока с пространственно распределенным оборудованием системы автоматизации – датчиками, исполнительными механизмами, передаточными устройствами, приводами и программируемыми контроллерами.

Такую связь можно было бы реализовать, например, с помощью сети Ethernet, но к промышленным сетям предъявляются особые требования по надежности и помехоустойчивости. Для связи с удаленными цифровыми устройствами промышленного назначения принято использовать бит-последовательные промышленные или полевые шины (bit serial Fieldbus). К этой группе относятся несколько европейских (PROFIBUS (DIN 19245), FIP (UTE-C46-6xx), Bitbus (IEEE 1118), CAN (ISO/DIS 11898), Interbus-S (DIN 9258)) и американских (Foundation, HART) конкурирующих стандартов. Ведется разработка общеевропейского стандарта EN 50170, объединяющего PROFIBUS и FIP.

Каковы основные возможности лидера – PROFIBUS? Это открытый стандарт, определяющий обмен информацией с компонентами автоматизации любых разновидностей – ПЛК, ПК, панелями оператора, датчиками и силовыми приводами. Существуют три основных варианта PROFIBUS: FMS, DP и ISP.

PROFIBUS-FMS представляет собой решение для задач взаимодействия на цеховом и полевом (field) уровне иерархии промышленных связей: с его помощью организуется обмен между интеллектуальными field-устройствами и контроллерами, а также между контроллерами. Как правило, на этом уровне обмен информацией осуществляется по запросу прикладного процесса и не является циклическим. Поэтому время реакции здесь не очень существенно, гораздо важнее функциональные возможности.

Модель PROFIBUS позволяет определить коммуникационные связи, объединяющие распределенные прикладные процессы в один общий. Та часть прикладного процесса field-устройства, которая отвечает за взаимодействие, называется виртуальным field-устройством (VFD). Все объекты реального устройства, с которыми можно взаимодействовать (переменные, программы, диапазоны данных), называются объектами коммуникации. Отображение функций VFD на реальное устройство обеспечивается в коммуникационной модели PROFIBUS интерфейсом прикладного уровня. Для этого объекты коммуникации PROFIBUS-станции вводятся в ее локальный словарь объектов – OD. Конфигурация OD может определяться и загружаться в устройство либо его производителем, либо разработчиком или может формироваться динамически. OD содержит структуру и типы всех объектов, а также их внутренние адреса в устройстве и представление на шине (индекс/имя). Доступ к объектам при функционировании происходит через сервисные функции протокола PROFIBUS-FMS, которые позволяют, например, опросить/установить значения переменных и массивов, запустить/остановить программу.

Что касается двух других вариантов стандарта, то PROFIBUS-DP – это оптимизированная по производительности версия PROFIBUS, предназначенная специально для взаимодействий, критичных по времени. PROFIBUS-ISP – проект взаимодействующих частей, базируется на технологии PROFIBUS и дополняет ее возможностями управления процессами, включая внутреннюю защиту.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒