Смена подходов разработчиков компонентов и систем АСУТП

о определённого момента времени была принята практика передачи “сырых” сигналов от распределённых по цеховой площадке датчиков к размещённому централизованно контроллеру. Контроллер был снабжён значительным количеством каналов ввода сигналов различного типа, имел значительные габариты, стоимость и монтировался в специальных шкафах в машинных залах. Длина кабельных трасс достигала 100-1000 метров, количество проводов измерялось тысячами.

Однако, стремительный прогресс электронной элементной базы и полевых шин и, в первую очередь, широкое распространение микроконтроллеров, способствовал в последнее время переходу большинства зарубежных и некоторых отечественных фирм к производству интеллектуальных первичных преобразователей. Датчики и исполнительные механизмы этого типа способны к самостоятельной обработке информации и могут включаться в информационно-управляющие сети произвольного масштаба, структуры и назначения.

Отмеченная тенденция – отражение успехов технологий автоматизации, способствовавших повсеместному распространению и росту систем автоматики, и, как следствие, породивших качественно новые требования к бесперебойности их функционирования на всех уровнях при одновременном сокращении затрат на разработку, развёртывание, обслуживание и развитие таких систем. Качественно новые требования отражаются как в смене подходов разработчиков компонентов и систем автоматики, так и в смене подходов потребителей этой продукции, что, в конечном счёте, отражается в заметных тенденциях рынка компонентов для АСУТП.

В основе новых подходов – хорошо известные принципы построения систем высокой готовности, ориентированные на достижение необходимого уровня бесперебойности функционирования за счёт построения решений на всех уровнях (аппаратном, программном, конструктивном, системном) на основе “конструктора”. Применение этих принципов при построении систем автоматики высокой готовности и низкой интегральной стоимости основано на следующих стратегиях:

Возможности реализации этих стратегий в практике автоматизации связаны с применением миниатюрной и малопотребляющей микроэлектронной элементной базы, позволяющей встраивать специализированные контроллеры (интеллект) непосредственно в первичные преобразователи.

Встраивание интеллекта - принципиально новые возможности для производителя и потребителя

Основной встраиваемого в первичный преобразователь интеллекта является микроконтроллер. Это чип, содержащий большинство необходимых ресурсов, связанных с вводом, выводом и программной обработкой небольшого количества сигналов и поддержкой протоколов промышленных сетей связи (полевых шин). Широта номенклатуры, габариты, индустриальные климатические исполнения, вычислительные возможности 8-и и 16- разрядных микроконтроллеров и их цена позволяют существенно сократить количество элементов в аппаратуре, снизить потребление, уменьшить габариты и увеличить надежность, обеспечить помехоустойчивость передачи информации на произвольные расстояния.

Применение микроконтроллеров обеспечивает настолько принципиальное повышение потребительских свойств продукции при столь низкой стоимости аппаратуры самого контроллера, что для рассматриваемого класса устройств альтернативной элементной базы просто не существует.

Благодаря минимизации и унификации аппаратной обработки сигналов и акценту на его оцифровку и программную обработку, на аппаратном уровне схема встраиваемого контроллера сводится практически к “одному чипу”, что, с одной стороны, приближает надёжность устройства к надёжности одного чипа, а с другой стороны, позволяет прямо в датчике реализовать все вычисления, связанные с его назначением.

Перечислим основные преимущества, связанные с применением микроконтроллеров:

Дополнительный уровень возможностей связан с тем, что встроенный контроллер обеспечивает двунаправленную передачу информации в цифровой форме по унифицированному многоточечному каналу связи - полевой шине. Полевая шина сама по себе обеспечивает переход на новый уровень надёжности всей системы в целом при существенном снижении себестоимости, включая:

Формы интеллектуализации

Известны успешные примеры интеграции сенсорной и микроэлектронной технологий в одном чипе. Например, МЭМС- датчики - микроэлектромеханические устройства для измерения температуры, вибрации, ускорения. Сенсоры этих устройств и микроэлектроника имеют общую - кремниевую основу. Гибридные технологии позволяют несколько расширить границы технологической совместимости, позволяя соединять механически или электрически на общей подложке элементы, созданные по несовместимым технологиям.

Естественно, существуют физические и экономические пределы тесной интеграции микроэлектронного интеллекта и элементов сенсора:

Очевидно, технологически независимое исполнение сенсора и его контроллера представляет существенно большую гибкость реализации. Такое исполнение может быть реализовано как в форме единого изделия, так и в виде пары изделий. Даже в рамках одного и того же по сути изделия часто возникают обе формы. Тут важно учитывать следующее:

Технология, организация и цена интеллектуализации

Отметим, что на фоне значительного снижения стоимости разработки и производства аппаратной части преобразователя (сделавшей интеллектуализацию, в принципе, доступной многим производителям), разработка надёжного и легко поддерживаемого внутреннего программного обеспечения связана с принципиальными проблемами для большинства поставщиков этой продукции. Причём, эти проблемы характерны вообще для программирования любых (и особенно специализированных) контроллеров.

Для решения проблем повышения надёжности и снижения стоимости / длительности разработки созданы системы технологического программирования, позволяющие минимизировать работу и увеличить надёжность за счёт отделения постоянной и независимой от прикладной задачи части ПО (которое создаётся профессионалом) от собственного прикладного ПО, которое может быть разработано без привлечения профессиональных программистов. Наиболее распространённой такой системой программирования является системаIsaGraf.

Основным отличием таких систем является возможность разработки программ на графическом языке функциональных блок-схем, известном уже более 50 лет, независящем от применяемых вычислительных средств и интуитивно понятном любому инженеру благодаря наглядности графического представления и использованию простых блоков (таких как сумматор, переключатель, фильтр, счётчик и др. ), соединяемых “проводами”.

Но проблема заключается в том, что системы типа IsaGraf ориентированы на подходы по организации внутреннего ПО контроллера, предполагающие наличие значительных ресурсов памяти и вычислительной мощности. Но такие ресурсы вряд ли будут доступны по экономико-технологическим причинам для 8-и и 16-разрядных микроконтроллеров, да и вряд ли адекватны уровню рассматриваемых задач.

Так как для разработки ПО встраиваемых контроллеров применение распространённых систем типа IsaGraf в большинстве случаев невозможно, то для программирования интеллектуальных преобразователей и других целевых интеллектуальных устройств многие разработчики применяют широко распространённые унифицированные средства, рассчитанные на квалифицированного программиста. Возможно, это обосновано в условиях крупных западных фирм, однако для большинства отечественных производителей в условиях дефицита квалифицированных специалистов это существенно увеличивает риски.

Риски состоят в следующем. При такой организации разработки вместо концентрации на решении прикладной задачи своей профессиональной области, разработчик вынужден решать и множество системных задач. Разработка оказывается завязанной на персону опытного программиста. Зачастую его уход ставит под угрозу выпуск изделия из-за невозможности внесения изменений и исправлений. Кроме того, снятие с производства выбранного типа микроконтроллера может потребовать новой разработки с “нуля”, что грозит срывом выпуска. Настойчивость в таком подходе приводит либо к невысокому уровню параметров и надёжности изделия, к неприемлемому сроку разработки, и во многих случаях - к невозможности для потребителя применить продукцию даже одной системы предприятий как конструктор для решения похожих но различных задач.

Интеллектуальные датчики на базе технологии СМ9107

Опыт разработки в области компонентов и систем автоматики различного масштаба и назначения (включая устройства спецавтоматики, датчики, исполнительные механизмы) , полученный специалистами ИНЭУМ, привёл к созданию технологии СМ9107, ориентированной на снижение затрат на разработку, обслуживание и развитие компонентов и систем при принципиальном повышении надёжности.

Одним из основных элементов технологии СМ9107 является CASE-система CONField [1], делающая доступным программирование на графическом языке функциональных блок-схем (FBD МЭК 1131-3) широкой номенклатуры недорогих 8- и 16- разрядных микроконтроллеров. Это означает, что CONField доступны не только мощные контроллеры, но также недорогие универсальные и специализированные УСО, встраиваемая в оборудование спецавтоматика, интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы (рис. 1), для разработки ПО которых раньше требовалось привлечение профессиональных программистов.

При этом, разработка в CONField прикладного ПО сводится к “рисованию” функциональных блок-схем, аналогично распространённым системам технологического программирования. Вместе с тем, библиотека функциональных блоковCONField отличается существенным расширением номенклатуры компонентов и готовых решений для задач аналоговой и цифровой обработки сигналов - наиболее важной части задач интеллектуального датчика.

Важная особенностьCONField - возможность сквозной разработки и обслуживания системы автоматики от уровня встраиваемого в датчик контроллера до целой АСУТП в единой инструментальной среде, рассчитанной на возможность ответственности за решение одного инженера, а не коллектива профессионалов в области IT. При этом интуитивная ясность применения CONField позволяет начать работу, не тратя время на изучение документации.

CONField является открытой системой с точки зрения поддерживаемых микроконтроллерных платформ. В данный момент поддерживаются 8-разрядные микроконтроллеры с ядром Intel51 любого производителя, 8-разрядные микроконтроллеры семейства AVR Atmel, микропотребляющие 16-разрядные микроконтроллеры DSP Texas Instruments (MSP430), 16-разрядные микроконтроллеры Fujitsu (MB90FXXX), 32-разрядные ARM (в частности, Phillips LPC 210X) и, конечно, IntelX86-совместимые.

Достаточно эффективными по нашему опыту разработки интеллектуальных сенсоров являются 16-разрядные микроконтроллеры с архитектурой DSP Texas Instruments серии MSP430F****. Микропотребление позволяет добиться сохранение функциональности сенсора при пропаданиях питания, создавать решения, рассчитанные на автономное питание, а также решения, рассчитанные на питание от линии связи. Наличие миниатюрных исполнений в серии MSP430F**** позволяет “вписывать” весь ПЛК в исключительно малые габариты (например, электронная плата одного из встраиваемых контроллеров имеет размер 31х36 мм). DSP-архитектура этих микроконтроллеров весьма эффективна для высокоскоростной обработки сигнала в реальном масштабе времени. Разнообразие конфигурации портов сигнального ввода-вывода (АЦП, дискретные, ШИМ …) и сетевых интерфейсов позволяют подобрать оптимальное по ценовому фактору решение для различных задач.

Подробную информацию по разработкам на базе технологии СМ9107 и инструментальным средствам CONField можно найти на сайте .

Заключение

Применение технологии СМ9107 группой опытных заводов не просто резко снизило затраты предприятий на разработку и поддержку ПО обновлённой продукции, а сделало это вообще возможным при известном дефиците квалифицированных специалистов (особенно, на периферии), обеспечивая предприятию самостоятельно модернизировать свою продукцию и легко адаптировать даже мелкие партии под требования конкретного заказчика.

Преимущества, обеспечиваемые технологией СМ9107:

Литература

1. Островский М.А., Рейзман Я.А. ИНЭУМ представляет инструментальную систему нового поколения CONField v 2.0. КИП и автоматика: обслуживание и ремонт, № 11, 2006.

Назад