Аппаратная платформа контроллеров

До последнего времени роль контроллеров в АСУ ТП в основном выполняли PLC (Programmable Logic Controller - программируемые логические контроллеры) зарубежного и отечественного производства. Наиболее популярны в нашей стране PLC таких зарубежных производителей, как Allen-Braidly, Siemens, ABB, Modicon, и такие отечественные модели, как "Ломиконт", "Ремиконт", Ш-711, "Микродат", "Эмикон". В настоящее время получила распространение так называемая открытая модульная архитектура контроллеров - OMAC (Open Modular Architecture Controls). Концепция открытой модульной архитектуры контроллеров была выдвинута фирмой General Motors в 1994 г. Те же или близкие к ним концептуальные требования разрабатываются европейскими и японскими организациями. Целый ряд перспективных программ на базе концепции OMAC поддерживаются правительством США.

В связи с бурным ростом производства миниатюрных PC-совместимых компьютеров последние все чаще стали использовать в качестве контроллеров, причем эта тенденция напрямую связана с концепцией OMAC.

Смысл OMAC-требований к контроллерам вкратце можно сформулировать в терминах, основные из которых представлены в названии архитектуры:

Open (открытая) архитектура, обеспечивающая интеграцию широко распространенного на рынке аппаратного и программного обеспечения;

Modular (модульная) архитектура, позволяющая использовать компоненты в режиме Plug & Play;

Scaleable (масштабируемая) архитектура, позволяющая легко и эффективно изменять конфигурацию для конкретных потребностей;

Economical (экономичная) архитектура, обеспечивающая невысокую стоимость жизненного цикла контроллерного оборудования;

Maintainable (легко обслуживаемая) архитектура, выдерживающая напряженные условия работы в цехах и простая в ремонте и обслуживании (минимальное время простоя).

Первое и главное преимущество PC-контроллеров связано с их открытостью, т. е. с возможностью применять в АСУ ТП самое современное оборудование, только-только появившееся на мировом рынке, причем оборудование для PC-контроллеров сейчас выпускают уже не десятки, а сотни производителей, что делает выбор уникально широким. Это очень важно, если учесть, что модернизация АСУ ТП идет поэтапно и занимает длительное время, иногда несколько лет. Пользователь АСУ ТП уже не находится во власти одного производителя (как в случае с PLC), который навязывает ему свою волю и заставляет применять только его технические решения, а сам (или через своего системного интегратора) может сделать выбор, применяя те подходы, которые в данный момент его больше всего устраивают. Он может теперь применять в своих системах продукцию разных фирм, следя только, чтобы она соответствовала определенным международным или региональным стандартам.

Второе важное преимущество PC-контроллеров заключается в том, что в силу их "родственности" с компьютерами верхнего уровня не требуются дополнительные затраты на подготовку профессионалов, обеспечивающих их эксплуатацию. Эту работу могут с успехом выполнять (и это подтверждается на практике) специалисты, обеспечивающие эксплуатацию компьютеров верхнего уровня. Это позволяет сократить сроки внедрения систем управления и упрощает процедуры их эксплуатации, что в конечном счете приводит к общему снижению затрат на создание или модернизацию АСУ ТП. Отметим также, что очень часто при рассмотрении вариантов построения АСУ ТП затраты на эксплуатацию не учитываются, что, на наш взгляд, является серьезной ошибкой.

Надежность – третье преимущество PC-контроллеров. Обычно рассматривают физическую и программную надежность контроллеров. При этом под физической надежностью понимается способность аппаратуры устойчиво функционировать в условиях окружающей среды промышленного цеха и противостоять ее вредному воздействию, а под программной надежностью понимается способность ПО устойчиво функционировать при возникновении ситуаций, требующих реакции в заданное время. Физическую надежность PLC и PC-контроллеров некоторые специалисты считают одинаковой. Большинство PC-контроллеров ориентированы на работу в тяжелых условиях, например в расширенном диапазоне температур, а также защищены от пыли, влаги, ударов, вибрации и электромагнитных излучений. Программная надежность определяется, прежде всего, степенью отлаженности ПО. Поскольку в PC-контроллерах могут использоваться коммерческие ОС и прекрасно отлаженные прикладные пакеты (сотни тысяч установок), то можно ожидать, что программная надежность, а, следовательно, и общая надежность PC-контроллеров будут выше надежности PLC.

Операционная система PC-контроллеров. Операционная система контроллеров должна удовлетворять требованиям открытости. Но не только им. Специфика условий работы контроллеров требует, чтобы ОС поддерживала работу в режиме реального времени, была компактна и имела возможность запуска из ПЗУ или флэш-памяти.

Для PC-контроллеров лучше всего подходит операционная система QNX (фирма QSSL, Канада). Прежде всего, это связано с тем, что архитектура QNX является открытой, модульной и легко модифицируемой. QNX может загружаться как из ПЗУ, флэш-памяти, так и с помощью удаленной загрузки по сети. QNX разработана в соответствии со стандартами POSIX, является коммерческой операционной системой, широко распространена на мировом рынке (сотни тысяч продаж), поддерживает все шины, используемые в PC-контроллерах, включая ISA, PCI, CompactPCI, PC/104, VME, STD32.

QNX была специально разработана для компьютеров PC, поэтому достигается эффективность и скорость обработки данных, характерная для мощных универсальных и мини-компьютеров. QNX является операционной системой, которая дает полную гарантию в том, что процесс с наивысшим приоритетом начнет выполняться практически немедленно и что критическое событие (например, сигнал тревоги) всегда будет обработано. Она известна как операционная система, функционирующая в "защищенном режиме". Это означает, что все программы в системе защищены друг от друга и любая "фатальная" ошибка в одной из программ не приводит к "краху" всей системы. Файловая система QNX была разработана с учетом обеспечения целостности данных при отключениях питания.

Благодаря тому, что QNX поддерживает средства работы с флэш-памятью (как на стадии загрузки ОС, так и в режиме работы с файловой системой), она обеспечивает очень важную возможность для функционирования контроллеров - работу в так называемом режиме "слепого узла". Это означает, что система может выполняться на процессорном модуле без жесткого/гибкого диска, без монитора и клавиатуры, другими словами, в условиях отсутствия движущихся механических частей. Это создает возможность долговременной работы оборудования в необслуживаемом режиме.

Средства технологического программирования контроллеров. Специфика работы с контроллерами по сравнению с обычными офисными компьютерами состоит не только в ориентации на работу с платами ввода-вывода, но и в преимущественном использовании языков технологического программирования. На промышленных предприятиях с контроллерами могут работать технологи, электрики, хорошо знающие специфику объектов управления и технологического процесса. Для описания процессов обычно используются такие языки, как язык релейно-контактных схем, функциональных блоков и так далее, теоретические основы которых взяты из методов автоматического управления. Накопленный многими фирмами опыт был обобщен в виде стандарта IEC 1131-3, где определены пять языков программирования контроллеров: SFC - последовательных функциональных схем, LD - релейных диаграмм, FBD - функциональных блоковых диаграмм, ST - структурированного текста, IL - инструкций. Важно отметить, что использование данного стандарта полностью соответствует концепции открытых систем, а именно, делает программу для контроллера независимой от конкретного оборудования - ни от типа процессора, ни от операционной системы, ни от плат ввода-вывода. В настоящее время программы многих фирм поддерживают этот стандарт.

Преимущества PC-контроллеров:

- Быстродействие:современный Pentium-процессор превосходит быстродействие PLC более чем в 20 раз.

- Дешевизна:при равных характеристиках (функциональных и конструктивных) PC-контроллеры на 20-30% дешевле PLC.

- Объем ОЗУ:PC предоставляют больше памяти - как оперативной, так и энергонезависимой.