Производственная и пожарная автоматика / Shishov - Tekhnologii promishlennoy avtomatizatsii 2007

I. БАЗОВЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

1. ОБЩИЕ ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА БАЗОВЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ

Появление в середине 70-х годов микропроцессоров позволило полностью использовать при построении систем управления технологическим оборудованием все достоинства цифровой техники. Кроме привычных достоинств «цифры» к ним прибавились те преимущества, которые вытекают из программной организации управления (гибкость, адаптация) и возможности программной реализации некоторых функций (фильтрация, ДПФ, алгоритмов подбора кодов в АЦП и т.п.), которые до этого выполнялись только аппаратно.

С этого времени обозначилось два направления внедрения микропроцессорной техники в АСУ ТП. В соответствии с одним направлением в системы управления промышленными объектами все шире внедряются элементы вычислительной техники, которые изначально не предназначались для этих целей, например, персональные компьютеры (Personal Computer – PС). Первоначальное их назначение – осуществление вычислительных операций, работа в офисе. Важнейшую роль в организации работы такой техники играет развитая система человеко-машинного интерфейса. Адаптация этой техники к условиям производства привела к появлению класса промышленных компьютеров.

Второе направление – это применение разработок, которые изначально создавались для управления именно промышленными объектами. В состав таких устройств, прежде всего, включались средства управления конкретным технологическим оборудованием – сначала обеспечивалось с заданным качеством и минимальными издержками выполнение заданного перечня задач управления – и лишь потом на втором этапе с минимальной достаточностью решались вопросы включения средств решения сервисных задач, например, средств для «общения» с оператором. Такие устройства управления получили название контроллеров.

Перед проектировщиком АСУ ТП сегодня постоянно ставится задача найти в этих двух направлениях оптимально решение для каждого конкретного случая.

Беспримерное проникновение персональных компьютеров во все сферы современной жизни (будь то Ваш дом или офис) повлекло за собой постепенное стирание различий между бытовым и промышленным программным обеспечением. Сегодня РС решают не только все задачи управления верхнего уровня иерархии, но и заняли прочное место в реализации некоторых подсистем управления производством (например, подсистемы визуализации и обслуживания). В настоящее время РС стремительно врываются в сферу управления технологическими процессами.

Подобные тенденции объясняются возросшей необходимостью снижения затратности производства, реализация же систем автоматизированного управления на базе привычных персональных компьютеров (которые у Вас и

1

так уже есть!) позволяет сэкономить немалые денежные средства. Хотя выбор между классическим гибко программируемым контроллером и РС зачастую зависит не только от технических характеристик оборудования или граничных условий решаемой задачи. Решающую роль здесь могут играть также личные предпочтения и опыт пользователей.

При всей серьезности проблемы невозможно дать однозначные рекомендации, в каких случаях нужно применять гибко программируемые контроллеры, а в каких, возможно выбрать решение на базе РС. Конечно, существуют такие критерии, как стоимость системы, возможность ее работы в реальном режиме времени, надежность, вычислительная мощность или сложность проведения инсталляционных работ и сервисного обслуживания, однако применение этих критериев также зависит от конкретной постановки задачи, особенностей приложения и требований пользователей.

Тем не менее, в управлении технологическими процессами наиболее важную роль всегда играли работоспособность системы в реальном масштабе времени и ее надежность – качества, которыми до не давних пор не обладали решения на базе РС, но без которых система управления технологическим процессом просто немыслима.

Персональный компьютер с привычными для нас аппаратными и программными средствами абсолютно не рассчитан на то, чтобы реагировать на какиe-либо события в управляемом процессе в течение детерминированных (предопределенных) промежутков времени. При работе РС возможно, что операционная система или части пользовательских приложений блокируют центральный процессор на достаточно продолжительные промежутки времени (так, например, обработка одного прерывания может исключить на некоторое время обработку других последующих прерываний). Такое поведение системы «смертельно» для технологических процессов, требующих строго определенного времени реакции.

Гибко программируемые контроллеры, напротив, работают именно таким образом, что следующие друг за другом алгоритмические шаги и процедуры исполняются за строго определенное время. Такая концепция позволяет легко оценить максимальное время реакции системы управления.

Конечно же, РС также можно сделать способным работать в реальном режиме времени. Выбор подходящей операционной системы и грамотное написание программного обеспечения позволят и при использовании персональных компьютеров достичь гарантированного времени исполнения программного цикла и обработки прерываний. Однако чем больше функций работы в реальном режиме времени будет встроено в персональный компьютер, тем дальше это конкретное решение будет отстоять от общепринятых стандартов и таких связанных с ними качеств, как открытость и совместимость с другими системами.

Примером операционной системы реального времени для РС является QNX. Можно использовать и более распространенные операционные системы. Так, например, Windows NT не является полноценной операционной системой реального режима времени, но в определенных случаях можно добиться вполне

2

приемлемого времени реакции для некоторых задач технологического управления. Для обеспечения абсолютной предсказуемости времени реакции эта операционная система должна быть соответствующим образом расширена. Подобные расширения всегда специфичны для определенных производителей, т. к. в настоящий момент на международном рынке не существует общепризнанных стандартов операционных систем (или расширений операционных систем) реального времени. Эта необходимость создания нестандартных расширений влечет за собой, как уже говорилось, потерю самого главного преимущества решений на базе РС – их открытости, решение становится зависимым от конкретного производителя, осложняется последующий переход на новую версию операционной системы. Однако в тех случаях, когда нарушение строгих временных рамок допустимо («мягкий» режим реального времени), применение открытых систем на базе персональных компьютеров не представляет никакой сложности.

Возможность работы системы в реальном режиме времени является не единственным фактором при выборе между гибко программируемыми контроллерами и РС. Такие критерии, как возможность подключения системы к информационной сети, функции обработки данных и визуализации, а также качество графического интерфейса играют почти такую же важную роль. Вообще говоря, в тех случаях, когда дополнительные функции начинают существенно превалировать над чистыми функциями управления и требуется использование всего спектра возможностей РС, предпочтительно применение программных решений на базе персональных компьютеров.

Другим известным недостатком РС-компьютеров, при использовании их в системах управления, является медленный старт, поскольку при включении питания в них производится тестирование периферии процессорного модуля, инициализация и перекачка ядра операционной системы, пользовательской программы из ПЗУ в ОЗУ, и только затем система передает управление пользовательской программе. Типовое время старта системы – от десятков секунд до нескольких минут в зависимости от типа процессорного модуля и типа операционной системы. То же время необходимо в случае автоматического перезапуска компьютера с помощью сторожевого таймера (Watchdog timer) в случае сбоя программы, т.е. система зависает в ожидании рестарта.

Выделим из проведенного анализа выводы по преимуществам и недостаткам создания систем автоматизированного управления на базе РС. Включим в них также те очевидные плюсы и минусы, о которых не говорилось выше.

Преимущества:

•экономия средств в тех случаях, когда РС является частью технологического оборудования;

•открытость: программное и аппаратное обеспечение не зависят от конкретного производителя, обладают высокой производительностью и низкой ценой;

•практически неограниченный объем ОЗУ;

3

•возможность решения задач визуализации без необходимости затрат на дополнительное проектирование;

•возможность использования функций, написанных на распространенных языках высокого уровня (например, С).

Недостатки:

•реализация режима реального масштаба времени возможна только путем расширения распространенных операционных систем или при применении специальных систем;

•в семействах программируемых контроллеров имеется значительно большее разнообразие периферийных устройств различных классов (устройств связи с объектом);

•аппаратное обеспечение стандартных РС (не РС промышленного исполнения) намного уступает программируемым контроллерам, с точки зрения надежности. то же самое касается и системного программного обеспечения, т. к. оно значительно проще в программируемых контроллерах, чем в РС;

•нет устройств памяти, буферизуемых батареей, таким образом, невозможна организация «перманентных» переменных;

•невозможно распознавание ситуации перебоя электропитания.

Необходимо отметить, что перечисленные недостатки становятся все более размытыми и менее выраженными.

2. ПРОМЫШЛЕННЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ

Первые энтузиасты применения персональных компьютеров в промышленности брали за основу материнские платы обычных офисных компьютеров и помещали их в специальные корпуса. С течением времени, однако, выработались вполне определенные характерные черты, которыми отличаются современные компьютеры для промышленного использования. За ними закрепилось название промышленных компьютеров.

Такие компьютеры имеют повышенную надежность, предназначены для круглосуточной работы в условиях сильных помех, запыленности, больших перепадов температуры, вибрации и других неблагоприятных факторов. К таким факторам также относят низкий уровень подготовки персонала, ведь человек, работающий, например, на поточной линии, не готовился как специалист по вычислительной технике.

Как правило, вместо стандартной материнской платы в промышленном компьютере применяется пассивная объединительная панель, в один из слотов которой вставляется процессорная плата. Для обеспечения связи с различными датчиками, исполнительными устройствами и каналами коммуникации может потребоваться большое количество плат расширения, поэтому допустимое число таких плат в промышленных персональных компьютерах достигает 12 - 14 и больше, в отличие от максимального 6 - 8 в офисных моделях.

Иногда применяют секционированные панели, которые позволяют компоновать несколько независимых компьютеров в одном корпусе. Применение

4

пассивной панели существенно сокращает время ремонта, а соответственно и время простоя технологического оборудования. Замена любой платы, в том числе процессорной, не превышает 5 - 10 минут. Кто хотя бы один раз менял материнскую плату в стандартном персональном компьютере, согласится, что это хорошее время.

Промышленные компьютеры имеют упрочненные металлические корпуса, как правило, предназначенные для монтажа в стандартные стойки. Во многих системах применяются специальные средства для обеспечения повышенной виброустойчивости. Часто доступ к накопителям (НГМД, CD ROM) закрыт специальной дверцей с замком для предохранения от загрязнений и несанкционированного доступа.

Обычно промышленные компьютеры снабжены источником питания большой мощности и имеют развитую систему воздушного охлаждения со сменными пылеулавливающими фильтрами и положительным внутренним давлением очищенного воздуха. Некоторые фирмы для особо ответственных приложений выпускают отказоустойчивые компьютеры с дублированием важнейших узлов и способностью их замены во время работы.

Как известно, существует несколько направлений (платформ) развития современных персональных компьютеров, однако в области создания промышленных компьютеров ведущим направлением является применение архитектуры IBM PC. Это определяется несколькими причинами.

Во-первых, IBM-совместимые компьютеры в настоящее время количественно лидируют на рынке персональных компьютеров и сейчас есть практически в любой фирме на каждом столе. Наличие большого количества независимых поставщиков соответствующих аппаратных средств и специализированных микросхем, ожесточенная конкуренция между ними ведут к постоянному снижению цен и повышению технико-экономических показателей. Как следствие, для разработки вы имеете дешевую и хорошо знакомую платформу.

Во вторых, существует огромный задел программного обеспечения, в том числе в области систем реального времени.

И в третьих, существует большое количество высококвалифицированных специалистов по архитектуре и программированию IBM PC.

На нашем рынке производители промышленных компьютеров представлены достаточно большим числом фирм. Среди самых известных можно назвать такие, как Advantech, ICP, Intecolor, Texas Micro и другие.

В зависимости от сферы применения промышленные компьютеры выпускаются в самом различном исполнении. Некоторые из них по внешнему виду отдаленно напоминают офисные компьютеры. Примером таковых могут являться промышленные компьютеры фирмы ICOS из серии ROBO. Однако, от офисных компьютеров их отличает прочный стальной корпус, виброустойчивое крепление процессорной платы, плат расширения и накопителей, эффективная система вентиляции, защита от пыли, большое число слотов расширения, наличие сторожевого таймера, возможность эксплуатации от 0 до 60 0 С. Конструктивно они могут встраиваться в стойку шкафов с электрооборудованием (рис. 1.1) или иметь щитовое исполнение (рис. 1.2).

5

ный компьютер LKM 9268 фирмы ICP Electronic. Он устанавливается на выдвижную панель. Жидкокристаллический дисплей может складываться. Компьютер выдвигается из шкафа только на время работы с ним.

Р и с. 1.3. Промышленный компьютер LKM 9268 фирмы ICP Electronic

Получили распространение так называемые индустриальные рабочие станции (Industrial Workstation), которые характеризуются тем, что для повышения конструктивной надежности все узлы компьютера (центральный процессорный модуль, дисплей, клавиатура, накопители и т. д.) монтируются в одном корпусе. Их выпускают различные фирмы. На рис. 1.4 в качестве примера показана рабочая станция WS-843 фирмы ICP Electronic, выполненная в виде плоской панели.

Известным производителем промышленных компьютеров, в том числе и рабочих станций, является фирма Advantach. Ее промышленные станции характеризуются широким спектром вариантов по производительности, выпускаются с диагоналями дисплеев 10, 12 и 15 дюймов, имеют от 4 до 14 слотов расширения PCI/ISA, многофункциональную мембранную клавиатуру, прочную лицевую панель (IP65), выпускаются варианты и с сенсорным экраном.

7