Теория
и техника построения контроллера автоматизации технологических процессов на
базе отечественной элементной базы[1]
Г.М.
Мартинов,
д.т.н,
проф., martinov@ncsystems.ru,
И.А.
Ковалев,
преп.,
ilkovalev@mail.ru,
МГТУ
«СТАНКИН», г. Москва
В данном докладе описываются различные виды систем
управления технологическим оборудованием, показывается различные сферы
применения тех или других в зависимости от конкретной поставленной задачи.
Показаны преимущества открытых модульных систем управления. Приводятся примеры
построения систем управления на базе PC и ARM,
описываются основные преимущества каждого подхода. Описываются принципы
построения кроссплатформенного контроллера автоматизации и его возможности
применения в независимости от программной или аппаратной платформы исполнения.
В статье также представлена архитектура как на базе PC, так и на базе ARM
платформ. Показан переход на отечественную элементную базу как основу
следующего этапа импортозамещения при разработке
систем автоматизации технологическим оборудованием
This
report describes various types of processing equipment control systems and
their fields of application depending on the specific objective. The advantages
of the open control systems are shown. Examples of PC-based and ARM-based
control systems builds are given, major advantages of both approaches are
revealed. Building principles of cross-platform automation controller are
described, as well as its usage scenarios regardless of its software or
hardware implementation. This article also presents both PC-based and ARM-based
architectures. There has been shown the transition to Russian circuitry as the
foundation of the next step of import substitution while developing the
processing equipment control systems
Мощность персональных
компьютеров растет с каждым годом, что позволяет производить
систематизированный сбор сведений о подконтрольном объекте и объектов,
воздействующего на него, используя программный подход, с минимальной внешней
аппаратной поддержкой [1].
Если рассматривать понятие системы управления, то
оно представляет из себя широкий диапазон различных описаний с точки зрения
применения в с сфере автоматизации технологических
процессов
Рассмотрим одни самых распространённых видов систем
управления технологическим оборудованием: ПЛК, PAC, ЧПУ. Программируемый
логический контроллер (ПЛК) – (Programmable logic controller, PLC)
представляет собой цифровое специализированное вычислительное устройство,
используемое для автоматизации технологических процессов. В качестве основного
режима длительной работы ПЛК, зачастую в неблагоприятных условиях окружающей
среды, выступает его автономное использование, без серьезного обслуживания и
практически без вмешательства человека.
Программируемый контроллер автоматизации (ПКА) - (Programmable Automation Controller, PAC) это компактный контроллер, сочетающий в
себе характерные черты и возможности как системы управления на базе
персонального компьютера, так и программируемого логического контроллера. В
отличие от последних, контроллеры автоматизации, как правило, обладают открытой
модульной архитектурой, более развитыми инструментальными средствами
программирования, усовершенствованной системой обработки сигналов с портов
входов/выходов.
Системы числового программного управления (ЧПУ)
представляют собой наиболее универсальный тип систем управления, в частности,
может включать в себя оба типа вышеперечисленных систем, поэтому ее
рассматривают как обобщённый представитель промышленных систем управления.
Область их применения (преимущественно машиностроительный сектор) обуславливает
широкую потребность в подобных системах, а разнообразие решаемых задач зачастую
диктует необходимость использования разнородных оборудования для их решения [2].
Для решения несложных и нересурсоемких
задач управления (без использования принципов многоканальности, многокоординатной
обработка (более 5 осей), наноинтерполяции и т.д.)
целесообразно применять программируемые контроллеры автоматизации, взамен систем
ЧПУ, что с одной стороны поможет сократить время автоматизации технологического
процесса, с другой – уменьшить затраты на разработку.
Если рассматривать аппаратные платформы исполнения,
то можно отметить популярные решения на базе PC платформы зарекомендовали
себя как надежные гибконастраиваемые системы
управления различным технологическим оборудованием. Преимущества таких систем
заключаются в возможности построения масштабируемых систем с элементами гибкой
перенастройки.
В настоящий момент интерес приобретают устройства
на базе ARM-архитектуры. Данные устройства имеют малые габариты, более низкое
энергопотребление по сравнению с устройствами на базе архитектур x86 и x64, это
обуславливает растущий интерес производителей систем управления к ним.
Данные чипы в основном применяются для портативной
электроники (планшетные компьютеры, различные мобильные гаджеты), но как было
отмечено выше, мощность данных процессоров растёт с каждым годом и поэтому их
применение в области автоматизации для конкретных задач, не
требующих сложных вычислений имеет большие перспективы развития.
Использование простого и дешевого решения при автоматизации линий упаковки,
систем лазерного спекания (работа в плоскости), станков плоскостной раскройки
(лазерные, фрезерные) способно сократить время разработки и повысить качество
управления. А учитывая, что как при использовании на PC-платформах операционных
систем реального времени, можно добиться жестких тактов исполнения управляющих
сигналов, при этом используя для передачи один из многочисленных промышленных
протоколов [2].
Таким образом встает
актуальный вопрос построения кроссплатформенной архитектуры ядра управления,
позволяющей использовать различные программные и аппаратные платформы для
решения различных задач. Для конечного пользователя не должно быть важно, на
какой платформе производить запуск ядра системы управления.
Рис. 1 Архитектура PAC системы, основанная на
аппаратно-программной кроссплатформенности
На Рис.1 показан принцип построения архитектуры PAC системы
при кроссплатформенном подходе. Данная реализация возможна благодаря открытому
модульному подходу к построению архитектуры. На верхнем уровне располагается
ядро PAC с различными реализованными модулями (управление электроавтоматикой,
управление движением, связь с терминальной частью, модуль диагностики). Стоит
отметить, что добавление любого другого необходимого модуля не является сложной
задачей.
Ниже располагается уровень кроссплатформенности на
основе операционных систем, что позволяет исполнять программный код независимо
от архитектуры ОС. Это достигается за счет специальных, так называемых,
библиотек оберток функций для различных ОС. На этом же уровне располагаются
драйвера и интерфейсы средств ввода/вывода, приводов и
другого различного оборудования. Данный подход позволит работать на низком
уровне программной реализации и обеспечивать реальное время выполнения команд
[3].
Следующим уровнем идет кроссплатформенность на
уровне аппаратной платформы, что позволяет исполнять программный код в
пространстве ОС на различных аппаратных платформах: PC или ARM,
что предоставляет конечному потребителю широкий выбор в плане конечного
программно-аппаратного оборудования, на котором будет проходить запуск PAC-системы.
Слева на право показ этапы получения задания и его
обработка и выполнение: с помощью терминальной части происходит загрузка
управляющих программ в виде XML-файлов которые поступают в ядро PAC системы,
где происходит обработка входящей задачи и формирование выходящего пакета,
которые через один поддерживаемых цифровых протоколов поступает на объект
управления.
Предложенный подход по построению
кроссплатформенной архитектуры позволяет с одной стороны, расширить области
применения разрабатываемого продукта, с другой - предоставляет потенциальному
заказчику выбор, в зависимости от конкретных нужд производства, технологии и
специфики решаемых задач, ресурсов предприятия.
Как уже было отмечено выше, решения на основе ARM архитектуры
с каждым годом приобретают все больший интерес для разработчиком программного обеспечения систем управления.
Учитывая тот факт, что в последняя
время активно развивается сфера отечественных разработок процессоров, можно
утверждать, что разработка программного ядра системы управления, так и
аппаратной платформы исполнения является очень перспективным направлением.
Таблица 1: Сравнение характеристик производителей одноплатных
компьютеров на основе ARM процессоров
|
Х-ки Модель |
Ядро |
CPU |
GPU |
ОЗУ |
ПЗУ |
Интерфейсы |
|
Cubieboard 3 (cubietruck) (Китай) |
ARM Cortex™-A7
Dual-Core |
1 Гц |
ARM® Mali400 MP2 |
1GB/2GB DDR3 480MHz |
8 Гб NAND + MicroSd |
1x1G Ethernet 1xVGA 1xHDMI 1080p 2xUSB 54 GPIO |
|
Raspberry Pi 2 Model B (Великобри- тания) |
ARM Cortex-A7 четырехъядер-ный |
900МГц |
Двухъядер-ный VideoCore IV |
1GB LPDDR2 500MHz |
MicroSd |
1x100Mb Ethernet 1xHDMI 1080p 4xUSB 40 GPIO |
|
Baikal-T1 (Россия) |
MIPS Warrior P5600 32
r5 2 суперскаляр-ных ядра |
1,2 ГГц |
Нет
данных |
DDR3-1600 |
Нет данных |
1x10Gb Ethernet 2x Gb Ethernet 2xпорта SATA 3.0 USB 2.0 GPIO |
Переход на отечественную элементную базу при
построении устройств управления технологическим оборудованием связан с
необходимостью обеспечения технологической безопасности страны.
В Таблице 1 представлены сравнительные
характеристики основных одноплатных компьютеров, построенных с применением ARM
процессоров. Как видно, процессоры производства компании «Т-Платформы» Baikal по характеристикам превосходят зарубежные аналоги и
можно ожидать, когда поступят в серию, смогут составить им достойную
конкуренцию.
Рис. 2 Примеры возможной реализации управления с
помощью кроссплатформенной PAC системы
Как видно из Рис.2, предложенный способ построения кросплатформенного
контроллера автоматизации позволит управлять различным технологическим
оборудованием (в частности отечественными приводами подач, двигателями,
модулями входа/выхода, станочными панели, вспомогательными платами и т.д.). В
зависимости от конкретно поставленной задачи можно произвести выбор программной
(операционная система) и аппаратной (платформа исполнения) среды выполнения.
Таким образом с одной стороны возможно сократить
инвестиции на внедрение, с другой – уменьшить время разработки системы
автоматизации.
Если рассматривать возможности управления
движением, то на базе двигателей и приводов «СТАНКИН NC» возможно построение
системы управления несложным технологическим оборудованием (к примеру,
фрезерного 3-х координатного станка, или небольшой линии упаковки), в которой
за электроавтоматику отвечают модули входа/выхода,
также производства «СТАНКИН NC».
В докладе было проиллюстрировано решение на базе
отечественных компонентов ( Baikal-Т «Т-Платформы» и др.) или
их ближайших аналогов (баскаплеры «СТАНКИН NC»,
выпускаемых по лицензии), для решения задач импортозамещения
в российском сегменте автоматизации технологических процессов и производств.
Литература
1.
И.А. Ковалёв, С.В. Рыбников, С.В. Соколов Построение модульной
архитектуры программно-реализованного контроллера электроавтоматики.
Труды CAD/CAM/PDM - 2014. - М.: ООО "Аналитик". - 2014. с.158-161.
2.
Мартинов Г.М., Любимов А.Б., Бондаренко А.И., Сорокоумов А.Е., Ковалев
И.А. Подход к построению мультипротокольной системы
ЧПУ // Автоматизация в промышленности. 2012. №5. с.8-11.
3.
Ковалев И.А., Любимов А.Б. Реализация управления гидроприводом
посредством программно-реализованного контроллера автоматизации В сборнике:
Современные информационные технологии в науке, образовании и практике Материалы
XI Всероссийской научно-практической конференции. Оренбургский государственный
университет. 2014. С. 29-32.