Современные индустриальные системы, функционирующие в режиме реального времени

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

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.

Аппаратная архитектура

Для разработчиков систем автоматизации стандарты – 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.

Технологии VME и PCI

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.

Мезонинные технологии

Мезонинные технологии применяются достаточно давно: в середине 80-х 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

Полевые системы

Для связи с удаленными цифровыми устройствами промышленного назначения принято использовать бит-последовательные промышленные или полевые шины. 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.

Программное обеспечение промышленных систем

Как показала практика, стоимость создания систем промышленной автоматизации определяется в основном затратами на разработку ПО, доля которого может доходить до 60%.

Чем располагает разработчик промышленной системы? В первую очередь это операционные системы, поддерживающие функционирование разрабатываемого приложения. В сфере промышленной автоматизации свой мир операционных систем – ОС реального времени (ОС РВ). Конечно, можно создать ПО системы автоматизации, опираясь только на общецелевые средства, однако цена такой разработки будет очень высока. Системы автоматизации – это такая же прикладная область, как, например, графика или САПР, и кроме универсального здесь нужен специализированный инструментарий.

Управление производством

Верхний уровень в комплексе FactorySuite занимает пакет InTrack – инструментарий для разработки систем управления производством. Продолжая линию, заложенную в пакете InTouch, он поддерживает объектно-ориентированный стиль разработки и имеет архитектуру клиент/сервер. Назначение InTrack – создание интерактивных приложений, способных контролировать и управлять всеми стадиями производственных процессов – от загрузки сырья до выпуска готовой продукции.

Основные принципы в InTrack такие же, как и в InTouch, – работа с переменными, графическими образами и обработка предупредительных сообщений. Добавлено понятие схемы производственных процессов как некоторой последовательности операций. Схемы создаются в специальном графическом редакторе из графических образов, поставляемых в библиотеке InTrack. Среди них производственные цепочки и операции, материальные ресурсы, продукты. В результате приложение, разработанное в InTrack, способно автоматизировать сбор данных и выдавать управляющие воздействия на производственные процессы в масштабах целого предприятия.