SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Российские промышленные одноплатные компьютеры и их применение в системах автоматизации

Статья посвящена одноплатным компьютерам компании ЗАО «Завод Электрооборудования», российского разработчика и производителя микропроцессорной техники. Сегодня применение такой продукции в области автоматизации процессов на предприятиях своевременно и актуально. Одноплатные компьютеры стремятся стать альтернативой дорогостоящих программируемых логических контроллеров (ПЛК), а сами контроллеры могут быть легко разработаны на базе серийно выпускаемых коммерческих встраиваемых решений.

ЗАО «Завод Электрооборудования», г. Москва

ZAO_ZEO.png


Современные задачи автоматизации требуют повышения гибкости в управлении процессами. С увеличением сложности решаемых задач требуется учет большего количества сценариев работы системы автоматизации и вариантов реагирования на нештатные ситуации. Повышение надежности невозможно без получения и обработки дополнительных параметров контролируемого объекта, что приводит к физическому разрастанию системы АСУ ТП.

В этих условиях система АСУ ТП больше не может обходиться только одним управляющим звеном и набором простых промышленных контроллеров, исполняющих роль приемопередатчиков информации и сигналов управления. Сегодня требуется, чтобы промежуточные звенья системы автоматизации могли самостоятельно принимать управляющие решения, снижая нагрузку на центральный узел управления. Распределенная система позволяет улучшить время реагирования на нештатные ситуации, так как не требует сетевого обмена данными с центральным узлом. Другими словами, можно утверждать, что распределенная иерархическая система АСУ ТП превосходит по своим возможностям любые системы, обладающие только центральным управлением.

Создание распределенной системы автоматизации невозможно без создания интеллектуальных контроллеров, которые можно запрограммировать для реализации специфических алгоритмов работы промежуточных звеньев – промышленных логических контроллеров (ПЛК).

Сегодня ПЛК представлены на российском рынке многими известными брендами. Их стоимость гораздо выше простых промышленных контроллеров, что ставит под вопрос экономическую целесообразность массового использования подобных устройств в системах автоматизации. Существующие прототипы российских ПЛК пока тоже не отличаются низкой ценой, хотя в стоимости российской продукции нет ни брендовой составляющей, ни стоимости услуг доставки, ни многочисленных наценок перепродавцов.

Российская компания ЗАО «Завод Электрооборудования» предполагает, что одним из путей снижения себестоимости российских ПЛК может быть использование стандартных серийно выпускаемых промышленных одноплатных компьютеров на базе процессоров семейства ARM.

Промышленный одноплатный компьютер – это универсальная и производительная платформа для реализации любых задач АСУТП. По сути, любой ПЛК также является компьютером. Разница заключается в том, что одноплатный компьютер может не в полном объеме удовлетворять эксплуатационным требованиям, предъявляемым к ПЛК, поэтому использовать его как промышленный контроллер нельзя. Но нужно понимать, что одноплатный компьютер требует внесения небольших доработок до промышленного контроллера и гораздо более привлекателен с точки зрения «Времени до выхода продукции на рынок» (Time to market), чем разработка схемотехники ПЛК «с нуля» собственными силами предприятия.

Отметим, что в большинстве случаев доработка одноплатного компьютера может быть сведена к подбору нужного корпуса, обеспечивающего необходимый уровень защиты от внешних воздействий и разработки дополнительных электронных модулей, для адаптации компьютера под определенные требования технических условий. Все доработки, как правило, не затрагивают схемотехнику самого одноплатного компьютера и носят характер доработок «незначительных» как в техническом, так и в экономическом плане.

Еще одним достоинством использования одноплатных решений для разработки ПЛК может быть тот факт, что производители промышленных одноплатных компьютеров предоставляют уже готовые к работе операционные системы реального времени (Linux, Windows CE, QNX и др.). Это обстоятельство часто опускается из виду при старте собственных разработок промышленных контроллеров. А ведь именно портирование операционной системы на собственное схемотехническое решение – наиболее трудоемкий этап в процессе разработки. Именно из продуманности и законченности этого этапа возможно дальнейшее принятие решения о возможности адаптации программного обеспечения системы SCADA на созданный аппаратно-программный комплекс и его дальнейшее использование как программируемый логический контроллер.

Сейчас стоимость российских одноплатных компьютеров «Завода Электрооборудования» вместе с операционной системой составляет от 50 до 200USD – в зависимости от модели. Помимо покупки компьютеров как перспективного базового компонента для разработки ПЛК, предприятие может предложить крупным покупателям лицензии на собственное перепроизводство одноплатных компьютеров, что позволит внести дополнительные идеи в схемотехнику и снизить стоимость в 1,5–2 раза при массовом производстве.

Рассмотрим подробнее модельный ряд одноплатных компьютеров ЗАО «Завод Электрооборудования».


Модельный ряд компьютеров

Модельный ряд одноплатных компьютеров ЗАО «Завод Электрооборудования» состоит из пяти компьютеров серии «Тион», обладающих привлекательными для разработчиков встраиваемых систем особенностями. Их конфигурации явились результатом обобщения опыта работы с конструкторами различных встраиваемых систем. Компьютеры представляют собой высокоинтегрированные вычислительно-управляющие системы на базе процессоров с ядром ARM9 - CirrusLogic EP9315 200MHz и Marvell PXA270 416/520MHz. 

В серию «Тион» входят одноплатные компьютеры «Тион-Про», «Тион-Про v.2» и «Тион-270», а также процессорные модули «Тион» и «Тион 270». Заметим, что особенность процессорных модулей в том, что все интерфейсы компьютера выведены на единый разъем SODIMM-200. Компьютеры различаются типом процессора, объемами памяти и набором периферийных интерфейсов. Основные характеристики некоторых компьютеров представлены в табл. 1, а внешний вид некоторых плат показан на рис. 1.

Таблица 1. Основные параметры некоторых одноплатных компьютеров семейства «Тион»

table1.jpg

Одноплатные компьютеры имеют все интерфейсы, необходимые встраиваемым системам, большое количество интерфейсов для хранения данных (Memory Stick, PC card, Compact Flash и SD Card), встроенный LCD-контроллер, ведущие и ведомые USB-устройства, реализуют полную поддержку спецификации для работы со звуком AC’97. Имеется контроллер сети 100 Мбит Ethernet. В самой ближайшей перспективе появится компьютер с двумя Ethernet интерфейсами на борту.

pic1.jpg

Рис. 1. Одноплатные компьютеры «Тион-Про 270E2» (а), «Тион-Про v.2» (б) и «Тион 270» (в)

Каждый компьютер имеет возможность установки разных операционных систем — Windows CE 5.0, Windows CE 6.0, Linux, RedBoot (eCos) в качестве загрузчика. Компьютеры поставляются с предустановленным загрузчиком eBoot или uBoot. 

Отличительной особенностью «Тион-Про v.2» и «Тион-Про 270» является использование формата платы PC/104, что позволяет устанавливать ее в ряд стандартных корпусов. Для запуска этих компьютеров достаточно подключить дисплей, мышь, клавиатуру, Ethernet или Wi-Fi при необходимости. Платы питаются напряжением 5 В. Для подключения TFT-экранов 3,5”, 5,7”, 8”, 10,4” требуются специальные переходники (адаптеры), которые заказываются дополнительно.

Для того чтобы использовать процессорные модули «Тион» и «Тион 270» в своей разработке, достаточно спроектировать двухстороннюю «системную» плату с необходимым составом интерфейсов (технология 0,2 мм, реализуемая в России). «Системная» плата позволяет совместить возможности одноплатного компьютера и собственную схемотехнику пользователя.

Для расширения базовой функциональности одноплатных компьютеров предприятием разработаны дополнительные модули, подключаемые к компьютеру. К примеру, покупатели могут приобрести модули для подключения компьютера по интерфейсу CAN или подключения дополнительной CF/SD карты памяти. Сейчас в процессе разработки несколько модулей, которые могут быть интересны разработчикам систем автоматизации особенно – это плата 8хСOM c восьмью гальванически развязанными com-портами и модуль питания плат с входным напряжением 220 В (AC) и 8–40 В (DC).

Если посмотреть на одноплатные компьютеры шире, то их областями применения могут быть: терминалы сбора данных, медицинская техника, измерительные приборы, диагностическое оборудование, панели оператора, IP-телефония, элементы АСУ ТП, панельные компьютеры, портативные и носимые системы контроля и диагностики, оборудование автоматизации торговли (ККМ) и др.

Таблица 2. Функциональные характеристики ПЛК и сравнение с характеристиками
одноплатных компьютеров семейства «Тион» ЗАО «Завод Электрооборудования»

table2.jpg


Портрет современного ПЛК

Современный ПЛК – это сложное микропроцессорное устройство, предназначенное для управления технологическими процессами в промышленности и другими сложными технологическими объектами. В табл. 2 представлены наиболее часто встречающиеся требования к функциональности и техническим характеристикам ПЛК. Для сравнения в этой таблице приведены также характеристики одноплатных компьютеров ЗАО «Завод Электрооборудования».

Как видно из табл. 2, технические характеристики промышленных одноплатных компьютеров соответствуют классу промышленных контроллеров, за исключением отсутствия корпуса и штатно поставляемого специализированного программного обеспечения SCADA. Эти вопросы доработки компьютера могут быть полностью решены производителем оборудования АСУ ТП.

Как уже было отмечено, с экономической точки зрения серийное производство компьютеров по лицензии ЗАО «Завод Электрооборудования» позволит снизить их цену более чем в 2 раза. Таким образом, себестоимость промышленного контроллера на базе одноплатного компьютера не превысит 300USD, что, по нашему мнению, делает контроллеры привлекательными для рынка.

Еще один вывод из табл. 2, говорит о том, что одноплатные компьютеры могут использоваться в качестве контроллеров уже сейчас, если речь идет о непромышленных применениях. В этом случае список задач будет существенно расширен. Это могут быть охранные системы, где контроллер обеспечивает специфические алгоритмы защиты, «умный дом», где он позволит сконцентрировать управление бытовыми приборами в одном месте, системы аварийного освещения, системы управления климатом и т.д. Во всех этих случаях программное обеспечение разрабатывается индивидуально, так как не существует общепринятых договоренностей или утвержденных протоколов. Корпуса к таким контроллерам можно найти в розничной продаже.


Заключение

ЗАО «Завод Электрооборудования» уже много лет работает как дизайн-бюро по разработке промышленной микропроцессорной техники. Предприятие стремится предлагать универсальные встраиваемые решения для различных областей промышленности. Помимо невысоких цен на продукцию покупатели получают возможность технической поддержки непосредственно у производителя.

В области автоматизации ЗАО «Завод Электрооборудования» успешно сотрудничает со многими компаниями. К примеру, компания НПФ «КРУГ» адаптировала программное обеспечение системы SCADA Круг-2000 для использования совместно с процессорными модулями «Тион». ООО «Полиавтоматика», НИЛ АП (RLDA) и другие компании успешно применяют одноплатные компьютеры ЗАО «Завод Электрооборудования» в своих разработках. 

Таким образом, приведенные данные и интерес известных производителей оборудования АСУ ТП к одноплатным компьютерам говорят о целесообразности полного или частичного отказа от самостоятельной разработки сложной микропроцессорной техники. Доступность одноплатных компьютеров в России делает их перспективными для создания оборудования АСУ ТП российскими производителями быстро, качественно и на самом современном уровне.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 2(22)_2009

А.В. Солдатов, заместитель генерального директора,
ЗАО «Завод Электрооборудования», г. Москва,
тел.: (495) 736-92-72,
e-mail: info@zao-zeo.ru