OpenSCADA в программируемом логическом контроллере (ПЛК)
Имя: ПЛК
|  |
Введение
Современные системы автоматического управления технологическими процессами (АСУ ТП) являются достаточно сложными. Условно иерархию АСУ ТП можно разделить на два уровня: нижний и верхний уровень. Нижний уровень АСУ ТП содержит полевое оборудование (датчики и исполнительные механизмы), а также программируемые логические контроллеры (ПЛК). Верхний уровень представляет из себя систему оперативной визуализации и контроля за технологическим процессом — SCADA-система. ПЛК являются ответственной частью АСУ ТП, которая выполняет функцию сбора данных полевого оборудования, вычисление и выдачу регулирующих, блокировочных и других воздействий на регулирующие органы полевого оборудования.
OpenSCADA является открытой реализацией SCADA-системы, которая основана на модульной архитектуре, что позволяет строить конечные решения под различные требования. Целевым назначением OpenSCADA являются системы верхнего уровня, однако высокая степень модульности, и как следствие масштабируемости, позволяет решать широкий круг задач смежных областей.
Промышленные программируемые логические контроллеры
Рынок ПЛК насыщен широким спектром изделий различной архитектуры и конструкции. Архитектурно ПЛК можно разделить на три условные группы:
- жёстко-программируемые ПЛК и модульные устройства согласования с объектом (УСО);
- высокоинтеллектуальные коммерческие ПЛК;
- PC-совместимые ПЛК.
Жёстко-программируемые ПЛК обычно строятся на основе одно-кристальных микроЭВМ или микросхемах программируемой логики. Программа таких контроллеров или прошивается единоразово, предоставляя возможность программной параметризации, или же формируется специализированными средами наделёнными функциями компиляции бинарной прошивки среды исполнения с пользовательской программой, например 
ISaGRAF и LabView. В качестве представителя такого ПЛК можно в пример привести модули распределённого УСО фирмы Advantech.
Высокоинтеллектуальные коммерческие ПЛК обычно строятся на базе более мощного оборудования с архитектурой, близкой к полноценному PC-компьютеру. Основным отличием от стандартного PC-совместимого ПЛК является закрытая программная, а часто и аппаратная архитектуры. Программное окружение таких контроллеров обычно основывается на операционной системе реального времени, планирующей несколько пользовательских потоков с разделением их по приоритетам. Пользовательское программирование таких ПЛК осуществляется работой в фирменном программном окружении, формирующем в качестве результата бинарный код потока ПЛК. В качестве представителя такого оборудования можно привести ПЛК серии S7 фирмы Siemens.
PC-совместимые ПЛК — это группа скорее не ПЛК, прямо совместимых с PC, а ПЛК, которые не имеют интегрированной среды исполнения и часто поставляемых без операционной системы. Архитектура таких ПЛК может быть различной, начиная от экономичных решений архитектуры x86 и заканчивая архитектурными решениями ARM и MIPS. Среду исполнения таких ПЛК обычно формируют из ПО того же класса, что и в случае с жёстко программируемыми ПЛК в виде исполняемого бинарного файла под одну из распространённых, масштабируемых или специализированных ОС (DOS, QNX, Linux, WinCE, VxWorks). Часто встречаются и специализированные под задачу решения. В качестве представителей этого класса можно рассматривать ПЛК формфактора PC/104.
Варианты конструктивного исполнения ПЛК можно условно разделить на моноблочные и модульные. Моноблочные ПЛК предоставляют фиксированную конфигурацию УСО, специализированную под ограниченный круг задач. Модульные конструкции предоставляют возможность лёгкого расширения конфигурации УСО под нужную задачу. Существуют также и гибридные конструкции, представляющие из себя моноблок, способный расширять своё УСО за счёт внешних блоков УСО, подключаемых по одному из стандартных интерфейсов, например, по RS-485.
OpenSCADA как среда исполнения ПЛК
Архитектура системы OpenSCADA позволяет создавать конечные решения под различные требования и ресурсы путём модульного расширения. Эта возможность оказывается полезной в свете ограниченности ресурсов ПЛК. Кроме того, учитывая постоянное развитие аппаратного обеспечения, а также непрерывное повышение интеграции и экономичности современных микропроцессорных решений, OpenSCADA позволяет последовательно расширять функциональность ПЛК, сохраняя преемственность со старыми решениям. Например, на основе системы OpenSCADA можно строить решения с минимальными требованиям на уровне: CPU 100 МГц, память и флешь диск по 30 Мб.
Как было отмечено выше ресурсы современных ПЛК могут колебаться достаточно в больших пределах, причём ПЛК фиксированного типа, построенные на однокристальных микроЭВМ, всё дальше вытесняются в узко-специализированные области развитыми PC-архитектурами. Такая тенденция делает всё более интересной возможность создания унифицированной открытой платформы для реализации среды исполнения ПЛК на основе унифицированных PC-платформ.
OpenSCADA позволяет реализовать идею создания открытой платформы для реализации среды исполнения ПЛК. Уже сейчас можно реализовывать окружения ПЛК, ничем не уступающее коммерческим интеллектуальным контроллерам, а во многом и превосходящие их за счёт возможности интеграции функций, характерных для SCADA систем, в окружение ПЛК, расширяя функциональные и пользовательские характеристики ПЛК и приводя его на единую со SCADA кодовую базу, а также оптимизируя стоимость конечного решения.
Перечислим функции решаемые OpenSCADA в рамках окружения ПЛК:
- сбор данных различного спектра оборудования в синхронном, асинхронном или блочных режимах;
- пользовательские процедуры обработки данных и выдачи управляющих воздействий на Java-подобном языке высокого уровня и на формальном языке блочных схем;
- архивирование данных, начиная от временных буферов в памяти и заканчивая полноценными архивами на файловой системе или в БД различной дискретизации и глубины;
- интеграция в инфраструктуру АСУ ТП путём реализации стандартных протоколов взаимодействия (ModBus, SNMP, OPC UA ...);
- интеграция с СУБД для экспорта данных, хранения конфигурации или архивов;
- свободная конфигурация и администрирование сети ПЛК как посредством оперативного интерфейса станции администрирования, так и посредством Web-интерфейса;
- возможность реализации панелей оператора с интерфейсом контроля и управления на встроенной Touch-панели;
- предоставление Web-интерфейсов оперативного и диспетчерского контроля.
Action source page doesn't exist yet(/Using / PLC / firmware?)
Action source page doesn't exist yet(/Using / PLC / firmware ARM?)
Приложение 1. Вычислительная производительность процессорных систем
Action source page doesn't exist yet(/Using / PLC / performance?)
- — включает в себя двукратное время вызова функции gettimeofday().
Разница во времени вычисления при прямом вызове математической операции и из виртуальной машины JavaLikeCalc связана с влиянием частоты ядра процессора (частоты, на которой оно работает) и которым выполняется часть команды до передачи её математическому сопроцессору. Производительность математического сопроцессора обычно не связана непосредственно с производительностью и частотой ядра процессора.Методика измерений в таблице выше следующая:
- Оценка времени вычисления операций "sin(Pi)" и "pow(Pi,2)", во второй и третьей колонках. Данные операции выбраны как показательные, для оценки производительности сопроцессора и общих манипуляций с вещественными числами. Значения в квадратных скобках характеризуют степень накладных расходов при вычислении внутри виртуальной машины OpenSCADA и производительность целочисленных вычислений вокруг образцовых операций. Т.е. основное значение характеризует производительность процессора в операциях с плавающей точкой (математический сопроцессор или эмуляция), а в квадратных скобках в целочисленных операциях (центральный процессор). Методика измерения:
- обеспечиваем стабильность частоты центрального процессора, путём установки политики её управления в ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ;
- запускаем OpenSCADA без нагрузки, проект по умолчанию или с пустой конфигурацией, c конфигуратором UI.QTCfg, UI.WebCfg или UI.WebCfgD;
- открываем объект функции "sin()", а затем "pow()", модуля библиотеки математических функций;
- переходим во вкладку "Исполнить", устанавливаем "Включено", вводим значения аргументам "X" в 3.14159265 и "Степень" в 2 (для "pow()"), устанавливаем количество запусков в 1000;
- нажимаем "Исполнить" и получаем время исполнения;
- производим вычисления несколько раз, нажимая "Исполнить", добиваясь минимального значения;
- фиксируем минимальное значение, которое делим на 1000 и получаем основное значение времени одного вычисления в микросекундах;
- переходим к объекту модуля внутренних вычислений OpenSCADA (DAQ.JavaLikeCalc);
- создаём там объект библиотеки функций? "test", а в ней функцию "test", которую включаем;
- во вкладке "Программа" вводим текст команды "y=sin(pi)", а затем "y=pow(pi,2)";
Приложение 2. Решения ПЛК
В этом разделе содержится информация о моделях ПЛК реально построенных или проектируемых на основе разработанной среды исполнения и прошивки ПЛК.
Action source page doesn't exist yet(/Using / PLC / solve?)
Ссылки
- Материалы для создания прошивки архитектуры x86 и других ПЛК: ftp://ftp.oscada.org/OpenSCADA/PLC/
- Уведомление об ошибках загрузчика (propagator): https://bugzilla.altlinux.org/show_bug.cgi?id=17416
- Материалы для создания программного окружения и прошивки для различного ARM-оборудования: TionPro270, SMH2Gi