Статьи по электронике

ПЛК и микропроцессоры

      В последние 10 - 20 лет в области автоматизации технологических процессов получили широкое распространение так называемые программируемые логические контроллеры (ПЛК). Они пришли на смену релейным схемам. Отсюда следует ряд особенностей, присущих исключительно ПЛК.
      Базовым принципом построения любого ПЛК является неизменность цикла программы. Иными словами, программа в ПЛК всё время «вращается» в неком глобальном цикле, который начинается первым оператором программы и заканчивается последним. Сама программа может быть разбита на блоки, отвечающие за те или иные действия, обработку каких либо событий. Такими событиями могут быть смена состояния датчика или их группы, окончание некого интервала времени, получение того или иного сообщения по сети и ряд других причин. Похожие участки программы могут быть оформлены в виде отдельного блока – эквивалента подпрограммы. Большинство ПЛК снабжено системными блоками, в которых реализованы различные функции, часто применяемые в промышленной автоматике, например, плавающая арифметика, ПИД регуляторы и некоторые другие. Такие блоки неизменны, поскольку созданы производителем ПЛК. Они могут вызываться блоками пользователя. Так же могут существовать специальные блоки, вызываемые при обработке прерываний или при «холодном» или «горячем» старте ПЛК.
      Операторы ПЛК могут быть представлены в нескольких видах: в виде релейно-лестничной схемы, в виде функциональной схемы или в символьном виде, очень похожем на ассемблерный код микроконтроллера. Базовый набор операторов весьма примитивен и ориентирован на работу с булевыми переменными. Он включает в себя операции И, ИЛИ, НЕ-И, НЕ-ИЛИ. Кроме этого, в базовый набор операторов входят оператор установки, сброса некоторой переменной, различные таймеры и счётчики. Остальные операторы могут изменяться от одной модели ПЛК к другой. Здесь всё зависит от фантазии производителя. Это арифметические операторы, операторы пересылки данных и ряд других.
      Внутри каждого блока существуют так называемые цепи. Это, как правило, последовательности операций над входными данными, заканчивающиеся модификацией одной или нескольких переменных.
      Сами переменные могут представлять собой входы, выходы и внутренние метки. В этом случае они имеют булевский тип. Когда приходится оперировать с группой битов, то применяют такие типы данных, как байт, слово, двойное слово. Это могут быть входные, выходные слова и байты, а так же внутренняя память. Естественно, что записывать данные в переменные, соответствующие входам невозможно. В ряде ПЛК существуют операции косвенной адресации. Так же имеется возможность использовать локальные переменные внутри блока. Эти переменные теряют своё значение при выходе из блока и память, отведённая под них, может быть использована снова.
      Все ПЛК снабжаются программным обеспечением для ПЭВМ, с помощью которого создаются программы и отлаживаются непосредственно на автоматизируемом объекте. Симулятор, входящий в программное обеспечение, позволяет в ряде случаев отладить программу без ПЛК. Состояние всех переменных, используемых в программе, может быть отслежено и изменено в режиме on line.
      Связь между ПЛК и ПЭВМ может осуществляться как по RS-232, так и по RS-485 или по другому электрическому интерфейсу, например, CAN с помощью специального перехода RS-232 <-> желаемый интерфейс. В последнее время появилось множество так называемых полевых шин на основе RS-485, или CAN, служащих этой цели. Вместе с электрическим интерфейсом здесь оговаривается формат телеграммы или фрейма. Полевые шины обеспечивают так же связь удалённых модулей контроллера, электроприводов, интеллектуальных датчиков, средств визуализации и регуляторов с ПЛК.
      В случае применения полевой шины, адресное пространство ПЛК пополняется дополнительным объёмом за счёт подключаемых устройств. Например, при использовании электропривода, его управляющие регистры становятся видимыми в адресном пространстве ПЛК. То же самое происходит и с модулями удалённого ввода-вывода и прочими устройствами. Регистрами подключённых по полевой шине устройств можно пользоваться точно так же, как и внутренними входами-выходами или памятью ПЛК. Разумеется, подключаемые устройства должны поддерживать тот формат фрейма или телеграммы, что и ПЛК. Скорость связи по некоторым видам шин доходит до 12 Мбит в секунду.
      Все вышеизложенные возможности ПЛК призваны сократить время проектирования управляющих устройств и средств визуализации при автоматизации технологических процессов. При этом исключается зацикливание и зависание программы.

      В дополнение к программному обеспечению, предназначенному для разработки программ для ПЛК, многие фирмы предлагают пакеты для визуализации и управления параметрами технологического процесса с помощью ПЭВМ. Такие пакеты позволяют проектировать и эксплуатировать системы, состоящие из нескольких ПЛК и ПЭВМ, объединённых с помощью упомянутой выше полевой шины в сеть и общающихся с внешним миром, как через LAN, так и через Интернет.
      Пакеты имеют в своём составе средства для анимации технологических процессов, поддерживают практически все форматы баз данных, язык SQL, непрерывно сохраняют определённые пользователем данные. Полученные данные могут быть выведены на экран монитора и на принтер в виде графиков и диаграмм. Зачастую SCADA системы позволяют использовать 3D графику.
      Основой такой системы является OPC сервер, который обеспечивает связь между ПЭВМ, удалёнными ПЛК и другими объектами, в том числе и операционной системой. Таким образом, пользователь освобождается от изучения протоколов связи и набора сложных системных функций. Пакет, как правило, является открытым, что подразумевает возможность подключения собственных программных модулей и нестандартных аппаратных средств. Программные модули могут быть внедрены с помощью скриптов (вставок на языке программирования высокого уровня), описывающих поведение объектов, близких по синтаксису либо к C++, либо к VB. В случае необходимости возможно подключение модулей пользователя через DDE или COM интерфейсы, если система эксплуатируется на платформе Windows. Таким же образом осуществляется включение в систему нестандартных аппаратных средств. В связи с широким развитием сетевых технологий в последнее время в SCADA системах стали использоваться DCOM и COM+. Обычно, в большинстве случаев потребность в программировании практически отсутствует, поскольку задачи по транспортировке данных, их обработке и анализу SCADA системы берут на себя.
      Сроки разработки систем управления сложным технологическим оборудованием и объединения их в сеть, по идее, должны значительно сократиться в связи с применением прогрессивных методов проектирования, ПЛК, интеллектуальных датчиков, а стоимость разработки должна неминуемо уменьшиться из-за снижения требований к квалификации проектировщиков системы и их числу. Надёжность полученного программно-аппаратного продукта должна возрасти, так как все компоненты, входящие в систему имеют множество сертификатов, подтверждающих это. Гибкость таких систем расширяется в связи с возможностью неограниченного их совершенствования.
      Однако, не всё так просто и прозрачно…

      Разработка управляющих систем на основе ПЛК и SCADA систем – мероприятие достаточно дорогостоящее. Оценку затрат на проектирование таких систем лучше начать со списка программного обеспечения:

• пакет программ для программирования ПЛК,
• пакет программ для панелей (устройств, обеспечивающих оперативное управление и визуализацию технологических процессов),
• OPC сервер,
• SCADA система,
• средства для программирования сетевого обмена,
• дополнительные программные продукты, обеспечивающие связь отдельных изделий с системой.

      Микроконтроллеры представляют собой интегральные микросхемы, содержащие, как правило, большинство компонентов, необходимых для автоматизации технологических процессов. Это аналого-цифровые преобразователи, прецизионные компараторы, счётчики, таймеры, последовательные каналы ввода-вывода и прочие устройства. На кристалле микроконтроллера могут располагаться системы управления двигателями различного типа, различные дешифраторы и прочие специализированные устройства. Большинство таких микросхем может работать в широком температурном диапазоне.
      Основой микроконтроллера является его ядро, содержащее вычислительно-управляющее устройство. Его структура и мощность определяются назначением микроконтроллера.
      Максимальной скоростью и вычислительной мощностью обладают цифровые сигнальные процессоры (DSP). Их ядро имеет в своём составе несколько вычислительных устройств. Время выполнения операции составляет не более 6 нс. Такие процессоры, как правило, имеют определённую специализацию. Одни из них предназначены для обработки видео информации, другие – для управления двигателями с использованием их математических моделей, третьи для управления быстротекущими процессами. Всё это происходит в реальном времени. Применение таких процессоров сопряжено с большими затратами на приобретение средств разработки. Стоимость отладочной среды составляет 3000$...5000$. Аппаратная часть дешевле и стоит около 1500$...2000$. Стоимость самой микросхемы колеблется от 20$ до 400$. Вычислительная мощность DSP и его быстродействие намного превосходят любой, даже самый мощный ПЛК. Такие и им подобные процессоры составляют основу самих ПЛК. Однако, операционная система, посредством которой DSP, входящий в ПЛК, общается с внешним миром, потребляет значительную часть его вычислительной мощности. Отсюда весьма невразумительные результаты по быстродействию. Понятно, что DSP в чистом виде не используются для автоматизации.
      Наиболее предпочтительна другая, более многочисленная и более разнообразная часть микроконтроллеров. Основу их ядра составляет вычислительное устройство, работающее на умеренных скоростях, выполнение операции осуществляется за 50…200 нс. Разрядность данных, с которыми работает ядро, может составлять от 8 до 32 бит. Все выпускаемые микроконтроллеры такого типа укладываются в ценовой диапазон от 1$ до 20$. Средства разработки для таких микроконтроллеров, включающие в себя Ассемблер, Редактор, Компоновщик и объединяющую их оболочку, как правило, бесплатны. Деньги в размере 500$...1500$ придётся заплатить любителям языков высокого уровня, да и то не во всех случаях. Язык Ассемблера большинства микроконтроллеров интуитивно понятен и превосходит по своим возможностям, сложившийся в начале 80-х годов прошлого века стандартный язык ПЛК. В последнее время производители микроконтроллеров предлагают сравнительно дешёвые аппаратные средства отладки. Цена таких устройств колеблется возле 200$...500$.
      Что же касается SCADA систем, то не проще ли приобрести пакет, на котором они создаются? Стоимость Borland C++ Builder 6 Enterprise Full System составляет 3000$, что дешевле любой из SCADA систем. Возможности этой среды разработки значительно шире. Одна только возможность создавать кросс платформенные приложения перевешивает любые усилия разработчиков SCADA систем. Более того, в некоторых случаях пакет можно приобрести в рассрочку. Стартовая сумма составляет 69$.
      В отличие от технологии с использованием ПЛК, микроконтроллеры требуют наличие среды разработки печатных плат. В принципе, многие предприятия, изготовители печатных плат принимают исходные материалы, подготовленные в среде PCad 4.5, которая ввиду её старости и гибели законного владельца практически бесплатна. Освоение этой среды не требует никаких усилий со стороны человека знающего фразы «интегральная микросхема» и «печатная плата». Более состоятельные разработчики могут воспользоваться другими пакетами. Здесь предела в ценах нет. Рекорд составляет 28 000$.
      Итого, разработчику систем автоматики на основе микроконтроллеров средней мощности для создания законченного продукта, эквивалентного ПЛК со SCADA системой на первоначальном этапе придётся вложить около 3500$. Это максимальная сумма.
      Набор компонентов, необходимый для создания полноценного промышленного контроллера, эквивалентного ПЛК средней мощности обойдётся в 300$ максимум. Графическая панель со встроенной клавиатурой стоит 150$. Печатная плата и прочие материалы, необходимые для сборки, обойдутся ещё в 100$. Итак, в этом случае затраты разложатся следующим образом – 600$ на компоненты и сборку, 1000$ на оплату труда программиста и 200$ накладных расходов. Проект малой сложности, описанный выше, обойдётся потребителю в 1800$, что в три раза меньше, чем с применением ПЛК. Срок разработки в этом случае увеличится до 2…3 месяцев. Если потребуется ведение производственной базы данных, то стоимость проекта увеличится ещё на 1000$. Как видно из приведённых расчётов, потребитель, приобретая разработку на основе микроконтроллера, экономит около 3000$. Скорость изготовления системы автоматики не играет принципиальной роли в этом случае, потому что время разработки системы управления сопоставимо со временем изготовления исполнительных механизмов.

      Эта часть статьи отражает исключительно мнение автора, которое может не совпадать с точкой зрения разработчиков средств автоматизации.
      После анализа рынка средств автоматизации технологических процессов, результаты которого были изложены выше, невольно возникает вопрос – почему большинство производителей оборудования предпочитают заведомо дорогую технологию? Ответ здесь очевиден. Проблема заключается в «откатах». Механизм прост. Российские бизнесмены в большинстве своём далеки от технических вопросов. Для них наличие сертификата является некой гарантией надёжности продукта. Специалисты, работающие на них, пользуясь этим, заключают определённые соглашения с продавцом средств автоматики. Полученную с бизнесмена сумму, порядка 30…50% стоимости оборудования специалисты и продавец делят между собой. В этом ничего предосудительного нет, поскольку российские специалисты вынуждены таким образом изымать средства, которые им недоплачивают бизнесмены. Иногда дело заходит слишком далеко. Не так давно в Интернете на сайте одной из фирм разработчиков SCADA систем появилось сообщение об установке их продукта на Кольской АЭС. На взгляд автора любая SCADA и АЭС – вещи абсолютно несовместимые. Жителей Кольского полуострова приходится только пожалеть.
      Рынок средств автоматизации поделен между несколькими фирмами, которые можно пересчитать по пальцам. Для предотвращения проникновения в этот сектор экономики различных более мелких организаций ими придумываются некие международные стандарты, которые все упоминают, но никто не видел в глаза. Доступ к этим стандартам крайне затруднён, так как за эту информацию требуют немалые деньги. Особенно это касается полевых шин, без которых, якобы, немыслима автоматизация. По таким шинам осуществляется обмен информацией в промышленной сети.
      В этой связи хочется отметить, что закрытость такого рода вопросов ведёт к снижению информационной безопасности производственных систем автоматики. С этой точки зрения, внутренние, избыточные вычислительные мощности промышленных контроллеров при крайне скудных внешних возможностях, кажутся не просто чьим-то промахом. Вполне вероятно, что они предназначены для других целей. Наиболее странным в этом случае является внедрение протокола TCP/IP, предназначенного для Интернета и повальное увлечение удалённым вводом-выводом по радиоканалам, а так же GSM телефонии применительно к системам автоматизации. Не хочется даже представлять себе, что произойдет при посылке некорректного сообщения по промышленной сети, применительно к Кольской АЭС. Причиной этому может послужить, как сбой в самой SCADA системе, которая технически сложна по природе, а, следовательно, подвержена всем недостаткам сложных систем, так и чей-то злой умысел. Второе при современном развитии средств воздействия на линии связи не кажется совсем невероятным.
      Решение проблемы – в применении локальных систем автоматики, построенных на микроконтроллерах с необходимой и достаточной вычислительной мощностью. Всё эти системы должны работать как единое целое, анализируя лишь физические параметры объекта управления.
      Применение систем автоматики, основанных на микроконтроллерах средней мощности наиболее предпочтительно, как по цене, так и по соображениям информационной безопасности, по сравнению с управляющими системами на базе ПЛК.

Начало