Содержание к диссертации
ГЛАВА I. Малоканальные интеллектуальные УСО и встроенная автоматика - резерв дальнейшего прогресса в технологии
автоматизации. (Перспективы и проблемы современных решений) 16
1.1. Парадигмы современных технологий 21
-
Распространение COTS-решений 21
-
Распространение принципов "высокой готовности" 23
1.1. Этапы развития и типовые задачи систем цеховой автоматики .. 28
-
Первые распределённые системы и основные задачи 28
-
Централизация вычислительной среды растущих систем 32
-
Возвращение к полевой архитектуре со сквозной интеллектуализацией цеховой площадки 37
1.2. Малоканальные контроллеры в структуре перспективных
АСУТП 41
-
Ограничения возможностей сквозной интеллектуализации 42
-
Малоканальные интеллектуальные УСО и встроенная автоматика — ядро field-центрической аритектуры 43
1.4. Основные элементы современной индустриальной технологии
создания АСУТП 46
1.4.1 COTS-решения на базе SoftLogic и SoftPLC 46
Адекватность целевым параметрам
1.4.2 Открытые технологии программирования 51
Языки программирования IEC 1131-3 (виртуальная машина прикладного уровня). Встраиваемая виртуальная машина ISaGRAF. Концепция Java. Сравнение виртуальных машин ISaGRAF и Java (общие достоинства и различия). Адекватность целевым параметрам
1.4.3 Открытые технологии промышленных шин fieldbus 66
Ориентация на открытые стандарты полевых шин. Специфика fieldbus-систем и
отличия от универсальной модели OSI/ISO. Особенности физического н канального уровней Profibus, FF, CAN, Modbus (Plus), HART, ENTERBUS, Ethernet. Канальный и прикладной уровни: типовые задачи и общие стратегии их решения. Адекватность целевым параметрам.
1.4.4 Малоканальные контроллеры основных производителей 81
Специфика встраиваемого решения. Компоненты для встраиваемых решений ведущих фирм на базе шин РСЛ04, PC/104-Plus: компоновочные параметры, ресурсы, элементы повышения уровня готовности. Малоканальные ПЛК и УСО ведущих отечественных и зарубежных фирм. Адекватность целевым параметрам.
1.4.5 Продукция отечественных опытных заводов 93
Необходимость модернизации продукции и технологий разработки. Целесообразность, востребованность и перспективность отечественной разработки.
1.5. Постановка задачи диссертационной работы 96
Общие требования к целевым устройствам и методологии их разработки. Цель работы. Основные задачи работы.
ГЛАВА II. Принципы построения малоканальных контроллеров для систем цеховой автоматики (пути достижения уровня COTS-решений в
разработках систем на базе микроконтроллеров) 100
2.1. Унификация задачи и структуры малоканального контроллера.
(Базовая ячейка системы и элементарный контроллер) 101
2.1.1. Архитектура системы автоматики, адекватная требованиям высокой
готовности и новая парадигма проектирования 102
Выделение независимых процессов в задаче автоматизации. Варианты исполнения распределённой системы. Определение базовой ячейки распределённой системы и элементарного контроллера. Парадигма проектирования базовой ячейки распределённой системы.
2.1.2. Принципы унификации задачи элементарного контроллера 108
Отказ от событийного механизма в пользу жёсткого расписания. Отказ от
ОС в пользу простого циклического автомата. Унификация задачи циклического автомата. Унификация структуры прикладного ПО (сведение приложения к таблицам и простым "стандартным" подпрограммам).
2.1.3. Эффективность предложенных принципов 112
Обеспечение устойчивости функционирования. Простота переноса на новые
платформы.
Модель элементарного контроллера и принципы построения
малоканальных систем на его основе 114
1. Базовые архитектурные решения 114
Отказ от параллельных шин в межблочных и внутриблочных интерфейсах
в пользу последовательных интерфейсов.
2. Функциональная модель элементарного контроллера и структура
малоканальных систем на его основе 121
Контроллер с сигнальным сопряжением. Контроллер с сетевым расширением. Элементарное сетевое соединение.
-
Принципы совместимости элементарных контроллеров в системе... 124 Единая спецификация сообщений внешнего управления прикладного уровня (FMS). Унификация внешнего представления данных различных платформ (эмуляция 8-разрядной памяти с "little-endian" архитектурой).
-
Средства обеспечения высокого уровня готовности (восстановление
функций при сбоях, ошибках, нарушении целостности ПО) 128
Перезагрузка ПО "в системе". Механизм перезагрузки при исполнении ПО с ошибкой. Механизм "сброса" контроллера с ошибкой или после сбоя.
5. Общая структура ПО элементарного контроллера 134
Выделение областей загрузчика и пользовательского приложения. Компоненты ПО области загрузчика. Компоненты ПО области приложения. Область идентификационной информации.
Базовые элементы COTS-решений в разработке малоканальных
устройств 138
1 Пути преодоления ограничений ресурсов целевой системы (новая
парадигма перемещения сервиса в инструментальную среду) 139
Парадигма перемещения сервиса в инструментальную среду. Новые возможности реализации технологии IEC1131-3 (Перенос загрузчика ПО в инструментальную среду. Отказ от интерпретирующей машины.)
2 Новые принципы поддержки платформ 143
Простое портирование ПО на новую платформу. Схема формирования исполняемого кода. Взаимодействие с ресурсами ввода-вывода.
2.3.3 Принцип построения исполнительной системы 145
Автоматическая свёртка проекта в алгоблок
2.3.4 Принципы формирования библиотеки алгоблоков 147
Расширение FBD с ориентацией на типовые задачи цеховой автоматики и опыт служб КИПиА. Параметрическая библиотека.
2.3.5 Стратегии построения инструментальной среды 149
Конструктор на основе открытого набора компонентнов. Орентация на технологию сквозного проектирования
2.3.6 Вопросы оптимальной организации разработки 150
Конструктор малоканальных систем.
Основные выводы по главе II 152
ГЛАВА III. Разработка конструктора малоканальных систем
(CASE-система CONfield. Семейства ПЛК СМ9107) 153
3.1. Назначение и основные функции CASE-системы CONfield 153
Блок поддержки платформ (TRANSfield). Блок кросс-библиотек ПО (BRAINfield). Блок конфигуратора ресурсов (LINKfield). Блок конструктора приложения (MAKEfield). Блок обслуживания приложений (USEfield).
3.2. Блок поддержки платформ (TRANSField) 154
3.2.1 Уровни специализации компонентов ПО ЭК 154
Абстрактный уровень. Уровень платформы. Уровень профиля устройства.
3.2.2 Механизмы портирования ПО ЭК 156
Унифицированный формат Си-представления компонентов ПО.
Локализация специфики коммандного языка управления кросс-системой.
3.2.3 Компоненты блока поддержки платформ 158
Исходные и производные компоненты.
3.3. Блок программных кросс-библиотек (BRAINField) 159
3.3.1. Методическая структура кросс-библиотек 159
Алгоблоки. Программные сервера.
3.3.2. Функциональная структура кросс-библиотек. Сопроцессы ЭК 161
Супервизорный сопроцесс. Сопроцесс приложения. Служебный фоновый сопроцесс. Коммуникационный сопроцесс. Сопроцесс сэмплера
(высокоскоростной ввод-вывод и обработка).
3.3.3. Библиотека алгоблоков 164
Функциональные блоки. Алгоблоки ввода-вывода. Библиотека алгоблоков технологического программирования. Параметрические алгоблоки. Реализация на языке Си.
3.4. Блок конфигуратора проекта и ресурсов 166
-
Конфигурация и ресурсы системного проекта ЭК 166
-
Конфигурация и ресурсы проекта ввода-вывода ЭК 167
-
Конфигурация и ресурсы алгоритмического проекта 167
-
Инструменты и механизмы конфигурирования 169
3.5. Блок конструктора приложений (LINKfield) 169
-
Ресурсы и компоненты алгоритмического проекта ЭК 169
-
Компоненты и механизмы конструктора приложений 170
3.6. Блок обслуживания приложений (USEfield) 171
Средства загрузки. Средства мониторинга и отладки. Средства интеграции.
3.7. Набор ПЛК-компонентов семейства СМ9107 173
-
Назначение и состав компонентов СМ9107 173
-
Миникрейтовое исполнение СМ9107-ВМ 174
Назначение и общие требования. Конструкция, компоновка. Архитектура и схемотехника УСО и системной части. ПО ввода-вывода. Варианты компоновок.
3.7.3. Микроблочное исполнения СМ9107-ЕХ 180
Назначение и общие требования. Конструкция, компоновка. Архитектура и схемотехника УСО и системной части. ПО ввода-вывода. Варианты компоновок.
3.7.4. Подходы к проектированию специальных исполнений 182
Основные выводы по главе III 183
ГЛАВА IV. Вопросы применения CASE-системы CONfield и решений
СМ9107 при разработке малоканальных систем 184
4.1 Технология сквозной разработки CONField 184
Назначение и состав инструментальной системы CONfield. Основные этапы разработки малоканального приложения автоматизации. Типовой порядок работы в среде CONField. Пример построения проекта.
4.2 Пример применения малоканальных ПЛК семейства СМ9107
в контурах АСУТП 195
4.2.1 МИК СМ9107 в структуре АСУ ТП обжиговой машины 196
Уровень ввода-вывода. Уровень сбора данных и непосредственного управления.
Уровень оперативного управления технологическим процессом
Основные выводы по главе IV , 214
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 216
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 218
ПРИЛОЖЕНИЯ 224
Ш. Документы сертификации и внедрения контроллеров СМ9107 225
П2. Программа обучения специалистов КИПиА вопросам 226
применения компонентов СМ9107
ПЗ. Библиотека алгоблоков CASE-системы CONfield 243
П4. Конструктивное исполнение СМ9107 и пример компоновки системы
на базе элементов СМ9107 254
П5. Номенклатура модулей и блоков СМ9107 260
Введение к работе
Работа посвящена комплексу вопросов, представляющих новую технологию разработки малоканальной и специализированной автоматики, обеспечивающую платформонезависимое и некритичное к объему аппаратных ресурсов решение, соответстующее принципам открытых систем.
Идеи открытых систем в корне изменили технологию разработки систем автоматики, позволив быстро создавать эффективные решения практически для любых прикладных областей за счет системной интеграции разнообразного оборудования и ПО различных производителей. Соответствующие решения, предлагаемые ведущими мировыми и отечественными прозводителями, достаточно широко распространены на российском рынке, а вместе с тем и технология системной интеграции становится все более популярной среди отечественных разработчиков прикладных систем автоматики - системных интеграторов и подразделений АСУ и КИПиА предприятий, разрабатывающих и эксплуатирующих АСУТП, соответственно растёт интерес к открытым технологиям и специалистов КБ заводов, ориентированных на выпуск современного "интеллектуального" технологического оборудования.
Вместе с тем, возрастающие требования к надежности систем автоматики с ориентацией на предупреждение отказов за счет предоставления системой персоналу удобного всеобъемлющего и бесперебойного информационного сервиса, необходимость сокращения сроков разработки и развёртывания и обеспечения гибкости масштабирования в расчете на длительную эксплуатацию, и, вместе с тем, жёсткие ограничения на капитальные затраты и необходимость снижения интегральной стоимости владения системой определяют тенденцию сквозной "интеллектуализации" цеховой площадки.
Суть этой тенденции состоит в приближении дешевеющей микропроцессорной элементной базы к низовым функциональным элементам структуры технологического объекта (уровню датчика и исполнительного механизма - т.н. полевому уровню) с целью максимального сокращения ненадёжных и дорогих элементов (медных сигнальных проводов и клеммников), расширению области видимости картины процесса и децентрализации функций управления за счёт построения территориально- и функционально- распределенных систем автоматики, представ- ляющих собой цифровые сети интеллектуальных устройств (УСО и встраиваемых в оборудование контроллеров).
Указанная тенденция сквозной интеллектуализации характерна не только для цеховой автоматизации. Согласно аналитическим прогнозам в ближайшие годы рынок интеллектуальных устройств на 1-2 порядка превысит рынок персональных компьютеров. Это можно воспринимать как признак перехода из эры персональных компьютеров в эру интеллектуальных устройств и сетей на их основе, проникающих во многие сферы жизни общества.
Однако, современный этап развития методологии и технологии разработки систем автоматики характеризуется рядом нерешённых проблем, препятстующих указанной тенденции и сдерживающих широкое внедрение АСУТП на российских предприятиях.
Дело в том, что существующая индустриальная технология проектирования систем автоматики, созданная в период всепроникающей РС-тшатформной автоматизации и централизованных архитектур АСУТП на базе мощных ПЛК, (в основном на базе 32-х разрядных процессоров, большей частью - клонов Intel х8б), позволившая поставить производство АСУТП на поток, уже не является полностью адекватной требованиям перспективных распределённых систем.
Проблема заключается в ориентации этой технологии на значительные ресурсы (памяти и вычислительной мощности) используемых в ПЛК процессоров, что определяет применение таких ПЛК (по конструктивным, компоновочным, стоимостным и др. факторам), в основном, в качестве ядра централизованных архитектур, или, в лучшем случае, ядра систем на основе распределённого УСО, но не в качестве собственно низовых компонентов функционально-распределённой системы.
В то же время, ресурсы даже многих 8-разрядных микроконтроллеров являются вполне достаточными для большинства задач малоканальных целевых контроллеров в составе подсистем цеховой автоматики полевого уровня. Не случайно объём выпуска 8-разрядных микроконтроллеров на 2 порядка (!) превышает общий объём выпуска 16- и 32- разрядных моделей. Широкая номенклатура и низкая цена микроконтроллеров обеспечивает возможность выбора наиболее эффективной конфигурации, позволяя добиться существенного сокращения количества элементов, снижения потребления, уменьшения габаритов и увеличения надежности устройства в любом конкретном случае при весьма низкой стоимости.
С другой стороны, высокий технический уровень российских инженеров и всегда существовавшая индустрия производства спецавтоматики в России представляют ту необходимую базу, которая дает основание рассчитывать на расширение выпуска современного интеллектуального технологического оборудования отечественного производства. Разработка и использование программно-технических средств в целях электронизации России является одним их основных направлений принятой на 2002 - 2010 гг. федеральной программы "Электронная Россия", предусматривающей, в частности, активизацию отечественного электронного приборостроения.
Однако оправданность и успех отечественной разработки оригинального электронного оборудования (спецавтоматики), а также его конкурентоспособность в настоящее время определяются возможностью разработчика сконцентрироваться на решении задачи в области своей квалификации за счёт применения технологий и инструментальных средств, упрощающих разработку и сокращающих сроки создания готового к применению устройства, позволяя достичь максимального результата при минимальных усилиях и средствах, затраченных на разработку.
В этой связи несомненный научный и практический интерес представляет исследование и разработка принципов построения малоканальных целевых контроллеров для задач цеховой автоматизации на базе широкой номенклатуры 8- и 16-разрядных микроконтроллеров с ориентацией на достижение качественно нового уровня модульного иерархического проектирования (спец-)автоматики (включая ПО и технические средства), адекватного требованиям индустриального применения.
Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованного методического базиса и инструментальной среды, удовлетворяющих требованиям индустриального применения при разработке малоканальных средств автоматизации высокой готовности и низкой стоимости на базе широкой номенклатуры 8- и 16-разрядных микроконтроллеров.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решаются следующие основные задачи: определение и исследование всех значимых факторов и требований к разрабатываемой методической базе проектирования малоканальных систем; разработка принципов построения малоканальных систем, включая: проектирование структуры технических средств, проектирование внутреннего ПО, проектирование инструментальной среды; разработка опытных образцов инструментальных средств, прикладных библиотек, технических средств конструктора малоканальных систем; создание методики разработки, экспериментальная отработка и промышленная апробация на примерах задач встраиваемой автоматики и интеллектуальных УСО.
В основе выполненных исследований и полученных результатов лежит использование методов объектно-ориентированного анализа, элементов теории моделирования, алгоритмов и алгоритмических языков, теории вычислительных процессов, аналитических методов расчета электрических цепей. Экспериментальная часть выполнялась с использованием разработанного конструктора специализированных ПЛК.
В результате проведённых исследований и разработок решён комплекс взаимосвязанных вопросов, касающихся методологии проектирования малоканальных и специализированных систем автоматизации. Следует выделить следующие основные результы, характеризующиеся научной новизной: определены направления совершенствования средств автоматизации и инструментальных методов разработки для систем автоматизации цехового уровня; создан научно-обоснованный методологический базис проектирования малоканальных средств автоматизации, удовлетворяющих требованиям высокой готовности и низкой стоимости; разработаны принципы построения основных элементов аппаратного и программного обеспечения малоканальных систем, а также принципы построения инструментальной среды; созданы инструментальные средства, методики и базовые технические решения (конструктор), удовлетворяющие требованиям индустриального применения при разработке малоканальных средств автоматизации на базе широкой номенклатуры 8-й 16- разрядных микроконтроллеров и ориентированные на квалификацию и опыт конструкторских подразделений и служб КИПиА промышленных предприятий.
Проведена апробация представленной технологии разработки малоканальных средств автоматики в конструкторских подразделениях и службах КИПиА при модернизации выпускаемого технологического оборудования и при создании подсистем АСУТП.
Практическая значимость работы подтверждена результатами внедрений и заключается в следующем: разработана и выпускается серийно линейка малоканальных ПЛК семейства СМ9107 для задач цехового уровня; применение разработанных методик, инструментальных средств CONfield и технических решениий СМ9107 (как самостоятельных устройств и как базовых решений спецавтоматики) показало и подтвердило: эффективность и высокую экономическую привлекательность распространения современных индустриальных технологий построения АСУТП на экономичную малоканальную аппаратуру полевого уровня; эффективность применения малоканальных контроллеров СМ9107 для построения надежных масштабируемых контуров (подсистем) управления полевого уровня при высокой степени функциональной или территориальной распределенности объекта, а также в специальных устройствах малоканальной автоматики; эффективность методик и инструменальных средств, учитывающих отечественную специфику разработки и эксплуатации систем автоматики (отсутствие узкой специализации, дефицит квалифицированных специалистов, большая доля старого несистемного оборудования в системе).
Практическая реализация результатов работы подтверждается прилагаемыми к диссертации документами.
Представленные методы построения малоканальной специализированной аппаратуры способствуют: снижению затрат на разработку малоканальных систем полевого уровня и встраиваемой в технологическое оборудование спецавтоматики; расширению спектра серийно выпускаемых промышленных контроллеров и малосерийной спецавтоматики за счет создания линеек недорогих устройств на базе 8-й 16- разрядных микроконтроллеров; использованию опыта индустриальной разработки АСУТП на уровне малоканальных систем и устройств спецавтоматики, что в итоге позволит сделать разработку и внедрение малосерийной спецавтоматики и надёжных распределённых систем автоматики доступными и привлекательными для множества опытных заводов и предприятий в различных секторах экономики.
Работа выполнена в Институте электронных управляющих машин (ИНЭУМ) в рамках научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по теме "Разработка семейства многофункциональных контроллеров и УВК промышленного исполнения" в соответсвии с Федеральной целевой программой "Национальная технологическая база" на 2002-2005 гг., раздел "Технология вычислительных систем".
Разработанный при непосредственном участии автора комплекс технических средств ПЛК СМ9107 прошёл промышленную апробацию, разрешён для применения в системах промышленной автоматики и зарегистрирован в реестре средств измерений.
Технические средства СМ9107 сертифицированы и зарегистрированы Госстандартом России, что подтверждено следующими документами: - технические условия ТУ 4042-001-11494554-99, регистрация ТУ: ВНИИстандарт Госстандарта России, № 200 / 024693; сертификат соответствия НД RU.ME37.B00045; сертификат типа средства измерения ... RU.C.34.004.A No 12137, регистрация: Государственный реестр средств измерения, № 22748-02.
Контроллеры семейства СМ9107 выпускаются серийно с 1999 г., изготовитель ОАО "ИНЭУМ".
Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора програмно-технические решения контроллеров семейства СМ9107 и инструментальные средства прошли испытания: во встроенных системах спецавтоматики продукции Лениногорского и Бу-гульминского опытных заводов "Нефтеавтоматика", в подсистемах АСУ 111 цехов агло-доменного, известково-доломитового производства Магнитогорского металлургического комбината (г. Магнитогорск), в подсистемах АСУТП фабрики окомкования Михайловского ГОК (г. Железногорск), в составе систем регистрации и оповещения на электропоездах МПС, в системе автоматики аварийного электроснабжения пускового комплекса космодрома "Байконур" и ряде других проектов.
Материалы работы с 2002 г. используются в учебном процессе и включены в учебное пособие для ВУЗов [40], выпущенное в центральном издательстве. Разработана программа обучения и организованы курсы для обучения специалистов методике использования контроллеров СМ9107. В МИРЭА изданы разработанные автором методические указания по выполнению лабораторных работ на кафедре "Управляющие ЭВМ" по теме "Промышленные контроллеры" для студентов специальности 220100.
Выносимые на защиту основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на третьей научно-практической конференции "Современные информационные технологии в управлении и образовании — новые возможности и перспективы использования в рамках реализации программы "Электронная Россия", ФГУП НИИ "Восход", Москва, ноябрь 2002 г; на научной сессии МИФИ на секции "Информатика и процессы управления. Компьютерные системы и технологии", январь 2003 г; на 52-й научно-технической конференции МИРЭА, Москва, май 2003 г; - на научных семинарах и технических совещаниях Института электронных управляющих машин в период 1999-2004 гг.
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ [62 — 66, 68], из них 3 - в центральных изданиях, получено 1 авторское свидетельство [67]. В работах, опубликованных в соавторстве, личное учатие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении обзоров, научно-технических исследований и анализе их результатов, в разработке принципов и создании методик, разработке структуры и основных элементов ПО.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Основное содержание изложено на 216 страницах, 32 рисунках и 11 таблицах. Список литературы включает 68 наименований.
Первая глава посвящена анализу проблем и направлений совершенствования средств автоматизации и инструментальных методов разработки для систем автоматизации цехового уровня, формулированию целей и задач диссертационной работы.
Во второй главе диссертации рассмотрены принципы построения малоканальных контроллеров для систем цеховой автоматики (пути достижения уровня COTS-решений в разработках систем на базе микроконтроллеров).
В третьей главе рассматриваются вопросы, свзязанные с разработкой конструктора малоканальных систем, который является набором "деталей" (программных компонентов, технических решений) и инструментальных средств.
Четвёртая глава посвящена методике проектирования, экспериментальной отработке и промышленной апробации разработанных инструментальных средств CONfield и технических решений СМ9107 (конструктора) на примерах малоканальных задач встраиваемой автоматики и интеллектуальных УСО.
В приложении приведены документы сертификации и внедрения контроллеров СМ9107, отзывы об результатах применения методик, состав библиотеки ал-гоблоков CASE-системы, компоненты блока поддержки платформ, информация о конструктивном исполнении и схемотехнике СМ9107, программа обучения специалистов КИПиА вопросам применения компонентов СМ9107.
