www.e-Asutp.ru - новости промышленной автоматизации

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Главная | Статьи | MES | Phocus 4 для создания встраиваемых SCADA

Phocus 4 для создания встраиваемых SCADA

E-mail Печать PDF

Уникальность SCADA пакета Phocus для ОС QNX можно кратко охарактеризовать как "встраиваемая" SCADA. Это подразумевает надежность и устойчивость, высокую производительность и нетребовательность к ресурсам системы, режим жесткого РВ, модульность и компактность кода, а также возможность поставки OEM-заказчикам исходных кодов пакета для разработки тиражируемых продуктов.

Введение

ОС РВ QNX предоставляет великолепные возможности для создания встроенных систем РВ. Как известно, при создании версии QNX 6.x (QNX Neutrino) ее разработчик, компания QSS, сосредоточилась на рынке встроенных систем. Однако традиционно QNX Neutrino (как и QNX4) имеет широкий набор средств для полноценной работы на настольных системах, включая развитый графический интерфейс Photon, хорошую реализацию стека протоколов TCP/IP и др. Поэтому на базе ОС РВ QNX уже довольно давно с успехом развиваются SCADA-системы, обладающие полноценной функциональностью систем сбора данных и диспетчерского управления [1, 2].
Развитие одной из таких систем Phocus/Opus (Opus – серверная часть SCADA-системы) в последнее время достигло такого уровня, который позволяет ее эффективно использовать в качестве встраиваемой SCADA. Функции, которые выполняют ОС общего назначения и ОС РВ, во многом сходны — диспетчеризация задач, обеспечение связи между ними, обработка прерываний, взаимодействие с аппаратными средствами. Коренные отличия скрываются во внутренней архитектуре. Рассмотрим те особенности ОС РВ QNX, ее новейшей версии QNX 6.3, а также самого SCADA пакета Phocus, которые придают ему те уникальные качества, которые позволяют считать его встраиваемой SCADA.

ОС РВ QNX

На данный момент QNX является, наверное, самой распространенной коммерческой ОС РВ в России. Большой объем инсталляций убедительно показал ее эффективность для приложений с высокими требованиями к времени реакции системы порядка нескольких микросекунд.

Самая важная особенность QNX — архитектура микроядра. Неизменно резидентом в памяти находится лишь небольшой по объему код микроядра, основной функцией которого является диспетчеризация задач. Все остальные функции ОС представляют собой отдельные модули, которые загружаются в защищенные друг от друга участки памяти. Связь их между собой и со всеми другими задачами осуществляется с помощью передачи сообщений через микроядро. Такой способ взаимодействия функций ОС, естественно, приводит к дублированию данных в памяти. Однако этот недостаток в значительной мере нивелируется в настоящее время дешевизной оперативной памяти. Зато малый размер тщательно отлаженного кода микроядра имеет преимущество высокой устойчивости: даже если какой-либо модуль или аппаратный драйвер совершает программную ошибку, его сбой не ведет к краху системы, как в случае с монолитным ядром — микроядро способно выгрузить ошибочный код, работающий в защищенном режиме.

Кроме того, современные микропроцессоры имеют большой кэш второго уровня, в который целиком помещается микроядро. В результате высокая надежность системы сочетается с чрезвычайно малым временем переключения контекста, что дает возможность для таких многозадачных приложений, как SCADA, достигать рекордно высокой производительности.

Микроядро позволяет QNX работать с очень высокой скоростью. ОС QNX может ранжировать функции, отдавая приоритет наиболее критичным в данный момент. Именно эта особенность позволяет системе работать в режиме “жесткого РВ”, отвечая на множество входящих сигналов и выполняя задачи за определенный малый интервал времени.

ОС QNX 6 (QNX Neutrino) предоставляет встроенную поддержку симметричной мультипроцессорной обработки данных (SMP) и многоядерных процессоров. Тем самым SCADA-система Phocus 4 имеет возможность использовать наиболее производительные и компактные системы для встроенных приложений.

Построение системы для конкретного приложения в QNX основано на модульном принципе — отбираются только те функции, которые требуются в данном случае. Благодаря этому при создании встроенной системы можно практически исключить из состава системы код с неиспользуемыми функциями и упростить отладку.

Реальные технические преимущества применения QNX в качестве базовой ОС для SCADA-системы на примере пакета Phocus уже описывалось ранее [2]. Оппоненты же, критикуя практику использования SCADA-системы на базе QNX приводят в качестве доводов минимум технических аргументов. В основном дело сводится к семи пунктам в пользу MS Windows [3]:

  1. “эта ОС имеет множество приложений, обеспечивающих решение различных задач обработки и представления информации”;
  2. “Windows и ее приложения просты в освоении и, как правило, обладают типовым интуитивно понятным интерфейсом”;
  3. “Windows имеет очень широкое распространение в мире (в том числе и в России), поэтому легко найти специалиста, который мог бы сопровождать системы на базе этой ОС”;
  4. “приложения, работающие под управлением Windows, поддерживают общедоступные стандарты обмена данными. Возможна простая интеграция приложений”;
  5. “системы на базе ОС Windows просты в эксплуатации и развитии, что позволяет существенно экономить средства как при поддержке систем, так и при их поэтапном росте”;
  6. “большинство Windows-приложений (как и сама ОС) доступны на русском языке”;
  7. “развитие ИТ для Windows идет крайне высокими темпами, что позволяет компаниям, использующим эту платформу, "идти в ногу со временем" и быстро получать результат – экономию средств и возврат инвестиций”.

Основной упор в [3] делается на пункты 2 и 3. На это следует заметить, что с POSIX интерфейсом QNX знакомятся все больше и больше пользователей Linux, а графический интерфейс Photon не менее прост и интуитивно понятен, чем MS Windows. Поэтому найти специалиста для сопровождения системы на базе QNX представляет уже не столь большую сложность. Что касается пункта 6, то Phocus развивает в настоящий момент русскоязычная команда разработчиков.

Теперь обратим внимание на важные технические моменты, о которых обычно умалчивают адепты SCADA-систем на MS Windows.

Функциональные потребности SCADA-системы

Любая SCADA-система в рабочем режиме мониторинга какого-либо процесса выполняет одновременно множество задач, среди которых: получение данных в РВ от объектов управления; запись данных в архив предыстории; визуализация данных на анимированных мнемосхемах; отображение критических параметров в виде трендов; прием и протоколирование действий оператора, передача его управляющих команд исполнительной системе объекта; генерация и обработка "событий и тревог".

Последний пункт включает множество последовательных действий: формирование сообщений о преодолении параметрами пороговых и критических значений; выдача этих сообщений на экран, а также при необходимости их пересылка удаленным операторам; прием подтверждений о получении "событий и тревог" оператором; автоматическая выработка управляющих воздействий в критических ситуациях, например, в отсутствии своевременной реакции оператора или блокирующие его неверные действия. В то же время задача обработки событий и тревог должна иметь высокий приоритет, поскольку одной из самых важных функций SCADA-системы является предотвращение аварий ТП. Обработка "событий и тревог" является задачей, которая может отнимать весьма большие компьютерные ресурсы, прежде всего, процессорное время. С ростом числа тегов загрузка растет быстрее линейной зависимости. Дело в том, что при выходе ТП из нормального режима для многих параметров генерируются тревоги. Для MS Windows паразитное время, потребное на переключение между задачами с ростом числа точек и тревог растет очень резко. Поэтому при некотором числе тревог, генерируемых с высокой частотой, производительности процессора не хватает, система "захлебывается". Именно поэтому нельзя составить правильное представление о работе той или иной SCADA-системы по демо-версии: для небольшого числа точек все работают очень быстро. С ростом же числа тегов SCADA-системы на MS Windows реакция замедляется, и уже в приложениях с числом тегов более тысячи они периодически могут зависать, по меньшей мере на несколько секунд.

Разработчики SCADA пакета Phocus в полной мере учитывают важные требования обработки событий и тревог, а большое число приоритетов, доступных в ОС РВ QNX, позволяет обрабатывать поступающие тревоги в правильном порядке. Поэтому производительность SCADA-системы Phocus и в приложениях с десятками тысяч тегов остается достаточной для правильной работы без потери данных.

Особенности встроенной SCADA-системы

Повышение производительности встроенных систем способствует тому, что таким системам управления, как ПЛК передается все больше и больше функций, которые ранее выполнялись SCADA-системой на выделенном ПК. В первую очередь, в ПЛК передаются функции сбора данных – с целью предотвращения потери данных при обрыве связи или в случае использования коммутируемого канала связи с периодической доставкой данных. Помимо этого, наиболее производительные современные ПЛК предоставляют развитые встроенные функции программирования и отладки технологических программ. Для этого ПЛК снабжается достаточно большим дисплеем и средствами ввода (клавиатурой, указательным устройством). Развитие технологий привело к появлению недорогих цветных LCD экранов с высоким разрешением, идеально подходящих для встроенных систем. В результате появился новый класс систем, которые часто называют система HMI (ЧМИ) или панельный ПК.

Фактически HMI-система – это промышленный компьютер со встроенным экраном, готовый к интеграции функций управления, сбора данных и мониторинга со стороны оператора. Такие системы встраивают в современные станки, механические приводы, вакуумные стенды и другое технологическое оборудование.

Как признают оппоненты [3], "неуклонно растет популярность QNX как ОС для контроллеров". Это определяется двумя существенными аппаратными особенностями встроенной системы по сравнению с настольными ПК, продиктованными требованиями по надежности:

  1. менее производительные процессоры, не требующие активного охлаждения вентилятором;
  2. небольшой объем Flash-памяти, которая замещает мало надежные магнитные жесткие диски.

ОС QNX, обладающая высокой производительностью и компактностью кода, как никакая другая ОС, поддерживающая развитой графический интерфейс, способна удовлетворить этим требованиям.

Встроенная SCADA-система, совмещающая функциональность управляющей системы, HMI и собственно SCADA, является более сложным мультизадачным приложением с еще большим числом задач, чем в ПЛК. Поэтому использование в качестве базовой ОС QNX тем более оправданно.

Помимо функций, которые выполняют системы HMI, SCADA-системы за счет поддержки полевых шин могут осуществлять распределенный сбор данных, а благодаря развитым коммуникационным средствам верхнего уровня способны взаимодействовать с удаленными операторами и осуществлять двустороннюю передачу данных в различные БД корпоративных приложений.

Надо заметить, что в Phocus реализована поддержка таких протоколов полевых шин, как Modbus, Profibus, CAN, C-bus и др. Что касается взаимодействия с системами на верхнем уровне, Phocus предлагает целый набор разнообразных средств.

Для взаимодействия с системами на базе MS Windows имеются OPC серверы и клиенты для Phocus/OPUS. Сервер OPC Data Access поддерживает доступ к данным РВ по протоколу DA 2.0, сервер OPC Alarms&Events реализует передачу данных тревог/событий по протоколу OPC AE 1.1, а сервер OPC Historical Data Access предоставляет доступ к данным предыстории по протоколу OPC HDA 1.2. Помимо этого для двустороннего обмена данными с БД в MS Windows для Phocus разработано программное средство PhocusBase, позволяющее сохранить в БД MS SQL и автоматически поддерживать в актуальном состоянии данные (точки, предыстория, тревоги/события), получаемые по сети с сервера Opus/Phocus. В качестве универсального способа передачи данных, доступного из любого Web-браузера, функционирующего на любой платформе, предлагается модуль OpusXML, который обеспечивает простой и удобный способ связи SCADA-системы с разнообразными клиентскими устройствами, доступными по сети. С помощью Web-сервера Apache, работающего в QNX, OpusXML рассылает Java-аплеты, доступные для авторизованных пользователей, которые предоставляют функции мониторинга и управления удаленным пользователям Phocus [4].

Использование Phocus в "интегрированных" приложениях без выделенного ПЛК будет очень эффективным. Логика работы управляющей части может быть запрограммирована с помощью BASIC-подобного скриптового языка Phocus SBL.

Пример применения встроенной SCADA

Рассмотрим преимущества, которые может предоставить такое возможное приложение встроенной SCADA-системы, как управление современным автомобилем. Встроенная система, подключенная к шине CAN, сможет собирать данные от большого числа микроконтроллеров, управляющих разнообразными подсистемами автомобиля (двигатель, активная подвеска, тормозная система, навигация, системы обеспечения комфорта, противоугонная система, мультимедийные развлечения, система связи и др.). Водитель, как оператор SCADA-системы, через единый интерфейс получает оперативную информацию обо всех событиях, в первую очередь, влияющих на безопасность движения. Сочетание анимированной графической информации и звуковых уведомлений с текстовыми сообщениями позволит, с одной стороны, добиться высокой степени восприятия различных предупреждений в движении, а с другой - позволит водителю, остановившись, прочитать детальную актуальную инструкцию о возможных действиях в случае какой-либо неисправности.

Помимо повышения комфорта такая встроенная SCADA-система способна существенно повысить уровень безопасности. Автоматическая передача эксплуатационных данных по беспроводным сетям и Internet в сервисную компанию поможет вовремя провести техобслуживание, а получение данных о срабатывании подушек безопасности инициирует отправление сообщений в ГАИ и скорую помощь. Наконец, анализ всего комплекса поступающих данных в РВ поможет решить задачу предотвращения засыпания за рулем или автоматической остановки в экстренных случаях.

Заключение

SCADA пакет Phocus 4 для ОС РВ QNX обладает следующими существенными качествами, важными для встроенных приложений:

  • реализация работы в режиме жесткого РВ, позволяющая совместить функции SCADA с управлением ПЛК в едином приложении;
  • высокая производительность и нетребовательность к ресурсам системы, позволяющая использовать низкочастотные процессоры для встроенных систем с пассивным охлаждением;
  • высокая устойчивость и надежность, позволяющая реализовать работу системы с высокой степенью доступности в необслуживаемом режиме даже без резервирования;
  • возможность дублированной конфигурации системы с реализацией режима активного резервирования, обеспечивающего высокую степень надежности и непрерывности управления, необходимой для бортовых встраиваемых приложений;
  • наличие BASIC-подобного скриптового языка Phocus SBL для программирования логики управляющей части в приложениях без выделенного ПЛК позволяет создавать эффективные интегрированные системы "все-в-одном" (SCADA/HMI/Control);
  • чрезвычайная компактность, позволяющая разместить весь полнофункциональный программный пакет вместе с ОС РВ QNX на карте Flash-памяти размером более 125 Мб, что дает возможность отказаться от таких малонадежных механических элементов, как HDD;
  • опция поставки разработчикам оборудования исходных кодов SCADA пакета, что дает возможность наиболее полной адаптации ПО к аппаратной части, сертификации кодов на отсутствие недекларированных возможностей (так называемых "программных закладок") и предоставляет более выгодные условия при создании тиражируемых продуктов.

Все эти качества позволяют применять Phocus для автономных и бортовых встроенных систем, прежде всего на транспорте, а также в таких отраслях промышленности, как горнодобывающее, нефтегазовое, энергетическое оборудование, станкостроение и военная техника.

Помимо специализированных приложений свойства SCADA пакета Phocus 4 для ОС РВ QNX позволяют использовать его и во многих других проектах АСУТП с высокими требованиями к надежности и отказоустойчивости. Применение ОС РВ QNX и архитектурные особенности Phocus делают его чрезвычайно эффективным и надежным средством для разработки ответственных приложений с большим числом точек данных.

Литература

  1. Золотарев С.В., Системы SCADA в среде ОС QNX // Мир ПК, 1996, N 4.
  2. Кабанов П.Н., Никитин С.В., Фрейдман А.В., О качествах SCADA и пакете Phocus/OPUS // Промышленные АСУ и контроллеры, 2004. N 5.
  3. Терлецкий М.Ю., iFIX для Windows или SCADA для QNX? // Приборы и системы, 2003, N 4.
  4. Кабанов П.Н., Фрейдман А.В., Мониторинг работы SCADA-систем для QNX через Internet // Автоматизация в промышленности, 2006, N 8.

Опубликовано: Напечатано в виде статьи
Никитин С.В., Фрейдман А.В., Phocus 4 для создания встраиваемых SCADA,
Автоматизация в промышленности, 2007, N 4, с.40-43

Источник: http://www.nautsilus.ru/articles/pub2007-04-phocus-emb.htm

 
Баннер

Сейчас на сайте

Сейчас 67 гостей онлайн

Подобные материалы