В статье рассмотрены особенности системы программирования контроллеров ISaGRAF 5 компании ICS Triplex (www.icstriplex.com), которая основывается на фундаменте стандарта IEC 61131-3, а также на инновационном стандарте IEC61499, предназначенном для унификации правил создания распределенных приложений и применения функциональных блоков в системах управления. Показана связь ISaGRAF 5 с современными отраслевыми стандартами в различных сегментах рынка. Приведены многочисленные примеры ISaGRAF-контроллеров нового поколения от ведущих мировых и отечественных производителей ПЛК, что является аргументированным подтверждением лидирующих позиций ISaGRAF в среде разработчиков средств автоматизации. С.В.Золотарев ("ФИОРД")
С.В. ЗОЛОТАРЕВ (компания “ФИОРД”)
Система программирования контроллеров ISaGRAF 5, как основа для создания ПЛК нового поколения
В статье рассмотрены особенности системы программирования контроллеров ISaGRAF 5 компании ICS Triplex (www.icstriplex.com), которая основывается на фундаменте стандарта IEC 61131-3, а также на инновационном стандарте IEC61499, предназначенном для унификации правил создания распределенных приложений и применения функциональных блоков в системах управления. Показана связь ISaGRAF 5 с современными отраслевыми стандартами в различных сегментах рынка. Приведены многочисленные примеры ISaGRAF-контроллеров нового поколения от ведущих мировых и отечественных производителей ПЛК, что является аргументированным подтверждением лидирующих позиций ISaGRAF в среде разработчиков средств автоматизации.
ISaGRAF 5 и некоторые современные подходы к созданию унифицированных распределенных систем управления
Система программирования контроллеров ISaGRAF компании ICS Triplex (www.icstriplex.com) во многом определила вектор развития этого сегмента рынка автоматизации и стала ориентиром для многих других разработчиков softplc-систем. Версия ISaGRAF 5 стала серьезным шагом вперед за счет внедрения инновационного стандарта IEC61499, который открыл новые возможности как для самой системы ISaGRAF, так и для интеграции ее с современными отраслевыми стандартами, примерами которых являются группа стандартов IEC 60870-5-101/103/104, стандарт IEC61850 (“Communication networks and systems in substations”), ориентированный на применение в энергетике, и его версии, адаптированные к еще более узким сегментам рынка, такие как IEC 62445-2 (“Use of IEC 61850 for the communication between control centers and substations”) и IEC 61400-25-2 (“Wind turbines - Part 25-2: Communications for monitoring and control of wind power plants - Information models”).
Стандарт IEC61499 создавался как основа для создания распределенных приложений для контроллеров и развивал давно принятый инженерным сообществом стандарт IEC 61131-3, а также IEC61158 (Fieldbus). Работа по разработке стандарта IEC61499 велась в рамках международной электротехнической комиссии IEC (International Electrotechnical Commission) в рабочей группе WG63 технического комитета TC65. Обсуждение будущего стандарта IEC61499 началось в октябре 1990 года, активная работа над ним – в марте 1992 года, период апробации подготовленного проекта стандарта – в марте 2001 года и, наконец, завершение разработки – в 2005 году. Весьма полезным документом при знакомстве со стандартом IEC61499 является сборник ответов на наиболее часто задаваемые вопросы по этому стандарту [1].
Стандарт IEC61499 определяет распределенную модель как разбиение различных частей промышленного процесса автоматизации и сложной системы управления на модули, называемые функциональными блоками. Эти функциональные блоки могут распределяться и взаимодействовать по коммуникационной сети через множество контроллеров. Приложение становится распределенным путем размещения экземпляров функциональных блоков на различных ресурсах в одном или более устройствах. Функциональные блоки являются атомарными элементами распределения. Приложение со многими функциональными блоками отображается как один элемент, хотя экземпляры функциональных блоков распределяются по ресурсам и устройствам. Ключевой особенностью функциональных блоков IEC61499 является управление ими с помощью внешних событий, а не только с помощью входных данных. На рис. 1 показан пример: система управления, имеющая много устройств, соединенных вместе с помощью управляющей коммуникационной сети. Также на рис. 2 показаны приложения, распределенные по нескольким устройствам.
Рис. 1. Пример системы управления с распределенными приложениями
Стандарт IEC61850 [2, 3] является самой современной разработкой в области коммуникационных технологий для систем управления в энергетике. Он значительно облегчает интеграцию в единую энергетическую систему устройств различных производителей и разных поколений, позволяет сделать это с наименьшими трудовыми и финансовыми затратами. Применяя IEC61850, можно реализовать все функции управления и автоматизации на подстанциях. IEC61850 начал разрабатываться в 1995 году и состоит из 10 частей, рассматривающих различные аспекты построения распределенных систем управления подстанциями (общие требования, требования к системе управления, средствам связи и интеллектуальным электронным устройствам, языку конфигурирования подстанций и другие).
Многие ученые находят ряд близких концептуальных идей в IEC61850 и IEC61499 [4] и поэтому предлагают использовать инструментальные средства, поддерживающие IEC61499, для реализации подходов, предлагаемых в IEC61850 [5, 6]. Такой пример приведен, например, в статье [6] (рис. 2). В частности, с помощью IEC61499 достаточно просто можно реализовать поддержку таких механизмов IEC61850, как шина процесса и шина станции.
Рис. 2. Пример реализации некоторых механизмов IEC61850 с помощью функциональных блоков IEC61499
Стандарт IEC 60870-5-101 определяет протокол, который предназначен для работы с устройствами и системами телемеханики с передачей данных последовательными двоичными кодами в системах контроля и управления территориально распределенными процессами. Протокол IEC 60870-5-103 служит для передачи данных систем защиты и применяется для автоматизированных систем управления подстанций, использующих радиальную топологию, выделенные каналы связи между модулями защиты и процедуру передачи по схеме "главные и подчиненные устройства". Протокол IEC 60870-5-104 предназначен для систем SCADA в энергетике, позволяет передавать модули прикладных данных, определенные в IEC 60870-5-101, по различным типам цифровых сетей с помощью транспорта TCP/IP вместо использования постоянных выделенных аналоговых каналов. Драйвер протокола IEC 60870-5-104 реализован в среде целевой системы ISaGRAF 5++ ACE Target [7] для операционных систем Linux, WIN32, QNX Neutrino Протокол IEC 60870-5-104 и прошел тестирование специалистами филиала ГТ-ТЭЦ Энерго в составе ПЛК «ФИОРД-201».
Cреда программирования контроллеров ISaGRAF 5 компании ICS Triplex (www.icstriplex.com) стала первой коммерческой системой в мире, в которой был реализован стандарт IEC61499, о полном соответствии которому независимой компанией TÜV Rheinland 10 июля 2007 года был выдан официальный сертификат. Соответствующий список документов по сертификации ISaGRAF 5 доступен на сайте компании TÜV Rheinland (http://www.tuvdotcom.com).
Реализация контроллеров на базе ISaGRAF 5 с поддержкой стандарта IEC61499
Компания ICS Triplex провела экспериментальную проверку реализации стандарта IEC61499 в среде ISaGRAF. Для этого использовались 72 низко стоимостных контроллера NetBurner MOD5272-100CR (с микропроцессором Motorola ColdFire 5272), смонтированных в три группы. Каждый микроконтроллер оборудовался двумя кнопками и 2 переключателями в качестве входных сигналов и двумя зелеными и желтыми лампочками в качестве выходных сигналов. Эти контроллеры имеют Ethernet вход и выполняются под управлением операционной системы µC/OS. ISaGRAF был портирован на эти контроллеры, и все коммуникации осуществлялись через TCP/IP. Для убедительной демонстрации было разработано три приложения [8]. Все приложения использовали одни и те же аппаратные средства, описанные выше. Это были следующие приложения:
- приложение по распространению сигнала – оно использовалось для измерения распространения сигнала и данных в приложении;
- приложение симуляции поезда – это приложение использовалось для демонстрации использования базовых и композиционных функциональных блоков IEC61499 в симуляторе реальной системы;
- приложение “оркестр” – оно демонстрировало мощь и гибкость IEC61499 в условиях реального мира.
Подробные результаты эксперимента изложены в статье [8]. Общий вывод по результатам тестирования показал следующее: реализация в ISaGRAF 5 стандарта IEC61499 позволяет использовать его для построения распределенных приложений в системах с большим числом контроллеров, давая в руки разработчиков очень мощное и гибкое программное средство, каким является ISaGRAF. На сегодняшний день в мире не существует другого аналогичного по своей функциональности программного средства программирования распределенных приложений в среде контроллеров.
Стандарт IEC61499 стал долгожданным решением при создании распределенных систем управления и как результат быстро набирает популярность среди производителей контроллеров и первую очередь – на базе ISaGRAF 5. Первым в мире контроллером на основе ISaGRAF 5, в котором поддерживаются одновременно IEC61131и IEC61499, стал контроллер Kingfisher PLUS+RTU компании RTUnet (Австралия, http://www.rtunet.com/products/kingfisher-plus) (рис. 3).
Рис. 3. Первый в мире контроллер Kingfisher PLUS+RTU, поддерживающий одновременно IEC61131 и IEC61499 и использующий ISaGRAF 5.
Другим примером реализации контроллера с поддержкой ISaGRAF 5 и стандарта IEC61499 (http://www.isagraf.com/pages/newsletter/july2007.htm) являются встраиваемые web-контроллеры серии BECK IPC@CHIP SC123/SC143 компании Beck IPC GmbH (http://www.beck-ipc.com ) (рис. 4).
Рис. 4. Встраиваемый web-контроллер BECK IPC@CHIP SC123 с поддержкой ISaGRAF 5 и IEC61499
Недавно компания SIXNET (США, http://www.sixnetio.com) объявила о реализации в своих новых контроллерах SixTRAK IPm целевой задачи ISaGRAF 5 SCS (Scalable Control Systems) с поддержкой IEC61499 в среде операционной системы Linux. SixTRAK IPm (рис. 5) построен на базе процессора PowerPC, имеет 64 Мбайт ОЗУ, 128 Мбайт флэш-диск, до 5 портов Ethernet, до 640 локальных каналов ввода/вывода и до 50,000 (http://www.sixnetio.com/html_files/products_and_groups/compare.htm) каналов для распределенного ввода/вывода.
Рис. 5. Контроллер SixTRAK IPm компании SIXNET с поддержкой ISaGRAF 5 и IEC61499
Следует остановиться на Linux-контроллерах нового поколения LinPAC-8000 (рис. 6) тайваньской компании ICP-DAS (выпущенных в третьем квартале 2008 года). Исполнительная система контроллеров LinPAC, содержащих лицензионное исполнительное ядро ISaGRAF5++ ACE Target (разработка компании “ФИОРД”), поддерживает драйверы для встраиваемых модулей ввода/вывода серий I-8000 и I-87000, драйверы DCON-протокола (для обмена с внешними модулями серии I-7000), драйверы протоколов ModBus RTU\TCP Master\Slave, систему ведения локальных архивов. Одной из самых интересных новинок контроллеров LinPAC-8000 с установленной исполнительной системой ISaGRAF5++ ACE Target является возможность создавать локальные графические приложения. Система ISaGUI предназначена для обеспечения интерактивного графического отображения данных реального времени непосредственно в исполнительной системе ISaGRAF 5++ ACE Target. Система реализована в виде виртуального устройства ISaGRAF и пакета специальных функций, встроенных в ISaGRAF 5 Workbench. Для проектирования графического интерфейса используется редактор графического интерфейса GLADE, который может работать как в Linux, так и в Windows.
Рис. 6. Контроллер LinPAC-8000 со встроенной целевой системой ISaGRAF 5++ ACE Target
Еще одним примером контроллера с ISaGRAF 5++ ACE Target является “умный” многофункциональный коммуникационный контроллер серии UC-7400 (рис. 7) компании MOXA, предназначенный для организации взаимодействия оборудования, имеющего различные интерфейсы связи, сбора данных и управления удаленными модулями ввода/вывода, ведения локальных архивов, высокоскоростной обработки информации. Контроллеры серии UC-7400 построены на RISC-процессоре Intel XScale IXP-422 с частотой 266 МГц, имеют 128 Мб RAM и оснащены широким набором интерфейсов: 8xRS-232/422/485, USB 2.0 и USB 1.1, 2xEthernet 10/100 Мбит/с, PCMCIA для подключения карт беспроводного Ethernet (опционально), CompactFlash. В качестве HMI-устройств предусмотрены ЖКИ дисплей 160x64 точек и 5 клавиш клавиатуры. Контроллеры серии UC-7400 включают в себя предустановленную операционную систему MontaVista Linux, лицензионное исполнительное ядро ISaGRAF5++ ACE Target с драйверами протоколов ModBus RTU\TCP Master\Slave, систему ведения локальных архивов.
Рис. 7. ISaGRAF-контроллеры серии UC-7400
Весьма интересным является контроллер LT200 (рис.8) французской компании Leroy Automatique Industrielle (торговая марка Leroy Automation, www.leroy-automation.com), специально разработанный для применения в системах с тяжелыми условиями эксплуатации,. LT200 имеет следующие основные характеристики: расширенный рабочий температурный диапазон от -40 до +70°С, высокую механическую прочность. LT200 работает под управлением операционной системы Linux и для создания прикладных программ использует ISaGRAF 5. Блок центрального процессора LT200 включает микропроцессор Intel PXA 255 (300 Мгц), cопроцессор для управления вводом-выводом FPGA Spartan III (100 Мгц), имеет SRAM 32 Мбайт, FLASH ROM 16 Мбайт (из них 4 Мбайт для пользователя), FRAM 8 Кбайт (из них 4 Кбайт для пользователя) и часы реального времени. Также имеются последовательный каналы и USB-порт, который может использоваться как коммуникационный порт для связи с ISaGRAF Workbench (виртуальный COM-порт) и Ethernet.
Рис.8 ISaGRAF-контроллер LT200 компании Leroy Automatique Industrielle
ISaGRAF 5 поддерживает контроллер ADAM-5550 (Programmable Automation Controller, PAC) компании Advantech. ADAM-5550 имеет процессор AMD Geode GX533 CPU, детерминированный ввод-вывод, часы реального времени, сторожевой таймер, 128 MB DDR SDRAM, VGA-порт и два Ethernet порта. Целевая задача ISaGRAF работает в среде операционной системы реального времени Windows CE 5.0 для ADAM-5550 позволяет разрабатыватьприложения на языках стандартов IEC 61131-3 и IEC 61499.
Рис.9 Контроллер ADAM-5550 компании Advantech может работать под управлением ISaGRAF 5
Компания ADDI-DATA (www.addi-data.com) разработала новую платформу для OEM-производителей ПЛК в области компьютерного управления в системах сбора данных и измерений – интегрированный набор аппаратных и программных средств: MSX-Box + ISaGRAF. Собранные данные забираются по Ethernet c MSX-Box: до 192 цифровых оптоизолированных сигналов, 24В и до 96 аналоговых оптоизолированных 16-битных сигналов (или их комбинации). MSX-Box строится на базе 64-битного процессора MIPS, имеет до 6 PCI-слотов, порт Ethernet, CAN, может работать от источника питания 220В, 24В и 12В.
Рис.10 Платформа MSX-BOX компании ADDI-DATA на базе 64-битного процессора MIPS для создания заказных ПЛК, работающих в среде ISaGRAF 5
ISaGRAF 5 находит свое применение в разработках отечественных производителей ПЛК. Например, в программируемых коммуникационных контроллера компании «ФИОРД» - ФИОРД-001, ФИОРД-101 и ФИОРД-201 (рис.11), предназначеных для обеспечения обмена данными между различными контроллерами, УСО и SCADA-системами по RS232/485 и Ethernet. Рассмотрим основные параметры контроллера ФИОРД-201: процессор Geode GX1 266 MГц, ОЗУ 128 МБайт, FLASH диск 64 МБайт, порты Ethernet 10/100 Мбит/с и Ethernet 10 Мбит/с, 10 последовательных портов (1 порт – технологический RS232, 5 портов RS232, 4 конфигурируемых порта RS232/RS422/RS485), напряжение питания 18–36В постоянного тока, потребляемую мощность не более 25 Вт. Контроллеры работают под управлением ОС Linux и программируются с помощью среды ISaGRAF 5, которая обеспечивает гибкое конфигурирование процедур обмена и обработку данных. Контроллеры выполняют обмен данными по различным коммуникационным протоколам: Modbus TCP, Modbus RTU, IEC60870-5-101, FDA-OPC.
Рис.11 Коммуникационный ISaGRAF-контроллер ФИОРД-201
Коммуникационные Linux-контроллеры нового поколения ОВЕН 304\308 (рис.12) российской компании ОВЕН (Москва, www.owen.ru) могут работать под управлением ISaGRAF 5. Контроллеры ОВЕН 304\308 предназначены для организации взаимодействия между оборудованием, имеющим различные интерфейсы и протоколы связи. Благодаря технологии программирования контроллеров ISaGRAF 5, которая поддерживает два промышленных стандарта: IEC 61131-3 и IEC 61499, использование коммуникационных контроллеров позволяет решить такие задачи как объединение нескольких устройств с различными интерфейсами и протоколами связи в единую сеть, предоставление консольного доступа к удаленному оборудованию, создание систем мониторинга и диспетчеризации технологических процессов, ЖКХ, инженерных систем, зданий, ведение распределенной системы локальных архивов на уровне контроллера, интеграция со SCADA-системами с помощью OPC-сервера. Коммуникационные контроллеры ОВЕН 304\308 построены на базе 32-х битного RISC процессора с ядром ARM9, с частотой 200МГц, имеют большой объем оперативной и энергонезависимой памяти, до восьми последовательных портов RS-232/422/485 с максимально скоростью до 921.6 Кбит/с для подключения внешних устройств, до двух портов Ethernet 10/100 Мбит/с для создания резервных каналов связи, встроенный карт-ридер для расширения энергонезависимой памяти при помощи сменных носителей SD, два USB-порта для поддержания дополнительного оборудования и USB-накопителей, часы реального времени.
Рис.12 Коммуникационные ISaGRAF-контроллеры ОВЕН 304 и 308 на базе 32-х битного RISC процессора с ядром ARM9
Заключение: особенности и преимущества ISaGRAF 5
В заключение еще раз хотелось бы в сжатой форме сформулировать основные особенности системы ISaGRAF 5, которые обуславливают выбор ее производителямии ПЛК в качестве основы для создания современных контроллеров и системными интеграторами при внедрении сложных распределенных систем управления.
-
Контролирует поток решений при управлении распределенной системой.
-
Гарантирует целостность распределенного приложения.
-
Обеспечивает целостность и непротиворечивость данных.
-
Предоставляет средства, гарантирующие надежную синхронную работу устройств.
-
Устраняет потребность в отдельных схемах синхронизации алгоритмов.
-
Существенно облегчает обслуживание распределенных систем управления.
-
Предоставляет механизм для распределения приложения и контроля за его выполнением в системах со многими устройствами.
Приведенные в статье примеры использования ISaGRAF 5 ведущими мировыми и отечественными производителями ПЛК подтверждают лидирующие позиции ISaGRAF в среде разработчиков средств автоматизации. Причем как мы видим, ISaGRAF 5 используется на большинстве популярных аппаратных платформах, таких как x86, ARM и XScale, MIPS. Без сомнения, ISaGRAF 5 дает производителям контроллеров (и в том числе отечественным) инструмент мирового уровня, методологию нового поколения для создания современных ПЛК и на их основе крупномасштабных распределенных систем управления.
Сергей Золотарев – канд. техн. наук, ведущий эксперт компании “ФИОРД”.
Телефон: (812) 323-62-12.
Е-mail: Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript
Список литературы
-
IEC 61499 Frequently Asked Questions. www.isagraf.com/pages/documentation/IEC 2061499 20FAQs.pdf
-
Drew Baigent, Mark Adamiak, Ralph Mackiewicz, IEC 61850 Communication Networks and Systems in Substations: An Overview for Users.
-
J. Curk “Standard IEC 61850 opens possibility to develop new more efficient architectures of substation automation and protection systems” (Cigre 2006, Paris, August 2006).
-
Rogerio Dias Paulo (EFACEC Engenharia, S.A., Portugal), Functional Integration in Substation Automation Systems: System Tools and Interoperability.
-
Karlheinz Schwarz , IEC 61850 beyond Substations – The Standard for the whole Energy Supply System.
-
Neil Higgins, Valeriy Vyatkin, Nirmal-Kumar C Nair and Karlheinz Schwarz , Distributed Power System Automation with IEC 61850, IEC 61499 and Intelligent Control.
-
Julien Chouinard, An IEC 61499 configuration with 70 controllers; challenges, benefits and a discussion on technical decisions, http://www.icstriplex.ca/pages/documentation/ETFA07_SS1_Final17Oct2007.pdf
< Предыдущая | Следующая > |
---|