, ,
Интеллектуальные первичные преобразователи
на базе технологии СМ9107
Описаны преимущества для потребителей и производителей, обеспечиваемые встраиванием “интеллекта” в низовые компоненты полевой автоматики (датчики и исполнительные механизмы). Рассмотрены различные аспекты, связанные с проведением разработки в рамках существующих технологий.
Изложены основные элементы созданной в технологии СМ9107, позволяющей существенно сократить затраты (ресурсов и времени) на разработку интеллектуального первичного преобразователя и, прежде всего, исключить из процесса разработки посредничество специалиста в IT (программиста).
Смена подходов разработчиков компонентов и систем АСУТП
До определённого момента времени была принята практика передачи “сырых” сигналов от распределённых по цеховой площадке датчиков к размещённому централизованно контроллеру. Контроллер был снабжён значительным количеством каналов ввода сигналов различного типа, имел значительные габариты, стоимость и монтировался в специальных шкафах в машинных залах. Длина кабельных трасс достигала метров, количество проводов измерялось тысячами.
Однако, стремительный прогресс электронной элементной базы и полевых шин и, в первую очередь, широкое распространение микроконтроллеров, способствовал в последнее время переходу большинства зарубежных и некоторых отечественных фирм к производству интеллектуальных первичных преобразователей. Датчики и исполнительные механизмы этого типа способны к самостоятельной обработке информации и могут включаться в информационно-управляющие сети произвольного масштаба, структуры и назначения.
Отмеченная тенденция – отражение успехов технологий автоматизации, способствовавших повсеместному распространению и росту систем автоматики, и, как следствие, породивших качественно новые требования к бесперебойности их функционирования на всех уровнях при одновременном сокращении затрат на разработку, развёртывание, обслуживание и развитие таких систем. Качественно новые требования отражаются как в смене подходов разработчиков компонентов и систем автоматики, так и в смене подходов потребителей этой продукции, что, в конечном счёте, отражается в заметных тенденциях рынка компонентов для АСУТП.
В основе новых подходов – хорошо известные принципы построения систем высокой готовности, ориентированные на достижение необходимого уровня бесперебойности функционирования за счёт построения решений на всех уровнях (аппаратном, программном, конструктивном, системном) на основе “конструктора”. Применение этих принципов при построении систем автоматики высокой готовности и низкой интегральной стоимости основано на следующих стратегиях:
Полный переход на унифицированные многоточечные цифровые каналы связи интеллектуальных устройств (полевые шины), позволяющие:- сократить ненадёжные и дорогие элементы (кабельные трассы, клеммники), документацию и объём работ (затраты времени) по восстановлению, развёртыванию, обслуживанию и наращиванию технических средств;
- сформировать единую информационную среду с максимальным расширением границ мониторинга системы, обеспечивающего её сквозную тестируемость и диагностируемость, что (в перспективе) должно позволить перейти от устранения отказов к их предупреждению, обеспечивая абсолютную бесперебойность функционирования;
- обеспечить надёжность решения отдельных подзадач благодаря их локализации в отдельном вычислительном ресурсе;
- сократить (и гарантировать) время реакции на возможные события на уровне каждой подзадачи;
- вносить изменения в одни части (подзадачи) системы прозрачно для других;
- исключить проблемы “узкого места” (т. е., исключить концентрацию ответственности за надёжность системы на каком-то одном элементе).
Возможности реализации этих стратегий в практике автоматизации связаны с применением миниатюрной и малопотребляющей микроэлектронной элементной базы, позволяющей встраивать специализированные контроллеры (интеллект) непосредственно в первичные преобразователи.
Встраивание интеллекта - принципиально новые возможности для производителя и потребителя
Основной встраиваемого в первичный преобразователь интеллекта является микроконтроллер. Это чип, содержащий большинство необходимых ресурсов, связанных с вводом, выводом и программной обработкой небольшого количества сигналов и поддержкой протоколов промышленных сетей связи (полевых шин). Широта номенклатуры, габариты, индустриальные климатические исполнения, вычислительные возможности 8-и и 16- разрядных микроконтроллеров и их цена позволяют существенно сократить количество элементов в аппаратуре, снизить потребление, уменьшить габариты и увеличить надежность, обеспечить помехоустойчивость передачи информации на произвольные расстояния.
Применение микроконтроллеров обеспечивает настолько принципиальное повышение потребительских свойств продукции при столь низкой стоимости аппаратуры самого контроллера, что для рассматриваемого класса устройств альтернативной элементной базы просто не существует.
Благодаря минимизации и унификации аппаратной обработки сигналов и акценту на его оцифровку и программную обработку, на аппаратном уровне схема встраиваемого контроллера сводится практически к “одному чипу”, что, с одной стороны, приближает надёжность устройства к надёжности одного чипа, а с другой стороны, позволяет прямо в датчике реализовать все вычисления, связанные с его назначением.
Перечислим основные преимущества, связанные с применением микроконтроллеров:
- адаптивность устройств: возможность загрузки по каналу связи и энергонезависимое хранение в памяти микроконтроллера градуировочных характеристик сенсорного элемента и др. параметров, используемых при вычислениях,
- взаимозаменяемость устройств: программная компенсация уникальности сенсорного элемента с расчётом измеряемых физических величин в стандартных физических единицах (например, расхода и объёма у расходомера) с учётом возможных параметров влияния (значения которых передаются в датчик по каналу связи),
- метрология системы определяется только метрологией первичных преобразователей, влияние метрологии каналов внешних устройств (вторичных блоков, контроллеров) как и сами эти каналы – исключается, то есть, для применения таких датчиков дополнительное метрологически-сертифицированное оборудование не требуется,
- возможность улучшения метрологических характеристик преобразователя и увеличения уровня выхода годных изделий за счёт внутренней программной корректировки систематических погрешностей и фильтрации отклонений в поведении сенсорного элемента,
- возможность расширения диапазона измерений преобразователя, особенно в область слабых сигналов, при одновременном повышении помехоустойчивости благодаря возможностям программной фильтрации, коррекции и компенсации,
- в ряде случаев возможность упрощения конструкции датчика с акцентом на программную настройку и компенсацию,
- возможность исполнения “интеллекта” с низким потреблением, позволяющим:
- поддерживать функции датчика при кратковременных пропаданиях питания, использовать для питания линию связи (с подсоединением по 2 проводам, что означает возможность работы с существующим кабельным хозяйством действующего объекта, построенного с применением пассивных 2-х проводных датчиков),
- реализовать контроллеры с типом взрывозащиты “искробезопасная цепь”, позволяющих реорганизовать построение систем для взрывоопасных производств;
- ведение трендов измеряемых параметров и архивация событий (таких, как отключение питания и пр.) в датчике для анализа аварийных ситуаций и диагностики,
- лёгкость модернизации: разработчик может менять начинку преобразователя (даже сменить физический принцип или объединить несколько сенсорных методов) прозрачно для всей системы при сохранении структуры выходной информации датчика,
- возможность полной автономности сети интеллектуальных преобразователей, благодаря возможности передачи функций управления в преобразователи,
- снижение требований к пропускной способности каналов связи благодаря переносу в устройство функций, соответствующих его назначению и снижению пересылок сырой информации “в центр”, исключение проблемы “узкого места” с центральных элементов системы.
Дополнительный уровень возможностей связан с тем, что встроенный контроллер обеспечивает двунаправленную передачу информации в цифровой форме по унифицированному многоточечному каналу связи - полевой шине. Полевая шина сама по себе обеспечивает переход на новый уровень надёжности всей системы в целом при существенном снижении себестоимости, включая:
- помехоустойчивость передачи информации на большие расстояния в условиях индустриальной среды и слабую чувствительность к качеству канала,
- возможность соединять множество устройств, в том числе различного назначения, в произвольной конфигурации одним каналом связи,
- существенное сокращение ненадёжных элементов (проводов, клеммников),
- существенное сокращение документации и работы по монтажу и поддержке системы,
- простоту и низкую стоимость гальванической развязки удалённых частей системы, обеспечивающей метрологическое качество и просто надёжность функционирования этих частей,
- возможность “горячей” замены устройств (“на ходу”),
- простоту и низкую стоимость организации искрозащиты в одном общем канале связи для работы группы преобразователей во взрывоопасной среде,
- низкие затраты и гибкость построения схем резервирования и дублирования,
- возможность дистанционного (без изъятия из системы) диагностирования, изменения параметров настройки и обновления внутреннего ПО устройства,
- возможность передачи датчику в реальном масштабе времени информации по влияющим величинам для коррекции им результатов своих измерения,
- обеспечение единых инструментальных средств тестирования, мониторинга и обслуживания всех устройств (в т. ч. различного типа) через общий унифицированный канал связи без выведения устройств из работающей системы,
- существенное снижение требований к верхнему уровню системы:
- снимается необходимость применения промышленного контроллера в специализированной конфигурации для взаимодействия с датчиками: достаточно контроллера в простейшей комплектации – с каналом связи и без каналов измерения,
- сеть датчиков может быть подключена к обычному компьютеру или операторской панели через недорогой преобразователь.
На потребительском уровне указанные преимущества в совокупности обеспечивают:
- возможность применения интеллектуальных преобразователей как деталей простого и удобного конструктора для лёгкой компоновки надёжных систем автоматизации произвольного назначения и масштаба,
- снижение себестоимости применения таких устройств, включая затраты на развёртывание, обслуживание и развитие систем на их основе,
- снижение себестоимости производства преобразователей, включая увеличение выпуска годной продукции, расширение сортамента,
- высокую привлекательность по уровню выходных технических характеристик.
Формы интеллектуализации
Известны успешные примеры интеграции сенсорной и микроэлектронной технологий в одном чипе. Например, МЭМС - датчики - микроэлектромеханические устройства для измерения температуры, вибрации, ускорения. Сенсоры этих устройств и микроэлектроника имеют общую - кремниевую основу. Гибридные технологии позволяют несколько расширить границы технологической совместимости, позволяя соединять механически или электрически на общей подложке элементы, созданные по несовместимым технологиям.
Естественно, существуют физические и экономические пределы тесной интеграции микроэлектронного интеллекта и элементов сенсора:
- материалы, технологические процессы сенсорных технологий в основном несовместимы с технологией кремниевой микроэлектроники (обеспечивающей интеллект);
- эксплуатационные требования сенсорной и микроэлектронной частей могут быть несовместимы, уменьшать надёжность или сужать условия применения сенсора (из-за ограничений на условия применения электронных схем).
Очевидно, технологически независимое исполнение сенсора и его контроллера представляет существенно большую гибкость реализации. Такое исполнение может быть реализовано как в форме единого изделия, так и в виде пары изделий. Даже в рамках одного и того же по сути изделия часто возникают обе формы. Тут важно учитывать следующее:
- невозможность совместить сенсорную и контроллерную пару в рамках единого изделия является источником ряда проблем, в частности: требует метрологической сертификации каждой из частей пары и, одновременно, исключает формальные гарантии соответствия этих частей в паре в реальных условиях эксплуатации (речь идёт о штучно тарируемых неинтеллектуальных сенсорах типа расходомеров, влагомеров и т. д.), а, кроме того, неминуемо ведёт к снижению конечного уровня метрологических характеристик в таком исполнении пары,
- необходимость поддержки существующего у заказчика парка старого оборудования (неинтеллектуальных версий устройств) требует оформления контроллерной части датчика в виде самостоятельного устройства – интеллектуального устройства сопряжения (ИУСО), в паре с таким ИУСО старое оборудование эквивалентно интеллектуальной версии (с ограничением, указанном в предыдущем замечании) и может использоваться в наряду с ним в системах.
Технология, организация и цена интеллектуализации
Отметим, что на фоне значительного снижения стоимости разработки и производства аппаратной части преобразователя (сделавшей интеллектуализацию, в принципе, доступной многим производителям), разработка надёжного и легко поддерживаемого внутреннего программного обеспечения связана с принципиальными проблемами для большинства поставщиков этой продукции. Причём, эти проблемы характерны вообще для программирования любых (и особенно специализированных) контроллеров.
Для решения проблем повышения надёжности и снижения стоимости / длительности разработки созданы системы технологического программирования, позволяющие минимизировать работу и увеличить надёжность за счёт отделения постоянной и независимой от прикладной задачи части ПО (которое создаётся профессионалом) от собственного прикладного ПО, которое может быть разработано без привлечения профессиональных программистов. Наиболее распространённой такой системой программирования является система IsaGraf.
Основным отличием таких систем является возможность разработки программ на графическом языке функциональных блок-схем, известном уже более 50 лет, независящем от применяемых вычислительных средств и интуитивно понятном любому инженеру благодаря наглядности графического представления и использованию простых блоков (таких как сумматор, переключатель, фильтр, счётчик и др. ), соединяемых “проводами”.
Но проблема заключается в том, что системы типа IsaGraf ориентированы на подходы по организации внутреннего ПО контроллера, предполагающие наличие значительных ресурсов памяти и вычислительной мощности. Но такие ресурсы вряд ли будут доступны по экономико-технологическим причинам для 8-и и 16-разрядных микроконтроллеров, да и вряд ли адекватны уровню рассматриваемых задач.
Так как для разработки ПО встраиваемых контроллеров применение распространённых систем типа IsaGraf в большинстве случаев невозможно, то для программирования интеллектуальных преобразователей и других целевых интеллектуальных устройств многие разработчики применяют широко распространённые унифицированные средства, рассчитанные на квалифицированного программиста. Возможно, это обосновано в условиях крупных западных фирм, однако для большинства отечественных производителей в условиях дефицита квалифицированных специалистов это существенно увеличивает риски.
Риски состоят в следующем. При такой организации разработки вместо концентрации на решении прикладной задачи своей профессиональной области, разработчик вынужден решать и множество системных задач. Разработка оказывается завязанной на персону опытного программиста. Зачастую его уход ставит под угрозу выпуск изделия из-за невозможности внесения изменений и исправлений. Кроме того, снятие с производства выбранного типа микроконтроллера может потребовать новой разработки с “нуля”, что грозит срывом выпуска. Настойчивость в таком подходе приводит либо к невысокому уровню параметров и надёжности изделия, к неприемлемому сроку разработки, и во многих случаях - к невозможности для потребителя применить продукцию даже одной системы предприятий как конструктор для решения похожих но различных задач.
Интеллектуальные датчики на базе технологии СМ9107
Опыт разработки в области компонентов и систем автоматики различного масштаба и назначения (включая устройства спецавтоматики, датчики, исполнительные механизмы) , полученный специалистами ИНЭУМ, привёл к созданию технологии СМ9107, ориентированной на снижение затрат на разработку, обслуживание и развитие компонентов и систем при принципиальном повышении надёжности.
Одним из основных элементов технологии СМ9107 является CASE-система CONField [1], делающая доступным программирование на графическом языке функциональных блок-схем (FBD МЭК 1131-3) широкой номенклатуры недорогих 8- и 16- разрядных микроконтроллеров. Это означает, что CONField доступны не только мощные контроллеры, но также недорогие универсальные и специализированные УСО, встраиваемая в оборудование спецавтоматика, интеллектуальные датчики и исполнительные механизмы (рис. 1), для разработки ПО которых раньше требовалось привлечение профессиональных программистов.
При этом, разработка в CONField прикладного ПО сводится к “рисованию” функциональных блок-схем, аналогично распространённым системам технологического программирования. Вместе с тем, библиотека функциональных блоков CONField отличается существенным расширением номенклатуры компонентов и готовых решений для задач аналоговой и цифровой обработки сигналов - наиболее важной части задач интеллектуального датчика.
Важная особенность CONField - возможность сквозной разработки и обслуживания системы автоматики от уровня встраиваемого в датчик контроллера до целой АСУТП в единой инструментальной среде, рассчитанной на возможность ответственности за решение одного инженера, а не коллектива профессионалов в области IT. При этом интуитивная ясность применения CONField позволяет начать работу, не тратя время на изучение документации.
 |
 |
 |
 |
 |
Рис. 1
CONField является открытой системой с точки зрения поддерживаемых микроконтроллерных платформ. В данный момент поддерживаются 8-разрядные микроконтроллеры с ядром Intel51 любого производителя, 8-разрядные микроконтроллеры семейства AVR Atmel, микропотребляющие 16-разрядные микроконтроллеры DSP Texas Instruments (MSP430), 16-разрядные микроконтроллеры Fujitsu (MB90FXXX), 32-разрядные ARM (в частности, Phillips LPC 210X) и, конечно, IntelX86-совместимые.
Достаточно эффективными по нашему опыту разработки интеллектуальных сенсоров являются 16-разрядные микроконтроллеры с архитектурой DSP Texas Instruments серии MSP430F****. Микропотребление позволяет добиться сохранение функциональности сенсора при пропаданиях питания, создавать решения, рассчитанные на автономное питание, а также решения, рассчитанные на питание от линии связи. Наличие миниатюрных исполнений в серии MSP430F**** позволяет “вписывать” весь ПЛК в исключительно малые габариты (например, электронная плата одного из встраиваемых контроллеров имеет размер 31х36 мм). DSP-архитектура этих микроконтроллеров весьма эффективна для высокоскоростной обработки сигнала в реальном масштабе времени. Разнообразие конфигурации портов сигнального ввода-вывода (АЦП, дискретные, ШИМ …) и сетевых интерфейсов позволяют подобрать оптимальное по ценовому фактору решение для различных задач.
Подробную информацию по разработкам на базе технологии СМ9107 и инструментальным средствам CONField можно найти на сайте www.ineum-ems.ru .
Заключение
Применение технологии СМ9107 группой опытных заводов не просто резко снизило затраты предприятий на разработку и поддержку ПО обновлённой продукции, а сделало это вообще возможным при известном дефиците квалифицированных специалистов (особенно, на периферии), обеспечивая предприятию самостоятельно модернизировать свою продукцию и легко адаптировать даже мелкие партии под требования конкретного заказчика.
Преимущества, обеспечиваемые технологией СМ9107:
- возможность достижения технических и коммерческих результатов по продукции в минимальное время и с минимальными затратами, приведение функциональных параметров продукции в соответствие с актуальными требованиями различных потребителей,
- производитель получает возможность вывода на рынок законченных решения по задачам своего профиля различной конфигурации и масштаба своими силами, а не только выступать поставщиком компонентов для “чужих” решений,
- наиболее эффективная стратегия защита интеллектуальной собственности - это постоянная модернизация: временной разрыв между вашим оригиналом и копией конкурентов предоставляет вам возможность постоянного опережения за счёт низких затрат на модернизацию, возможность сконцентрировать разработку функционального ПО в руках неспециалистах в области программирования позволяет получить дополнительную защиту.
Литература
1. , ИНЭУМ представляет инструментальную систему нового поколения CONField v 2.0. КИП и автоматика: обслуживание и ремонт, № 11, 2006.
