Лабораторная работа №2 «Средства сопряжения вычислительных систем с объектом управления»

Цель работы: ознакомление учащихся со средствами сопряжения вычислительных систем с объектом управления, с их коммуникационными возможностями нижнего уровня, программирование портов, аналоговые и дискретные входы/ выходы, конфигурация аппаратуры, процесс коммутации, функциональные блоки, присвоение IP адресов контроллера, драйвер ввода/вывода полевого устройства с использованием объектов ввода/вывода.

Теоретическая часть:

В настоящее время перед производителями автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) и средств коммерческого учета энергоресурсов особо остро встает проблема рационального взаимодействия между программами и оборудованием. Из-за существенных различий в целевом назначении, аппаратной реализации самих устройств, естественной эволюции встроенного программного обеспечения (ПО) протокол передачи данных может существенно различаться у различных изделий даже в пределах одного производителя. Кроме того, при модифицировании встроенного программного обеспечения устройства может оказаться, что неизбежно изменяется и протокол обмена с этим устройством. Для потребителя устройств это означает необходимость реализации драйвера для каждого конкретного устройства и модификацию существующего драйвера в случае обновления встроенного ПО устройства.

Драйвер (англ. driver-водитель) — это компьютерная программа, с помощью которой другая программа (обычно операционная система) получает доступ к аппаратному обеспечению некоторого как внешнего, так и внутреннего устройства. Обычно с операционными системами поставляются драйверы для ключевых компонентов аппаратного обеспечения, без которых система не сможет работать. Однако для некоторых устройств (таких, как видеокарта или принтер) могут потребоваться специальные драйверы, обычно предоставляемые производителем устройства. [14]

Операционная система управляет некоторым «виртуальным устройством», которое понимает стандартный набор команд. Драйвер переводит эти команды в команды, которые понимает непосредственно устройство. Эта идеология называется «абстрагирование от аппаратного обеспечения». Впервые в отечественной вычислительной технике подобный подход появился в серии ЕС ЭВМ, а такого рода управляющие программы назывались канальными программами.

Драйвер состоит из нескольких функций, которые обрабатывают определенные события операционной системы. Обычно это 6 основных событий:

1. загрузка драйвера (тут драйвер регистрируется в системе, производит первичную инициализацию и т.п.);

2. выгрузка (драйвер освобождает захваченные ресурсы — память, файлы, устройства и т.п.);

3. открытие драйвера (начало основной работы; обычно драйвер открывается программой как файл);

4. чтение/запись: программа читает или записывает данные из/в устройство, обслуживаемое драйвером;

5. закрытие: операция, обратная открытию, освобождает занятые при открытии ресурсы и уничтожает дескриптор файла;

6. управление вводом-выводом. Зачастую драйвер поддерживает интерфейс ввода-вывода, специфичный для данного устройства. С помощью этого интерфейса программа отправляет специальную команду, которую поддерживает данное устройство.

Управляющее программное обеспечение является многозадачным, так что каждая задача со своим временем сканирования и приоритетом будет выполняться в запланированный момент времени.

Задачи могут быть:

-циклическими – выполняются периодически с фиксированным временем сканирования (не менее 10 мс);

-по умолчанию – выполняются не периодически, а в свободное от других задач времени (в фоновом режиме);

-системные – задачи операционной системы, выполняемые по наступлению системных событий, таких как холодный/теплый/горячий старт, возникновение системных ошибок и т.д.

На практике при формировании различного рода вычислительных комплексов или систем автоматизированного управления применяются сочетания модулей различных моделей ПК. Для обеспечения нормальной взаимосвязанной работы этих устройств используется интерфейс ввода-вывода, обеспечивающий унифицированную систему связей и сигналов между ними. Процесс ввода/вывода может осуществляться следующим образом:

1. Ввод/вывод через модули ввода/вывода;

2. Ввод/вывод через полевые сети;

3. Ввод/вывод через управляющую сеть.

По мере развития систем, сочетающих в себе на одной плате не только центральные элементы компьютера, но и большинство устройств компьютера в целом, возник вопрос удобства поддержки таких систем, получивших название «аппаратная платформа», или просто «платформа». [13]

Сначала производители платформ поставляли набор отдельных драйверов для операционных систем, собранный на один носитель (обычно компакт-диск), Затем появились установочные пакеты, позволявшие упростить установку драйверов в систему. При этом, как правило, можно выбрать либо полностью автоматическую установку всех драйверов, либо выбрать вручную нужные установки. Однако единого, устоявшегося термина долго не было.

Современный термин, описывающий такие наборы драйверов устройств — Board Support Package, или «пакет поддержки платформы». Помимо собственно драйверов, он может, как и прочие установочные пакеты, содержать модули операционной системы и программы.

Если построенная система АСУ ТП базируется на устройствах с совместимым протоколом, то всё перечисленное может и не быть существенным неудобством для клиента. Однако зачастую системы строятся на устройствах разных производителей, не совместимых по протоколу передачи данных. [1, 6]

Ситуация меняется с использованием приобретающую всё большую популярность технологии ОРС. Аббревиатура ОРС расшифровывается как OLE for Process Control – OLE для управления процессами. OLE (Object Linking and Embedding связывание и встраивание объектов) – это основной Windows–стандарт, созданный фирмой Microsoft для взаимодействия между программами. С момента появления международной организации OPC Foundation в 90-х годах 20-го века к настоящему моменту ОРС технология стала фактически стандартом для производителей средств АСУ ТП. Как определяет сама OPC Foundation, её целью является разработка и поддержка открытых промышленных стандартов, регламентирующих методы обмена данными в решении реальном времени между клиентами на базе РС. Сейчас эта организация насчитывает сотни членов, включая почти всех ведущих поставщиков контрольно-измерительного и управляющего оборудования для АСУ ТП. Достаточно назвать такие фирмы, как Siemens, Schneider Automation, Rockwell Software, Iconics, Wonderware, Intellution, Ci Technologies, не говоря уже о самой Microsoft. [2, 3]

В терминологии стандарта ОРС драйверы, реализующие протокол связи с устройством, называются ОРС-серверами, а взаимодействующие с ОРС серверами программы, например, SCADA-системы, - ОРС-клиентами. ОРС сервер является связующим звеном между устройством и клиентской программой. [7, 8] Предоставляя определенные в ОРС стандартах интерфейсы, ОРС сервер дает доступ к информации, находящимся внутри контроллера, унифицированным способом. Поскольку представляемые ОРС интерфейсы стандартизированы, любой ОРС клиент сможет единым образом получать данные из устройства. В этом случае для клиента задача получения информации сводится к разработки ОРС клиента внутри своего программного обеспечения или использования используемого ОРС клиента. Получение данных из самого устройства, а также заботы о поддержке различных версий встроенного ПО ложатся на разработчика ОРС сервера. [15]Данные сохраняются в нескольких областях памяти контроллера. Существует три вида памяти в контроллере:

- системная карта (Flash RAM) – содержит системное программное обеспечение, загрузчик проекта и исходный файл проекта.

- основная память (Main Memory) – DRAM (32MB) динамическая (volatile), хранит исполняемые программы, которые загружаются из проекта, хранящегося в Flash RAM. Также хранит текущие данные (настроечные параметры). Все эти данные теряются при отключении электропитания.

- память данных (Data Memory) – SRAM (512КВ), энергонезависимая статическая память с питанием от аккумуляторной батареи питания, размещенной на материнской плате. Сохраняет настроечные параметры, которые могут быть возвращены во Flash RAM.

Результатом этой технологии является унификация процесса получения данных из устройств, имеющих ОРС сервер. Технология ОРС решает перечисленные проблемы, связанные с использованием различных драйверов.

Используемое оборудование:

Учебный демонстрационный стенд реализован на базе программируемых логических контроллеров: STARDOM FCN [9], Centum CS 3000 [10], ProSafeRS [12].

Контроллеры программируется с использованием стандарта IEC61131-3.

Стандарт специфицирует незначительное количество базовых функций, которое расширено фирмой Yokogawa включая ряд функций высокого уровня подобных функциональным блокам CS3000 (DCS).

Наряду со специфицированием языков программирования стандарт также определяет структуры данных для всех данных, которые находятся в системах управления STARDOM FCN. Данные могут быть связаны с функциональными блоками и их элементами или объявлены как глобальные или внешними переменными, которые также свойственны системе в целом. Они включают в себя также и переменные ввода/вывода, которые по сути своей являются глобальными переменными.

Программирование системы поддерживается логическим конструктором (Logic Designer). C его использованием создается проект, который содержит в себе конфигурационную информацию системы. Внутри проекта содержатся программы, созданные и скомпонованные для всех FCX в виде задач, которые определяют, как работают программы внутри FCX.

Аппаратура настраивается при помощи конфигуратора ресурсов (Resource Configurator). При помощи него конфигурируется процессорный модуль (CPU) и модули ввода/вывода (I/O moduls) FCX, допускается также и копирование данных из FCX и сохранение их PC (upload).

Система Prosafe-RS в общем случае применяется для интегрированной системы Centum CS3000. Система ProSafe-RS является программируемой системой управления, построенной на базе микропроцессоров, и разработанной специально для противоаварийной защиты (ПАЗ). Эта система может функционировать не только при работе технологической установки, но также может быть использована для предотвращения аварийных ситуаций при её пуске.

Система управления ProSafe-RS представляет собой систему обеспечения безопасности, состоящую из контроллера системы безопасности (SCS) и инженерной станции системы безопасности (SENG).

В системе используется ПО Workbench, с помощью которого можно создать проект, согласно которому система ПАЗ блокирует все действия оператора при пуске, например, насоса, если параметры будут отклоняться от приведенного алгоритма.

Благодаря реализации многоуровневой концепции и возможности защиты прикладных библиотек пользователь может создавать свои библиотеки и защищать свою интеллектуальную собственность.

Многоуровневая концепция означает, что функции и функциональные блоки могут быть подмножеством более высокого уровня с множеством уровней вложения.

Функциональный блок, который содержит много других функций и функциональных блоков, может быть запаролен, так чтобы ограничить доступ в соответствии с должностными обязанностями.

Порядок проведения лабораторной работы:

К выполнению лабораторной работы разрешается приступать только после изучения теоретической части настоящего описания. Для выполнения лабораторной работы необходимо, чтобы студенты знали:

1. программное обеспечение на ПК (см. техническую документацию STARDOM FCN):

- Конфигуратор ресурсов (Resource Configurator),

- Logic Designer.

2. контроллер STARDOM FCN.

3. имитатор сигналов с встроенными переключателями для имитации входных дискретных сигналов и аналоговых сигналов (см. техническую документацию STARDOM FCN).

В результате выполнения лабораторной работы студенты должны:

- Изучить теоретический материал.

- Ознакомиться с порядком проведения данной работы.

- Выполнить пять задания.