Программируемые логические контроллеры (ПЛК) и частотные преобразователи являются неотъемлемой частью управления производственными процессами. ПЛК и частотные преобразователи выполняют большой перечень задач автоматики и автоматизации процессов, обладают большим функционалом уровня протокольного взаимодействия. Также к данным устройствам предъявляются требование жесткого реального времени. Промышленный Интернет вещей (IIoT) ожидает, что будущие архитектуры ПЛК и частотных преобразователей будут представлены, как масштабируемые решения, которые являются безопасными, высокопроизводительными, маломощными, иметь компактное исполнения и готовыми для Индустрии 4.0 — со встроенными защищенными коммуникациями (протоколами взаимодействия) для корпоративных информационных систем, помогающих грамотно и целесообразно работать производству.

Разработка любого класса электронного оборудования начинается с выбора электронной базы для будущего устройства. Основными компонентами при создании электронного оборудования для нужд промышленной автоматики являются: микроконтроллеры, микропроцессоры и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Рассмотрим основные подходы при разработке и применении электронных компонентов при проектировании частотного преобразователя. Сегодня начальным уровнем частотного преобразователя называют частотный преобразователь имеющий компонентную базу следующего вида — процессор и DSP (цифровой процессор обработки сигналов). В данном термине процессор имеется ввиду либо микроконтроллер, или микропроцессор, данная платформа имеет небольшое количество электрических цепей связи между процессором и DSP. Частотный преобразователь среднего класса состоит из процессора и ПЛИС. Данное решение позволяет реализовать больше вариантов математических задач на стороне ПЛИС, а также предусмотреть масштабируемость системы. Данная платформа имеет большое количество электрических цепей связи между процессором и ПЛИС (в таком варианте между процессором и ПЛИС ~50 цепей электрической связи). Частотный преобразователь премиум класса оснащен процессором, DSP и ПЛИС. В таком варианте предусмотрены варианты развития продукта согласно тенденции потребности рынка промышленной автоматики. Наличие большого количества электронных цепей приводит к увеличению количества слоев, это, в свою очередь, ведет  к удорожанию производства платы и увеличению стоимости конечного изделия. Также не стоит забывать про трассировку такого типа плат и влияние электромагнитных помех. Новым рубежом и этапом который позволяет быстро адаптироваться под потребности рынка является применение гибридных систем CPU (процессор) + FPGA (ПЛИС), а также такие системы позволяют подойти вплотную к требованиям Индустрии 4.0. Сегодняшние производители, такие как Xilinx, IntelFPGA (Altera), Microchip (Microsemi), открыто заявляют о преимуществах такой гибридной системы (CPU+FPGA). Системы такого класса имеют высокое быстродействие, которое обеспечивается за счет внутренних шинных интерфейсов, гибкой логики. Гибкая логика может быть изменена при работе данного электронного устройства, построенного на базе гибридной системы, во время работы процессора может быть изменен bitstream, программная составляющая ПЛИС. Новая программная составляющая ПЛИС позволит на стороне ПЛИС выполнять новый адаптированный функционал, который необходим для текущей задачи выполнения процесса. Гибкость связана с большим разнообразием протоколов Ethernet (IEEE 802.1 TSN, Profinet RT/IRT, EtherNet/IP Soft DLR, EtherCat, POWERLINK, Modbus TCP/IP, MECHATROLINK и другие), который по умолчанию выбирают для себя производитель оборудования. Легкость сопряжения оборудования может быть достигнута только за счет гибкости и возможность поддержки того или иного протокола на стороне ПЛИС. Безопасность оборудования — вот основной момент уверенного функционирования производства. Критически важным фактором является то, что нет идеального программного обеспечения, а есть только то программное обеспечение, которое работает до тех пор, пока не была найдена уязвимость до атаки.

Перейдем к рассмотрению ПЛК. Мировые тренды ставят сложные задачи при проектировании ПЛК: управление с высокой эффективностью, универсальность присоединения с различными технологиями, защищенные соединения, кроссплатформенная совместимость и коррекция на будущее. Типичная пятилетняя продолжительность жизни процессоров также ввела дополнительную головную боль для жизненного цикла продукта. Типичные жизненные циклы промышленного оборудования 7-10 лет, несовместимы с 5-летними продолжительностями жизни процессора. Такая несовместимость привела к устареванию алгоритмов, что в свою очередь — к задержкам в их разработке. Инженеры кинулись заново проектировать существующее оборудование, когда процессор был в конце своего жизненного цикла. Поэтому масштабируемость любой платформы стала серьезной проблемой. Около 80% производителей столкнулись с задержками и только ~30% проектов достигли их первоначального прогноза объемов из-за опоздания на рынке. У основных производителей ПЛК возникают следующие проблемы: получаются больше времени на разработку за счет освоения новой элементной базы, выход на рынок продукта критически важный момент, увеличение конкуренции, увеличение затрат, спрос требует масштабируемых систем, необходимы высокопроизводительные приложения с меньшей мощностью, поддержка существующего программного продукта и его переработка, плюс множество других факторов, влияющих на выход продукта на рынок. Эти проблемы согласуются с теми, которые наблюдаются в гибридном подходе: разработка программного обеспечения продолжает диверсифицировать продукт. Однако новые алгоритмов требуется много времени для реализации, требуется более высокая производительность или больше процессорных ядер, что влияет на более высокую стоимость специфики компонентов и повышенное энергопотребление, в гибридной модели ускорение FPGA затруднено из-за связки процессора + ПЛИС, вопросы функциональной интеграции, особая реализация может и не обеспечить коротких сроков, более высокая цена решений, которые вынуждают перейти к выбору другого процессора (сегодня тенденция risc-v, вместо arm архитектуры), устаревание добавляет неизбежные итерации и перерывы, что в конечном итоге влияет на рентабельность продукта. Так какая выгода от применения гибридной системы для ПЛК. Производители, использующие CPU+FPGA в архитектуре ПЛК, получают следующие преимущества: высокая производительность, меньшая мощность—до 30% меньше мощности по сравнению с двухкомпонентным дискретным решением (отдельно процессор и отдельно ПЛИС), снижение спецификации и площади на печатной плате вплоть до 55%, масштабируемость и защита инвестиций, гибкость при разработке программного продукта, улучшенное время выхода на рынок, а также цикл жизни гибридной системы до 15 лет [1].  

Тенденция программного обеспечения для работы с языками МЭК 61131-3, становятся более открытой, например появление открытых программных продуктов в лице beremiz и matiec, позволило разработчиком в большей степени ориентировать на железе, и меньше внимания уделить разработке собственного редактора для языков МЭК 61131-3. Покупка лицензии для CoDeSys Runtime, значительно упрощает выход продукта на рынок, за производителям ПЛК остается только момент интеграции с данным инструментом. Важным момент для работы ПЛК и частотного преобразователя остается соблюдение жесткого реального времени. Текущая тенденция имеет следующий характер для гибридных систем: развертывание программного ядра и запуск на нем RTOS (сегодня их большое множество), взаимодействие с процессором осуществляется средствами openMCAPI/openAMP, если у нас 2 ядра процессора, тогда происходит раздельное выполнение на каждом из ядер (асимметричная многопроцессорная обработка), за счет правильного конфигурирования гибридной системы, либо средствами гипервизоров (например jailhouse), основной операционной системы работы встраиваемых программных продуктов будет оставаться linux (т.к. только эта операционная система обеспечивает поддержку большого вариант архитектур процессоров), поэтому такие продукты, как Windows Embedded и другие не могут конкурировать и уходят с рынка встраиваемых операционных систем для аппаратного обеспечения.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Niladri Roy, Sr. Strategic Marketing Manager – Industrial, Altera PLC Architecture in the Industry 4.0 World: Challenges, Trends, and Solutions, December 2015 Altera Corporation

Отправить ответ

avatar

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

  Subscribe  
Уведомлять о