Промышленные компьютеры

Причины использования промышленных компьютеров достаточно тривиальны. Они - не в высокой надежности или производительности промышленных компьютеров, а даже наоборот - многим промышленным компьютерам достаточно производительности устаревшего процессора х486.

Основная проблема - условия эксплуатации компьютера на промышленном предприятии. Промышленные компьютеры работают в пыли и грязи, в условиях вибраций и ударных нагрузок, бросков напряжения и других "неудобств" внешней среды.

Модульность и исключительные возможности расширения облегчают техническое обслуживание промышленных компьютеров и позволяют быстро заменять модули в случае их отказов. Материнская плата, как и другие периферийные устройства, вставляется в объединительную кросс-плату с большим числом разъемов. Так как промышленному компьютеру часто приходится взаимодействовать с большим количеством датчиков и исполнительных устройств, то количество разъемов в нем может достигать 20.

В клавиатурах промышленных компьютеров в обязательном порядке предусматривается пыле- и влагозащита. Очень часто применяют ограниченный набор функциональных и цифровых клавиш, выполненных по пленочной технологии. В последние годы все большую популярность приобретают сенсорные экраны, дающие неограниченные возможности в создании дружественных интерфейсов (рис. 1).

Рис. 1. Сенсорный экран, разработанный компанией Siemens

Среди других отличительных особенностей промышленных компьютеров от персональных можно отметить малую потребляемую мощность, жесткие условия эксплуатации (температура -40 +85 °С, удары, вибрация), "усиленное" конструктивное исполнение, отсутствие дисковых накопителей (вместо них - память на полупроводниковых элементах) и стандартных устройств ввода-вывода данных и более низкая производительность.

Существует несколько шин, применяемых в промышленных компьютерах.

Compact PCI определяет высокоскоростной интерфейс для соединения высокоскоростных периферийных устройств, контроллеров, памяти и процессора. Физически это синхронная шина с частотой от 25 до 33 МГц с поддержкой 32- и 64-разрядных данных, которая допускает одновременное сосуществование 32-разрядных устройств с 64-разрядными периферийными устройствами. Compact PCI использует европейский конструктив (форм-фактор).

На базе шины Compact PCI фирмой National Instruments разработана спецификация PXI (PCI extensions for Instrumentation - расширение PCI для инструментальных систем) в том же форм-факторе. В шине PXI часть контактов, определенных в Compact PCI как свободно используемые, предназначаются для дополнительных шин.

Шина VME "по возрасту" намного старше Compact PCI. В промышленных системах эта шина получила широкое распространение, и для нее существует большой выбор модулей, каркасов и т. д. Исходная шина VME (16/32 бит) имеет теоретическую максимальную пропускную способность 40 Мб/с, а расширенная шина VME64 - 80 Мб/с. Шина VME обеспечивает возможность горячей замены модулей - имеются контакты с опережающим соединением и запаздывающим разъединением. Расширением VME является шина VXI (VME extension (or Instrumentation).

Стандартная для обычных ПК шина ISA была использована и для промышленных нужд. На ее основе был создан одноплатный компьютер, называемый microPC (mPC). На базе плат mРС производят и модули. Верхнюю сторону платы снабжают панелью, которая становится лицевой. При этом изменяется система крепления и подвода внешних цепей.

Для самых "маленьких" встраиваемых контроллеров применяется шина РС-104. В ее названии присутствует число контактов разъема, на который выводятся сигналы шины ISA. От обычной шины ISA РС-104 отличается только типом разъема и нагрузочными характеристиками линий.

SCADA -системы

Применение SCADA-технологий позволяет достичь высокого уровня автоматизации в решении задач разработки систем управления, сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации о технологических процессах (рис. 2). SCADA-пакеты состоят из нескольких программных модулей: доступа и управления, сигнализации, базы данных реального времени, базы данных, ввода-вывода и аварийных ситуаций (табл. 2).

Рис. 2. SCADA-система Trace Mode 5

Таблица 2.Известные SCADA-системы

Что дает использование SCADA-системы предприятию:

- Точное соблюдение технологических нормативов и регламента. Значительное уменьшение процента брака, автоматическое повышение качества;

- Снижение простоев оборудования, вызванное неравномерной загрузкой производственных мощностей;

- Устранение ошибок, допускаемых операторами путем полной автоматизации процессов управления;

- Установление непосредственных взаимосвязей между производством, отделом планирования, складом и поставщиками;

- Точный учет количества выпущенной продукции на всех стадиях производства, не зависящий от действий оператора;

- Анализ использования, загрузки и обслуживания оборудования. Правильное и экономное распределение капитальных вложений;

- Предупреждение аварий на производстве;

- Комплексный статистический анализ причин, влияющих на качество выпускаемой продукции;

- Автоматическая и своевременная генерация отчетов для руководящего персонала.

Основное требование к SCADA-системам - это работа в режиме реального времени, когда главную роль играют сигналы, управляющие технологическим процессом. Для этих целей многие пакеты реализованы с применением операционной системы (ОС) реального времени, хотя в последнее время делаются попытки перехода и на платформу Windows NT/2000, в которую встраиваются расширения реального времени RTX (Real Time Extension). Благодаря использованию этой ОС от Microsoft, появилась возможность создания многоуровневых систем, интегрированных с АСУП.

Источниками данных в системах SCADA могут быть драйверы связи с контроллерами, реляционные базы данных, приложения, содержащие интерфейс DDE (Dynamic Data Exchange) или OLE-технологию (Object Linking and Embedding).

Текущая информация о технологическом процессе хранится в специальных базах ввода-вывода. Входные блоки получают информацию и после ее преобразования передают в блоки обработки, которые реализуют алгоритмы контроля и управления. Выходные блоки передают управляющий сигнал от системы к объекту, для связи с которыми применяются известные интерфейсы - RS-232, RS-422, RS-485, Ethernet. Для увеличения скорости передачи данных применяются различные методы кэширования данных, что устраняет перегрузку низкоскоростных сетей.

Аварийные предупреждения и отработка аварийных ситуаций в технологическом процессе в большинстве SCADA-систем выделяются в отдельный модуль с наивысшим приоритетом, а надежность системы управления достигается за счет горячего резервирования как аппаратных, так и программных средств.

Для эффективной работы в разнородной среде SCADA-системы используют стандартные протоколы NETBIOS и TCP/IP. Использование протокола TCP/IP позволяет SCADA-системам работать и в Интернете, что особенно актуально, когда информацию о технологическом процессе необходимо передавать на Web-сайт предприятия.

ОС реального времени

Как упоминалось выше, в промышленных системах нашли свое применение ОС реального времени (табл. 3). Эти системы имеют явные отличительные особенности от ОС общего назначения, которые известны по использованию в офисных приложениях.

Во-первых, если ОС общего назначения (Windows, MacOS) и особенно многопользовательские, такие как Windows NT/2000, UNIX, Linux, ориентированы на оптимальное распределение ресурсов компьютера (процессорного времени, памяти, дискового пространства, принтеров и др.) между пользователями и задачами, то в ОС реального времени главная задача заключается в реакции на события, происходящие на объекте, т. е. они ориентированы на обработку внешних событий.

Во-вторых, ОС реального времени всегда связаны с аппаратурой, с объектом, с событиями, происходящими на объекте. Именно это приводит к коренным отличиям в структуре системы, в функциях ядра, в построении системы ввода-вывода.

В-третьих, если ОС общего назначения обычно воспринимается пользователями как готовый набор приложений, то ОС реального времени служит только инструментом для создания конкретного аппаратно-программного комплекса реального времени.

Различают системы реального времени двух типов - системы жесткого реального времени (СЖРВ) и системы мягкого реального времени (СМРВ). СЖРВ (например, бортовые системы управления или системы аварийной защиты) не допускают никаких задержек реакции системы ни при каких условиях. СМРВ характеризуются тем, что задержка реакции не критична. СЖРВ никогда не опоздает с реакцией на событие, СМРВ - не должна опаздывать с реакцией на событие.

Таблица 3.Операционные системы реального времени