Новые возможности отечественных контроллеров Fastwel I/O

Чем аргументировано желание покупателя остановить свой выбор на программируемом контроллере с переменным составом модулей под названием Fastwel I/O, когда на отечественном рынке широко представлена продукция целой плеяды именитых зарубежных производителей? Что побуждает заказчиков применять контроллеры отечественного производства? Чтобы выяснить это, подробно рассмотрим особенности контроллеров Fastwel I/O и ряд нововведений, значительно расширяющих их функционал и сферы применения [1].

Преимущества и особенности

Для линейки Fastwel I/O характерны следующие особенности:

• стойкость к внешним воздействиям;
• высокая функциональная насыщенность;
• адаптированность для применения в России;
• платформа для разработки приложений, фактически ставшая стандартом в отрасли.

Контроллеры Fastwel I/O успешно функционируют при температуре –40…+85 °С и относительной влажности воздуха до 95% при +50 °С без конденсации влаги. Они устойчивы к вибрации в диапазоне частот 10–500 Гц с ускорением до 5g и способны выдерживать удары: одиночные с пиковым ускорением до 100g и многократные с пиковым ускорением до 50g. Все тесты, испытания и исследования проводятся согласно ГОСТам либо методикам Международного электротехнического комитета.

Более широкий диапазон рабочих температур, чем у конкурентов, означает возможность размещения технических средств АСУ ТП в зонах повышенных и пониженных температур, что уменьшает затраты на кабельные сети и сопутствующую инфраструктуру, включая средства поддержания климата. Кроме того, способность функционирования при более высоких температурах означает более высокую надежность контроллеров при работе в нормальных условиях, поскольку интенсивность отказов полупроводниковых приборов растет с ростом температуры [2], а значит, изделия на базе интегральных микросхем для расширенного диапазона температур потенциально имеют более высокую надежность в нормальных условиях по сравнению с изделиями на основе микросхем для коммерческого диапазона температур.

Для контроллеров Fastwel I/O характерна высокая функциональная насыщенность по назначению при весьма небольших габаритах и, пожалуй, самой высокой плотности монтажа, приведенной на один канал. Контроллеры и модули ввода/вывода, помимо основной функции, как правило, реализуют ряд дополнительных функций. Например, модули дискретного вывода, помимо включения и выключения нагрузок, обеспечивают возможность генерации ШИМ-последовательностей, а модули аналогового ввода и вывода поддерживают несколько диапазонов измерения. Кроме того, для модулей аналогового ввода и вывода характерна высокая точность измерительных каналов и каналов формирования аналоговых сигналов. Для пользователей это означает сокращение номенклатуры приобретаемых модулей и увеличение межповерочных интервалов для измерительных каналов системы.

Контроллеры Fastwel I/O адаптированы для применения в России, поскольку разработаны и производятся в нашей стране, что означает использование норм отечественных стандартов для процессов разработки и производства. Вся эксплуатационная документация изначально выпущена на русском языке, а обращение за технической поддержкой не требует преодоления дополнительных языкового и некоторых культурных барьеров.

Кроме того, в модулях измерения температуры предусмотрена поддержка номинальных статических характеристик отечественных термопар и термометров сопротивления, что позволяет применять менее дорогостоящие датчики или использовать в составе новых или модернизируемых систем ранее установленные датчики отечественного производства.

В качестве среды разработки приложений для контроллеров Fastwel I/O на языках стандарта МЭК 61131-3 используется широко распространенный на отечественном и зарубежном рынке АСУ ТП пакет CoDeSys 2.3, при этом, в отличие от других производителей контроллеров, комплект адаптации CoDeSys для Fastwel I/O поставляется бесплатно.

CoDeSys 2.3 применяется в качестве среды программирования в сотнях типов контроллеров разных производителей, а это означает высокую зрелость программной платформы, возможность миграции проектов на контроллеры разных производителей в зависимости от специфики решаемой задачи, а также возможность накопления компетенции за счет повторного использования собственных и сторонних наработок.

Нововведения

На момент выхода цикла статей [3] в 2007–2008 гг. линейка Fastwel I/О включала в себя три контроллера CPM701, CPM702, CPM703 на базе 16-разрядного микропроцессора R1610C, совместимого с 80186, базового набора модулей дискретного ввода/вывода и аналогового ввода, вспомогательных модулей ввода и распределения потенциалов питания датчиков и коммутационных устройств, а также модулей ввода питания межмодульной шины (рис. 1).

Рис. 1. Набор модулей Fastwel I/O

Контроллеры обладали не слишком впечатляющими вычислительными ресурсами, что ограничивало область применения Fastwel I/O бортовыми системами для железнодорожного транспорта, небольшими системами сбора данных и управления дискретными и, с некоторыми допущениями, периодическими технологическими процессами. Однако реальные и потенциальные пользователи, заинтересованные в расширении возможностей применения Fastwel I/O, заставляли разработчиков двигаться вперед, преодолевая первоначальные ограничения и добавляя новые функциональные возможности.

Рис. 2. Контроллер CPM712

Как итог, в 2009 г. было начато производство более десятка новых типов модулей ввода/вывода, включая модули измерения температуры (AIM724, AIM725), модули аналогового вывода (AIM730, AIM731), многофункциональный модуль дискретного ввода (DIM764), модули аналогового ввода сигналов постоянного тока 0–20 мА и 4–20 мА (AIM721, AIM722, AIM723), модули последовательных интерфейсов RS-485 и RS-232C (NIM741, NIM742), а также контроллер CPM704 с сетевым интерфейсом подчиненного узла PROFIBUS DP-V1.

В то же время для контроллеров была разработана многозадачная система исполнения приложений CoDeSys 2.3, поддерживающая обновление приложений «на лету» и возможность удаленного конфигурирования системы.

К концу 2011 г. стали доступными три новых контроллера (CPM711, CPM712 и CPM713) на базе 32-разрядного x86-совместимого процессора Vortex86DX с тактовой частотой 600 МГц (рис. 2), имеющие на системном уровне поддержку энергонезависимых переменных, встроенные часы-календарь с батарейным питанием, в среднем в 20 раз более высокое быстродействие и в 30 раз б?льшие размеры памяти для размещения кода и данных приложения, чем у ранее разработанных CPM70x, но с сохранением потребляемой мощности и с возможностью миграции проектов CoDeSys 2.3, ранее разработанных для CPM701, CPM702 и CPM703, на CPM711, CPM712 и CPM713 соответственно.

С появлением контроллеров, способных обрабатывать большие объемы данных, потребовалось увеличить информационную емкость Fastwel I/O в части количества вводимых аналоговых сигналов и дополнительных коммуникационных интерфейсов. Кроме того, для реализации некоторых классов систем сбора данных и управления пользователям требовалась возможность обнаружения отказов измерительных и дискретных каналов, включая обрыв цепи присоединения датчика и входного канала модуля ввода/вывода.

Рис. 3. Модуль дискретного ввода с контролем целостности цепей DIM766

В итоге, в течение 2013 г. были разработаны восьмиканальные модули дискретного ввода с контролем целостности цепей присоединения датчиков и восьмиканальные многодиапазонные модули аналогового ввода с расширенной диагностикой и суммарным временем измерения по всем каналам чуть более 1 мс, а в серийно выпускаемый модуль приема сигналов термометров сопротивления AIM725 добавлена функция обнаружения обрыва и короткого замыкания измерительных цепей. Одновременно выпущено специальное исполнение модуля AIM725, поддерживающее номинальные статические характеристики термометров сопротивления отечественного производства ТСП 50П, ТСП 100П, ТСМ 50М и ТСМ 100М, а серийно выпускаемый модуль ввода сигналов термопар AIM724 также снабжен функцией обнаружения обрыва измерительных цепей и поддержкой термопар типа L (ХК).

Новые модули значительно расширили сферы применения системы Fastwel I/O. Так, например, модуль дискретного ввода с контролем целостности цепей DIM766 можно использовать (рис. 3) для подключения неадресных извещателей пожарной и охранной сигнализации. Состояние обрыва определяется модулем самостоятельно, а состояние короткого замыкания и рабочие состояния извещателей следует определять в приложении CoDeSys 2.3, вычисляя отношение значения напряжения на входе модуля к напряжению питания. Модуль имеет в своем составе восемь светодиодных индикаторов, отображающих текущее состояние каждого канала, включая обрыв цепи.

Коммуникационные возможности всех контроллеров Fastwel I/O существенно расширились с выходом в июле 2013 г. встроенного в систему исполнения драйвера коммуникационных портов RS-485 и RS-232C на основе модулей NIM741 и NIM742, подключаемых к межмодульной шине контроллеров. Для приема и передачи данных по последовательным каналам связи через модули NIM741 и NIM742 можно использовать две простые функции из библиотеки FastwelSysLibCom.lib [4].

2014 г. отмечен рядом нововведений, значительно расширяющих функционал и сферы применения контроллеров Fastwel I/O.

Во-первых, была выпущена новая ревизия системного программного обеспечения контроллеров и пакета адаптации CoDeSys 2.3 для Fastwel I/O, в которой для контроллеров CPM711, CPM712, CPM713 и модульных компьютеров MK905-0x\CDS появилась поддержка интеграции с GPS-приемником для определения точного времени и синхронизации встроенных системных часов контроллера (рис. 4). Новая функция позволит встраивать узлы и подсети Fastwel I/O на любом уровне систем сбора данных и управления, требующих наличия точного единого времени для синхронизации управления технологическими процессами и точного учета показателей его работы.

Мастер узла Fastwel I/O может интегрироваться с любым GPS-приемником, поддерживающим протокол NMEA 0183, через собственный СОМ-порт (МК905) или через коммуникационный модуль NIM742 (СРМ71х). Встроенное в мастер приложение CoDeSys 2.3 определяет точное время на основе данных GPS-приемника и корректирует системные часы. При использовании GPS-приемника, поддерживающего формирование сигнала 1PPS и подключенного к коммуникационному модулю NIM742, точность привязки к единому времени может составлять единицы миллисекунд.

Кроме того, контроллер CPM713 и модульный компьютер MK905-0x\CDS стали поддерживать протокол SNTP, благодаря чему стало возможно использовать эти устройства как в качестве клиентов, так и в качестве серверов службы единого сетевого времени. Последний вариант позволит системным интеграторам сэкономить существенные средства при развертывании АСУ ТП на объектах с тяжелыми условиями эксплуатации.

Рис. 4. Модульный компьютер MK905 с линейкой модулей ввода/вывода Fastwel I/O

Во-вторых, в контроллерах CPM712 и CPM713 реализована поддержка сетевого протокола DNP3 с функциями подчиненного узла (outstation) уровня совместимости не ниже Level 2 и рядом дополнений Level 3. Поддержка данного протокола телемеханики позволит системным интеграторам, работающим в таких отраслях, как электро­энергетика, добыча и транспортировка нефти и газа, а также водоочистка и водоподготовка, безболезненно комплексировать существующее DNP3-оборудование с узлами и подсетями, реализованными на Fastwel I/O.

Прямая выгода от подобного объединения несомненна, поскольку в любой распределенной АСУ ТП уровня предприятия есть участки с обычными условиями эксплуатации, а есть с экстремальными. Реализация проекта на оборудовании одного типа будет либо затратна, либо ненадежна. Учитывая высокие эксплуатационные характеристики Fastwel, у заказчиков появилась возможность оптимизировать проекты по ряду параметров, оставаясь в рамках единого протокола обмена данными.

DNP3 основан на существующих стандартах передачи данных и обеспечивает надежность и гибкость сетевого взаимодействия благодаря следующим функциональным возможностям:

• адресация более 65 000 сетевых узлов;
• поддержка передачи сообщений по инициативе любого сетевого узла;
• передача данных в разных форматах, с метками времени и признаками качества;
• временное хранение и передача информации о событиях, связанных с изменениями значений и состояний параметров контролируемого процесса;
• поддержка команд телеуправления на уровне протокола;
• расширенные функции диагностики;
• возможность обмена данными через ненадежные и низкоскоростные каналы связи;
• поддержка синхронизации времени.

Сервис подчиненного узла контроллеров CPM712 и CPM713 функционирует через интерфейсы физического уровня RS-232C и RS-485 при скоростях обмена от 1200 до 115 200 бит/с, в качестве которых могут использоваться как встроенные порты контроллеров, так и коммуникационные модули NIM742 и NIM741, подключенные к межмодульной шине контроллера.

Информационный обмен между мастерами DNP3 и контроллерами CPM712/CPM713 может выполняться как путем опроса со стороны мастера, так и с использованием инициативных сообщений от контроллеров в адрес мастера при изменении значений или состояний сетевых переменных.

Для интеграции контроллеров со SCADA-системами могут использоваться OPC-серверы для протокола DNP3 компаний Matrikon и Kepware Technologies.

И, наконец, вышло новое исполнение модуля NIM745 — самого миниатюрного непрограммируемого контроллера подчиненного узла сети MODBUS TCP для эксплуатации в расширенном диапазоне рабочих температур. Новый модуль NIM745-02 (рис. 5) позволяет создавать экономичные и компактные решения для новых автоматизированных систем сбора данных и управления технологическими процессами или при расширении количества и номенклатуры каналов ввода/вывода существующих систем. При этом обеспечивается возможность размещения модулей ввода/вывода в непосредственной близости от контролируемого объекта, что обеспечивает значительную экономию средств на приобретении и прокладке кабелей и строительстве дополнительной инфраструктуры.

Рис. 5. NIM745-02 — непрограммируемый контроллер подчиненного узла протокола MODBUS TCP

С выпуском модуля NIM745-02 у системных интеграторов появилась дополнительная степень свободы при создании комплексов АСУ ТП. Благодаря низкой стоимости контроллера локальные узлы автоматики в бюджетных проектах могут строиться на унифицированной базе Fastwel I/O, позволяя эксплуатирующим организациям снизить затраты на ЗИП и техобслуживание, а интеграторам — на логистику и обучение персонала.

Конфигурирование узла сети на базе нового модуля осуществляется при помощи популярных веб-браузеров через встроенный веб-сервер, после чего NIM745-02 выполняет обмен данными между подключенными к его внутренней шине модулями ввода/вывода и одним или двумя мастерами MODBUS TCP. При потере связи с мастером модуль позволяет автоматически перевести контролируемый объект в безопасное состояние.

Для интеграции NIM745-02 со SCADA-системами могут использоваться OPC-серверы для протокола MODBUS TCP любых производителей, включая Fastwel Modbus OPC Server.

Заключение

Fastwel I/O — простой, надежный, качественный контроллер, разработанный российскимми специалистами и серийно производимый на собственных мощностях компании на территории России, что отвечает объявленному руководством страны курсу на импортозамещение. Контроллеры производятся по утвержденным техническим условиям в полном соответствии с требованиями ГОСТов и технических регламентов. Технические характеристики контроллеров Fastwel I/O полностью отвечают условиям применения в промышленных системах и, при необходимости, могут быть уточнены и ужесточены под требования конкретной задачи.

Благодаря наличию соответствующих сертификатов и разрешений данные контроллеры успешно используются в самых ответственных приложениях в нефтегазовом секторе, энергетике, на транспорте, на морских и наземных промышленных объектах.