«Кастом Инжиниринг»: Новый взгляд на автоматизацию на примере контроллеров «К15»

Москва. Сегодня рынок автоматизации предлагает обширный перечень модульных и моноблочных программируемых контроллеров для решения широкого спектра задач, отличающихся как по сложности, так и по ценовому порядку. Часто предприятия отдают предпочтение иностранному производителю. Но текущие тенденции диктуют свои условия, и российский потребитель вынужден все больше присматриваться к отечественным разработкам. Одной из таких и является серия модульных программируемых контроллеров «К15».

О возможностях, которые открывает этот продукт, Агентству нефтегазовой информации рассказал директор ООО «Кастом Инжиниринг» Артур Халиков.

- Артур Владикович, давайте для начала разберем, что из себя представляет «К15»? 

- Модульные контроллеры этой линейки реализуют классическую концепцию ПЛК (Программируемый логический контроллер): центральное процессорное устройство (ЦПУ) плюс «корзина» модулей ввода-вывода. Такой подход, в отличие от моноблочных вариаций либо смешанных решений, дает возможность создать гибкую, масштабируемую локальную систему управления ровно под те задачи, которые необходимо решить в данный момент. Это позволяет не переплачивать за лишнее «железо», но в то же время иметь возможность практически бесшовно - просто докупив необходимые модули - расширить и усложнить систему при необходимости.

Еще один несомненный плюс такого решения – простота и дешевизна эксплуатации. Не нужно менять дорогостоящий ПЛК ради пары каналов ввода-вывода, вышедших из строя. Всего лишь меняем неисправный модуль – и система снова в работе.

- Какие преимущества у «К15» перед подобными моделями на рынке?

- Серия «К15» отличается от других подобных решений неплохой эргономичностью: классическое крепление на DIN рейку вкупе с малой шириной модулей. Все модули, включая ЦПУ, имеют один форм-фактор, что существенно упрощает компоновку при проектировании шкафного оборудования. Также следует отметить удобное расположение интерфейсной шины, соединяющей модули с ЦПУ: она уложена непосредственно в DIN рейку и фиксируется в ней от выпадения. Это дает возможность менять модули, не разбирая «корзину» и даже не отключая питания. Но об этом далее.

- Ключевым компонентом любой системы является центральное процессорное устройство. Какая «голова» у Ваших модульных программируемых контроллеров?

- Их в семействе на данный момент три модели: F1, F4 и H7. Эти ЦПУ призваны покрыть достаточно широкий спектр потребностей автоматизации.

Для интеграции с системами верхнего уровня, а также для построения распределенных систем все ЦПУ реализуют широко распространенный протокол обмена Modbus, доступный через все имеющиеся интерфейсы. Приятным дополнением к этому имеется возможность реализации нестандартных протоколов обмена.

F1 имеет достаточно скромные характеристики и подойдет для небольших задач, где требуется изящное недорогое решение с сохранением всех преимуществ модульной схемы. (Рисунок №1, Таблица №1)

 

Основные технические характеристики
Центральный процессор ARM® 32-bit
Cortex®-M3, 72 MHz	V
Часы реального времени	V
Возможность подключения дополнительных модулей ввода/вывода	V
Электрические характеристики
Напряжение питания	24 В ±20%
Потребляемая мощность, не более	5 Вт
Электрическая прочность изоляции цепей	500 В
Защита входного напряжения	ограничение тока
Количество дискретных выходов	4 шт.
Количество дискретных входов	8 шт.
Количество аналоговых входов	3 шт.
Коммуникационные характеристики
Изолированный порт RS-485	V
Индикатор передачи данных по RS-485	V
Индикаторы состояния (Status, Run, Fault)	V
Индикаторы дискретных сигналов	V
Механические характеристики
Размеры (Д х Ш х В)	107х22,5х136 мм
Масса, грамм	400
Степень защиты корпуса	IP20
Крепление	DIN-рейка 35 мм
Условия эксплуатации
Температура	от -40 до +60 °С
Влажность	от 10 до 90 %

F4 – более мощный собрат F1, имеющий на борту Ethernet интерфейс. Помимо увеличенных тактовой частоты процессора, RAM и Flash, данное ЦПУ имеет встроенный веб-интерфейс. Он позволяет в свою очередь следить за состоянием корзины, ее составом, производить ее мониторинг и диагностику в реальном времени. Также веб-интерфейс дает возможность производить загрузку проекта в ЦПУ без применения программатора и обновлять программное обеспечение подключенных модулей ввода-вывода.

Таблица №2. Технические характеристики процессорного модуля К15.CPU.F4

Основные технические характеристики
Центральный процессор ARM® 32-bit
Cortex®-M4, 168 MHz	V
Web-интерфейс	V
Часы реального времени	V
Возможность подключения дополнительных модулей ввода/вывода	V
Электрические характеристики
Напряжение питания	24 В ±20%
Потребляемая мощность, не более	5 Вт
Электрическая прочность изоляции цепей	500 В
Защита входного напряжения	ограничение тока
Количество дискретных выходов	2 шт.
Количество дискретных входов	3 шт.
Коммуникационные характеристики
Порт Ethernet 10/100 Base-T	1 шт.
Количество изолированных портов RS-485	1 шт.
Количество не изолированных портов RS-485	2 шт.
Поддерживаемые протоколы обмена	ModBus RTU/TCP
Интерфейс обмена данными с модулями	CAN
Индикатор передачи данных по RS-485	3 шт.
Индикаторы состояния (Status, Run, Fault)	V
Индикаторы дискретных сигналов	V
Механические характеристики
Размеры (Д х Ш х В)	107х22,5х136 мм
Масса, грамм	400
Степень защиты корпуса	IP20
Крепление	DIN-рейка 35 мм
Условия эксплуатации
Температура	от -40 до +60 °С
Влажность	от 10 до 90 %

 

(Рисунок №2, Таблица №2)

H7 это наиболее производительное ЦПУ из представленных. Имея неплохие характеристики процессора, а также возможность применения внешнего Flash-накопителя в виде SD карты, он способен «проворачивать» достаточно сложные алгоритмы с хорошим быстродействием. Также стоит отметить применение FRAM вместо EEPROM в качестве энергонезависимой памяти. Веб-интерфейс, конечно, также присутствует.

Таблица №3. Технические характеристики процессорного модуля К15.CPU.H7

Основные технические характеристики
Центральный процессор ARM® 32-bit
Cortex®-M7, 480 MHz	V
Web-интерфейс	V
Поддержка MicroSD	V
Часы реального времени	V
Возможность подключения дополнительных модулей ввода/вывода	V
Электрические характеристики
Напряжение питания	24 В ±20%
Потребляемая мощность, не более	5 Вт
Электрическая прочность изоляции цепей	500 В
Защита входного напряжения	ограничение тока
Количество дискретных выходов	2 шт.
Количество дискретных входов	3 шт.
Коммуникационные характеристики
Порт Ethernet 10/100 Base-T	1 шт.
Количество изолированных портов RS-485	2 шт.
Количество не изолированных портов RS-485	1 шт.
Поддерживаемые протоколы обмена	ModBus RTU/TCP
Интерфейс обмена данными с модулями	CAN
Индикатор передачи данных по RS-485	3 шт.
Индикаторы состояния (Status, Run, Fault)	V
Индикаторы дискретных сигналов	V
Механические характеристики
Размеры (Д х Ш х В)	107х22,5х136 мм
Масса, грамм	400
Степень защиты корпуса	IP20
Крепление	DIN-рейка 35 мм
Условия эксплуатации
Температура	от -40 до +60 °С
Влажность	от 10 до 90 %

(Рисунок №3, Таблица №3)

Все ЦПУ работают под управлением ОСРВ, что повышает надежность системы, ее быстродействие и позволяет использовать аппаратные возможности процессоров на все сто процентов.

- А что с модулями ввода-вывода? Как они взаимодействуют с ЦПУ?

- Вот тут открывается простор для фантазии – линейка «К15» может похвастаться обширной номенклатурой модулей ввода-вывода. От банальных и простых дискретных модулей, до гальванически развязанных аналоговых модулей вывода, счетных модулей, PWM модулей и тд. Комбинируя их в «корзине», можно создавать абсолютно произвольные системы. Причем это могут быть как системы совсем без модулей, с одним модулем либо сложные вариации до восьми модулей с одним ЦПУ.

Взаимодействие их с ЦПУ - ключевая особенность всех этих модулей. Как было сказан, между ЦПУ и модулями предусмотрена интерфейсная системная шина. Она выполнена на базе CAN интерфейса и физически представляет собой 5-контактную шину T-Bus, на которую устанавливаются ЦПУ и модули в процессе монтажа на DIN рейку. Так как шина расположена в задней части корпуса модулей со стороны рейки, появляется возможность без труда снимать и устанавливать модули без демонтажа всей «корзины».

Но главное состоит в том, что модули ввода-вывода можно заменять даже на работающей системе, не отключая питания (так называемая «горячая замена»).

В ближайшей перспективе планируется выпуск специальной серии модулей ввода-вывода «К15», оснащенных интерфейсом RS485, на котором будет реализован все тот же популярный протокол Modbus. Это позволит произвести буквально помодульное дооснащение имеющихся ЛСУ и РСУ без применения ЦПУ «К15» в тех проектах, где уже имеются ЦПУ, но не хватает каналов ввода-вывода.

- Расскажите о том, как «оживить» контроллеры «К15»?

- В отличие от классических языков МЭК, которые позволяют без глубоких знаний программирования создавать управляющие проекты для таких систем, «К15» предлагает создание проектов на широко распространенных языках высокого уровня С/С++. Стоит согласиться, что это не совсем популярный метод работы с модульными системами в сфере автоматизации. Хотя тут можно вспомнить, что в качестве скриптовых языков С, С++, С#, VBA используются в контроллерах Siemens, B&R, Allen Bradley, Schneider и других изделиях.

Вся мощь языков С/С++ делает разработку быстрее и качественнее, а дальнейшее сопровождение и рефакторинг проекта – дешевле для конечного потребителя. Если Вы – убежденный сторонник МЭК, то, конечно, переход на такой способ разработки нельзя назвать совсем простым. Но некоторые усилия, потраченные на изучение языков Си, по крайней мере в рамках поставленных задач, с лихвой окупятся в дальнейшем.

- Артур Владикович, Вы можете поделиться примером реализации конкретной задачи?

- Конечно, возьмем вполне конкретный пример. Допустим, у нас есть факельная установка с электроискровым розжигом дежурной горелки и фотодатчиком наличия пламени.  Наша задача: реализовать режим автоматического розжига дежурной горелки.

При подаче сигнала пуска должен открываться клапан топливного газа, а розжиг должен происходить циклично до тех пор, пока либо не загорится пламя, либо не будет сделано 3 попытки розжига. Также алгоритм должен обеспечивать автоматический перерозжиг горелки в случае погасания пламени. Что ж, перейдем к реализации.

Сначала попытаемся реализовать задуманное средствами Codesys. Пускай это будет всеми любимый язык МЭК – FBD. Создадим необходимые переменные и функциональные блоки.

start_DI – сигнал пуска системы (например, кнопка)

stop_DI – сигнал остановки системы

foto_DI – фотодатчик наличия пламени

iskra_DO – управление подачей искры

valve_DO – управление клапаном

Затем создаем функциональную схему, реализующую алгоритм (Рисунок №7):

Рассмотрим ее по порядку. При подаче сигнала пуска через детектор переднего фронта срабатывает триггер rs1, принимая логическое состояние 1. Открывается клапан, далее сигнал следует на блок AND. Так как флаг совершения попытки розжига try и сигнал с фотодатчика имеют логический 0, то инверсивный сигнал на входе блока имеет 1, и происходит подача искры через таймер импульсного сигнала tp1 во второй строке схемы. Одновременно с этим запускается таймер ожидания пламени ton1. По завершению его счета, спустя 10 секунд выставляется флаг совершения попытки. Вместе с этим счетчик ctu1 производит инкрементирование числа попыток на 1, сравнивая полученное число с уставкой, равной трем. При достижении трех попыток взводится флаг try_out, который вызывает сброс триггера rs1. Также его сброс вызывает и подача сигнала остановки системы розжига.

При установке флага try происходит изменение значения флага iskra сначала на 0, затем вновь на 1. Тем самым запускается новый цикл розжига. Здесь следует иметь ввиду, что переменная try должна быть объявлена как глобальная и не сбрасываться при каждом цикле скана используемого POU.

В случае горения флаг foto_DI принимает логическое состояние 1. Благодаря этому через инверсию блок AND на выходе принимает логическое состояние 0, блокируя цикл розжига. Если пламя гаснет, блок AND снова принимает состояние 1, и цикл розжига начинается снова.

Таким образом, для реализации задуманного потребовалось создать, помимо простых переменных, еще 8 функциональных блоков, что для такой простой задачи немало.

Теперь попробуем решить ее в рамках программного функционала «K15». Весь код размещаем в файле UCL.c. Здесь также не обойтись без объявления переменных.

Для единообразия, сигналы имеют схожее обозначение. Дополнительно добавились переменные state  (стадия работы системы), count (аккумулятор счетчика времени) и try_count (аккумулятор числа попыток розжига). Далее обратимся к самому коду.

            Алгоритм выполняется в основном цикле файла. Работа системы разбита на стадии: СТОП, РОЗЖИГ и ГОРЕНИЕ. Код достаточно компактный и читаемый. Создание дополнительных функциональных блоков не требуется. Следует обратить внимание, что число стадий может быть легко увеличено, например, можно добавить стадию АВАРИЯ.

В целом, конечно, проект небольшой, задачи весьма тривиальны, но даже тут можно заметить хороший потенциал использования «К15» в плане программной реализации, простоту сопровождения и масштабирования проекта.

- В рамках одного интервью сложно представить все возможности системы, но давайте попробуем обобщить, способна ли «К15» стать полноценной заменой импортных систем автоматизации, которые сейчас сложно приобрести на российском рынке?

- Контроллеры «К15» реализуют не только классическую модель ПЛК. Здесь мы видим несколько иной, альтернативный подход к реализации модульных систем. Перекрывая большинство задач, которые решают обычные модульные ПЛК, данная линейка дает разработчику нечто большее, позволяет вывести свои проекты на качественно иной уровень.

Линейка «К15» - отличная отечественная альтернатива в сфере автоматизации как промышленного, так и других сегментов, требующих надежных решений. Это постоянно развивающийся динамичный продукт, способный составить достойную конкуренцию ушедшим вендорам, является экономически эффективным по стоимости владения, эргономичным и надежным решением отвечающим необходимым стандартом качества. Срок производства серийных моделей «К15» составляет 30 дней. Стандартный гарантийный период 24 месяца с момента поставки. Расширенный гарантийный период - до 48 месяцев с момента поставки.

Любая неполадка или возникший вопрос обрабатываются в течение 24 часов квалифицированными инженерами, которые без проблем проконсультируют клиента и предложат варианты решения проблемы. Ну, и, разумеется, не останутся без внимания и те, кто столкнулся с трудностями создания проектов – программисты также вникнут в проблематику и поделятся своим опытом решения.

Сайт поставщика
Документация и ПО
Дополнительную техническую информацию можно получить по e-mail: grishin@a-t-tech.ru
По вопросам сотрудничества обращайтесь по телефону 8 (800) 775-74-70 или по e-mail: info@custom-eng.ru