Ram Sathappan & Jean Anne Booth, Texas Instruments Incorporated (TI)

Новая концепция автоматизированного управления технологическими процессами

Руководство разработчика

Используя стандартную процессорную архитектуру для создания единой среды управления, проектировщики могут повысить производительность системы и сократить время цикла разработки

Работа современных предприятий и перерабатывающих заводов предполагает выполнение множества сложнейших операций. Для точного управления оборудованием и производственными процессами, в работе используются современнейшие датчики, электромеханические узлы и сервоприводы.

В качестве примера привлекательности применения высокотехнологичных методов для получения возможности точного управления, можно рассмотреть сетевую автоматизацию производственного цеха и подключение ее к IT-сетям для получения необходимой бизнес-информации и стратегии, на основании чего принимаются конкретные решения по производственному управлению.

Такой централизованный и коммуникационно-ориентированный взгляд на решение задач промышленного управления предоставляет службам технического обслуживания и промышленным инженерам доступ к хранилищам данных для подробного анализа и оптимизации процессов. Заводские менеджеры и руководители предприятия могут получить исчерпывающую информацию для оценки общей эффективности производства, буквально просто бросив взгляд на приборную панель, отображающую параметры процессов.

Впоследствии процессы могут контролироваться вручную, и каждая производственная ячейка управляется независимо от других. Имея доступ к суммарной информации об общем фактическом функционировании предприятия в режиме реального времени, его руководство получает возможность анализа дневных производственных показателей для корректировки бизнес-стратегии, основываясь на оперативно полученных данных.

Постепенный переход от изолированных друг от друга узлов производственной цепочки к сетевому взаимодействию осуществлялся в течение несколько лет. В связи с тем, что этот переход был во многом узконаправленным и нераспланированным, когда каждая текущая разработка очередного узла промышленной управляющей системы базировалась на собственном для данного проекта наборе шин, сетей и контроллеров, что делало этот узел изолированным от общей промышленной системы управления.

Несмотря на то, что на данный момент присутствует единое видение проблем сетевого про-мышленного управления в направлении "сверху вниз", взгляд на эти проблемы в направлении "снизу вверх", со стороны модуля центрального процессора каждого сегмента - сильно фрагментирован. До сегодняшнего дня выбрать единую процессорную архитектуру, которая эффективно работала бы на всех уровнях управляющей инфраструктуры, было просто невозможно.

Современные разработки в области процессорных технологий предоставляют разработчикам возможность инноваций в рамках использования единой концепции в реализации систем промышленного управления. Путем тщательного анализа требований к производительности, функциональности и способам коммуникаций на каждом уровне управления, разработчик может остановиться на стандартной процессорной архитектуре с единым ядром, что обеспечивает не только получение оптимального решения при конкурентоспособной стоимости, но и сокращение цен на разработку, существенное снижение длительности цикла проектирования и возможность повторного использования уже разработанного программного обеспечения.

Уровни управления

Как правило, система управления производственными процессами представляется в виде иерархии, состоящей из четырех уровней (рис.1):

• Датчики и исполнительные механизмы, использующиеся для мониторинга производственных процессов путем предоставления отчетов по текущему статусу и фиксации изменений состояния;
• Электродвигатели и другие системы, такие как например индуктивные нагреватели для осуществления воздействий на состояние процесса или выполнение операции;
• Элементы управления, анализирующие информацию, получаемую от узлов датчиков и выдающие команды для системы исполнительных механизмов с целью достижения желаемых изменений, включающие в себя сети программируемых логических контроллеров (PLC, Programmable Logic Controller) и сети программируемых контроллеров автоматизации (PAC, Programmable Automation Controller), объединяющие устройства;
• Модули человеко-машинного интерфейса (HMI, Human-Machine Interface), осуществляющие визуальное и алгоритмическое представление текущего состояния производства для инженеров и технических служб.

Рис. 1. Автоматизированное производство, состоящее из четырех основных уровней управления процессами

До сегодняшнего дня ни одна программно-совместимая процессорная архитектура не могла позволить экономически эффективно охватить все четыре уровня модели промышленного управления. Используя общую архитектуру процессора, разработчики могут уменьшить количество приобретаемых программных средств разработки, получить возможность постоянной работы в исключительно знакомой среде разработки с возможностью повторного использования написанного кода.

Архитектура ARM® является открытой архитектурой со свободным лицензированием, без необходимости приобретения прав собственности. Преимущество открытости сделало архитектуру ARM фактически стандартом, благоприятствующим разработке надежных, разноплановых и всеобъемлющих систем с использованием стороннего программного и аппаратного обеспечения.

Являясь лидером в области встраиваемых процессоров, компания ARM Ltd. предлагает широкий спектр микропроцессорных ядер, способных удовлетворить требования по производительности для реализации всех уровней промышленного управления. Эволюционная стратегия развития ядер удостоена наград за программную совместимость и архитектурную непрерывность. Полная программная совместимость при миграции с микроконтроллеров с ядром Cortex™-M3 к микропроцессорам Cortex-A8, обеспечивает простую разработку системы управления с алгоритмами коммуникации, разработанными и отлаженными всего один раз, но теперь уже с возможностью выбора из целого спектра характеристик производительности. Надо заметить, что в некоторых ARM-ядрах присутствует интегрированная поддержка функций промышленного управления, включая детерминированные режимы и мультизадачность.

Хотя уже сами по себе данные ядра являются прекрасной отправной точкой, микроконтроллеры и микропроцессоры с ARM-архитектурой должны также предоставлять соответствующие комбинации интегрированной периферии и опций памяти. Тенденция постоянного роста числа при-ложений для реализации задач промышленного управления диктует необходимость производства большого количества семейств, применением которых можно было бы охватить полные диапазоны возможных решений, отвечающих требованиями по стоимости, производительности и функциональности.

И, наконец, для помощи разработчикам в создании систем промышленного управления в рамках единой архитектурной концепции, в первую очередь необходимы профессиональные программные отладочные средства, облегчающие процесс разработки и предоставляющие максимальные возможности для повторного использования кода.

Лучшим способом иллюстрации гибкости и разнообразности ARM-продуктов и определения наилучшего сочетания наборов периферии микроконтроллеров и микропроцессоров для реализации функций дискретного управления - анализ требований, предъявляемых на каждом уровне иерархической модели управления, представленной на рис.1.

Человекомашинный интерфейс

С точки зрения организации работы системы, человекомашинный интерфейс (HMI, Human-Machine Interface), который находится на верхнем уровне иерархии, является наиболее требовательным.

Основные пользовательские интерфейсы, представляющие собой сенсорные кнопки управления на экране, слайд-бары и элементы основной 2D-графики могут быть реализованы на базе микроконтроллера, например, с ядром ARM Cortex-M3. Кроме этого требуется высокоуровневая операционная система, поэтому реализация пользовательского интерфейса смещается от микроконтроллеров в сторону микропроцессорных систем.

В автоматизированных системах, операторы, осуществляющие управление с удаленных рабочих станций, должны иметь максимальные возможности для мониторинга производства и охватывать наблюдением производственное оборудование настолько широко, как только это возможно. Для того, чтобы добиться полноценного наблюдения, необходимы графические возможности более высокого уровня, такие как 3D-видео и графика. Например, один из методов обеспечения оператора возможностью управлять распределенной системой управления - реализация доступа к каждой ее части путем выбора соответствующей механизму или сегменту вкладки на экране графического дисплея.

Развитые варианты реализации человекомашинного интерфейса имеют возможности отображения данных в форме алгоритмического представления, 2D и 3D-графики, а также видеоинформации от контрольных видеокамер слежения, установленных на производстве. Также предусматривается возможность оконного отображения параметров особо ответственных процессов и свойств производимой продукции. Масштабирование, визуализация и оконность являются общими свойствами для всех развитых вариантов реализации человекомашинного интерфейса. Сенсорные экраны и клавиатуры и голосовое управление являются дополнительными способами ввода данных, и все они нуждаются в интерфейсной или периферийной поддержке микропроцессорной системой.

Необходима высокая степень интерактивности с производственными процессами, вбирающая в себя переключение следящих видеокамер, получение по запросу текущих отчетов и возможность выдачи команд для управления производственным процессом или технологической линией. Консоль управления легко обеспечивает получение и обработку информации от сотен устройств управляющей сети, находящихся в ее узлах на нижних уровнях иерархии.

С точки зрения выбора микропроцессора, для достижения наиболее высоких уровней интерактивности, требуется устройство со встроенными возможностями обработки графики и видео, богатым функционалом ввода-вывода данных и значительной вычислительной мощностью. Также, при выборе микропроцессора немаловажную роль играет наличие требуемой периферии и необходимых библиотек программного обеспечения.

Среди нескольких семейств, удовлетворяющих упомянутым выше требованиям, заслуживают внимания процессоры на базе архитектуры ARM Cortex-A8. Периферийные и интерфейсные особенности, а также характеристики производительности данных продуктов будут более подробно рассмотрены ниже в данной статье.

Уровень управления

Уровень управления производственным оборудованием обычно представляет собой большое количество функционирующих в его пределах программируемых логических контроллеров (PLC, Programmable Logic Controller). Программируемые логические контроллеры получают информацию от датчиков и используя ее принимают решение о изменении хода производственного процесса, а также управляют реле, двигателями или другим механическими технологическими устройствами. Они могут контролировать и управлять большими массивами линий ввода-вывода в составе сотен сетевых узлов.

Контроллеры обычно должны работать в детерминированном режиме - это означает, что реакция каждого порта ввода/вывода занимает строго определенное время (или количество вычислительных циклов). Там, где требования к детерминированному выполнению в режиме реального времени не такие жесткие, в некоторых программируемых контроллерах применяются операционные системы реального времени (RTOS, Real-Time Operating System), что облегчает прикладное программирование под конкретную задачу, но предполагает, что система реагирует через какой-то отдельный промежуток времени.

Одной из отличительных характеристик ядра ARM Cortex-M3 является аппаратная поддержка детерминированного функционирования. Вместо извлечения данных из кэша, ядро Cortex-M3 получает инструкции и данные непосредственно из внутренней Flash-памяти. Это обеспечивает аппаратные способы сохранения состояния процессора во время обработки исключений. При получении сигнала внешнего прерывания, передача управления его обработчику занимает всего 12 циклов, а в случае вложенных прерываний передача управления обработчику занимает всего шесть циклов.

С точки зрения разработки, встроенный в ядро Cortex-M3 детерминизм делает возможным замену двухкристального решения системы управления электродвигателем однокристальным, на основе одного микроконтроллера. В двухкристальном решении требуется DSP-процессор для управления двигателем, привязанным к узлу сети, в то время как постоянная связь с системой поддерживается микроконтроллером. Применение микроконтроллера с ядром Cortex-M3 является однокристальным решением обеих задач одновременно.

Аппаратная поддержка детерминированного функционирования наиболее эффективна при применении специально разработанных для данных режимов работы сетевых протоколов. Для этого подходит протокол IEEE1588 Precision Time Protocol (PTP), основной чертой которого является точность поддерживаемых временных интервалов и возможность реализации режимов мульти-адресации. С точки зрения автоматизации разработки это означает, что модуль 10/100 Ethernet с поддержкой режима IEEE1588 PTP является важным периферийным узлом. В некоторых программируемых контроллерах автоматизации технологических процессов (PAC, Programmable Automation Controller) самого высокого уровня требуется поддержка стандарта Gigabit Ethernet, что вполне очевидно ввиду увеличения потоков передаваемых данных.

Другой популярный метод сетевого объединения устройств промышленной автоматики - применение протоколов CAN (Controller Area Network), позволяющее создавать распределенные и дублирующие системы.

Беспроводные сети стали популярными для организации сетевого взаимодействия программируемых логических контроллеров, датчиков и других оконечных устройств. Также, беспроводные коммуникации WLAN (wireless Ethernet) применяются для связи программируемых логических контроллеров с программируемыми контроллерами автоматизации технологических процессов.

ARM-микроконтроллеры семейства Sitara™ компании TI имеют на кристалле модули Ethernet MAC, CAN и SDIO для сетей WLAN и обладают необходимыми уровнями производительности для поддержки сетевых протоколов.

Рис. 2. Микроконтроллеры семейства Sitara AM35x на базе ядра Cortex-A8

Для реализации сетей датчиков широкое распространение получил протокол ZigBee. Основываясь на радиоспецификации IEEE802.15.4, интерфейс ZigBee позволяет создавать сети с ячеистой топологией для создания надежных самопрограммирующихся сетей, идеально подходящих для промышленных применений.

Микроконтроллеры с ядром Cortex-M3 обладают требуемой производительностью для реализации протокола ZigBee и решения сопутствующих задач, за исключением организации радиоканала. Также, производительности ядра Cortex-M3 достаточно для обеспечения коммуникаций в стандарте 10/100 Base T Ethernet в полу- или полнодуплексном режимах с поддержкой режима auto-MDIX.

Значительным преимуществом микроконтроллеров ARM Cortex-M3 семейства Stellaris® от компании TI является наличие интегрированных на кристалле модулей Ethernet PHY и MAC, благодаря чему возможно снижение стоимости изделия и уменьшение занимаемой на плате площади по сравнению с традиционным двухчиповым решением. Для проектов, где требуется более высокая производительность по сравнению с 10/100 Ethernet, разработчикам следует остановиться на семействе микроконтроллеров с ядром Cortex-A8, таких как семейство Sitara от компании TI.

Ядро Cortex-M3 оптимизировано для одноциклового доступа к интегрированной на кристалле FLASH и SRAM памяти, и предоставляет разработчику производительность, недостижимую в микроконтроллерах, ранее представленных на рынке. Благодаря возможности доступа к FLASH и SRAM за один цикл, разработчики, при использовании микроконтроллеров семейства Stellaris на частоте 50 МГц, получают производительность работы соизмеримую с производительностью других контроллеров на частоте 100 МГц.

Вопросы проектирования

Ключевым моментом для принятия окончательного решения в выборе процессора является доступность программного обеспечения, благодаря которому существенно сокращается время выхода конечного продукта на рынок. Программное обеспечение, как правило, включает в себя операционные системы, библиотеки и коммуникационные стеки.

Требования к графическим возможностям часто оказываются определяющим фактором при выборе операционной системы. Приложения управления, работающие с 2D или 3D графикой, потоковым видео и с высокими разрешениями экрана обычно также требуют использование полноценных операционных систем реального времени, например Embedded Linux или Windows™ Embedded CE, устанавливаемых на процессоры с ядрами ARM9™ или Cortex™-A8, таких как ARM-микроконтроллеры семейства Sitara™, имеющие в своем составе полнофункциональный блок управления памятью (MMU, Memory Management Unit ).

Интеллектуальный дисплейный модуль, способный обрабатывать текст, 2D-графические примитивы и QVGA JPEG-изображения, обычно является пределом применения для микрокон-троллеров на базе ядра Cortex-M3. В состав ядра Cortex-M3 входит блок защиты памяти (MPU, Memory Protection Unit), способствующий эффективному использованию компактных операционных систем реального времени и "легких" ядер ОС Linux, таких как ядро Unisom от компании RoweBots.

Одним из преимуществ ARM-архитектуры, упомянутым ранее, является то, что она сама по себе является мощной экосистемой. В результате этого на рынке доступно большое количество сертифицированных коммуникационных стеков от сторонних производителей, включая специализированные стеки протоколов связи, необходимые для объединения в сеть оборудования промышленной автоматики. Для сокращения времени выхода на рынок конечных устройств, построенных на базе микроконтроллеров семейства Stellaris от компании TI, предоставляется пакет программного обеспечения StellarisWare®, состоящий из библиотек драйверов перифе-рийных устройств, графической библиотеки, библиотеки USB для организации как ведущего (Host), так и ведомого (Device) устройства, с поддержкой режимов On-the-Go, и загрузчика, в совокупности с IEC 60730-библиотекой самотестирования, которая может применяться для диагностики устройств в составе промышленных приложений.

Этот подход для сокращения времени выхода на рынок распространяется и на микроконтроллеры семейства Sitara™, для которых доступны аппаратные средства разработки, драйверы и программные пакеты поддержки системы (BSP) под открытые системы Linux, Windows Embedded CE6 наряду со сторонней поддержкой операционных систем, таких как Neutrino, Integrity и VxWorks.

Энергопотребление

Потребляемая устройством мощность стала важной характеристикой для всех приложений, в том числе и для устройств, работающих от сети электропитания. Однако, в то время как для разработчиков портативных устройств наиболее интересно потребление процессора, внимание разработчиков промышленных систем сосредоточено на вопросах поддержания минимального потребления в течение всего времени работы оборудования для снижения коммунальных расходов и расходов на электроэнергию. Пониженное энергопотребление также имеет позитивные экологические эффекты.

Практически на всех предприятиях и производствах применяются электродвигатели, потребление которых, как правило, составляет большую процентную часть от общей мощности потребления предприятия. Как это ни удивительно, но возможность детерминированного функционирования играет значительную роль в энергетической эффективности. В микроконтроллерах семействе Cortex-M3 на 60 процентов увеличена производительность системы обработки прерываний, что значительно снижает мощность, потребляемую системой. Система прерываний, работающая на 60 процентов быстрее, означает, что микроконтроллер способен в 60 раз быстрее останавливать и запускать двигатель, что за год экономит существенное количество электроэнергии. Кроме того, производительность ядра Cortex-M3 подходит для реализации интеллектуальной цифровой коммутации, что предоставляет возможность выбора менее мощного двигателя для приложения, выбор более эффективного двигателя, или улучшить производительность уже существующего двигателя (например, в управлении асинхронным двигателем переменного тока использовать пространственно-векторную модуляцию вместо простого синусоидального алгоритма) - все это уменьшает общее энергопотребление системы. Микроконтроллеры семейства Stellaris имеют специальные ШИМ-каналы для управления электродвигателями с таймерами пауз переключения и интерфейс квадратурного энкодера (QEI, Quadrature Encoder Interface) для организации замкнутых контуров управления, позволяющие разработчику эффективно использовать вычислительные возможности ядра Cortex-M3 для повышения производительности при одновременном снижении потребления.

Другой проблемой энергопотребления в развивающейся тенденции разработки полностью замкнутых систем промышленной автоматики - защита от пыли и других загрязняющих веществ, обычно имеющих место на производстве. Если для охлаждения процессора и связанной с ним электроники используется не только радиатор, разработчик вынужден предусматривать либо отверстия для воздушного охлаждения и вентиляторы, что в совокупности противоречит понятию замкнутости системы, либо устанавливать дорогостоящие системы принудительной очистки поступающего воздуха. Микроконтроллеры развитого семейства Sitara™ предназначены для решения задач энергопотребления путем применения адаптивных программных и аппаратных методов с динамическим управлением напряжением, частотой и мощностью.

Периферия и ввод-вывод

Множество процессорных ядер, базирующихся на стандартной ARM-архитектуре, имеет целый ряд преимуществ. В то время как устройства системного уровня выполняются на базе микропроцессоров и микроконтроллеров, предоставляемые производителями микросхем функцио-нальные модули окружения ядра системы на кристалле, также имеют важное значение. Определяющее значение имеет развитость функций работы с памятью. Наряду с этим, так как разнооб-разие применения определяется богатством периферии, количество и типы периферийных мо-дулей и интерфейсов ввода-вывода также является ключевым моментом.

Два важнейших коммуникационных блока - контроллер интерфейсов CAN и MAC-контроллер сети Ethernet, также PHY-модуль с поддержкой стандарта IEEE 1588 уже рассмотрены. Ниже рассматриваются различные опции ввода-вывода, многие из которых широко используются в самых разнообразных приложениях для передачи информации:

• Интерфейс I²C: мультимастерная последовательная компьютерная шина, предназначенная для подключения низкоскоростной периферии
• UART/USART: развитая высокоскоростная периферия общего назначения
• Интерфейс SPI: широко используемый метод связи для передачи данных в полнодуплексном режиме
• Аудиоинтерфейс I²S: помехозащищенная передача сигналов на внешние схемы в аудио-приложениях
• Внешний периферийный интерфейс (EPI, External Peripheral Interface): конфигурирумый интерфейс памяти с режимами поддержки SDRAM, SRAM/Flash, 8- и 16-разрядной Host-Bus-периферии, а также поддержка скоростного параллельного межмашинного интер-фейса передачи данных (M2M, Machine-to-Machine) со скоростью 150 МБайт/сек
• Интерфейс USB: интерфейс связи двух или более устройств, часто совмещающий возможность работы в режиме USB-хоста и работу в режиме USB Оn-The-Go.

Для промышленных приложений управления электродвигателями, устройствами механизации и другим производственным оборудованием, наибольшее значение имеют такие функциональные возможности, как высокоскоростные линии ввода-вывода общего назначения (GPIO, General Purpose Input/Output), модули широтно-импульсной модуляции (PWM, Pulse Width Modulation), входы с квадратурным кодированием и каналы с аналого-цифровым преобразованием (ADC, Analog-Digital Convertion).

Многообразие таких функций, которые могут быть реализованы на кристалле, хорошо иллюстрируется на рисунке 3, блок-схеме современного высокоинтегрированного микроконтроллера.

Рис. 3. Обширный набор периферии микроконтроллера серии Stellaris® 9000 на базе ядра Cortex-M3

Весь реализуемый на кристалле функционал, описанный ранее, предлагается большинством производителей микроконтроллеров. В некоторых случаях, отличительной особенностью являться исполнение с более высокими характеристиками надежности работы. Интегрированные модули Ethernet MAC и PHY, совместимые со стандартом IEEE 1588, в составе продуктов семейства Stellaris - яркий пример подобной отличительной особенности данных микроконтрол-леров.

Другим примером является программируемый блок реального времени (PRU, Real-Time Unit), представленный в семействе семейства микроконтроллеров Sitara на базе ядра ARM9 от компании TI. Данный модуль является небольшим процессором с ограниченным набором команд, и может быть сконфигурирован для выполнения каких-либо специальных функций реального времени, не реализованных в основном кристалле.

В приложениях промышленного управления, модуль PRU обычно конфигурируется для реализации функций ввода-вывода данных. Это может быть отдельный интерфейс или блок ввода-вывода, не представленный в микроконтроллерах какой-либо линейки продукции. При исполнении однообразных функций, использование модуля PRU более предпочтительно по сравнению с добавлением дополнительного чипа с точки зрения стоимости изделия. К примеру, при помощи PRU разработчик может реализовать дополнительные стандартные интерфейсы, такие как UART или промышленные Fieldbus и Profibus. Полная программируемость блока PRU позволяет разработчикам даже извлекать прибыль за счет добавления заказываемых потребителем собственных интерфейсов.

В виду возможностей программирования блока PRU, он может использоваться в качестве модуля ввода-вывода различных типов при работе в различных условиях, благодаря чему возможно повышение производительности системы с одновременным снижением потребляемой мощности. Например, PRU может выполнять специализированную обработку данных, исключив на это время работу ARM9-процессора путем прекращения его тактирования.

Заключение

Поскольку все больше полупроводниковых компаний вливаются в ряды производителей микро-процессоров и микроконтроллеров на базе ARM-архитектуры, разработчикам оборудования для промышленного управления будет доступен все более широкий выбор микросхем для реализации своих проектов. Конечный выбор продукта будет определяться ителлектуальностью полу-проводника (сбалансированные функции работы с памятью, быстродействующие модули ввод-вывод и периферии, интегрированные средства коммуникации, сокращающие время выхода устройств на рынок), а также доступностью качественных программных средств разработки, программных библиотек и стеков промышленных протоколов. На самом деле производителю будет недостаточно просто иметь в номенклатуре самые лучшие микропроцессоры и микрокон-троллеры. Наивысшим приоритетом для него будет создание разработчику всех необходимых условий для возможности быстрого старта проекта - предоставление готовых инструментариев и открытого программного обеспечения, таких как драйверы или графические библиотеки при-митивов и виджетов.