ThinkIO-P как отражение современного состояния рынка автоматизации

В наши дни все чаще можно видеть, как объединяются разнородные и, казалось бы, несовместимые решения, пришедшие из разных секторов и изначально создававшиеся для совершенно различных задач. Результатом таких новаторских экспериментов зачастую становятся очень удачные продукты, позволяющие приверженцам традиционных технологий безболезненно приобщаться к технологиям современным.Примером подобного изделия, служащего мостом между прошлым и будущим для одного отдельно взятого рынка, является Kontron ThinkIO-P.

Контроллер с сердцем компьютера

Необычность продуктовой линейки ThinkIO холдинга Kontron (www.kontron.com) проявляется уже в том, что, приступая к ее изучению, вы немедленно сталкиваетесь с затруднениями терминологического свойства. Как правильно называть эти изделия: "программируемые контроллеры" или "промышленные компьютеры"? ThinkIO обладают характеристиками обоих упомянутых классов и имеют дополнительную функциональность, которая будет обсуждаться ниже. Будет ли использоваться конкретный экземпляр ThinkIO как Industrial PC, или же ему уготована роль ПЛК, зависит только и исключительно от установленного в него программного обеспечения.

Процессор Intel Pentium M с тактовой частотой до 1,4 ГГц, устанавливающийся в модель ThinkIO-P (ThinkIO Premium), сближает данную продуктовую линейку с промышленными компьютерами и открывает перед разработчиками широкие возможности по части реализации различных ресурсоемких приложений в индустриальных средах. От чего контроллерная функциональность ThinkIO ничуть не страдает.

Первый вариант применения: ПЛК

В роли программируемых контроллеров все изделия серии Kontron ThinkIO исключительно удобны, и ThinkIO-P не является в этом смысле исключением. Прежде всего, по умолчанию в "контроллерном" варианте поставки этот продукт комплектуется средой

CoDeSys, чьи широкие возможности, развитая функциональность и дружественный интерфейс завоевали сердца многих разработчиков. Кроме того, ThinkIO-P имеет открытую архитектуру: локальное расширение исходной функциональности ввода-вывода осуществляется посредством периферии Wago серий 750 и 753.

Среда CoDeSys является штатным контроллерным ПО для ThinkIO-P, однако есть примеры использования ThinkIO-P с пакетами ABC-RS7/RS5, ProConOs, Straton и Isagraf, благо все эти пакеты портированы на ThinkIO уже достаточно давно. Поддержка со стороны шести различных пакетов класса SoftPLC служит наглядным подтверждением популярности данной аппаратной платформы у разработчиков систем автоматизации.

Все программные средства, какие только могут потребоваться для создания контроллерных приложений, у пользователя ThinkIO-P есть по умолчанию. Это и пакеты CodeSys и SOPH.I. A., OPC-серверы, конфигураторы промышленных шин (Profibus, CAN, DeviceNet) и др. Разработчик может быть уверен, что, купив ThinkIO-P, он будет иметь свободу выбора и сможет применять привычное инструментальное ПО. При использовании операционной системы Linux создавать приложения для ThinkIO-P можно не только при помощи CodeSys, но и средствами языка C, благо Kontron предоставляет все необходимые для этого библиотеки с описанием всей периферии. Большинство конкурирующих продуктов ничем подобным похвастаться не могут.

Авторы ThinkIO-P позаботились даже о такой приятной мелочи, как целевая визуализация, включив в "контроллерный" комплект поставки соответствующие программные компоненты. Чтобы воспользоваться возможностями, открываемыми этим дополнительным ПО, необходимо приобрести подходящий сенсорный дисплей, что не представляет большой проблемы, поскольку в продуктовой линейке компании Kontron есть соответствующие модели. Плюс к тому Kontron предлагает специальные переходники с кабелями, позволяющими разносить ThinkIO-P и сенсорную панель на несколько десятков метров. Если этого недостаточно, разработчик может воспользоваться штатными средствами веб-визуализации, обеспечивающими мониторинг контроллера по обычной локальной сети с любого ПК, на котором установлен веб-браузер. Расширением данной функциональности служит пакет SOPH.I.A., создающий условия для построения ультрасовременных систем автоматизации на основе веб-технологий (подробнее о SOPH.I.A. см. Врез 1).

Второй вариант применения: Industrial PC

"Компьютерной" начинке ThinkIO-P могут позавидовать не только типовые системы класса Industrial PC, но и многие настольные ПК (см. Рис.1). Помимо 1,4-гигагерцевого процессора, прочного алюминиевого корпуса и поддержки периферии Wago пользователь ThinkIO-P получает до 1 Гбайт оперативной памяти, 1-2 Мбайт памяти типа RAM с батарейной поддержкой, карточку CompactFlash и стандартные PC-интерфей-сы (2 порта USB, выход DVI (аналоговый и цифровой) и один последовательный порт). Базовая конфигурация ввода-вывода (без модулей Wago) включает два независимых интерфейса Fast Ethernet и опциональный интерфейс полевой шины (Profibus, CAN или DeviceNet), что позволяет организовывать управление как современными, так и традиционными промышленными сетями.

Одно из ключевых преимуществ представителей линейки Kontron ThinkIO перед конкурирующими продуктами — это наличие поддержки Profibus, CAN или DeviceNet в базовой комплектации. Посредством этих протоколов к одному-единственному ThinkIO-P можно подключить огромное число удаленных модулей Wago и датчиков, что создает условия для использования этого компьютера в задачах распределенного ввода-вывода и организации взаимодействия между разными уровнями автоматизации. Плюс к тому, у ThinkIO наличествует функциональность SCADA.

Пакет SOPH.I.A.: автоматизация на основе веб. Контроллер ThinkIO поставляется вместе с пакетом веб-автоматизации SOPH.I.A (Sophisticated Industrial Automation). Будучи интегрированным решением, SOPH.I.A. содержит в себе и инструментальную среду, и среду исполнения. К первой относятся средства разработки, конфигурирования и подключения к веб, ПО для создания графических пользовательских интерфейсов на основе интернет-браузера и открытые стандартные интерфейсы, позволяющие подключать инструменты сторонних производителей. Важнейшим свойством SOPH.I.A. является его полная платформонезависи-мость: для этого пакета совершенно неважно, какие именно аппаратные средства и какая ОС используются. Пакет SOPH.I.A. выгодно отличается от традиционных программ с ограниченной веб-серверной функциональностью и является едва ли не первым по-настоящему универсальным и удобным в использовании пакетом веб-автоматизации. Платформонезависимость SOPH.I.A достигается объединением сервера данных с веб-сервером. Сервер данных служит мостом между вебсервером и источником специфичных данных для операционной системы. Взаимодействие с приложением осуществляется через модуль данных. Сервер данных получает информацию приложения от источника, конвертирует ее в стандартный, нейтральный формат XML, а уже затем передает веб-серверу. Кроме того, на основе XML можно легко организовать эффективный информационный обмен с системами типа ERP и MES. Пользователям ThinkIO пакет SOPH.I.A. позволяет с минимальными усилиями реализовывать поддержку разнообразных интернет-сервисов, причем диапазон последних весьма широк и не ограничивается одним лишь удаленным управлением. Например, ПЛК можно научить отправлять сообщения по обычной электронной почте. Интерфейс между SOPH.I.A и CoDeSys гарантирует надежную защиту данных, передаваемых через всемирную или корпоративную сеть, благодаря чему контроллеры с выходом в Интернет становятся безопасной и доступной вещью. SOPH.I.A — это совершенно новый уровень комфорта и оперативности. Уже сегодня Интернет способен быть базой для всех аспектов взаимодействия оборудования с пользователем: при помощи офисного ПК инженер может сделать с удаленным контроллером практически все то же самое, что и при непосредственном общении в поле.

По желанию заказчика продукт ThinkIO-P поставляется либо с операционной системой Linux, либо с ОС Windows XP Embedded. Подсистема ввода-вывода для Kontron ThinkIO-P может быть расширена не только классическими аналоговыми и цифровыми линиями с различными уровнями сигнала, но и такими интерфейсами, как AS-i-Bus, SSI, RS232 и RS485, а также инкрементными шифраторами.

Рис. 1. Базовый набор интерфейсов компьютера-контроллера ThinkIO-P

Применение процессора Intel Pentium позволило обеспечить полноценную поддержку Windows XP Embedded, которой не было в предыдущих моделях. Промышленный компьютер ThinkIO-P можно устанавливать практически в любые существующие стойки: его толщина составляет всего 64 мм. Кроме того, несмотря на высокую производительность процессора, данный контроллер работает без вентилятора: охлаждение осуществляется за счет алюминиевого корпуса, играющего роль радиатора. Этот же корпус обеспечивает продукту повышенную механическую прочность.

Существуют различные модификации ThinkIO-P: от низкостоимостных на базе 600-мегагерцового процессора Intel Mobile Celeron с кэшем L1 объемом 64 Кбайт и нулевым кэшем L2 до полнофункциональных, содержащих мощный процессор Intel Pentium М с тактовой частотой 1,4 ГГц. Новый представитель серии ThinkIO, таким образом, не только прочнее, но и быстрее предыдущей модели, строящейся на ЦП Geode SC1200 (аналог Pentium MMX 266 МГц) и называющейся теперь ThinkIO-C (ThinkIO Classic).

И в жару, и в холод

Компьютер-контроллер ThinkIO-P рассчитан на эксплуатацию в жестких условиях, обладает высочайшей производительностью и предоставляет пользователю широкие возможности по части расширения ввода-вывода. Указанные характеристики во многом и определяют сферу его применения.

Шина Kbus, обеспечивающая поддержку периферии Wago серий 750 и 753, позволяет членам семейства Kontron ThinkIO выгодно смотреться на фоне множества других ПЛК и промышленных компьютеров. Модули Wago позволяют разработчику конфигурировать ввод-вывод конечной системы в очень широких пределах, что весьма полезно во многих практических задачах, связанных с промышленными интеллектуальными терминалами и не только.

Вычислительная мощь процессора Intel Pentium M позволяет использовать ThinkIO-P для организации комплексного управления, связанного с обработкой "промышленных" изображений, а также для поддержки сложной визуализации и построения систем управления перемещениями. Кроме того, благодаря богатой и расширяемой интерфейсной функциональности этого контроллера с его помощью можно осуществлять сбор и анализ данных от самых разных источников, а также организовывать связь между оборудованием и подсистемами разных типов. Выбрав ThinkIO-P, пользователи могут не беспокоиться о будущем: в этом компьютере используются встроенные процессоры Intel, что позволяет холдингу Kontron гарантировать доступность различных его модификаций в долгосрочной перспективе.

Существует версия ThinkIO-P для расширенного диапазона температур, которую можно применять в экстремально жестких условиях.

Стандартный температурный диапазон, на который рассчитано большинство промышленных компьютеров — это 0°C … + 55 °C. Однако во многих реальных задачах условия окружающей среды выходят далеко за эти рамки, причем и в ту, и в другую сторону. Богатый опыт работы на рынке промышленной автоматизации и современные процессорные технологии позволили Kontron создать новую версию контроллера ThinkIO-P, способную функционировать при температурах от -40°C до +70°C. Этого удалось достичь благодаря применению особых термостойких компонентов и оригинальной схеме пассивного охлаждения с отказом как от внутреннего, так и от внешнего вентиляторов.

Версия контроллера-компьютера Kontron ThinkIO-Р для расширенного температурного диапазона заключается в прочный алюминиевый корпус, играющий роль радиатора, и оснащается процессором Intel Celeron M с тактовой частотой 1 ГГц. Объем ОЗУ у этой модификации составляет 256 Мбайт; имеется разъем CompactFlash, позволяющий использовать твердотельные накопители соответствующего типа. В наличии все стандартные интерфейсы PC: два порта USB, выход DVI, последовательный порт.

Реализовав полностью пассивное охлаждение и отказавшись от дисковых накопителей в пользу флэш-памяти, создатели данной версии ThinkIO-P лишили свое творение всех движущихся частей, что наряду с прочным корпусом позволяет ему успешно противостоять вибрационным нагрузкам силой до 4g. Помимо придания контроллеру механической жесткости, цельнометаллический корпус решает и другую задачу, обеспечивая высокий уровень электромагнитной совместимости и хорошую устойчивость к импульсным напряжениям и электростатическим разрядам (до 1 кВ и до 8 кВ соответственно).

Выбор Ethernet для автоматизации

Внимательно следя за событиями в секторе Industrial Ethernet, холдинг Kontron стремится внести в развитие этого рынка свой посильный вклад. Поддержка Industrial Ethernet запланирована к реализации во всех промышленных продуктовых линейках Kontron, включая и ThinkIO (см. Рис.2). На первом этапе для это-

го предполагается использовать технологию EtherCAT, которая не только убедительно доказала свою пригодность для применения в промышленных задачах, куда еще несколько лет назад доступ для Ethernet-решений был вообще закрыт, но еще и обеспечивает скорости обмена, в принципе недостижимые при использовании традиционных полевых шин типа CANopen или Profibus (см. Врез 3).

Рис. 2. Будущее ThinkIO и других промышленных линеек холдинга Kontron связано с многоядерными процессорами и Industrial Ethernet

Основные характеристики продукта ThinkIO-P • Промышленный компьютер ThinkIO-P, монтирующийся на рейку DIN и оснащающийся высокопроизводительными процессорами до Intel Pentium M 1,4 ГГц включительно Не содержит свинца (удовлетворяет требованиям RoHS) Огромная вычислительная мощь в прочном малогабаритном корпусе • Тактовая частота ЦП до 1,4 ГГц, ОЗУ объемом до 1 Гбайт, до 1 Гбайт интегрированной флэш-памяти, разъем CompactFlash • Два интерфейса Fast Ethernet, два порта USB 2.0, один порт RS232 и один выход DVI-I Память SRAM с батарейной поддержкой, часы реального времени, сторожевой таймер, два цифровых входа, два цифровых выхода, выключатель, кнопка сброса, сигнальные светодиоды Электромагнитная совместимость класса B Алюминиевый корпус Пассивное охлаждение • Версии, оснащающиеся ЦП с частотами 600 МГц и 1,4 ГГц, работают при температурах 0°C … +55°C Существует версия для расширенного температурного диапазона (-40°C … +70°C), выполненная на базе 1-гигагерцового процессора • Поддержка периферии ввода-вывода Wago серий 750 / 753 (опция) • Интерфейс полевой шины Profi bus-DP, CANopen или DeviceNet (опция, какой-либо один вариант) Размеры 237 x 100 x 64 мм • Варианты поставки с операционной системой Linux / SoftPLC-пакетом CoDeSys (программируемый контроллер) и с ОС Windows XP Embedded (промышленный компьютер)

Технология EtherCAT Козыри EtherCAT — это открытость для других протоколов, простота коммутации и возможность замены классической топологии типа "звезда" на линейную. Кроме того, EtherCAT обладает чрезвычайно высоким быстродействием. Протокол EtherCAT позволяет достичь небывалых для распределенных систем величин скоростей опроса за счет аппаратной реализации функции подчиненного устройства и прямому доступу в память на стороне ведущего узла. Время обновления для 1000 дискретных I/O составляет всего 30 мкс, включая время опроса входных и выходных каналов (значения более 12000 дискретных входов и выходов могут быть переданы в одной-единственной Ethernet телеграмме). EtherCAT поддерживает включение данных других протоколов (CAN, SERCOS, TCP/UDP/IP/FTP) в обкладки пакета, что делает эту технологию совместимой с устройствами и приложениями, изначально создававшимися под другие сети. Для EtherCAT можно использовать сетевые аппаратные средства офисного класса и достигать тем самым значительной экономии по сравнению со специализированными промышленными коммуникациями. Простота конфигурирования EtherCAT и гибкость ее топологии делают ее столь же удобной в использовании, как и классические полевые шины. Технология EtherCAT стандартизована (спецификации IEC 61784-2, IEC 61158 и ISO 15745) и курируется ассоциацией EtherCAT Technology Group (www.ethercat.org), насчитывающей в настоящее время около 200 членов.

Контроллер ThinkIO-P с поддержкой Industrial Ethernet способен "дарить" расширяемый ввод-вывод практически любым промышленным компьютерам с интерфейсом Ethernet — достаточно подключить такой компьютер к ThinkIO-P по Ethernet-каналу, а на сам ThinkIO-P "навесить" периферию Wago нужной комплектации. Здесь открывается еще одна грань таланта ThinkIO-P — его можно с успехом использовать в качестве интегратора разнородных подсистем на всех уровнях автоматизации (см. Рис. 3).

Рис.3. Интеграция разноуровневых устройств и подсистем автоматизации на базе ThinkIO-P.

Причинами выбора EtherCAT послужили как высочайшая производительность этой технологии, так и то немаловажное обстоятельство, что на сегодняшний день EtherCAT — это единственная реализация Industrial Ethernet, не требующая применения специального аппаратного интерфейса на стороне мастера. В дальнейшем Kontron планирует осуществить массированное внедрение в свою продукцию еще одной сетевой технологии с поддержкой Industrial Ethernet, называющейся netX и реализующейся на одноименном чипе фирмы Hilscher. Главным достоинством netX является "всеядность", т.е. совместимость как с традиционными полевыми шинами, такими как AS-Interface, CANopen, DeviceNet, InterBus и PROFIBUS, так и с такими современными Ethernet-разработками, как Ethernet/IP, Ethernet Powerlink, EtherCAT, PROFINET-RT и SERCOS III (см. Рис. 4).

Рис.4. netX позволяет осуществить тотальную коммуникационную интеграцию.

Люди и технологии

Технологии, как и люди, вступают между собой в сложные, многосторонние отношения. Процессоры Intel вызывают соблазн использовать Windows и Linux, а там и до Интернета рукой подать. Сходным образом обстоит дело и с Industrial Ethernet.

Холдинг Kontron обратил внимание на Industrial Ethernet в связи с ростом производительности ЦП, сопряженным в том числе и с постепенным внедрением многоядерных архитектур. В ближайшем будущем на двухъядерные процессоры будут переведены все промышленные линейки Kontron, включая ThinkIO. И это отнюдь не слепое следование рыночным тенденциям, а трезвый расчет. Двуядерность сулит возможность параллельного выполнения двух функций без какого-либо ущерба для одной из них, благодаря чему жесткое реальное время теперь может легко ужиться со сложнейшей визуализацией на территории одного чипа. Когда в одном процессоре фактически заключено два, примирить ОСРВ с Windows не составляет никакого труда: каждая операционная система работает на своем ядре и ничуть не мешает другой.

Новые процессоры необходимы людям, самим же новым процессорам для полной самореализации нужны другие технологии. Одной из таких технологий как раз и является Industrial Ethernet в его современном состоянии. Дело в том, что в промышленных приложениях новизна процессора еще не синоним высокой производительности, ибо высокая производительность в задачах автоматизации — это не только быстрый счет, но и достаточная пропускная способность сети плюс функционирование этой сети в режиме жесткого реального времени. Industrial Ethernet помогает новым процессорам следовать своему предназначению — ускорять работу системы как целого.

В ближайшие годы на рынке автоматизации мы увидим еще немало продуктов, которые, подобно ThinkIO-P, будут сочетать в себе невероятное количество разнородных функций и возможностей. Взаимопроникновение традиционных и современных технологий будет углубляться, и решения такого рода потребуются рынку автоматизации, чтобы обеспечить связь времен. Люди хотят строить будущее без отказа от существующей инфраструктуры и ранее сделанных наработок. Желание это законно и заслуживает всяческого уважения.

Называть ThinkIO-P революционным решением в данном контексте было бы не совсем верно. ThinkIO-Р — не революционер, а прогрессивно мыслящий консерватор, чтящий традиции и не чурающийся ничего нового. Потому-то и трудно представить себе даже самую современную систему автоматизации, которую нельзя было бы создать на базе этого чрезвычайно хорошо сбалансированного и продуманного продукта.

Бретман В.В.,
Начальник отдела базовых аппаратных и
программных средств для АСУТП ЗАО "РТСофт".
С автором статьи можно связаться по адресу:
pr@rtsoft.ru