Концепция

При разработке оборудования IOOT PRO использовались самые современные стандарты автоматизации технологических процессов. Эти документы включают инструкции для распределённых систем управления и встроенных систем, соответствующие передовому международному стандарту IEC 61499.

Стандарт IEC 61499 отличается от предыдущих систем автоматизации тем, что он определяет эталонную архитектуру для открытых и распределённых систем управления. Это позволяет применять устройства IOOT PRO в качестве функциональных блоков в различных обрабатывающих системах и оборудовании, а также создавать для них логику на разных языках программирования.

Рисунок: Развитие архитектуры контроллеров.

Таблица 1 показывает прогресс в области промышленной автоматизации. С каждым поколением автоматизированные системы становились все более гибкими и эффективными. Архитектура решений становится более эффективной, а наследие предыдущих поколений сохраняется в каждом новом поколении.

Свойства четырех предыдущих поколений систем автоматизации и перспективные функции интеллектуальной автоматизации

	Поколение
	1 Реле	2 PLC	3 PLC-HE	4 РСУ	5 SMART
Автоматизированные рутинные операции	X	X	X	X	X
Программируемость		X	X	X	X
Конфигурируемость			X	X	X
Распределенная гибкая архитектура				X	X
Самонастраиваемость					X

Далее будут рассмотрены ключевые передовые технологии применяемые в приборах IOOT PRO. Эти технологии позволяют оборудованию IOOT PRO соответствовать четвёртому поколению систем промышленной автоматизации и стать основой для пятого поколения, обеспечивая высокую степень гибкости, эффективности и безопасности в различных отраслях промышленности.

Функциональное приложение

ПЛК (программируемый логический контроллер) — это, по сути, миниатюрный компьютер, используемый в промышленности. Он оснащён входами и выходами для контроля различных систем. Кнопки и сенсоры служат источниками входов, в то время как выходы управляют приводами и энергией. Благодаря архитектуре распределённой системы управления (РСУ), IOOT PRO снижает аппаратные требования к ПЛК, поскольку логика распределяется между модулями, и не требуются мощные центральные контроллеры. Кроме того, использование шины CAN исключает необходимость опроса модулей ввода-вывода мастером сети, что дополнительно сокращает ресурсы и повышает производительность.

IOOT PRO предоставляет не только аппаратную часть, но и базовый программный код (ядро системы), что позволяет устройствам IOOT PRO иметь обширную функциональность. В большинстве случаев пользователю достаточно настроить (параметризовать) модуль, вместо того чтобы его программировать.

Такой подход упрощает настройку системы и повышает её надёжность и предсказуемость. По сути, ядро контроллера сравнимо с мобильным телефоном, где большинство функций уже имеется, а дополнительные программы можно загрузить.

Для создания таких приложений IOOT PRO предлагает облачную экосистему, в которой связываются параметры каждого контроллера, его логическая программа и графический интерфейс удалённого управления, мониторинга и анализа. Таким образом, создаётся функциональный блок, который может быть интегрирован в другие системы управления в качестве готового элемента.

Такой функциональный блок состоит из:

• параметров контроллера для его настройки

• логической программы (специфичные функции)

• визуальное представление * для оператора * для наладчика * для анализа данных * формы управления

• подключение данных телеметрии

• подключение данных телеуправления

Передовая архитектура — основа Индустрии 4.0. Оборудование не требует сложной настройки и наладки, оно автоматически встраивается и поддерживает технологию «plug and play».

Рисунок: Цифровой двойник cloud ioot pro с авто-интеграцией.

Рассмотрим примеры таких решений:

• Вы выбираете сложную и энергоэффективную вентиляционную систему для своего ресторана. После подключения системы к центральному диспетчерскому пункту, она автоматически отображается как новый элемент системы и запрашивает ввод информации о названии и назначении установки. Затем автоматика активируется, и в вашей системе появляется графическое представление системы в виде цифрового двойника.

• Вы подключаете автоматизированное орудие к своему трактору. Орудие автоматически подруливает и определяет оптимальную скорость в зависимости от почвы поля, а управление осуществляется через тачпанель трактора. Это значительно упрощает процесс и повышает эффективность работы.

В обоих случаях система самостоятельно интегрируется и настраивается на основе современной передовой архитектуры автоматизации, что исключает ручной труд и обеспечивает максимальную производительность.

Связь на основе CAN шины

IOOT PRO использует CAN-шину для связи между модулями. CAN — это стандарт промышленной сети, разработанный компанией Robert Bosch Gmbh, быстрый, надёжный и экономичный. Он подходит для распределённых систем управления и позволяет устройствам взаимодействовать без центрального контроллера. Протоколы CANopen и ISOBUS обеспечивают универсальность и стандартизацию связи соответственно.

В настоящее время CAN-интерфейс широко применяется во многих отраслях в том числе аэрокосмического профиля в качестве связующего звена между центральной магистралью MIL-STD-1553B и множеством датчиков исполнительных механизмов и.т.д. На транспорте CAN стал основным интерфейсом от лифтов и автомобилей, до сельскохозяйственной техники и электропоездов. CAN повсеместно применяется в медицине и робототехнике.

Подход к решению

Устройства IOOT PRO подключены к шине CAN, работающей на базе протокола CANopen, соответствующего стандарту CiA 401 «Универсальные модули ввода-вывода». Этот стандарт описывает профили устройств CANopen для цифровых и аналоговых модулей ввода и вывода. Передача данных между модулями осуществляется по шине CAN через объекты данных процесса. Выходные данные модулей публикуются в сети CAN, и другие модули могут подписаться на них, события передаются от модуля к модулю, специальные сообщения протокола предназначенные для каждого устройства связывают с данными с применением алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта для принятия решений в реальном времени на основе анализа данных. Такой подход был разработан IOOT PRO в соответствии со стандартом CANopen и МЭК 61499 и ранее не публиковался.

Внешнее управление (вспомогательные системы, системы верхнего уровня, HMI) осуществляется через сопроцессор по интерфейсу Ethernet с применением JSON RPC, MQTT или WEB-интерфейса. Сопроцессор также может функционировать как электронный блок управления (ЭБУ) по стандарту ISOBUS (ISO 11783) для сельскохозяйственной техники.

Сопроцессор отправляет данные в сеть CAN через сервисные данные или данные процесса.

Пример: Орудие на тракторе следует по краю обработанной зоны, определяя оптимальную скорость движения на каждом участке с использованием геоданных, пользовательское приложение оснащено машинным зрением и GNSS заданием на основе загруженных карт. Сопроцессор отправляет управление орудием через интерфейс CANopen в одну сторону, а через ISOBUS в другую — управляет трактором, «подруливая» и изменяя скорость.

Рисунок: Конфигурация шины CAN и протоколов верхнего уровня на примере сельскохозяйственной техники.

• Приборы IOOT PRO управляют технологическим процессом прицепного устройства по протоколу CANopen

• Через сопроцессор I-ECU интегрированы с трактором по протоколу ISOBUS

• Так же в сети ISOBUS находятся органы управления VT «Виртуальный терминал» и блок навигации GNSS

• Через TECU (своего рода «функциональный компьютер») трактора ISOBUS интегрирован с остальными электронными блоками управления машины по SAE J1939

Таким образом прицепное устройство получает данные от GNSS и Виртуального терминала от трактора на основании которых запускается технологический процесс, учитывая расчетные параметры Сопроцессор передает трактору коррективы в движении, например возможность повышения или снижения скорости движения для оптимальной работы установки.

Рисунок: Конфигурация шины CAN и интеграция с облачным приложением на примере дождевальной машины.

• Приборы IOOT PRO управляют технологическим процессом дождевальной машины и объеденны по протоколу CANopen

• Через сопроцессор I-ECU данные передаются через сотового оператора в облачную инфраструктуру предприятия.

• К сети подключены клиенты, мобильные и стационарные рабочие места операторов.

С помощью мобильного или десктопного приложения операторы контролируют и управляют дождевальными машинами удаленно. Облако фиксирует все параметры для последующего анализа.

Облачная инфраструктура

Для решения сложных задач вам понадобится интегрированная среда разработки (IDE). IOOT PRO предлагает облачные сервисы, которые позволяют создавать приложения с контролем версий Git и автоматической конвейерной сборкой (компиляцией) CI. В этой среде будет происходить разработка, сборка, тестирование и хранение приложений в облаке. Вы сможете иметь полную копию вашего проекта локально без установки дополнительных приложений и настроек.

Рисунок: Даш-борд удаленного мониторинга на базе Cloud IOOT PRO.

Для крупных компаний возможно развёртывание локального облака. Это позволит обеспечить независимость от других пользователей на сетевом и физическом уровне, максимальную безопасность конфиденциальных данных и полный контроль над инфраструктурой. Однако создание локального облака требует значительных затрат на оборудование, программное обеспечение, инфраструктуру и персонал для управления и обслуживания.

Логическая программа

Разработка логической программы IOOT PRO может быть выполнена с использованием языка программирования Cи или одного из пяти языков программирования ПЛК, стандартизированных в IEC 61131-3.

Эти языки включают:

• лестничную диаграмму (LD) — графический язык;

• блок-схему функций (FBD) — графический язык;

• структурированный текст (ST) — текстовый язык;

• список инструкций (IL) — текстовый язык (устаревший);

• диаграмму последовательности функций (SFC) — графический язык.

На следующем рисунке показан базовый пример использования FBD:

Рисунок: Блок-схема функций (FBD)

На этом изображении показаны три функциональных блока (on_delay1, AND, alarm), четыре входа (user_ok, T#5s, packet_arrived, conveyor_full), два выхода (red_light, conveyor_motor) и связи между функциональными блоками (FB).

После «программирования» / рисования этого приложения в интегрированной среде разработки (IDE) вы должны выполнить его компиляцию, а затем осуществить загрузку в ПЛК.

Примечание

IOOT PRO использует язык Си в качестве промежуточного, преобразуя в него языки, соответствующие ГОСТ Р МЭК 61131-3-2016. Затем программа компилирует результаты с помощью свободно доступного оптимизирующего компилятора GCC для языков C и C++, избегая использования проприетарных решений. После этого полученный бинарный файл загружается в ядро контроллера. Важно отметить, что сама IDE TOOL PRO представляет собой свободное программное обеспечение с открытым исходным кодом.

Подсказка

C IDE TOOL PRO можно ознакомиться в разделе Программирование

Распределенные системы управления

Современные промышленные системы автоматизации переходят от централизованных структур управления к децентрализованным системам, где каждый элемент наделён собственным интеллектом и способен взаимодействовать с другими элементами. Один из стандартов, способствующих этому переходу, — IEC 61499. Шина CAN обеспечивает возможность передачи данных без участия мастера, что способствует переходу к архитектуре распределённого управления.

На изображении ниже различные контроллеры соединены в конвейерном производстве и функциональные блоки распределены между ними. Так же предусмотрен Человеко-машинный интерфейс (HMI).

Рисунок: Распределение приложения в соответствии со стандартом IEC 61499

Структура управления и мониторинга

Облачные системы разработки IOOT PRO автоматизируют конфигурацию устройств, обеспечивая точную информацию о конфигурации каждого устройства. Контроллеры IOOT PRO передают данные по мере возникновения событий через CAN, что исключает необходимость опроса, как это было раньше. Сопроцессор отображает все устройства и передаёт информацию на облачный сервер SCADA-системы по протоколу MQTT. Каждое ядро контроллера также поддерживает подключение софт-контроллера для корректировки работы распределённых блоков «контроллеров».

Заключение

На основании рассмотренных передовых технологий приборы IOOT PRO могут стать основой систем пятого поколения, отвечающий всем требованиям современных систем автоматизации.

Подсказка

в разделе Решения собраны примеры применения SMART PLC на распространенных задачах.