В настоящее время процесс автоматизации всё шире и шире охватывает различные области жизнедеятельности человека. Не исключением является и развитие систем управления технологическим процессом (АСУ-ТП).

Внедрение таких систем позволяет значительно упростить работу персонала, существенно повысить технологичность, а значит снизить себестоимость, и повысить безопасность производственного процесса, что особенно актуально на объектах повышенной опасности, в том числе и атомных электростанциях.

При таком бурном развитии систем сбора и обработки информации а так же наличии большого количества производителей, перед разработчиками систем управления стоит сложная задача выбора наиболее подходящего оборудования и его совместимости. Каждая такая система, как правило, имеет в своём составе различные датчики, узлы обработки информации, устройства управления механизмами и многое другое. В этой связи, возникает необходимость обмена информацией между всем этим оборудованием. Одним из вариантов решения этой проблемы является применения устройств распределенного сбора, обработки информации и управления на основе сетей с открытой архитектурой.

Однако большинство ведущих производителей технологического оборудования ориентируют на применение сетей на основе сетей своей собственной разработки, примером могут служить Siemens (сети Profibus), Modicon (сети ModBus), Phoenics Contact (сети Interbus) и т.д., что ограничивает выбор датчиков и исполнительных механизмов. Если производители и поддерживают другие сети, то в ограниченном варианте и с использованием дополнительных модулей, что удорожает систему и делает её громоздкой.

В этих условиях возникает потребность в устройстве, позволяющем построить распределённую систему управления не привязываясь к конкретному производителю и конкретному типу сети.

В НИИ МВС ЮФУ был разработан такой программируемый контроллер – блок формирования управляющих сигналов - 2 (БФУС-2), структура которого представлена на рис. 1. Отличительной чертой ПК БФУС-2, позволившей организовать совместимость с большим количеством оборудования, является реализация аппаратной поддержки протоколов низкого уровня, таких как RS-485, RS-232, CAN, Ethernet без привязки к сетевым или межсетевым интерфейсам верхнего уровня.

Организация сетевого обмена и уровня приложение возложена на программную часть БФУС-2. Для обеспечения наибольшей гибкости программной части и как следствие универсальности БФУС-2 было принято решение использовать в качестве программирования язык С, что позволило получить ряд преимуществ. Во-первых, компилятор языка С преобразует команды непосредственно в машинный код, что обеспечивает максимальное использования ресурсов микроконтроллера. Во-вторых, позволяет разработчику АСУ ТП самому программно создавать любой интерфейс верхнего уровня (используя RS-232, RS-485, CAN, Ethernet), даже если изготовитель БФУС-2 не заявляет о его поддержке. В-третьих язык С очень популярен, что обеспечивает большее количество специалистов способных программировать БФУС-2. В-четвёртых компилятор для БФУС-2 распространяется бесплатно – это F2MC-16 Family SOFTUNE Workbench V30L32 фирмы Fujitsu.

Программное обеспечение БФУС-2 делиться на 2 части. Первая-это программа загрузчик, поставляемая с БФУС-2 и позволяющая загружать программу пользователя, которая разрабатывается непосредственно под конкретную задачу АСУ. Для удобства программирования загрузка программы пользователя осуществляется с CompactFlash, где она располагается в виде откомпилированного файла в формате Intel или Motorolla (эти форматы поддерживает среда разработки SOFTUNE Workbench V30L32). Поместить файл на Compact Flash можно обычным копированием, благодаря поддержке FAT 16/32.

Для обеспечения простоты разработки программы пользователя БФУС-2, предлагаются готовые библиотеки функций, обеспечивающие поддержку различных интерфейсов и устройств сторонних производителей, например: энкодеров TR-electronic (DeviceNet), энкодеров Fraba Posital (CanOpen), электронных ключей Dallas Semiconductor (1-wire), модулей ввода/вывода Advantech (ModBus) и т.д. Так же предлагаются модули для использования внутренних ресурсов БФУС-2, а именно модуль поддержки часов реального времени, модуль работы со встроенным датчиком температуры, модуль поддержки FAT16/32 при работе с картами памяти Compact Flash и т.д.

Такой подход позволяет реализовать совместимость с большим количеством оборудования различных производителей, примеры представлены на рисунке 2.

Второй отличительной особенностью ПК БФУС-2 является возможность построения систем управления с повышенной отказоустойчивости, что особенно актуально на таких объектах, как АЭС. Это достигается за счёт применения элементов самодиагностики и дублированных линий связи. Так БФУС-2 имеет по две линии связи Ethernet и CAN, тем самым обеспечивая возможность построения надёжной (в т.ч дублированной или резервированной) АСУТП без применения дополнительных согласующих модулей. В части самодиагностики БФУС-2 обладает выходными каскадами с возможностью определения короткого замыкания, превышения тока нагрузки, обрыва нагрузки, подачи на нагрузку повышенного напряжения, обратной подачи питающего напряжения. Эта диагностика не зависит от работы микроконтроллера, а выполняется аппаратно. Так же выполняется аппаратный контроль работы микроконтроллера.

Помимо перечисленных возможностей, БФУС-2 содержит ряд конструкторских решений обеспечивающих ему вибро и ударопрочность, надёжную работу при температуре от минус 10 до +60°С и высокую помехоустойчивость при эксплуатации в условиях тяжёлой электромагнитной обстановки. 

Были проведен комплекс испытаний на климатические и механические воздействующие факторы, а так же функциональные испытания и испытания на стойкость к дезактивирующим растворам. Проведён весь комплекс работ по верификации встроенного ПО. ПК БФУС-2 применён в системе управления полярным краном (ПТС СУПК), в составе которой прошёл дополнительные испытания на электромагнитную совместимость (рис. 3).

Проведённый анализ технологического оборудования представленного ведущими производителями на Российском рынке, показал, что БФУС-2 выгодно отличается от аналогов, как по функциональным возможностям, так и стоимости. Для построения систем управления на основе устройств других производителей, обеспечивающей реализацию многих функций БФУС-2, необходимо достаточно большое количество дополнительных дорогостоящих блоков. Сравнительный анализ БФУС-2 с аналогами ведущих производителей по функциональным возможностям и по стоимости представлен в таблице 1.

Надпись «Доп. модуль» означает, что необходимо применить дополнительный модуль, «внешний» - необходимо подключить внешний модуль по одному из доступных интерфейсов, «----» - функция не поддерживается данным производителем.

Таким образом, ПК БФУС-2 является универсальным инструментом для разработчиков АСУТП, позволяющим объединять изделия различных производителей промышленной электроники в единую систему управления. Высокая отказоустойчивость, универсальность и относительно невысокая стоимость, позволяет применять ПК БФУС-2 как в простых системах управления, так и в высоконадёжных АСУТП, предназначенных для эксплуатации на сложных и ответственных техногенных объектах. 

В.В. Коробкин, А.Н. Перчиц, Н.А. Петренко, А.П. Кухаренко

НИИ МВС ЮФУ, Таганрог, Россия