Линейка контроллеров RPAC: жесткий детерминизм Xenomai и МЭК 61131-3 «из коробки»

Современный этап развития систем промышленной автоматизации характеризуется интенсивным смещением вычислительной нагрузки из централизованных верхних уровней непосредственно к источникам данных - на уровень граничных вычислений. Проектирование распределенных систем требует от управляющих устройств высокой вычислительной мощности, информационной безопасности, жесткого детерминизма при обработке технологических циклов и развитой сетевой периферии при сохранении компактных габаритов. В рамках этой парадигмы компания ICP DAS представила семейство программируемых контроллеров серии RPAC. В экосистеме производителя данная линейка занимает промежуточное, но наиболее технологически продвинутое положение:

В отличии от XPAC и WinPAC, в новой линейке разработчики перешли на 64-битную архитектуру и Linux. Это кратно увеличило производительность процессора и памяти, убрав ограничения старых платформ Windows Embedded. Преемственность со средой разработки Win-GRAF при этом полностью сохранили. В отличии от контроллеров LinPAC, которые ориентированы на классическую разработку прикладного ПО на языках C/C++, что усложняет быструю интеграцию стандартных полевых шин, серия RPAC поставляется с предустановленным исполнительным рантаймом Win-GRAF. Это обеспечивает готовность к работе по стандарту МЭК 61131-3 «из коробки» в сочетании с глубокими возможностями кастомизации на системном уровне Linux.

Аппаратная архитектура и модельный ряд

Линейка RPAC в настоящее время включает в себя 3 ключевые модели, дифференцированные по производительности вычислительного ядра, топологии корпусов и специализированному функциональному назначению. На текущий момент модель RPAC-2658M находится в статусе массового серийного производства, в то время как модели RPAC-2858M, и RPAC-9848 заявлены к выпуску, точные даты производитель пока не раскрывает.

Вычислительные мощности и подсистема памяти

Для размещения операционной системы, рантайм-модулей и пользовательских проектов во всех трех модификациях применяется встроенный накопитель eMMC объемом 8 ГБ. Расширение постоянной памяти под ведение локальных архивов осуществляется через слот microSD емкостью до 32 ГБ, исключением является модель RPAC-9848, слота на плате нет, все данные пишутся сразу во встроенную eMMC

Особое значение имеет подсистема сохранения критических данных, Retain-переменных, при аварийном отключении питающего напряжения. Все устройства серии несут на борту два типа сверхбыстрой энергонезависимой памяти, работающей без использования литиевых батарей:

• FRAM (Ferroelectric RAM) объёмом 64 КБ. Используется для циклической фиксации текущих параметров процесса, так как обладает практически неограниченным ресурсом по количеству циклов перезаписи. Примечание: переменные, объявленные и хранящиеся в памяти FRAM, не копируются автоматически на пассивный контроллер в цикле синхронизации. Синхронизацию данных FRAM инженеру необходимо реализовывать программно через промежуточные переменные.
• MRAM (Magnetoresistive RAM) объёмом 128 КБ. Обеспечивает высокоскоростное энергонезависимое хранение конфигурационных параметров и системных флагов.

Дополнительно аппаратная часть защищена встроенным двойным сторожевым таймером для контроля зависания ОС и рантайма и уникальным 64-битным аппаратным серийным номером, который применяется для криптографической привязки прикладного программного кода с целью защиты интеллектуальной собственности.

Коммуникационные интерфейсы и поддержка протоколов

Контроллеры RPAC спроектированы как развитые мультипротокольные коммуникационные хабы. Интеграция в вертикальные и горизонтальные структуры промышленных сетей обеспечивается набором физических интерфейсов и встроенным стеком протоколов.

Сетевые интерфейсы. Модели RPAC-2658M, RPAC-2858M и LP-2648M оснащены тремя независимыми портами Gigabit Ethernet (10/100/1000 Base-T). Это позволяет физически сегментировать сеть предприятия: например, разделить технологическую сеть локального ввода-вывода, сеть межконтроллерного обмена и магистраль передачи данных на уровень SCADA/MES. Модель RPAC-9848 укомплектована EtherCAT-разветвителем для построения сквозных, кольцевых и «Daisy chain» топологий.

Последовательные порты. Интегрированы порты RS-232/485 (COM1) и выделенные порты RS-485 (COM2), поддерживающие аппаратное управление направлением передачи данных. Порт COM3 (RS-422) в резервированных модификациях зарезервирован под аппаратный канал контроля работоспособности (Heartbeat).

Программный стек

Рантайм Win-GRAF включает в себя нативную программную поддержку следующих стандартов обмена данными:

1. Modbus TCP/IP & Modbus RTU/ASCII. Работают одновременно в режимах Master (для опроса подчиненных модулей ввода-вывода, частотных преобразователей, датчиков) и Slave (для отдачи данных на панели оператора или верхний уровень SCADA).
2. EtherCAT. Модели RPAC-2858M и RPAC-9848 содержат оптимизированный программно-аппаратный стек EtherCAT Master. Обеспечивается опрос распределенной высокоскоростной периферии и синхронизация сервоприводов с минимальным временем цикла. В качестве распределенных средств ввода-вывода рекомендуется использовать модули ICP DAS, поддерживающие EtherCAT.
3. DCON Protocol. Проприетарный протокол ICP DAS для прямой высокоскоростной интеграции с модулями удаленного ввода-вывода серий I-7000, M-7000.
4. OPC UA Server. Встроенный упрощенный сервер OPC UA обеспечивает бесшовную и защищенную (с поддержкой шифрования) передачу тегов автоматизации непосредственно в современные ERP, MES и SCADA-системы без необходимости развертывания промежуточных шлюзов-конвертеров.
5. MQTT / Web Server / SSH. Реализован стек для интеграции с облачными платформами по протоколу MQTT. Доступны встроенный Web-сервер для организации локальных диагностических HTML-страниц и SSH-сервер для удаленного конфигурирования операционной системы инженером.
6. User-Defined Protocols. Поддерживается низкоуровневый доступ к сокетам TCP/UDP и COM-портам из кода на языке C, что позволяет программировать нестандартные или закрытые отраслевые протоколы обмена.

Среда программирования Win-GRAF

Программное ядро RPAC базируется на операционной системе Linux (в частности, на ядре Linux Kernel 4.14.78). Для обеспечения жесткого детерминизма, критически важного для промышленных ПЛК, поверх стандартного ядра развернута среда жесткого реального времени Xenomai. Технология Xenomai использует двухъядерную архитектуру, внедряя абстрактный слой между аппаратной частью и операционной системой. Это позволяет микроядру реального времени обрабатывать прерывания таймеров и выполнять критически важные задачи управления с наивысшим приоритетом, минимизируя джиттер (отклонение времени выполнения цикла). В то же время стандартные службы Linux (сетевой стек, файловая система, SSH) выполняются в фоновом режиме, не нарушая стабильность детерминированного цикла ПЛК.

Исполнительная система Win-GRAF SoftLogic интегрирована непосредственно на уровне ядра реального времени Xenomai. Это гарантирует стабильную обработку задач и позволяет задействовать встроенные механизмы сверхбыстрого переключения контроллеров в резервированных парах за время, не превышающее 200 мс.

Разработка прикладного программного обеспечения осуществляется в инструментальной среде Win-GRAF Workbench. Поддерживаются все 5 стандартных языков технологического программирования:

• LD (Ladder Diagram) - релейно-контактные схемы;
• FBD (Function Block Diagram) - функциональные блочные диаграммы;
• IL (Instruction List) - список инструкций (ассемблер-подобный язык);
• ST (Structured Text) - структурированный текст (высокоуровневый Паскале-подобный язык для сложных математических расчетов);
• SFC (Sequential Function Chart) - последовательные функциональные схемы для описания пошаговых алгоритмов.

Важной особенностью платформы является возможность выполнения гибридного кода. Инженер может разрабатывать низкоуровневые многопоточные приложения на языке Cи, и запускать их параллельно в Linux. Обмен данными между Linux приложением на Cи (задачи связи, сложные алгоритмы шифрования, СУБД) и МЭК-рантаймом Win-GRAF осуществляется через оптимизированный механизм разделяемой памяти и специализированные функциональные блоки API.

Поддерживается функция Online Change - обновление прикладной программы «на лету» без остановки контроллера и без прерывания технологического процесса.

Сводная таблица технических характеристик моделей RPAC

Линейка программируемых автоматических контроллеров ICP DAS серии RPAC под управлением Win-GRAF представляет собой зрелое, хардкорное архитектурное решение для построения современных распределенных систем автоматизации. Успешная интеграция микроядра реального времени Xenomai позволила разработчикам преодолеть ограничения классических операционных систем общего назначения и гарантировать детерминированность вычислений.