разд.матерТТ / Раз.м.ТТ-14 / Соврем.-ЭиУСУ / Интеллект.датч

УДК 004.384 (075.8)

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ДАТЧИКИ: НОВЫЕ СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ И НОВЫЙ УРОВЕНЬ ПОЛЕВОЙ   АВТОМАТИКИ 

Рейзман Я.А., Островский М.А., Красовский В.Е.

Скачать

Описаны преимущества для потребителей  и  производителей, обеспечиваемые встраиванием “интеллекта” в низовые компоненты полевой  автоматики  (датчики  и  исполнительные механизмы). Рассмотрены различные аспекты, связанные с проведением разработки в рамках существующих технологий.

Изложены основные  элементы  созданной в ОАО ИНЭУМ технологии СМ9107, позволяющей существенно сократить затраты (ресурсов и времени) на разработку интеллектуального первичного преобразователя и, прежде всего, исключить из процесса разработки посредничество специалиста в IT (программиста).

Современные условия планирования и управления, уровень распространения и масштаб систем  автоматики  устанавливают приоритет условий бесперебойности функционирования, гибкости модернизации и снижения затрат на разработку, установку и обслуживание и модернизацию систем. Во многом реализация указанных условий связана с переходом на последовательные каналы связи и программную обработку информации на уровне первичных преобразователей.

Общие вопросы, связанные с реализацией этих условий, преимущества использования полевых шин и раздельной реализации самостоятельных задач в компонентах системы рассмотрены в статье “Каналы, контуры, системы: человеческий фактор и новые инструменты надёжных решений”, опубликованной в этом выпуске журнала. Рассмотрим новые возможности датчиков, связанные с использованием микроконтроллеров в их реализации, а также преимущества применения таких устройств в системах.

Новые возможности на уровне первичных преобразователей

Основой встраиваемого в первичный преобразователь интеллекта является микроконтроллер. Широта номенклатуры, миниатюрность, индустриальные климатические исполнения, вычислительные возможности 8-и и 16- разрядных микроконтроллеров, исчерпывающие возможности ввода-вывода и поддержки промышленных шин, позволяют существенно сократить количество  элементов  в аппаратуре, снизить потребление, уменьшить габариты и увеличить надежность, обеспечить помехоустойчивость передачи информации на произвольные расстояния. Применение микроконтроллеров обеспечивает столь значительное повышение функциональной привлекательности устройства при столь низкой стоимости, простоте и надёжности его аппаратной реализации, что для рассматриваемого класса устройств альтернативной элементной базы просто не существует.

Основные возможности и преимущества применения микроконтроллеров на уровне датчиков состоят в следующем:

• надёжность и широкие возможности цифровой обработки сигнала сенсора, обеспечивающей компенсацию уникальности сенсорного элемента, фильтрацию помех и ложных срабатываний, учёт параметров влияния (принимаемых по сети), возможность хранения в памяти датчика градуировочных таблиц и др. параметров адаптации и расчёт измеряемых физических величин в стандартных аппаратно-независимых единицах, сохранение накопленных результатов и ведение архивов событий;

• возможность улучшения метрологических характеристик преобразователя и увеличения уровня выхода годных изделий за счёт внутренней программной корректировки систематических погрешностей и фильтрации отклонений в поведении сенсорного элемента;

• возможность расширения диапазона измерений, особенно в область слабых сигналов, при одновременном повышении помехоустойчивости благодаря возможностям программной фильтрации, коррекции и компенсации;

• в ряде случаев возможность упрощения конструкции датчика с заменой механических настроек и компенсаций на программные,

• возможность исполнений с низким электропотреблением, позволяющим:

• поддерживать функции датчика при пропаданиях питания,

• использовать для питания линию связи (с подсоединением по 2 проводам),

• реализовать устройства с типом взрывозащиты “искробезопасная цепь”, позволяющих существенно упростить построение систем для взрывоопасных производств.

Для применения таких датчиков дополнительное метрологически-сертифицированное оборудование, “вторичные” блоки и УСО не требуются. Метрология системы определяется только метрологией первичных преобразователей.

Организация, технология и цена интеллектуализации

На фоне значительного снижения стоимости разработки и производства аппаратной части преобразователя (сделавшей интеллектуализацию, в принципе, доступной многим производителям), разработка надёжного и легко поддерживаемого внутреннего программного обеспечения связана с принципиальными проблемами для большинства поставщиков этой продукции. Причём, эти проблемы характерны вообще для программирования любых (и особенно специализированных) контроллеров.

Для решения проблем повышения надёжности и снижения стоимости / длительности разработки созданы системы технологического программирования, позволяющие минимизировать работу и увеличить надёжность за счёт отделения постоянной и независимой от прикладной задачи части ПО (которое создаётся профессионалом) от собственного прикладного ПО, которое может быть разработано без привлечения профессиональных программистов. Наиболее распространённой такой системой программирования является система IsaGraf.

Основным отличием таких систем является возможность разработки программ на графическом языке функциональных блок-схем, известном уже более 50 лет, независящем от применяемых вычислительных средств и интуитивно понятном любому инженеру благодаря наглядности графического представления и использованию простых блоков (таких как сумматор, переключатель, фильтр, счётчик и др. ), соединяемых “проводами”.

Но проблема заключается в том, что системы типа IsaGraf ориентированы на подходы по организации внутреннего ПО контроллера, предполагающие наличие значительных ресурсов памяти и вычислительной мощности. Но такие ресурсы вряд ли будут доступны по экономико-технологическим причинам для 8-и и 16-разрядных микроконтроллеров, да и вряд ли адекватны уровню рассматриваемых задач.

Так как для разработки ПО встраиваемых контроллеров применение распространённых систем типа IsaGraf в большинстве случаев невозможно, то для программирования интеллектуальных преобразователей и других целевых  устройств  большинство разработчиков применяет базовые средства программирования на языке Си, рассчитанные на квалифицированного программиста. Возможно, это обосновано в условиях крупных западных фирм, однако для большинства отечественных производителей в условиях дефицита квалифицированных специалистов это существенно увеличивает риски (см. “Каналы, контуры, системы: человеческий фактор  и  новые инструменты надёжных решений”).

Интеллектуальные датчики новые инструментальные средства

Опыт разработки в области компонентов  и  систем  автоматики  различного масштаба и назначения (включая устройства спецавтоматики, датчики, исполнительные механизмы), полученный специалистами ИНЭУМ, привёл к созданию технологии СМ9107, ориентированной на снижение затрат на разработку, обслуживание и развитие компонентов и систем при принципиальном повышении надёжности. Одним из основных  элементов  технологии СМ9107 является CASE-система CONField [1], делающая доступным программирование на графическом языке функциональных блок-схем (FBD МЭК 1131-3) широкой номенклатуры недорогих 8- и 16- разрядных микроконтроллеров. При этом, разработка в CONField прикладного ПО сводится к “рисованию” функциональных блок-схем, аналогично распространённым системам технологического программирования. Вместе с тем, библиотека функциональных блоков CONField отличается существенным расширением номенклатуры компонентов и готовых решений для задач аналоговой и цифровой обработки сигналов - наиболее важной части задач интеллектуального датчика.

Рис. 1

CONField является открытой системой с точки зрения поддерживаемых микроконтроллерных платформ. Подробную информацию и последние новости по разработкам на базе технологии СМ9107 и инструментальным средствам CONField можно найти на сайте .

Заключение

Применение CASE-системы CONField группой опытных заводов не просто резко снизило затраты предприятий на разработку и поддержку ПО обновлённой продукции, а сделало это вообще возможным при известном дефиците квалифицированных специалистов, обеспечивая предприятию возможность самостоятельно модернизировать свою продукцию и легко адаптировать даже мелкие партии под требования конкретного заказчика.

Возможность модернизации программного содержания интеллектуальных компонентов обеспечивает наиболее эффективную стратегию защиты интеллектуальной собственности: временной разрыв между вашим оригиналом и контрафактной копией предоставляет возможность постоянного опережения за счёт низких затрат на модернизацию; возможность создания программой реализации для разработчика сенсорной методики без привлечения посредников позволяет получить дополнительную защиту.

Литература

1. Управляющие вычислительные комплексы: Учеб. пособие. Под ред. Н.Л. Прохорова. –М.:Финансы и статистика, 2003.

2. Дж. Уикзер. Соединяемость: интеллектуальные датчики или интеллектуальные интерфейсы // Датчики и Системы. 2002. №10.

3. Островский М.А., Рейзман Я.А. ИНЭУМ представляет инструментальную систему нового поколения CONField v 2.0. КИП и автоматика: обслуживание и ремонт, № 11, 2006.

Рейзман Яков Александрович – к.т.н., вед. науч. сотрудник ОАО “ИНЭУМ”

e-mail: [e-mail];

Островский Михаил Александрович – к.т.н., нач. отдела ОАО “ИНЭУМ”

e-mail: [e-mail];

Красовский Виктор Евгеньевич – к.т.н., проф., уч. секретарь ОАО “ИНЭУМ”, тел. [phone], e-mail: [e-mail]