В нашей предыдущей статье мы рассмотрели стандарт IEC 61499 и его реализацию в решении 4diac - аппаратной платформе с поддержкой Ethernet APL. В данной статье предлагаю рассмотреть более предметно технические и структурные решения, разрабатываемые компанией Инсол.
Введение
Предлагаемая архитектура, построенная в строгом соответствии со стандартом IEC 61499, фундаментально меняет традиционный подход к построению АСУ ТП (рис. 1). Её ключевая особенность – полное отсутствие централизованных шкафов автоматики. Вместо них интеллектуальные устройства распределяются по объекту, что сокращает затраты на кабельную инфраструктуру и монтаж. В операторной требуется разместить лишь систему бесперебойного питания (ИБП) и коммутаторы для агрегации трафика.
Данная структура является экосистемой для распределённой автоматизации нового поколения.
В разнообразии решений промышленной автоматизации всё острее ощущается потребность в комплексных решениях, которые объединяют вычислительную мощность, сетевое взаимодействие и гибкое уп равление в едином бесшовном пространстве.
Ответом на этот вызов становится связка двух устройств: Insol-Node и Insol-1000 – формирующая готовую экосистему для построения сквозных систем IIoT и Industry 4.0 (рис. 2).
Insol-Node: универсальный вычислительный и сетевой хаб
Что получится, если объединить в одном корпусе полноценный компьютер, управляемый коммутатор 2-го уровня, внешний накопитель на сотни гигабайт, базу данных с OPC UA-сервером на тысячу переменных, среду исполнения для распределённых ПЛК по стандарту IEC 61499 и встроенную веб-SCADA? Ответ – Insol-Node.
Это устройство выполняет роль мощного концентратора и шлюза верхнего уровня. Его ключевые компоненты раскрывают целый спектр возмож ностей.
Вычисления и хранение данных: наличие полноценной вычислительной платформы позволяет запускать сложную логику, базы данных исторических трендов и аналитики, что выходит за рамки возможностей типичного программируемого конт роллера.
Сетевое ядро: встроенный управляемый коммутатор организует структурированную сетевую топологию, обеспечивая сегментацию трафика, приоритизацию данных и надёжное соединение между всеми элемента ми системы.
Полевая сеть: десяток изолированных портов Ethernet-APL с поддержкой питания (PoDL) по каждому каналу – это прямой выход в поле. Технология APL позволяет по двухпроводной линии передавать данные и питание на расстояние до 1500 метров, что критически важно для подключения датчиков и исполнительных механизмов в условиях процессной автоматизации и взрывоопас ных зон.
Единая программная среда: интеграция OPC UA-сервера, веб-SCADA и среды выполнения IEC 61499 создаёт целостную среду для разработки, управления и визуализации.
Инженер может в одном веб-интерфейсе настраивать проект как в режиме разработки (develop), так и в режиме исполнения (runtime), без необходимости установки дополнительного ПО.
Вторым базовым элементом системы выступает распределённый контроллер Insol-1000. Его архитектура строится на общей шине Insol-Bus, к которой подключаются необходимые модули расширения (дискретные, аналоговые и другие). Адресация модулей задаётся механическим переключателем на лицевой панели, а система их автоматически распознаёт, максимально упрощая процесс конфигурации и замены.
Ключевой особенностью контроллера является присвоение физическим каналам именных алиасов. Вместо работы с малопонятными «сырыми» адресами (вроде addr:0, channel:1, type:dout5) инженер оперирует понятными именами, например «Температура_Реактора_А». Эти алиасы напрямую доступны в среде разработки 4diac (реализация стандарта IEC 61499), что значительно ускоряет программирование и снижает количество ошибок.
Insol-1000 также обладает развитыми коммуникационными возможностями:
Modbus-мастер: два порта RS-485 работают в режиме мастера для опроса периферийных устройств (датчиков, частотных преобразователей). Переменные Modbus становятся равнозначными физическим каналам в среде 4diac, а конфигурация интерфейса производится через удобный веб-интерфейс.
Modbus TCP-клиент: устройство может выступать в роли подчинённого Modbus TCP-устройства. В этом режиме внешние системы (например, главная SCADA завода) получают доступ как к данным физических входов контроллера, так и к переменным, созданным и вычисленным в логике 4diac.
Единая экосистема: синергия компонентов
Вместе Insol-Node и Insol-1000 образуют мощную и гибкую платформу. На текущий момент серия поддерживает ключевые промышленные про токолы:
внутренние протоколы 4diac для рас пределённого управления;
проприетарный протокол «Insol-Net»;
Modbus TCP для интеграции со сторонними системами.
Находится в стадии разработки поддержка таких высокоскоростных протоколов, как PROFINET и EtherCAT, что ещё больше расширит область применения системы.
4diac: Инструмент для бесшовной разработки распределённых систем управления
Среда разработки 4diac, являющаяся эталонной реализацией стандарта IEC 61499, предлагает интуитивно понятный и дружелюбный интерфейс для проектирования распределённых систем автоматизации.
Основная работа ведётся в System Explorer (рис. 3), который предоставляет доступ к трём ключевым элемен там проекта:
Application – создание основной ло ги ки программы.
System Configuration – конфигура ция аппаратного обеспечения.
Module Library – хранилище программных блоков (как стандартных, так и пользовательских).
Процесс настройки оборудования интуитивно понятен и не требует написания сложных конфигурационных файлов. Инженер просто добавляет на рабочее поле Ethernet-устройства, такие как Insol-Node и Insol-1000, после чего задаёт для каждого из них сетевые параметры: IP-адрес и порт (для Insol-1000 обычно используется порт 61499). Важно отметить, что на Insol-Node можно разместить несколько независимых приложений, работающих на разных портах. Можно распределять нагрузку между приложениями следующим образом: одно выполняет реальные задачи, другое используется для отладки новых компонентов.
Результатом этой настройки становится схематичное изображение всей системы, наглядно отображающее состав оборудования и сетевые связи между компонентами.
Application: визуальное программирование с событийной моделью
Непосредственное создание приложения управления заключается в компоновке программы из готовых блоков, доступных в Библиотеке элементов. Основой для их работы служит событийная модель (Event-Driven) (рис. 4).
Принцип работы событийной модели:
Включается по событию: функциональный блок выполняет свою алгоритмическую функцию только при получении сигнала на свой вход события (EI или REQ).
Сообщает о завершении: по окончании вычислений блок генерирует выходное событие (EO или CNF), которое, в свою очередь, может запустить следующий блок в цепочке.
Структура функционального блока:
Входы/выходы событий определяют, когда блок выполняется и когда он завершает свою работу.
Входы/выходы данных отвечают за передачу значений переменных и состояний между блоками.
Итог: среда 4diac позволяет не только визуально сконфигурировать систему, но и создать распределённую программу, где логика чётко разделена и выполняется строго по факту наступления определённых условий, что в полной мере соответствует принципам построения современных АСУ ТП.
Архитектура «Издатель-Подписчик»: простота, скорость и визуальное программирование
В сетевом разделе библиотеки модулей представлены два типа функциональных блоков, заслуживающих особого внимания, – «Издатель» (PUBLISH) и «Подписчик» (SUBSCRIBE).
Логика их работы проста и элегантна: блок Издатель передаёт данные по сети, используя внутренний идентификатор (ID), а неограниченное количество Подписчиков может одновременно получать эти данные. Это формирует основу для построения масштабируемых и гибких решений.
При этом простота не достигается в ущерб производительности. Проведённый стресс-тест, в котором 30 устройств серии 1000 были соединены в последовательную цепочку (каждое устройство выступало и подписчиком, и издателем), показал впечатляющий результат: сквозная задержка распространения данных по всей цепочке не превысила 50 мс. Это доказывает, что данная архитектура идеально подходит для систем управления реального времени.
Разработчику следует помнить, что у высокой скорости передачи есть оборотная сторона медали. 4diac использует UDP-соединение (без подтверждения доставки), и для критически важных событийных сигналов надо разрабатывать триггерную схему передачи данных.
Привязка к «железу» («Map to»): после создания программной логики её необходимо сопоставить с физическими устройствами. Это делается одним щелчком мыши с помощью команды «Map to» в контекстном меню. Элементы приложения автоматически окрашиваются в цвета тех устройств, за которыми они закреплены.
Инициализация и запуск (Deploy): важно подключить программу к инициализирующему событию. После этого выполняется команда «Deploy» – она загружает программу в ОЗУ целевых устройств и немедленно запускает её на выполнение.
Онлайн-отладка: система предоставляет удобные инструменты для отладки в реальном времени. Инженер может вручную инициировать события и в режиме онлайн отслеживать прохождение сигналов между блоками, что делает процесс поиска и исправления ошибок быстрым и наглядным.
Создание автономного образа (Boot File): после полной отладки программы создаётся Boot-файл. По сути, это XML-описание всего приложения: все экземпляры блоков, их параметры и связи. Этот файл записывается во флеш-память устройства и автоматически запускается при каждом его включении, обеспечивая полную автономность работы системы.
Создание собственных функциональных блоков
Любая мощная система должна позволять расширять свой функционал. 4diac обладает комфортным и продвинутым инструментарием для создания пользовательских функциональных блоков (ФБ) (рис. 5).
Процесс их создания выглядит следующим образом. В интегрированной среде разработки (IDE) создаётся новый типовой ФБ, где описываются все его входные и выходные события и данные. Типовой ФБ может содержать несколько алгоритмов, разработанных на привычном языке структурного текста (ST) стандарта IEC 61131-3. Далее графически создаётся ECC-диаграмма (State Machine), которая определяет, какой алгоритм и в какой последовательности будет выполняться в зависимости от того или иного события. Система автоматически интерпретирует созданный пользовательский блок в код на языке С++. Полученный C++ файл добавляется через веб-интерфейс Insol-Node, где происходит его фоновая компиляция, полностью скрытая от пользователя. После этого функционал нового блока становится доступен во всех приложениях Insol-Node.
На данном этапе развития продукта мы убрали возможность создания пользовательских блоков для Insol-1000, чтобы повысить отказоустойчивость, учитывая тот факт, что они находятся «в поле» и оперативный доступ к ним может быть затруднён. Но создание простых ПИД-регуляторов, алгоритмов защиты и прочее доступно пользователю в полной мере.
Интеграция в базу данных и OPC UA сервер
В базовой поставке от компании «ИНСОЛ» доступны специальные функциональные блоки для записи и чтения данных различных типов во встроенную базу данных. Максимальное количество переменных для записи в БД ограничено 5000, при этом гарантированная скорость чтения/записи одной переменной не превышает 50 мс. Интеграция с внешними системами (такими как MES или ERP) осуществляется через OPC UA-сервер, который конфигурируется как отдельное приложение-надстройка над базой данных.
Визуализация: встроенная SCADA-система FUXA
«Вишенкой на торте» всей экосистемы является встроенная SCADA-система на базе FUXA. Это полностью веб-ориентированное решение, работающее как в режиме разработки, так и в режиме runtime. Система поддерживает графическую динамику, построение трендов, имеет собственную базу данных и может подключаться к данным через Modbus TCP или в качестве OPC UA-клиента к серверу, работающему на Insol-Node.
Данный инструмент позволяет быстро, «прямо здесь и сейчас», создавать и вводить в эксплуатацию мнемосхемы и панели оператора, что делает его отличным решением для задач визуализации в составе комплексной платформы.