Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Vyvíjet vlastní nebo koupit hotový řídicí počítač?

Na veletrhu SPS/IPC/Drives 2011 v německém Norimberku představila společnost Kontron dvě ukázkové sestavy z kategorie Application Ready Platform určené pro průmyslovou automatizaci, jejichž stavebními bloky jsou hardwarové a softwarové komponenty od firem 3S, Altera, Microsoft, Softing, Wind River a Real-Time Systems a operační systém Linux. Zákazník tak z jednoho zdroje dostane ucelenou sestavu obsahující funkčně validované komponenty od několika různých firem.

Výrobci komponent a zařízení (OEM) často stojí před problémem, že si nevystačí se standardním hardwarem a softwarem, ale pro splnění požadavků kladených na zařízení potřebují jejich specifické úpravy. Na dodávkách celého systému s požadovanou konfigurací se často podílí několik dodavatelů. Na veletrhu SPS/IPC/Drives představila firma Kontron dvě ukázky počítačových sestav pro zařízení průmyslové automatizace (obr. 1), na nichž by se za běžných okolností podílelo minimálně osm dodavatelů. Je otázka, zda se výrobcům OEM vyplatí, aby si všechny stavební bloky zajišťovali u dodavatelů sami a sami je konfigurovali do funkční sestavy. Časově náročná jsou už samotná jednání s dodavateli. V uvedeném případě lze odhadnout, že by schůzky s dodavateli a vzájemné odsouhlasení kontraktu vyžadovalo téměř dva týdny práce. To ještě nemluvíme o tom, že standardní hardwarové a softwarové bloky je většinou třeba přizpůsobit potřebám zařízení, a nemluvíme ani o podpoře komponent v době životního cyklu zařízení. Zde se ukazuje velký potenciál pro zvyšování efektivity vývoje zařízení.

Jestliže jde navíc o systém s vícejádrovým procesorem (jedno jádro může plnit např. funkce řízení v reálném čase, druhé se starat o vizualizaci), přidávají se úlohy, pro které nemají vývojáři OEM klíčové kompetence: je třeba odladit souhru virtualizovaných systémů s jejich různými komponentami. Například vizualizační systém na panelovém PC může s průmyslovou provozní sběrnicí komunikovat ne prostřednictvím jednoúčelového procesoru, určeného pro danou sběrnici, ale prostřednictvím stále populárnějšího programovatelného hradlového pole – FPGA. Implementace komunikačních funkcí do FPGA ovšem v žádném případě není klíčová kompetence konstruktérů a vývojářů OEM. Podobných úloh je v průběhu vývoje zařízení více. Řešením jsou právě integrované průmyslové sestavy – platformy, jejichž ukázky firma Kontron představovala na veletrhu SPS/IPC/Drives.

Kdyby stačilo jednoduše nakoupit všechny komponenty, pospojovat je a systém by začal fungovat, bylo by to jednoduché. Jenže např. u sestav vystavených na veletrhu jsou náklady na softwarovou integraci a konfiguraci téměř 100 000 eur. A to je hlavní argument pro rozhodování, zda komponenty nakoupit od jednotlivých dodavatelů nebo koupit ucelenou sestavu: nabídne mi dodavatel s hardwarovou platformou takové služby, které sníží mé náklady na vývoj zařízení?

Detailní popis ukázkových sestav

První ze dvou ukázkových sestav (obr. 2) je možné použít např. pro kontrolu kvality. Je založena na balíčku FPGA Starterkit COM Express®. Na nosné desce je programovatelné hradlové pole (FPGA) Altera Cyclone IV GX a karty HSMC od firmy Altera, které jsou určené pro připojení I/O k FPGA. Přímo v FPGA je implementovaný komunikační stack pro Profinet od společnosti Softing a na míru navržené IP-jádro pro zpracování videosignálu. S FPGA spolupracuje prostřednictvím hypervizního programu Real-Time Embedded Hypervisor od firmy Real-Time Systems (RTS) runtime CoDeSys s aplikačním programem, běžícím na operačním systému VxWorks. Jako virtuální klient spolupracuje s VxWorks Windows 7 Client, na němž je implementováno rozhraní HMI; oba systémy spolu komunikují pomocí virtualizovaného Ethernetu. To ulehčuje portování hardwarových komponent. K sestavě je prostřednictvím sběrnice Profinet připojen modul vstupů a výstupů Simatic ET200S od společnosti Siemens s osmi digitálními vstupy a osmi digitálními výstupy. K modulu I/O jsou potom připojeny stejnosměrné motory, jež vykonávají pohyby simulující např. pohyb robotu pro úlohy pick and place. Grafické rozhraní ve Windows 7 zobrazuje videosnímek z kamery a HMI.

Systém zpracovává signály ze snímačů i z kamery. Data z kamery se předzpracovávají v FPGA. Jde o ukázkový systém zpracování obrazu; použité standardní algoritmy pro detekci přítomnosti daných předmětů lze snadno upravit podle požadavků zákazníka, a výrobce zařízení tak ušetří čas potřebný k integraci systému zpracování obrazu do řídicího systému. Je-li třeba přizpůsobit systém zpracování obrazu, upraví se jeho implementace v FPGA.

Druhá ukázková sestava (obr. 3) je založena na vestavném jednodeskovém počítači SBC PCIe/104™ s integrovaným multičipovým modulem, který obsahuje procesor Intel® Atom™ E6x5CT a programovatelné hradlové pole (FPGA) Altera Arria II GX 65. Vstupy a výstupy GPIO implementované v FPGA jsou určené pro tlačítko nouzového zastavení, snímač přiblížení, světelný signalizační sloupek a detektor kovu. Ukázková sestava proto může sloužit např. jako kompletní systém pro řízení a zabezpečení balicí linky. Hypervizní program Wind River 1.3 Hypervisor spravuje runtime CodeSys běžící na operačním systému reálného času VxWorks 6.9 a aplikační program na operačním systému Linux. Rozhraní HMI ve Windows je s prostředím CodeSys propojeno Ethernetem. Modul pro komunikaci v reálném čase pomocí protokolu Profinet I/O (RTEM PNIO Device) od firmy Softing je k operačnímu systému VxWorks napojen prostřednictvím sběrnice Profinet. Protože tento modul podporuje i připojení k jiným protokolům průmyslového Ethernetu, je pro výrobce OEM velmi jednoduché zvolit implementaci vlastního protokolu.

Snadné přizpůsobení požadavkům zákazníka

Obě ukázkové sestavy jsou snadno přizpůsobitelné požadavkům zákazníka. To je pro většinu výrobců OEM velmi zajímavá možnost. Výrobci OEM sice často používají jednotlivé komponenty z obou ukázkových sestav, ale dosud je neměli k dispozici jako předem připravenou ucelenou platformu s validovanou kompatibilitou. Jestliže se výrobce OEM spolehne na zkušenosti dodavatele s integrací softwaru a na jeho vývojové kapacity v oblasti spolupráce hardwarových komponent, ušetří cenný čas při vývoji svých specifických systémů. Z hlediska celkových nákladů (TCO) je úspora minimálně 10 %, ale výjimkou není ani 20% úspora nákladů ve srovnání se situací, kdy by výrobce OEM nakupoval každou komponentu zvlášť a o jejich integraci se musel postarat sám. Atraktivní je ale také to, že Kontron tyto sestavy z kategorie Applications Ready Platform ve spolupráci s partnery – dodavateli jednotlivých komponent – dále rozvíjí. Zákazník s dodávkou platformy dostane automaticky také přístup ke všem aktualizacím, opravným balíčkům a budoucím inovacím. Náklady na vývoj a implementaci nových specifických algoritmů do FPGA přitom mohou dosáhnout stovek tisíc eur. K úsporám však dochází i při pouhé integraci standardního softwaru – i zde totiž lze počítat s náklady na integraci v tisících eur. Aplikačně specifické a k okamžitému použití připravené platformy tedy výrobcům OEM v každém případě významně sníží náklady a zefektivní jejich vývojové a konstrukční práce.

Od společnosti Kontron dostanou zákazníci navíc i plnou obchodní a technickou podporu. Kontron na sebe bere veškerou starost o správu licencí a aktualizací. V rámci podpory Kontron nese také veškeré administrativní náklady spojené s validací dodané sestavy. Rozhodnutí pro sestavu Application Ready Platform ušetří výrobci OEM náklady na vývoj hardwaru i integraci softwaru a umožní mu koncentrovat se na vývoj vlastních zařízení.

Norbert Hauser, Kontron AG

Obr. 1 Werner Ressle předvádí na veletrhu SPS/IPC/Drives ukázkové sestavy Application Ready Platform s FPGA určené pro průmyslovou automatizaci

Obr. 2. Funkční schéma sestavy s FPGA založené na COM Express, použitelné např. pro kontrolu kvality

Obr. 3. Funkční schéma sestavy PCIe/104™ s FPGA Altera Arria II GX 65, použitelné např. pro řízení a zabezpečení balicích linek

Vestavný jednodeskový počítač PCIe/104 Microspace MSMST

PCIe/104 MICROSPACE® MSMST od firmy Kontron je jednodeskový počítač (SBC) určený do průmyslového prostředí. Rozsah provozních teplot je -40 až +85 °C. Integrované programovatelné hradlové pole (FPGA) Altera Arria II GX má volně konfigurovatelné vstupy a výstupy. Pro realizaci požadovaného rozhraní potřebuje uživatel jen IP-jádro a odpovídající kartu HSMC. Kontron k tomuto počítači nabízí již hotová a validovaná IP-jádra FPGA.

Nosná deska COM Express s FPGA Altera Cyclone IV GX

Nosná deska COM Express™ s FPGA Altera® Cyclone® IV GX určená pro vývoj uživatelsky specifických aplikací. Dvě desky HSMC (High Speed Mezzanine Card) slouží k připojení I/O adresovaných v FPGA. Jde o ideální základ pro vývoj dedikovaných jednodeskových počítačů SBC, navržených podle požadavků zákazníka, ale stejně poslouží i jako součást sestav COM (Computer-On-Module) založených na architektuře x86.