Решения ICOP для изолированной системы промышленной автоматизации

  • 63
  • Поделиться
  • Пожаловаться

На сегодняшний день развитие процессов производства происходит в соответствии с международными стандартами, такими как ISA-95, от IEC 62264.1 до 62264.6, и другими. Не вдаваясь в подробности, суть такого подхода заключается в объединении всех производственных процессов в единую экосистему, представленную в виде пирамиды, где снизу располагается уровень «устройств» (оборудование автоматизации), а сверху уровень «предприятия» (ERP, управление персоналом, бизнес-процессы, планирование).

Такой подход, безусловно, имеет ряд преимуществ, связанных с простотой получения и анализа данных на всех этапах производства, использованием последних достижений отрасли телекоммуникаций, что в результате позволяет снизить себестоимость продукции, повысить ее качество, оптимизировать систему управления персоналом. Исходя из перечисленных преимуществ, формулируется главный недостаток современного производства: зависимость от внешних компаний и их продуктов, главным образом, программного обеспечения. Это, в свою очередь, ставит под угрозу как конфиденциальные данные, связанные с производственными процессами, так и само обеспечение непрерывности производства, а также невозможность его прерывания извне.

В этом смысле определяющим является подбор качественного промышленного оборудования, поддерживающего большой выбор ПО, преимущественно с открытым исходным кодом, и способного работать в рамках локальной сети без необходимости обмена данными с внешними источниками. Именно к такому классу устройств и относятся процессорные платы от компании ICOP, и сейчас разберемся почему.

Процессор

В 1989 году был основан концерн DM&P Group, включающий в себя несколько подразделений, основными из которых являются сама DMP Electronics и ICOP Technology. Первое подразделение отвечает за выпуск собственных процессоров с кодовым названием Vortex, а второе выпускает промышленное оборудование на его основе. Процессоры являются х86-совместимыми, что открывает огромные возможности применения ПО в системах на их основе. Несмотря на невысокую вычислительную мощность сравнительно с продукцией таких компаний, как Intel и AMD, серия Vortex обладает неоспоримыми преимуществами. Это низкое энергопотребление и тепловыделение, демократичная цена, широкий диапазон рабочих температур, а также поддержка огромного количества операционных систем, включая те, которые не могут корректно работать с новыми процессорами от флагманов рынка. Из этого следует возможность работать с приложениями, изначально созданными под архивные ОС без каких-либо доработок и ограничений.

Дополнительно стоит отметить, что, по заявлению ICOP, с выходом ядра Linux 5.16 в ноябре 2021 года и всех последующих версий, значительно улучшена совместимость Linux-образных ОС c процессорами семейства Vortex. В частности, добавлено корректное определение процессора, распределение его ресурсов, поддержка 64-битных приложений.

Краткий список поддерживаемых операционных систем у двухъядерного процессора Vortex86DX3 для примера представлен ниже.

Таблица 1. Поддержка ОС на Vortex86DX3

Семейство Windows Семейство Linux RTOS
Windows 7 Debian QNX
Windows Embedded Standard 7 Ubuntu LynxOS
Windows Embedded Compact7 Gentoo VxWorks
Windows XP Lubuntu
Windows Embedded 2009 OpenSUSE
Windows CE6.0 Fedora
Tiny Core
CentOS

* Поддержку конкретных номерных версий систем следует уточнять на сайте производителя.

Стоит упомянуть последний на данный момент, серийно выпущенный компанией DM&P процессор — Vortex86EX2. Он обладает уникальной архитектурой с двумя независимыми ядрами, что позволяет одновременно запускать две ОС и BIOS без влияния друг на друга. SoC с архитектурой x86 имеет ядро Master с частотой 600 МГц «для пользовательского интерфейса» и ядро Slave с частотой 400 МГц «для ввода-вывода в реальном времени», согласно терминологии DM&P. Ядра Vortex86EX2 имеют собственные FPU, блоки DDR3 и могут быть сконфигурированы в отказоустойчивом режиме. Процессор поддерживает 10/100 Ethernet, CAN, шины PCIe и ISA среди прочих входов/выходов, рабочая температура составляет от -40 до +85 °С.

В таблице 2 приведены основные характеристики процессоров Vortex86EX2 и Vortex86DX3, которые довольно схожи между собой. Принципы поддержки множества ОС и портов ввода/вывода, включая классические и редко встречающиеся на современных материнских платах, но всё еще активно использующиеся в реальном промышленном оборудовании, распространяются и на более ранние процессоры семейства Vortex.

Таблица 2. Основные характеристики процессоров

Vortex86EX2 Vortex86DX3
Frequency 600 MHZ (typ.) 1000 MHZ (typ.)
Core Two (600+400 MHz) Dual
Process 65nm 40nm
FPU Yes Yes
L1 Cache 16KB C/D Cache 16KB C/D Cache
L2 Cache 128KB 256KB
BIOS Flash N/A 8MB
DRAM Bus 16-bit DDR3, 2GB Max. (2-bit ECC) 32-bit DDR3 2GB Max.
GPU N/A
(External PCI Graphic chip,
Vortex86 VGA is available)
2D Engine, CRT/LCD,
UMA, Dual Display
HD-Audio Yes Yes
WatchDog 2 2
PCI Bus PCI + PCIe x 2 PCIe x 2
ISA Bus Yes Yes
LPC Bus N/A N/A
USB USB 2.0 Host x 2 USB 2.0 Host x 4
USB 1.1 Client x 1
Serial Port 10 max. 9 max.
GPIO Port 128-bit max. 88-bit max.
Ethernet (10/100Mbps) 2 1
SD/MMC 3 2
SATA/IDE N/A IDE + SATA
Parallel Port 1 1
CAN 2 0
I2C 2 2
SPI 2 2
ADC 12-bit x 16 chan. 11-bit x 8 chan.
Package Size 19×19 mm 31×31 mm
Ambient Temp -40 ~ +85 °C -40 ~ +85 °C

Раскрытие потенциала семейства Vortex в широком ассортименте плат ICOP

Как часть концерна DM&P Group, ICOP выпускает процессорные платы на базе процессоров Vortex в практически всех популярных форм-факторах, использующихся в промышленности и оборудовании для АСУ ТП. Акцент делается на миниатюрные встраиваемые платы, способные реализовать конкурентные преимущества процессоров Vortex в энергопотреблении, низком тепловыделении и рабочем температурном диапазоне. Все решения ICOP изготавливаются с учетом требований, предъявляемых к промышленному оборудованию, безвентиляторные, что положительно сказывается на прочности и виброустойчивости, большинство модификаций поддерживает режим работы от -40 до +85 °C и подходит для использования в суровых погодных условиях.

Основой продуктовой линейки ICOP являются, прежде всего, модульные и встраиваемые платы, хотя существуют решения формата mini-ITX и ряд других. Ключевым назначением плат ICOP является их имплементация в готовые решения широчайшего профиля, они могут быть частью роботизированного манипулятора, модуля сбора данных для сложных условий, вычислительной системы, работающей по протоколам RTOS, и многого другого. Важно отметить, что на базе плат ICOP могут запускаться классические ОС, и, соответственно, готовое программное обеспечение, что позволяет решить сразу несколько задач в сжатые сроки и без больших инвестиций. К таким задачам относятся:

  • Масштабирование производства (расширение и оптимизация с использованием предыдущего опыта).
  • Ремонт оборудования (замена процессорных модулей, снятых с производства/недоступных к покупке).
  • Замена аппаратных и программных средств, не имеющих надлежащих допусков и разрешений на территории развертывания производственного комплекса.

На рис. 1 представлены 2 платы — модульная VEX2-DIP168 и встраиваемая VEX2-6427. Они имеют схожую архитектуру, вычислительную мощность и сферы возможного применения. Принципиальные же их различия заключаются в следующем, и, в целом, распространяются на все модульные и встраиваемые решения ICOP:

Сравнение модульных и встраиваемых плат ICOP

Рис. 1
Рисунок 1. Проприетарная модульная плата VEX2-DIP168 (33×55 мм)
Рис. 2
Рисунок 2. Встраиваемая плата VEX2-6427 (стандартный форм-фактор 3.5’’)

Для обеспечения работы модулей пользователю необходима так называемая плата-носитель (carrier-board), на которой располагаются необходимые интерфейсы ввода/вывода с распаянными коннекторами, подведено питание, хранение информации. Фактически встраиваемые платы ICOP представляют собой уже готовое решение — модуль+плата-носитель. Такой подход значительно упрощает имплементацию изделия, поскольку нет необходимости разрабатывать и изготавливать носитель самостоятельно. Для примера модуль VEX2-DIP168 используется не только в рамках форм-фактора 3.5’’, но и в меньшем формате 2.5’’ (VEX2-6415), формате PC/104 (VEX2-6454), где имеется полноценный ISA коннектор для подключения процессорной платы в PC/104 сборку. Более того, присутствуют несколько модификаций каждого типа процессорных плат, где имеются те или иные интерфейсы в различном количестве.

На рисунке ниже представлено сравнение двух плат одинакового форм-фактора, выполненных на одном процессорном модуле.

Порты ввода/вывода плат
Рисунок 3. Порты ввода/вывода плат 1. VEX2-6454-4C4EE/VEX2-6454-4C4NE, 2. VEX2-6450-2C3INE

В итоге можно подобрать и в кратчайшие сроки внедрить решение под конкретную задачу, где требуется, например, поддержка до 10 COM-портов, подключение сенсорного экрана, наличие слота mini-PCIe, аудио-интерфейсов, большого количества GPIO и так далее. Дополнительно стоит отметить и взаимозаменяемость различных классических интерфейсов в рамках продукции ICOP. К примеру, плата VDX3-6724 имеет на борту как шину ISA с возможностью подключения периферии через backplane по аналогии со стандартом PICMG, так и полноценный PC/104 разъем для соединения подключаемых плат через «блочное» соединение (рис 3).

Плата VDX-6724
Рисунок 4. Плата VDX-6724 c подключенным PC/104 модулем

Если же ни одно из имеющихся встраиваемых решений не подходит, существует вариант разработки изделия на базе процессорного модуля ICOP, что позволяет не только максимально раскрыть потенциал процессора Vortex под конкретную задачу, но и обеспечить подключение любой периферии по кастомным интерфейсам. На рис. 4 представлен модуль SOM304D3 на базе процессора Vortex86DX3.

Внешний вид модуля
Рисунок 5. Внешний вид модуля SOM304D3

Его основные характеристики представлены в таблице 3 ниже. Помимо встроенного видеочипа и впаянной памяти DDR3, модуль обладает огромным потенциалом для кастомизации решения на его основе. Цифра «304» в названии указывает на общее количество контактов, через которые модуль подключается к плате-носителю. Ряд из них зарезервирован, а другие являются полностью программируемыми под задачи пользователя (User-Defined Function). Как видно из блок-схемы модуля и его распиновки (рис. 5), при внедрении модуля разработчик получает до 80 программируемых вводов/выводов и других интерфейсов, таких как I2C и SPI. Все это сделано для возможности подключения/расположения на плате-носителе нужных аппаратных средств в необходимом количестве в каждой узкой проектировочной задаче.

Таблица 3. Основные характеристики SOM304D3

Процессор

DM&P SoC CPU Vortex86DX3 1GHz, L1:16KB -Cache, 16KB D-Cache, L2 Cache: 256KB

Оперативная память

1/2GB DDR3 Onboard

BIOS

AMI BIOS

Watchdog Timer

Software programmable from 30.5 u sec. to 512 sec. x 2sets

I/O Interface
Зарезервированные

PCIe (Ver1.1) x2 │ ISA (16-bit) x1 │ SATA (Ver1.0) x1 │ USB (Ver2.0) x4 │ HD Audio x1 │ PS/2 Keyboard x1 │ PS/2 Mouse x1

Поддерживаемые ОС

Free DOS │ DOS6.22 │ PCDOS 7.1 │ DR-DOS │ x-DOS│OS/2 │ Windows 7 │ Windows Embedded Standard 7

Windows Embedded Compact 7 │ Windows Embedded CE6.0 │ Windows XP Professional │Windows XP Embedded

POS Ready (WePOS) │ Embedded Linux │ QNX │ VxWorks │ FreeBSD


Блок схема и распиновка модуля
Рисунок 6. Блок схема и распиновка модуля SOM304D3 (P0-9 соответствует кастомизируемым 4-pin разъемам)

Что касается оперативной памяти и накопителей информации, то с учетом специфики продукции в практически всех процессорных модулях и платах, ОЗУ уже впаяна. Для накопителей информации существует несколько используемых интерфейсов, помимо впаянной памяти eMMC на некоторых платах, активно используются Compact Flash и SATA DOM накопители (рис. 6), прежде всего из-за своей скорости работы и компактности.

Подключение платы
Рисунок 7. Подключение платы VDX3-6754

В целом продукция ICOP занимают свою нишу в рамках выполнения задач промышленной автоматизации в тяжелых условиях, разработки аппаратуры и бортовых комплексов специального назначения с особыми допусками к прочности, стабильности и безопасности, а также модернизации и масштабирования готовых производственных линий и решений.

#автоматизация #по

Источник: Компания «Ниеншанц-Автоматика»

Информация о компании

«Ниеншанц-Автоматика» — это команда профессионалов, готовых поделиться опытом и наработками в сфере высоких технологий. У нас есть все для того, чтобы заказчик мог в короткие сроки реализовать свой проект: более 25 лет опыта, широкий ассортимент товаров и складских запасов, высококвалифицированные инженеры, индивидуальные условия. Мы постоянно растем и развиваемся, повышаем квалификацию и наращиваем список партнеров и поставщиков, чтобы предоставлять нашим клиентам самые современные технические решения.
Лента публикаций