Вебинар. Интеграция полевых устройств HART через FDT

Не прошло и полугода с момента, когда 10 апреля этого года Бенджамин Брунц и Лауриц Ветцель провели вебинар о подключении устройств HART через FDT. В том числе был небольшой практикум, где в живую показали "как это работает".

Незаметно для нас всё это встроено в TwinCAT. Вы с этим могли встречаться, если были замешаны в перерабатывающей промышленности (Processing Industry, это где одни вещества превращают в другие, а не где рабочие обязаны работать сверх нормы). Как раз в этой промышленности активно используются полевые устройства HART. Небольшую вводную я давал в описании синих, холодных и многобезопасных модулей.

HART — Highway Adressable Remote Transducer. Аналоговый сигнал 4..20мА (рекомендация NAMUR NE43). Широко используется в перерабатывающей промышленности. Позволяет совмещать аналог и цифру, то есть одновременно передавать пропорциональный аналоговый сигнал (амплитуда) и транслировать дискретные цифровые данные (с помощью FSK = Frequency Shift Keying) полнодуплексно и в обе стороны.

DTM — Device Type Manager. Чем-то похож на драйвер устройства. Обеспечивает двусторонний обмен данными между полевыми устройствами (датчиками там всякими) и ПЛК. Он же отвечает за конфигурацию устройства.

FDT — Field Device Tool. Определяет интерфейс и обеспечивает общение между DTM и прикладным уровнем программного обеспечения.

Для работы понадобится TwinCAT 3 build 4022 или новее. Для более старых версий TwinCAT необходимо установить HART-плагин, который можно получить, обратившись в тех. поддержку Бекхофф; ключевые слова: FDT контейнер + Beckhoff ComDTM (PACTware).

Преимущества:

• Можно использовать существующие кабели рассчитанные на 4..20мА.
• Двусторонняя, полнодуплексная связь устройств.
• Возможность простого конфигурирования устройства через DTM.
• Диагностика устройства и расширенная информация поступающая от устройства (если поддерживает).

Недостатки:

• Требует дополнительных усилий на изучение.
• Требуется дополнительное оборудование: соответствующее полевое устройство + модуль расширения (terminal).
• Низкоскоростная передача: 500-800 миллисекунд на цикл. Правда скорость здесь не особо важна, так как главная цель — это целостность данных и полноценный контроль за целостностью данных.

Бекхофф официально входит в FDT группу, поэтому в прайс Бекхоффа входят EtherCAT терминалы с поддержкой HART: EL3182, ELX3181, ELX4181. Если интересуетесь подробностями HART — почитайте документацию этих модулей, там много интересного. Например, кратко, что из себя представляет модуль EL3182 — это 2-канальный аналоговый вход, 16 бит, ±107%, NAMUR NE43, HART; опционально настраивается через HART-плагин, есть FDT контейнер при использовании Beckhoff ComDTM.

Практическая часть

После сканирования шины и боксов, HART терминалы будут выглядеть как обычные модули расширения (например, как обычные аналоговые входа). Различия проявятся в расширенных настройках — в правой части экрана появятся две новые закладки HART и FDT.

FDT позволяет привязать DTM-драйвер устройства к заданному каналу. HART — настроить настройки. Все выполняется очень просто: сканирование, перетаскивание, выбор параметров из списка. Сложности это не представляет, и хорошо показано на вебинаре (знание английского не требуется).

Циклическая и синхронная передача данных в ПЛК-программу настраивается в закладке HART. Мы можем выбрать активный канал (Active Channel), затем перейти во вкладку отображения измеряемых величин (Measured Values Display) и поставить там галку —  циклически передавать данные (Cyclic Process Data). В конфигурации, рядом с веткой Ch.1 AI Inputs, получим новую длинную ветвь — Ch.1 HART Inputs. Эта ветка содержит данные, получаемые от HART-датчика. Линкуем эти параметры с переменными ПЛК-задачи и циклически получаем свежие данные. В описании терминала EL3182, есть раздел Measured values, где все это описано.

Если есть желание получать данные от случая к случаю, то есть асинхронно и когда захочется — существует сервис ADS: IdxGrp = 0xF302; IdxOffs = код команды. Эта информация также есть в описании модуля расширения, в разделе Acyclic services.


Полный вебинар на английском языке: Integration of HART field devices via FDT.

SLC USB 3.0 флешки

Бекхофф переходит на очень надежные SLC USB-флешки для переноса и хранения полезных данных. На чем были построены предыдущие не известно, но вариантов немного: или MLC — как в SSD, или TLC — как в бытовых флешках. По аналогии с 200x рублевыми купюрами, новые флешки выглядят так:

Изображение: Beckhoff Automation

Еще раз — SLC (single-level cells) в теории надежнее, чем MLC и TLC. Там что-то порядка 100 000 перезаписей, против 3 000 и 1 000, соответственно. А еще SLC быстрее всех.

Флешки будут с интерфейсом USB 3.0 и объемом 4, 8, 16, 32 Гб и полной совместимостью с USB 2.0 и USB 1.1. Для желающих, есть разновидность с предустановленными спасительными BST (Beckhoff Service Tool): такие же объемы, но интерфейсы только USB 3 и 2. USB 1.1 для BST не поддерживается.

А раньше были такие:

Изображение: Beckhoff Automation

Или даже такие, возможно, раздаточно-презентационные:

Облачный коплер EK9160

Теперь в станок можно установить коплер EK9160, который будет автоматически собирать сигналы и регулярно жаловаться в облако на фрезеровщика Федора, когда тот в очередной раз запорет фрезу. В конце же месяца региональный менеджер выведет на "плазму" тренд аналитики и все поймет.

• Он тупой (я про коплер) и без мастер-контроллера во главе, зато умеет собирать сигналы и отдавать данные сразу в облако. Программированию коплер не поддается.
• Легко конфигурируется сам и предоставляет доступ к своим модулям на шине через веб-страничку.
• Существует возможностью сохранять и восстанавливать настройки модуля из локального файла.
• Поддерживает EL, EP и другие подчиненные модули шины EtherCAT.
• Отзывчивый и быстрый, со свичом для организации ромашки (сосиски, daisy chain) из роутеров.
• Есть физическая переключалка для простой настройки IP-адреса.
• На борту установлена микро-SD карта объемом 2 гигабайта. Сюда коплер складывает данные, когда облако не доступно.
• Батарейки входят в комплект. Благодаря чему, всегда тикают часы реального времени (RTC). Синхронизация происходит через протокол SNTP. Питание ему все равно необходимо: батарейка подпитывает только часы.
• К коплеру можно подключить коммуникационные модули (например, CAN и/или PROFIBUS) и построить гетерогенную сеть.
• Push-технология избавляет от входящих подключений — это позволяет безопасно и удобно интегрировать коплер в существующую сетевую инфраструктуру. Достаточно просто подключить его к локальной сети с выходом в интернет.

Еще раз — этот коплер независим (standalone). Ему не нужны мастера и другие контроллеры. Именно поэтому его очень удобно встраивать в отдельно стоящие станки, исполнительные механизмы и другие объекты.

Что такое TwinCAT?

Часто встречающийся вопрос: «Я прочитал про вас в …, но я так и не понял… что такое TwinCAT? Что нужно… могу ли я… а можно вместо этого… сколько стоит…». Далее краткое введение в оборудование Бекхофф и систему TwinCAT.

Компактные контроллеры

Компактные контроллеры (Embedded PC, серия «CX») – это полноценные персональные компьютеры с операционной системой Windows, но в компактном корпусе и с возможностью установить на дин-рейку.

Операционная система предустанавливается на заводе-изготовителе. Это может быть как обычная, десктоп версия Windows Embedded XP, Standard 7, так и компактная версия Windows CE 5, 6, Compact 7.

Операционная система может быть заменена на другую, иными словами, контроллер может быть "перепрошит". За исключением младших серий контроллеров, процедура перепрошивки сводится к распаковке содержимого архива на флеш-карту контроллера.

Какую ОС выбрать? Если вам не требуются возможности десктоп Windows (XP, 7, Standart и т. п.) – выбирайте Windows CE (Compact): по крайней мере она быстрее загружается.

Версия TwinCAT также предустанавливается на заводе и может быть выбрана при заказе. Необходимо внимательно формировать заказной номер контроллера, либо обратиться за помощью в региональный центр Бекхофф.

Несмотря на свою компактность, эти контроллеры – полноценные персональные компьютеры, вплоть до ПК с многоядерными процессорами класса Intel Core-i7. Аналогично персональному ПК на них можно запустить базу данных, Word, Excel, интернет-браузер, воспроизведение мультимедиа и одновременно использовать возможности промышленного контроллера.

Промышленные ПК

Промышленные ПК (Industrial PC, серия «C») – полноценные персональные компьютеры в промышленном исполнении. Могут быть как совмещены с графической сенсорной панелью (Panel PC), так и выполнены отдельно, в виде небольшого блока "кирпича" (Control cabinet Industrial PC).

«Panel PC» могут быть как встраиваемые – «built-in Panel PC», так и на штанге - «Panel PC with mounting arm».

Иногда может потребоваться самостоятельная установка и конфигурирование операционной системы, драйверов и системы TwinCAT. По крайней мере, разработчику необходимо быть готовому к тому, что пром. ПК придет "голый".

Графические сенсорные панели

Серия «CP» (Control Panel). По сути, представляют собой обычные мониторы в промышленном исполнении с сенсорным мультитач-управлением. Подключаются к контроллеру через DVI- и USB интерфейсы.

Специальные накладки с дополнительными кнопками, сенсорными трекпадами, USВ-разъемами и пр., позволяют организовать специализированный пульт управления. Например, для управления ЧПУ-станком.

Для увеличения расстояния "панель" – контроллер существуют специальные конвертеры-преобразователи. Специальный программный пакет CP-Link позволяет размножать изображение или строить различные системы вида «много дисплеев – один контроллер».

Модули расширения

Серии «EL», «ES». Модули (EtherCAT Terminal) ввода/вывода сигналов в/из контроллер. Серия «ES» имеет съемную верхнюю панель для удобства монтажа, но увеличивается количество контактных сопряжений.

Кроме модулей перечисленных в статье Физические интерфейсы и модули расширения, существуют специальные защищенные модули для ввода/вывода в полевых условиях (Fieldbus box, серии «EP», «EQ» - сталь, «ER» - цинк-анодированные).

Коплеры

Коплеры (серия «EK») предназначены для упаковки модулей расширения в точки сбора сигналов с последующим объединением коплеров в единую шину. Коплеры могут находиться друг от друга на значительном расстоянии и как следствие позволяют значительно увеличить длину шины.

Сервоусилители

Сервоусилители (серия «AX») для частотного регулирования и управления электродвигателями. Одно- и двухканальные. Данные сервоусилители не имеют встроенной памяти и логических устройств. Они работают только под управлением контроллеров. Из-за этого существуют повышенные требования к быстродействию и производительности контроллера в зависимости от количества «осей» управления, точности, реакции и т. п.

Для подбора комплектации обратитесь в региональную тех. поддержку (см. Disclaimer в подвале блога).

Что такое TwinCAT

TwinCAT – Total Windows Control and Automation Technology (англ.). Технология автоматизации и управления для операционной системы Microsoft Windows. Программно-аппаратный комплекс — набор технических и программных средств, работающих совместно для выполнения одной или нескольких сходных задач автоматизации.

TwinCAT работает только под операционной системой Microsoft Windows (XP, 7, 8, 8.1, 10). Непосредственный запуск TwinCAT из-под Linux, Unix, MacOS – невозможен, но можно запустить из виртуальной машины, не забывая что комплекс программно-аппаратный, т. е. существуют определенные аппаратные требования.

Зачем нужен TwinCAT

Если оставить в стороне вопросы аппаратной части (временно), TwinCAT – это набор программных средств изменяющих операционную систему Windows таким образом, что она превращается в операционную систему реального времени, подходящую для промышленной автоматизации. В то же время, персональный компьютер, на котором эта ОС выполняется, превращается в полноценный промышленный контроллер.

Как итог, разработчик и пользователь получают два устройства в одном: на одном и том же персональном компьютере могут одновременно работать как обычные программы (Word, Excel, Photoshop), так и программы, управляющие технологическим процессом. Еще проще: компьютер один, но благодаря TwinCAT одновременно получается персональный компьютер + промышленный контроллер.

Верно и обратное – промышленный контроллер с TwinCAT на борту, может работать как обычный персональный компьютер, выполняя те же самые действия и программы.

Зачем это нужно? Windows уже предоставляет множество услуг, сервисов и возможностей. Для него уже разработано множество удобных программ; он поддерживает такое количество устройство, какое не доступно для других операционных систем. Этим нужно пользоваться.

Устанавливается TwinCAT точно также как и любая другая обычная программа. Просто после установки, вы получите промышленный контролер, встроенный в ваш персональный компьютер или наоборот.

Удаляется TwinCAT точно также как и другие программы.

Чтобы ПК под управлением Windows мог стать полноценным промышленным контроллер, необходим райнтайм (runtime) – среда реального времени для выполнения программ технологического процесса. Рантайм – одна из основных частей Твинката.

TwinCAT 2

Твинкат бывает TwinCAT 2 и TwinCAT 3 (TwinCAT 3.1 – это то же самое, что Твинкат 3, только новее). Видимо когда-то существовал TwinCAT 1, но про него уже забыли.

Как ни странно, Твинкат 3 не лучше чем Твинкат 2, а второй не лучше, чем третий.
UPD август 2018: TwinCAT 3 лучше, чем TwinCAT 2. Третий твинкат более стабильный и более предсказуемый, меньше ест ресурсов и вообще лучше ими распоряжается.

Второй более стабильный, «отполированный», выдержанный и проверенный временем, о нем больше информации. В третьем больше интересных и полезных возможностей, удобнее и более открытая среда разработки (Microsoft Visual Studio).

В начале 2016 года мы все еще активно используем вторую версию, т. к. в третьей не все готово. UPD: в середине 2018 года мы все больше ругаемся на заморочки TwinCAT 2 и упорно пытаемся переползти на третью версию.

Рантайм второго Твинката работает только под 32-х разрядными операционными системами. Поэтому существует две версии второго Твинката: инженерная и полная.

Полная версия содержит конфигуратор контроллера (System Manager), среду разработки программ контроллера (PLC Control) и рантайм TwinCAT. Эта версия позволяет не только конфигурировать и разрабатывать, но и сделать из ПК разработчика полноценный промышленный контроллер. При условии, что устанавливается на 32-х разрядную версию Windows.

Рантайм полной версии в демо-режиме проработает 30 дней. После этого можно по-прежнему легально и бесплатно пользоваться средствами разработки, но рантайм работать не будет. Впрочем, если переустановить Твинкат, вы получите еще 30 дней.

Инженерная версия (x64 Engineering) позволяет конфигурировать контроллер и разрабатывать программы. Она полностью бесплатна. Эта версия предназначена для 64-х разрядных версий Windows. Не имеет смысла устанавливать эту версию на контроллер. Она целиком и полностью предназначена для установки на компьютер (ноутбук) разработчика, инженера, программиста, наладчика.

TwinCAT 3

• Единая среда разработки и конфигурирования. Встраивается в Microsoft Visual Studio. Если Visual Studio не установлена, то устанавливается оболочка Visual Studio 2010.
• Рантайм может работать как в 32-х разрядных, так и в 64-х разрядных системах.
• Полная версия называется «eXtended Automation Engineering (XAE)». Версия, где есть только рантайм, без среды разработчика называется «eXtended Automation Runtime (XAR)».
• Система автоматически предложит 7-ми дневный демо-режим, если у вас не хватает каких-либо лицензий. Затем еще 7 дней, и еще, но каждый раз необходимо вводить капчу.
• Наконец-то появились уровни производительности контроллеров. Стало легче выбирать контроллер под классы задач.

Установка TwinCAT

Компактные контроллеры серии «CX» продаются с предустановленной операционной системой и TwinCAT выбранных вами версий. Поэтому необходимо очень внимательно формировать заказной номер контроллера.

Для промышленных (серия «C») и персональных ПК существует вероятность самостоятельной установки операционной системы, драйверов и TwinCAT.

TwinCAT можно бесплатно загрузить с веб-сайта: http://beckhoff.com/english/download/default.htm

TwinCAT 3 установится полностью автоматически, а для TwinCAT 2 необходимо выполнить несколько дополнительных действий, перечисленных ниже.

Если в процессе установки TwinCAT 2 запросит серийный номер - оставьте поле ввода пустым для установки в 30-ти дневном демо-режиме.

Уровни функционала TwinCAT 2:

• TwinCAT CP – драйверы для панели управления Windows. 
• TwinCAT IO – установить драйверы системы ввода/вывода TwinCAT. Для разработчиков использующих протокол ADS. 
• TwinCAT PLC – полноценная система с возможностью конфигурирования, программирования, а также использования локальной системы как ПЛК. 
• TwinCAT NC PTP – PLC + цифровое управление движением приводов. 
• TwinCAT NC I – PLC + NC PTP + система ЧПУ для трехосевых станков. 

Дополнительные функции:

• TwinCAT IO – поддержка ввода/вывода протокола ADS для различных языков программирования. 
• TwinCAT Scope View – цифровой осциллограф. 
• TwinCAT Cam Server – расширенный сервер движения по заданной траектории (кулачковые механизмы). 
• TwinCAT EDS, GSD Files – файлы словарей для экспорта в другие системы. 
• TwinCAT Remote Manager – одновременная поддержка нескольких версий TwinCAT на одной локальной системе. 
• TwinCAT Drive Manager – конфигурирование и работа с сервоусилителями и моторами. 
• TwinCAT BACnet/IP – поддержка протокола BACnet/IP.