Контроллеры OPLC имеют встроенную операторскую панель и встроенные каналы ввода-вывода сигналов, поддерживают подключение выносных модулей ввода-вывода; в комплект поставки входят бесплатный софт для программирования управляющей логики и экранов человеко-машинного интерфейса, бесплатные коммуникационные серверы UniOPC и UniDDE, бесплатная программа для удаленной диспетчеризации контроллеров. Широкая номенклатура входных и выходных сигналов контроллеров (до 200) позволяет решить с их помщью практически любую задачу программно-логического управления и непрерывного регулирования, включая расчетные задачи. Контроллеры имеют оптимальное соотношение цена – функциональность и по этой причине широко применяются в малой и средней автоматизации.

Контроллеры OPLC представлены 3-мя сериями: Jazz («высоко»интеллектуальные реле); M90/91 (малые контроллеры для аппаратов, станков и технологических линий); Vision (универсального применения). Серия Vision состоит из модельных рядов V100, V200 и V500. Ряд V100 по дизайну напоминает контроллеры серии М90/91 и включает модели V120 и V130. Ряд V200 имеет большие экраны, тачскрины, клавиатуру с функциональными клавишами и включает модели V230, V2600, V2800 и V290.

Контроллеры серии V500 являются контроллерами нового поколения. Элементной база контроллера - процессоры класса Pentium. Контроллеры имеют экран 6 дюймов с тачскрином. Ряд представлен монохромным контроллером V530 и цветным контроллером V570. Контроллер V570 с цветным экраном 6 дюймов и тачскрином позиционируется для решения как сложных задач управления, так и локального человеко-машинного интерфейса.

Значительную роль в успешном продвижении контроллеров OPLC на мировые рынки играют его коммуникационные возможности.

Коммуникации в контроллерах OPLC
Контроллеры OPLC имеют развитые коммуникационные возможности, что позволяет строить на их основе мощные распределенные и централизованные системы автоматизации. Коммуникации в контроллерах OPLC реализованы на основе портов, интерфейсов и протоколов.

Порт – это аппаратный узел контроллера для физического подключения других контроллеров и устройств. Порты контроллеров OPLC являются проводными, беспроводных портов (инфракрасный, Bluetooth, WiFi) контроллер не имеет, беспроводная связь реализуется только через внешние модемы, подключенные на сериальные порты. Порты бывают встроенными и дополнительными. Сериальные порты могут быть переключаемыми, осуществляеемыми вручную внутренними джамперами. Дополнительный порт – это интерфейсная плата, вставляемая в разъем дополнительного порта.

Интерфейс – это аппаратно реализованные физический и канальный уровни обмена данными между станциями вычислительной сети. Физически интерфейс представляет собой плату (так называемая интерфейсная плата), вставляемую в разъем порта. Порт со вставленной интерфейсной платой всегда поддерживает определенный интерфейс, поэтому зачастую понятия «порт» и «интерфейс» отождествляют.

Протокол – это программно реализованные транспортный и прикладной уровни обмена данными в вычислительной сети. В контроллерах OPLC протоколы представлены протоколами популярных полевых шин и промышленных сетей. Протокол программно может быть привязан к любому порту контроллера, т.е. к определенному интерфейсу, поэтому понятия «порт» и «протокол» всегда различают. Часто промышленную сеть называют по имени протокола. Различают протоколы символьные (ASCII) и двоичные (RTU). Символьные протоколы используют мнемонические (символьные) служебные сообщения, являются более функциональными и защищенными, но менее скоростными. Двоичные протоколы не используют мнемонические символьные сообщения, являются менее функциональными и защищенными, но более скоростными.

Интерфейсы и порты контроллеров OPLC
Поддерживаются сериальные интерфейсы RS-232, RS-485, сетевые интерфейсы CAN и Ethernet. Интерфейс RS-232 является радиальным дуплексным, для передачи данных используются три линии (прием, передача и общий), расстояние до 10 метров, скорость до 115200 бод. Интерфейс RS-485 - магистральным полудуплексным, для передачи данных используются две линии (данные и общий), расстояние до 1200 метров без репитера, до 32 узлов в сети без репитера, кабель – витая пара, скорость до 115200 бод. Интерфейс CAN является магистральным дуплексным, для передачи данных используются пять линий (два провода питания, общий, прием и передача), расстояние до 1000 метров, до 64 узлов в сети, кабель – витая пара, скорость до 1 Мбод. Интерфейс Ethernet – расстояние до свитча – до 100 м, кабель – витая пара, скорость до 10 Мбод. ОС контроллера по умолчанию поддерживает четыре сокета Ethernet (программный аналог порта в сети Ethernet). Сокет 0 предназначен для обмена данными между контроллерами OPLC по протоколу Modbus. Сокет 1 служит для обмена данными по протоколу PCOM между системой программирования (U90 Ladder и VisiLogic) или коммуникационным сервером (UniOPC и UniDDE), с одной стороны, и контроллерами OPLC - с другой. Сокеты 2 и 3 предназначены для обмена данными по протоколу Modbus между внешними Modbus-мастерами с одной стороны и контроллерами OPLC-слейвами - с другой

Контроллеры серии Jazz не имеют встроенного порта, порт с сериальным интерфейсом RS-232/RS-485 должен быть заказан отдельно. Контроллер Jazz не имеют портов CAN и Ethernet.

Контроллеры серии M90/91 имеют один встроенный сериальный порт RS232. Контроллеры серии М91 имеют один встроенный переключаемый сериальный порт RS232/RS485. Контроллеры серий М90/M91 не имеют портов Ethernet. Некоторые модели имеют встроенный порт CAN.

Контроллер V120 имеет два встроенных переключаемых сериальных порта RS-232/RS-485 и не имеет порта Ethernet. Контроллер V130 включает один встроенный переключаемый сериальный порт RS-232/RS-485 и один дополнительный порт Ethernet. Контроллеры V120/130 имеют встроенный порт CAN.

Контроллеры серии V200 имеют два встроенных сериальных порта RS-232 и один дополнительный порт RS-485 или Ethernet.

Контроллеры серии V500 имеют два встроенных переключаемых сериальных порта RS-232/RS-485 и один дополнительный порт RS-485 или Ethernet.

Все контроллеры, кроме контроллеров Jazz, имеют встроенный порт расширения IO Expansion. К порту расширения подключается адаптер (расстояние – до пяти метров), к адаптеру последовательно подключаются через торцевые разъемы выносные модули ввода-вывода, монтируемые на DIN-рейку. Обмен данными между контроллером и выносными модулями осуществляется через системную шину контроллера и реализован аппаратно. Порт IO Expansion не является интерфейсным портом и далее не рассматривается.

Протоколы и порты контроллеров OPLC
Поддерживаются следующие протоколы: протокол PCOM; два Modbus-ориентированных протокола Modbus Serial и Modbus IP; три CAN-ориентированных протокола ISC, UniCAN и CANopen.

Протокол PCOM является фирменным протоколом компании Unitronics (протокол открытый и доступный с сайта компании). Тип протокола – мастер-слейв. По протоколу PCOM осуществляется обмен данными между системой программирования (U90 Ladder и VisiLogic) или коммуникационным сервером (UniOPC и UniDDE), с одной стороны, и контроллерами OPLC - с другой. По протоколу PCOM не может быть реализована связь между контроллерами. Протокол поддерживает работу с интерфейсами RS-232/RS-485 и Ethernet. Протокол поддерживает адресацию, поэтому может быть использован как для прямой связи с одним контроллером, так и для сетевой связи с несколькими контроллерами. Протокол является двоичным, поэтому работает быстро и надежно. При реализации протокола PCOM в сети Ethernet используется сокет 1 Ethernet-порта контроллера. Так как сокет 1 по умолчанию использует транспортный протокол TCP, TCP-соединение (режим Call) должно быть реализовано по инициативе верхнего уровня (тогда контроллеры слушают – Listen) или контроллера (тогда система программирования или коммуникационный сервер слушает – Listen).

Протоколы Modbus Serial и Modbus IP являются двоичными типа мастер-слейв и предназначены для работы с сериальными интерфейсами и в сетях Ethernet соответственно. По протоколам Modbus может быть реализован обмен данными между контроллерами с одной стороны, и коммуникационными серверами Modbus - с другой (в том числе и с OPC-серверами). По протоколам Modbus может быть осуществлена связь между контроллерами. На разных портах контроллера могут быть реализованы разные сети Modbus, при этом один и тот же контроллер на разных портах может выступать как мастер или слейв. Более того, контроллер может программно переключаться между режимами мастер или слейв в одной сети.

При реализации протокола Modbus IP между контроллерами используются сокеты 0 Ethernet-портов контроллеров. Сокет 0 по умолчанию использует широковещательный транспортный протокол UDP, для которого не надо устанавливать виртуальный канал связи между контроллерами на период обмена данными с последующим закрытием канала, что существенно ускоряет и облегчает процесс обмена данными. Так как протокол UDP не поддерживает маршрутизацию данных и проверку пакетов, это накладывает следующее ограничение – контроллеры должны быть локализованы в пределах одной сети, где отсутствует маршрутизация, и в этой сети должен быть только один инициатор (Call) обмена данными – это контроллер-мастер, а контроллеры-слейвы всегда слушают (Listen).

При реализации протокола Modbus IP между коммуникационным сервером Modbus и контроллерами используются сокеты 2 Ethernet-портов контроллеров, так как по умолчанию эти сокеты сконфигурированы как порт 502 – стандартный порт Modbus IP. При реализации обмена данными по протоколу Modbus IP между контроллерами OPLC и другими устройствами рекомендуется применять сокет 3, по умолчанию сконфигурированный под свободный порт 20257. Сокеты 2 и 3 используют по умолчанию транспортный протокол TCP и работают в режиме Listen, поэтому внешние Modbus-мастера (серверы или контроллеры) должны быть инициаторами TCP-соединения (т.е. работать в режиме Call).

Все Ethernet-сокеты могут быть переконфигурированы под конкретные потребности разработчика, однако общая идеология взаимодействия Modbus-станций в сети Ethernet остается подобной описанной выше.

Протоколы ISC, UniCAN и CANopen являются многомастерными двоичными протоколами обмена данными в сетях CAN. Протоколы ISC и UniCAN - фирменные протоколы компании Unitronics и не полностью отвечают стандарту CAN (протоколы закрыты и не доступны разработчику). Протоколы ISC и UniCAN используются исключительно для обмена данными между контроллерами OPLC. Протокол ISC поддерживает обмен данными между 64 контроллерами, при этом каждый контроллер может читать данные из 8 контроллеров. Обмен данными реализуется в широковещательном режиме сразу после инициализации порта CAN как ISC – каждый контроллер передает в сеть данные из предопределенных регистров (периодически и при изменении параметров) с меткой сетевого адреса контроллера. Данные доступны другим контроллерам как сетевые переменные. При конфигурировании сетевой переменной в контроллере-приемнике указывается адрес контроллера-источника и адрес регистра в источнике (таким образом, приемник сам забирает данные из сети). Протокол UniCAN поддерживает высокоскоростной обмен данными между 60 контроллерами, передавая за скан 1024 байта информации. Программно порт CAN инициализируется как UniCAN, передаваемые данные и сетевой адрес контроллера-приемника конфигурируются в контроллере-источнике. Контроллер-источник записывает свои данные по заданным адресам контроллера-приемника (таким образом, источник сам записывает данные в приемник). Поддерживается программный вотчдог – каждый контроллер с интервалом 0.5 с посылает контрольное сообщение, другие контроллеры могут зафиксировать наличие такого сообщения по сетевому адресу контроллера и, в случае обрыва связи, перейти к выполнению аварийной части программы. Протокол CANopen поддерживает обмен данными с другими CANopen-станциями, при этом контроллер OPLC может выступать только как мастер и, следовательно, как единственный контроллер OPLC в сети CANopen.
Следует заметить, что контроллеры OPLC не могут обмениваться данными со SCADA-программой напрямую через коммуникационный сервер. Для связи со SCADA должен быть использован промежуточный контроллер-шлюз: этот контроллер взаимодействует с сетевыми контроллерами по протоколам CAN и взаимодействует со SCADA по протоколам PCOM или Modbus через интерфейсы RS-232/RS-485 или Ethernet.

В контроллерах OPLC возможно реализовать пользовательский протокол обмена в сетях RS-232/RS-485 и Ethernet. Для этого используются специальные функциональные блоки, которые позволяют сконфигурировать порядок обмена данными, формировать и посылать сообщения, принимать сообщения и выполнять парсинг строки.

Беспроводные коммуникации в контроллерах OPLC
Беспроводная связь в контроллерах OPLC может быть реализована с использованием радиомодемов и модемов мобильной связи (GSM-модемов). Радиомодемы подключаются к сериальному порту контроллера, никакой дополнительной настройки связи не требуется (программа в контроллере работает только с сериальным портом, ничего «не зная» о радиомодеме). Могут быть реализованы все сериальные протоколы обмена данными – PCOM, Modbus Serial, пользовательский протокол. Эффективность передачи данных определяется исключительно условиями прямой видимости антенн и характеристиками радиоканала.

GSM-модемы (далее просто модемы) также подключаются к сериальным портам контроллера, но уже требуют дополнительной программной настройки. Есть три различных способа реализации мобильной связи в контроллерах OPLC. Общая последовательность программной настройки мобильной связи следующая: инициализация модема (выполняется оффлайн средствами системы программирования, хотя модем может быть проинициализирован и вручную AT-командами через гипертерминал); программная инициализация сериального порта; программное установление соединения; обмен данными; программное закрытие соединения.

Наиболее простым способом реализации мобильной связи является обмен SMS-сообщениями. Это наиболее надежный способ, но достаточно медленный. Контроллеры OPLC имеют эффективные средства работы с SMS-сообщениями и от разработчика требуется минимум усилий по программированию обмена сообщениями. Может быть реализован как обмен сообщениями между контроллерами OPLC (и любыми другими), так и обмен сообщениями между контроллером и SCADA-программой. Естественно, что посредством SMS-сообщений нельзя реализовать сериальные протоколы PCOM и Modbus Serial, поэтому необходимо использовать пользовательский простой протокол. В случае обмена данными OPLC-SCADA необходим специализированный коммуникационный сервер, который конвертировал бы SMS-сообщения в строковые переменные для SCADA-программы. Компания Клинкманн поставляет коммуникационный сервер GSM-Control (конвертор SMS – OPC/DDE/SQL). Однако такое решение является слишком дорогим. Целесообразно использовать в качестве концентратора SMS-сообщений промежуточный контроллер OPLC. Такой контроллер-шлюз взаимодействует с контроллерами в мобильной сети посредством SMS-сообщений и со SCADA - по протоколам PCOM или Modbus через интерфейсы RS-232/RS-485 или Ethernet. Инициатором обмена данными может являться как SCADA-программа (клиент сервера GSM-Control), так и контроллер OPLC.

Наиболее дорогим способом обмена данными является реализация технологии передачи данных CSD (GSM Data). Эта технология аналогична обычному телефонному звонку, оплата услуги осуществляется посекундно, даже если данные не передаются. Программа в контроллере выполняет дозвон, «поднимает трубу», передает данные, «кладет трубку» и разрывает связь. Могут быть реализованы сериальные протоколы PCOM и Modbus Serial. Может быть реализована как связь между контроллерами (что проще), так и связь SCADA-OPLC. В последнем случае необходим специализированный коммуникационный сервер, который бы устанавливал связь SCADA-OPLC. Компания Клинкманн поставляет сервер GSM-Dial, решающий указанную задачу. Сервер GSM-Dial может запускаться как внешней программой (в том числе и с параметрами в командной строке – номером дозвона и именем запускаемой после успешного дозвона SCADA-программы), так и SCADA-программой (сервер GSM-Dial поддерживает протоколы DDE/OPC и имеет два итема – телефонный номер дозвона и результат дозвона). После старта сервер GSM-Dial дозванивается до контроллера, устанавливает связь и передает управление SCADA-программе, которая уже запускает коммуникационный сервер и через него обменивается данными с контроллером (сервер GSM-Dial сам закрывается). Компания Wonderware поставляет многоканальный Modbus OPC-сервер, который совмещает функции сервера SCADA-программы и сервера, реализующего дозвон до контроллеров. В целом необходимо признать, что обмен данными на основе технологии CSD не является удобным и оптимальным техническим решением.

Современным способом обмена данными является реализация технологии GPRS. Эта технология аналогична сети Интернет, оплата услуги осуществляется за трафик, а не за время нахождения в сети, поэтому такой способ связи дешевле, чем технология CSD (но дороже, чем технология SMS). Могут быть реализованы сериальные протоколы PCOM и Modbus Serial. Программа в контроллере должна зарегистрировать контроллер в сети GPRS, получить IP-адрес, установить TCP-соединение, произвести обмен данными и закрыть TCP-соединение после окончания сеанса связи. Может быть реализована как связь между контроллерами, так и связь OPLC-SCADA, причем в последнем случае компьютер должен находиться в сети Ethernet и на нем должен работать сервер UniOPC или сервер Modbus. Следует заметить, что для ряда моделей модемов, не имеющих встроенного стека TCP/IP, такой стек реализуется программно контроллером OPLC. Особенностью сети GPRS является тот факт, что операторы мобильных сетей не дают статических (постоянных) IP-адресов и IP-адрес может быть новым после каждой регистрации контроллера в сети GPRS. Это приводит к тому, что в сети трудно поддерживать протокол мастер-слейв, так как адреса контроллеров изменяются. Например, в таком случае SCADA на хосте должна работать в режиме Listen, т.е. ожидать инициативного подключения контроллера. Решением проблемы является использование технологии СSD или технологии SMS для передачи хосту или другим контроллерам своего нового IP-адреса. Однако такое решение технически небезупречно. Известны случаи успешной и устойчиво работающей реализации обмена новыми IP адресами посредством SMS, но программно такие решения громоздки.

Таким образом, анализ технических решений на основе мобильных технологий обмена данными показывает, что в настоящее время наиболее функциональным решением является технология SMS.

Рекомендации по реализации коммуникаций в контроллерах OPLC
Структура системы автоматизации на платформе OPLC может быть рекомендована как типовая.
На нижнем уровне автоматизации выделены две промышленные сети – CAN и Modbus. В сети CAN работают контроллеры OPLC, причем один из них является шлюзом для подключения к SCADA-системе верхнего уровня. В сети Modbus работают как контроллеры OPLC, так и контроллеры от других производителей. Контроллер-хост в сети Modbus управляет работой остальных контроллеров и выступает как концентратор данных при обмене со SCADA-системой верхнего уровния.

Общие рекомендации по организации коммуникаций на нижнем уровне автоматизации:

- использовать преимущественно сети Modbus как универсальные сети и как такое решение, где контроллеры Unitronics хорошо зарекомендовали себя;
- использовать преимущественно сети Ethernet, так как это позволяет через один порт контроллера работать с его данными и отлаживать программу (кроме того, Ethernet существенно увеличивает скорость обмена данными).

Все контроллеры обмениваются данными со SCADA-системой верхнего уровня по технологии SMS как наиболее простой и надежной. Используются хорошо себя зарекомендовавшие модемы Siemens MC35I или TC65, программно поддерживаемые контроллерами OPLC.

На верхнем уровне системы автоматизации применена SCADA-система InTouch. Контроллер использован в качестве шлюза и концентратора данных для систем нижнего уровня. Обмен данными между контроллером-шлюзом и компьютером-хостом осуществляется по сериальному интерфейсу или в сети Ethernet. В качестве коммуникационного сервера на хосте может быть применен или бесплатный сервер UniOPC, если используется протокол PCOM, или Modbus OPC-сервер, если используется протоко Modbus. Кроме того, для SCADA-системы InTouch может быть использован свой Modbus Direct Server, который конвертирует протокол Modbus сразу в протокол SuiteLink – внутренний протокол InTouch.

Sergey.Batyuk@klinkmann.kiev.ua , Michael.Ponomarenko@klinkmann.kiev.ua