Wdrożenie biblioteki IEC 61850 na urządzeniach HYDROCAL firm EMH/MTE

TŁO PROJEKTU

EMH (Niemcy) i MTE (Szwajcaria) to firmy specjalizujące się w produkcji urządzeń monitorujących działanie transformatorów wysokiego napięcia. Tego rodzaju transformatory to jedne z najdroższych urządzeń infrastruktury energetycznej, a ich uszkodzenie zwykle skutkuje bardzo wysokimi kosztami naprawy oraz wyłączeniem prądu dla dużej grupy odbiorców. Dlatego tak istotne jest ciągłe monitorowanie stanu transformatora, a najlepszym sposobem jest analiza gazów rozpuszczonych w oleju wykorzystywanym do jego chłodzenia. Wczesne wykrycie nieprawidłowości pozwala na podjęcie odpowiednich kroków prewencyjnych.

Urządzenia firm EMH i MTE z rodziny HYDROCAL 100x pozwalają na analizę lepkości oleju transformatorowego oraz zawartości gazów takich jak: wodór (H2), tlenek węgla (CO), dwutlenek węgla (CO2), acetylen (C2H2) czy etylen (C2H4).

WYZWANIE

Oprócz monitorowania stanu transformatora niezwykle ważne jest również komunikowanie w czasie rzeczywistym jego parametrów do systemu nadzoru lub aplikacji SCADA, tak aby w razie potrzeby można było odpowiednio zareagować i uniknąć awarii. Między innymi dlatego firmy EMH/MTE zdecydowały się na implementację protokołu IEC 61850, który oferuje różne sposoby komunikacji. Pomiary mogą być przesyłane za pomocą raportów specyfikowanych przez protokół MMS (model klient-serwer) lub wykorzystując protokół Sampled Values (model publisher-subscriber). Początkowo firmy EMH/MTE wykorzystywały konwertery protokołów do integracji z siecią IEC 61850, ale w dłuższej perspektywie rozwiązanie to było nieopłacalne i dlatego zdecydowano się wdrożyć implementację programową zintegrowaną z firmwarem urządzenia. Dużym wyzwaniem był jednak fakt, że urządzenia HYDROCAL nie wykorzystują systemu operacyjnego, a stos TCP/IP był zaimplementowany we własnym zakresie przez klienta co nie ułatwiało integracji produktu, który korzysta z komunikacji TCP/IP.

DLACZEGO JPEMBEDDED

Jedną z głównych zalet implementacji IEC 61850 oferowanej przez JPEmbedded jest praktycznie 100% niezależność od platformy, na której ma działać serwer. Dzięki temu bibliotekę IEC 61850 można uruchomić na dowolnym urządzeniu, które udostępnia łącze Ethernet oraz kompilator języka C/C++. Poprzez warstwę abstrakcji (tzw. sterownik), która definiuje funkcjonalność związaną z obsługą wątków, synchronizacji czy komunikacji uruchomienie biblioteki na nowym urządzeniu (z systemem operacyjnym lub bez) jest stosunkowo proste. Dzięki temu integracja oprogramowania IEC 61850 firmy JPEmbedded na platformie, na której bazuje rodzina produktów HYDROCAL 100x przebiegła względnie bezproblemowo.

Połączenie urządzenia firmy Contrel z serwerem sieci IEC 61850

TŁO PROJEKTU

Contrel Elettronica to włoski producent urządzeń elektrycznych, takich jak mierniki energii, przekładniki prądowe i napięciowe, czy też zaawansowane analizatory sieciowe. Rosnąca popularność standardu IEC 61850, zrodziła potrzebę umożliwienia łączności pomiędzy analizatorem parametrów energii EMA-90N, a systemami typu SCADA z wykorzystaniem niniejszego protokołu.

WYZWANIE

Ze względu na fakt, iż posiadane urządzenia działały już w określonym środowisku, a ich platforma sprzętowa została zoptymalizowana pod kątem specyficznych potrzeb, integracja z biblioteką IEC 61850 nie była dobrym rozwiązaniem. Posiadając zaledwie 30KB dostępnej pamięci RAM, niewykonalne było zainstalowanie oprogramowania bezpośrednio na analizatorach. Jednak dzięki temu, że EMA-90N umożliwia komunikację przez protokół Modbus RTU/TCP, wykorzystanie konwertera protokołów stało się realnym rozwiązaniem istniejącego problemu.

DLACZEGO JPEMBEDDED

JPEmbedded oferuje rodzinę trzech konwerterów protokołów dla różnego typu aplikacji. PAPILIO to propozycja budżetowego rozwiązania dla aplikacji IoT gdzie spodziewane są duże wolumeny. Tam, gdzie wymagana jest obsługa protokołów redundancji, alternatywę stanowi moduł APIS. Najbardziej rozbudowanym urządzeniem, jest konwerter CRABRO, wyposażony w komunikację bezprzewodową lub złącze światłowodowe.

Okazało się że najprostszy konwerter PAPILIO w pełni odpowiada na wymagania klienta. Inżynierowie JPEmbedded wykonali niewielkie modyfikacje niezbędne do zintegrowania modułu z EMA-90N bez potrzeby przeprojektowania urządzenia.

Jednym z ciekawszych, długoterminowych projektów, była implementacja rodziny protokołów TCP/IP dla systemów wbudowanych. Realizacja obejmowała najpopularniejsze protokoły, między innymi UDP, TCP, DHCP i DNS, a także serwery TFTP, FTP i HTTP i zakładała zgodność z wersjami IPv4 oraz IPv6.
Projekt został przygotowany z założeniem działania na mikrokontrolerach niezależnie od systemu operacyjnego. Dzięki temu rozwiązanie jest uniwersalne i pozwala na szybkie dostosowanie go do szerokiej gamy urządzeń.
Dla zwiększenia wydajności i efektywności przetwarzania strumienia danych implementacja jest zgodna z zasadą „Zero-copy”. Uzupełnieniem projektu było późniejsze zaimplementowanie algorytmów szyfrujących (TLS/SSL, IPsec, krzywe eliptyczne). Stos TCP/IP jest obecnie jednym z najpopularniejszych rozwiązań komercyjnych stosowanych w systemach wbudowanych.

Od wielu lat projektujemy sprzęt i piszemy oprogramowanie dla systemów samochodowych opartych o magistrale CAN z przeznaczeniem na rynek wtórny (ang. after market).

Celem, a zarazem główną trudnością tego typu projektów jest stworzenie sprzętu oraz oprogramowania w sposób pozwalający na bezinwazyjne dodanie określonych funkcji. Jednym z przykładów może być wyposażenie w kamerę cofania i wyświetlanie rejestrowanego obrazu na ekranie głównym samochodu, który oryginalnie jej nie posiada. Kluczowym zadaniem jest zintegrowanie dodanej funkcjonalności z już istniejącymi systemami w pojeździe.

CRYPTOREX to bardzo ciekawy i innowacyjny projekt, który zrealizowaliśmy dla jednego z naszych klientów. Naszym zadaniem było zbudowanie prototypu urządzenia służącego do szyfrowania komunikacji w sieciach Ethernet.
Jedno z postawionych wymagań zakładało umożliwienie szyfrowania strumienia video HD w czasie rzeczywistym, dlatego samo szyfrowanie zrealizowane zostało na układzie FPGA w oparciu o autorski algorytm szyfrujący. Za transmisję danych odpowiadał natomiast mikro-kontroler z rodziny ARM.
Największym wyzwaniem było w tym przypadku sprostanie wymaganiom czasowym i zapewnienie odpowiedniej wydajności w obsłudze strumienia danych.

System operacyjny Minix to rozwiązanie dla prawdziwych pasjonatów. Stworzony został przez profesora Tanenbaum’a z Uniwersytetu Vrije w Amsterdamie, który jest legendą i pionierem informatyki. Z założenia Minix ma być wysoce niezawodnym systemem operacyjnym, w którym błąd krytyczny (ang. crash) jednej aplikacji nie ma wpływu na działanie pozostałych komponentów. Ciekawostką jest fakt, że w początkowym okresie, w prace nad systemem była zaangażowana osoba, uznawana za twórcę innego, bardzo popularnego dziś systemu operacyjnego.
Naszym wkładem w rozwój systemu Minix, było stworzenie sterowników USB oraz Ethernet dla platformy BeagleBone. Dzięki współpracy z profesorem Tanenbaum’em zostaliśmy zaproszeni na jego pożegnalny wykład w 2015 roku, co było dla nas prawdziwą przyjemnością i ogromnym wyróżnieniem.

Realizujemy testy systemowe kontrolerów oraz paneli operatorskich stosowanych w automatyce pojazdów specjalnych takich jak dźwigi, koparki, betoniarki, czy wywrotki. Nasza praca polega na przygotowaniu i uruchomieniu zestawu testów które, weryfikują wymagania na poziomie systemowym.

Wszystkie testy tworzone są w języku ST (Structured Text) w środowisku CODESYS. Proces testowania jest integralną częścią certyfikacji urządzeń zgodnych z normą Safety Integrity Level (SIL2).

W celu usprawnienia testowania przygotowaliśmy specjalne narzędzia pozwalające kontrolować wejścia/wyjścia sterownika oraz zadawać odpowiednie nastawy. Pozwalają one na częściowe zautomatyzowanie wykonywanych testów.

Zapewnienie najwyższej jakości oprogramowania, to ważny obszar naszej działalności. Posiadana wiedza i solidne doświadczenie w połączeniu z wykorzystywanymi narzędziami, pozwalają nam na osiągnięcie wysokiej skuteczności procesu testowego.
Od początku powstania naszej firmy tworzymy zautomatyzowane testy jednostkowe i integracyjne na potrzeby certyfikacji produktów według normy SIL lub ISO 26262. Jednym z elementów procesu testowego jest weryfikacja pokrycia kodu źródłowego na różnych poziomach.
W swojej pracy wykorzystujemy głównie środowisko TESSY, oraz VectorCAST firmy VECTOR software oraz narzędzia do wykonania statycznej analizy kodu (wymaganej przez normę MISRA).