OpenSCADAWiki: Home Page Uk/Using/PLC/firmware ...

Прошивка та створення програмного оточення ПЛК архітектури x86

Перед реалізацією прошивки ПЛК ставилися наступні вимоги:

• Компактність. У зв'язку з прямою залежністю ціни на промислові флеш-диски від їх об'єму, а також реальною відсутністю потреби частого оновлення, образ прошивки потрібно упаковувати, досягнувши рівня компактності 8-50Мб на середовище виконання ПЛК у оточенні повноцінної ОС.
• Уніфікований вихідний репозиторій. Оскільки прошивка не є чимось немодифікованим, не розширюваним та остаточно фіксованим, то у її основі має лежати реальний репозиторій пакетів ОС який розвивається. Це дозволить довгий час формувати обновлення та розширення, не підтримуючи при цьому опосередкованого репозиторію.
• Відлагоджена та проста процедура збору. Враховуючи той факт, що конфігурація прошивки може деякий час стабілізуватися, крім того у компонентах ОС та OpenSCADA будуть знаходитися та усуватися помилки, то процедура збору прошивки не має бути обтяжливою, а напроти - легко адаптованою.
• Прозора реалізація режиму запису до дерева ОС. Хоча прошивка і має на увазі створення упакованого немодифікованого образу прошивки, однак специфіка роботи середовища виконання ПЛК передбачає модифікацію БД та ведення архівів. Крім того, наявність можливості корекції вихідної конфігурації є важливою вимогою.
• Надійність та стійкість до раптових вимикань. Специфікою експлуатації ПЛК є, як правило, відсутність можливості коректного виключення, а також практична реальність ситуацій миттевого та непередбачуваного пропадання живлення. ПЛК у таких випадках має зберігати працеспроможність, у сенсі того що містити журнальовану ФС та забезпечувати її перевірку та автоматичне усунення помилок.
• Умовний поділ конфігурації ПЛК на два типа:
  • ПЛК без локального дисплею, можливо з простим текстовим табло.
  • Touch-панелі з функцією ПЛК.

Інструменти та збірка робочих оточень

Враховуючи вищенаведені вимоги, для створення прошивки було вибрано репозиторій пакетів дистрибутиву ОС Linux ALTLinux та інструмент створення дистрибутивів mkimage. mkimage - інструмент для збору штампів Sisyphus-based системи за шаблоном. У якості вихідного набору шаблонів було взято набір шаблонів формування дистрибутивів ALTLinux за адресою git://git.altlinux.org/people/boyarsh/packages/mkimage-profiles-desktop, командою:
git clone git://git.altlinux.org/people/boyarsh/packages/mkimage-profiles-desktop
За основу формування PLC шаблону було взято стандартний "rescue", як найбільш компактний та близький до цільової задачі ПЛК.

Створення

У першу чергу створювалась конфігурація ПЛК без локального дисплею у зв'язку з наявністю обладнання такого типу та відсутності обладнання для Touch-панелей.

Новий шаблон ПЛК було названо "plc" та він тестувався на платах формфактору PC/104 MOPSlcdLX фірми Kontron, ATH400-128 фірми Diamond Systems та модульного ПЛК LP-8781 фірми ICP DAS. Архів результуючого дерева mkimage з шаблоном "plc" можна завантажити тут ftp://ftp.oscada.org/OpenSCADA/PLC (шаблони та матеріали окремих контролерів розміщено у власних директоріях).

Ключовим моментом конфігурації нового шаблону стало написання скрипту ініціалізації (rc.sysinit), скрипту післяінсталяційної конфігурації штампу прошивки та переліку пакетів у штампі прошивки. Перший скрипт оформлено у вигляді пакету "startup-plc". Другий скрипт вкладено до шаблону "plc" за шляхом: profiles/plс/image-scripts.d/01system. Перелік пакетів вкладено до шаблону "plc" за шляхом: profiles/pkg/lists/plс.in

Процедура створення прошивки з шаблону наступна:
# Створення скрипту конфігурації configure $ ./autoconf # Конфігурація збору для генерації образів дисків $ ./configure --with-imagetype=flash # Збір штампу $ make plc.cd

В результаті отримаємо вихідну директорію у profiles/out/ виглядом:
syslinux/ # директорія завантажувача alt0/ # файли завантажувача full.cz # штамп системи первинної ініціалізації vmlinuz # ядро ОС Linux syslinux.cfg # конфігураційний файл завантажувача plс # штамп робочої системи з ОС, OpenSCADA та іншими утилітами

Інсталяція

Завантажувати прошивку можна на: USB-flash, IDE-flash и HDD. Однак, у випадку з USB-flash можуть бути проблеми з очікуванням ініціалізації USB-підсистеми та потрібно буде трохи побігати по діалогам завантажувача.

Файлова система може бути fat або ext2/ext3. У випадку з ext3 монтування ФС відбувається як ext2, через проблеми у ініціалізаторі. У випадку з ext2/ext3 потрібно буде використовувати не завантажувач syslinux, а extlinux, конфігурація якого власне майже нічим не відрізняється.

Далі монтуємо носії та розміщуємо на ньому файли з вихідної директорії наступним чином.
У випадку з fat та syslinux:
syslinux/ # директорія завантажувача syslinux alt0/ # файли завантажувача full.cz # штамп системи первинного завантаження vmlinuz # ядро ОС Linux syslinux.cfg # конфігураційний файл завантажувача plс # штамп робочої системи з ОС, OpenSCADA та іншими утилітами work # файлова система ext3 з робочими даними
У випадку з ext2/ext3 та extlinux:
extlinux/ # директорія завантажувача extlinux (перейменувати syslinux) alt0/ # файли завантажувача full.cz # штамп системи первинного завантаження vmlinuz # ядро ОС Linux extlinux.conf # конфігураційний файл завантажувача (перейменувати syslinux.cfg) plс # штамп робочої системи з ОС, OpenSCADA та іншими утилітами work # файлова система ext3 з робочими даними

Для забезпечення надійного функціонування робочі дані розміщуються у файлі "work" з файловою системою ext3. Файлова система цього файлу перевіряється на цілісність під час ініціалізації. Створюється цей файл наступним чином:
# Створення файлу робочих даних на 200Мб dd if=/dev/zero of=./work bs=1024 count=204800 # Створення файлової системи ext3 у файлі mkfs.ext3 -m 0 work

У випадку з файловою системою ext2/ext3 на цільовому диску можна файл "work" не створювати. Тоді робочі дані будуть розміщуватися безпосередньо у директорії "root" цільового диску. Увага. Це ненадійне рішення, оскільки файлова система цільового диску становиться нестатичною, а перевірити її немає можливості, у зв'язку з раннім монтуванням у "ro" та потенційною ненадійністю перевірки ФС, змонтованої у "ro", а також неможливості перемонтування як ext3.

Наступним етапом є конфігурація та ініціалізація завантажувача. Для конфігурації завантажувача потрібно відредагувати файл syslinux/syslinux.cfg або extlinux/extlinux.conf наступним чином:
default plc prompt 1 timeout 200 implicit 1 label plc kernel alt0/vmlinuz # Використовувати у випадку ідентифікації завантажувального розділу за міткою append initrd=alt0/full.cz live lowmem fastboot stagename=plc showopts automatic=method:disk,label:PLC # Використовувати у випадку ідентифікації завантажувального розділу за ідентифікатором # append initrd=alt0/full.cz live lowmem fastboot stagename=plc showopts automatic=method:disk,uuid:4824-271E

У випадку вибору ідентифікації завантажувального розділу за ідентифікатором дізнатися його для нашого розділу можна командою: blkid.

У випадку з міткою це завдання дещо складніше оскільки робиться це для різних файлових систем по різному.

Для файлових систем ext2/ext3 це робиться утилітою e2label. Наприклад, так: "e2label /dev/sdb1 PLС"

Для файлової системи FAT це робиться низкою утиліт з комплекту mtools наступним чином:
# Редагуємо /etc/mtools.conf на предмет додання стрічки: drive c: file="/dev/sdb1" # Де /dev/sdb1 завантажувальний розділ цільового диску # Встановлюємо мітку розділу mlabel c:PLС

Тепер можемо ініціалізувати завантажувач:
# Для syslinux syslinux /dev/sdb1 #попередньо розділ потрібно размонтувати # Для extlinux (шлях вказує на точку монтування розділу цільового диску /media/PLС) extlinux --install /media/PLС/extlinux

На цьому з завантаженням та ініціалізацією прошивки все. Якщо отриманий диск не завантажується тоді:

• Відсутній прапорець завантаження на робочому розділі.
• Некоректний або пошкоджений "MBR". Перевірити та відновити його можна за допомогою утиліти "ms-sys".
• Розділи носія створено за допомогою parted. Ця утиліта незрозумілим чином вирівнює розділи, що не дозволяє з них завантажуватися на USB-flash. Потрібно носій перерозмітити за допомогою fdisk.
• Завантаження також може не працювати на старих системах, які не вміють завантажуватися з USB-HDD. Для них потрібно буде адаптувати геометрію диска, налаштовуючи під USB-ZIP або щось подібне.

Результат

У результаті отримаємо прошивку розміром від 30 до 100Мб, яка задовольняє фактично всім заявленим вимогам та забезпечує:

• Завантаження протягом 27 сек від включення контролера та включаючи ініціалізацію BIOS.
• Перевірку та відновлення робочої файлової системи у файлі work.
• Збереження даних користувача та змін прошивки у файлі work.
• Автоматичне налаштування мережі за посередництвом DHCP (або 192.168.0.1).
• Доступ до контролеру за посередництвом SSH та зручний інтерфейс роботи, включаючи mc. Паролі по замовченню (root:123456; admin:123456).
• Синхронізацію часу за посередництвом ntp.
• Виконання OpenSCADA з наявними мережевими інтерфейсами:
  • конфігурація через Web (порти: 10002 та 10004);
  • середовище виконання через Web (порти: 10002 та 10004);
  • інтерфейс керування OpenSCADA (порт 10005).

OpenSCADA

У якості середовища виконання ПЛК використано систему OpenSCADA. Для цього випадку візьмемо збірку з окремими пакетами на кожний модуль та вкажемо для встановлення віртуальний пакет openscada-plc, який містить залежності на всі пакети OpenSCADA, які за звичай використовуються для даної конфігурації. Пакет графічної бібліотеки gd2 було перезібрано без підтримки формату графічного файлу xpm та який отримав назву libgd2-noxpm. Перезбірка робилася для того щоб виключити тяжкі залежності на бібліотеки графічного інтерфейсу XOrg.

У результаті отримано середовище виконання ПЛК з підтримкою:

• БД:
  • SQLite
• Архівування:
  • на файлову систему
• Джерело даних:
  • обчислювач функціональних блоків
  • обчислювач на Java-схожій мові високого рівня
  • контролери логічного рівня
  • різноманітні ПЛК за протоколом ModBus (RTU,ASCII,TCP)
  • дані ОС
• Транспорт:
  • послідовні інтерфейси;
  • TCP, UDP та UNIX сокети;
  • безпечний шар сокетів (SSL).
• Транспортні протоколи:
  • HTTP
  • власний протокол контролю OpenSCADA
• Інтерфейс користувача:
  • рушій середовища візуалізації та керування (СВК)
  • візуалізатор СВК на основі Web-технологій
  • конфігуратор OpenSCADA на основі Web-технологій

Конфігурація OpenSCADA запускається у режимі демону та у локалі uk_UA.UTF-8 з використанням локальної БД SQLite, надаючи по замовченню мережеві сервіси:

• конфігурація через Web (порти: 10002 та 10004);
• середовище виконання через Web (порти: 10002 та 10004);
• інтерфейс керування OpenSCADA (порт: 10005).

Деталі реалізації

В цьому розділі розглянемо деталі дерева ОС прошивки, скрипт ініціалізації rc.sysinit.plc та скрипт приготування дерева ОС прошивки.

Для побудови прошивки ПЛК було використано наступний перелік пакетів:
interactivesystem ### Startup kernel-image-@KERNEL@ rootfiles startup startup-plc SysVinit hwclock ### Common coreutils glibc-locales glibc-nss glibc-utils glibc-timezones sysfsutils sysklogd util-linux schedutils ### Disk utils hdparm ### Applications binutils pciutils procps # quota shadow-suite # sharutils # time ### Applications/Archiving #bzip2 gzip ### Applications/File #findutils #file less ### Filesystem utils e2fsprogs ### Applications/Networking etcnet # hostinfo # ifrename # iproute2 # iptables iputils # lftp mailx # netcat # netlist # openssh-clients openssh-server # portmap dhcpcd ntpd ### Applications/Shells #ash bash #bc mc udev dbus hal libgd2-noxpm fonts-ttf-liberation lm_sensors nut nut-driver nut-server watchdog ### OpenSCADA Console #openscada-plc ## OpenSCADA GUI openscada-visStation autologin icewm wm-select xorg-x11-server #xorg-drv-geode xorg-x11-utils fonts-ttf-dejavu fonts-bitmap-terminus

Перелік модулів ядра системи завантажувача з метою зменшення розміру штампу ініціалізации було зменшено до переліку:
loop.ko mtouch.ko pcmcia_core.ko rsrc_nonstatic.ko yenta_socket.ko scsi_mod.ko libusual.ko ide-disk.ko ide-core.ko sd_mod.ko usbcore.ko ehci-hcd.ko ohci-hcd.ko uhci-hcd.ko appletouch.ko usbhid.ko usbtest.ko usb-storage.ko mbcache.ko jbd.ko ext2.ko ext3.ko fat.ko nls_base.ko nls_cp866.ko nls_koi8-r.ko nls_utf8.ko zlib_inflate.ko squashfs.ko unionfs.ko vfat.ko pata_cs5536.ko amd74xx.ko

До скрипту приготування дерева було додано функції:

• зміни найменування дистрибутива;
• заміщення скрипту ініціалізації на inittab.plc;
• створення користувача-адміністратора "admin" та встановлення паролів по замовченню у "123456" для користувачів "root" та "admin";
• ініціалізація /etc/fstab;
• встановлення локалі у uk_UA.UTF-8;
• конфігурація мережі;
• встановлення годинника;
• включення потрібних сервісів;
• видалення: документації, сторінок допомоги та інформації, іконок, RPM-БД та кеша apt;
• видалення непотрібних локалей та перекладів, залишені en_US, ru_RU та uk_UA;
• додано код для відбору тільки використаних модулів ядра та видалення всіх інших; по замовченню виключено та може бути включено для приготування фінальної прошивки під конкретне обладнання;
• видалення теки з ядром (/boot), у зв'язку з виносом його у корінь завантажувального розділу.

Скрипт ініціалізації (rc.sysinit.plc) було наділено функціями:

• перемонтування корневого розділу у режим RW;
• перевірка та підключення файлової системи (/image/root) робочих даних користувача (файл work);
• відображення тек ПЛК які підлягають модифікації (/etc, /var, /root, /home, /mnt и /lib) на файлову систему з робочими даними користувача (/image/root) за посередництвом файлової системи "aufs" або "unionfs";

У результаті цих дії таблиця монтування кінцевого дерева ПЛК прийняла вигляд:
[root@localhost ~]# cat /etc/mtab rootfs / rootfs rw 0 0 udev /dev tmpfs rw,size=10240k,mode=755 0 0 /dev/hda1 /image vfat rw,fmask=0022,dmask=0022,codepage=cp866,iocharset=utf8,check=r 0 0 /dev/loop0 / squashfs ro 0 0 /proc /proc proc rw 0 0 sysfs /sys sysfs rw 0 0 tmpfs /tmp tmpfs rw 0 0 /dev/loop1 /image/root ext3 rw,noatime,nodiratime,errors=continue,data=ordered 0 0 /image/root/etc /etc unionfs rw,dirs=/image/root/etc=rw:/etc=ro 0 0 /image/root/var /var unionfs rw,dirs=/image/root/var=rw:/var=ro 0 0 /image/root/root /root unionfs rw,dirs=/image/root/root=rw:/root=ro 0 0 /image/root/home /home unionfs rw,dirs=/image/root/home=rw:/home=ro 0 0 /image/root/mnt /mnt unionfs rw,dirs=/image/root/mnt=rw:/mnt=ro 0 0 /image/root/lib /lib unionfs rw,dirs=/image/root/lib=rw:/lib=ro 0 0 devpts /dev/pts devpts rw,nosuid,noexec,gid=5,mode=620 0 0 shmfs /dev/shm tmpfs rw,nosuid 0 0

Налаштування графічного інтерфейсу

Один з варіантів прошивки збирається з графічним інтерфейсом, який, однак, потрібно налаштувати для отримання автоматичного запуску з середовищем візуалізації OpenSCADA. Крім того, потрібно відзначити, що прошивка з графічним інтерфейсом не містить всіх драйверів та може потребувати її перебудови під потрібне обладнання.

Після завантаження та входу до консолі потрібно сконфігурувати XServer, автоматичний графічний вхід, запуск графічного оточення та автоматичний запуск OpenSCADA із оточення IceWM:
# Попередня конфігурація $ x11_autosetup # Копіювання автоматичного конфігураційного файлу $ cp /etc/X11/xorg.conf.auto /etc/X11/xorg.conf # Додання переключення розкладок клавіатури: Англійська, Російська, Українська $ cat "-option grp:lctrl_lshift_toggle -variant ,winkeys,winkeys -layout us,ru,ua -model pc104" > /etc/X11/xinit/Xkbmap # !! Редагування файлу /etc/X11/xorg.conf під власні потреби. # Випробувальний запуск $ startx # Конфігурація автоматичного графічного входу шляхом створення файлу /etc/sysconfig/autologin з вмістом: $ echo "AUTOLOGIN=yes" > /etc/sysconfig/autologin $ echo "USER=admin" >> /etc/sysconfig/autologin $ echo "EXEC=/usr/bin/startx" >> /etc/sysconfig/autologin # Включення запуску графічної підсистеми під час завантаження $ chkconfig dm on # Запуск графічної підсистеми $ service dm start # !! Подальші дії відбуваються у терміналі з графічним оточенням # Створення конфігураційного файлу автоматичного запуску OpenSCADA з оточення IceWM $ mkdir ~/.icewm $ echo "#!/bin/sh" > ~/.icewm/startup $ echo "xset -dpms; xset s off" >> ~/.icewm/startup $ echo "/usr/bin/openscada_start" >> ~/.icewm/startup

iROBO-3000a

iROBO-3000a представляє з себе безвентиляторний промисловий комп'ютер з встановленим Intel Atom D425 1.8 GHz із VGA, 2xGb LAN, 4xCOM, 4xUSB, 1GB RAM, 1x2.5" SATA HDD 120GB, Mini-PCIe, 4x4 DIO, CF слот, SIM Card слот, Audio, WDT, робочий діапазон температур -5..+55°С. Продуктивності даного комп'ютера достатньо для виконання як функцій серверу збору, контролю та керування, так і функцій станції візуалізації. Однак у зв'язку із використанням непродуктивного процесору родини Atom виконання математичних моделей технологічних процесів потребує всіх ресурсів процесору. Наприклад, при виконанні математичної моделі АГЛКС процесор навантажується на 86%. Контролер має сертифікат "УкрСЕПРО", що може бути важливим для багатьох користувачів на території України.

Робоче оточення OpenSCADA для цього комп'ютера будувалося на основі пакетної бази дистрибутиву ALTLinux T6, а також свіжо-зібраного оточення стільниці Trinity (TDE). Збірка оточення здійснювалася на основі вищенаведеної концепції за допомогою оновленого профілю "mkimage". У новий профіль також було додано мету "plc", однак її сутність змінилася фактично ставши копією мети "live", що стало можливим завдяки впровадженню на етапі первинної ініціалізації прозорого монтування розділу з міткою "alt-live-storage" як відображення упакованої файлової системи із довільним доступом на модифікацію. В цілому це дозволило створити фіксоване ядро прошивки з базовим набором програмного оточення, розміром 300Мб, та можливістю вільного розширення шляхом довстановлення потрібних пакетів із дистрибутиву.

У якості оточення стільниці було обрано Trinity з причини наявності проблеми фонового артифактингу у зв'язці XOrgServer 1.10 + QT4, а також малої ресурсомісткості TDE при високій розвинутості та стабільності.

Архів профілів збірки нового оточення отримав назву mkimage-profiles-6-kdesktop-plc.tgz, а остання збірка прошивки ALTLinux6-OpenSCADA_0.7.2-i586-plcUI_TDE-generic.flash.tar.