Прошивка и создание программного окружения ПЛК архитектуры x86

Перед реализацией прошивки ПЛК ставились следующие требования:

• Компактность. В связи с прямой зависимостью цены на промышленные флеш-диски от их объёма, а также реальным отсутствием необходимости частого обновления, образ прошивки нужно упаковывать, достигнув уровня компактности 8-50Мб на среду исполнения ПЛК в окружении полноценной ОС.
• Унифицированный исходный репозиторий. Поскольку прошивка не является чем-то немодифицируемым, нерасширяемым и окончательно фиксированным, то в её основе должен лежать реальный развивающийся репозиторий пакетов ОС. Это позволит продолжительное время формировать обновления и расширения, не поддерживая при этом опосредованный репозиторий.
• Отлаженная и простая процедура сборки. Учитывая тот факт, что конфигурация прошивки может некоторое время стабилизироваться, кроме того в компонентах ОС и Open SCADA будут обнаруживаться и устраняться ошибки, то процедура сборки прошивки не должна быть обременительна, а напротив - легко адаптируемой.
• Прозрачная реализация режима записи в дереве ОС. Хотя прошивка и подразумевает создание упакованного немодифицируемого образа прошивки, однако специфика работы среды исполнения ПЛК подразумевает модификацию БД и ведение архивов. Кроме того, наличие возможности коррекции исходной конфигурации является важным требованием.
• Надёжность и устойчивость к внезапным выключениям. Спецификой эксплуатации ПЛК является, как правило, отсутствие возможности корректного выключения, а также практическая реальность ситуаций мгновенного и непредсказуемого пропадания питания. ПЛК в таких ситуациях должен сохранять работоспособность, в смысле содержать журналлируемую ФС и обеспечивать её проверку и автоматическое устранение ошибок.
• Условное разделение конфигурации ПЛК на два типа:
  • ПЛК без локального дисплея, возможно с простым текстовым табло.
  • Touch-панели c функцией ПЛК.

Инструменты и сборка рабочих окружений

Учитывая вышеприведенные требования, для создания прошивки был выбран репозиторий пакетов дистрибутива ОС Linux ALTLinux и инструмент создания дистрибутивов mkimage. mkimage - инструмент для сборки образов Sisyphus-based системы по шаблону. В качестве исходного набора шаблонов был взят набор шаблонов формирования дистрибутивов ALTLinux по адресу git://git.altlinux.org/people/boyarsh/packages/mkimage-profiles-desktop командой:
git clone git://git.altlinux.org/people/boyarsh/packages/mkimage-profiles-desktop
За основу формирования PLC шаблона был взят стандартный "rescue", как наиболее компактный и близкий к целевой задаче ПЛК.

Сборка

В первую очередь создавалась конфигурация ПЛК без локального дисплея в виду наличия оборудования такого типа и отсутствия оборудования для Touch-панелей.

Новый шаблон ПЛК был назван "plc" и тестировался на платах формфактора PC/104 MOPSlcdLX фирмы Kontron, ATH400-128 фирмы Diamond Systems и модульного ПЛК LP-8781 фирмы ICP DAS. Архив результирующего дерева mkimage с шаблоном "plc" можно загрузить здесь ftp://ftp.oscada.org/OpenSCADA/PLC (шаблоны и материалы отдельных контроллеров размещены в собственных директориях).

Ключевым моментом конфигурации нового шаблона стало написание скрипта инициализации (rc.sysinit), скрипта послеинсталляционной конфигурации образа прошивки и перечня пакетов в образе прошивки. Первый скрипт оформлен в виде пакета "startup-plc". Второй скрипт вложен в шаблоне "plc" по пути: profiles/plс/image-scripts.d/01system. Перечень пакетов вложен в шаблоне "plc" по пути: profiles/pkg/lists/plс.in

Процедура создания прошивки из шаблона следующая:
# Создание скрипта конфигурации configure $ ./autoconf # Конфигурация сборщика для генерации образов дисков $ ./configure --with-imagetype=flash # Сборка образа $ make plc.cd

В результате получаем выходную директорию в profiles/out/ вида:
syslinux/ # директория загрузчика syslinux alt0/ # файлы загрузчика full.cz # образ системы первичной инициализации vmlinuz # ядро ОС Linux syslinux.cfg # конфигурационный файл загрузчика plс # образ рабочей системы с ОС, OpenSCADA и другими утилитами

Инсталляция

Загружать прошивку можно на: USB-flash, IDE-flash и HDD. Однако, в случае с USB-flash может быть проблема с ожиданием инициализации USB-подсистемы и нужно будет немного побегать по диалогам загрузчика.

Файловая система может быть fat или ext2/ext3. В случае с ext3 монтирование корня производится как ext2, из-за проблем в инициализаторе. В случае с ext2/ext3 нужно будет использовать не загрузчик syslinux, а extlinux, конфигурация которого впрочем почти ничем не отличается.

Далее монтируем носитель и размещаем на нём файлы из выходной директории следующим образом.
В случае с fat и syslinux:
syslinux/ # директория загрузчика syslinux alt0/ # файлы загрузчика full.cz # образ системы первичной инициализации vmlinuz # ядро ОС Linux syslinux.cfg # конфигурационный файл загрузчика plс # образ рабочей системы с ОС, OpenSCADA и другими утилитами work # файловая система ext3 с рабочими данными
В случае с ext2/ext3 и extlinux:
extlinux/ # директория загрузчика extlinux (переименовать syslinux) alt0/ # файлы загрузчика full.cz # образ системы первичной инициализации vmlinuz # ядро ОС Linux extlinux.conf # конфигурационный файл загрузчика (переименовать syslinux.cfg) plс # образ рабочей системы с ОС, OpenSCADA и другими утилитами work # файловая система ext3 с рабочими данными

Для обеспечения надёжного функционирования рабочие данные размещаются в файле "work" с файловой системой ext3. Файловая система этого файла проверяется на целостность при инициализации. Создаётся этот файл следующим образом:
# Создание файла рабочих данных на 200Мб dd if=/dev/zero of=./work bs=1024 count=204800 # Создание файловой системы ext3 в файле mkfs.ext3 -m 0 work

В случае с файловой системой ext2/ext3 на целевом диске можно файл "work" не создавать. Тогда рабочие данные будут размещаться в директории root целевого диска. Внимание. Это ненадёжное решение, поскольку корневая файловая система целевого диска становится нестатичной, а проверять её нет возможности, ввиду раннего монтирования в "ro" и потенциальной ненадёжности проверки ФС, смонтированной в "ro", а так же невозможности перемонтировать как ext3.

Следующим этапом является конфигурация и инициализация загрузчика. Для конфигурации загрузчика нужно отредактировать файл syslinux/syslinux.cfg или extlinux/extlinux.conf следующим образом:
default plc prompt 1 timeout 200 implicit 1 label plc kernel alt0/vmlinuz # Использовать в случае идентификации загружаемого раздела по метке append initrd=alt0/full.cz live lowmem fastboot stagename=plc showopts automatic=method:disk,label:PLC # Использовать в случае идентификации загружаемого раздела по идентификатору # append initrd=alt0/full.cz live lowmem fastboot stagename=plc showopts automatic=method:disk,uuid:4824-271E

В случае выбора идентификации загружаемого раздела по идентификатору узнать его для нашего раздела можно командой: blkid.

В случае с меткой эта задача чуть сложнее поскольку делается это для разных файловых систем по разному.

Для файловых систем ext2/ext3 это делается утилитой e2label. Например, так: "e2label /dev/sdb1 PLС"

Для файловой системы FAT это делается набором утилит из комплекта mtools следующим образом:
# Редактируем /etc/mtools.conf на предмет добавления строки: drive c: file="/dev/sdb1" # Где /dev/sdb1 загрузочный раздел целевого диска # Устанавливаем метку раздела mlabel c:PLС

Теперь можем инициализировать загрузчик:
# Для syslinux syslinux /dev/sdb1 #предварительно раздел нужно размонтировать # Для extlinux (путь указывает на точку монтирования раздела целевого диска /media/PLС) extlinux --install /media/PLС/extlinux

На этом с загрузкой и инициализацией прошивки всё. Если полученный диск не грузится то:

• Отсутствует флаг загружаемости на рабочем разделе.
• Некорректен или повреждён "MBR". Проверить и восстановить его можно с помощью утилиты "ms-sys".
• Разделы носителя созданы помощью parted. Данная утилита странным образом выравнивает разделы, что не позволяет с них загружаться на USB-flash. Нужно носитель переразметить с помощью fdisk.
• Загрузка также может не работать на старых системах, которые не умеют грузится с USB-HDD. Для них нужно будет адаптировать геометрию диска, подстраивая под USB-ZIP или что нибудь подобное.

Результат

В результате получаем прошивку размером от 30 до 100Мб, удовлетворяющую фактически всем заявленным требованиям и обеспечивающую:

• Загрузку в течении 27 сек от включения контроллера и включая инициализацию BIOS.
• Проверку и восстановление рабочей файловой системы в файле work.
• Хранение пользовательских данных и изменений прошивки в файле work.
• Автоматическую настройку сети по DHCP (или 192.168.0.1).
• Доступ к контроллеру по SSH и удобный интерфейс работы, включая mc. Пароли по умолчанию (root:123456; admin:123456).
• Синхронизацию времени посредством ntp.
• Исполнение Open SCADA с доступными сетевыми интерфейсами:
  • конфигурация через Web (порты: 10002 и 10004);
  • среда исполнения через Web (порты: 10002 и 10004);
  • интерфейс управления Open SCADA (порт 10005).

Open SCADA

В качестве среды исполнения ПЛК используем систему Open SCADA. Для данного случая возьмём сборку с отдельными пакетами на каждый модуль и укажем для установки виртуальный пакет openscada-plc, который содержит зависимости на все пакеты Open SCADA, обычно используемые для данной конфигурации. Пакет графической библиотеки gd2 был пересобран без поддержки формата графического файла xpm и получил название libgd2-noxpm. Пересборка делалось для того что бы исключить тяжелые зависимости на библиотеки графического интерфейса XOrg.

В результате получилась среда исполнения ПЛК с поддержкой:

• БД:
  • SQLite
• Архивирование:
  • на файловую систему
• Источник данных:
  • вычислитель функциональных блоков
  • вычислитель на Java-подобном языке высокого уровня
  • контроллеры логического уровня
  • различные ПЛК по протоколу Mod Bus (RTU,ASCII,TCP)
  • данные ОС
• Транспорт:
  • последовательные интерфейсы;
  • TCP, UDP и UNIX сокеты;
  • безопасный слой сокетов (SSL).
• Транспортные протоколы:
  • HTTP
  • собственный протокол контроля Open SCADA
• Пользовательский интерфейс:
  • движок среды визуализации и управления (СВУ)
  • визуализатор СВУ на основе Web-технологий
  • конфигуратор Open SCADA на основе Web-технологий

Конфигурация Open SCADA запускается в режиме демона в локали uk_UA.UTF-8 с использованием локальной БД SQLite, предоставляя по умолчанию сетевые сервисы:

• конфигурация через Web (порты: 10002 и 10004);
• среда исполнения через Web (порты: 10002 и 10004);
• интерфейс управления Open SCADA (порт: 10005).

Детали реализации

В этом разделе рассмотрим детали дерева ОС прошивки, скрипт инициализации rc.sysinit.plc и скрипт подготовки дерева ОС прошивки.

Для построения прошивки ПЛК использовался следующий перечень пакетов:
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

Перечень модулей ядра системы загрузчика с целью уменьшения размера образа инициализации был уменьшен до списка:
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

В скрипте подготовки дерева были добавлены функции:

• смены наименования дистрибутива;
• подмены скрипта инициализации на inittab.plc;
• создание пользователя-администратора "admin" и установка паролей по умолчанию в "123456" для пользователей "root" и "admin";
• инициализация /etc/fstab;
• установка локали в uk_UA.UTF-8;
• конфигурация сети;
• установка часов;
• включение нужных сервисов;
• удаление: документации, страниц помощи и информации, иконок, RPM-БД и кеша apt;
• удаление ненужных локалей и переводов, оставлены en_US, ru_RU и uk_UA;
• добавлен код для отбора только используемых модулей ядра и удаления всех остальных; по умолчанию отключен и может включаться для подготовки финальной прошивки под конкретное оборудование;
• удалена директория с ядром (/boot), в связи с выносом его в корень загрузочного раздела.

Скрипт инициализации (rc.sysinit.plc) был наделён функциями:

• перемонтирование корневого раздела в режим RW;
• проверка и подключение файловой системы (/image/root) рабочих данных пользователя (файл work);
• отражение модифицируемых директорий дерева ПЛК (/etc, /var, /root, /home, /mnt и /lib) на файловую систему с рабочими данными пользователя (/image/root) посредством файловой системы "aufs" или "unionfs";

В результате этих мероприятий таблица монтирования конечного дерева ПЛК приняла вид:
[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

Настройка графического интерфейса

Один из вариантов прошивки собирается с графическим интерфейсом, который, однако, нужно настроить для получения автоматического запуска со средой визуализации Open SCADA. Кроме того, нужно отметить, что прошивка с графическим интерфейсом не содержит всех драйверов и может потребоваться её пересборка под нужное оборудование.

После загрузки и входа в консоль нужно сконфигурировать XServer, автоматический графический вход, запуск графического окружения и автоматический запуск Open SCADA из окружения Ice WM:
# Предварительная конфигурация $ x11_autosetup # Копирование автоматического конфигурационного файла $ cp /etc/X11/xorg.conf.auto /etc/X11/xorg.conf # Добавление переключения раскладок клавиатуры: Английская, Русская, Украинская $ cat "-option grp:lctrl_lshift_toggle -variant ,winkeys,winkeys -layout us,ru,ua -model pc104" > /etc/X11/xinit/Xkbmap # !! Редактирование файла /etc/X11/xorg.conf под собственные нужды. # Пробный запуск $ startx # Конфигурация автоматического графического входа путём создания файла /etc/sysconfig/autologin с содержимым: $ echo "AUTOLOGIN=yes" > /etc/sysconfig/autologin $ echo "USER=admin" >> /etc/sysconfig/autologin $ echo "EXEC=/usr/bin/startx" >> /etc/sysconfig/autologin # Включение запуска графической подсистемы при загрузке $ chkconfig dm on # Запуск графической подсистемы $ service dm start # !! Дальнейшие действия осуществляем в терминале из графического окружения # Создание конфигурационного файла автоматического запуска OpenSCADA из окружения 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 представляет из себя безвентиляторный промышленный компьютер с установленным Intel Atom D425 1.8 GHz с VGA, 2xGb LAN, 4xCOM, 4xUSB, 1GB RAM, 1x2.5" SATA HDD 120GB, Mini-PCIe, 4x4 DIO, CF слот, SIM Card слот, Audio, WDT, рабочий диапазон температур -5..+55°С. Производительности данного компьютера достаточно для выполнения как функций сервера сбора, контроля и управления, так и функций станции визуализации. Однако, ввиду использования непроизводительного процессора семейства Atom выполнение математических моделей технологических процессов потребует всех ресурсов процессора. Например, при исполнении математической модели АГЛКС процессор нагружается на 86%. Контроллер имеет сертификат "Укр СЕПРО", что может быть важным для многих пользователей на территории Украины.



Рабочее окружение Open SCADA для этого компьютера строилось на основе пакетной базы дистрибутива ALTLinux T6, а также свежесобранного окружения рабочего стола Trinity (TDE). Сборка окружения осуществлялась на основе вышеописанной концепции с помощью обновлённого профиля "mkimage". В новый профиль также была добавлена цель "plc", однако её суть изменилась, фактически став копией цели "live", что стало возможным благодаря внедрению на этапе первичной инициализации прозрачного монтирования раздела с меткой "alt-live-storage" как отражения упакованной файловой системы с произвольным доступом на модификацию. В целом это позволило создать фиксированное ядро прошивки с базовым набором программного окружения размером 300Мб и возможностью свободного расширения путём доустановки нужных пакетов из дистрибутива.

В качестве окружения рабочего стола было выбрано Trinity по причине наличия проблемы фонового артефактинга в связке XOrgServer 1.10 + QT4, а также малой ресурсоёмкости TDE при высокой развитости и стабильности.

Архив профилей сборки нового окружения получил название mkimage-profiles-6-kdesktop-plc.tgz, а последняя сборка прошивки ALTLinux6-OpenSCADA_0.7.2-i586-plcUI_TDE-generic.flash.tar.