Рябов В.Т. - Функции, структура и элементная база систем автоматического управления (1041593), страница 14

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 14)

Структура на логическом уровне

Переменные

ОЗУ

Сохраняемые переменные

Энергонезависимое ОЗУ

РПЗУ Управляющие коды Константы

Структура на физическом уровне

С жесткой структурой (резидентное) С гибкой структурой (загружаемое)

Программное обеспечение САУ

38

Структура программного обеспечения может быть рассмотрена на физическом и ло-гическом уровне (рис. 1.26). В первом случае принимается во внимание, в какой зоне памяти расположены управляющие коды и переменные программного обеспечения, во втором рас-сматривается их взаимосвязь, взаимодействие и иерархическая подчиненность.

Кроме того, структура на обеих уровнях может быть жесткой (резидентной), когда управляющие коды и константы размещены в репрограммируемой постоянной памяти, со-храняемые константы – энергонезависимом оперативном запоминающем устройстве ОЗУ, локальные переменные, утеря значений которых при сбоях не может вызывать принципиаль-ных (не подлежащих восстановлению) ошибок – в «штатном» ОЗУ. Энергонезависимое ОЗУ не теряет содержания при пропадании питания, штатное ОЗУ – это область памяти, не защи-щенная от обесточивания.

При гибкой (перезагружаемой) структуре программное обеспечение при инициализа-ции системы загружается в оперативную память и структурируется в ней должным образом.

Здесь еще можно отследить, чтобы коды, констан-ты и сохраняемые переменные были при загрузке размещены в энергонезависимом ОЗУ, но опера-тивно размещать управляющие коды в РПЗУ уже не удается.

Системы с резидентной структурой памяти

быстро (за миллисекунды) восстанавливаются по-

сле сбоев, поскольку не требуется перезагружать

память или объем перегрузки минимален. Процес-

сы пользователя, благодаря этому прекрасно под-

держиваются в жестком реальном времени. Однако

САУ с такой структурой теряют в гибкости про-

граммирования, не допускают перепрограммирова-

ния на ходу и сложнее в отладке. Обычно так орга-

низована память у ПЛК, чтобы резидентно органи-

зовать память у промышленного компьютера, нуж-

но принимать специальные меры. Далеко не каждая

процессорная плата и не каждая система разработ-

ки программного обеспечения сможет поддержать

такие изыски.

Программное обеспечение (ПО) развитых

систем автоматического управления на логическом

уровне должно быть хорошо структурировано и на

строиться как ряд взаимно охватывающих оболочек

(рис.1.26). Это облегчает написание и отладку от-

дельных элементов управляющей программы,

обеспечивает переносимость программ и позволяет распараллеливать работы по созданию ПО, что, в

конечном итоге, сокращает сроки разработки и повышает качество работ. Каждая внутренняя оболочка оказывает услуги внешней, причем связаны только два уровня и перескок через уровень недопустим. Идеология такого иерархического разбиения взаимодействия будет рас-смотрена нами в следующем разделе.

Ядром ПО являются машинные коды, организующие элементарные операции взаимо-действия с объектом. На этом уровне реализуются операции дискретного и аналогового кон-троля (ДК и АК) и управления (ДУ и АУ). Это контроль, установка и сброс отдельных битов, непосредственно связанных с объектом управления, проведение аналогово-цифрового и циф-

39

ро-аналогового преобразования и ряд других неизменных утилит, которые обычно зашива-ются в ПЗУ или РПЗУ. Аналогом такого ядра является система BIOS персональных компью-теров клона PC.

На втором уровне расположен слой базовой операционной системы (БОС). Такой слой бывает явно выражен и развит у универсальных и специализированных контроллеров. В качестве примера можно привести свободно программируемые контроллеры ПЛК фирмы Сименс или семейство SPS Festo фирмы Фесто и др. У промышленных компьютеров здесь часто работает какая-либо широко распространенная универсальная операционная система. Реально операционная система сама распадается на ряд уровней, но мы не будем проводить здесь такую детализацию.

На этом слое реализуются следующие функции:

Поддержка выполнения программ пользователя. БОС в современных контроллерах реализует процессный подход к программированию и поддерживает многозадачность при выполнении программ пользователя. Многозадачность реализуется за счет согласованного параллельного или квазипараллельного, при наличии единственного микропроцессора в кон-троллере, выполнения управляющих программ. Управляющая программа состоит из отдель-ных процессов и потоков, объединенных единой физико-химической природой и, следова-тельно, едиными переменными. Поток разделяется на отдельные кванты - непрерывно вы-полняющиеся части программы.

Различают исключающую многозадачность, когда отдельные кванты процесса фор-мируются принудительно диспетчером системы и кооперативную или добровольную много-задачность, когда кванты сами передают управление диспетчеру, а он анализирует очередь квантов и запускает тот, условия запуска которого выполнены. В сложных системах управле-ния, когда обрабатываются большие массивы информации, применяют обычно какие либо операционные системы реального времени общего назначения (UNIX, LINUX, модификации Windows), либо специализированные операционные системы и среды реального времени, в которых используется исключающая многозадачность. Такие системы и среды более благо-приятно реагируют на ошибки, весьма вероятные в сложных управляющих программах и за-щищают отдельные задачи от взаимного несанкционированного изменения данных.

Если базовая операционная система является однозадачной, например, пока еще ши-роко используемая в промышленных компьютерах Flesh-DOS 6.22, создается дополнитель-ный уровень ядра реального времени RTKernel.

Кроме поддержки многозадачности слой БОС содержит и подключает библиотеку стандартных процедур и функций (БСП), которая включает унифицированные, наиболее употребляемые подпрограммы, например утилиты ПИД-регулирования и т.п.

Сетевые функции. Для работы в сети БОС содержит протоколы обмена, реализующие поддержку процессов обмена сообщениями между процессами и микроконтроллерами управ-ляющей сети САУ. Более детально эти функции будут рассмотрены в следующем разделе.

Защита от программных и аппаратных сбоев. Если напряжение на линии питания контроллера падает ниже некоторого предела, генерируется системное прерывание, по кото-рому содержимое памяти микроконтроллера копируется в специальную зону энергонезави-симого ОЗУ. При дальнейшем падении генерируется системный сброс, и при повторном включении питания система способна восстановить свое состояние и продолжить выполне-ние управляющей программы, если это необходимо. Для защиты от программных сбоев обычно предусматривают систему WD (Watch Dog). При правильной работе система перио-дически генерирует сигнал WDI, фронтом или срезом которого сбрасывается WD-таймер су-первизорной схемы, защищающей микроконтроллер от программных и аппаратных сбоев. Если система потеряет управление и сигналов WDI не будет, генерируется сброс микрокон-троллера и программа возвращается в БОС.

40

4. Поэтапная отладка программного обеспечения. БОС поддерживает ввод программ в ОЗУ, их пошаговое исполнение, вывод содержимого регистров и трассировку переменных на каждом шаге, ввод точек останова.

На третьем уровне расположен слой программ пользователя (ПП), который содержит набор программ для реализации основных целевых функций САУ, функций коррекции цели и сервисных функций. Основные целевые функции поддерживают управление технологиче-ским процессом, функции коррекции цели - процесс перепрограммирования цикла, сервис-ные функции обеспечивают условия для оптимального протекания технологии, поддержива-ют надлежащую безотказность, ремонтопригодность и долговечность технологической ма-шины. Это основной уровень, на котором создается программное обеспечение САУ.

На четвертом уровне содержатся параметры настройки программ пользователя, обеспечивающие реализацию конкретных технологических режимов обработки. Этот слой создается при реализации функций коррекции цели и существует, когда такие функции пре-дусмотрены. На рис. 1.26 этот слой не показан.

Нами рассмотрена некоторая обобщенная структура программного обеспечения сис-тем автоматического управления.

Методы и средства программирования различных контроллеров, безусловно, различ-ны. Одно дело - сложные центральных контроллеры и другое - специальные локальные мик-роконтроллеры, управляющие отдельным достаточно автономным устройством. Централь-ные контроллеры должны иметь развитый и сложный человеко-машинный интерфейс (Man Machine Interface, MMI) и часто предназначены для выполнения супервизорных функций

(SCADA, Supervisory Control And Data Acquisition) в АСУ ТП. Таким контроллерам допустимо работать в так называемом «мягком» реальном времени, структура их программного обеспе-чения является гибкой, они непосредственно не определяют параметры конкретной техноло-гии, а лишь переопределяют уставки (заданные параметры) процессов для локальных кон-троллеров. Для программирования и поддержки выполнения управляющих программ таких контроллеров применяют специализированные объектно-ориентированные языки и среды (Genesis, Genie, QNX-Momentics и др.) и универсальные (Windows) либо специализированные (QNX/Neutrino, Linux, VxWorks и др.) операционные системы (ОС). Достаточно подробный обзор таких систем приведен в [1, 2, 3].

Если центральный контроллер берет хотя бы часть целевых функций на себя , недопус-тимо ждать, когда ОС загрузится в течение минуты (и даже десяти секунд). И дело здесь не в первоначальном включении, а в том , что программные сбои из-за множества причин всегда возможны . Ошибки оператора, сбои в питании, помехи – от этого можно защитится, но сле-дует быть готовым к их проявлениям. Есть надежные средства обнаружения и устранения программных сбоев, но они связаны с перезагрузкой программного обеспечения. В этом слу-чае предпочтительнее выбирать специализированные ОС, разработанные на основе микрояд-ра (QNX/Neutrino, Linux), когда возможно при трансляции создавать компактные программы, способные к автономной работе без поддержки полномасштабной ОС, либо, если есть воз-можность, полностью резидентные системы с заданной физической структурой программно-го обеспечения.

Международный стандарт МЭК 61131-3 определяет языки разработки программного обеспечения ПЛК, на основе которых созданы инструментальные среды для их программи-рования, как специальные , предназначенные для конкретных типов, так и универсальные. Так фирма Siemens на основе этого стандарта поставляет специальные средства разработки ПО для своих контроллеров Siemens LOGO, Siemens SIMATIC и Siemens PC. Фирма 3S (Smart Software Solutions) поставляет универсальную среду CoDeSys, включающую редакторы для ввода программ на определенных стандартом шести языках программирования, компилято-

41

ры, генерирующие исполняемый машинный код и широкий набор средств отладки и сопро-вождения.

Все языки делятся на символьные и графические.

Символьные языки ориентированы как на профессиональных программистов, так и специалистов в предметных областях, знакомых с общими основами программирования.

Характеристики

Список файлов книги