13. Режим реального времени в системах управления (1245071), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Одна итерация, включающая сканирование сигнальных входов и цифровых каналов,выполнение программы управления и установку выходов и передачу по цифровым каналам, называетсявременным или рабочим циклом ПРК (рис. 3). Выполняемые действия зависят от значения входов ПРК,предыдущего состояния и определяются пользовательской программой.При включении питания ПРК выполняет самотестирование и настройку аппаратных ресурсов, очисткуОЗУ данных, контроль целостности прикладной программы пользователя. Если прикладная программа сохранена в памяти, ПРК переходит к основной работе, которая состоит из постоянного повторения последовательности действий, входящих в рабочий цикл: 1) начало цикла;2) чтение состояния входов;3) выполнение программы пользователя;4) запись состояния выходов;5) обслуживание аппаратных ресурсов ПРК;6) монитор системы исполнения;7) контроль времени цикла;8) переход на начало цикла.ТцТцТц…tЗапрограммированнаявеличина цикла ТцМоментвозникновениясобытия вноситвариативностьв величину времениреакцииИспользованнаячасть циклаСвободная часть цикла(используется, в том числе,для самодиагностики)Цикл сканированияЧтениевходовПрограммауправленияУстановкавыходовПрочиефазыСобытиеВремя реакцииРис.
3. Диаграмма выполнения временного цикла и определения времени реакции на событиеВ самом начале цикла ПРК производит физическое чтение входов. Считанные значения размещаются вобласти памяти входов. Т.е., создается полная одномоментная зеркальная копия значений входов.Далее выполняется пользовательская программа, которая работает с копией значений входов и выходов,размещенной в ОЗУ. Если прикладная программа не загружена или остановлена, то данная фаза рабочего цикла,естественно, не выполняется. Отладчик системы программирования имеет доступ к образу входов-выходов, чтопозволяет управлять выходами вручную и проводить исследования работы датчиков.7После выполнения пользовательской программы физические выходы ПРК приводятся в соответствие срасчетными значениями.Типовые значения времени цикла ПРК находятся в пределах единиц или десятков миллисекунд.Обслуживание аппаратных ресурсов подразумевает:1) обеспечение работы системных таймеров;2) часов реального времени;3) оперативное самотестирование;4) индикацию состояния и другие аппаратно-зависимые задачи.Прикладная программа выполняется под управлением системы исполнения, в функции которой обычновключаются: - загрузка исполняемого кода программы в ОЗУ и электрически репрограммируемую память,- управление последовательностью выполнения задач,- отображение процесса выполнения программ,- пошаговое выполнение,- обеспечение просмотра и редактирования значений переменных,- фиксация и трассировка значений переменных,- контроль времени цикла и др.Следует еще раз отметить, что прикладная/пользовательская программа работает только с мгновеннойкопией входов.
Таким образом, значения входов в процессе выполнения пользовательской программы не изменяются в пределах одного рабочего цикла. Это фундаментальный принцип построения ПРК сканирующего типа.Такой подход исключает неоднозначность алгоритма обработки данных в различных его ветвях. Кроме того,чтение копии значения входа из ОЗУ выполняется значительно быстрее, чем прямое чтение входа. Аппаратночтение входа может быть связано с формированием определенных временных интервалов, передачей последовательности команд для конкретной микросхемы или даже запросом по сети.Поскольку время цикла существенно влияет на результат, например при автоматическом регулировании,то для устранения этой проблемы в развитых ПРК предусмотрен контроль времени цикла.
Если отдельные ветвиуправляющей программы выполняются слишком быстро, в рабочий цикл добавляется искусственная задержка.Если контроль времени цикла не предусмотрен, подобные задачи приходится решать исключительно потаймерам.Время реакции – это время с момента изменения состояния системы до момента выработки соответствующей реакции. Очевидно, что для ПРК время реакции зависит от распределения моментов возникновениясобытия и начала фазы чтения входов. Если изменение значений входов произошло непосредственно перед фазойчтения входов, то время реакции будет наименьшим и равным времени сканирования.
Худший случай, когдаизменение значений входов происходит сразу после фазы чтения входов. Тогда время реакции будет наибольшим, равным удвоенному времени сканирования минус время одного чтения входов. Иными словами, времяреакции ПРК не превышает удвоенного времени сканирования.Помимо времени реакции ПРК, существенное значение имеет время реакции датчиков и исполнительныхмеханизмов, которое также необходимо учитывать при оценке общего времени реакции системы.Контроль времени рабочего цикла. Правильно составленная пользовательская программа не должнасодержать бесконечных циклов.
В противном случае управление системе исполнения не будет передано, и,соответственно, нормальное функционирование ПРК будет нарушено. Для преодоления данной проблемыслужит контроль времени цикла. Он осуществляется при поддержке аппаратно реализованного “сторожевоготаймера”. Если фаза пользовательского кода выполняется дольше установленного порога, то ее работа будетпрервана.Таким образом, достигается предсказуемое поведение ПРК при ошибках в программе и при “зависании”по причине аппаратных сбоев.
Обслуживание сторожевого таймера выполняется в рабочем цикле ПРК.Выполнять эту операцию по прерыванию нельзя, т.к. при “зависании” процессора система прерыванийдостаточно часто продолжает исправно работать.В системах РВ помимо правильности решения определяющую роль играет время реакции. Логическиверное решение, полученное с задержкой более допустимой, не является приемлемым.Принято различать системы жесткого и мягкого реального времени (РВ). В системах жесткого РВсуществует явно выраженный временной порог. При его превышении наступают необратимые катастрофическиепоследствия. Таким образом, при таком режиме работы системы нарушение временных ограничений равнозначно отказу системы. В системах мягкого РВ характеристики системы ухудшаются с увеличением времениуправляющей реакции.
Система может работать плохо или еще хуже, но ничего катастрофического при этом непроисходит. Т.е., при таком режиме работы системы нарушения временных ограничений приводят к снижениюкачества работы системы.8Специфика применения ПРК обусловливает необходимость одновременного решения нескольких задач.Прикладная программа может быть реализована в виде множества логически независимых задач, которыедолжны работать одновременно.На самом деле ПРК имеет обычно один ПРЦ и выполняет несколько задач псевдопараллельно, последовательными порциями. Время реакции на событие оказывается зависящим от числа одновременно обрабатываемыхсобытий.Рассчитать минимальное и максимальное значения времени реакции, конечно, можно, но добавлениеновых задач или увеличение объема программы приведет к увеличению времени реакции.
Такая модель большеподходит для систем мягкого РВ.Современные ПРК имеют типовое значение времени рабочего цикла, измеряемое единицамимиллисекунд и менее. Т.к. время реакции большинства исполнительных механизмов значительно выше, среальными ограничениями возможности использования ПРК по времени приходится сталкиваться редко.В некоторых случаях ограничением служит не время реакции на событие, а обязательность его фиксации,например работа с датчиками, формирующими импульсы малой длительности. Это ограничение преодолеваетсяспециальной конструкцией входов. Так, счетный вход позволяет фиксировать и подсчитывать импульсы спериодом во много раз меньшим времени рабочего цикла ПРК.
Специализированные интеллектуальные модули(например, в ПРК КРОСС и др.) в составе ПРК позволяют автономно отрабатывать заданные функции, напримермодули управления сервоприводом.Преобразование аналоговых сигналов при вводе в контроллер (рис.4)Целесообразно еще раз отметить те преобразования, которые должны быть реализованы в УСО (устройство сопряжения с объектом).Контролируемый (регулируемый) параметр с помощью соответствующего датчика (ДЧ) преобразуется вэлектрический сигнал (например, в уровень напряжения). Если сигнал на выходе ДЧ недостаточен для последующей обработки, то он усиливается.
Далее с помощью фильтра из сигнала удаляются нежелательные низкочастотные/высокочастотные составляющие.В данном случае (при использовании контроллера из семейства КОНТАР) сигнал с ДЧ поступает наконфигураторы, далее в микроконтроллер (МК), где через аналоговый мультиплексор поступает на АЦП,который преобразует уровень напряжения на входе в соответствующую цифровую величину (двоичную кодовуюкомбинацию).Если полученная величина должна быть представлена в процентах, то необходимо выполнить линейноепреобразование. В примере оно выполняется в ФБ-2 («ФИЗ ВЕЛ ОГ», «ФИЗ ВЕЛИЧ»).Программируемыйп р о м ы ш л е н н ы й к о н т р о л л е р (ПРК)U1(kT)ФБ-2Преобразованиезначенийфизическойвеличиныв проценты(ФИЗ ВЕЛ ОГ,ФИЗ ВЕЛИЧ)U2(kT)ФБ-3Динамическоепреобразованиев соответствиис закономрегулирования(ПИД АНЛГ Ри др.)y(kT)Out(t)ИсполнительныймеханизмUCOD(kT)Ф Б-1Преобразованиекода АЦПв цифровойэквивалентфизическойвеличины(ТСП 1К,ТЕРМ 10К,НАПРЯЖЕНИЕи др.)ЦАПIn(t)АЦПДатчикМ и к р о к о н т р о л л е р (МК)Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
