СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ |
76 |
4. Современные индустриальные системы, функционирующие в режиме реального времени
Измерительные и управляющие системы в современном мире не видны, но именно они обеспечивают движение самолетов на авиали- ниях, на них основана работа атомных электростанций, телефонных сетей, автопилотов поточных линий на промышленных предприяти- ях. С их помощью осуществляется распределение электроэнергии, управление полетом космических аппаратов и работой металлорежу- щих станков, регулирование микроклимата в зданиях. Полагаться на людей нельзя – и ответственность в критических приложениях пере- кладывается на автоматику.
Автоматическое управление начиналось с простых релейных схем, но теперь уровень сложности задач предполагает опору на циф-
ровую обработку информации с использованием практически всех современных компьютерных технологий. Динамика развития индуст- рии промышленных систем отражена в отчете [15], данные которого
основаны на опросах потребителей о закупаемых продуктах в трех крупных областях:
§управление процессами и инструментами (33%);
§интерфейс оператор - компьютер (37%);
§двигатели, приводы и управление движением (30%).
Наиболее интенсивно используются в промышленных системах распределенные системы управления, приложения на основе ПК и электроника для авиационных моторов, суммарно составляя 30% всех затрат в этой области.
Другой аспект – процентное распределение покупок по отраслям промышленности. Можно отметить следующие тенденции: увеличи- вается присутствие ПК в промышленном управлении, а по отраслям растут темпы автоматизации машиностроения; в химическом произ- водстве динамика сохраняется; в нефтепереработке заметно неболь- шое замедление.
4.1.Организация промышленных систем
Вкачестве примера можно взять систему управления ректифи- кационной колонной, которая отделяет легкие химические фракции
www.pdffactory.com
СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ |
77 |
от тяжелых при перегонке бензина из нефти. В такой системе компь- ютер получает информацию об уровнях и скоростях течения различ- ных жидкостей, о температуре и давлении. Основываясь на текущих значениях, он выдает команды на регулировку параметров и тем са- мым определяет объемы и качественные показатели конечных про- дуктов. Подобная система управления обычно нацелена на миними- зацию энергетических затрат.
На этом примере можно рассмотреть основные части промыш- ленной системы.
1.Центральным элементом в ней служит вычислительный блок, который в зависимости от решаемой задачи может быть либо про- стейшей микроплатой, либо многопроцессорным комплексом с внешней памятью большого объема, базой данных и средствами сете- вого взаимодействия. Вычислительный блок решает две задачи. Пер- вая – это собственно программное управление на основе модели ре- ального процесса. Вторая – организация интерфейса с обслуживаю- щим персоналом. Здесь визуализируется состояние объекта управле- ния путем вывода его параметров и статистических данных, а также содержатся средства для ручного управления.
2.Информация об объекте, как правило, аналоговая, собирается датчиками. Некоторые из датчиков пассивны: управляющая система сама периодически их опрашивает. Другие датчики самостоятельно прерывают работу системы, передавая ей информацию.
3.Воздействие на регулируемый процесс осуществляется с по-
мощью электрических или электромеханических исполнительных механизмов. Например, это может быть включение/выключение вен- тилятора с целью регулирования температуры.
4.Между датчиками и исполнительными устройствами, с одной стороны, и устройствами цифровой обработки – с другой ставятся алфавитно-цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразо- ватели. Кроме того, для управления исполнительными устройствами применяются программируемые логические контроллеры (ПЛК).
В развитии промышленных систем автоматизации в основном просматривались общие тенденции компьютерной индустрии, однако можно указать несколько принципиальных особенностей, которые требуют специализированных решений.
1.Промышленные системы функционируют в тяжелых для электронной техники условиях внешней среды, поэтому по сравне-
www.pdffactory.com
СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ |
78 |
нию с обычными компьютерами они должны иметь повышенную термо-, вибро-, ударопрочность.
2.Требуется подключать гораздо более широкую номенклатуру внешних устройств.
3.Время реакции системы на изменения параметров объекта управления определяется внешними реальными временными интер- валами – такие системы называются системами реального времени. Для особо ответственных приложений, например при управлении са- молетом, реакция должна быть практически мгновенной. Это, в част- ности, предполагает повышенную надежность и аппаратной, и про- граммной частей.
Традиционный подход выделяет в системах промышленной ав- томатизации пять уровней: ввод/вывод (В/В), управление В/В, дис- петчерское управление и сбор данных (SCADA), управление произ- водством (MES) и планирование ресурсов предприятия (MRP). Таким образом при разработке подобных систем решаются и аппаратные, и программные задачи: первый и частично второй уровень составляют аппаратную базу для программного обеспечения верхних слоев.
4.2.Аппаратная архитектура
Необходимость создания для каждой системы автоматизации уникальной конфигурации разнообразных периферийных устройств ставит на первое место вопрос о принципах их подключения и обес- печении возможности согласованного функционирования. Путь, по которому пошла эволюция систем автоматизации, – модульность с опорой на стандартизацию.
Стандарты плохо растут на пустом месте и в тиши кабинетов. Все начиналось с того, что фирмы-поставщики разрабатывали аппа- ратуру, ориентируясь на собственные предпочтения и стремясь мак-
симально покрыть потребности разработчиков систем управления только своими продуктами. Это приводило к тому, что заказчик был привязан только к своему поставщику и оказывался перед необходи- мостью тратить деньги на все новые и новые разработки, даже если
его потребности могли быть удовлетворены уже готовой продукцией соседней фирмы, однако продукты разных производителей было не- возможно стыковать.
Ситуация радикально изменилась после того, как рынок выявил лидеров, предлагавших достаточно хорошие решения, способных
www.pdffactory.com
СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ |
79 |
учитывать пожелания других заинтересованных сторон и готовых спонсировать профессиональную деятельность по стандартизации та- ких некоммерческих организаций, как IEEE, ISO, IEC (МЭК) и ANSI.
Что дают стандарты? Для разработчиков систем автоматизации
– это возможность создавать открытые модульные комплексы из го- товых программных и аппаратных блоков разных производителей. Выигрывают и поставщики – во-первых, они могут действовать на всем рынке, а не только на своей частной делянке. Во-вторых, они
получают доступ к профессионально разработанным спецификациям открытых стандартов, для которых не требуется приобретение патен- тов и которые не защищены авторским правом.
Успех стандарта не определяется постановлением правительст- ва. Он будет продуктивен при условии, что его поддерживают по- ставщики, разработчики и потребители. И уж во всяком случае стан- дарт должен развиваться, отражая постоянно растущий потенциал ба- зовых технологий. В этом плане в области систем управления жизнь кипит: при изобилии стандартов разного уровня идет жесткая конку- рентная борьба альтернативных подходов.
4.3. Стандарты шин
По отмеченным причинам одним из основных архитектурных решений для систем промышленной автоматизации является магист- рально-модульная архитектура, в которой различные внешние блоки
– модули связываются между собой через общую магистраль. Пер-
вым из получивших широкое признание международных стандартов на магистрально-модульные системы стал принятый в 1968 году стандарт CAMAC. Сегодня уже очевидно, что большинство разработ-
чиков систем промышленной автоматизации практически отказались от применения нестандартных технических решений (их доля снизи- лась до 12%), возможно даже в ущерб техническим характеристикам, ориентируясь на стандарты де-факто и де-юре.
4.4. Технологии VME и PCI
Технология шины VMEbus зародилась в 1979 году как специфи- кация компании Motorola и в 1987-88 гг. была признана международ- ным стандартом (IEEE 1014, IEC821). Эта магистрально-модульная архитектура выдержала конкуренцию с Multibus, FUTUREbus+ и, не- смотря на почтенный возраст, остается лидером для промышленной
www.pdffactory.com
СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ |
80 |
автоматизации. По-видимому, успех стандарта VME стал следствием множества факторов.
Технология VME позволяет создавать вычислительные системы в очень широком диапазоне производительности, от настольных ком- пьютеров до многопроцессорных супер-ЭВМ, от простых и дешевых
промышленных контроллеров до мощнейших многопроцессорных систем управления десятками тысяч аналоговых и цифровых каналов ввода/вывода. Не претендуя на достижение рекордных показателей, VMEbus обеспечивает наилучшее соотношение це- на/производительность для системы в целом и предоставляет хоро- шие возможности для наращивания ресурсов.
Важным фактором стало то, что продвижением и развитием стандарта VME занимается организованная в 1984 году международ-
ная ассоциация VITA – VFEA International Trade Association. Ее ос-
новные спонсоры – крупнейшие американские компании Motorola и Sun Microsystems. Членами VITA являются около 100 европейских, американских, азиатских производителей совместимой продукции
VMEbus: DEC, HP, Force Computer, Microware, IBM и др.
После официального принятия стандарта заботой комитета ста- ло поддержание жизнеспособности VME в соответствии с быстро ме- няющимися технологическими условиями. Ввод в строй нескольких расширений и новой версии стандарта для 64-разрядной передачи данных VME64 показал, что потенциал шины VME далеко не исчер- пан. Новейшие реализации VMEbus обеспечивают пропускную спо- собность 320 Мбайт/с.
Архитектура VME выросла вокруг семейства Motorola 68xxx, но сейчас имеются VME-реализации для RISC-процессоров, рабочих станций Sun, DEC, HP, SGI, Intel и клона PowerPC.
Технические характеристики VMEbus. Конструктивно в основу
VMEbus положен самый популярный механический стандарт – Евро- механика. Конечная система компонуется из функциональных моду- лей VME, устанавливаемых в крейты, число которых не ограничено.
Крейт представляет собой каркас с объединительной магистралью VME, источником питания и вентиляцией. В каждый крейт можно поместить до 21 модуля VME. Модули соединяются через объедини- тельную плату с нормированным волновым сопротивлением и тер- минаторами на каждой сигнальной линии. В качестве соединителей
www.pdffactory.com
СИСТЕМЫ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ |
81 |
используются надежные 96-штырьковые разъемы DIN602-3, причем 8- и 16-разрядные модули имеют один разъем, 32/64-разрядные - два.
Сегодня технология VME, кроме основного стандарта VMEbus/VME64, включает несколько расширений.
Технология оперативной замены Live Insertion представляет со-
бой минимальное аппаратное дополнение к стандартным модулям VMEbus, позволяющее беспрепятственно вставлять/вынимать модули из работающей системы. Для реализации горячей замены предложен специальный механизм изоляции модуля от шины.
Широкое распространение получил стандарт измерительных систем VXIbus, который поддерживают более 200 зарубежных фирм, выпускающих свыше 500 типов модулей.
В 1995 году был принят стандарт мезонинных технологий
ANSI/VITA 4 на модули IP (Industry Pack).
Для телекоммуникаций предложен стандарт SCSA подшины для обработки цифровой аудио- и видеоинформации в телефонии. VMEbus используется как основная управляющая шина системы, а SCSA P2 – для интерфейса с телефонными цепями.
Работа над спецификацией VME64 уже завершена, хотя отделе- ние VITA по стандартам продолжает уточнять расширения к стандар- ту VME64, но, по всей вероятности, массовое производство VME- изделий, включающих эти расширения, начнется не раньше 1998-99 г. Сейчас же VME-системы ощущают сильное давление дешевых сис- тем на базе ПК. Однако можно рассчитывать, что после того, как но- вые расширения VME64 будут освоены на рынке высокопроизводи- тельной аппаратуры, высокая рентабельность VME-систем восстано- вится. Это подтверждается и тем, что за последний год самые высо- кие темпы развития в VME-сообществе имели три компании, специа- лизирующиеся на быстрых вычислениях: Mercury, Sky Computers и CSPI.
Шина PCI и ее производные. ПК проектируются для работы в комфортных условиях офиса, и их использование в производственной обстановке зачастую невозможно. С другой стороны, разработчики систем промышленной автоматизации не могут игнорировать про- дукты, имеющие массовое распространение на рынке и, следователь- но, относительно дешевые. Прогресс технологии производства элек-
тронных плат сделал выгодным изготовление широкой номенклатуры микросхем В/В в виде кристаллов. Для того чтобы их можно было
www.pdffactory.com