Тема ЭВМ в системах управления мы все умны, когда дело идет о том, чтобы давать советы
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
10 ным по отношению к объекту управления, и призвана обеспечивать автоматизацию обработки инфор- мации. Функциональная часть СУ представляет собой комплекс административных, организационных и экономико-математических методов и средств, предназначенных для автоматизации процессов при- нятия решений и выработки управляющих воздействий на объект управления. Состав подсистем функциональной части определяется характером объекта управления и характером задач, решаемых в СУ. Сложность и многокритериальность решаемых задач требуют формировать состав подсистем функциональной части по функциям управления, обеспечивая в каждой подсистеме реализацию всех общих фаз управления — планирование, учет, контроль, анализ и регулирование. Такой подход позво- ляет разрабатывать алгоритмы функционирования подсистем в соответствующей фазе управления по единой методике для всех функций управления. Каждая функциональная подсистема характеризуется своей информационной моделью, своими экономико-математическими моделями, методами и алгоритмами решения задач управления. Название функциональных подсистем обычно отражает круг задач управления, решаемых в подсистеме, напри- мер подсистемы: управления технической подготовкой производства; технико-экономического плани- рования; управления материально-техническим обеспечением; бухгалтерского учета и отчетности. Техническое обеспечение СУ (ТО СУ) - комплекс технических средств (КТС), используемых для функционирования системы управления. В соответствии со схемой обработки информации при автоматизированном управлении КТС включает в себя следующие средства: сбора и регистрации информации; передачи информации; пре- образования информации с целью ввода в ЭВМ; обработки информации; отображения информации с целью использования для выработки управляющих воздействий. Каждая из указанных групп имеет свой набор технических средств. Для сбора и регистрации информации широко используются датчики и регистраторы производства, для передачи - устройства и каналы связи. Преобразование информации для ввода в ЭВМ осуществляется на устройствах подготовки данных. Важнейший элемент КТС — электронно-вычислительные машины, в которых осуществляется обработка информации по заданным алгоритмам, разрабатываемым в соответствии с характером задач управления. Современные системы имеют широкую номенклатуру средств отображения информации, в число которых входят графиче- ские и текстовые дисплеи, графопостроители, печатающие устройства, экранные пульты и т. п. Информационное обеспечение СУ (ИО СУ) — совокупность реализованных решений по объемам, размещению и формам, организации информации, циркулирующей в СУ. Основными состав- ляющими подсистемы информационного обеспечения являются унифицированная система документа- ции, машинные массивы информации, система классификации и кодирования. Унифицированная система документации представляет собой комплекс взаимосвязанных доку- ментов, отвечающий единым правилам и требованиям, вытекающим из необходимости машинной об- работки информации. Эта документация содержит информацию, необходимую для решения задач на базе ЭВМ и экономико-математических методов, и составляет основу внемашинной информационной базы. Машинные массивы информации содержат необходимые исходные и справочные данные, а также нормативные данные для решения задач СУ и составляют основу внутримашинной информаци- онной базы. Системы классификации и кодирования - важнейшая составная часть методов и средств, связы- вающая документы и машинные массивы. На базе систем классификации и кодирования создается ин- формационно-поисковый аппарат. В целом информационное обеспечение объединяет данные в различных формах, средства фор- мализованного описания данных, программные средства обработки данных, организационные прин- ципы создания и ведения информационных массивов. Средства формализованного описания данных позволяют идентифицировать данные в информационных массивах и организовать эффективный дос- туп к ним. Программные средства обработки данных предназначены для контроля информации, вводимой в ЭВМ, ее хранения и накопления, внесения требуемых изменений в базу данных. Организационные принципы создания и ведения внутримашинной информационной базы со- держат методы и способы организации, хранения, изменения информационных массивов и доступа к ним. Подсистема информационного обеспечения призвана накапливать, обновлять и хранить всю информацию, необходимую для решения задач в СУ, и выдавать ее по запросам пользователей систе- мы. Это определяет основные требования к подсистеме: достаточно полное отображение состояния 11 объекта в любой момент времени; простой и быстрый доступ к информационной базе; высокая эффек- тивность методов и средств сбора, хранения, обновления, поиска и выдачи информации; возможность развития информационной базы за счет ее расширения и совершенствования методов обработки ин- формации. Огромные объемы информации, перерабатываемые в современных СУ, требование коллектив- ного характера внутримашинной информационной базы, пригодной для разнообразного применения в пределах решаемых задач, требование независимости информационной базы от прикладных программ пользователей привели к созданию и развитию информационного обеспечения на основе автоматизи- рованных банков данных (АБД). АБД можно определить как совокупность базы данных (БД) и систе- мы управления базой данных (СУБД). БД представляет собой совокупность взаимосвязанных, храня- щихся вместе данных, организованных так, что обеспечивается минимальная избыточность данных, возможность организации разнообразных структур, независимость организации данных от приклад- ных программ. СУБД — это программно-логический аппарат, организованный как пакет прикладных программ, предназначенный для эффективного управления базами данных. Организация внутрима- шинной информационной базы на основе банков данных — наиболее прогрессивная форма создания и развития информационного обеспечения СУ. Важной составной частью информационного обеспечения является нормативная база АСУ, со- держащая нормативно-справочную информацию в виде норм, нормативов, условно-постоянных спра- вочных и учетных показателей. Нормативная база организуется в виде документов и машинных носи- телей. Математическое обеспечение СУ (МО АСУ) - совокупность математических моделей, мето- дов и алгоритмов обработки информации в автоматизированной системе управления. Важнейшей составляющей подсистемы математического обеспечения являются математические модели процессов и объектов управления. Характер моделей определяется характером решаемых задач управления. Формально в большинстве случаев модель конструируется в виде целевой функции и сис- темы ограничений. Решение задачи в таких случаях сводится к поиску экстремума целевой функции при соблюдении ограничений. Аналитические детерминированные модели в составе математического обеспечения СУ в большинстве случаев не могут отражать сложности решаемых задач. Более реальными являются ком- бинированные модели и комбинированные методы моделирования, основанные на одновременном ис- пользовании двух критериев выбора решений - формализованного и эвристического. Экономико-математические модели производственных объектов могут строиться на основе производственных функций, которые представляют собой функциональные зависимости между раз- личными факторами системы управления, определяемые статистическими или корреляционными ме- тодами. Сложность задач управления в СУ заключается в том, что далеко не все факторы, влияющие на объекты и процессы управления, могут быть описаны количественно. Поэтому наиболее типичными задачами являются такие, для которых характерна постановка и решение в условиях неполной инфор- мации. В этом смысле значение имеют методы решения, основанные на принципах стохастического программирования. Программное обеспечение (ПО) - совокупность программ для реализации задач АСУ с по- мощью комплекса технических средств. ПО АСУ состоит из двух частей: 1) общего программного обеспечения, ориентированного на пользователей для организации вы- числительного процесса и решения часто встречающихся задач обработки информации; 2) специального программного обеспечения - комплекс программ для реализации функций кон- кретной системы управления. Общее программное обеспечение является универсальным и не зависит от области применения ЭВМ. Составляющими общего ПО являются комплексы программ: технического обслуживания вы- числительной системы; системы автоматизации программирования; системный диспетчер; библиотека стандартных программ и подпрограмм общего назначения и т.п. Специальное ПО формируется в виде совокупности пакетов прикладных программ, которые представляют собой комплексы взаимосвязанных программ, предназначенные для реализации кон- кретной функции СУ и настраиваемые при конкретном применении. Лингвистическое обеспечение СУ - совокупность языковых средств для формализации есте- ственного языка, построения и сочетания информационных единиц при общении персонала СУ с ЭВМ. Необходимость использования нескольких языков программирования объясняется разнообрази- ем задач, решаемых в СУ, и степенью приспособления того или иного языка к конкретной задаче. В 12 этом смысле языки программирования можно разбить на три группы: 1) машинные (МЯ); 2) машинно- ориентированные (МОЯ); 3) проблемно-ориентированные (ПОЯ). МЯ - это машинные коды. В состав МЯ входит перечень операций, свойственный конкретной ЭВМ, с их числовыми кодами. МЯ применяются в редких случаях - когда требуются программы выс- шего качества при минимальном времени их реализации. МОЯ - группа языков, ориентированных на конкретный тип ЭВМ, содержат элементы автомати- зации процесса распределения памяти ЭВМ, а часто используемые совокупности машинных команд объединены в макрокоманды, что повышает производительность программирования. Примером ма- шинно-ориентированного языка является АССЕМБЛЕР, который использует набор макрокоманд функ- ций операционной системы ЕС ЭВМ. ПОЯ — группа языков программирования, ориентированных не на ЭВМ, а на особенности ре- шаемых задач. Для перевода ПОЯ на язык конкретной машины в составе программного обеспечения ЭВМ имеются трансляторы. В распоряжении пользователей ЭВМ есть несколько языков программи- рования высокого уровня, к которым относятся: ФОРТРАН, КОБОЛ, АЛГОЛ, РПГ, ПЛ/1 и др. Кроме этого, в составе лингвистического обеспечения вычислительной системы содержатся информационные языки, используемые для обработки данных: запроса к базе данных; формирования различных логических отношений между элементами структур базы данных; передачи информации в базу данных; управления внешними устройствами. К числу таких языков относятся: языки описания данных для описания структуры и содержания базы данных; язык команд, используемый пользовате- лем для взаимодействия с базой данных; язык управления внешними устройствами. Перечисленные информационные языки являются средствами СУБД - систем управления базами данных. Математическое, программное и лингвистическое обеспечения СУ тесно увязаны между собой и часто рассматриваются как единая система программно-математического обеспечения. Роль этих подсистем весьма велика. Развитие СУ характеризуется непрерывным возрастанием удельной стоимо- сти программно-математического обеспечения. В настоящее время средства программно- математического обеспечения оцениваются в 70 % и выше общей стоимости СУ. 7.5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ [10]. Структура программного обеспечения (ПО). Программное обеспечение является такой же неотъемлемой частью современной системы, как и аппаратное обеспечение. Часть программного обеспечения - системное ПО, обычно поставляется фирмой и рассчитано на конкретную вычислительную платформу. Функционально близко к системному программному обеспечению находится специальное программное обеспечение, предназначенное не для автоматиче- ского управления, а для оперативного наблюдения за ходом процессов в системе, ведения архивов, от- чѐтов, наглядного представления текущих параметров процессов, организации виртуальных измери- тельных приборов, дисплеев и т.п. Эти системы обычно не работают в жѐстком реальном времени. Имеется достаточное количество таких готовых систем (Trace Mode, UltraLogik и др.). В целях обеспе- чения независимости от производителя, а также в целях повышения надѐжности и проблемной ориен- тированности часто такие системы создают специально. Другая часть программного обеспечения - драйверы устройств, должна быть результатом согла- сования фирм-разработчиков устройств и фирм-разработчиков системного ПО. Согласование достига- ется путѐм следования стандартам разработки драйверов. Наконец, имеется ещѐ один тип программного обеспечения, предназначенного для решения ли- бо конкретных вычислительных задач, или для управления специальными нестандартными устройст- вами. Это прикладное программное обеспечение вынужден создавать разработчик конкретной систе- мы. При этом часто приходится использовать язык ассемблера, так как требуется высокое быстродей- ствие и предсказуемость поведения программы. Системное программное обеспечение Возможность работы в реальном времени, обеспече- ние высокого уровня надежности при работе, поддержка стандартов на все виды интерфейсов - все эти требования позволяют выделить промышленные вычислительные системы в отдельный класс. Основ- ное требование (помимо надѐжности), предъявляемое к вычислительным системам данного класса, - это гарантированное время реакции на произошедшее событие. Из данного условия сразу можно вы- делить отличительные качества промышленных вычислительных систем: - адаптация вычислительного блока к датчикам и периферийным устройствам; - использование распространенных и проверенных промышленных стандартов; - использование операционных систем реального времени (ОСРВ). Операционные системы реального времени Как и всякая другая операционная система, 13 ОСРВ выполняет следующие основные функции, необходимые при использовании средств вычисли- тельной техники в автоматике: - обеспечение бесконфликтного взаимодействия параллельных задач с аппаратурой; - бесконфликтное разделение ресурсов вычислительной системы (память, диски и т.п.); - обеспечение надежной передачи данных между процессами в адресных пространствах; - обеспечение стандартных средств доступа к ресурсам; - обеспечение стандартных телекоммуникаций и сетевой поддержки; - поддержание службы времени (системных и сетевых таймеров); - создание вычислительной среды повышенной надѐжности; Но ОСРВ эти функции выполняет за гарантированное и известное время. Многие современные операционные системы, способные обрабатывать "на лету" поступающие запросы, в какой-то степени можно отнести к операционным системам реального времени. Как прави- ло, такие операционные системы являются клонами ОС UNIX, где основным принципом построения ОС является разделение времени с целью предоставить каждому пользователю свой ресурс. Главный критерий, по которому операционные системы можно разделить на обычные и опера- ционные системы реального времени, - это детерминированная, строго определенная задержка време- ни ожидания или прерывания, необходимая процессу, прежде чем он получит управление. В ОСРВ различают два основных элемента - это время отклика и детерминизм. Время отклика определяет, как часто система может "отвечать" в среднем. Детерминизм - это показатель наибольшей задержки систе- мы. Некоторые операционные системы, например DOS, являются недетерминированными и непригод- ны для использования в реальном масштабе времени. Системы реального времени также делятся на "soft real-time" и "hard real-time" - мягкое реаль- ное время (МРВ) и жѐсткое реальное время (ЖРВ). Для МРВ-систем возможна потеря внешнего собы- тия (прерывания) без оказания серьезного влияния на систему в целом. Потерянное прерывание в си- туации с ЖРВ имеет серьезные последствия, как например, "потеря" аварийной ситуации в системе исключения столкновений на авиалиниях. Следует также понимать, что ЖРВ не связано с абсолютны- ми значениями времени реакции ОС, так как есть процессы со временами работы, исчисляющимися сотыми долями секунды (например, в энергетических системах), а есть такие, для которых характер- ные постоянные времени равны часам (тепловые процессы). В настоящее время интерес к операционным системам реального времени очень велик и из- вестно множество ОС реального времени. Каждая из ведущих фирм-производителей, выпускающих промышленные компьютеры, обязательно имеет версию своей операционной системы для работы в реальном масштабе времени. Для компании Hewlett-Packard (HP) - это HP RT, для компании SGI - это ОС REACT, а для систем фирмы Motorola - это целое семейство различных ОС РВ. Прикладное программное обеспечение для САУ можно разбить на следующие группы: - дополнение к операционной системе (драйверы и т.п.); - программы управления, передачи данных, обработки данных, планирования и т.п., то есть прикладные вычислительные задачи; - программное обеспечение локальных регуляторов. Эта часть программного обеспечения часто создаѐтся для специализированных микроконтроллеров. Для создания этих разнородных частей прикладного программного обеспечения используются разные методы программирования. Наиболее традиционной частью являются прикладные вычисли- тельные задачи, для которых стараются использовать программирование на языках высокого уровня. Обычно здесь удаѐтся обойтись программированием на языке С, С++, Pascal, привлекая для этого ин- тегрированные среды типа Visual C, Builder или Delphi. При создании программного обеспечения для локальных контроллеров важно придерживаться следующих принципов: - При разработке проекта стараться обеспечить однородность вычислительной платформы, что позволит в дальнейшем упростить программирование. Реально это означает, что целесообразно в ло- кальных системах использовать не специализированные микроконтроллеры, а PC-совместимые кон- троллеры. Но в ряде задач наиболее эффективны именно специализированные контроллеры, как, на- пример, специальные DSP-процессоры в задачах цифровой обработки сигналов. - При разработке микропрограмм для локальных контроллеров необходимо тщательно обосно- вывать выбор контроллеров, причѐм, основным аспектом является не экономический, так как стои- мость микроконтроллеров постоянно снижается, а системный. - Альтернативой традиционному программированию микроконтроллеров, в принципе, является технология Java, предполагающая сетевую загрузку исполняемых программ в контроллеры. 14 Международная Электротехническая Комиссия (МЭК) в 1993 г. утвердила стандарт IEC 1131-3. Этот международный стандарт входит в группу IEC 1131 стандартов, которые охватывают различные аспекты использования программируемых логических контроллеров (ПЛК). Стандарт IEC 1131-3 опи- сывает синтаксис и семантику пяти языков программирования ПЛК. Инструменты разработки и отладки программного обеспечения Наиболее перспек- тивными являются интуитивно-понятные разработчику средства визуального проектирования. Визу- альные средства предполагают, что проектировщик (пользователь) не должен писать практически ни- какого кода программы ни на одном из языков программирования. Вместо этого он производит разме- щение тех или иных наглядных графических образов (пиктограмм) на рабочем поле. Они представля- ют собой отображение некоторых стандартных блоков, алгоритмов, устройств. Соединяя эти образы в соответствии с требуемой структурой, и задавая свойства отдельных компонент, пользователь быстро получает требуемое представление своей системы. Избежать программирования удаѐтся за счѐт объ- ектно-ориентированного характера такой модели, при котором необходимые коды программ уже ин- капсулированы в стандартных блоках. Но здесь заключается и слабая сторона такого подхода. Реально имеются две негативные сторо- ны использования стандартных библиотек функций: - закрытость исходных кодов (и в смысле недоступности, и в том смысле, что пользователь не заинтересован разбираться в чужих кодах); - неоптимальность кодов именно для той конкретной ситуации, в которой находится данный разработчик системы автоматики ("универсальное - значит не оптимальное"). Эти два пункта реально приводят к тому, что пользователь- разработчик автоматической систе- мы не может гарантировать надѐжность работы всей системы, так как в неѐ входят закрытые компо- ненты, и не может гарантировать оптимальности в смысле быстродействия работы критичных к этому параметру частей системы. Визуальные методы программирования ограниченно пригодны в случае хорошо известных задач, не критичных к быстродействию и надѐжности. Чтобы добиться абсолютно предсказуемого поведения программного обеспечения с учѐтом ра- боты в реальном времени разработчик автоматических систем вынужден создавать и собственное про- граммное обеспечение. Наиболее целесообразный подход здесь следующий: - по мере возможности пользоваться языками высокого уровня; - лишь в случае нехватки быстродействия или надѐжности использовать Ассемблер. Такой подход позволит инженеру в области автоматики решить сразу две задачи: - обеспечить реальную возможность передачи исходных кодов программ другим разработчикам, в том числе, и при смене вычислительной платформы; - добиться существенной экономии времени разработки программного обеспечения. Известно, что наиболее "расточительно" в этом смысле программирование на Ассемблере. Стандартными средствами во всех случаях являются специальные программные продукты, предназначенные для разработки программного обеспечения: редакторы, трансляторы, компоновщики, отладчики. Наиболее целесообразно использовать специальные интегрированные среды разработки, объединяющие все эти средства. Такие среды разработки имеются практически для всех языков про- граммирования. Сопровождение программного обеспечения - это возможность гарантировать передачу про- граммных комплексов, их переналадку в случае необходимости, исправление обнаруженных ошибок, устранение сбоев. Возможность сопровождения программного обеспечения зависит от следующих основных факторов: - обеспечение разработчиком сервисных услуг; - наличия доступной технической документации, в том числе, открытых кодов программ; - использование при разработке средств, доступных пользователям; - минимизация зависимости программного обеспечения от разработчика. Ключевым в этом во- просе является использование промышленных методов создания программного обеспечения. От правильного выбора программного продукта, удовлетворяющего требованиям сопровожде- ния, часто зависит судьба всей системы автоматики и эффективности вложения средств. ЛИТЕРАТУРА 1. Мирошник И.В. Теория автоматического управления. Линейные системы: Учебное пособие для вузов. - СПб.: Питер, 2005. - 336 с. 4. Орлов А.И. Менеджмент: Учебник. – М.: "Изумруд", 2003. 10. Туманов М.П. Технические средства автоматизации и управления: Учебное пособие. – М.: МГИЭМ, 2005, 71 с. 11. Михайлов В.С. Теория управления. – К.: Выща школа, 1988. |