Назначения систем scada.

Открытое управление предполагает максимальное использова­ние стандартов, не только сетевых, но и на уровне каждой отдельной сис­темы управления. Структура системы ЧПУ представлена с позиций использо­вания существующих стандартов. Роль интерфейсных стандартов исклю­чительно велика, поскольку именно они создают основу для построения открытых распределенных систем управления. Рассмотрим эффективность интерфейсов на основе объектно-ориентированного подхода и таких Microsoft-технологий, как COM/DCOM/ OLE/OPC.

Стандарт ОРС представляет собой технологию OLE для управления технологическими процессами. Это стандартный метод для досту­па к периферийным устройствам, системам SCADA или другим промыш­ленным приложениям реального времени. ОРС является спецификацией, или набором правил и процедур, разработанных с той целью, чтобы разно­образные приложения могли поддерживать диалог между собой. Цель стан­дарта - обеспечить совместную работу и взаимозаменяемость промыш­ленных устройств от разных производителей. Имея утвержденный в стан­дарте набор интерфейсов, конечный пользователь может организовать взаимодействие и обмен данными между любыми распределенными ком­понентами системы.

С появлением стандарта ОРС построение открытых распределенных систем управления становится достаточно простым еще и по той причине, что разработка ОРС-серверов и ОРС-клиентов поддержана сегодня много­численными инструментальными средствами. С точки зрения SCADA-систем, ОРС-серверы, расположенные на компьютерах всего производствен­ного предприятия, могут стандартным способом поставлять данные в про­граммы визуализации, базы данных и др. Таким образом, разрушается само понятие гетерогенной системы. К клиентам относятся ус­тройства с программным обеспечением более высокого уровня, например системы SCADA. Разновидность ОРС-сервер - это доступ к периферийной шине (Fieldbus) устройства ЧПУ. В системе ЧПУ с операционной системой Windows устанавливается Fieldbus-адаптер, и ОРС-сервер будет работать с сетью Fieldbus через драйвер адаптера. Таким образом, ОРС-клиент типа .NET получает доступ к данным сети Fieldbus через ОРС-сервер типа. NET.

Если ОРС-интерфейсы системы ЧПУ представлены в явном виде, то в качестве клиентов показаны системы MES (Manufacturing Execution Systems), ERP (Enterprise Resource Planning), MRP (Manufacturing resource Planning). Система MES отвечает за управление производственными ре­сурсами, планирование и контроль последовательности технологических операций, например в рамках гибкого производственного модуля или гиб­кой производственной системы. Система ERP занимается планированием ресурсов предприятия, а система MRP - планированием ресурсов произ­водства в рамках подразделения предприятия.

SCADA.

SCADA-системы (Supervisory Control and Data Acquisition – сбор данных и диспетчерское управление) предназначены для отображения (визуализации) данных в производственном процессе и оперативного комплексного управления различными агрегатами, в том числе и с участием диспетчерского персонала.

Системы SCADA реализованы обычно в виде сетевых персональных компьютеров, причем необязательно все функции SCADA сосредоточены в одном компьютере. Так, в интегрированной системе могут быть выделе­ны системы SCADA типов Data Access (доступ к данным технологическо­го процесса), Alarms and Events (выявление критических и аварийных си­туаций), History Access (архивирование истории изменения параметров тех­нологического процесса).

Система Data Access считывает технологические параметры, сохраняет эти параметры в базе данных реального времени, отображает технологи­ческие параметры на графических мнемосхемах и в виде графиков (трен­дов). Система Alarms and Events обнаруживает аварийные ситуации, ото­бражает аварийные и технологические сообщения, динамически представ­ляет аварийные ситуации на графических мнемосхемах. Система History Access архивирует историю изменения параметров технологического про­цесса, просматривает историю изменения параметров технологического процесса в виде графиков и таблиц, генерирует отчеты по истории измене­ния параметров технологического процесса.

1-4 Стандарт ОРС - OLE for Process Control

Существует достаточно широкий набор интерфейсных ОРС-стандартов: общие для всех ОРС-спецификаций, для обмена оперативными данными с приложениями на С++ и Visual Basic, для обслуживания событий (event) и нештатных ситуаций (alarm), для работы с базами данными, для обработки прав доступа к данным и др. Основной стандарт, называемый DA (Data Access), описывает передачу оперативных данных от оборудова­ния или к оборудованию. ОРС Data Access-сервер состоит из нескольких объектов: сервера, груп­пы, элемента данных (переменной). Объект-сервер поддерживает инфор­мацию о сервере и служит контейнером для объектов-групп. Объект-груп­па поддерживает информацию о самом себе и предоставляет механизм для включения и логической организации объектов-элементов. ОРС-группы создают клиентам возможность организовывать данные. Например, груп­па может выводить элементы на экран монитора оператора или представ­лять их в сообщении; группы могут обслуживать разных клиентов. Дан­ные можно читать и писать. ОРС-клиент может сконфигурировать скорость, с которой ОРС-сервер будет обновлять его данные.

Существуют два типа групп: public и local (или private). Тип public слу­жит для разделения групп между многими клиентами, тип local предназ­начен для одного клиента. ОРС-элементы устанавливают связи с источниками данных в пределах сервера. С позиций специального интерфейса ОРС-элемент недоступен дляОРС-клиента как объект. Другими словами, не существует внешнего ин­терфейса, который был бы определен для ОРС-элемента. Все виды досту­па к ОРС элементам осуществляются посредством ОРС объектов-групп, которые содержат ОРС-элементы. Элементы-переменные не служат источ­никами данных, они представляют собой лишь соединения с ними. ОРС-элемент следует рассматривать как нечто, специфицирующее адрес данных, а не фи­зический источник данных, на который ад­рес ссылается.

Основной единицей дан­ных в ОРС служит переменная (item). Пере­менная может быть любого типа, допусти­мого в OLE: различные целые и веществен­ные типы, логический тип, строковый тип, дата, вариантный тип и др. Кроме того, пере­менная может быть массивом. К обязательным свойствам переменной относятся значе­ние Value и тип, качество переменной Quality, метка времени Time Stamp, права доступа (чтение, запись), частота опроса ОРС-сервером и описание переменной. Качество предполагает, что в источниках данных возможны отказы, по­этому корректное значение переменной не всегда известно ОРС-серверу, о чем и уведомляется клиент через качество - хорошее, плохое, неопреде­ленное, дополнительная информация. Частота опроса опре­деляет интервал чтения переменной. Описание переменной представляет собой строковое значение, содержащее информацию для пользователя о предназначении переменной.

Существуют три способа получения ОРС-клиентом данных от ОРС-сервера: синхронное чтение, асинхронное чтение и подписка. При синх­ронном чтении клиент посылает серверу запрос со списком интересую­щих его переменных и ждет, пока сервер его выполнит. При асинхронном чтении клиент посылает серверу запрос, а сам продолжает работать. Когда сервер выполнил запрос, клиент получает уведомление. В случае подпис­ки клиент передает серверу список интересующих его переменных, а сер­вер затем регулярно присылает клиенту информацию об изменениях зна­чений переменных из списка. Эти списки в терминологии ОРС называют группами. Каждый клиент может поддерживать одновременно много групп с разной скоростью обновления.

Технология ОРС регламентирует только интерфейс между ОРС-кли-ентами и ОРС-серверами, но не устанавливает способ получения этих данных от оборудования. Однако существуют некоторые модели взаи­модействия с оборудованием, предполагаемые разумными с точки зре­ния разработчиков ОРС. Например, можно запросить ОРС-сервер по­лучать данные не напрямую, а извлекать их из своего внутреннего бу­фера (кэша).

Соответствующие интерфейсы предлагают ОРС-клиентам некоторые механизмы, которые уведомляют о возникновении специфицированных событий или аварийных ситуаций.

Помимо серверов, осуществляющих доступ к данным DA, существуют серверы доставки сообщений типа «alarms» и «events».

Спецификации ОРС всегда содержат два набора интерфейсов: интер­фейсы пользователя (Custom Interfaces) и интерфейсы автоматизации (Automation Interfaces). Последние имеют доступ к приложениям, напи­санным на Visual Basic (рис. 19). Спецификации ОРС определяют, что со­бой представляют интерфейсы, но не как выглядит проект. Специфициру­ется ожидаемое поведение интерфейсов, которое позволяет клиентским приложениям их использовать. Клиентское ОРС-приложение взаимодействует с ОРС-сервером через специфицированные разделяемые интерфейсы, специальный (пользова­тельский) интерфейс или интерфейс автоматизации. Прежде всего ОРС-серверы нуждаются в разработке специальных (пользовательских) интер­фейсов, а в качестве опции могут иметь интерфейсы автоматизации.

1-5. Проблемы реального времени в системах управления. PAC-контроллеры. SoftPLC

Показано, что системы ЧПУ располагают модулями, работаю­щими в машинном масштабе времени, и модулями, работающи­ми в реальном времени. Все прикладные модули взаимодейству­ют между собой и нуждаются в диспетчеризации, причем про­блемы диспетчеризации близки к тем, которые решаются средствами операционных систем реального времени. Раскрыты способы организации совместной работы всех модулей системы управления в целом. Рассмотрены возможности применения стан­дартных и оригинальных операционных систем реального времени и обосновано решение использования в системе управления расши­рения реального времени операционной системы Windows NT.

Постановка задачи

Оптимальное использование вычислительных ресурсов систем управле­ния предполагает распределение работы модели в машинном и реальном масштабах времени. Управление взаимодействием моделей называют диспет­черизацией; она использует средства операционных систем реального време­ни. Однако диспетчер ни в коей мере не заменяет операционную систему.

Таким образом, поставлена задача найти способы организации совмест­ной работы всех модулей системы управления в целом. Для этого необхо­димо рациональное решение проблемы реального времени и построение на базе этого решения диспетчера прикладных программ. В этой связи были исследованы существующие предложения по использованию стандартных и оригинальных операционных систем реального времени, а также рас­ширений реального времени операционной системы Windows NT; кроме того, были выделены типы процессов и потоки системы управления.

Реальное время в системе управления

Традиционно системы реального времени, включая модуль диспетче­ра, строят на базе операционных систем реального времени (ОСРВ). Опе­рационные системы общего назначения, например многопользовательские типа UNIX, ориентированы на оптимальное использование распределе­ния ресурсов компьютера между пользователями и выполняемыми про­цессами. В системах управления подобные задачи уходят на второй план, поскольку основная цель состоит в своевременной реакции на события в объекте управления. В этой связи рассмотрим классификацию возможных решений.

Исполнительные системы реального времени предлагают разные плат­формы для разработки и исполнения программного обеспечения. Приклад­ную часть реального времени разрабатывают на хост-компьютере, затем объединяют с ядром и загружают в систему управления как одну задачу. Такое решение дает высокую точность и быстродействие. Примером мо­жет послужить хорошо известная операционная система реального време­ни Vx Works.

Монолитные ядра реального времени имеют полный набор специфи­ческих механизмов реального времени. Ядра компактны, масштабируемы и имеют модульное и хорошо структурированное построение. Типичными представителями служатOS9 (Microwave Systems) и QNX (QNX Software Systems, Канада).

Системы управления с операционной системой UNIX реального вре­мени переписывают ядро стандартной операционной системы с учетом требований реального времени. Такие системы поддерживают весь набор UNIX-приложений. Однако система UNIX реального времени имеет боль­шой объем и низкую реактивность. Типичным и широко используемым представителем семейства UNIX служит операционная система Lynux OS.

Современные системы числового программного управления все чаще используют операционную систему Windows NT с расширением реально­го времени. Поскольку этот вариант представляется нам чрезвычайно пер­спективным, мы позднее остановимся на нем подробнее.

Базовые понятия операционной системы реального времени

Система ОСРВ предсказуема в том смысле, что время, затрачиваемое на определенную работу, не должно превышать заранее установленного ограничения. Время реакции на прерывание (interrupt latency) состоит в способности своевременной реакции на внешние события (обычно не пре­вышает 2-8 мкс). Время переключения контекста используется для пере­дачи управления от процесса к процессу, от потока к потоку (находится в пределах 80 - 160 мкс). Время реакции планировщика (scheduling latency) представляет собой задержку активизации процесса после отработки пре­рывания (находится в пределах 4- 16 мкс) [23].

В своей работе операционные системы используют набор традицион­ных механизмов. Механизм приоритетов и диспетчеризации обеспечивает планирование задач реального времени на основе использования некото­рого кванта времени (time slice). Механизм межзадачного взаимодействия синхронизирует процессы и передачу данных между ними с использова­нием семафоров, мютексов, сигналов, событий, разделяемой памяти. Ме­ханизм работы с таймерами генерирует прерывания по истечении некото­рого настраиваемого интервала времени

1-6. Использование в системах управления системы Windows

Windows NT не является операционной системой реального времени, поскольку не имеет достаточного диапазона приоритетов потоков (threads), не позволяет управлять наследованием приоритетов (блокирующий поток должен наследовать приоритет потока, который он блокирует), механизм синхронизации потоков непредсказуем, время реакции на прерывание не­предсказуемо.

Между тем в силу растущей популярности в системах управления опе­рационной системы Windows NT проблема как-то должна быть решена. Из всех существующих предложений по реализации ОСРВ на базе Windows NT практическое значение имеют всего два подхода [24].

Первый подход состоит в запуске Windows NT в виде низкоприоритет­ной задачи операционной системы реального времени (супервизора). При этом предполагается применение ядра классической ОСРВ типа QNX или VxWorks. Существуют решения, в которых в качестве супервизора исполь­зуется Vx Works.

Второй подход заключается в расширении (в смысле реального време­ни) Windows NT. Это может быть оригинальная разработка изготовителя системы управления, например система WinCAT (Backhoff Industrie Electronic, ФРГ)- Другой вариант- использование готового коммерческого решения, например RTX 4.1 фирмы VenturCom.

Оба подхода имеют свои достоинства и недостатки. Однако подход на базе расширения реального времени для Windows NT все же более перс­пективен. Во-первых, в расширении использованы те же типы объектов для управления задачами, что и у ядра Windows NT (мютексы, семафоры и т.д.). В противоположность этому Vx Works использует оригинальные фун­кции и механизмы, формирующие собственный стиль, отличный от стиля Windows. Во-вторых, нет необходимости во второй операционной системе, что сокращает расходы и снимает проблемы установки и стыковки обеих операционных систем на одном персональном компьютере.

Решение в пользу расширения реального времени позволяет быстро обновлять систему управления с появлением новых версий Windows NT, осуществлять мощную защиту приложений, которую Windows выполняет с помощью независимого абстрактного уровня HAL, легко отлаживать коды и использовать возможности стандартных механизмов Microsoft для ин­формационного обмена между Windows и задачами реального времени (IPC -механизм межпроцессной связи, OLE - механизм связывания и внедрения объектов, СОМ - механизм компонентных моделей, RPC - механизм уда­ленного вызова процедур)

1-7 Стратегия диспетчеризации на базе расширения RTX(Real Time extension)

Один из самых надежных и распространенных алгоритмов диспетчеризации в многозадачных операционных системах (ОС) - это алгоритм циклической диспетчеризации, когда для выполнения конкретной задачи предоставляется некоторый квант времени (time slice). По истечении каждого кванта времени планировщик просматривает очередь активных задач и принимает решение, которой из них передать управление. Подобный алгоритм может быть использован в системе числового программного управления. Прежде чем сформировать этот алгоритм, рассмотрим особенности режима времени, в котором работает система управления с операционной системой Windows NT и расширением реального времени.

Понятие о мягком и жестком реальном времени в системе управления

На рис. 1 представлены многоуровневая структура Windows NT с RTX и размещение основных потоков системы управления. Внизу находится уровень аппаратной абстракции реального времени (HAL), где реализованы быстродействующие часы и таймеры, механизм разграничения прерываний между RTX и Windows NT. Подсистема реального времени RTSS выполнена в виде драйвера, работает на уровне ядра Windows NT и обеспечивает основные функции и управление ресурсами RTX. Эта подсистема использует сервисные возможности HAL реального времени и Windows NT для работы с быстрыми часами и таймерами и для обслуживания механизма прерывания. Встроенный в RTSS менеджер потоков (thread manager) и планировщик, основанные на фиксированной системе приоритетов, управляют прикладными задачами.

Подсистема RTSS обеспечивает интерфейс между процессами RTX и Windows NT в реальном времени с помощью специального сервисного механизма IPC (Inter Process Communication). Следует отметить, что RTX полностью соответствует той концепции фирмы Microsoft, которая допускает изменение уровня HAL без изменения ядра операционной системы. В системе работают обычный прикладной интерфейса Win32 для Windows NT (предусмотренный для машинного времени), а также дополнительные прикладные интерфейсы реального времени RTAPI (Real Time Application Interface) и Win32 RT (Real Time). Дополнительные прикладные интерфейсы обеспечивают два режима реального времени: жесткий и мягкий. Это позволяет оптимизировать вычислительные ресурсы системы управления, разделив ее функциональные задачи на три группы:

• в режиме жесткого реального времени решаются критические задачи (интерполяция кадров управляющей программы, ввод-вывод и т.д.), реализованные в процессе RT-сервер;

• в режиме мягкого реального времени решаются задачи, непосредственно связанные с задачами реального времени (например, интерпретация кадра управляющей программы); они реализованы в процессе терминал. В отличие от жесткого времени здесь допустимы задержки__потока из-за свопинга (подкачка), обращения к жесткому диску, прерывания и т.д.;

• в режиме машинного времени работают остальные стандартные прикладные модули системы управления (редактор управляющих программ, встроенная САМ-система, система моделирования процесса обработки и т.д.). Стратегия диспетчеризации задач в системе управления отображена на рис.2, где стрелками указана последовательность событий. Первоначально в Windows NT с подсистемой реального времени (RTSS) создается таймер (timer). По истечении кванта времени стандартный механизм генерирует прерывание, которое обрабатывается прикладной call-back функцией или так называемой функцией обратного вызова. Функция реализует алгоритм планирования (диспетчеризации) задач интерпретаций, интерполяции, ввода-вывода, коммуникации и интерфейса оператора MMI. В соответствии с обозначенными для системы управления режимами в жестком реальном времени выполняются задачи диспетчеризации, интерполяции, ввода-вывода, коммуникации. В мягком реальном времени выполняются задачи интерпретации и обновления экранов интерфейса с оператором, а в ф оновом процессе - задачи интерфейса с оператором.

1-8 Принцип разбиения потоков (threads) в системе управления и схема их диспетчеризации

В системах управления целесообразно придерживаться традиционной для систем реального времени схемы один процесс - много потоков (threads). Схема имеет такие важные достоинства, как быстродействие и высокая реактивность. Высокая реактивность потоков объясняется меньшим временем переключения их контекстов по сравнению с процессами. Потоки используют общее адресное пространство процесса, а процессы нуждаются в разделяемой памяти. Согласно принятым представлениям о режимах времени в системе управления, выделим три группы потоков:

• жесткого реального времени, работающие в процессе реального времени это так называемые RTSS-процессы;

• мягкого реального времени, функционирующие в Win32- и RTAPI процессах;

• машинного времени, работающие в стандартных Win32-npоцeccax.

Обмен данными и синхронизация процессов машинного времени и мягкого реального времени традиционны, это осуществляется на базе общей платформы Win32. Обмен данными между процессами мягкого и жесткого реального времени осуществляется на базе разделяемой памяти (shared memory) - механизма, предоставляемого со стороны RTX. Процесс RTSS на рис. включает в себя набор потоков, решающих критические задачи в системе управления. Поток диспетчера по сути является call-back функцией таймера, в которой реализован планировщик процессов. Планировщик с помощью мютексов или семафоров запускает или останавливает тот или иной поток. Коммуникационную среду разделим на два потока, один из которых функционирует в режиме жесткого реального времени (поток коммуникационной среды реального времени), а другой работает в режиме мягкого реального времени (поток коммуникационной среды Win32). Задача состоит в передаче данных как между потоками внутри процесса, так и между процессами. Передача данных между потоками коммуникационной среды реального времени и потоками коммуникационной среды Win32, как уже отмечалось, осуществляется посредством разделяемой памяти.

З адача интерполяции реализуется потоком Look Ahead, осуществляющим опережающий просмотр и коррекцию кадров управляющей программы, потоком грубой интерполяции, вызываемым обычно с частотой 50 Гц, и потоком тонкой интерполяции, вызываемым обычно с частотой 1-2 мс, осуществляющим сплайновую интерполяция между точками, рассчитанными в рамках грубой интерполяции. Частота вызова интерполяторов параметрически настраивается в планировщике (в потоке диспетчера реального времени). Поток программируемого контроллера решает задачу управления электроавтоматикой и задачу ввода-вывода. В процессе мягкого реального времени, помимо потока коммуникационной среды Win32 и потока интерпретации кадров управляющей программы, работает поток интерфейса с оператором. Поток интерпретатора запускает групповые интерпретаторы как порожденные потоки. В потоке интерфейса с оператором отображаются такие данные процесса реального времени, как текущие координаты, скорость подачи, состояние процесса, режимы системы управления. Отсюда же отправляются управляющие команды процессу реального времени: запуск строки ручного ввода, выбор управляющей программы, стоп и т.д.Процессы машинного времени-эпго классические Windows-процессы. Примером может послужить редактор управляющих программ, который запускает в качестве порожденных потоки моделирования управляющих программ.

1-9 Проблемы управления электропневмоавтоматикой.

Система управления электроавтоматикой построена соответственно кли­ент-серверной модели. Размещение клиентской и серверной частей в од­ном персональном компьютере послужило основой концепции SoftPLC. Многочисленные современные системы программирования придержива­ются стандарта IEC 61131-3, при этом они ориентированы на общепро­мышленную электроавтоматику и имеют мощную инструментальную под­держку, в которой доминирует объектный подход. В серверной части от­дельные задачи реального времени работают циклически, периодически или по событию. Существуют предложения, согласно которым задачи раз­несены по своим потокам.

Особенности управления электроавтоматикой станков по типу SoftPLC заключаются в том, что задачи SoftPLC квазипараллельны задачам ЧПУ и выполняются в одной и той же исполнительной среде. Еще одна особен­ность состоит в том, что циклы управления электроавтоматикой вызыва­ются из управляющей программы. Программирование этих циклов, по-видимому, требует своей объектно-ориентированной поддержки.