5.5. Программные средства автоматизации

5.5.1. Структура программного обеспечения

Программное обеспечение систем автоматики является такой же неотъемлемой частью, как и аппаратное обеспечение. От правильности проектирования и использования программного обеспечения (ПО) зависят все основные показатели качества и надёжности системы автоматики в целом.

Часть программного обеспечения является системным ПО и поставляется иногда вместе с оборудованием. Оно, как правило, рассчитано на конкретную вычислительную платформу.

Функционально близко к системному программному обеспечению находится специальное ПО, предназначенное не для автоматического управления, а для оперативного наблюдения за ходом процессов в системе, ведения архивов, отчётов, наглядного представления текущих параметров процессов, организации виртуальных измерительных приборов, дисплеев и т.п. Это – SCADA-системы (рассматриваются далее). Эти системы обычно не работают в жёстком реальном времени. Имеется достаточное количество таких готовых систем (например, система Trace Mode или система UltraLogik). В целях обеспечения независимости от производителя а также в целях повышения надёжности и проблемной ориентированности часто такие системы создают специально.

Другая часть программного обеспечения – драйверы устройств должна быть результатом согласования фирм-разработчиков устройств и фирм-разработчиков системного ПО. Чаще всего такое согласование достигается путём следования стандартам разработки драйверов. Однако, к сожалению, часто эта часть программного обеспечения оказывается недостаточно качественной.

Кроме того, для решения либо конкретных вычислительных задач, возникающих в системе, или для управления специальными (нестандартными) устройствами создается прикладное ПО, которое иногда вынужден создавать разработчик конкретной системы управления. При этом часто приходится использовать язык ассемблера, так как требуется высокое быстродействие и предсказуемость поведения программы. Особенно это справедливо при программировании специализированных контроллеров, непосредственно связанных с объектами управления. Важнейшим свойством ПО систем автоматики является его иерархичность (рис. 5.23).

Можно выделить, по крайней мере, три уровня иерархии [17]: уровень диспетчерского управления; прикладной уровень управления, на котором происходит решение сложных вычислительных задач, выработка целей, сложная обработка (возможно, в реальном времени) измерительной информации; уровень локальных контроллеров (локальных САУ).

Рис. 5.23. Уровни иерархии ПО систем автоматики

5.5.2. Системное программное обеспечение

Возможность работы в реальном времени, обеспечение высокого уровня надежности при работе, поддержка стандартов на все виды интерфейсов – все эти требования позволяют выделить промышленные вычислительные системы в отдельный класс.

Основное требование (помимо надёжности), предъявляемое к вычислительным системам данного класса, – это гарантированное время реакции на произошедшее событие. Из данного условия сразу можно выделить отличительные качества промышленных вычислительных систем:

максимально возможная адаптация вычислительного блока к датчикам и периферийным устройствам;

использование распространенных и проверенных и отработанных промышленных стандартов (как правило, VME), что позволяет обеспечить совместимость большого разнообразия оборудования и унифицировать протоколы взаимодействия с ним; S использование операционных систем реального времени (ОСРВ), гарантирующих выработку сигналов обратной связи за фиксированный промежуток времени.

Как и всякая другая операционная система, ОСРВ выполняет следующие основные функции, необходимые при использовании средств вычислительной техники в автоматике:

обеспечение бесконфликтного взаимодействия множества параллельных задач (процессов) с аппаратурой;

бесконфликтное разделение общих ресурсов вычислительной системы (память, диски и т.п.);

обеспечение безопасной передачи данных между процессами в защищённых адресных пространствах;

обеспечение стандартных средств доступа к ресурсам, чтобы программисту не надо было писать соответствующие коды;

обеспечение стандартных телекоммуникаций и сетевой поддержки;

поддержание службы времени (системных и сетевых таймеров);

создание вычислительной среды повышенной надёжности;

Многие современные операционные системы, способные обрабатывать «на лету» поступающие запросы (за счет распараллеливания, оптимизации ввода-вывода и оптимального планирования), в какой-то степени можно отнести к операционным системам реального времени. Как правило, такие операционные системы являются клонами ОС UNIX, где основным принципом построения ОС является разделение времени с целью предоставить каждому пользователю свой ресурс.

Большинство систем реального времени поддерживает индустриальные стандарты VME, POSIX, TCP/IP, NFS и Motif. В настоящее время интерес к операционным системам реального времени очень велик. Об этом говорит большое число проектов, направленных на разработку коммерческих и свободно распространяемых версий ОСРВ.

Каждая из ведущих фирм-производителей, выпускающих промышленные компьютеры, обязательно имеет сегодня 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. Среди них можно назвать LynxOS компании Lynx Real-Time Systems Inc. Или многозадачную систему OS-9 фирмы Microware Systems Corporation.