8.3. Автоматизированные системы научных исследований

Автоматизация научных исследований и обработки экс­перимента АСНИ на современном этапе научно-техни­ческой революции стала объективной необходимостью Это связано с требованием получения результатов в сжатые сроки и с высокой достоверностью, учетом бо-

¹ См.: Круг Г. К., Филаретов Г. Ф. Проблемы автоматизации научных исследований в вузах. Обзорная информация. М„ НИИВШ, 1983. Вып. 3; Круг Г. К-. Кабанов В. А., Фомин Г. А. Техническое и математическое обеспечение систем автоматизации научных иссле­дований. М., 1979.

лее сложных взаимосвязей исследуемых объектов, рас­ширением диапазона и микроЭВМ, обладающих боль­шими техническими возможностями и широкой сферой применения, в значительной мере способствовало прог­рессу в области автоматизации научных исследований.

Под АСНИ обычно понимают совокупность техниче­ских, программных средств, методического обеспечения и математических методов, необходимых для проведе­ния эксперимента, обработки и анализа полученных ре­зультатов.

В автоматизации научных исследований, связанных с проведением эксперимента, выделяются два уровня в единой системе автоматизации: объектный (когда основные требования к АСНИ задаются объектом ис­следований) и инструментальный, на котором опреде* ляющей является теоретическая база данной предмет­ной области, информационная база и средства обработт ки информации. ЭВМ первого уровня в рамках АСНИ коллективного пользования являются по существу ин­формационно-вычислительным ресурсом системы в це­лом, а также объектом интеграции АСНИ в более ши­рокие системы и сети (например, в вычислительную сеть коллективного пользования). На первом уровне в АСНИ должны входить головные вычислительные средства (ГВС) для сложных видов обработки и накопления ин­формации и управления средствами отображения. К та­ким вычислительным средствам относятся ЭВМ типа СМ-3, СМ-4 и другие ЭВМ этого типа. Второй уровень составляют локальные системы автоматизации экспери­ментов — объектные терминалы, имеющие выход через стандартный интерфейс на объекты исследований и стро­ящиеся на базе микроЭВМ «Электроника-60» и другие а также системы КАМАК

Международная система КАМАК имеет совокуп­ность стандартов на логическую, электрическую и кон­структивную реализацию устройства сопряжения и об­мена информацией между измерительной аппаратурой и ЭВМ. Она имеет модульную структуру и конструк­тивно выполняется в виде «автономного блока (крей- та) — хранилища функциональных модулей (аналого- цифровые преобразователи, счетчики импульсов, генераторы импульсов, цифроаналоговые преобразова-

¹ Камак — системы автоматизации в экспериментальной биоло­гии и медицине/Под ред. Ю. Е. Нестерихина. Новосибирск, 1979.

тели, регистры и т.д.) и контроллера крейта. Контрол­лер крейта осуществляет связь с ЭВМ и управляет функ­циональными модулями с помощью стандартного ка­нала передачи данных, организованного в КАМАК. В зависимости от сложности проводимых эксперимен­тов для их автоматизации КАМАК позволяет компоно­вать различные конфигурации устройства сопряжения для экспериментального оборудования в АСНИ.

Объектные терминалы по использованию вычисли­тельных средств и КАМАК подразделяются на ряд ти­пов в зависимости от сложности проводимого экспери­мента.

При автоматизации простого эксперимента, проводи­мого по конкретной программе, используется однокрейто- вая система, управление которой реализует автономный программируемый контроллер (КАП) по программе, находящейся в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) в виде последовательности КАМАК — команд, за­данной экспериментатором. Серийно выпускаемые авто­номные контроллеры допускают подключение до четы­рех модулей ПЗУ объемом 64 КАМАК — команды каж­дый (всего -256 КАМАК — команд) с возможностью организации программных циклов. Информация, снима­емая с объекта, стыкующего по шинам данных магист­раль крейта и канал (общую шину —ОШ) ЭВМ, пере­дается в ЭВМ с помощью параллельного обмена данны­ми по схеме, показанной на рис. 8.5. Для автоматизации экспериментов, требующих сложных: программ управ­ления, рекомендуется объектный терминал ТОТ-КАМАК па базе микроЭВМ «Электроника-60» с минимальным набором периферийных устройств. Связь микроЭВМ с магистралью крейта осуществляется через посредст­во крейт-контроллера «Электроника-60» по схеме, при­веденной на рис. 8.6.

В качестве объектных терминалов для автоматизации экспериментов с большим объемом передачи информа­ции, сложной обработкой и комплексным отображением результатов эксперимента могут использоваться инфор­мационно-вычислительные комплексы (ИВК) ИВК-2, ИВК-3 и другие на базе международной системы СМ ЭВМ и КАМАК.

При использовании в АСНИ промышленных цифро­вых приборов (вольтметр, частотомер, коммутатор и др.) при умеренных требованиях и скорости обработки ин­формации целесообразно применение типового объекта

терминала TOT-ПИ на базе «Электроника ДЗ-28» и средств приборного интерфейса-МЭК. Организация TOT-ПИ (приборный интерфейс) представлена на рис. 8.7.

Канал ЭВМ

Магистраль КАМАК

* исследований

Рис. 8.5. Схема передачи информации в ЭВМ

К К оЬеши

V> "

Общей тенденцией развития АСНИ, связанной с ис­пользованием средств вычислительной техники, являет­ся повышение производительности и пользовательских возможностей объектовых машин. Это достигается уве­личением объема их оперативных запоминающих уст­ройств, оснащением микроЭВМ комплектными и емки­ми накопителями на гибких магнитных дисках, кассет­ными накопителями на магнитных лентах. Развитие средств технического обеспечения АСНИ идет в направ­лен^ миниатюризации вычислительных систем при со­хранении архитектуры и программного обеспечения. Учи­тывая успех развития микроэлектроники и микропро­цессорной техники, можно предположить, что эволюция АСНИ будет идти в направлении децентрализации тра­диционных функций ЭВМ всех уровней, когда задачи многоцелевой обработки информации будут реализовы- ваться на интерфейсном уровне путем применения мик­роэвм и- микропроцессоров, встроенных в интерфейс­ные блоки.

т

Периферийные уст­ройства (перфоратор, дисплеи или пишущая

машинка и ) ^;

Канал „ Электроника - $0

Набор функци­ональных модулей

Модуль последова­тельной передачи данных

Расширен­ное ОЗУ 7?

I

К объекту исследований

Рее. 8.6. Схема использования типового объектного терминала на базе микроЭВМ «Электроника-60»

Математическое обеспечение АСНИ представляет собой совокупность математических методов и алгорит­мов, реализующих эксперимент, накопление, обработку, анализ и интерпретацию результатов эксперимента, а также методы и алгоритмы принятия решений. Про­граммное обеспечение включает набор программных средств, обеспечивающий необходимые эксплуатацион­ные характеристики АСНИ при имеющемся наборе тех­нических средств. Программное обеспечение подразде- лйется на системное (общее) и специальное (приклад­ное) (рис. 8.8). В задачи общего программного обеспечения входит: обеспечение универсальности приме­нения ЭВМ, ее высокой производительности, адаптиру-.

Рис. 8.7. Схема применения типового объектного термина- ла на базе микроЭВМ «Электроника ДЗ-28»

емости к возможным изменениям конфигурации аппа­ратных средств, к введению новых программ, реализу­ющих те или иные возможности.

В вычислительной системе возможно использование нескольких различных режимов работы, отличающихся друг от друга организацией вычислительного процесса, способом обмена информацией с объектами исследова­ний, принципами взаимодействия исследователя с ЭВМ. Операционная система должна быть достаточно разви­той, чтобы допускать реализацию нескольких различ­ных режимов.

Требования, предъявляемые к операционным систе-

Рис, 8.8. Программное обеспечение АСНИ

мам ЭВМ нижнего и верхнего уровней АСНИ, должны быть различны. Для ЭВМ нижнего уровня, где основт ным является режим реального времени, в операцион­ные системы включаются программные средства, обес­печивающие взаимодействие ЭВМ и экспериментальной установки {объекта исследования). Для ЭВМ верхнего уровня операционные системы должны включать про­граммы, обеспечивающие создание и обработку баз данных, машинную графику, взаимодействие ЭВМ раз­личного уровня (прикладное программное обеспечение систем автоматизации научных программ общего назнаг чения; пакеты сервисных программ технического обсл^ живания; пакеты специализированных программ; проб­лемно-ориентированные программы).

Пакеты программ общего назначения включают на­бор программ, предназначенных для решения наиболее распространенных задач математического характера: решения систем линейных алгебраических и дифферен­циальных уравнений, вычисление элементарных функ­ций, статистический анализ и др. Пакеты сервисных про­грамм технического обслуживания — это совокупность тестовых и диагностических программ.

Пакеты специализированных программ разрабаты­ваются применительно к каждой конкретной АСНИ. Они создаются с учетом особенности задач, решаемых системой автоматизации, и, как правило, присущи толь­ко данной АСНИ.

Проблемно-ориентированные программы разрабаты­ваются для группы родственных систем автоматизации, предназначенных для работы в некоторых близких об­ластях науки и техники.

Для обработки больших массивов эксперименталь­ных данных и получения результатов с высокой точно­стью используются комплексы на базе ЕС ЭВМ с соот­ветствующим» пакетами прикладных программ. Малые ЭВМ {СМ ЭВМ) используются для управления экспе­риментом, сбора экспериментальных данных и выполне­ния первичной их обработки. В специальное программ­ное обеспечение малых ЭВМ входят как пакеты при­кладных программ, так и диалоговые системы (см. рис. 8.8). Ниже приводятся краткие сведения о пакете прикладных программ ПЛАНЭКС и диалоговой системе ДИПЛЕК.С. Этот пакет предназначен для планирования эксперимента и статистической обработки эксперимен­тальных данных в научных исследованиях. Модули па­кета обеспечивают эффективное решение задач, связан­ных с построением математических моделей объекта при разработке АСУ ТП (технологических процессов) и си­стем управления качеством, позволяют оптимизировать технологические процессы. Пакет расширяет программ­ное обеспечение автоматизированных систем научных ис­следований на базе ЕС ЭВМ и может применяться при проверке статистических гипотез, изучении законов рас­пределения случайных величин, анализе данных измере­ний; при прохождении оценок параметров математиче­ских моделей заданной структуры и статистическом ана­лизе полученных оценок; при оптимальном планировании эксперимента для обеспечения желаемых свойств мо­дели.

ПЛАНЭКС представляет собой комплекс программ, включающий управляющую программу, состоящую из анализатора входного задания и генератора рабочей программы, библиотеку модулей, архивы данных, про­граммы обслуживания (рис. 8.9). В функции анализа­тора входит ввод входного задания на проблемно-ори­ентированном языке, идентификация поставленной за­дачи, формирование данных во внутреннем представлении текста. Генератор рабочей программы осуществляет программирование и трансляцию новых модулей и сбор­ку программы для решения поставленной задачи в соот­ветствии с выбранной вычислительной схемой. Управля­ющая программа текста включает блоки, осуществляю­

щие консультационную помощь при постановке задачи. В некоторых случаях решение задачи возможно даже при отсутствии в задании явного указания на требуе­мый алгоритм расчетов: вычислительная схема выбира­ется либо по имеющимся исходным данным, либо по от­ветам пользователем на вопросы специальной анкеты.

Архивы ППП
Словари, j Архивы та&мцы 1 пользова- { теней	временит архив
			11
\ {

Управляющая программа

Рабочая прог­рамма

Анализатор If с	Управляющей лрогромыь)	Вышли - темных схем
Svfi/uiomena модулей

Рис. 8,9. Структура пакета прикладных программ ПЛАНЭКС

Использование языков программирования при рабо­те с пакетом прикладных программ ПЛАНЭКС не яв­ляется обязательным. Простота и удобство применения достигаются благодаря записи заданий на расчеты в свободной неалгоритмической форме на проблемно- ориентированном языке, близком к естественному язы­ку предметной области.

Диалоговая система ДИПЛЕКС предназначена для планирования эксперимента, обработки результатов из­мерений методами математической статистики, оптими­зации параметров и условий работы различных объек­тов путем использования поисковых процедур, а также для обучения пользователей. Может использоваться при создании автоматизированных систем эксперименталь­ных исследований, разработке систем управления техно­логическими процессами и т.д.

Генератор раНочеи программы

5ы8вд резум- mamoS

Система ДИПЛЕКС может работать в консультаци­онном режиме, рассчитанном на пользователей, имею­

щих малый опыт работы с системой или испытывающих затруднения в формулировке своей задачи в термина­лах планирования эксперимента или в выборе метода решения задачи, и в библиотечном режиме, рассчитан­ном на пользователей, знающих методы решения задачи и имеющих достаточный опыт работы с системой. Для решения задач с помощью системы от пользователя не требуется знания алгоритмических языков программи­рования. Необходимы лишь начальная подготовка в об­ласти планирования эксперимента и знание клавиатуры терминала. Диалог пользователя с ЭВМ проводится с помощью терминала, назначенного в качестве пульта оператора. Результаты расчетов выводятся на алфавит­но-цифровое печатающее устройство (АЦПУ).

С т андартные интерфейсы²⁵ систем автомати­зации эксперимента КАМАК предназначены для широ­кого класса систем автоматизации эксперимента, обес­печивают решение задач измерения, обработки резуль­татов эксперимента, управления экспериментальным оборудованием самого различного назначения. Как уже отмечалось, КАМАК — это модульная система, состоя­щая из отдельных блоков (модулей), которые выполня­ют определенную функциональную нагрузку ц могут быть объединены для выполнения более сложных фун­кций. Все модули могут быть разделены на два боль­ших класса: функциональные и управляющие (контрол­леры). Функциональные модули служат для выполнения определенных операций преобразования, хранения ин­формации, связи и могут работать только в режиме уп­равляемых устройств. Управляющие модули предназна­чены для управления функциональными модулями и свя­зи с ЭВМ или специализированными вычислительными устройствами.

Модули системы контролируются в виде вставных блоков, устанавливаемых в стандартные каркасы — крейты. В каждом крейте может быть размещено до 23 функциональных модулей.

241

Неотъемлемой частью крейта является стандартная магистраль, которая представляет собой многопровод­ную линию для передачи дискретной информации. Все

модули имеют непосредственный доступ к магистрали через унифицированные разъемы. Назначение каждой из шин магистрали оговаривается стандартом. Магист­раль включает шины для передачи данных, адресов, ко­манд, сигналов управления и шины питания.

Один или несколько крейтов могут быть объединены в ветвь различной конфигурации с помощью магистра­ли ветви. Управление работой ветви осуществляется контроллером ветви. В качестве контроллера ветви ис­пользуются как специализированные вычислительные устройства, так и ЭВМ. Многокрейтовые ветви могут формироваться в виде последовательных замкнутых петлевых структур или в виде нескольких параллельных ветвей. Каждая ветвь параллельной системы может со­держать до семи крейтов, расположенных на расстоянии нескольких метров. Многокрейтовые параллельные и последовательные системы могут объединяться до 62 крейтов. Эти системы применяются при автоматизации самых разнообразных научных исследований при по- строеннии многоцелевых автоматизированных систем научных исследований.

Основу системы КАМАК составляют функциональ­ные модули. Разнообразные по назначению, с единой внешней и внутренней системой организации они позво­ляют создавать экономичные, гибкие к перестройке си­стемы для решения широкого класса задач. По назна­чению функциональные модули делят на пять групп: входные модули (предназначенные для считывания дис­кретной информации с внешних устройств); модули для управления выводными устройствами (печатающими, средствами отображения, выводом данных на перфо­ленту); модули сопряжения (для общего пользования в системе и управляемые системным контроллером, на­пример модули управления магнитными дисками, лента­ми, телетайпами, дисплеем, блоками запоминающих устройств, двусторонней связью или связью с другими системами КАМАК); внешние модули (перерабатыва­ющие сигналы от внешних устройств и не имеющие полных выходов на магистраль Крейта, например муль­типлексоры аналоговых сигналов, усилители с прог­раммно-управляемыми коэффициентами усиления и т. д.); внутренние модули (выполняющие арифметические операции, операции преобразования кодов запоминаю­щих устройств).Располагая широким напором функциональных мо­дулей, высоким быстродействием и универсальностью, система КАМАК чаще всего используется на нижних уровнях сложных иерархических систем научных иссле­дований крупных научных центров.

В более простых локальных системах автоматизации эксперимента на уровне отдельных установок, неболь­ших научно-исследовательских лабораторий, для иссле­дования специфических уникальных объектов использу­ется стандарт на системный интерфейс для автономных программируемых приборов, рекомендованный Между­народной электротехнической комиссией (МЭК) в ка­честве международного стандарта. Этот стандарт уста­навливает ограничения на логические переменные и электрические данные, а также другие данные, кото­рые необходимо учитывать при соединении различных ириборов. Поскольку стандарт МЭК не распространя­ется на принципы построения приборов, это позволяет объединять в систему различные приборы, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью, без существенных доработок. Все приборы, объединяемые в систему в соответствии со стандартом МЭК, подраз­деляются на три различных типа предназначения. К пер­вому относятся приборы-источники, являющиеся уст­ройствами, где образуется измерительная информация того или иного рода (цифровые вольтметры, аналого- цифровые преобразователи и т.д.). Ко второму типу от­носятся приборы-приемники, которые воспринимают информацию от приборов-источников для последующей ее переработки (цифроаналоговые преобразователи, пер­фораторы, различного рода индикаторы и т.д.). К треть­ему гнпу относятся приборы-контроллеры, которые предназначены для управления работой интерфейса.

Физически один и тот же элемент (прибор) может выполнять одновременно несколько различных функций, т.е. быть одновременно, например,прибором-источником и прибором-приемником; прибором-источником и кон­троллером; прибором-источником-приемником-контрол- лером и т. д. В системе должно быть не менее двух приборов: один источник и один приемник. Контроллер в таком простейшем варианте не обязателен. В макси­мальном варианте возможно подключение (без допол­нительной аппаратуры, расширяющей эти возможности) до 15 приборов, в числе которых должны быть прибо- ры-источники и приборы-приемники. В качестве конт­роллера могут использоваться как специализированные устройства, так и ЭВМ, которая также может подклю­чаться к магистрали.

К настоящему времени наметились два направления использования приборного интерфейса МЭК: создание локальных автоматизированных систем научных иссле­дований замкнутого типа, не связанных с ЭВМ более высокого уровня, и создание самостоятельных подси­стем автоматизации научных исследований для обслу­живания независимых экспериментов в реальном вре­мени на нижней ступени иерархической автоматизиро­ванной системы научных исследований, используемых ресурсы ЭВМ более высокого уровня.

Приведенные характеристики стандартных интерфей­сов показывают, что каждый из них имеет свои преиму­щества и недостатки, которые определяют область их рационального применения. Интерфейс МЭК обычно ис­пользуется при создании относительно простых систем с ограниченным числом приборов и устройств, интер­фейс КАМАК — в системах автоматизации уникальных и сложных экспериментов с широким набором контроль­но-измерительных устройств.

При таком разделении направлений рационального использования стандартных интерфейсов, очевидно, най­дется такой класс задач, для решения которого потре­буется использование возможностей первого и второго интерфейсов. Для этой цели создаются многоуровневые автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) с использованием двух стандартных интерфей­сов.

Существует несколько возможностей построения та­ких АСНИ, когда часть объектов исследования работает с одной интерфейсной системой, образуя ветвь КАМАК, а другая часть объектов с другой интерфейс­ной системой образует ветвь МЭК. При этом в каждой ветви имеется своя управляющая ЭВМ, а объединение ветвей реализуется обычно на верхнем уровне АСНИ,на базе мини-ЭВМ типа СМ ЭВМ.