Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Архитектурный анализ систем электроавтоматики. Постановка задач исследования 10
1.1 Тенденции .построения программного обеспечения систем управления 11
1.3 Обобщенная архитектура систем управления электроавтоматикой 14
1.3.1. Требования к прикладным компонентам со стороны ядра системы 15
1.3.2. Внешние требования к прикладным компонентам 17
1.3.3. Требования технологии разработки к прикладным компонентам 19
1.4 Характеристики современного процесса разработки прикладной
составляющей электроавтоматики 23
1.5 Постановка задач исследования 28
Глава 2. Классификация проблемно ориентированных компонентовсистем управления 31
2.1— Принцип—классификации—прикладных программных-компонентов- электроавтоматики 33
2.2 Фаза выделения компонентов окружения 37
2.2.1. Компоненты каркаса 38
2.2.2. Компоненты конфигурирования 42
2.2.3. Компоненты средств интерфейса пользователя 46
2.3 Фаза построения матрицы прикладных компонентов электроавтоматики 48
2.3.1. Виртуальная структура прикладной области 48
2.3.2. Матрица компонентов 50
2.4 Анализ и систематизация набора прикладных компонентов с применением матрицы 52
2.4.1. Обоснование выбора систем управления электроавтоматикой для анализа 53
2.4.2. Матрица прикладных компонентов системы управления WinCC .56
2.4.3. Матрица прикладных компонентов системы управления WinSPS 58
2.4.4. Матрица прикладных компонентов системы управления , TwinCAT 60
2.4.5. Матрица прикладных компонентов системы управления CoDeSys63
2.5 Определение минимально необходимого набора прикладных компонентов системы 65
2.6 Выводы главы 67
Глава 3. Методика проектирования и разработки прикладной составляющей систем управления ...69
3.1 Методика и её составляющие 69
3.2 Место методики в процессах проектирования и разработки 73
3.3 Выполнение шагов методики 76
3.3.1. Определение набора компонентов прикладной составляющей с применением матрицы 76
3.3.2. Формирование единого исполняемого окружения 79
3.3.3 Использование-принципа-Ннтеграции-компонентов. 92-
3.3.4. Конфигурирование компонентов в составе системы 94
3.4 Принципы интеграции компонентов 96
3.4.1. Структура процесса интеграции 96
3.4.2. Последовательность интеграции 100
3.4.3. Деятельности интеграции 101
3.5 Выводы главы 123
Глава 4. Применение методики для реализации задач визуализации, управления доступом пользователей и конфигурирования компонентов в системе CoDeSys 125
4.1 Спецификация функциональных требований для новых компонентов 125
4.1.1. Анализ функций компонентов системы 126
4.1.2. Построение матрицы для определения места новых компонентов в системе 127
4.1.3. Анализ функций и программных интерфейсов разрабатываемых компонентов 132
4.2 Анализ единого исполняемого окружения системы CoDeSys 143
4.2.1. Выявление интерфейсов интеграции 147
4.3 Внедрение новых компонентов с применением разработанных принципов 149
4.3.1. Встраивание сцены трёхмерного моделирования объекта управления 149
4.3.2. Встраивание новых функций управления доступом пользователей к исходным кодам управляющих программ 152
4.4 Внедрение новых компонентов окружения для поэтапного конфигурирования системы 154
4.4.1. Средства конфигурирования задач прикладной составляющей... 154
4.4.2. Средства конфигурирования пользовательского интерфейса прикладной составляющей для режимов системы управления 155
4.5 Выводы главы 158
Основные выводы и рекомендации работы .159
Список литературы 161
- Тенденции .построения программного обеспечения систем управления
- Принцип—классификации—прикладных программных-компонентов- электроавтоматики
- Место методики в процессах проектирования и разработки
- Спецификация функциональных требований для новых компонентов
Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение сложности процессов автоматизации в промышленности ведут к росту требований, предъявляемых к системам управления электроавтоматикой Поэтому круг задач, решаемых прикладной составляющей, которые наиболее привлекательны для конечных пользователей, развивается наиболее динамично С другой стороны существенный прогресс в развитии вычислительной, коммуникационной аппаратуры, в совершенствовании инструментальных средств и технологий разработки программного обеспечения создают предпосылки для решения качественно новых задач в области электроавтоматики
Анализ архитектуры прикладной составляющей систем электроавтоматики ведущих фирм разработчиков (Siemens, Bosch, Beckhoff), в задачах, их функциональных возможностях и открытости решений выявили следующие проблемы
отсутствие единого подхода к систематизации прикладных компонентов приложений систем управления, что усложняет анализ, проектирование и разработку при создании компонентов системы с нуля или расширения ее возможностей,
отсутствие единой глобальной концепции интеграции компонентов от различных производителей в состав приложений разрабатываемой прикладной составляющей системы,
не специфицированы программные интерфейсы, обеспечивающие более эффективную и глубокую интеграцию функциональности новых компонентов в состав системы,
не предоставляется возможность гибкого конфигурирования набора прикладных компонентов для создания проблемно-ориентированных решений и настройки под задачи конкретного пользователя
В результате исследования было определено, что наиболее
прогрессивной архитектурой прикладной составляющей системы
управления, обладает открытая система, на основе узкоспециализированных прикладных компонентов, как собственных, так и сторонних производителей
Исходя из сказанного, тема диссертации направленная на повышение эффективности процесса разработки для прикладной составляющей систем управления промышленной электроавтоматикой на основе интеграции внешних программных компонентов является актуальной
Цель работы. Повышение эффективности процесса разработки прикладной составляющей промышленной электроавтоматики на основе его формализации, создания единого информационного окружения выполнения и обеспечения интеграции внешних программных компонентов
Задачи исследования. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи
исследовать состав компонентов электроавтоматики и выявить критерии определения минимального набора компонентов на стадии проектирования системы,
на основе принципов классификации разработать методологические аспекты проектирования и разработки систем управления с целью формирования единого исполняемого окружения, для взаимодействия программных компонентов системы,
разработать механизмы интеграции прикладных программных компонентов внешних производителей,
в соответствии с полученными теоретическими и практическими знаниями разработать средство трехмерной визуализации объекта управления, решить задачи управления доступом и настройки конфигурации для прикладных приложений выбранной системы управления промышленной электроавтоматикой
Методы исследования. Теоретические исследования в работе базировались на методах системного анализа, объектно-ориентированного проектирования (декомпозиции, абстракции), концепции объектно-
ориентированного программирования Использовались технологии Net (для Windows), DCOM (distributed component object model), автоматизация OLE (object linking and embedding), стандарт OPC (OLE for process control)
Научная новизна. Новыми научными результатами, полученными в работе, являются
принцип классификации прикладных компонентов электроавтоматики, позволяющий создать матрицу для анализа существующих решений и определения минимальных и оптимальных наборов комплектации компонентов в реализации конкретных пользовательских задач,
метод проектирования и разработки прикладных приложений электроавтоматики с использованием готовых решений внешних производителей,
принцип трехуровневого конфигурирования, позволяющий осуществлять настройку прикладных приложений под конкретные производственные потребности и настраивать интерфейс оператора,
информационно-программное окружение для функционирования прикладных приложений электроавтоматики
Практическая ценность работы заключается в
методике разработки прикладных компонентов и интеграции готовых модулей, позволяющей синтезировать прикладные приложения на основе готовых модулей,
разработанных программных компонентах для трехмерной визуализации объекта управления и для управления правами пользователей и для конфигурирования прикладных приложений в системе CoDeSys,
позволяющих сократить время и себестоимость процесса разработки и
повысить его эффективность
Апробация работы. Теоретические и практические результаты,
полученные автором, докладывались на заседаниях кафедры «Компьютерные
системы управления», а также на международных научно технических конференциях «Информационные средства и технологии», Москва 2004, 2005, 2006 и 2007 г и «Ежегодная XVII Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения» Москва 2005 г
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов по диссертационной работе, списка использованной литературы из 75 наименований Основная часть работы изложена на 164 страницах машинописного текста, содержит 58 рисунка и 8 таблиц
Тенденции .построения программного обеспечения систем управления
Современные тенденции построения систем управления электроавтоматикой опираются на следующие особенности: Аппаратная база предполагает использование технологических и стоимостных преимуществ персональных компьютеров; Программная, реализация использует все достоинства объектно-ориентированного и компонентного подходов; Пользовательский интерфейс имеет стандартное оконное представление; Технологу-программисту предоставляются удобные средства для разработки управляющих программ; Система управления предполагает своё внедрение в работу систем по управлению производством.
Представленные особенности имеют отражение в проектировании и разработке программного обеспечения для систем управления [73].
Разработка программного обеспечения систем управления предполагает привлечение целого ряда информационных технологий, использующих объектно-ориентированный и компонентный подходы. Компонентный подход предполагает проектирование архитектуры системы на уровне компонентов, наличие четко обозначенных интерфейсов у каждого компонента и общих механизмов взаимодействия между ними. На уровне структуры самих компонентов и технологий разработки используются принципы объектно-ориентированного программирования, которые обеспечивают инкапсуляцию данных и функций по работе с ними, разграничение и специализацию функциональности по классам, повторное использование и расширение функций раннее разработанного кода (наследование).
Никто уже не будет спорить о том, что оконный интерфейс является наиболее удобным как для офисных, так и для промышленных приложений. На данный момент пользовательский интерфейс в достаточной степени формализован. Таким образом пользователь на интуитивном уровне может использовать ряд функций системы (например, работа с файлами, с панелями инструментов, настройками интерфейса и т.п.). Для технолога-программиста оконный интерфейс наиболее удобен с точки зрения использования прочих офисных приложений [40].
С другой стороны для быстрой и эффективной разработки управляющих программ, которая обладает определённой спецификой, прикладные средства систем управления предоставляют проблемно-ориентированные средства. К ним относятся: графические редакторы (LD,-FBD, SFC языков программирования), инструменты отладки, сцены графической симуляции управляемого процесса, генераторы кодов управляющих программ по заданным параметрам управляемого процесса и прочие. Средства системы CoDeSys (3S) обеспечивают разработчика набором высокоэффективных инструментов, включая полноценную эмуляцию ПЛК, отладку управляющей программы по шагам, точки останова, визуализацию объекта управления, трассировку значений переменных, "горячую" корректировку кода. Функции автоматического объявления и форматирования, адаптивный "Ассистент ввода" максимально упрощают, и делает работу программиста комфортной и эффективной [56].
Системы управления оборудованием или каким-либо участком автоматизации должны предоставлять программные интерфейсы или же сетевые сервисы, возвращающие текущие производственные данные и обрабатывающие команды управления (например, для администрирования), для эффективной интеграции в более масштабные системы управления производством или предприятием.
Получаемая таким образом возможность общего обзора и сравнения между заданным и фактическим состоянием процесса управления позволяет принимать обоснованные и своевременные решения в целях повышения качества и снижения возможных рисков. Основа такого объединения - это так называемые системы оперативного управления производством (MES - Manufacturing Execution Systems), т.е. системы, реализованные на базе стандартных аппаратно-программных средств, в режиме реального времени объединяющие, на уровне управления производством, всю информацию, получаемую со всего оборудования и участков автоматизированных процессов, с целью получения общей картины.
Системы ERP (ERP - Enterprise Resource Planning - планирование ресурсов—предприятия) стоят на следующем уровне- обобщения производственной информации. В ERP-системах отсутствует актуальная по времени информация о состоянии оборудования, ходе технологического процесса производства отдельных продуктов и не учитываются ограничения по работе оборудования. Для ERP-систем предоставляется в основном статистическая усреднённая информация, которая также может вырабатываться непосредственно в системах управления электроавтоматикой производства.
Интеграция систем управления подразумевает не только однонаправленный поток данных с нижних уровней (управления автоматизированных процессов) к более высоким (управления производством и предприятием), направление потока данных должно иметь и обратное направление. Другими словами, оператор, ,со своей панели управления (HMI), должен иметь возможность доступа к некоторым обобщенным данным для учёта определённых факторов, статистики и текущего состояния производства.
Принцип—классификации—прикладных программных-компонентов- электроавтоматики
На базе рассмотренной функциональности прикладной составляющей электроавтоматики было выделено две области программных компонентов. Первая область - это компоненты окружения, вторая - прикладные компоненты.
Компоненты окружения предоставляют механизмы для организации совместной работы прикладных компонентов и механизмы управления ими в рамках единой системы. С помощью компонентов окружения программно связываются компоненты прикладных задач, осуществляется настройка на конкретную платформу исполнения и происходит настройка (конфигурирование) набора прикладных задач. Они предоставляют главное окно приложения и размещаемые в нём рабочие области: меню, панелей инструментов, окна документов, строки состояния, плавающие окна для инструментария и механизмы управления, диалоги настроек этих элементов.
Прикладные компоненты реализуют задачи управления электроавтоматикой. Они осуществляют функциональное наполнение прикладных приложении, используя предоставляемые окружением сервисы и функции для, взаимодействия с другими компонентами.
Исходя из функционального назначения, компоненты окружения разделим на три подгруппы:
каркас системы обеспечивает общие механизмы работы компонентов в единой среде исполнения. Эти компоненты определяют правила организации элементов управления (работа с документами, способ передачи фокуса и функции для активизации окон, реализации пунктов меню, панелей инструментов и т.п.), правила взаимодействия и совместной работы компонентов системы (базовые функции для взаимодействия компонентов);
конфигурирование системы позволяет производить настройку состава компонентов системы управления без перекомпиляции исходных кодов. Таким образом, конечный пользователь оперирует только-тем-набором-компонентовркоторый ему необходим: расширенный интерфейс пользователя предоставляет свои интерфейсы для реализации общих для набора прикладных компонентов элементов управления оператора. Это предполагает использование дерева проекта, строки состояния, окна пользовательских настроек, библиотек устройств, галереи кнопок панели оператора и т.п.
Компоненты окружения могут быть собственной разработкой, или же доступными на рынке решениями. Компании Divelcments Limited и LidorSystems, специализирующиеся в области офисных решений, предлагают компоненты, реализующие расширенный пользовательский интерфейс MS Office 2003, Office ХР, Visual Studio 2005 и Outlook [2, 5]. Подобные компоненты могут быть использованы в построении эффективного пользовательского интерфейса систем управления электроавтоматикой.
Но, как это уже было отмечено в первой главе, больший интерес представляет продукт DDPFramework фирмы М&М Software GmbH [6], специализирующейся в области приложений промышленной автоматизации.
В соответствии с реализуемыми в компонентах задачами, связанными непосредственно со спецификой систем управления электроавтоматикой, область прикладных компонентов делится на подгруппы:
разработка управляющих программ - компоненты предназначены для создания управляющих программ электроавтоматики с помощью различных текстовых и графических редакторов и их инструментария, последующей компиляции этих программ под определенную аппаратную платформу PLC, а также для получения информации об оборудовании, для которого разрабатываются УП (например, адреса входов и выходов PLC);
отладка управляющих программ - компоненты обеспечивают эмуляцию-выполнения-управляюпгих—программ-PLC-отслеживание изменений и редактирование значений переменных во время выполнения, вывод графической информации, о значениях переменных;
выполнение управляющих программ - компоненты реализуют запуск управляющих программ, управление последовательностью вызовов и остановку выполнения набора управляющих программ, реализуют необходимый инструментарий в пользовательском интерфейсе для управления процессом выполнения управляющих программ;
моделирование объекта управления - компоненты обеспечивают эмуляцию аппаратных панелей управления и процессов производства с использованием виртуальных приборов (тахометров, термометров, панелей настроек и т.п.) и виртуальных технических средств (двигателей, насосов, приводов осей станка и т.д.);
диагностика оборудования - компоненты производят диагностику аппаратных средств, состояний соединений с ними, состояния аппаратуры при исполнении процессов управления, информирует об аппаратных ошибках и аварийных состояниях процесса, неисправностях оборудования;
контекстная помощь - компоненты обеспечивают быстрый доступ пользователя к справочной информации о возможностях системы и алгоритмах их реализации, о синтаксисе и функциях языков программирования PLC. На базе этих компонентов реализуются помощники подсказок (Tool Tips), которые информируют пользователя при выполнении рутинных работ, например, при написании кода управляющей программы, создании проекта, исполнении и отладке управляющей программы;
конфигурирование PLC - компоненты обеспечивают построение топологии промышленных сетей; настраивают режимы и координируют совместную работу аппаратных средств, формируют логические связи между исполняемыми управляющими программами и контроллерами;
Место методики в процессах проектирования и разработки
Распространенными и наиболее зарекомендовавшими себя моделями, методиками и руководствами по управлению проектами разработки различного рода информационных систем являются Rational Unified Process (RUP) и Microsoft Solutions Framework (MSF) [7, 37].
Модели процессов разработки RUP и MSF итерационны, т.е. разработка решения состоит из коротких циклов, создающих поступательное движение от простейших версий решения к его окончательному виду.
Метод выпуска версий предполагает, что всё прикладное программное обеспечение для электроавтоматики, как правило, слишком масштабно, чтобы его удалось создать сразу. Правильнее будет расставить по приоритетам разработку последовательных версий, которые удовлетворяют текущим конкурентно необходимым характеристикам для потребностей рынка, и затем методично создавать последующие версии системы с более широкой функциональностью. Выпуск версий имеет несколько преимуществ:
Исключение из плана лишних требований - поскольку подразделения разработчиков, занимающиеся требованиями рынка, и проектные группы знают, что будет следующий выпуск системы. В первой же версии реализовывать всю возможную функциональность не требуется.
Способность реагировать на изменения в каждом следующем выпуске - требования и приоритеты рынка для «необходимой» функциональности системы могут меняться [7].
На Рис. 22 представлено сопоставление стадий RUP, фаз процессов MSF и шагов предлагаемой методики проектирования и разработки систем управления.
В наглядном представлении сопоставления стадий RUP и MSF процессов и шагов методики следует выделить следующие преимущества методики:
Первые шаги методики уже на начальных стадиях разработки позволяют определить набор компонентов системы, их специализацию и структуру в уровнях логической реализации.
Формируемое (или изменяемое) на втором шаге методики единое исполняемое окружение системы основывается на отчасти уже специфицированных интерфейсах интеграции. В завершении второго шага, на основе реализованной функциональности, обобщаются и описываются специфичные для системы интерфейсы интеграции.
Специфицированные интерфейсы интеграции ускоряют этап разработки (конструирования для RUP) за счет возможности параллельной разработки и повторного использования опыта реализации типичных интерфейсов в компонентах для различных задач.
Этап внедрения системы для использования облегчается возможностями конфигурирования системы. Одним из главных преимуществ использования методики являются возможности конфигурирования набора компонентов для работы системы в различных режимах, создания набора компонентов в реализации задач и настройки размещения элементов управления в пользовательском интерфейсе. Реализация шагов методики формализует использование функций готовых компонентов, методика определяет механизмы для их внедрения в систему.
Методика использует преимущества итерационных процессов разработки. Если на 3-м шаге методики производится интеграция компонентов с похожей функциональностью, при следующей итерации на 2-м шаге рассматривается возможность для обобщения повторяющейся в компонентах функциональности путём спецификации интерфейсов интеграции.
С каждой новой итерацией процесса разработки системы, её сложность возрастает. Применение инструментария классификации прикладных компонентов, применяемого в методике, позволяет упростить представление и описание структуры системы.
На начальных стадиях "выработки" концепции7 применение принципов классификации и инструмента матрицы прикладных компонентов позволяет наглядно представить множество компонентов системы, а так же определить специализацию компонентов по прикладным задачам и уровням логической реализации компонентов. На этапах перехода или внедрения возникает актуальная задача конфигурирования наборов компонентов системы. Инструмент матрицы может быть использован для наглядного представления наборов компонентов, используемых при работе системы в различных режимах.
Методика проектирования и разработки прикладной составляющей систем управления охватывает полный цикл итерационных процессов разработки. Методика имеет соответствие выполнения шагов с этапами процессов в ходе одной итерации. Целью применения методики в процессах проектирования и разработки прикладной составляющей систем управления является упрощение представления множества компонентов, реализация принципов построения конфигурируемого программного обеспечения и формализация применения готовых компонентов внешних производителей.
Предложенная организация деятельностей анализа, проектирования и разработки прикладного программного обеспечения электроавтоматики, представляют новый метод проектирования и разработки прикладных приложений электроавтоматики на основе готовых решений внешних производителей.
На этапе анализа рекомендуется использовать инструменты реинжиниринга, построения моделей для создаваемых или модифицируемых приложений, в том числе применять принципы классификации компонентов в приложениях. При проектировании прикладной составляющей возможно применение инструментальных средств ведения проекта, управления требованиями, построения моделей организации компонентов. Важным фактором при этом должны являться принципы открытости и модульности разрабатываемых компонентов;—реализуемые—в—архитектуре—единого исполняемого окружения с предоставляемыми интерфейсами интеграции.
В разработке приложений следует применять средства управления изменениями исходных кодов, базы данных дефектов и средства автоматизированного тестирования. Преимуществом наличия открытых типизированных интерфейсов в прикладных компонентах является возможность автоматизированной проверки их функций путём программного взаимодействия.
Спецификация функциональных требований для новых компонентов
Первым шагом в выполнении методики является определение набора прикладных компонентов для реализации новых поставленных задач в системе. Набор и специализация этих прикладных компонентов зависит от специфики реализуемых задач, архитектуры (т.е. особенностей единого исполняемого окружения) системы и предоставляемых системой интерфейсов интеграции.
Для задачи моделирования необходимо разработать компоненты интеграции, обеспечивающие работу существующих компонентов в составе CoDeSys. Новые прикладные компоненты управления доступом пользователей и компоненты окружения для поэтапного конфигурирования разрабатываются непосредственно в CoDeSys, т.е. разработка этих компонентов изначально базируется на принципах построения этой системы.
Спецификацию обобщенных характеристик новых компонентов системы, таких как специализация и реализуемые функции, произведём- на. основе анализа функций компонентов системы CoDeSys. В ходе анализа будут выявлены компоненты системы, с которыми требуется взаимодействовать внедряемым компонентам. Далее определим интерфейсы интеграции в соответствии с функциями выявленных компонентов.
В результате выполнения первого шага методики, мы получим требования к новым компонентам системы, которые будут определять в первую очередь интерфейсы интеграции (т.е. требований технологии разработки, см. 1.2.3), необходимые для работы внедряемых компонентов. Анализ функций компонентов системы
Основные характеристики и функции системы управления электроавтоматикой на базе комплекса программирования CoDeSys были представлены во второй главе.
Как было выделено, в системе CoDeSys лучше всего соблюдено разграничение специализации компонентов в реализации пользовательских задач и в специализации функциональности внутри задач по логическим уровням. Подобное разграничение компонентов было достигнуто применением механизма плагинов (съёмных, конфигурируемых компонентов) в архитектуре системы.
Механизм плагинов CoDeSys имеет следующие особенности: Множество экземпляров одного плагина может быть создано одновременно при работе прикладных приложений. Менеджер компонентов обеспечивает создание этих экземпляров. При использовании функций плагина, должна учитываться возможность, что данный плагин не доступен, т.е. не установлен или нужная версия не активирована. В функциях, которые требуют использование плагинов должно это учитываться и обеспечиваться корректное поведение при возникновении подобных проблем. Для плагинов применяется система контроля версий; различные версии одного плагина могут быть установлены для системы и могут исполняться в одно время. Доступ к функциональности плагина организуется посредством интерфейсной сборки, в которой объявляются реализуемые в плагине интерфейсы. Плагины, использующие функции этих интерфейсов, должны иметь ссылку на интерфейсную сборку. Недопустимо создавать прямые ссылки на сборки плагинов. Исходя из представленных особенностей, можно сделать вывод, что функции прикладных задач реализуются обособленно в группах плагинов, которые используют для взаимодействия ряд специализированных интерфейсных сборок.
Компоненты окружения в системе CoDeSys представлены также в виде плагинов, интерфейсных компонентов и компонентов устанавливаемых в глобальный кэш сборок (GAC). Использование функций компонентов окружения осуществляется посредством предоставляемых интерфейсов.
Внедряемые и разрабатываемые компоненты системы CoDeSys должны использовать "интерфейсы интеграции—компонентов —окружения—для организации работы их функций в системе. А также использовать специализированные интерфейсы компонентов прикладной области для доступа к специфичной функциональности определённых задач.
Разработка новых функций конфигурирования для системы CoDeSys, так же основана на использовании интерфейсов интеграции, предоставляемых компонентами окружения.
