Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности проектирования АСУ ТП 8
1.1. Основные трудности создания АСУ ТП 8
1.2. Особенности автоматизации экологически опасных объектов промышленности 13
1.3. Современные технические и программные средства АСУ ТП и их характеристики 19
1.4. Структурный подход к описанию систем 34
1.5. Постановка задачи диссертационной работы 36
1.6. Выводы 38
Глава 2. Системно-ориентированный подход 40
2.1. Основные требования к средствам построения и сопровождения АСУ ТП 40
2.2. Основные понятия и определения, сущность системно-ориентированного подхода.. 41
2.3. Анализ описания АСУ ТП различными структурными конструкциями 52
2.4. Основные элементы системно-ориентированного подхода к программированию при построении систем реального времени 61
2.5. Необходимость оптимального выбора структурных единиц ("алфавита") и порядка их взаимодействия ("граліматики") при создании базовых программных средств АСУ ТП... 67
2.6. Организация взаимодействия задач реального времени и случайного доступа на основе системно-ориентированного подхода 73
2.7. Основные отличия предлагаемых походов 83
2.8. Выводы 84
Глава 3. Построение комплекса программно-технических средств АСУ ТП на основе системно-ориентированного подхода 87
3.1. Организация управления вычислительным процессом АСУ ТП 87
3.2. Организация и построение комплекса технических средств 95
3.3. Основные структурные представления и компоненты комплекса программных средств 99
3.4. Технологический язык программирования 101
3.5. Инструментальные средства программирования 119
3.6. Сетевое программное обеспечение 122
3.7. Средства поддержки интерфейса оператора 125
3.8. Средства расчета технико-экономических показателей и генерации отчетов 128
3.9. Организация взаимодействия с внешними программными средствами 131
3.10.. Средства разграничения доступа к ресурсам и защита информации 133
3.11. Резервирование и другие средства повышения надежности АСУ ТП 135
3.12. Тестирование и проверка технических характеристик ПТК АСУ ТП 146
3.13. Средства обучения и тренировки 147
3.14 Выводы 149
Глава 4. Реализация принципов системно-ориентированного подхода в рамках программно-технического комплекса УМИКОН 154
4.1.КПОМикСИС 154
4.2. КТС МикКОН 161
4.3 Реализация алгоблочной системы программирования верхнего уровня 167
4.4. Реализация алгоблочной системы программирования среднего уровня 177
4.5. Реализация алгоблочной системы программирования нижнего уровня 180
4.6. Реализация алгоблочной системы программирования для подсистемы расчета технико-экономических показателей 181
4.7. Сравнительные характеристики различных систем программирования при создании технологических программ 187
4.8. Выводы 189
Глава 5. Анализ практической реализации системно-ориентированного подхода к построению автоматизированных систем реального времени 190
5.1. АСУ ТП ТЭЦ Реакторного завода Горно-химического комбината, г. Железногорск Красноярского края 190
5.2. АСУ ТП заводов Сибирского химического комбината, г.Северск Томской области 198
5.3. АСУ ТП производств ОАО «Каустик», г.Волгоград 201
5.4. Малые системы и системы обучения 205
5.5. АСУ ТП ФОК Михайловского ГОК 209
5.6. Выводы 212
Заключение 213
Список литературы 215
- Особенности автоматизации экологически опасных объектов промышленности
- Основные элементы системно-ориентированного подхода к программированию при построении систем реального времени
- Технологический язык программирования
- Реализация алгоблочной системы программирования верхнего уровня
Введение к работе
Исследования, проведенные в диссертации, посвящены задаче создания системно-ориентированного подхода к проектированию АСУТП с применением структурных методов путем применения системного похода. Актуальность:
Неизбежное развитие атомных, химических и других опасных, но необходимых для существования современной экономики, производств, вызывает растущую потребность в совершенствовании средств управления для обеспечения их эффективной и безопасной эксплуатации. Одним из очевидных путей решения этой задачи является широкое привлечение специалистов в области технологии и автоматики непосредственно к разработке и модернизации автоматизированных систем управления и, прежде всего, их программной части как наиболее быстро поддающейся модификации. Но при этом использование наиболее доступных для специалистов без специального образования в области программирования графических средств технологического программирования сужается по сравнению с текстовыми языками (например, в рамках применения языков стандарта МЭК 61131-3). Вызывает также проблемы широкое использование в АСУ ТП программных и аппаратных решений, характерных для офисных систем, но не эффективных для систем реального времени. Отсюда возникает потребность в новых средствах проектирования систем управления. Для их поиска целесообразно применение системного подхода, изучающего объекты и явления как системы с целью вывода общесистемных закономерностей на основе структурного сходства законов, установленных в отдельных областях знания. Применение данного подхода позволило выработать новые методы проектирования систем управления путем преодоления фрагментарности событийно-объектного подхода. Цель работы: Целью работы является выработка эффективных методов создания и организации АСУ ТП. Для достижения поставленной цели были сформулированы и поставлены следующие задачи:
- разработка на основе принципов системного подхода средств проектирования АСУ
ТП путем формирования типовых методов и элементных структур;
- проверка эффективности разработанных методов при построении и эксплуатации
конкретных АСУ ТП, в том числе в атомной и химической промышленности.
Научная новизна работы.
На основе системного подхода как общеметодического принципа и системного структурного анализа опыта проектирования и эксплуатации различных систем управления выработан системно-ориентированный подход к построению АСУ ТП.
Исходя* из системно-ориентированного подхода развиты основные принципы проектирования АСУ ТП с учетом специфики систем с повышенными требованиями к надежности.
3. Созданы средства проектирования АСУ ТП на базе системно-ориентированного подхода
- технологическая алгоблочная система программирования, позволяющая найти
оптимальное сочетание трудоемкости проектирования и эксплуатационной эффективности
создаваемых систем.
Практическая значимость работы.
Созданы инструментальные средства проектирования АСУ ТП, пригодные для применения в различных отраслях народного хозяйства и обладающие техническими характеристиками, превосходящими аналоги.
С помощью созданных инструментальных средств спроектирован и внедрен ряд АСУ ТП, том числе с учетом особенностей атомной и химической промышленности. Внедренные системы позволили повысить надежность и эффективность технологических процессов, что подтверждается актами о внедрении. При этом инструментальные средства были освоены специалистами по автоматизации предприятий.
На основе данных инструментальных средств подготовлены средства автоматизированного обучения, которые использованы в лабораторном практикуме по курсу «Проектирование систем управления» на кафедре «Автоматика» МИФИ.
Результаты., выносимые на защиту. 1. Системно-ориентированный подход к созданию как инструментальных средств проектировшгая АСУ ТП, так и самих АСУ ТП, то есть комплексный подход с выделением
типовых элементных структур и алгоритмов, особенно эффективный для потенциально
опасных производств (химическая и атомная промышленность, энергетика и др.).
2. Классификация систем с точки зрения открытости и закрытости, что позволяет
правильно учесть такие свойства и характеристики систем, как изменчивость,
инерционность, наблюдаемость, такт реального времени.
3: Принципы организации вычислительного процесса и построения структуры аппаратных
средств системы реального времени, в том числе:
- сочетание последовательного программного цикла без прерываний с общим
информационным пространством системы;
необходимость выделенного арбитра при организации резервирования, систем с наличием программного обеспечения.
Алгоблочная система технологического программирования, представляющая собой базу данных с записями постоянной длины с исполняющей средой в виде системы управления базой данных, и включающая алгоритмы обработки данных, управления, резервирования и другие как операторы технологического алгоблочного языка.
Возможность реализации функций операционной системы реального времени в рамках исполняющей среды алгоблочной системы.
Результаты создания и внедрения ряда АСУ ТП различного масштаба. .'
7. Применение алгоблочной системы технологического программирования в качестве
средства обучения.
Апробация:
Вопросы данной работы докладывались в пяти докладах на научных семинарах в ИПУ РАН и трех докладах на научной сессии МИФИ.
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 13 печатных научных работах, написанных лично или в соавторстве, в том числе в 10 изданиях, рекомендованных ВАК. Основные внедрения результатов работы:
1. Радио-химический завод. Сибирский химический комбинат, г.Северск Томской
области.
2. АТЭЦ Реакторного завода. Горно-химический комбинат, г.Железногорск
Красноярского края.
ОАО «Каустик», г.Волгоград.
ОАО «Михайловский ГОК», г.Железногорск Курской области.
РНЦ «Курчатовский институт», г.Москва.
Структура работы:
- в первой главе поясняется необходимость данной работы, ставиться ее задача;
- вторая глава отвечает на вопрос о принципиальной возможности разрешения
поставленной задачи, то есть что надо делать;
третья глава предлагает способы решения задачи, то есть как надо делать;
в четвертой главе описана практическая реализация предлагаемых путей решения;
в пятой главе описаны результаты внедрений и дан их анализ.
Особенности автоматизации экологически опасных объектов промышленности
К сожалению, в настоящее время нельзя обойтись без отраслей промышленности, отличительной чертой объектов которых является высокая потенциальная опасность, которая проявляется при аварийных ситуациях. Поэтому важнейшим требованием к этим объектам является высокая надежность их эксплуатации. К таким отраслям относятся, например, химическая и атомная промышленность, энергетика и некоторые другие. Чрезвычайная значимость этой проблемы привела к созданию в конце пятидесятых годов Международного агентства по мировому использованию атомной энергии (МАГАТЭ), которое занимается- обобщением опыта эксплуатации атомных объектов и выработкой общих рекомендаций по повышению их надежности и анализом сопутствующих вопросов:
Еще до появления ЭВМ автоматизации атомных производственных процессов придавалось очень большое значение, поскольку ряд функций (например, аварийную защиту в ядерных реакторах) требовалось выполнять быстро и уверенно. Другие функции носили рутинный характер, применение пишущих автоматических приборов для- анализа основных технологических параметров и ситуаций» и т.д. Развитие вычислительной техники значительно расширило возможности, автоматизации. Достаточно вспомнить, что ядерный реактор может содержать очень большое число тепловыделяющих сборок (или каналов), и слежение вручную за наиболее напряженными из них несравненно более трудоемко, нежели с помощью вычислительных средств.
Потенциально опасный характер атомных производств заставляет для повышения их эксплуатационной безопасности существенно расширить круг автоматизируемых функций. Это становиться необходимым и возможным за счет использования современных ЭВМ. Прежде всего, следует иметь в виду функции контроля.
Контроль - это проверка принадлежности вектора, характеризующего состояние объекта, области Д и, если вектор принадлежит Д, то объект находится в приемлемом состоянии, в противном случае требуется применение управляющих воздействий, чтобы добиться выполнения этого условия. В простейших случаях область Д выбирается в виде гиперпараллелепипеда, а вектор имеет составляющие, представляющие собой показания измерительных приборов. Таким образом, традиционно процедура контроля заключается в проверке неравенств: где ai и Ы - выбранные из условий нормальной эксплуатации объекта допустимые границы [8]. Наряду с (1.1) могут применяться и односторонние ограничения. Однако многие физические величины, которые характеризуют состояние объекта управления, не могут быть измерены непосредственно. Применение косвенных измерений предполагает проведение вычислительных операций. Если эти операции достаточно просты, то они могут быть проведены вручную, как это имело место, например, при подсчете энерговыделения в тепловыделяющих сборках ядерных реакторов по результатам измерения расхода и температуры теплоносителя. Однако уже здесь, как отмечалось выше, возникают сложности ручного контроля из-за большого числа тепловыделяющих элементов [9]. В ядерных реакторах в настоящее время подвергается контролю большое число непосредственно не измеряемых, а вычисляемых физических величин, что связано опять-таки с высокими требованиями по надежности эксплуатации ядерных реакторов. Примерами таких величин являются коэффициенты запаса по мощности тепловыделяющих сборок (или технологических каналов) [10]. На протяжении многих лет и в настоящее время рекомендуется для объектов атомной промышленности применять вероятностные методы с целью анализа безопасности их эксплуатации. Это связано как с многочисленностью случайных факторов, влияющих на технологические процессы, так и с возможностью фильтрации ошибок измерения [10,11,14]. Уменьшение погрешности измерения физических величин, связанных с безопасностью эксплуатации, ведет либо к повышению экономической эффективности использования ядерных объектов, либо к улучшению их характеристик надежности [10]. Однако это приводит в итоге к применению методологии обработки косвенных измерений и значительному усложнению вычислительных алгоритмов [11,14]. При выполнении в этих условиях функции контроля приходится руководствоваться проверкой более сложных неравенств: где Ij - вычисляемые величины, cl, cm - нормативно-справочные значения, ai, bi - допустимые границы для расчетных величин. Кроме того, в связи с этим появляются качественно новые требования к организации вычислительного процесса в компьютерных системах. Например, согласно [12] при восстановлении поля энерговыделения в активной зоне ядерного ректора, необходимо иметь сведения о распределении энерговыработки, расчет которой в свою очередь требует знания распределения энерговыделения. Этот замкнутый круг заставляет проектировать дополнительно пусковые алгоритмы для программного обеспечения ЭВМ, которые в темпе реального времени должны реконфигурироваться в стационарные алгоритмы контроля [13]. Помимо подобных трудностей следует иметь в виду очень большой объем нормативно-справочной информации, часть из которой изменяется достаточно быстро с ходом технологического процесса [15]. Большой объем этой информации связан,, например, с фактической сложностью объекта управления (это вызывает необходимость тщательного описания его модели), и с постоянно вносимыми возмущениями в его состояние (например, изменение загрузки активной зоны ядерного реактора и т.д.). Корректировка нормативно-справочных данных не должна нарушать функции контроля объекта в реальном времени, что является дополнительной трудностью проектирования систем управления.
Основные элементы системно-ориентированного подхода к программированию при построении систем реального времени
Последние требования реализуются путем обеспечения возможности создания программ специалистами в области технологии, не имеющими опыта разработки программ, только средствами технологического программирования путем настройки встроенных в систему исполнения оптимизированных структурных единиц — алгоблоков - руководствуясь встроенной в инструментальные средства системой подсказок.
В приложении к задачам программирования для реального времени на основе системно-ориентированного подхода, с одной стороны, определяется и совершенствуется оптимальный набор элементарных, программных модулей - "букв алфавита", которые будем называть алгоблоками. С другой стороны, создаются эффективные средства организации вычислений и ввода-вывода данных в реальном времени, в том числе средства исполнения, взаимодействия и обмена информацией между алгоблоками, внешними устройствами, операторами-технологами. Также создаются и применяются на базе алгоблоков и подобных структурных единиц гибкие средства построения и быстрой модификации более крупных структурных элементов разрабатываемых систем.
Укрупненные по отношению к алгоблокам элементы-подсистемы будем называть подпрограммами или процедурами, а всю систему - программой. При этом система -программа - может включать в себя как несколько, так и всего одну процедуру, которая в таком случае совпадает со всей программой. То есть наряду с процедурами программа структурируется и на отдельные алгоблоки.
Для поддержки эффективного исполнения алгоблоков должны иметься средства векторного задания аргументов и операций, то есть задания операций и векторов операций для векторов или матриц аргументов, и векторного, поточного их исполнения, совмещенные с контролем на зацикливание на этапе создания программы. Сами алгоблоки должны обрабатывать любую информацию, которая может попасть на их вход, с получением определенного результата за время, не превышающее заданное. Это гарантирует устойчивость функционирования системы. Гибкость обеспечивается также возможностью легкой перенастройки функций, выполняемых алгоблоками, как в процессе создания программ, так и во время их исполнения, в том числе путем самомодификации программ.
Эффективное взаимодействие между алгоблоками достигается строгой последовательностью их обработки без прерывания исполнения одного алгоблока другим при полной открытости всей информации в системе для каждого алгоблока во время его выполнения. Это обеспечивает максимальную эффективность обмена информацией и поддерживается механизмом "общей" памяти как внутри одной ЭВМ, так и в рамках сети ЭВМ. Этот механизм как раз и создает общее, единое для всех информационное поле, каждый элемент которого доступен для любого программного элемента, в том числе алгоблока.
Из требований организации "общей" памяти следует приоритет широковещательного сетевого обмена. При этом возможно применение и других дисциплин сетевого обслуживания там, где это оказывается более эффективно с точки зрения цели - ведения технологического процесса.
Целостность информации в "общей" памяти обеспечивается как механизмами блокировок с помощью флагов, так и, в наиболее общем случае, отсутствием прерываний выполнения программных средств в системе. Оно же обеспечивает решение такой важной проблемы для АСУ ТП, как соблюдение режима реального времени, которое в свою очередь гарантирует адекватную реакцию системы на поведение объекта управления и, соответственно, возможность выполнения своих функций.
Для исключения прерываний в системе имеются аппаратные и программные пути. К аппаратным относится такое построение комплекса технических средств, при котором каждому процессу со своим, отличным от других, тактом реального времени выделяется свой процессор, взаимодействие между которыми и их с другими элементами комплекса технических средств осуществляется через аппаратные средства буферизации, например, через двухпортовую память. При этом работа всех аппаратных средств системы должна быть строго циклична с постоянными периодами циклов. К сожалению, такое построение комплекса технических средств обычно недостижимо, поэтому приходится использовать специальные программные меры. Наиболее общим программным средством исключения в системе прерываний является обеспечение режима однозадачности в системе, при котором все программные компоненты функционируют циклично в соответствии с заданным регламентом под управлением единого диспетчера всей системы. При этом необходимы средства организации разделения времени между отдельными процедурами, сохраняющие детерминированостъ вычислительного процесса и учитывающие наличие нескольких тактов реального времени и возможности фоновых вычислений. Это связано, например, с тем, что состояние многих сложных объектов управления требуется определять в темпе реального времени, а сделать это можно только путем достаточно сложной алгоритмической обработки входных данных, привязанных к одному моменту времени.
Применение такого важного принципа системно-ориентированного подхода как максимальная доступность информации для оператора-технолога определяет необходимость сохранения полного контроля с его стороны над всей необходимой для ведения технологического процесса информацией и скорейшего доступа к вновь потребовавшейся. Это в свою очередь влечет за собой требования тщательного предварительного планирования экранного пространства отображения с размещением на нем максимального количества хорошо доступной оператору информации с минимизацией уровней вложенности и запрета на любые действия во время работы системы отображения, способные уменьшить предварительно спланированное количество информации или существенно ухудшить ее восприятие. К таким действиям относятся перекрытие информации при всплытии или расширении окон, при увеличении элементов отображения в процессе масштабирования, исчезновение или ухудшение доступности информации при уменьшении или несанкционированном закрытии окон или уменьшении объектов отображения при масштабировании. Кроме того, сюда относится применение динамически меняющих свою проекцию на плоскость экрана трехмерных изображений, которые при таком отображении никогда не будут предоставлять полную информацию о себе в любой заданный момент времени. Таким образом, поскольку все преимущества векторной графики и оконного интерфейса оказываются бесполезными, а недостатки проявляются наиболее ярко, ее применение становится неэффективным и основой графического интерфейса систем отображения реального времени оказывается растровая графика. Средства отображения строятся во многом аналогично программным средствам. Структурными единицами, соответствующими алгоблокам, являются действия по отображению, процедурам соответствуют мнемосхемы и т.д. Практически все сказанное по поводу алгоблоков и средств программирования, включая строгую последовательность исполнения, возможность векторных операций и гибкую систему редактирования, в том числе на фоне реального времени, относится и к средствам отображения. Кроме того, они тесно и на разных уровнях интегрированы между собой и с другими компонентами системы.
Технологический язык программирования
Как уже отмечалось ранее, наиболее распространенными в настоящее время средствами программирования являются системы объектно-ориентированного программирования. Следует также отметить тесную взаимосвязь других широко распространенных принципов организации программного обеспечения с принципами объектно-ориентированного подхода. Это относится и к системе организации межпрограммного и сетевого взаимодействия "клиент-сервер", и к основанным на ней средствам межзадачного взаимодействия COM/DCOM, являющимися базовыми неотъемлемыми элементами последних версий наиболее распространенной операционной системы Windows фирмы Microsoft, таких как 95/98/Ме, NT/2000/XP/2003. В части графического экранного интерфейса сюда же следует отнести и векторную графику, обеспечивающую многооконный режим работы со свободным созданием, масштабированием, перемещением с возможностью взаимного перекрытия окон.
Другим основополагающим принципом функционирования не только Windows, но и многих других операционных систем, в том числе предназначенных для обеспечения поддержки режима реального времени, таких как QNX, является организация межзадачного взаимодействия по событийному принципу. Рассмотрим работу операционной системе на основе событийной организации подробнее. При такой организации задачи взаимодействуют между собой и с операционной системой путем запросов - сообщений, которые, наряду с аппаратными прерываниями, генерируют события в операционной системе. Эти события в момент своего возникновения прерывают вычислительный процесс для установки в очередь на обработку операционной системой. Очевидно, что при относительно большом и постоянном потоке событий, характерном для систем реального времени во время их критической загрузки (например, при отработке аварийных и предаварийных отклонений параметров технологических процессов), очередь событий может расти до сколь угодно большой длины. При этом время обработки конкретного события может быть очень велико, что означает функциональный отказ системы реального времени. При этом возникновение каждого нового события вызывает, пусть небольшое, замедление вычислительного процесса на время установки его в очередь, и таким образом откладывает обработку сообщений в очереди, удлиняя ее. С целью ускорить обработку части запросов, в частности, от задач, требующих обработки за малое время, например, в системах реального времени, вводится система приоритетов. В этом случае первым обрабатывается не первое в общей очереди на обработку событие, а первое среди имеющих наивысший приоритет. К обработке событий более низкого уровня приоритета переходится только после исчерпания очередей событий с более высокими уровнями. В этом случае задержка обработки событий с высокими приоритетами уменьшится, но все равно останется - на время прерывания операционной системой выполнения текущей прикладной задачи для отработки функций проверки состояния очередей и приоритетов. Чем больше эти очереди и сложнее система приоритетов, тем больше время задержки. Существенную его долю составляет и время обслуживания непосредственно прерывания задачи, в которое входит время сохранения контекста задачи и его восстановления. Но самое главное, что система приоритетов не может обеспечить не только ускорение, но и выполнение задач с низким приоритетом - они могут бесконечно ждать в очереди, если часто будут появляться запросы на выполнение от более приоритетных задач. С целью избежать такой ситуации вводится механизм динамических приоритетов для низкоприоритетных задач, который обеспечивает увеличение их приоритета по мере увеличения времени нахождения их в очереди. В конце концов, приоритет долго пребывающей в очереди задачи превышает уровень других, и она выполняется. Однако при этом, естественно, откладывается время выполнения высокоприоритетной задачи.
Добавочные временные потери в системе с программными прерываниями возникают ввиду необходимости проверять и обеспечивать специальными средствами целостность данных при межзадачном обмене прерывающих друг друга задач. Поскольку операционная система может прервать прикладную задачу в любой момент вне зависимости от ее прикладного контекста, ее данные могут оказаться не готовыми для использования другой задачей или готовыми частично. Это влечет необходимость проверки их целостности при начале выполнения прерывающей задачи или применение специальных механизмов обеспечения целостности данных, к которым относится инкапсуляция данных в объектно-ориентированном программировании. Но это требует дополнительных временных затрат и замедляет выполнение программ.
При циклической обработке, предлагаемой системно-ориентированным подходом для систем реального времени, когда все части программы выполняются строго последовательно по заранее заданному расписанию с разделением времени по одному или нескольким вложенным циклам, программные прерывания отсутствуют, временных потерь на сохранение и восстановление контекста и обеспечение целостности данных нет. При этом данные могут быть свободно доступны любой программной компоненте через механизмы "общей" памяти. В этом случае режим реального времени гарантируется при максимальной экономии ресурсов, то есть наиболее оптимальным образом. Такая организация вычислительного процесса и межзадачного взаимодействия, предлагаемая системно-ориентированным подходом для задач реального времени, полностью противоречит вышеописанному объектно-ориентированному подходу с собьггийной организацией и отрицает их.
Точно также, дисциплина сетевого обмена "клиент-сервер", основанная на предоставлении информации или выполнении задач по запросам от потребителей, ведет к непроизводительным затратам на обработку запросов клиентов уже занятым обработкой сервером при большом постоянном потоке запросов (см. рис.2.3.1).
Реализация алгоблочной системы программирования верхнего уровня
Ранее уже освещался вопрос организации вычислительного процесса при реализации алгоблочной исполняющей системы. Для АРМов и РС-совместимых контроллеров такая исполняющая система вынуждена функционировать в рамках операционной системы (ОС) общего назначения, представляя в лучшем случае надстройку над ней. Это связано со сложностью обслуживания большого разнообразия аппаратных средств, входящих или связанных с ПЭВМ или РС-совместимом контроллером, а также с необходимостью (для АРМ) выполнять задачи, не связанные с реальным временем, а иногда и с АСУ ТП.
Для контроллеров со специализированными процессорами и структурой аппаратных средств необходимость в ОС общего назначения отпадает, однако, кроме самых простых случаев, остается потребность в управлении организацией вычислительного процесса и взаимодействия с периферийными устройствами. Эти функции должна выполнять специализированная ОС реального времени (РВ), которая вполне может быть построена как алгоблочная исполняющая система [46]. Особенностью здесь является оформление драйверов периферийных устройств, в том числе и модулей ввода-вывода сигналов, а также других компонентов и функций операционной системы как алгоблоков. Например, для устройств ввода это алгоблоки только с выходами, а для устройств вывода - только с входами. Настройка и управление таких алгоблоков производится с помощью параметров алгоблоков - специализированных входов, а диагностика - по состоянию их специализированных выходов [41]. Таким образом, взаимодействие с функциями ОС происходит через базы данных сигналов, куда относятся выходы алгоблоков-драйверов и других компонент ОС. В остальном для управления вычислительным процессом в контроллере достаточны стандартные функции алгоблочной исполняющей системы. Они позволяют задавать детерминированную последовательность и условия выполнения вычислений алгоблоками и организовать разделение ресурсов во времени, тоже детерминированное. При этом, в отличие от большинства ОС РВ, не требуется пересборка всей операционной системы при изменении прикладной задачи - ведь для алгоблочной исполняющей системы прикладная программа представляет собой алгоблочную процедуру, которая в свою очередь является лишь конкретным наполнением базы данных, сменной таблицей. Она легко закачивается в контроллер с верхнего уровня и выкачивается наверх при необходимости. СУБД, то есть исполняющая система алгоблоков, при этом остается неизменной. Сами алгоблоки могут быть упрощены за счет фиксации числа входов и выходов, так как число каналов в малых контролерах невелико. База данных сигналов не существует сама по себе, а состоит из выходов алгоблоков и начальных значений входов и меняется при добавлении или исключении алгоблока.
Для наиболее простых, малоканальных контроллеров (например, моноблочные регуляторы или логические моноблочные контроллеры) может быть зафиксирован и состав алгоблоков, настраиваемыми остаются только связи и начальные значения. Интерфейс разработки и отладки алгоблочных процедур не имеет смысла держать на контроллере со специализированным процессором — он эффективно реализуется на вышестоящей ПЭВМ - инструментальном АРМе, связанном промышленной сетью с контроллером постоянно или подключаемом к нему для закачки или выкачки программ и отладки на реальных данных. На таком АРМе необходим как редактор алгоблочной программы для контроллера, так и ее эмулятор, обеспечивающий предварительную отладку программы в процессе ее написания. Таковы основные моменты построения исполняющей алгоблочной системы как ОС РВ для контролеров. Обработка данных является неотъемлемой частью любой автоматизированной системы, поэтому должна эффективно » выполняться в алгоблочной системе программирования, для чего при построении алгоблоков должен быть учтен по возможности весь опыт реализации алгоритмов обработки в ранее построенных АСУ ТП. Например, для статической обработки наряду с обычными арифметическими и логическими операциями необходима реализация нормирования и масштабирования как векторных операций, то есть с возможностью одним таким алгоблоком выполнить эти операции для большого числа входных каналов. Другой постоянно встречающейся функцией уже динамической обработки является фильтрация [60]. Очевидно, что необходима реализация обоих наиболее известных алгоритмов - скользящего среднего и экспоненциального сглаживания, причем не только для аналоговых, но и для дискретных, логических параметров. Однако этого оказывается недостаточно для аналоговых величин - алгоблок фильтрации для них должен также включать фильтр случайных выбросов, всплесков. Имеет смысл объединить этот алгоритм с фильтрацией экспоненциального сглаживания, как наиболее распространенной и экономичной, в одном алгоблоке. Естественно должна обеспечиваться векторная обработка, так как это почти всегда массовая операция, и гибкая настройка с возможностью ее изменения «на ходу». Более сложные алгоритмы фильтрации, такие как медианный фильтр, обычно не оправдывают вычислительных затрат. Надо отметить, что эффективная фильтрация хорошо дополняет алгоритм гистерезиса при операции сравнения — первая подавляет случайный шум и выбросы, а второй позволяет учесть периодические шумы. Такое сочетание необходимо для ответственных случаев сравнения, таких как блокировки. Подобный подход может применяться при реализации других алгоритмов обработки данных. Таймеры, циклограммы и другие алгоблоки дискретного управления Необходимым компонентом организации управления является возможность задания временных интервалов, последовательностей шагов управления в реальном времени или связанных с астрономическим временем, безусловных или с возможностью ветвления в зависимости от состояния объекта управления на предыдущем шаге. Для этого в составе технологического языка должны иметься алгоблоки циклического и астрономического таймеров, обеспечивающих безусловное задание временных последовательностей и событий по астрономическому времени, а также алгоблок циклограммы, обеспечивающей ветвление временной последовательности команд по состоянию объекта управления.
