автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Исследование и разработка малоканальных контроллеров для систем цеховой автоматики

На правах рукописи

РЕЙЗМАН ЯКОВ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МАЛОКАНАЛЬНЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ ДЛЯ СИСТЕМ ЦЕХОВОЙ АВТОМАТИКИ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

МОСКВА 2004

Работа выполнена в ОАО "Институт электронных управляющих машин" (ИНЭУМ), г. Москва.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Красовский В.Е. доктор технических наук, ст.н.с. Егоров Г.А.,

Научный консультант:

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

проф. Малюгин В.Д., кандидат технических наук, ст.н.с. Родионов В.В.

Ведущая организация:

Институт проблем передачи информации РАН, г. Москва

Защита состоится « 22 » сентября 2004 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета КР409.009.14 при ИНЭУМ по адресу:

в зале заседаний Учёного совета (секретариат: 135-33-21). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНЭУМ. Авторефератразослан« '2.^-» 2004 г.

И. о. учёного секретаря диссертационного совета КР409.009.14

кандидат технических наук, ст. н. с. Фукс В.И.

119991, Москва, ул. Вавилова, 24, ИНЭУМ,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Согласно аналитическим прогнозам в ближайшие годы рынок интеллектуальных устройств на 1-2 порядка превысит рынок персональных компьютеров. Это можно воспринимать как признак перехода из эры персональных компьютеров в эру интеллектуальных устройств и сетей на их основе, проникающих во многие сферы жизни общества.

Эта тенденция имеет место и в цеховой автоматизации. Однако при решении задач "интеллектуализации" многих видов технологического оборудования в большинстве случаев оказывается, что существующие на рынке встраиваемых приложений готовые универсальные массово-производимые решения обладают большой избыточностью по ресурсам и вычислительной мощности, а их применение часто нецелесообразно по экономическим (прежде всего) причинам, а также по компоновочным (конструктив, электропотребление) и другим параметрам.

Существующая индустриальная технология проектирования систем автоматики, созданная в период централизованных архитектур АСУТП на базе мощных ПЛК (в основном на базе 32-х разрядных процессоров, большей частью - клонов Intel x86), уже не является полностью адекватной требованиям перспективных распределённых систем. Проблема заключается в ориентации существующих сред разработки на значительные ресурсы (памяти и вычислительной мощности) используемых в ПЛК процессоров.

В то же время, ресурсы даже многих 8- разрядных микроконтроллеров являются вполне достаточными для локальной задачи малоканального целевого контроллера в контексте типовых задач цеховой автоматики. Не случайно объём выпуска 8-разрядных микроконтроллеров на 2 порядка (!) превышает общий объём выпуска 16- и 32- разрядных моделей.

В этой связи несомненный научный и практический интерес представляет исследование и разработка принципов построения малоканальных целевых контроллеров для задач цеховой автоматизации с ориентацией на достижение качественно нового уровня модульного иерархического проектирования этих устройств (ПО и аппаратуры), адекватного требованиям индустриального применения.

Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованного методического базиса и инструментальной среды, удовлетворяющих требованиям индустриального применения при разработке малоканальных средств автоматизации высокой готовности и низкой стоимости.

Для достижения указанных целей в работе поставлены и решаются следующие основные задачи:

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БИБЛИОТЕКА |

1) определение и исследование всех значимых факторов и требований к разрабатываемой методической базе проектирования малоканальных целевых систем;

2) разработка принципов построения малоканальных систем, включая: проектирование структуры технических средств, проектирование внутреннего ПО (прикладного и системного), проектирование инструментальной среды;

3) разработка опытных образцов инструментальных средств, прикладных библиотек, технических средств конструктора малоканальных систем;

4) создание методики разработки, экспериментальная отработка и промышленная апробация на примерах задач встраиваемой автоматики и интеллектуальных УСО.

Методы исследования. В основе выполненных исследований и полученных результатов лежит использование методов объектно-ориентированного анализа, элементов теории моделирования, алгоритмов и алгоритмических языков, теории вычислительных процессов.

На этапе проектирования технических средств использованы аналитические методы расчётов электрических цепей.

Экспериментальные методы включали разработку необходимых для анализа имитационных моделей. Экспериментальная часть выполнялась с использованием разработанных и изготовленных образцов конструктора специализированных ПЛК.

Научная новизна. В работе решён комплекс взаимосвязанных вопросов, касающихся методологии проектирования малоканальных и специализированных средств автоматизации. Следует выделить следующие основные результы, характеризующиеся научной новизной:

— определены направления совершенствования средств автоматизации и инструментальных методов разработки для систем автоматизации цехового уровня;

— создан научно-обоснованный методологический базис проектирования малоканальных средств автоматизации, удовлетворяющих требованиям высокой готовности и низкой стоимости;

— разработаны принципы построения основных элементов аппаратного и программного обеспечения малоканальных систем, а также принципы построения инструментальной среды;

— созданы инструментальные средства, методики и базовые технические решения (конструктор), удовлетворяющие требованиям индустриального применения при разработке малоканальных средств автоматизации на базе широкой номенклатуры 8- и 16- разрядных микроконтроллеров и ориентированные на квалификацию и опыт конструкторских подразделений и служб КИПиА промышленных предприятий.

Практическая значимость и результаты внедрения. Представленные методы построения малоканальной специализированной аппаратуры способствуют:

• снижению затрат на разработку малоканальных систем полевого уровня и встраиваемой в технологическое оборудование спецавтоматики;

• расширению спектра серийно выпускаемых промышленных контроллеров за счет создания линеек недорогих устройств на базе однокристальных 8- и 16-разрядных микроЭВМ;

• распространению современных индустриальных технологий конфигурирования и программирования на уровень малоканальных систем,

что в итоге позволит существенно повысить эффективность и сделать разработку и внедрение малосерийных систем автоматики доступными и привлекательными для множества опытных заводов в различных секторах экономики.

Работа выполнена в Институте электронных управляющих машин (ИНЭУМ) в рамках научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по теме "Разработка семейства многофункциональных контроллеров и УВК промышленного исполнения" в соответсвии с Федеральной целевой программой "Национальная технологическая база" на 20022005 гг., раздел 'Технология вычислительных систем".

Разработанный при непосредственном участии автора комплекс технических средств ПЛК СМ9107 прошёл промышленную апробацию, разрешён для применения в системах промышленной автоматики и зарегистрирован в реестре средств измерений.

Технические средства СМ9107 сертифицированы и зарегистрированы Госстандартом России, что подтверждено следующими документами:

— технические уловия.......................ТУ 4042-001-11494554-99, регистрация ТУ: ВНИИстандарт Госстандарта России, № 200 / 024693;

— сертификат соответствия НД...........RU.ME37.B00045;

— сертификат типа средства измерения ... RU.C34.004A N 12137, регистрация: Государственный реестр средств измерения, № 22748-02. Контроллеры семейства СМ9107 выпускаются серийно с 1999 г., изготовитель ОАО "ИНЭУМ".

Разработанные методики, инструментальные средства и технические решения применены в следующих проектах:

— встроенные системы спецавтоматики продукции Лениногорского и Бугуль-минского опытных заводов "Нефтеавтоматика",

— Михайловский горно-обогатительный комбинат, АСУТП линии дымососов обжиговой машины фабрики окомкования,

— Магнитогорский металлургический комбинат, АСУТП цехов агло-доменного, известково-доломитового производства,

— "Тяжпромэлектропроект" (г. Москва), система автоматизированного контроля и управления для крупных энергоустановок (апробирована и успешно прошла испытания в составе системы гарантированного электроснабжения технического и стартового комплексов по программе "GLOBALSTAR" на космодроме Байконур),

— МПС, охранно-пожарная система регистрации и оповещения для электропоездов,

— ЖКХ г. Москвы, район "Отрадное" , система оперативного учета расходов холодной и горячей воды на подающих магистралях.

Материалы работы с 2002 г. используются в учебном процессе и включены в учебное пособие для ВУЗов, выпущенное в центральном издательстве. Разработана программа обучения и организованы курсы для обучения специалистов методике использования контроллеров СМ9107. В МИРЭА изданы методические указания по выполнению лабораторных работ на кафедре "Управляющие ЭВМ" по теме "Промышленные контроллеры" для студентов специальности 220100.

Практическая реализация результатов работы подтверждается прилагаемыми к диссертации документами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

— на третьей научно-практической конференции "Современные информационные технологии в управлении и образовании - новые возможности и перспективы использования в рамках реализации программы "Электронная Россия", ФГУП НИИ "Восход", Москва, ноябрь 2002 г;

— на научной сессии МИФИ на секции "Информатика и процессы управления. Компьютерные системы и технологии", январь 2003 г;

— на 52-й научно-технической конференции МИРЭА, Москва, май 2003 г;

— на научных семинарах и технических совещаниях Института электронных управляющих машин в период 1999-2004 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них 3 - в центральных изданиях, получено 1 авторское свидетельство. В работах, опубликованных в соавторстве, личное учатие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении обзоров, научно-технических исследований и анализе их результатов, в разработке принципов и создании методик, разработке структуры и основных элементов ПО.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Основное содержание изложено на 174 страницах, 26 рисунках и 8 таблицах. Список литературы включает 68 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введени обоснована актуальность работы, сформулирована основная цель, научная новизна и практическая значимость результатов, приведно краткое описание структуры диссертации.

Первая глава посвящена анализу проблем и направлений совершенствования средств автоматизации и инструментальных методов разработки для систем автоматизации цехового уровня, формулированию целей и задач диссертационной работы.

В качестве целевых рассматриваются проблемы сквозной "интеллектуализации" цеховой площадки на основе объединённых полевой шиной интеллектуальных УСО и интеллектуального технологического оборудования, представляющих наиболее динамично развивающийся сектор технологий автоматизации, с успехами которого ассоциируются значительные возможности модернизации цеховых систем.

Для большинства встраиваемых в оборудование применений заведомо достаточно ресурсов 8-разрядных микроконтроллеров. Широкая номенклатура и низкая цена микроконтроллеров обеспечивает возможность выбора наиболее эффективной конфигурации, позволяя добиться существенного сокращения количества элементов, снижения потребления, уменьшения габаритов и увеличения надежности устройства в любом конкретном случае при весьма низкой стоимости.

Однако оправданность и успех разработки спецавтоматики в настоящее время определяется возможностью производителя сконцентрироваться на решении задачи в области своей квалификации за счёт применения технологий разработки и инструментальных средств, обеспечивающих автоматизированное построение и компоновку программ.

Такая технология, ориентированная на широкий круг специалистов-непрофессионалов в области вычислительной техники, уже повсеместно применяется на уровне макросистем автоматики - в АСУТП различного масштаба - и именуется индустриальной.

Однако прямой перенос существующей индустриальной технологии на уровень разработки микросистем - во встраиваемую автоматику и интеллектуальные интерфейсы - в настоящее время невозможен. Это связано с исторической ориентацией современной технологии на внушительные ресурсы (быстродействие, объём памяти программ и данных) используемых в ПЛК процессоров. Однако такие требования к ресурсам существенно превосходят параметры большинства выпускаемых в настоящее время даже 16-разрядных микроконтроллеров, не говоря уже о 8-и разрядных. Кроме того, такой уровень ресурсов вряд ли адекватен уровню задач микроконтроллеров.

Это означает, что индустриальная технология реализуема на менее чем 1% от объёма выпускаемых микропроцессорных компонентов (в основном, это 32-х разрядные клоны Intel x86) и не адекватна задачам программирования малоканальных приложений и распределённых систем на их основе (сетей интеллектуальных устройств).

В связи с вышеизложенным актуальной является задача разработки и реализации методов, обеспечивающих применение индустриальной технологии проектирования на уровне микросистем автоматики - специализированных малоканальных контроллеров и систем на их основе.

Решение этой задачи обеспечит существенное сокращение времени разработки и одновременно повысит надёжность спецавтоматики, расширит возможности выбора современной микроконтроллерной элементной базы и снизит затраты на модернизацию и реинженеринг на протяжении всего периода выпуска изделия, позволяя таким образом обеспечить изделию привлекательность для заказчика.

Для выявления всех значимых условий и адекватной постановки задачи исследования принята следующая методическая схема. Исследование условий разработки начинается с рассмотрения общих методологий, отражающих те ценности, опираясь на которые можно определить основные характеристики перспективных систем. На основании полученных таким образом характеристик формируются общие целевые параметры рассматриваемых устройств. Далее, на основе анализа известных современных решений выявляются те решения, которые адекватны целевым параметрам и могут быть применены в перспективных разработках, одновременно, определяются проблемы, которые препятствуют модернизации современных систем и устройств до уровня целевых параметров. Итогом анализа является детализация исходных условий и исчерпывающее определение предмета исследования и разработки.

Первый раздел главы посвящен парадигмам современных технологий.

В качестве общих ценностей можно выделить тенденции распространения индустриальных технологий (COTS-решений), ориентированных на снижение расходов при построении нового продукта за счёт его компоновки из готовых компонентов и распространение принципов высокой готовности, концентрирующих требования бесперебойности функционирования процессов. Фактически единственный путь создания систем высокой готовности базируется на технологии системной интеграции компонентов на основе открытых стандартов.

Следующий раздел главы посвящен анализу опыта решения типовых задач цеховой автоматизации.

Отмечено, что накопление богатейшего опыта решения задач автоматического управления на основе математических методов и стандартизированной системы функциональных блоков преобразования сигналов (прообраза совре-

менной индустриальной технологии) началось в эпоху распространения систем пневмоавтоматики.

Рассредоточенная по производственной площади структура систем пневмоавтоматики 50-х годов явилась прообразом современной полевой (field-центрической) архитектуры.

Многие более поздние технологии автоматизации (от Ремиконта 80-х до ультрасовременного Foundation Fieldbus) во многом являлись переложением тех старых методов решения мало меняющихся (как и сами технологические процессы) задач цеховой площадки на новую "элементную базу". В диссертации приведён краткий обзор функциональных схем типовых задач.

Прослежена логика перехода от распределённой к централизованной вычислительной среде, связанная с повышением уровня готовности системы за счёт упрощения кроссоединений.

В 70-х - 80-х гг. с появлением процессоров панели специализированных КИП начали уступать дорогу программируемым логическим контроллерам. Важно заметить, что в этот момент на цеховой площадке появилось новое распределение труда, предполагающее услуги программиста. Но поскольку реализация концепции технологического программирования была ещё впереди, программистское видение автоматизации грозило потерей контроля над системой, управление которой всегда требовало (и будет требовать) "КИПовского" практического опыта и подходов.

Принципиальное решение проблемы разделения труда появилось в 80-х, когда были созданы программы, превратившие ПЛК в виртуальную машину, способную исполнять функциональные блок-схемы, разработанные в эпоху пневмоавтоматики. КИПовцы уже без участия программиста могли использовать весь свой опыт без посредника, соединяя в привычные (но уже виртуальные) блок-схемы программные алгоблоки, в точности повторявшие стандартные устройства пневмоавтоматики.

Переход на ПЛК был новой технологией, реализующей (в очередной раз) старые подходы на более эффективной "элементной базе". Рассмотрены структура типовой цетрализованной системы на базе интерфейса 4-20 мА и структура типового ПЛК такой системы.

Прослежена тенденция и последовательность возврата к полевой архитектуре, связанная со всепроникающим распространением сетевых технологий на фоне устойчивого снижения цены на изделия из "кремния" и повышения цены на "медь".

Первый этап значительных изменений коснулся "микромира" - внутренней структуры ПЛК и связан с появлением интеллектуальных модулей УСО на основе микроконтроллеров, позволивших резко повысить уровень готовности ПЛК за счёт сокращения числа элементов (и проводников) и распределения задач по процессорам. Во многих случаях оказазалось, что пропускной способ-

ности стандартных последовательных шин вполне достаточно для обеспечения передачи готовых баз данных между ЦП и интеллектуальными модулями УСО.

Наиболее значительные преимущества распределения были связаны с выходом внутриконтроллерной последовательной магистрали в "макромир" -с внедрением стандартов на полевые шины, позволившие заменить жгуты 4-20 мА одним многоточечным цифровым интерфейсом. Это позволило пространственно "распределить" контроллер по всей цеховой площадке с установкой УСО непосредственно "по-месту". В такой схеме граница видимости процесса расширяется до объекта, исключаются ненадёжные элементы (в частности, кабели, клеммники), что обеспечило повышение уровня готовности системы.

Однако, распространение новой архитектуры создало новые организационные проблемы. С ориентацией на интеграцию в общезаводские системы и с распространением 8САОА-технологий финансовая инициатива модернизации АСУТП стала концентрироваться в руках служб АСУ. Во многих случаях решение задач АСУ осуществлялось комплексной разработкой системы с закупкой в том числе и контроллерного оборудования, которое во многих случаях рассматривалось лишь как прозрачный инерфейс между 8САБА и объектом. Соответственно, инициатива разработки (благодаря доступности применения и в соответствии с фактором принадлежности оборудования) переходила в руки служб АСУ (в руки молодых, способных, энергичных "АСУповцев", не имеющих, однако, никакого отношения к задачам реальной цеховой автоматики). Это очередной раз создавало проблему двоевластия на цеховой площадке и опять грозило потерей контроля над процессом.

Показано, что наибольшие перспективы модернизации АСУТП в отношении повышения уровня готовности связаны с возможностью делегирования на уровень интеллектуальных устройств (УСО и оборудования) части инициативы по управлению процессом и по диагностике, ориентированной на предупреждение отказов.

Важно заметить, что такая схема наряду с сохранением стандартного программного интерфейса явно разграничивает сферы ответственности между службами КИПиА и АСУ, рассекая (физически и логически) систему на 2 части с разным типом задач (верхний уровень - задачи АСУ, нижний уровень - задачи КИПиА) и окончательно решая проблему двоевластия и восстановления контроля на цеховой площадке.

Проведённый обзор позволил установить общий вид целевых задач и общие требования, совокупность которых определяет направление исследования и подходы к разработке малоканальных систем автоматики уровня цеховой площадки.

Следующий раздел главы посвящен обзору и анализу основных элементов современной индустриальной технологии создания средств автоматизации для задач цехового уровня.

и

Показано, что популярные COTS-решения на базе SoftLogic и SoftPLC, являющиеся базой индустриальной технологии построения систем автоматики, созданные в эпоху всепроникающей РС-платформной автоматизации, позволившие поставить производство АСУТП на поток, не являются адекватными требованиям перспективных систем из-за ориентации этих технологий на ресурсы в основном 32-разрядных процессорных архитектур, что определяет их применение (по конструктивным, компоновочным, стоимостным и др. факторам), в основном, в качестве ядра централизованных архитектур или систем на основе распределённого УСО, но не в качестве собственно низовых компонентов распределённой системы.

Рассмотрены преимущества использования технологии программирования, базирующейся на открытом стандарте IEC1131-3. Сделан вывод об адекватности целевым параметрам только двух языков стандарта IEC 1131-3: языка FBD и языка SFC (с расширением на языке ST) в связи с их соответствием содержанию задач полевого уровня, наглядностью и минимизацией формального программирования. Отмечена необходимость и возможность расширения номенклатуры стандартных блоков FBD в части реализации функций аналоговой и цифровой обработки сигналов, соответствующих накопленным (со времён пневмоавтоматики) наработкам служб КИПиА в решении типовых задач.

Сделан вывод о неадекватности ресурсам целевых малоканальных контроллеров механизмов, используемых существующими инструментальными средами стандарта IEC 1131-3 (например, ISaGRAF), из-за их ориентации на эмуляцию целевой системой ресурсоёмкой виртуальной интерпретирующей машины и ориентацию в основном на ресурсы ОС для портирования резидентного ПО.

В контексте исследования общих методов и стратегий сетевого управления в существующем многообразии открытых промышленных шин определены возможности унификации встроенного в узел сервиса. Рассмотрены механизмы абстрагирования прикладного ПО от выбора спецификации полевой шины.

Определены базовые факторы, определяющие выбор конкретной спецификации полевой шины для малоканальных систем. Исходя из требований низких затрат (по габаритам и стоимости) на организацию сетевого интерфейса наиболее адекватным целевым параметрам является применение протоколов Modbus (Plus) и CAN.

Проведён обзор хорошо известных серийных малоканальных ПЛК и интеллектуальных УСО, основным явным отличительным признаком которых является возможность DIN-реечного монтажа или прямое сигнальное сопряжение до нескольких десятков каналов. Рассмотрены также компоненты для встраиваемых применений.

Несмотря на постоянную модернизацию, приведённые примеры встраиваемых решений по избыточности, цене, потреблению и габаритам не являются

адекватными целевым (и тем более, мобильным) системам. Фактически это РС в индустриальном исполнении. Кроме того, предлагаемые варианты распределённого УСО ограничиваются нормализацией сигналов, что предполагает централизацию управления в одном ведущем сеть удалённом блоке ЦП, обычно также РС-совместимом. Отсутствие программируемости УСО также препятствует переходу к распределённому управлению.

Анализ технологий разработки и параметров встраиваемой автоматики технологического оборудования, выпускаемого группой известных опытных заводов, убедительно показывает, что в настоящее время подходы разработчиков не позволяют рассматривать технологическую продукцию даже в рамках одной системы предприятий как компоненты для свободной компоновки автоматизированных технологических систем.

Сделан вывод об отсутствии доступной разработчикам малосерийного оборудования (в частности, опытным заводам) эффективной технологии разработки (и программирования) недорогих, компактных и экономичных решений на основе микроконтроллеров для встраиваемой в выпускаемое технологическое оборудование автоматики. Применение устаревших технологий разработки встроенной автоматики является препятствием к повышению привлекательности продукции для заказчика.

При этом именно мелко- и средне- серийная (специализированная) автоматика является очевидно оправданым предметом отечественных разработок, одним из перспективных направлений развития, обновления и повышения уровня технологической продукции, а также источником значительного прогресса в отечественных технологиях АСУТП.

Преодоление указанных проблем будет способствовать снятию факторов, сдерживающих переход от централизованного к распределённому управлению, обеспечивающему высокий уровень готовности и снижение интегральной стоимости владения системой.

Создание инструментальных средств и методики разработки специализированного малосерийного оборудования обеспечит снижение затрат и времени разработки нестандартной автоматики. Это позволит привнести возможности микропроцессорной техники и сетевых технологий в широкий спектр изделий, обделённых вниманиием специалистов по цифровым технологиям (разнообразные приводы, сварочное оборудование и многое другое).

Во второй главе диссертации рассмотрены принципы построения малоканальных контроллеров для систем цеховой автоматики (пути достижения уровня СОТ8-решений в разработках систем на базе микроконтроллеров).

Ключевой вопрос разработки методики проектирования малоканальных систем - определение стратегий достижения уровня СОТ8-решений в разработ-

ках устройств на базе широкой номенклатуры 8- и 16- разрядных микроконтроллеров.

В качестве целевых рассматриваются задачи цеховых подсистем АСУТП, систем спецавтоматики, микросистем, встраиваемых систем.

Первый раздел главы посвящен вопросам унификации структуры и функциональности малоканальных контроллеров.

Общие принципы проектирования систем, ориентированные на достижение высокого уровня готовности, связаны с формированием необходимого набора функций и конфигурации за счёт суперпозиции минимального набора унифицированных элементов без их изменения, с автономностью иерархических уровней в системе и др.

В общем виде реализация этих принципов связана с разбиением целевой задачи на достаточно независимые процессы с целью их разделения по компонентам (узлам) распределённой системы автоматизации, имеющим адекватные функционалы. Целью и стратегией разбиения является автономность узлов. Автономность узла состоит в том, что интенсивность его взаимодействия и связность с остальной системой или другими узлами значительно (на порядки) ниже, чем внутри него.

Методология выделения независимых процессов основана на анализе логической структуры объекта, включающей в общем виде следующие уровни иерархии: подсистема, функциональный УЗЕЛ, функциональный ЭЛЕМЕНТ, технологический параметр. Показано, что уровни ЭЛЕМЕНТ и УЗЕЛ наиболее адекватны функционалам соответственно модулей интеллектульных УСО и концентратора на основе микроконтроллеров.

Соответствующая малоканальная система (базовая ячейка) на базе компонентов (примитивов) двух указанных типов является основой адекватной рассматримваемым задачам структуры системы автоматики. Унифицированный примитив базовой ячейки, реализованный на базе микроконтроллера с адекватным функционалом, будем называть элементарным контроллером (ЭК). В дальнейшем понятия базовая ячейка и малоканальная система (контроллер) будут считаться тождественными.

Обобщение опыта унификации решений малоканальных систем на базе микроконтроллеров позволяет сформулировать новую стратегию и принципы разработки.

В качестве целевых параметров приняты:

— высокий уровень готовности системы (в1),

— минимизация объёма необходимых ресурсов и стоимости владения системой в целом (в2).

Стратегия достижения цели в1 заключается в новой методологии (парадигме) Р1 реализации общих принципов на базе микроконтроллеров с адекватным функционалом:

Р1

'каждому процессу - отдельный процессор

Стратегия достижения совокупности целей в1+в2 заключается в симметричной формулировке Р1+, включающей условие эффективного использования ресурсов:

Р1+

каждому процессору - отдельный процесс

которая, как нетрудно видеть, является усилением формулировки Р1.

Таким образом, с учётом данного выше определения ЭК, парадигма Р1(+) устанавливает (взаимно-) однозначное соответствие между набором элементарных контроллеров базовой ячейки и разбиением задачи автоматизации функционального УЗЛА на независимые процессы.

Следование парадигме Р1 позволяет отказаться от событийного управления и полностью обеспечить функционирование автоматики по жёсткому детерминированному расписанию. Реализацией этого является отказ от операционных систем (ОС) в пользу простого циклического автомата.

Для системы, главными требованиями к которой является детерминированность её состояния и времени реакции, большинство функций ОС являются опасными либо бесполезными. В ОС, в частности, результат операции динамического выделения памяти заранее непредсказуем, плохо определима задержка реакции управляющего механизма, основанного на обработке событий при произвольном совпадении этих событий, очевидна опасность загрузки произвольного приложения.

С другой стороны, следование Р1 позволяет отказаться от большинства функций ОС, происходящих из необходимости делить один вычислительный ресурс между несколькими независимыми (с разными приоритетами) и заранее неопределёнными процессами.

Предложенный простой циклический автомат представляет собой единственный процесс, состоящий из нескольких предопределённых сопроцессов, исполняемых по единому заранее составленному и не зависящему от прикладной задачи жёсткому расписанию последовательных операций: ввод-вывод, циклический запуск функции управления (логический ввод-вывод и обработка), связь с верхним уровнем.

Все события в такой схеме циклического автомата не зависят от прикладного уровня и регламентированы. При такой организации функционирования все необходимые ресурсы (память и время) могут быть определены и распределены между сопроцессами на стадии сборки программы, а не динамически.

Следование парадигме Р1(+) обеспечивает недостижимый для централизованных систем уровень устойчивости функционирования. Реализация пред-

ложенных принципов позволяет исключить непредусмотренные взаимные зависимость и влияние частей ПО, уменьшить размеры этих частей и упростить их, обеспечивая простоту отладки и тестирования всей системы и ее отдельных компонентов.

Показано, что реализация произвольной функции управления в контексте рассматриваемого круга задач может быть унифицирована и сведена к библиотеке типовых подпрограмм (функциональных блоков - ФБ) и набору таблиц, описывающих функцию управления как функциональную блок-схему на базе ФБ. Жёсткое сужение типа и унификация структуры приложения практически исключает возможность внесения ошибок на уровне прикладного ПО, обеспечивает защиту системы, недоступную многим другим механизмам, в том числе, интерпретирующим системам и ОС.

Отказ от ОС и унифицированная структура ПО снижает требования к ресурсам микроконтроллера и расширяет возможности его более эффективного выбора для конкретной задачи. Кроме того, исключаются затраты на портиро-ваниие сложной ОС.

Следующий раздел главы посвящен построению модели элементарого контроллера и принципам построения малоканальных систем на его основе.

В контексте выбора архитектурных решений одним из важнейших преимуществ следования парадигме Р1(+) является возможность отказа от параллельных шин для межмодульных и внутримодульных интерфейсов в пользу последовательной шины.

Показано, что контроллеры с классической модульной архитектурой на основе параллельной шины в контексте задач базовой ячейки не адекватны требованиям снижения стоимости системы и повышения уровня её готовности.

Следование парадигме Р1(+) позволяет снизить интенсивность взаимодействия между элементарными контроллерами в базовой ячейке на 2 порядка за счёт локализации операций ввода-вывода, обработки информации и управляющих программ. Оценка интенсивности взаимодействия соответствует среде передачи с производительностью порядка 100 Кбит/с. То есть, в качестве среды передачи малоканальной системы может использоваться практически любая из стандартных полевых сетей.

Вместе с тем ресурсы широкой номенклатуры 8-. и 16- разрядных микроконтроллеров позволяют реализовать единственный процесс без использования внешнего расширения памяти программ и данных (потребовавшего бы параллельного интерфейса с неминуемым качественным снижением уровней целевых параметров в1 и в2).

В основе функциональной модели малоканальной системы на основе ЭК лежат элементы структуры ЭК и принципы, обеспечивающие работу циклического автомата узла и его участие в распределённом управлении базовой ячейки.

Базовым принципом, обеспечивающим работу циклического автомата, независимость и унификацию (со-)процессов управляющей задачи (как в пределах элементарного контроллера, так и на уровне сетевого взаимодействия), является принцип постоянной готовности данных от любого (со-)процесса-источника для любого (со-)процесса-приёмника. С точки зрения автомата, это избавляет (со-)процессы от ожидания исходных данных. С точки зрения самих (со-)процессов - это возможность их модульной компоновки в произвольной конфигурации без модификации их внутренней реализации.

Оба следствия обеспечивают простоту реализации компонентов ПО и возможность построения произвольных функций управления на базе готовых апробированных компонентов, формируя основу для достижения целей 01 И 02.

В соответствии с этим принципом основными элементами модели являются: отображение сигналов (или удалённых баз данных) ввода-вывода в базу данных ввода-вывода, выполняемое серверами сигнального или сетевого ввода-вывода; отображение базы данных ввода-вывода во внешнюю базу данных, выполняемое управляющей функцией; предоставление (средствами ИАС) внешней базы данных для (асинхронного) сетевого доступа.

Отмечено, что произвольная конфигурация функционалов ЭК базируется на двух базовых типах, соответствующих двум формам представления информации ввода-вывода: контроллер с сигнальным сопряжением; контроллер с сетевым расширением.

Реализация предложенного принципа в обоих случаях обеспечивает независимость управляющей функции от типа сопряжения.

Представлен метод построения малоканальной системы произвольной конфигурации на основе применения шага композиции: элементарное сетевое соединение на основе контроллера (концентратора) с сетевым расширением и произвольное сочетание подчинённых контроллеров двух базовых типов.

Рассмотрен вопрос совместимости ЭК на прикладном уровне модели взаимодействия йеЫЬш-систем. Проблема согласования физического и коммуникационного уровней является частной задачей конкретной разработки. Предметом унификации является модель внешнего управления на прикладном уровне. Очевидно, все узлы сети должны единообразно поддерживать базовый набор сообщений спецификации БМБ (запросы чтения-записи внешней базы данных), что, в частности, означает единую реализацию на уровне представления данных (на базе стандартного набора типов данных в стандартном формате).

В соответствии с предлагаемым механизмом совместимости представлений, платформы должны выполнять программную эмуляцию определённого стандартного формата для внешнего представления (либо иметь этот формат в качестве "родного"). При этом формат представления информации в локальных базах данных должен быть "родным" для кросс-компилятора, так как это обес-

печивает единственность (как основу переносимости на другие платформы) исходного описания на языке Си, высокую скорость исполнения кода в любой платформе и его минимизацию. Преобразование в стандартный формат при доступе к локальным базам (например, входам и выходам алгоблоков) осуществляется по запросу данных ("на-лету") и не требует дополнительной памяти.

В качестве стандартного принят удобный с практической точки зрения (своим совпадением с типами данных языка Си) набор базовых типов данных спецификации IEC1131-3.

В качестве унифицированного представления данных предложен один из наиболее распространённых и простых форматов, обладающий аддитивностью относительно размера (размер структуры данных равен сумме размеров ее элементов). Наиболее удобным форматом является "little-endian"- архитектура с плотным размещением многобайтных данных на байтно-адресуемом пространстве памяти.

Рассматриваются средства обеспечения высокого уровня готовности. Базовыми компонентами любой структуры являются элементы, поддерживающие её функционирование. Предлагается структура ПО ЭК, обеспечивающая восстановление функций ((пере-)загрузку) при ошибке, нарушении целостности и сбое приложения.

По роли в восстановлении фунций ПО разделено на две части: блок контроля-восстановления (защищенный и неизменяемый) и приложение. Поскольку достаточным условием восстановления в любом случае является возможность перезагрузки, то первая часть далее именуется загрузчиком. Защита загрузчика при изменяемости приложения предполагает определённое физическое обособление этих частей (области загрузчика и приложения).

В зависимости от архитектуры, область загрузчика защищается аппарат-но (в большинстве архитектур возможно её исключение из числа программно-доступных сегментов), либо программно. В последнем случае только размещение загрузчика в отдельном неперегружаемом микроконтроллере гарантирует абсолютную защиту, что является ещё одной сильной стороной Р1.

На основе предложенной структуры ПО ЭК определён минимальный состав компонентов загрузчика, обеспечивающих контроль приложения, его запуск и средства восстановления.

Объектом контроля и восстановления является область приложения. Зависимая от приложения информация для указанных функций (таблицы контроля) размещаются также в этой области.

Отметим, что адекватное специфике задачи распределение компонентов ПО между защищенной и контролируемой частями и их состав определяется выбором приоритета в двух противоположных аспектах: гибкость модернизации ПО, требующая минимизировать то, что не может быть изменено (защищенной области); защита ПО за счёт минимизации того, что может быть изме-

нено. В большинстве объектов с большим сроком функционирования приоритетным является первый аспект.

В отношении загрузки ПО, в соответствии с требованием G1, для ЭК сделан вывод о том, что малое время и низкая трудоёмкость восстановления функций достижимы только при поддержке загрузки "в системе", исключающей отключение, разборку и применение спецсредств (зависящих от типа микроконтроллера). Архитектура большинства выпускаемых микроконтроллеров, имеющих FLASH-память, позволяет реализовать загрузку "в системе".

Предложен ориентированный на микроконтроллеры механизм перезагрузки приложения при исполнении ПО с ошибкой.

Показано, что расщепление задач по отдельным процессорам с целью повышения надёжности при невозможности по каким-либо причинам реализовать принцип постоянной готовности базы данных может приводить к неприемлемому увеличению транспортных задержек в системе.

Следующий раздел главы посвящен определению стратегий и методов достижения уровня COTS-решений в разработках ПО для элементарного контроллера с объёмом ресурсов типового микроконтроллера.

Рассматривается вопрос распределения второстепенных сервисных функций между средой разработки и целевой системой. Распространённая методология распределения сервиса заключается в том, что целевая система обеспечивает установленный унифицированный интерфейс ко всем своим объектам, скрывая специфику реализации "низовых" объектов от унифицированного "верха". Однако такой подход не соответствует возможностям современных технологий разработки инструментального ПО, опирающихся на открытые стандарты и позволяющих создать среду разработки на открытой компонентной основе.

С учетом широкоприменяемых открытых стандартов взаимодействия приложений для "офисных" ОС, предлагается иная парадигма распределения сервисных функций - максимальный перенос второстепенных функций (не участвующих в исполнении приложения) в инструментальную среду, располагающую "дешёвым и неограниченным" ресурсом для рассматриваемых функций.

Такой подход предполагает разбиение инструментальной среды на компоненты, позволяющие обеспечить масштабирование и реконфигурацию под специфику реализации объектов целевой системы. Следование этой парадигме превращает инструментальную среду в конструктор и обеспечивает снижение требований к ресурсам целевой системы.

Предлагаемый подход обеспечивает новые возможности реализации технологии ШОШ-3. В качестве примера рассматривается организация загрузки приложений в гетерогенной сети на основе переноса платформозависимого ПО программатора из устройств в инструментальную среду.

Новый подход к построению инструментальной среды позволяет отказаться от виртуальной (интерпретирующей) машины. Жесткий временной детерминизм поведения системы и достаточная независимость функционирования отдельных её компонентов требуют резидентного размещения (и готовности) всех необходимых для работы ресурсов (в частности, кодов приложений) в компонентах системы. Следовательно, нет необходимости в поддержке автономной динамической программной реконфигурации системы, потребовавшей бы реализации виртуальной машины в узлах и передачи по сети платформоне-зависимого кода (как байт-код Java или TIC-код ISaGRAF). Учитывая замечания по выносу программатора в инструментальную среду и унификации внешнего представления на прикладном уровне, сделан вывод об избыточности унификации на уровне виртуальной машины.

Для обеспечения поддержки различных платформ предлагаются новые принципы решения следующих основных задач: 1) портирование ПО на новую платформу (однократная процедура подготовки среды разработки к поддержке новой платформы); 2) трансляция (платформонезависимого) описания алгоритма на уровне языков IEC1131-3 в исполняемый код целевой платформы (использование поддержки платформы при создании проектов); 3) обеспечение взаимодействия со специфическими для платформы или устройства ресурсами.

Для формирования загружаемого кода предлагается схема трансляции описательного формата проекта уровня IEC1131-3 и входящих алгоблоков в Си-код таблиц описания проекта с последующей кросс-трансляцией в объектный код заданной целевой платформы и связыванием с готовыми объектными модулями библиотек алгоблоков и системных компонентов в загружаемый код.

Для поддержки специфических ресурсов платформы предложены методы масштабирования функций на уровнях ввода-вывода, системном и прикладном. Алгоблоки являются средством масштабирования базовых функций. Базовые функции обеспечивают лишь минимальные средства, достаточные для функционирования системы минимальной конфигурации.

Разработаны механизмы организации взаимодействия со специфическими и стандартными ресурсами на основе разделения программных компонентов на уровни специализации.

В третьей главе рассматриваются вопросы, свзязанные с разработкой конструктора малоканальных систем, который является набором "деталей" (программных компонентов, технических решений) и инструментальных средств.

Первый раздел главы посвящен вопросам разработки механизмов поддержки микроконтроллерных платформ.

Реализованный механизм переносимости ПО на различные микроконтроллерные платформы основан на разделении программных компонентов на

3 уровня по степени связности с аппаратно-зависимыми ресурсами (спецресурсами) устройства.

1) Абстрактный уровень. ПО этого уровня не связано (не взаимодействует) непосредствнно со спецресурсами.

2) Уровень архитектуры платформы (отдельного процессора). ПО этого уровня связано с внутренними спецресурсами микроконтроллера.

3) Уровень профиля устройств (отдельного устройства). ПО этого уровня связано с подключенными к микроконтроллеру спецресурсами.

Для компонентов ПО абстрактного уровня разработан и реализован в пакете поддержки платформ механизм автоматического портирования на различные платформы.

Назначение входящего в состав разработанной САББ-системы СОЖеЫ пакета поддержки платформ — локализация (инкапсуляция) специфики реализации конкретной платформы. Пакет включает следующие основные компоненты: 1) средства, обеспечивающие единственность (независимость от платформы) Си-представления компонента ПО абстрактного уровня и унификацию метакоманды его кросс-трансляции (таке-процесс) в формат объектного модуля; 2) средства, обеспечивающие унификацию метакоманды связывания объектных модулей в загружаемый код (таке-процесс).

Локализация платформозависимых компонентов позволила формализовать процедуру настройки среды разработки на различные платформы. Эффективность автопортирования компонентов абстрактного уровня послужила стимулом к минимизации и выделению платформо- и профиле- зависимых компонентов ПО.

Унифицированный формат Си-представления принят в качестве выходного кода транслятора описаний функциональных блок-схем, являющегося основным компонентом САББ-системы СОЖеЫ.

Следующий раздел посвящен разработке компонентов САББ-системы СОШеЫ.

Основная функция системы разработки СОЖеЫ состоит в создании единого пользовательского интерфейса уровня виртуальной машины 1БС1131-3 для всех микроконтроллерных платформ.

Преобразование описания функциональной блок-схемы на языке БББ 1БС1131-3 в унифицированное Си-представление (трансляция которого обсуждалась выше) основано на механизме свёртки функциональной блок-схемы в алгоблок.

Описание алгоблока состоит из 2-х компонентов: описания интерфейса алгоблока (его входы, выходы, параметры, имя подпрограммы внутренней реализации) и описания внутренней реализации - подпрограммы на языке Си.

Описание линейной (неиерархической) функциональной блок-схемы (ме-габлока) на базе алгоблоков состоит и тех же частей. Отличающаяся внутрен-

няя реализация (описание структуры соединений алгоблоков) использует лишь элементы интерфейсного описания входящих алгоблоков.

Разработанный транслятор описаний выполняет преобразование реализации РББ в реализацию на Си, сворачивая мегаблок в обычный алгоблок. Синтезированная искусственно Си-реализация такого алгоблока несёт в себе простейший элемент исполнительной системы. Это - простая (менее 30 строк на языке Си) функция, реализующая таблично-управляемый автомат. Таблицы описывают последовательность запуска подпрограмм входящих алгоблоков и контекст (положение входов, выходов, параметров) каждого экземпляра алгоблока. Для построения такой таблицы достаточно лишь информации об интерфейсе входящих алгоблоков.

Использование (трансляция, включение в блок-схему) синтезированного инструментально алгоблока, не отличается от применения алгоблокг, созданного программистом на Си. В частности, при иерархическом проектировании можно использовать этот мегаблок как простой алгоблок и опять получить алгоблок. Этот шаг итерации повторяется до достижения верхнего уровня алгоритмической иерархии. Очевидно, произвольный иерархический проект можно таким образом свернуть в один алгоблок. Циклический вызов соответствующей ему подпрограммы эквивалентен циклическому исполнению всего многоуровневого проекта. Такая схема построения существенно упрощает ПО: можно сказать, что исполнительная система, как сложная программа обработки иерархической системы таблиц, которая потребовалась бы при иной организации выполнения алгоблоков, просто отсутствует.

Реализованная в СОКАеМ схема трансляции описательного формата проекта уровня 1ЕС1131-3 представляет собой 3-х шаговую процедуру, производимую начиная с нижних уровней иерархии проекта и состоящую в свёртке (на каждом уровне) мегаблока в алгоблок, генерации унифицированного Си представления, соответствующего описанию алгоблока, формировании объектного модуля и сборке загружаемого кода для микроконтроллера по описанной выше схеме.

В состав СОКйеМ входит библиотека технологического программирования. Разработанный набор функциональных блоков следует нормам 1ЕС1131-3 с существенным расширением возможностей для задач регулирования и логического управления и реализует типовые элементы аналоговой и цифровой схемотехники, функции цифровой обработки сигналов. Базовый набор блоков содержит следующие разделы: арифметические операции, числовые функции и преобразования; сравнение, детектирование, выбор сигналов; обработка логических (1-битных) сигналов; обработка битовой строки; преобразования типов данных и форматов; динамические алгоритмы (функции времени, фильтрация, регуляторы, динамические звенья, и т.д.); операции над массивами (в частности, кольцевыми буферами, например, вычисление скользящего среднего); мо-

дели типовых элементов объекта управления (накопитель, исполняющий механизм постоянной скорости и т.д.).

Библиотека, ориентированная на алгоритмы обработки сигналов и управления, является "открытой". Открытость обеспечивается свободным выбором внутренней реализации нового блока: это может быть Си-реализация алгоблока или функциональная схема FBD (свёртываемая в алгоблок). Отмечается эффективность параметрической реализации алгоблоков как методики экономии программной памяти.

В приложении к диссертации приведён состав библиотеки алгоблоков, относящихся к абстрактному уровню ПО.

Следующий раздел главы посвящен компонентам ПО элементарного контроллера.

Функционал элементарного контроллера на всех логических уровнях (на системном, на уровне ввода-вывода и прикладном) определяется составом используемых программных компонентов.

Рассматривается структура ПО ЭК, обеспечивающая восстановление функций ((пере-)загрузку) при ошибке, нарушении целостности и сбое приложения. В состав базовых компонентов, обеспечивающих контроль приложения, его запуск и средства восстановления, входят: идентификационная информация, используемая (в данном контексте) инструментальной средой для настройки программатора; функции метапротокола загрузки; супервизорный процесс для контроля за состоянием ПО; драйвер контроля целостности и запуска приложения; средства сетевого управления.

Для обеспечения восстановления функций предложен ориентированный на микроконтроллеры механизм перезагрузки приложения при исполнении ПО с ошибкой. Механизм основан на отмене передачи управления (от загрузчика) приложению с нарушением целостности приложения и на "сбросе" контроллера с возвратом в загрузчик при нарушении функционирования (при ошибке в ПО или сбое).

Вместо неэффективной во многих случаях традиционной схемы расстановки инструкций "сброса" сторожевого таймера "watch dog" по многочисленным веткам программы с установкой времени срабатывания в расчёте на самую длинную ветку (с запасом), реализован супервизорный механизм, обеспечивающий срабатывание "watch dog" (и аппаратный сброс) при нарушении работы специального сопроцесса самоконтроля (супервизора).

Единственная инструкция сброса "watch dog" размещается в программном супервизоре, вызываемом циклически по таймерному прерыванию. Пока функционирует этот фоновый сопроцесс, возможна реализация алгоритмов автономной локализации, обработки или исправления ошибок приложения, а значит допустимо функционирование системы. В частности в этом процессе легко реализовать контроль времени выполнения любой подпрограммы (на-

пример, алгоблока) или контроль за состоянием коммуникационного автомата. Время срабатывания "watch dog" устанавливается очень близким к периоду этого прерывания. Любое нарушение этого процесса "самоконтроля" приведёт к сбросу микроконтроллера.

В следующем разделе главы рассматриваются технические решения и характеристики устройств серии СМ9107 - конструктора малоканальных систем, а также методы компоновки малоканальных систем на его основе.

Контроллеры семейства СМ9107 оптимизированы для применения в распределённых информационных и управляющих системах цехового уровня. Семейство СМ9107 влключает следующие конструктивные серии:

— ПЛК СМ9107-ЕХ - сетевые контроллеры, оптимизированные для размещения на уровне "функциональный ЭЛЕМЕНТ", имеют микроблочное исполнение с монтажём на DIN-рейку;

— ПЛК СМ9107-ВМ - модульно-компонуемые контроллеры, оптимизированные для размещения на уровне "функциональный УЗЕЛ".

В качестве конструктора малоканальных систем рассматривается ПЛК СМ9107-ВМ. Модификация СМ9107-ВМ имеет компактный 8-местный миник-рейтовый конструктив (180x182x90 мм, 3 куб. дм), обеспечивающий разнообразные варианты модульно-компонуемого прямого сигнального сопряжения либо сетевого расширения на основе полевых шин (Modbus, CAN) с подключением блоков расширения (устройств серии СМ9107-ЕХ) и различных интеллектуальных устройств полевого уровня. Дискретность компоновки конфигураций сигнального сопряжения - до 16 каналов на 1 модуль, до 8 модулей на 1 крейт. Включение в сеть верхнего уровня на основе шин Modbus, Profibus.

Прямое сигнальное сопряжение СМ9107-ВМ позволяет совместить низкое соотношение "цена / канал" с эффективным сокращением сигнальных трасс при объёмах 20 — 50 каналов ввода-вывода смешанного типа и при установке контроллера "по месту" (обычно, в шкафу поста автоматики функционального УЗЛА).

Например, конструктив СМ9107-ВМ обеспечивает прямое подключение (по отдельности): до 128 дискретных входов "сухой контакт" (8 модулей * 16 каналов), до 64 дискретных выходов "сухой контакт" (8 модулей * 8 каналов), до 64 аналоговых входов низкого / среднего уровня (8 модулей * 8 каналов), до 64 аналоговых выходов среднего уровня, до 256 датчиков и устройств с цифровым интерфейсом microLAN и множества смешанных сочетаний.

При необходимости более радикального сокращения сигнальных кабельных трасс (например, в ситуациях значительного пространственного или территориального распределения сенсоров и актуаторов, при высоком уровне индустриальных помех, для обеспечения индивидуальной гальванической развязки в неблагоприятных условиях высокого межканального напряжения) воз-

можно сетевое расширение за счет подсетей блоков СМ9107-ЕХ, интегрируемых на основе полевой шины МОБВШ.

Состав сигнального сопряжения такой подсети определяется выбором блоков ЕХ, рассчитанных на 1 - 8 каналов сигнального сопряжения раличного типа. Базовый набор блоков ЕХ соответствует базовому набору модулей ВМ, что даёт возможность гибко варьировать конфигурацию системы в базисе функционально-однотипных элементов. Обеспечивается возможность подключения подсети до 32 блоков ЕХ к 1 модулю сетевого расширения, установленному в слот ВМ, либо к 1 блоку сетевого расширения в исполнении ЕХ. Максимальный объем подсетей одного ВМ - 8 сегментов по 32 узла = 256 устройств ЕХ.

Разнообразие конфигураций систем на базе компонентов СМ9107 достигается суперпозицией разработанных модулей, относящихся к двум функциональным группам: модули сигнального сопряжения (контроллеры с сигнальным вводом-выводом), обеспечивающие непосредственное (сигнальное) соединение с ("неинтеллектуальными") датчиками и исполнительными механизмами (или устройствами силовой электрики); модули сетевого расширения (контроллеры с сетевым расширением), предназначенные для соединения с другими контроллерами сети и интеллектуальными датчиками или актуаторами. Представлена номенклатура разработанных модулей ВМ и блоков ЕХ.

Рассмотрены архитектурные и схемотехнические решения, положенные в основу СМ9107-ВМ и СМ9107-ЕХ. Отмечается удобство выбора синхронного последовательного порта 8Р1 в качестве внутренней магистрали малоканальной системы, локализованной в едином конструктиве.

Независимо от различий в конструкции контроллеров и независимо от применяемых процессорных платформ, семейство СМ9107 объединено едиными принципами, рассмотренными в главе 2. Необходимо отметить, что отдельные модули и ЦП СМ9107-ВМ, а также блоки СМ9107-ЕХ являются устройствами класса ПЛК, ориентированными на технологическое программирование и реализованными на 8- и 16- разрядных микроконтроллерах без расширения их резидентных системных ресурсов.

Реализация разработанных в диссертации принципов обеспечивает возможность применения СМ9107 для построения надёжных современных информационных и управляющих систем реального времени силами локального персонала конструкторских подразделений и служб КИПиА промышленных предприятий, а также в качестве конструктора для апробации решений в области встраиваемой спецавтоматики для малосерийной продукции опытных заводов.

Четвёртая глава посвящена методике проектирования, экспериментальной отработке и промышленной апробации разработанных инструментальных средств СОЖеЫ и технических решений СМ9107 (конструктора) на примерах малоканальных задач встраиваемой автоматики и интеллектуальных УСО.

Первый раздел главы посвящен методике применения СА8Е-системы СОШеЫ.

СА8Е-система СО№!еЫ представляет собой открытый набор базовых инструментальных компонентов, позволяющих во взаимодействии между собой и с другим ПО (8САБА, СУБД...) создавать адекватную решаемой задаче конфигурацию инструментальной среды. Такой подход ориентирован на минимизацию затрат на разработку и сопровождение собственно СА8Е-системы и обеспечивает ее масштабируемость.

Основным отличием СОЖеИ от существующих СА8Е-систем уровня 1ЕС1131-3 является ориентация на ресурсы широкой номенклатуры 8- и 16-разрядных микроконтроллеров и ориентация на квалификацию и опыт специалистов конструкторских подразделений и служб КИПиА. Набор инструментов пакета адекватен технологии сквозного проектирования и комплексного об-служиваниия систем / устройств автоматики и не требует узкой специализации в каком-либо вопросе разработки, что позволяет избежать распределения ответственности за систему в целом. Ключевыми компонентами пакета являются:

— средства автоматического конфигурирования ПО контроллеров по описанию структуры их сигнального сопряжения с объектом и структуры их сетевого включения в распределенную систему;

— средства редактирования и конфигурирования технологического алгоритма (функции управления);

— средства загрузки и отладки алгоритма "в системе";

— командные и предметные ОРС-сервера для взаимодействия контроллерной сети с программными компонентами 8САБА-уровня, компонентами отладочного, диагностического и сервисного ПО инструментальной среды.

Предлагаются следующие методики разработки малоканальных систем.

1) Методика конфигурирования СОШеЫ для поддержки нового типа микроконтроллера. Работа сводится к описанию метафункций таке-процессов кросс-трансляции в объектные модули и их связывания в загружаемый код, к определению нескольких платформозависимых макроопределений и созданию (по шаблону) короткой Си-подпограммы эмулятора стандартного внешнего представления данных. Указанные настройки обеспечивают автоматическое портирование общих библиотек алгоблоков и функциональных блок-схем функции управления в заданную платформу.

2) Методика поддержки сетевого взаимодействия, сигнального сопряжения и резидентных спецресурсов микроконтроллера. Включает технику настройки зависимых от специфики подключения микроконтроллера компонентов ПО, технику использования высокоскоростного сопроцесса для выборки (сэмплирования) с быстрым жёстким тактом сигналов ввода-вывода, технику клиент-серверной организации ввода-вывода на уровне библиотеки алгобло-

ков ввода-вывода. Приведены шаблоны алгоблоков и пример функциональной блок-схемы ввода-вывода.

3) Методика расширения общей библиотеки алгоблоков и создания функциональных блок-схем пользовательского приложения. Приведён шаблон реализации алгоблока на языке Си. Представлен пример реализации алгоблока на языке FBD. Описана методика включения в библиотеку. Описана технология применения средств "быстрой" диалоговой разработки CONfield для построения функций управления на языках FBD спецификации МЭК 1131-3 и на языке Си.

4) Методика создания распределённого проекта. Описана методика восходящего проектирования, позволяющая связать функциональные блоки устройств распределённой системы в единую функциональную схему. Описана методика нисходящего проектирования, позволяющая расчленить общий логический алгоритм на функциональные блоки отдельных устройств в соответствии с конфигурацией сети.

5) Конфигурирование системных функционалов. Описана структура базового (независимого от приложения) ПО и средства его конфигурирования в условиях конкретизации требований к занимаемым ресурсам и объёму поддерживаемого сервиса.

6) Методика отладки проекта. Представлена техника отладки проектов с использованием программы Excel. Описаны возможности реализации сложных алгоритмов отладки на базе скриптов VBA Excel.

Следующий раздел главы посвящен методике применения решений и компонентов ПЛК СМ9107 при построении малоканальных систем.

Представлены возможности применения базовых решений семейств ПЛК СМ9107 (конструктора) в различных вариантах исполнения малоканальных систем, включая встраиваемые в оборудование одноплатные контроллеры, распределённые системы, моноблоки, миникрейты. Рассмотрена зависимость варианта исполнения от специфики задачи.

В заключении главы расмотрены примеры применения предложенных методик, инструментальных средств и типовых технических решений при модернизации продукции опытных заводов. Описана разработка вторичного блока турбинного преобразователя расхода жидкости и газа. Предложены решения по созданию интеллектуального датчика расхода. Описано применение компонентов СМ9107 в составе АСУТП линии дымососов обжиговой машины.

В заключении приводятся основные результаты диссертационной рабты.

В приложениях приведены программа обучения специалистов АСУТП вопросам применения инструментальных средств CONfield и технических средств СМ9107 в системах автоматики, базовый набор библиотеки алгоблоков,

документы сертификации, протоколы и акты испытаний СМ9107, акты внедрения, информация о конструктивном исполнении устройств семейства СМ9107.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате проведённых исследований и разработок, направленных на совершенствование автоматики цехового уровня, получены следующие основные результаты:

1. Создан научно-обоснованный методологический базис проектирования малоканальных средств автоматизации, удовлетворяющих требованиям высокой готовности и низкой стоимости.

2. Разработаны принципы построения малоканальных систем автоматизации, включая технические средства, внутреннее программное обеспечение и инструментальные средства.

3. Созданы инструментальные средства, методики и базовые технические решения (конструктор), удовлетворяющие требованиям индустриального применения при разработке малоканальных средств автоматизации на базе широкой номенклатуры 8- и 16- разрядных микроконтроллеров и ориентированные на квалификацию и опыт конструкторских подразделений и служб КИГГиА промышленных предприятий.

4. На основе созданного методологического базиса проектирования разработаны малоканальные ПЛК серии СМ9107 для задач цехового уровня, выпускаемые серийно.

5. Проведена апробация представленной технологии разработки малоканальных средств автоматики в конструкторских подразделениях и службах КИ-ПиА при модернизации выпускаемого технологического оборудования и в составе подсистем АСУТП.

6. Апробация разработанных методик, инструментальных средств СОКАеЫ и технических решениий СМ9107 (как самостоятельных устройств и как базовых решений) в подсистемах АСУТП показала и подтвердила:

• высокую экономическую привлекательность разработанной серии малоканальных контроллеров СМ9107, обеспечивающих возможность реализации современных технологий построения АСУТП на экономичной малоканальной аппаратуре полевого уровня;

• эффективность применения СМ9107 для построения надежных масштабируемых контуров (подсистем) управления полевого уровня при высокой степени функциональной или территориальной распределенности объекта, а также в специальных устройствах малоканальной автоматики;

• эффективность методик и инструменальных средств, учитывающих отечественную специфику разработки и эксплуатации систем автоматики (отсутст-

вие узкой, специализации, дефицит квалифицированных специалистов, большая доля старого несистемного оборудования в системе).

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Скобло В.З., Рейзман Я.А., Вердиев Т.М. Способ передачи и приёма забойной информации. Патент РФ № 2143176 от 29.12.1998 г.

2. Пример построения эффективной библиотеки FBD для программирования PLC в стандарте IEC 1131-3 / Егоров Г.А., Красовский В.Е., Рейзман Я.А. М.: Ин-т электрон, управл. машин. 2002. -Деп. в ВИНИТИ 30.10.02, № 1870-В2002.

3. Рейзман Я.А. PLC семейства МИК СМ9107 - конструктор для построения надежных информационных и управляющих систем / Современные информационные технологии в управлении и образовании - новые возможности и перспективы использования в рамках реализации программы"Электронная Россия". Сб. науч. тр. М.: ФГУП НИИ "ВОСХОД", МИРЭА 2002.

4. Рейзман Я.А. Разд. 5.3.4. Учебный пример построения АСУТП "Обжиговая машина" / Управляющие вычислительные комплексы: Учеб. пособие. Под ред. Н.Л. Прохорова. -М.:Финансы и статистика, 2003.

5. Островский МА, Красовский В.Е., Рейзман Я.А. Промышленные контроллеры. Система программирования промышленных контроллеров. Методические указания по выполнению лабораторной работы для студентов специальности 220100. М.: МИРЭА. 2003.

6. Островский МА, Рейзман Я.А., Красовский В.Е. Архитектура и программное обеспечение распределенных систем автоматики на базе компонентов ПЛК СМ9107-ВМ //Датчики и Системы. 2003. № 3.

7. Рейзман Я.А. Опыт построения библиотеки FBD IEC1131-3 для систем автоматики на базе PLC / Научная сессия МИФИ-2003. Сб. науч.тр. Т. 12. Информатика и процессы управления. Компьютерные системы и технологии. М.: МИФИ, 2003.

113 568

Тираж 100 экз. Отпечатано с готовых макетов В ООО «Сенат-Пресс» Комсомольский проспект, 13 Тел. 246-0014, 246-6451

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Малоканальные интеллектуальные УСО и встроенная автоматика — резерв дальнейшего прогресса в технологии автоматизации. (Перспективы и проблемы современных решений).

1.1. Парадигмы современных технологий.

1.1.1 Распространение COTS-решений.

1.1.2 Распространение принципов "высокой готовности".

1.1. Этапы развития и типовые задачи систем цеховой автоматики

1.2.1 Первые распределённые системы и основные задачи.

1.2.2 Централизация вычислительной среды растущих систем.

1.2.3 Возвращение к полевой архитектуре со сквозной интеллектуализацией цеховой площадки.

1.2. Малоканальные контроллеры в структуре перспективных АСУТП.

1.3.1 Ограничения возможностей сквозной интеллектуализации

1.3.2 Малоканальные интеллектуальные УСО и встроенная автоматика — ядро field-центрической аритектуры.

1.4. Основные элементы современной индустриальной технологии создания АСУТП.

1.4.1 COTS-решения на базе SoftLogic и SoftPLC.

Адекватность целевым параметрам

1.4.2 Открытые технологии программирования.

Языки программирования IEC 1131-3 (виртуальная машина прикладного уровня). Встраиваемая виртуальная машина ISaGRAF. Концепция Java. Сравнение виртуальных машин ISaGRAF и Java (общие достоинства и различия). Адекватность целевым параметрам

1.4.3 Открытые технологии промышленных шин fleldbus.

Ориентация на открытые стандарты полевых шин. Специфика fieldbus-систем и отличия от универсальной модели OSI/ISO. Особенности физического и канального уровней Profibus, FF, CAN, Modbus (Plus), HART, INTERBUS, Ethernet. Канальный и прикладной уровни: типовые задачи и общие стратегии их решения. Адекватность целевым параметрам.

1.4.4 Малоканальные контроллеры основных производителей.

Специфика встраиваемого решения. Компоненты для встраиваемых решений ведущих фирм на базе шин РС/104, PC/104-Plus: компоновочные параметры, ресурсы, элементы повышения уровня готовности. Малоканальные ПЛК и УСО ведущих отечественных и зарубежных фирм. Адекватность целевым параметрам.

1.4.5 Продукция отечественных опытных заводов.

Необходимость модернизации продукции и технологий разработки. Целесообразность, востребованность и перспективность отечественной разработки. 1.5. Постановка задачи диссертационной работы.

Общие требования к целевым устройствам и методологии их разработки. Цель работы. Основные задачи работы.

ГЛАВА II. Принципы построения малоканальных контроллеров для систем цеховой автоматики (пути достижения уровня COTS-решений в разработках систем на базе микроконтроллеров).

2.1. Унификация задачи и структуры малоканального контроллера.

Базовая ячейка системы и элементарный контроллер).

2.1.1. Архитектура системы автоматики, адекватная требованиям высокой готовности и новая парадигма проектирования.

Выделение независимых процессов в задаче автоматизации. Варианты исполнения распределённой системы. Определение базовой ячейки распределённой системы и элементарного контроллера. Парадигма проектирования базовой ячейки распределённой системы.

2.1.2. Принципы унификации задачи элементарного контроллера.

Отказ от событийного механизма в пользу жёсткого расписания. Отказ от

ОС в пользу простого циклического автомата. Унификация задачи циклического автомата. Унификация структуры прикладного ПО (сведение приложения к таблицам и простым "стандартным" подпрограммам).

2.1.3. Эффективность предложенных принципов.

Обеспечение устойчивости функционирования. Простота переноса на новые платформы.

2.2. Модель элементарного контроллера и принципы построения малоканальных систем на его основе.

2.2.1. Базовые архитектурные решения.

Отказ от параллельных шин в межблочных и внутриблочных интерфейсах в пользу последовательных интерфейсов.

2.2.2. Функциональная модель элементарного контроллера и структура малоканальных систем на его основе.

Контроллер с сигнальным сопряжением. Контроллер с сетевым расширением. Элементарное сетевое соединение.

2.2.3. Принципы совместимости элементарных контроллеров в системе . 124 Единая спецификация сообщений внешнего управления прикладного уровня (FMS). Унификация внешнего представления данных различных платформ (эмуляция 8-разрядной памяти с "little-endian" архитектурой).

2.2.4. Средства обеспечения высокого уровня готовности (восстановление функций при сбоях, ошибках, нарушении целостности ПО).

Перезагрузка ПО "в системе". Механизм перезагрузки при исполнении ПО с ошибкой. Механизм "сброса" контроллера с ошибкой или после сбоя. 2.2.5. Общая структура ПО элементарного контроллера.

Выделение областей загрузчика и пользовательского приложения. Компоненты ПО области загрузчика. Компоненты ПО области приложения. Область идентификационной информации.

2.3. Базовые элементы COTS-решений в разработке малоканальных устройств.

2.3.1 Пути преодоления ограничений ресурсов целевой системы (новая парадигма перемещения сервиса в инструментальную среду).

Парадигма перемещения сервиса в инструментальную среду. Новые возможности реализации технологии IEC1131-3 (Перенос загрузчика ПО в инструментальную среду. Отказ от интерпретирующей машины.)

2.3.2 Новые принципы поддержки платформ.

Простое портирование ПО на новую платформу. Схема формирования исполняемого кода. Взаимодействие с ресурсами ввода-вывода.

2.3.3 Принцип построения исполнительной системы.

Автоматическая свёртка проекта в алгоблок

2.3.4 Принципы формирования библиотеки алгоблоков.

Расширение FBD с ориентацией на типовые задачи цеховой автоматики и опыт служб КИПиА. Параметрическая библиотека.

2.3.5 Стратегии построения инструментальной среды.

Конструктор на основе открытого набора компонентнов. Орентация на технологию сквозного проектирования

2.3.6 Вопросы оптимальной организации разработки.

Конструктор малоканальных систем.

Работа посвящена комплексу вопросов, представляющих новую технологию разработки малоканальной и специализированной автоматики, обеспечивающую платформонезависимое и некритичное к объему аппаратных ресурсов решение, соответстующее принципам открытых систем.

Идеи открытых систем в корне изменили технологию разработки систем автоматики, позволив быстро создавать эффективные решения практически для любых прикладных областей за счет системной интеграции разнообразного оборудования и ПО различных производителей. Соответствующие решения, предлагаемые ведущими мировыми и отечественными прозводителями, достаточно широко распространены на российском рынке, а вместе с тем и технология системной интеграции становится все более популярной среди отечественных разработчиков прикладных систем автоматики - системных интеграторов и подразделений АСУ и КИПиА предприятий, разрабатывающих и эксплуатирующих АСУТП, соответственно растёт интерес к открытым технологиям и специалистов КБ заводов, ориентированных на выпуск современного "интеллектуального" технологического оборудования.

Вместе с тем, возрастающие требования к надежности систем автоматики с ориентацией на предупреждение отказов за счёт предоставления системой персоналу удобного всеобъемлющего и бесперебойного информационного сервиса, необходимость сокращения сроков разработки и развёртывания и обеспечения гибкости масштабирования в расчёте на длительную эксплуатацию, и, вместе с тем, жёсткие ограничения на капитальные затраты и необходимость снижения интегральной стоимости владения системой определяют тенденцию сквозной "интеллектуализации" цеховой площадки.

Суть этой тенденции состоит в приближении дешевеющей микропроцессорной элементной базы к низовым функциональным элементам структуры технологического объекта (уровню датчика и исполнительного механизма - т.н. полевому уровню) с целью максимального сокращения ненадёжных и дорогих элементов (медных сигнальных проводов и клеммников), расширению области видимости картины процесса и децентрализации функций управления за счёт построения территориально- и функционально- распределенных систем автоматики, представляющих собой цифровые сети интеллектуальных устройств (УСО и встраиваемых в оборудование контроллеров).

Указанная тенденция сквозной интеллектуализации характерна не только для цеховой автоматизации. Согласно аналитическим прогнозам в ближайшие годы рынок интеллектуальных устройств на 1-2 порядка превысит рынок персональных компьютеров. Это можно воспринимать как признак перехода из эры персональных компьютеров в эру интеллектуальных устройств и сетей на их основе, проникающих во многие сферы жизни общества.

Однако, современный этап развития методологии и технологии разработки систем автоматики характеризуется рядом нерешённых проблем, препятстующих указанной тенденции и сдерживающих широкое внедрение АСУТП на российских предприятиях.

Дело в том, что существующая индустриальная технология проектирования систем автоматики, созданная в период всепроникающей РС-платформной автоматизации и централизованных архитектур АСУТП на базе мощных ПЛК, (в основном на базе 32-х разрядных процессоров, большей частью - клонов Intel х86), позволившая поставить производство АСУТП на поток, уже не является полностью адекватной требованиям перспективных распределённых систем.

Проблема заключается в ориентации этой технологии на значительные ресурсы (памяти и вычислительной мощности) используемых в ПЛК процессоров, что определяет применение таких ПЛК (по конструктивным, компоновочным, стоимостным и др. факторам), в основном, в качестве ядра централизованных архитектур, или, в лучшем случае, ядра систем на основе распределённого УСО, но не в качестве собственно низовых компонентов функционально-распределённой системы.

В то же время, ресурсы даже многих 8-разрядных микроконтроллеров являются вполне достаточными для большинства задач малоканальных целевых контроллеров в составе подсистем цеховой автоматики полевого уровня. Не случайно объём выпуска 8-разрядных микроконтроллеров на 2 порядка (!) превышает общий объём выпуска 16- и 32- разрядных моделей. Широкая номенклатура и низкая цена микроконтроллеров обеспечивает возможность выбора наиболее эффективной конфигурации, позволяя добиться существенного сокращения количества элементов, снижения потребления, уменьшения габаритов и увеличения надежности устройства в любом конкретном случае при весьма низкой стоимости.

С другой стороны, высокий технический уровень российских инженеров и всегда существовавшая индустрия производства спецавтоматики в России представляют ту необходимую базу, которая дает основание рассчитывать на расширение выпуска современного интеллектуального технологического оборудования отечественного производства. Разработка и использование программно-технических средств в целях электронизации России является одним их основных направлений принятой на 2002 - 2010 гг. федеральной программы "Электронная Россия", предусматривающей, в частности, активизацию отечественного электронного приборостроения.

Однако оправданность и успех отечественной разработки оригинального электронного оборудования (спецавтоматики), а также его конкурентоспособность в настоящее время определяются возможностью разработчика сконцентрироваться на решении задачи в области своей квалификации за счёт применения технологий и инструментальных средств, упрощающих разработку и сокращающих сроки создания готового к применению устройства, позволяя достичь максимального результата при минимальных усилиях и средствах, затраченных на разработку.

В этой связи несомненный научный и практический интерес представляет исследование и разработка принципов построения малоканальных целевых контроллеров для задач цеховой автоматизации на базе широкой номенклатуры 8- и 16-разрядных микроконтроллеров с ориентацией на достижение качественно нового уровня модульного иерархического проектирования (спец-)автоматики (включая ПО и технические средства), адекватного требованиям индустриального применения.

Целью диссертационной работы является создание научно-обоснованного методического базиса и инструментальной среды, удовлетворяющих требованиям индустриального применения при разработке малоканальных средств автоматизации высокой готовности и низкой стоимости на базе широкой номенклатуры 8- и 16-разрядных микроконтроллеров.

Для достижения указанной цели в работе поставлены и решаются следующие основные задачи:

1) определение и исследование всех значимых факторов и требований к разрабатываемой методической базе проектирования малоканальных систем;

2) разработка принципов построения малоканальных систем, включая: проектирование структуры технических средств, проектирование внутреннего ПО, проектирование инструментальной среды;

3) разработка опытных образцов инструментальных средств, прикладных библиотек, технических средств конструктора малоканальных систем;

4) создание методики разработки, экспериментальная отработка и промышленная апробация на примерах задач встраиваемой автоматики и интеллектуальных УСО.

В основе выполненных исследований и полученных результатов лежит использование методов объектно-ориентированного анализа, элементов теории моделирования, алгоритмов и алгоритмических языков, теории вычислительных процессов, аналитических методов расчёта электрических цепей. Экспериментальная часть выполнялась с использованием разработанного конструктора специализированных ПЛК.

В результате проведённых исследований и разработок решён комплекс взаимосвязанных вопросов, касающихся методологии проектирования малоканальных и специализированных систем автоматизации. Следует выделить следующие основные результы, характеризующиеся научной новизной:

- определены направления совершенствования средств автоматизации и инструментальных методов разработки для систем автоматизации цехового уровня;

- создан научно-обоснованный методологический базис проектирования малоканальных средств автоматизации, удовлетворяющих требованиям высокой готовности и низкой стоимости;

- разработаны принципы построения основных элементов аппаратного и программного обеспечения малоканальных систем, а также принципы построения инструментальной среды;

- созданы инструментальные средства, методики и базовые технические решения (конструктор), удовлетворяющие требованиям индустриального применения при разработке малоканальных средств автоматизации на базе широкой номенклатуры 8- и 16- разрядных микроконтроллеров и ориентированные на квалификацию и опыт конструкторских подразделений и служб КИПиА промышленных предприятий.

Проведена апробация представленной технологии разработки малоканальных средств автоматики в конструкторских подразделениях и службах КИПиА при модернизации выпускаемого технологического оборудования и при создании подсистем АСУТП.

Практическая значимость работы подтверждена результатами внедрений и заключается в следующем:

- разработана и выпускается серийно линейка малоканальных ГОПС семейства СМ9107 для задач цехового уровня;

- применение разработанных методик, инструментальных средств CONfield и технических решениий СМ9107 (как самостоятельных устройств и как базовых решений спецавтоматики) показало и подтвердило:

• эффективность и высокую экономическую привлекательность распространения современных индустриальных технологий построения АСУТП на экономичную малоканальную аппаратуру полевого уровня;

• эффективность применения малоканальных контроллеров СМ9107 для построения надежных масштабируемых контуров (подсистем) управления полевого уровня при высокой степени функциональной или территориальной распределенности объекта, а также в специальных устройствах малоканальной автоматики;

• эффективность методик и инструменальных средств, учитывающих отечественную специфику разработки и эксплуатации систем автоматики (отсутствие узкой специализации, дефицит квалифицированных специалистов, большая доля старого несистемного оборудования в системе).

Практическая реализация результатов работы подтверждается прилагаемыми к диссертации документами.

Представленные методы построения малоканальной специализированной аппаратуры способствуют:

• снижению затрат на разработку малоканальных систем полевого уровня и встраиваемой в технологическое оборудование спецавтоматики;

• расширению спектра серийно выпускаемых промышленных контроллеров и малосерийной спецавтоматики за счет создания линеек недорогих устройств на базе 8- и 16- разрядных микроконтроллеров;

• использованию опыта индустриальной разработки АСУТП на уровне малоканальных систем и устройств спецавтоматики, что в итоге позволит сделать разработку и внедрение малосерийной спецавтоматики и надёжных распределённых систем автоматики доступными и привлекательными для множества опытных заводов и предприятий в различных секторах экономики.

Работа выполнена в Институте электронных управляющих машин (ИНЭУМ) в рамках научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ по теме "Разработка семейства многофункциональных контроллеров и УВК промышленного исполнения" в соответсвии с Федеральной целевой программой "Национальная технологическая база" на 2002-2005 гг., раздел "Технология вычислительных систем".

Разработанный при непосредственном участии автора комплекс технических средств ПЛК СМ9107 прошёл промышленную апробацию, разрешён для применения в системах промышленной автоматики и зарегистрирован в реестре средств измерений.

Технические средства СМ9107 сертифицированы и зарегистрированы Госстандартом России, что подтверждено следующими документами:

- технические условия. ТУ 4042-001-11494554-99, регистрация ТУ: ВНИИстандарт Госстандарта России, № 200 / 024693;

- сертификат соответствия НД . RU.ME37.B00045;

- сертификат типа средства измерения . RU.C.34.004.A No 12137, регистрация: Государственный реестр средств измерения, № 22748-02.

Контроллеры семейства СМ9107 выпускаются серийно с 1999 г., изготовитель ОАО "ИНЭУМ".

Разработанные под руководством и при непосредственном участии автора програмно-технические решения контроллеров семейства СМ9107 и инструментальные средства прошли испытания:

- во встроенных системах спецавтоматики продукции Лениногорского и Бу-гульминского опытных заводов "Нефтеавтоматика",

- в подсистемах АСУТП цехов агло-доменного, известково-доломитового производства Магнитогорского металлургического комбината (г. Магнитогорск),

- в подсистемах АСУТП фабрики окомкования Михайловского ГОК (г. Железногорск),

- в составе систем регистрации и оповещения на электропоездах МПС,

- в системе автоматики аварийного электроснабжения пускового комплекса космодрома "Байконур" и ряде других проектов.

Материалы работы с 2002 г. используются в учебном процессе и включены в учебное пособие для ВУЗов [40], выпущенное в центральном издательстве. Разработана программа обучения и организованы курсы для обучения специалистов методике использования контроллеров СМ9107. В МИРЭА изданы разработанные автором методические указания по выполнению лабораторных работ на кафедре "Управляющие ЭВМ" по теме "Промышленные контроллеры" для студентов специальности 220100.

Выносимые на защиту основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались:

- на третьей научно-практической конференции "Современные информационные технологии в управлении и образовании - новые возможности и перспективы использования в рамках реализации программы "Электронная Россия", ФГУП НИИ "Восход", Москва, ноябрь 2002 г;

- на научной сессии МИФИ на секции "Информатика и процессы управления. Компьютерные системы и технологии", январь 2003 г;

- на 52-й научно-технической конференции МИРЭА, Москва, май 2003 г;

- на научных семинарах и технических совещаниях Института электронных управляющих машин в период 1999-2004 гг.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ [62 - 66, 68], из них 3 - в центральных изданиях, получено 1 авторское свидетельство [67]. В работах, опубликованных в соавторстве, личное учатие автора заключается в определении целей и задач работы, в выполнении обзоров, научно-технических исследований и анализе их результатов, в разработке принципов и создании методик, разработке структуры и основных элементов ПО.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложений. Основное содержание изложено на 216 страницах, 32 рисунках и 11 таблицах. Список литературы включает 68 наименований.

Основные выводы по главе IV

Разработана и апробирована методика применения инструментальных средств CONField и технических средств СМ9107 для решения типовых задач промышленной автоматизации цехового уровня. Методика используется в процессе обучения специалистов АСУТП, а также студентов кафедры "Управляющие ЭВМ" Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета) в курсе "Помышленные контроллеры", аппаратным и программным средствам контроллеров СМ9107 и их применению в современных системах управления.

Разработан с использованием контроллеров СМ9107 ряд подсистем АСУТП, промышленная эксплуатация которых показала и подтвердила:

• высокую экономическую привлекательность разработанной серии малоканальных контроллеров СМ9107, обеспечивающих возможность реализации современных технологий построения АСУТП на экономичной малоканальной аппаратуре полевого уровня; • эффективность применения СМ9107 для построения надежных масштабируемых контуров (подсистем) управления полевого уровня при высокой степени функциональной или территориальной распределенности объекта, а также в специальных устройствах малоканальной автоматики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований и разработок, направленных на совершенствование автоматики цехового уровня, получены следующие основные результаты:

1. Создан научно-обоснованный методологический базис проектирования малоканальных средств автоматизации, удовлетворяющих требованиям высокой готовности и низкой стоимости.

2. Разработаны принципы построения малоканальных систем автоматизации, включая технические средства, внутреннее программное обеспечение и инструментальные средства.

3. Созданы инструментальные средства, методики и базовые технические решения (конструктор), удовлетворяющие требованиям индустриального применения при разработке малоканальных средств автоматизации на базе широкой номенклатуры 8- и 16- разрядных микроконтроллеров и ориентированные на квалификацию и опыт конструкторских подразделений и служб КИПиА промышленных предприятий.

4. На основе созданного методологического базиса проектирования разработаны малоканальные ПЛК серии СМ9107 для задач цехового уровня, выпускаемые серийно.

5. Проведена апробация представленной технологии разработки малоканальных средств автоматики в конструкторских подразделениях и службах КИПиА при модернизации выпускаемого технологического оборудования и в составе подсистем АСУТП.

6. Апробация разработанных методик, инструментальных средств CONfield и технических решениий СМ9107 (как самостоятельных устройств и как базовых решений) в подсистемах АСУТП показала и подтвердила:

• высокую экономическую привлекательность разработанной серии малоканальных контроллеров СМ9107, обеспечивающих возможность реализации современных технологий построения АСУТП на экономичной малоканальной аппаратуре полевого уровня;

• эффективность применения СМ9107 для построения надежных масштабируемых контуров (подсистем) управления полевого уровня при высокой степени функциональной или территориальной распределенности объекта, а также в специальных устройствах малоканальной автоматики;

• эффективность методик и инструменальных средств, учитывающих отечественную специфику разработки и эксплуатации систем автоматики (отсутствие узкой специализации, дефицит квалифицированных специалистов, большая доля старого несистемного оборудования в системе).

1. В.Э.Дрейзин, И.Н.Шишков. Проблемы создания АСУТП на базе современных программно-технических комплексов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2002. № 12.

2. Бажанов В.Л. Автоматика на производственном предприятии // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. № 7.

3. Ицкович Э.Л. Особенности микропроцессорных программно-технических комплексов и их выбор для конкретных объектов // Приборы и системы управления. 1997. №8.

4. Чадеев В.М. Стратегия автоматизации // Автоматизация в промышленности. 2003. №№ 1-3.

5. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский диалект. 2001.

6. Говоров А.А / Микропроцессорные контроллеры в автоматических системах регулирования. М.:Энергоатомиздат, 1999.

7. Шевчук В.А. Причины выбора PC-несовместимой платформы при построении АСУТП // Автоматизация в промышленности. 2003. № 4.

8. Управляющие вычислительные комплексы: Учеб. пособие / Под ред. Н.Л. Прохорова. -М.:Финансы и статистика, 2003.

9. Татаренко Ю.И. Индустриальное проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами / Специальность 05.13.05. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. 1995.

10. Сташин В.В, Урусов А.В., Мологонцева О.Ф. / Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. М.:Энергоатомиздат,1990.

11. Сальников С.Н. / Программирование микроконтроллеров в системах автоматического управления М.:Энергоатомиздат,1999.

12. Десять главных тенденций в области управления технологическими процессами (дайджест) // Приборы и системы упраления. 1999. № 5.

13. Перспективы развития рынка систем автоматизации технологических процессов (дайджест) // Датчики и Системы. 1999. №3

14. Анзимиров Л.Г. Тенденции мирового рынка промышленной автоматики // Автоматизация в промышленности. 2003. № 4.

15. Потапова Т.Б. "Аксиомы" интеграции АСУТП // Автоматизация в промышленности. 2003. № 9.

16. Деревяго Е.В. Инструментальные средства создания копыотеризированных систем высокой готовности.// Промышленные АСУ и контроллеры. 2001. № 12.

17. О.В. Сердюков. В.И.Кузнецов, С.А.Кулагин и др. Системы управления с высоким коэффициентом готовности на основе MIF-контроллеров // Промышленные АСУ и контроллеры. 2002. № 9.

18. О.В. Сердюков. А.Н.Тимошин, С.А.Кулагин и др. Идеи открытых систем в разработках промышленных контроллеров // Промышленные АСУ и контроллеры. 2002. № 11.

19. Румянцев Е.Н. Единая концепция создания АСУТП на базе контроллеров от разных производителей // Промышленные АСУ и контроллеры. 2002.12.

20. Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Выпуск 13, 14. "Средства централизованного контроля и регулирования. Регулирующий микропроцессорный контроллер Ремиконт Р-100" / Выпуск 13, 14. Москва 1985.

21. Дж. Уикзер. Соединяемость: интеллектуальные датчики или интеллектуальные интерфейсы //Датчики и Системы. 2002. №10.

22. Аристова Н.И., Корнева А.И. Промышленные программно-аппаратные средства на отечественном рынке АСУТП. М/.ООО Изд."Научтехлитиздат",2001.

23. Перцовский М.И. Системы промышленной и лабораторной автоматизации // Промышленные АСУ и контроллеры. 2001. № 1.

24. Егоров Е.В., Малиновский Д.И. PC против PLC или вперёд к победе оппортунизма // Автоматизация в промышленности. 2003. № 4.25,2627,28,29,30,31,32,33,34,35.