автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Комплекс аппаратно-программных средств для реализации распределенных систем управления малой и средней сложности

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЩАЯ СТРУКТУРА, ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ.

1.1 .Общая структура распределенных систем управления.

1.2. микгоконтроллеры как базовые элементы современных систем управления.

1.3. программное обеспечение современных систем управления.

1.4. выводы и постановка задачи.

ГЛАВА 2. КОНТРОЛЛЕРНЫЕ МОДУЛИ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВАМИ И БЛОКАМИ.

2.1. Варианты реализации контроллерных модулей на базе 8-разрядных микроконтроллеров.

2.2. Критерии выбора функционального состава универсального модуля для реализации локальных контроллеров.

2.3. Универсальный контроллерный модуль ЬФАМ08-ОР.

2.4. Методы и средства разработки и отладки программного обеспечения для локальных контроллеров на базе модуля 1ШАМР08-СР.

2.5. Варианты применения модуля 1ФАМ08-СР в системах управления.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. ПРОЦЕССОРНО-КОММУНИКАЦИОННЫЕ МОДУЛИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ УРОВНЯ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТОМ.

3.1. Структура и функции высокопроизводительных процессорных модулей

3.2. Методика оценки эффективности применения коммуникационного контроллера при организации потоков данных в распределенных системах управления.

3.3. Универсальный процессорно-коммуникационный модуль ЕЮ6(ШК-М.

3.4. Методы и средства отладки систем, реализованных на базе модуля ЕГО6(ЮК-М.

3.5. Возможности применения модуля ЕЮ6(ЮК-М в системах управления.

3.6. Выводы.

ГЛАВА 4. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЛЕРНЫХ И ПРОЦЕССОРНО - КОММУНИКАЦИОННЫХ МОДУЛЕЙ.

4.1. Комплект прикладного программного обеспечения для контроллерного модуля на базе 8-разрядного микроконтроллера.

4.1.1. Опрос клавиатуры.

4.1.2. Инициализация и вывод данных на ЖКИ.

4.2. реализация протокола ethernet в системах, использующих процессорно-коммуникационный модуль 68EN360DK-M.

4.3. реализация в локальных контроллерах многозадачного режима реального времени.

4.4. ВЫВОДЫ.

Современный этап развития систем управления различными объектами характеризуется широким использованием микропроцессоров и микроконтроллеров. Именно эти микроэлектронные изделия выполняют в большинстве систем основные функции сбора и обработки данных, контроля состояния управляемых объектов, формирования необходимых управляющих воздействий. Бурный прогресс микроэлектронной технологии дал в руки разработчиков систем большую номенклатуру разнообразных моделей микропроцессоров и микроконтроллеров, которые отличаются по своей производительности, стоимости, функциональным возможностям и другим характеристикам. На этой элементной базе многие производители аппаратуры разработали и предлагают пользователям различные варианты конструктивно-законченных управляющих модулей, которые могут быть использованы для реализации систем различного назначения.

Современные распределенные системы управления имеют большое количество точек сбора данных, поступающей от всевозможных датчиков, и точек выдачи управляющих сигналов для исполнительных устройств, которые могут иметь, как цифровой, так и аналоговый интерфейс. Такие системы обычно строятся на базе сети локальных контроллеров, выполняющих функции модулей сбора и обработки информации. Основной задачей этих контроллеров является получение данных от аналоговых и цифровых датчиков, их обработка, выдача необходимых управляющих воздействий, а также передача данных о текущем состоянии объекта по одному из стандартных протоколов обмена в центр управления. Центральный управляющий модуль (контроллер верхнего уровня) выполняет опрос локальных контроллеров, обработку поступающих от них данных и обеспечивает общее управление объектом.

Для реализации этих функций в современных системах управления могут использоваться персональные и промышленные компьютеры или управляющие модули, реализуемые на базе микроконтроллеров. Достоинством применения компьютеров в распределённых системах управления являются: их универсальность, возможность использования огромного объема разработанного программного обеспечения. Недостатками этого решения являются относительно высокая стоимость аппаратных средств, медленное восстановление после рестарта системы ("медленный" старт компьютеров), что ограничивает применение в системах реального времени, особенно на нижнем (технологическом) уровне, где необходима очень быстрая реакция системы на определенные события.

Использование микроконтроллеров дает наибольший выигрыш в стоимости системы при ее серийном выпуске, обеспечивает режим реального времени при работе с внешними устройствами, быстрое время рестарта и позволяет снизить массо-габаритные показатели и энергопотребление, поскольку современный микроконтроллер может заменить несколько плат, занимаемых микропроцессором, памятью и периферийными устройствами. Комбинированное использование встраиваемых компьютеров и микроконтроллеров при построении крупных распределенных систем позволяет максимально использовать преимущества тех и других, обеспечивая повышение надежности, снижение стоимости и ряд других достоинств.

Перед разработчиками систем стоит проблема оптимального выбора аппаратно-программных средств, обеспечивающих реализацию проекта с минимальными затратами времени и средств. При этом разработчик должен решить, будет ли он разрабатывать и изготавливать специализированные управляющие модули, необходимые для реализации его системы, или будет собирать свою систему из универсальных управляющих модулей, предлагаемых рядом производителей. Использование готовых модулей позволяет сократить сроки проектирования и изготовления системы. Однако предлагаемые универсальные модули имеют достаточно высокую стоимость, что ограничивает возможности их применения в малобюджетных проектах. В связи с тем, что реализация таких проектов является достаточно актуальной задачей, особенно для развивающихся стран, представляется целесообразным провести анализ возможностей создания недорогих, но достаточно универсальных модулей, которые могут быть использованы для разработки на их основе различных систем управления.

Аналогичная проблема стоит и при создании программного обеспечения для систем управления. В сложных и ответственных системах широко используются коммерческие операционные системы реального времени (ОСРВ), стоимость которых составляет десятки тысяч долларов. Для многих проектов покупка и применение таких ОСРВ оказывается невозможной. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть возможности реализации относительно простого многозадачного монитора, выполняющего функции ядра реального времени при выполнении системой небольшого количества задач.

Целью диссертационной работы является разработка комплекса универсальных аппаратных и программных модулей, позволяющих с минимальными затратами реализовать различные варианты распределенных систем управления малой и средней сложности (до нескольких десятков каналов ввода-вывода данных), которые могут быть использованы на промышленных предприятиях и в научно-исследовательских учреждениях при выполнении проектов, имеющих ограниченный объем финансирования.

Результаты работы предполагается использовать при реализации проектов в Союзе Мьянмы. На базе разработанных аппаратно-программных средств планируется также постановка лабораторного практикума по изучению современных микроконтроллеров в Янгонском техническом университете (г. Янгон, Союз Мьянмы).

4.4. Выводы

Описанный в данной главе комплект прикладного и системного программного обеспечения может служить в качестве базы при реализации распределенных систем управления с использованием разработанных контроллерных и процессорно-коммуникационных модулей.

Комплект прикладного программного обеспечения для контроллерного модуля на базе 8-разрядного микроконтроллера MC68HC908GP32 реализует следующий набор стандартных процедур:

• опрос клавиатуры,

• инициализация и вывод данных на ЖКИ,

• инициализация и обеспечение приема-передачи данных по каналу RS-232.

Разработанное для этого модуля программа вызова функций с помощью меню обеспечивает удобный интерактивный режим работы оператора с контроллерным модулем RDAMP08-GP. В этом режиме обеспечивается возможность просмотра на экране ЖКИ данных, поступающих от аналоговых и цифровых датчиков, чтение сообщений, поступивших по каналу RS-232, или посылку по этому каналу фиксированных сообщений. Имеется также возможность контроля текущего значения температуры кристалла микроконтроллера.

Разработанный вариант программной реализации процедур, обеспечивающих работу процессорно-коммуникационного модуля в сети Ethernet в соответствии с протоколом IEEE802.3, существенно упрощает пользователям реализацию систем управления, использующих данный протокол для обмена данными. Реализуемая скорость обмена в сети - до 10 Mbps при одноканальном обмене, и до 2 Mbps при четырех каналах, удовлетворяет требованиям, которые предъявляются к скорости передачи данных во многих промышленных применениях микроконтроллеров.

Многозадачный монитор RT-MTM обеспечивает возможности работы в многозадачном режиме для локальных контроллеров, реализованных на базе 8-разрядных микроконтроллеров. Монитор реализует выполнение нескольких задач при ограниченном ресурсе контроллера: объем памяти до 64 Кбайт, производительность процессора до 2-3 миллионов операций/с. Малые значения времени отклика на запрос прерывания (13 мкс) и времени переключения контекста (56 мкс) позволяют использовать данный многозадачный монитор для реализации режима «жесткого» реального времени. Монитор может быть с минимальными трудозатратами портирован на контроллеры, использующие другие семейства микроконтроллеров.

Разработанный вариант многозадачного монитора может эффективно использоваться в различных встроенных системах с ограниченными ресурсами: портативной аппаратуре, мобильных системах, АСУТП на базе программируемых логических контроллеров.

Тестирование разработанного программного обеспечения проведено на опытных образцах контроллерных и процессорно-коммуникационных модулей.

Заключение

В настоящее время разработчиками электронного оборудования и программного обеспечения предлагается большой набор средств для реализации сложных систем управления объектами различного назначения. Данные средства отличаются широкими функциональными возможностями, однако имеют достаточно высокую сложность и стоимость, что затрудняет их запуск и эксплуатацию, ограничивает их применение в проектах малой и средней сложности (мини- и миди-системах), имеющих малый объем финансирования. В этих условиях разработчикам таких систем часто приходится самостоятельно производить разработку необходимых аппаратных средств и программного обеспечения. В данной диссертационной работе решалась задача разработки комплекса недорогих и достаточно универсальных контроллерных модулей для реализации систем управления промышленными объектами и физическими комплексами, создания для них программного обеспечения для выполнения ряда типовых функций.

Решение этой задачи является особенно актуальным для развивающихся стран. Применение полученных результатов планировалось при реализации проектов на промышленных предприятиях и в научно-исследовательских организациях Союза Мьянмы.

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты.

Проведен обзор структур распределенных систем управления объектами различного назначения, сравнительный анализ выпускаемой элементной базы, которая используется для реализации этих систем. На основании обзора проведен выбор перспективной элементной базы для разрабатываемых контроллерных модулей. Для реализации локальных контроллеров, используемых на уровне технологического управления устройствами и блоками системы, предлагается использовать 8-разрядные микроконтроллеры с CISC-архитектурой, обеспечивающие необходимую производительность и имеющие широкий набор периферийных устройств, включая средства реализации сетевых интерфейсов. Для реализации функций центрального управляющего модуля предлагается использовать коммуникационные контроллеры, интегрирующие высокопроизводительное 32-разрядное процессорное CISC-ядро и коммуникационный модуль, обеспечивающий реализацию основных коммуникационных протоколов, в том числе Ethernet. На базе этих контроллеров реализуются процессорно-комммуникационные модули, обеспечивающие на среднем или верхнем уровне управления организацию потоков данных и необходимую скорость их обработки. Ориентация на использование CISC-архитектуры обусловлена тем, что широкий набор команд и способов адресации, характерный для процессоров данной архитектуры, упрощает и ускоряет процедуру разработки и отладки прикладных программ на языке Ассемблера, повышает компактность программного кода, снижая требования к объему памяти.

Определены требования к функциональному составу контроллерных модулей, обеспечивающему их эффективное использование на различных уровнях распределенной системы управления. С учетом данных требований разработаны структура и принципиальные схемы контроллерного и процессорно-коммуникационного модуля, изготовлены опытные образцы этих модулей и проведены их испытания. Относительно низкая себестоимость разработанных модулей (менее 100 долларов) позволяет широко использовать их для реализации малобюджетных проектов.

Разработана методика расчета производительности коммуникационного контроллера, необходимой для организации потоков данных в распределенных системах управления. Предложен модифицированный вариант функциональной модели коммуникационного контроллера в виде преобразователя потоков данных, которая позволяет снизить требования к производительности процессорного ядра. Разработанная методика позволяет количественно оценить ресурсы микроконтроллера, требуемые для выполнения необходимых функций, и обеспечить выбор модели микроконтроллера, обеспечивающей реализацию системы управления с заданными параметрами коммуникационных потоков и определенной скоростью обработки данных.

Данная методика использована при проектировании разработанного в диссертации процессорно-коммуникационного модуля. Она может быть использована для оценки требуемых ресурсов и выбора типа микроконтроллера при разработке управляющих модулей, выполняющих функции обработки данных и организации потоков информации в системах различного назначения.

Разработанные структурные варианты и электрические схемы контроллерного и процессорно-коммуникационного модулей являются достаточно универсальными, так как содержат необходимый базовый набор компонентов и обеспечивают возможности расширения функций путем подключения дополнительных компонентов и блоков. Разработанные структурные и схемотехнические решения можно использовать как базовые для разработки на их основе различных модификаций управляющих модулей с учетом специфики их конкретного применения.

Разработан комплект прикладного программного обеспечения, обеспечивающий реализацию ряда стандартных функций: опрос клавиатуры, вывод данных на ЖКИ, обеспечение приема-передачи данных по каналу RS-232 (для контроллерного модуля), работу в сети Ethernet (для процессорно-коммуникационного модуля). Для контроллерного модуля реализована также возможность операторского доступа к основным функциям модуля в режиме меню.

Комплект прикладных программ для контроллерного модуля написан на языке Ассемблера, что обеспечивает важную для данного приложения компактность кода. Данный комплект программ может быть использован для любых управляющих модулей, реализованных на базе микроконтроллеров семейства 68НС08. Процедура, обеспечивающая включение и функционирование процессорно-коммуникационного модуля в сети Ethernet, написана на языке Си, что позволяет использовать данную программу для других типов коммуникационных контроллеров, например, для контроллеров, использующих архитектуру PowerPC (семейство МРС860/8260).

Предложен оригинальный вариант реализации многозадачного режима для контроллерных модулей на базе 8-разрядных микроконтроллеров с помощью разработанного многозадачного монитора ЯТ-МТМ. Монитор имеет малый объем ядра (5 Кбайт) и реализует выполнение нескольких задач при ограниченных ресурсах микроконтроллера. Малые времена отклика на запрос прерывания (13 мкс) и переключения контекста (56 мкс) позволяют использовать разработанный монитор в режиме «жесткого» реального времени.

Многозадачный монитор ЯТ-МТМ может быть с минимальными трудозатратами портирован на различные семейства микроконтроллеров. Разработанный вариант монитора может использоваться в различных встроенных системах с ограниченными ресурсами: портативной аппаратуре, мобильных системах, АС УТЛ на базе программируемых логических контроллеров.

Тестирование разработанного программного обеспечения проведено на опытных образцах контроллерных и процессорно-коммуникационных модулей.

Результаты диссертационной работы могут быть использованы при разработке систем управления различного назначения. Предполагается их применение для реализации различных проектов в Союзе Мьянмы. На базе разработанных аппаратно-программных средств планируется постановка лабораторного практикума по изучению современных микроконтроллеров в Янгонском техническом университете (г. Янгон, Союз Мьянмы).

1. Громов B.C., Покутный A.B., Вишнепольский PJL, Тимофеев В.Н. Особенности проектирования распределенных АСУ'Ш. // Мир компьютерной автоматизации. -2001, №5, с. 63-67.

2. Николайчук О. Архитектура распределенных систем управления. // Компоненты и технологии. -2002, №1, с. 100-107.

3. Виери П., Аблин И.Е., Винниченко А.П. Autolog логичный выбор программно-технических средств для промышленной автоматизации. // Промышленные АСУ и контроллеры.-1999, №6, с.41-44.

4. Бретман В.В. Контроллер всему голова.// Промышленные АСУ и контроллеры-1999, №6, с.44-47.

5. Системы управления газотурбинных и дизель-генераторных электростанций.// Автоматизация в промышленности. 2004, №7, с. 13-15.

6. Мякишев Д.В., Тархов Ю.А., Столяров К.А., Лисов А.Г. Программно-технический комплекс для построения СКУ энергоблоков АЭС. // Промышленные АСУ и контроллеры.-2002, №8, с.49-55.

7. Маликов И.Ю., Свердлов Т.А. Автоматизированная система управления технологическим процессом дозирования. // Приборы и системы управления. Управление. Контроль. Диагностика. -2002, №4, с.9-11.

8. Плескач Н.В., Прокопьев A.M. Комплексная автоматизация систем теплоснабжения на средствах ОАО «ЗЭиМ». И Промышленные АСУ и контроллеры. 2004, №1, с.4-9.

9. Комплекс АСУ «Теплица». // Приборостроение и средства автоматизации. -2003, №8, с.69-72.

10. Гук М. Аппаратные интерфейсы ПК. -СПб.: Питер, 2003. -528с.

11. Деменков Н.П., Опешанский И.В. Сетевые решения Modicon TSX Quantum. // Промышленные АСУ и контроллеры. -1999, №6. С.47-49.

12. Любашин А.Н. Промышленные сети. // Мир компьютерной автоматизации -1999, №1, с. 38-44.

13. Industrial Ethernet наиболее используемая промышленная шина 2003 года. // Автоматизация в промышленности. -2004, №7, с.20-21.

14. Чунин C.B. Промышленная сеть CAN для построения высоконадежных распределенных систем управления. // Промышленные АСУ и контроллеры. -1999, №2. С.55-60.

15. Кустарев П. Протокол CAN в микроконтроллерах. // Электронные компоненты. 2002, №5, с. 120-125.

16. Черняк Л. Сети промышленных контроллеров. // Открытые системы. -2001, №5-6, с.10-16.

17. Якушенко С. Применение технологий Ethernet и Internet в АСУТП и энергетике. // Мир компьютерной автоматизации. -2002, №5, с.47-50.

18. Синк П. Восемь промышленных сетей и Industrial Ethernet // Мир компьютерной автоматизации . — 2002, №2, с

19. Кузьмин Ю.Б. Типовой проект автоматизации технологических процессов на базе технологии Industrial Ethernet. // Промышленные АСУ и контроллеры. -2005, №1. С.14-21.

20. Румянцев E.H. Единая концепция создания АСУТП от разных производителей. //Промышленные АСУ и контроллеры. -2002, №12, с.51-52.

21. Митчелл Г. A. Ethernet в системах управления производственными процессами. // Мир компьютерной автоматизации. 2000, №4, с. 48-52.

22. Микроконтроллеры в России: вчера, сегодня, завтра. // Компоненты и технологии. 2000, №3, с. 22-26.

23. Нерода В.В., Турбинский В.Э., Шлыков E.JI. Однокристальные микроЭВМ MCS-51. Архитектура. -М.: Диджитал Компоненте., 1995. -164с.

24. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том 1. Пер. с англ. под редакцией Шагурина И.И. и Лужанского С.Б. М.: Постмаркет, 2001.-416с.

25. Предко М. Руководство по микроконтроллерам. Том 2. Пер. с англ. под редакцией Шагурина И.И. и Лужанского С.Б. М.: Постмаркет, 2001.-488с.

26. Ремизевич Т.В. Микроконтроллеры для встраиваемых приложений: от общих подходов к семействам НС05 и НС08 фирмы Motorola. - M.: ДОДЭКА. - 2000. - 272с.

27. Александров Е.К., Грушвицкий Р.И., Куприянов М.С. и др. Микропроцессорные системы. СПб.: Политехника, 2002. -935 с.28.