автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Методы проектирования малых контроллерных распределенных систем

ВВЕДЕНИЕ.

1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАЛЫХ КОНТРОЛЛЕРНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ.

1.1 Промышленные информационно-управляющие системы.

1.2 Малые контроллерные распределенные системы.

1.3 Проектирование МКРС.

1.3.1 Критерии и проблемы проектирования МКРС.

1.3.2 Методы проектирования МКРС.

1.3.3 Анализ эффективности специальных подходов к проектированию РИУС.

1.3.4 Применение формализованных методик проектирования.

1.4 Выводы.

2 ОРГАНИЗАЦИЯ КОММУНИКАЦИОННОЙ ПОДСИСТЕМЫ МКРС.

2.1 Организация КПС типовых РИУС.

2.2 Задачи и подходы к проектированию КПС МКРС.

2.3 Общие принципы организации модели КПС МКРС.

2.4 Структура КПС МКРС.

2.5 Физический уровень КПС МКРС.

2.6 Канальный уровень КПС МКРС.

2.6.1 Структура и функции канального уровня.

2.6.2 Маршрутизация в сетях МКРС.

2.6.3 Организация эффективной доставки кадров.

2.6.4 Система идентификации кадров.

2.6.5 Комплекс управления кадрами.

2.7 Общие принципы организации прикладного уровня КПС МКРС.

2.8 Выводы.

3 ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА КОНТРОЛЛЕРОВ МКРС.

3.1 Реализация объектной модели контроллеров МКРС.

3.2 Структура вычислительного процесса контроллеров МКРС.

3.2.1 Субпроцессы.

3.2.2 Субпроцессы контроллеров МКРС.

3.3 Представление контроллеров МКРС в базисе архитектурных модулей.

3.3.1 Архитектурный модуль.

3.3.2 Классификация АМ.

3.3.3 Применение АМ при проектировании контроллеров МКРС.

3.4 Система автоматизированного проектирования (САПР) контроллеров МКРС.

3.5 Выводы.

4 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ КОМПЛЕКСА ЗДАНИЙ CLMC-2.

4.1 Техническое задание на проектирование системы CLMC-2.

4.1.1 Прикладная задача.

4.1.2 Технические требования.

4.2 Структура СКМКЗ CLMC-2.

4.3 Аппаратные средства контроллеров СКМКЗ.

4.4 Коммуникационная подсистема СКМКЗ.

4.5 Организация контроллеров TTF4.

4.6 Оценка эффективности проектирования.

4.7 Выводы.

Разнообразие функциональных возможностей, развитый сервис, гибкость, надежность определили успешное использование распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) для решения постоянно расширяющегося круга задач автоматизации в промышленности, на транспорте и других сферах. Типовыми стали системы на базе мощных программируемых контроллеров (PLC) и высокопроизводительных сетей, реализующие управление технологическими агрегатами, линиями или целыми производствами. Наряду с этим в последние пять-десять лет отмечается резкий рост количества РИУС, разрабатываемых для решения простых, но нетиповых прикладных задач, что обусловлено снижением стоимости и миниатюризацией аппаратной базы, в первую очередь однокристальных микроЭВМ (ОКМЭВМ) и ПЛИС, появлением широкодоступных инструментальных средств. Подобные системы, выделенные в отдельный класс малых контроллерных распределенных систем (МКРС), характеризуются уникальной организацией, малой серийностью выпуска, ограничениями стоимости. Для них неприменимы стандартные методы, используемые при разработке мощных промышленных РИУС, ориентированные на унифицированную структуру и неограниченные ресурсы вычислительной системы (ВС). Требуется выработка подходов, совмещающих простоту проектирования и невысокую стоимость готовых систем. Поиск решения данной проблемы может быть осуществлен в направлении минимизации функциональной избыточности МКРС в границах характерных для них задач и применения алгоритмов, эффективно использующих возможности аппаратных средств.

Целью работы является создание методик проектирования и типовых вариантов структурно-функциональной организации МКРС, в совокупности обеспечивающих решение прикладных задач в рамках ограниченных ресурсов. В этом направлении решались следующие задачи:

1. Определение и описание класса МКРС.

2. Разработка модели коммуникационной подсистемы (КПС) МКРС и структуры ключевых функциональных блоков в ее составе.

3. Организация вычислительного процесса (ВП) контроллеров МКРС, обеспечивающая исполнение задач в реальном масштабе времени (РМВ).

4. Разработка методов структурно-функциональной декомпозиции МКРС, выбора и предварительной оценки способа реализации. 4

5. Разработка структуры системы автоматизированного проектирования (САПР) контроллеров МКРС.

В работе были широко использованы практический опыт и результаты ряда реальных проектов, в числе которых: система телеметрии и телеуправления СУО-2 (управление освещением цехов предприятия, охранная сигнализация и технический учет энергоресурсов), система управления газовым нагревателем ТС-2, контроллер ТТР4 (ТУ 3428-001-43475370-99) системы управления микроклиматом комплекса зданий СЬМС-2 и другие.

Методическую базу исследования составляют положения теории объектно-ориентированного проектирования, теории взаимодействия открытых систем, теории графов, методы теории вероятности, теории конечных автоматов, структурно-функционального описания аппаратуры.

Основные идеи и результаты были освещены в 4 докладах на 3 конференциях. Всего по теме диссертации сделано 6 публикаций.

4.7 Выводы.

1. В соответствии с предложенными принципами организации КПС МКРС было разработано унифицированное программное ядро (КУК) для всех типов контроллеров системы СЬМС-2, что позволило использовать унифицированную аппаратуру, значительно уменьшить число ошибок программирования.

2. Использование методики проектирования в базисе АМ при разработке контроллеров ПТ4, ТТР4Е, ТТР4С позволило:

- сократить сроки и повысить качество проектирования за счет активного использования существующих наработок;

- более эффективно использовать ресурсы ОКМЭВМ по сравнению со схожими системами и значительно расширить функциональные возможности системы: в 1.5 раза увеличено количество периферийных каналов, реализована поддержка новых типов датчиков и дополнительные режимы работы исполнительных устройств (реле); проанализировать временные параметры работы системы и локализовать проблемы функционирования системы в РМВ уже на этапе архитектурного проектирования. В результате коррекции структурно-функциональной организации контроллеров, удалось избежать нескольких итераций разработки программного обеспечения и аппаратуры, необходимости «подгонки» режимов функционирования. Опытная эксплуатация показала высокую надежность работы системы.

3. За счет использования предложенных подходов в комплексе, по сравнению с аналогичными системами при равной стоимости аппаратуры удалось:

- сократить сроки разработки примерно на 60%;

- увеличить быстродействие системы в 2-5 раз по сравнению с аналогами;

- обеспечить рост надежности: примерно в 3 раза уменьшилось число сбоев контроллеров и в 5 раз - число потерь переданных сообщений;

- расширить функциональные возможности и сервис.

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В диссертационной работе получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Определены МКРС, как класс распределенных информационно-управляющих систем широкого назначения, ориентированных на задачи невысокой сложности, имеющие в основе гетерогенную коммуникационную среду и контроллеры с ограниченными ресурсами. Выявлены основные факторы, влияющие на процесс проектирования МКРС: тип и сложность решаемых задач, ограничения аппаратуры узлов и коммуникаций, множество вариантов структурной организации вычислительного процесса в узлах, топология коммуникационной сети.

2. Предложена модель коммуникационной подсистемы (КПС) МКРС -подмножество эталонной модели ОБМБО, обеспечивающая реализацию механизмов в рамках ограниченных ресурсов узлов и коммуникаций, и выполнение задач в РМВ. Основными особенностями модели КПС МКРС являются: совместное использование различных канальных протоколов, жесткая типизация кадров, фиксированные правила преобразования типов, обработка прикладных сообщений средствами КПС (манипуляция), реализация механизмов селекции, маршрутизации, объединения-сегментации кадров и манипуляции на канальном уровне средствами единого модуля -комплекса управления кадрами (КУК).

3. Сформулировано определение КУК, как согласованной совокупности механизмов КПС, обеспечивающих доставку данных между узлами сети МКРС. Применение КУК повышает эффективность взаимодействия основных механизмов КПС и позволяет унифицировать их реализацию для всех контроллеров одной системы. Определена организация данных, включая систему идентификации, набор правил и алгоритмов их обработки, алгоритмы маршрутизации. Разработана структура КУК, обеспечивающая одинаково эффективную аппаратную и программную реализацию.

4. В рамках проектирования контроллеров МКРС:

4.1. Предложен метод формирования базиса структурных элементов с программной или аппаратной реализацией, обеспечивающий покрытие объектов логического уровня представления узла МКРС. Жесткая привязка к особенностям аппаратуры МКРС позволила добиться большей эффективности реализации по сравнению с альтернативными «универсальными» подходами. В основе данного метода - жесткая классификация элементов базиса - субпроцессов - по допустимой задержке исполнения. Разработана система параметров субпроцессов; 4.2. Предложен метод формализации процедуры выбора и оценки способа реализации контроллеров МКРС на базе архитектурных модулей (АМ). АМ представляет собой функциональный шаблон с фиксированной структурой и параметрами реализации. АМ определяет реализацию в терминах субпроцессов. Метод основан на применении апробированных вариантов, ориентирован на построение систем автоматизированного проектирования (САПР).

5. Разработан вариант организации вычислительного процесса контроллеров МКРС основанный на использовании структуры субпроцессов, который отличается отсутствием выделенной реализации механизмов ОСРВ (многозадачного ядра, набора системных функций) и ориентирован на средства контроллеров ОКМЭВМ. Определены оценочные функции работы контроллеров МКРС в режиме РМВ.

6. Разработана структура САПР контроллеров МКРС в соответствии с положениями пп.4-6. Разработаны и внедрены четыре МКРС различного назначения для жестких условий Эксплуатации.

7. Использование предложенных методик проектирования позволило сократить сроки разработки примерно на 60% при одновременном увеличении функциональной мощности, быстродействия и надежности работы систем.

1. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. М. :Мир, 1990.-510с

2. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./Пер. с англ.-М.: БИНОМ, 1998.-560с.

3. Вайрадян A.C., Коровин A.B., Удалов В.Н. Эффективное функционирование управляющих мультипроцессорных систем. -М.:Радио и связь, 1984.-328с.

4. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микро-ЭВМ/Пер. с йнгл.-М.:Финансы и статистика, 1983.-384с.

5. Дроздов Н.В., Мирошник И.В., Скорубский В.И. Системы автоматического управления с микроЭВМ. Л.: Машиностроение, 1989,- 286с.

6. Зайцев С.С., Кравцунов М.И., Ротанов C.B. Сервис открытых информационно вычислительных сетей. -М:Радио и связь, 1990.-236с.

7. Коваленко В. Современные индустриальные системы М.: Открытые системы N5, 1997.

8. Козаченко В.Ф. Микроконтроллеры. Руководство по применению 16-разрядных микроконтроллеров INTEL MCS-196/296 во встроенных системах управления. -М.: ЭКОМ, 1997. 686с.

9. Котляров В.П., Питько А.Е. Технология разработки программного обеспечения для встроенных средств микропроцессорной техники. М.: Машиностроение, 1998.-96 с.

10. Кустарев П.В., «Простые» Fieldbus-системы, СПб.: Сборник тезисов ДИМЭБ-97, 1997.

11. Острейковский В.А. Теория систем: Учеб. Для вузов по спец. «автом. Сист. обр. информ. и упр.». М.: Высш. Шк., 1997.

12. Мячев A.A., Степанов В.Н., Щербо В.К. Интерфейсы систем обработки данных. М.:Радио и связь, 1989,- 416с.

13. Платунов А.Е., Ключев А.О., Коровьякова Т.А. Использование интерфейса JTAG для отладки микроконтроллеров СПб.: Приборостроение. 1998.

14. Платунов А.Е., Ключев А О., Кустарев П.В. Программируемые контроллеры с перестраиваемой архитектурой С-Петербургский технический университет «Фундаментальные исследования в технических университетах», 1997.

15. Платунов А.Е., Ключев А.О., Кустарев П.В. Распределенные системы управления СПб.: Сб. Тезисов ДИМЭБ 97, 1997.

16. Платунов А.Е., Кустарев П.В., Ключев А.О., Распределенные системы управления, СПб.: ЦНИИ робототехники и технической кибернетики, Сб.тезисов 8-й научно-технической конференции «Экстремальная робототехника», 1997.

17. Платунов А.Е., Ключев А.О., Кустарев П.В., Козин В.М., Распределенная система управления микроклиматом комплекса зданий, Тамбовский государственный технический университет, «Вестник ТГТУ», 1997.

18. Платунов А.Е., Скорубский В.Й. Основы методики разработки РЭА на микропроцессорах и микроЭВМ.-М.: Заочный институт ЦП ВНТО приборостроителей им С.И. Вавилова, 1989.- 64 с

19. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и локальные сети микроЭВМ в распределенных системах управления. -М.:Энергоатомиздат, 1985.-272с.

20. Рыбаков А. Архитектура современных промышленных систем М.: Открытые системы N3, 1998.

21. Современные микроконтроллеры: Архитектура, средства проектирования, примеры применения, ресурсы сети Интернет. Под ред. Коршуна И. В.— М: Издательство «Аким», 1998. — 272 е., ил.

22. Сташин В.В., Урусов A.B., Мологонцева О.Ф. Проектирование цифровых устройств на однокристальных микроконтроллерах. М.: Энергоатомиздат, 1990.-224с.

23. Флинт Д. Локальные сети ЭВМ. Архитектура, принципы построения, реализация./Пер. с англ. -М.: Финансы и статистика, 1986,- 358с.

24. Хвощ С.Т., Дорошенко В.В, Горовой В В. Организация последовательных мультиплексных каналов систем автоматического управления. -Л. Машиностроение, 1989.-262с.

25. Хвощ С.Т., Варлицкий H.H., Попов Е.А. Микропроцессоры и микроЭВМ в системах автоматического управления. -Л. Машиностроение, 1987.-640с.

26. Шагурин И.И. Микропроцессоры и микроконтроллеры фирмы Motorola. -М. :Радио и связь, 1998.-558с.

27. Шалыто A.A. SWITCH технология. Алгоритмизация и программирование задач логического управления. - СПб.: Наука, 1998. - 628 с.

28. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. М.: Радио и связь, 1986. - 264с.

29. Шевкопляс Б.В. Микропроцессорные структуры. Инженерные решения. Доп.1. М.: Радио и связь, 1993. - 254с.

30. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы. Справочная книга. -М. .Финансы и статистика, 1996.-367с.

31. A Framework for Hardware-Software Co-Design of Embedded Systems, Berkeley, Computer Science Department,

32. URL: http ://www-cad. eecs.berkeley. edu/Respep/Research/hsc/abstract, html.

33. Altera Data Book 1998,- Altera Corporation, 1998.

34. An Interpretation of MIL-STD-1553B,1998.

35. ARINC 429 Commentary. SBS Avionics Technologies, 1998.

36. Bhargav P. Upender, Philip J. Koopman Communication Protocols for Embedded Systems. Embedded Systems Programming, November 1994, pp. 46-58.

37. Bosch, CAN Specification. Version 2.0. Robert Bosch GmbH, 1991.

38. CAN Kingdom Rev. 3.1- KVASER AB, 1995.

39. CCITT Z.100: Specification and Description Language; International Consultative Committee on Telegraphy and Telephony, Geneva, 1992.

40. DeviceNet Specifications, Release 2.0, Vol. I: Communication Model and Protocol, Vol. II: Device Profiles and Object Library ODVA, 1997.

41. DeWolf B., Principato R. A Methodology for Requirements Specification and Preliminary Design of Real-Time Systems. Charles Stark Draper Laboratory Report C-4923, July 1977.

42. Embedded Control Handbook. Vol 1. Microchip Technology Inc, 1997.

43. Hadlich T., Szczepanski T. The Ode-System A SDL based Approach to Hardware/Software-Codesign. - Institute of Automation, University of Magdeburg, URL: http://infaut.et.uni-magdeburg.de/%7eks/presentation/ode/index.htm.

44. Hatley Derek J., Imtiaz A.Pirbhai: Strategies for Real-Time System Specification.-Dorset House, 1988.

45. Hashmi Kamal. Interface-based Design. ICL Design Automation, URL: http ://www.icI. com/da/info/technicalpapers/ibd/ifl doc. htm

46. Information Processing Systems. OSI Reference Model. The Basic Model. -ISO/IEC 7498-1: 1994(E).

47. Information Technology. Open Systems Interconection. Basic Reference Model-Naming and Adressing.- ISO/IEC 7498-3: 1994(E).

48. INTERBUS System Technology Basics. -Interbus Club, 1997. URL: http://www.interbusclub.com/de/technology/pdf/basics-e.pdf.

49. LonWorks. Technology Device Data. Rev.3 Motorola, Inc., 1997.137

50. Microchip PIC 16/17 Microcontroller Data Book. Microchip Technology Inc, 1996

51. Mostow J. Toward Better Models of the Design Process. Al Magazine 1985, vol.6(1), p.44.

52. Overview and Introduction to the Manufacturing Message Specification (MMS). Rev.2 SISCO, Inc.,1995.

53. Principles of Networks. A description of the operation of the most common Fieldbus protocols. -WorldFIP, 1996.

54. Prof. Dr.-Ing. K. Etschberger. CAN-based Higher Layer Protocols and Profiles. URL: http://www.stzp.de/indexe.html.

55. QNX OS Bookset. QNX Software Systems Ltd., 1996.

56. SDS Smart Distributed System, Application Layer Protocol Specification, Honeywell, Inc. MICRO SWITCH Division, Second edition February 15, 1995

57. SMAR Fieldbus Tutorial. SMAR International Corporation, 1994, URL: http ://www.ta-eng. com/home.htm

58. Technical Notice. Release Information for MATRIXx. Integrated Systems, Inc., 1999.

59. UML Specification ver. 1.3.- Ratiohai Software Corp., 1999.

60. Pellerin D., Taylor D. VHDL made easy! Prentice Hall PTR, 1997.

61. VxWorks Reference Manual 5.3.1.-Wind River Systems, Inc., 1997.

62. Xilinx. The Programmable Logic Data Book. Xilinx Inc., 1999.