Файл: Системы малой автоматизации (О.И. Николайчук, 2003).pdf

Предпосылкисозданийсистеммалойавтоматизации 7

агентстве был создан новый департамент технологий обработки информации

(Information Processing Techniques Office, IPTO), которому было поручено изучать и совершенствовать технологии контроля и управления. Первым директором IPTO был психолог, специалист по поведению человека, сотрудник Массачусетского технологического института Джозеф Карл Ликлайдер (Joseph Carl Licklider). В середине 1960-х он опубликовал свои идеи относительно будущей роли вычислителей, взаимодействующих друг с другом в среде передачи данных с множественным доступом. Считается, что именно эти идеи явились первым предвестником создания вычислительных сетей. Немного раньше, в 1961 году в Массачусетском технологическом институте была опубликована работа Леонарда Клейнрока (Leonard Kleinrock), будущего теоретика Internet. В этой работе впервые высказывалась идея технологии «коммутации пакетов». Смысл этой идеи заключался в том, что при передаче информации на неопределенно большое расстояние в течение неопределенно большого времени через неопределенное количество промежуточных узлов блок передаваемого сообщения должен быть заключен в капсулу, содержащую все необходимые сведения о сообщении для того, чтобы любой промежуточный узел мог определить его дальнейшее направление, а приемный узел — принять и проверить целостность. Эти идеи послужили, в некотором смысле, основой для создания и развития в дальнейшем сетевых технологий. В 1963 году в США был создан Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE), ставший впоследствии главным разработчиком массовых стандартов в области локальных сетей (LAN — Local Area Network). Первая в мире LAN была создана в 1967 г. Дональдом Дэвисом (Donald Davies) в Национальной физической лаборатории Великобритании

(British National Physics Laboratory). Что было далее? Далее в мире начался процесс создания все новых и новых сетевых технологий, который часто называют «сетевым бумом» [14—18].

Появление на рубеже 70-х годов принципиально новой элементной базы — микропроцессоров послужило предпосылкой для создания и развития новых систем обработки данных — систем с распределенной структурой, называемых также децентрализованными или распределенными системами управления (DCS — Distributed Control System) [19—24]. Одновременно развивались и идеи создания различных сетей: в первую очередь глобальных, а затем и локальных. Схожесть целей и путей реализации DCS и LAN, а также их практически одновременное параллельное развитие часто приводило к некоторой путанице в терминологии. Только значительно позже, с развитием классификации и стандартизации, были определены основные отличия между этими понятиями.

Опыт создания периферийных микропроцессорных контроллеров, а также быстрое развитие архитектуры и возможностей микропроцессоров привели к ускоренному развитию DCS. Создавались как глобальные (например родом войск) и средние распределенные системы управления (распределенная система управления заводом), так и малые распределенные системы управления (автомобилем, отдельным конвейером, танком и т. п.). В 1975 году в ФИАН им. П. Н. Лебедева (Москва) была разработана первая в СССР локальная сеть [14]. В то же

время начали развиваться системы автоматизации научных исследований и системы управления технологическими процессами в реальном времени [6, 13—18].

К сожалению, так называемая «компьютерная революция» происходила достаточно медленно примерно до второй половины 70-х годов, что было обусловлено совершенствованием архитектуры и технологии производства микропроцессорной техники.

Одновременно с этим процессом происходило переосмысливание основных принципов построения буквально всех изделий, связанных с вычислительной техникой и, конечно же, эти процессы повлияли на идеи и принципы развития

DCS и LAN.

Повышение степени интеграции привело к созданию новых мощных микропроцессоров и микроконтроллеров и систем на их основе — MPS (Microprocessor Systems), выполненных на одной или нескольких больших интегральных схемах (ICs), что окончательно сделало экономически выгодным развитие DCS и LAN [19—35].

Начиная с 80-х годов и по настоящее время темпы развития DCS постоянно возрастают. Этому способствует постоянное расширение сферы производства, совершенствование элементной базы при неуклонном снижении ее стоимости, развитие научно-технической мысли в областях архитектуры вычислительных систем и сетевых технологий, расширение областей автоматизации человеческой деятельности и т. п. В тоже время постепенно в мире снижается удельный вес гигантских промышленных предприятий и научно-исследовательских центров. Их заменяют экономически выгодные и мобильные (в научном и производственном отношении), а также менее энергоемкие малые промышленные фирмы

иисследовательские центры.

Вобласти развития DCS также происходят некоторые перемены. Такие традиционные области применения DCS, как малые системы автоматизации производства реального времени, малые специализированные распределенные системы управления, малые системы автоматизации научного эксперимента и малые информационно-измерительные системы, которые долгое время развивались независимо и параллельно, в последнее время все чаще проектируются по сходным принципам и, в некотором смысле, объединяются. Во многих развитых странах такие же системы применяются и для автоматизации домашнего хозяйства [36]. В специальной литературе такие малые распределенные системы управления реального времени часто называются системами малой автоматизации — SAS (Small Automation Systems),

Всистемах SAS используются все знания и практический опыт, накопленные при создании вышеперечисленных систем DCS и малых локальных сетей LAN. Современные SAS выполняются на самой современной элементной базе и работают в режиме реального времени. В то же время характерными основными чертами этих систем является низкая стоимость, простота реализации, высокие надежность и быстродействие. Основам схемотехники именно таких систем посвящена настоящая книга.

1.2. Основные понятия о распределенных системах управления

Для того чтобы сформулировать основные признаки распределенных систем управления DCS, следует более подробно остановиться на особенностях применения микропроцессоров (МР — Microprocessor), а позднее и микроконтроллеров (МС — Microcontroller) в различных системах.

Во-первых, отметим, что для большинства микропроцессоров и микроконтроллеров их вычислительная мощность не является основной чертой. Немаловажное значение для них имеют управляющие, коммутирующие и логические возможности. Именно они, в первую очередь, важны для организации эффективного взаимодействия МР и МС между собой (в сложных системах со многими МР) и с объектами управления (или измерения). Существует также некоторое обратное воздействие «решаемой задачи» на структуру и организацию МР.

Практически все современные МС кроме собственно вычислительного ядра оснащены дополнительными (периферийными) функциональными узлами, не свойственными ранним моделям, которые появились вследствие анализа наиболее часто встречающихся задач [12, 19, 20].

Во-вторых, снижение стоимости и повышение вычислительной мощности МР и МС привели к перераспределению ценовых акцентов в вычислительных системах. Ведь если раньше наиболее дорогостоящим в вычислительных системах было именно CPU, а периферийное оборудование стоило относительно недорого, то в последнее время именно периферийное оборудование имеет в вычислительных системах наибольший ценовой вес. Например, если ранее существовали тенденции к созданию распределенных вычислительных систем с целью повышения общей вычислительной мощности, то в настоящее время достаточно часто создаются распределенные системы с целью коллективного пользования дорогостоящим периферийным оборудованием. Все это, в конечном итоге, приводит к новым способам внутрисистемного взаимодействия и организации распределенных систем.

В-третьих, при создании распределенных систем разработчики стремятся разделить задачу на некие автономные, слабо взаимосвязанные фрагменты. Это существенно упрощает аппаратную и программную реализацию управления небольшими фрагментами объекта управления. С другой стороны, это приводит к тому, что DCS может содержать достаточно большое количество МР (или МС) — от десятков до нескольких сотен. Таким образом, эти системы являются мультимикропроцессорными (MMPS — Multi Microprocessor Systems). Наличие такого большого количества автономно работающих узлов предъявляет вы-

жие требования к общей координации системы. Это означает, что в таких сис1емах необходимо обеспечить достаточно простой и эффективный взаимообмен данными, обнаружение и устранение конфликтных ситуаций при одновременной попытке нескольких устройств воспользоваться каким-либо общим ресурсом.

В-четвертых, низкая себестоимость и малые габариты MPS, в сочетании с достаточно большой вычислительной мощностью, позволяют устанавливать их

непосредственно возле управляемого объекта, создавая территориально достаточно большие (протяженные) системы. Для таких систем взаимоудаленность компонентов DCS может достигать от нескольких единиц до нескольких сот метров. Все это накладывает определенные требования на систему связи между компонентами. Иногда встречаются случаи, когда производительности одного МР или МС не хватает для решения локальной задачи управления объектом. В таких случаях непосредственно в рамках одной MPS может быть организована сосредоточенная многопроцессорная система, ориентированная на решение определенной задачи.

Таким образом, как было показано выше, важной особенностью децентрализованных систем управления является не столько рассредоточенное расположение аппаратуры, сколько разделение всей функции обработки и управления на несколько слабосвязанных функций и распределение этих функций между несколькими MPS.

Итак, основными причинами появления децентрализованных систем можно считать:

•снижение стоимости MPS;

•более простую аппаратную и программную реализацию отдельных функций DCS;

•интерактивный характер многих задач децентрализованных систем [23];

•предпочтительность расположения средств обработки данных на основе MPS непосредственно возле рассредоточенных в пространстве источников и приемников данных (объектов управления или измерения);

•вследствие недостаточной мощности МР (МС) может возникнуть необходимость в создании локальных централизованных MMPS или в обработке данных одного объекта с помощью нескольких децентрализованных MPS;

•необходимость коллективного использования дорогостоящего периферийного оборудования.

Из вышесказанного следует, что главенствующую роль при создании DCS играет организация взаимодействия и каналы связи между децентрализованными MPS.

Следует отметить, что само понятие «распределенная система управления», несмотря на почти 30-летний стаж существования, — недостаточно устоявшееся и порой противоречивое. Описанные в современной специальной литературе распределенные системы очень сильно отличаются друг от друга и по принципам организации, и по другим признакам. Как правило, такие системы создаются при наличии достаточно сложного объекта управления, как следствие, субъективно в качестве главных выделяются разные характеристики объекта и неоднозначно трактуются системы управления. Наиболее часто подчеркиваются следующие характеристики DCS: высокая вычислительная мощность, эффективность организации, быстрота реакции, высокая пропускная способность каналов связи, высокая надежность, живучесть, малая стоимость, модульная организация, легкость наращивания, гибкость структуры; совместное использование ресурсов; хорошее поведение при перегрузках и т. п.

Основные понятияораспределенныхсистемахуправления 11

На первом этапе создания DCS в научной литературе отмечались следующие характерные признаки:

1.Наличие в системе множества процессоров (МР или МС) или MPS, а также других элементов системы, которые собственно и образуют собой распре-- деленные ресурсы системы.

2.Территориальное рассредоточение этих элементов системы (ресурсов).

3.Объединение элементов системы через общие линии связи (каналы) и протоколы

4.Наличие разбиения системы на иерархические уровни. Наличие аппаратуры и программного обеспечения SW (Software) верхнего уровня, которые координируют работу всей системы. Наличие программного обеспечения собственно МС (МР) — FW (Firmware) в элементах системы нижнего уровня.

5.Наличие простой интерактивной системы взаимодействия пользователя с системой (наиболее часто — с элементом верхнего уровня), аналогичной взаимодействию с централизованной системой.

6.Время, требуемое на обмен сообщениями, должно быть одного порядка со временем между событиями процесса, и им нельзя пренебрегать.

Раньше считалось, что если время обмена сообщениями много меньше времени между событиями процесса, то первым можно пренебречь и, соответственно, признак 6 не удовлетворяется, следовательно, распределенной системы обработки данных нет [12] Следует отметить, что на практике все перечисленные признаки удовлетворяются довольно редко, хотя системы и называются DCS. Например, в некоторых современных системах используются высокоскоростные каналы передачи данных, а интенсивность обмена между элементами несоизмеримо ниже, чем интервалы между событиями процесса вследствие высокой производительности MPS и значительного объема первичной обработки данных в них В соответствии с приведенными признаками такая система не могла бы называться DCS, т. к. не выполняется признак 6, хотя на самом деле таковой является Как будет показано ниже, в настоящее время существует более лояльный подход к определения DCS. В заключение следует отметить, что указанные выше признаки характерны не только для DCS, но и для многих других рассредоточенных систем, в том числе, например, и для глобальных сетей CS.

Основными отличиями DCS, например, от глобальных систем являются:

1.В состав глобальных сетей входят большие CS, а в состав DCS, как правило, входят только MPS.

2.Обмен сообщениями в глобальных сетях происходит в режиме коммутации пакетов с длинами сообщений — несколько тысяч байтов, а в DCS длина сообщений намного короче и редко достигает тысячи байт.

3.В DCS используются линии связи с длиной, редко превышающей несколько километров, а в глобальных сетях длина канала может достигать десятков и сотен километров.

4.Многие DCS имеют упрощенный протокол передачи и механизм обнаружения и устранения конфликтов.

5.Связь между элементами DCS обычно производится в режиме коммутации каналов.