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

22 Системы малой автоматизации

Системы, ориентированные на работу в условиях малых производственных фирм и научно-исследовательских центров, должны удовлетворять требованиям простоты установки и эксплуатации, а также обеспечивать достаточно простую модернизацию, т. е. обновление.

Под понятием максимальной эффективности, как правило, понимается соотношение производительность/цена, однако в последнее время это понятие часто объединяется с понятием минимальной избыточности системы. При этом под избыточностью понимают как аппаратную избыточность (неиспользуемые узлы аппаратуры или излишние сигналы управления), так и временную избыточность (например, передача излишней информации по сетям).

Теперь рассмотрим основные свойства и тенденции развития современных сосредоточенных систем SAS, т. е. сетевых станций (или универсальных технологических контроллеров)

Важнейшим принципом построения современных сложных универсальных микроконтроллерных (микропроцессорных) систем является магистрально-мо- дульный принцип.

Модульность — свойство территориально сосредоточенных элементов системы (станций), означающее конструктивное выполнение всех узлов в виде набора функционально законченных автономных модулей, имеющих одинаковый интерфейс с общей магистралью или шиной.

Понятие модульности системы тесно связано с понятием магистрали (или шины) системы, т. е. подразумевается, что все модули связаны между собой через одинаковые разъемы с параллельно соединенными контактами — магистраль (шину). Каждый контакт и соединяющая их линия имеют определенное назначение и наименование. Временные и электрические параметры сигналов обычно также определены правилами, созданными для конкретного типа

магистрали.

К настоящему времени создано более 250 различных магистрально-модуль- ных систем [11, 16, 32, 33, 42—48], наиболее известные из которых EUROBUS, VME-BUS, FASTBUS, MULTIBUS-! / II, Р-896, СAMАС, однако к настоящему времени часть из них уже морально устарела, другие оказались избыточными и чрезвычайно дорогими. К тому же ставшие de facto во всем мире промышленным стандартом микроконтроллеры семейства MCS-51 и аппаратно совместимые с ним AVR, а также микропроцессоры MCS-86/88 и MCS-80/85, которые наиболее часто используются сейчас для автоматизации производства и научных исследований, плохо совместимы с большинством из них. Как правило, в современных системах наиболее часто используются модернизированные интерфейсы MULTIBUS-I/II, И41 [45, 48]. Они наиболее просты и наиболее подходят для построения современных микроконтроллерных систем. Модернизация интерфейсов магистрали наиболее часто касается исключения или замены линий (сигналов), предназначенных для многопроцессорного арбитража, питания и т. д.

Модульность позволяет легко заменять вышедшие из строя модули, т е. повышается ремонтопригодность системы.

Гибкость — свойство модульных систем легко изменять структуру изделий за счет различного сочетания модулей. Кроме того, под гибкостью системы понимается возможность осуществления модернизации системы за счет независимой модернизации каждого из модулей. Облегчается разработка новых систем и увеличивается срок морального старения за счет применения комбинации новых и уже существующих модулей, повышаются регулярность структуры и, как следствие, контрольно-диагностические качества, обеспечивается простота переориентации системы на другой объект регулирования или исследования.

Наращиваемость — свойство системы, заключающееся в возможности простого увеличения или уменьшения количества модулей в станции или станций в сети.

Многофункциональность — свойство станции, означающее, что она не имеет жесткой специализации и привязки к объекту регулирования или исследования и, соответственно, может выполнять разные функции.

«Интеллектуальность» — свойство большинства модулей современных станций, связанное с наличием в них микроконтроллеров или микропроцессоров, работающих по своей индивидуальной программе, уровень интеллектуальности можно легко увеличивать в уже работающей системе путем модификации программного обеспечения модулей.

Конструктивное единство — понятие, означающее конструктивное единообразное исполнение всех модулей станции. Доминирующим стандартом в настоящее время является EUROCARD (IEC48D, 1980), позволяющий создавать ряд вариантов плат как комбинацию размеров ширины (160 и 220 мм) и высоты

Мультимагистральность — понятие, означающее использование в одной станции одновременно несколько различных магистралей. Такое техническое решение широко используется и в современных PC, и во многих магистрально-мо- дульных системах. Наиболее широкое распространение в SAS получили двухшинные системы, на каждой из шин которых расположены слабосвязанные микропроцессоры и микроконтроллеры различной мощности и разрядности, причем магистрали связаны через общий двухвходовый ресурс, чаще всего оперативную память.

Безусловным принципом при построении проблемно-ориентированных систем является принцип достаточности производительности. Достижение необходимой производительности обеспечивается, как правило, созданием многопроцессорных систем в одной станции, причем кроме обеспечения достаточной производительности за счет параллельного выполнения независимых задач или частей одной задачи достигается повышение надежности путем обеспечения свойства «постепенной деградации» системы при отказах отдельных процессоров за счет перераспределения задач, возрастает также гибкость системы.

Совместимость ПО — требование ко всем микропроцессорам и контроллерам системы, соблюдение которого позволяет использовать богатый арсенал созданных прикладных программ. В настоящее время, когда в одной системе могут

24 Системы малой автоматизации

одновременно присутствовать вычислительные элементы, построенные на различных семействах процессоров (Pentium, MCS-86/88, MCS-80/85, MCS-Ы, AVR и т. д.), требование реализуется за счет написания программного обеспечения всех элементов системы на языке высокого уровня (как правило, языке «С»).

Развитие магистраль-модульных систем предполагает обеспечение принципа максимальной универсализации, состоящего в том, что каждый вводимый в систему модуль должен обеспечивать построение системы, удовлетворяющей требованиям максимального числа применений.

Кроме того, очевидно выполнение принципа построения магистральных систем — принципа асинхронности и минимальности количества сигналов управления, упрощающего протокол обмена между модулями, повышающего надежность связи и быстродействие обмена.

При построении распределенных систем с небольшими линейными размерами, измеряющих и обрабатывающих большие массивы информации, часто необходимо обеспечивать местную визуализацию оперативной информации, что значительно упрощает работу с системой.

Требования к сетевой архитектуре, организации, среде и протоколам передачи данных также обусловлены современной технической и экономической ситуацией.

Быстрое снижение цен на персональные компьютеры при значительном повышении их вычислительной мощности и надежности, то обстоятельство, что самыми дорогостоящими в PC по-прежнему остаются периферийные устройства, а также требование минимальной стоимости системы предопределяют еще одну важную особенность современных малых систем автоматизации производства и научных исследований — информационно-командный принцип построения LAN.

В соответствии с этим принципом единственный PC, включенный в LAN, играет роль генератора заданий и получателя данных, осуществляет вторичную обработку, систематизацию,сохранениеивизуализациюданных.Периферийные станции осуществляют съем аналоговой и дискретной информации с различных датчиков, ее предварительную обработку, управляют различными внешними объектами, производят тестирование своих подсистем и передают полученную

информацию в PC.

Сцелью снижения стоимости системы и обеспечения взаимозаменяемости используются PC в стандартной конфигурации, а связь осуществляется через свободный интерфейс RS232C (СОМ1 или COM2), имеющийся на любом стандартном компьютере.

Еще одним требованием к современным LAN, работающим в условиях сильных электромагнитных и электростатических полей, является наличие гальванической (чаще всего оптической) развязки на напряжения более 500 В всех периферийных станций.

Сцелью обеспечения минимизации сетевого фрейма (кадра передачи данных) и нагрузки на сетевой интерфейс разработчики прибегают к ограничению количества периферийных станций сети и количества команд одной станции.

Сдругой стороны, с целью упрощения алгоритмов работы одной станции иногда

разработчики предпочитают разделять одну локальную станцию на две и более, территориально расположенные в одном месте.

Наиболее дорогостоящим и трудоемким элементом современных LAN является сетевая среда, т. е. кабель, связывающий станции между собой и с PC Поэтому в системах, предполагающих частую модернизацию, желательно использовать стандартные кабели с разъемами. При этом желательно иметь возможность оперативной замены кабеля и учитывать, что его длина влияет на скорость передачи.

Описанные понятия и тенденции широко применяются при проектировании современных SAS. Более подробно вопросы проектирования SAS мы рассмотрим в следующих главах.

2. Командно-информационные сети

2 . 1 . Основные понятия

Командно-информационные сети широко используются в современных системах малой автоматизации SAS.

Командно-информационными сетями (CI-LAN — Command-Information LAN) называются малые и средние специализированные локальные сети с шинной топологией и централизованным управлением, ориентированные на работу в режиме реального времени.

Все узлы сети называются станциями (Station). Централизованное управление шиной осуществляется ведущей станцией, в роли которой, как правило, выступает единственный в сети персональный компьютер (PC) или мощный специализированный контроллер, оснащенный полным комплектом периферийного оборудования. Все остальные станции сети называются периферийными станциями (PS — Peripheral Stations).

Типовая структура CI-LAN приведена на рис. 1.2. Единственный персональный компьютер сети является генератором заданий и получателем информации. Только он имеет право инициировать обмены информацией по сети. Он работает под управлением основной программы, которая в заданные моменты времени выдает определенные команды периферийным станциям. Команды от ведущей станции и ответы от периферийных станций передаются в виде фреймов (Frame) — детерминированной последовательности байтов, содержащих байт(ы) синхронизации — преамбулу (Preambul), байты адреса станции, команды, данных и контроля. Структуры фреймов будут рассмотрены позднее. Каждая

из N периферийных станций SI, S2 SN (Station 1...N) имеет уникальный адрес, устанавливаемый модификатором адреса (переключатель или перемычки) или записанный во Flash-памяти микроконтроллера. При передаче очередной команды (в виде фрейма команды) ведущей станцией (далее просто PC), все периферийные станции принимают фрейм этой команды и проверяют достоверность передачи по байту (байтам) контроля. В качестве байтов контроля обычно используется контрольная сумма — сумма всех байтов фрейма, начиная с преамбулы и заканчивая байтом, предшествующим байту контроля. В случае несовпадения переданной и рассчитанной в периферийных станциях контрольной суммы станции игнорируют полученный фрейм команды и ожидают поступления очередного фрейма команды. При валидной (правильной) контрольной сумме, принятого командного фрейма все станции анализируют байт адреса команды, сравнивая его со своим уникальным адресом. Одна из станций, уникальный адрес которой совпал с адресом, установленным в фрейме команды, распознает команду, исполняет ее, а остальные периферийные станции, уникальные адреса которых отличаются от переданного в фрейме адреса, игнорируют полученный фрейм и ожидают приема очередного командного фрейма. Команда может быть