Структурное развитие систем автоматизации экспериментов. Эволюция структур.

Структурное развитие систем автоматизации экспериментов

Развитие средств автоматизации экспериментов в зна­чительной степени определяется возможностями микро­электроники, при этом можно выделить сле­дующие типы систем (Рис 9.3).

1.Специализированные информационно-измерительные (ИИС) и информационно-управляющие системы (ИУС) с блочной структурой и радиальными связями создава­лись аппаратурно в виде набора блоков. Вывод результа­тов осуществлялся на устройства печати, графопостроите­ли и перфоленты. Позже их стали соединять с ЭВМ для прямой передачи результатов измерений на обработку. Это, по существу, были специализированные автоматы со средствами измерения и регистрации. В отдельных слу­чаях создавали измерительно-регистрирующие центры на основе общих блоков памяти и средств вывода данных, получаемых от одного или нескольких мест измерения . Произвольные радиальные связи блоков приводили к усложнению таких систем и увеличению затрат на разработку индивидуальных приборных интерфейсов. Поэтому начали использовать магистраль данных, но с радиальным управлением выборкой. В дальнейшем стали разрабаты­вать специальные средства сопряжения (адаптеры) изме­рительных и управляющих устройств с ЭВМ. Приборные подсистемы выделяли в виде измерительных станций, соединяемых дискретными каналами с ЭВМ (центром обработки), от которых использовали выносные термина­лы (Рис. 9.3,а).

2. Измерительные и управляющие системы на основе интерфейса ЭВМ стали создавать в связи с массовым вы­пуском мини-ЭВМ, которые приблизили к отдельным экспериментам. Малые размеры ЭВМ позволили исполь­зовать центральный процессор (ЦП) в качестве управля­ющего устройства измерительно-вычислительных (ИВК) и управляющих (УВК) комплексов, а стандартную пери­ферию— для регистрации и выводов результатов (пе­чать, перфоратор, дисплеи, магнитные диски и ленты). Приборные устройства при этом сопрягали непосредст­венно с каналами ввода-вывода мини-ЭВМ.

Сопряжения были (рис. 9.4) зависимыми от используемого конкретно типа ЭВМ и подразделялись на:

а) радиальные (СМ-1, СМ-2, НР 2100 и др);

б) сопряжения с двумя отдельными магистралями для блоков ЗУ и периферии (NОVА, РDР-8 и др.);

в) сопряжения с общей магистралью для памяти и всех устройств (РDР-11, СМ-4, Электроника-60 и др.).

Однако разнообразие типов ЭВМ не позволяло созда­вать совместимых приборных подсистем, число которых катастрофически возрастало, что приводило к огромным неоправданным затратам. Возникла проблема создания специальных не зависящих от типа ЭВМ приборных ин­терфейсов для систем различного быстродействия.

Наибольшее распространение получили системы на ос­нове общей магистрали мини-ЭВМ типа СМ-4 и совме­щенной магистрали (для адресации и данных) микро-ЭВМ типа “Электроника-60”. В СССР также получили рас­пространение управляющие вычислительные машины (УВМ) и комплексы (УВК), представляющие собой ми­ни-ЭВМ, ориентированные на задачи управления измере­ниями и сбором данных. Преимуществом таких систем яв­ляется прямая связь приборов с ЭВМ и использование стандартного программного обеспечения ЭВМ, а недостат­ком — несовместимость разных типов ЭВМ и систем.

3. Системы на основе специальных приборных интер­фейсов, не зависящих от типа ЭВМ, сопрягаемых с мини-ЭВМ, решили проблему совместимости средств измере­ния и управления в системах. Наибольшее распростране­ние в международной практике получили не зависимые от типа ЭВМ системы с байтовой магистралью типа НР (фирмы НР) и параллельные магистрально-модульные системы, удовлетворяющие международ­ным стандартам КАМАК. Байтовые интерфейсы встраи­вали в приборы и соединяли магистральным кабелем связи с ЭВМ, что позволило обеспечить системную со­вместимость существующих приборов невысокого быстро­действия с различными типами ЭВМ. Модульные систе­мы на основе ЭВМ ориентированы на создание банков совместимых модулей (например, КАМАК) различными организациями и странами, имеющими стандартный ин­терфейс выхода на магистраль секции параллельного ти­па (до 24 разрядов) для быстрых систем сбора и управ­ления.

Рис. 9.3. Системы автоматизации на основе ЭВМ: а — измерительные ИИС и управляющие ИУС системы с аппаратурной реализа­цией; б — системы с индивидуальным сопряжением на основе мини-ЭВМ; в - магистральные информационно-измерительные системы со стандартным сопря­жением; г — многопроцессорные магистральные модульные системы распреде­ленного управления и обработки; ИМ — измерительные модули; УМ — управля­ющие модули; Т —терминал; ОУ — объект управления; МП — микропроцессор; ПЛ — перфолента; Д —датчики

В СССР такие системы на основе мини-ЭВМ по­лучили название измерительно-вычислительных комплек­сов (ИВК). В качестве основного типа мини-ЭВМ была выбрана серия программно-совместимых машин типа СМ-4. Появление большого парка микро-ЭВМ позволило поставить задачу создания микро-ИВК с теми же возможностями. С появлением микропроцессов начали соз­давать встраиваемые модули на их основе, возникли мо­дульные информационно-вычислительные системы (ИВС) в виде распределенных микропроцессорных структур.

4. Микропроцессорные распределенные информацион­но-вычислительные системы используют программно-со­вместимые серии процессоров, включая микропроцессоры, микро-ЭВМ и центральную мини-ЭВМ, мощность кото­рой существенно возрастает в связи с переходом с 16-разрядных процессоров на 32-разрядные. Производитель­ность микропроцессоров приближается к производитель­ности мини-ЭВМ предыдущего поколения. На повестке дня уже не стоит разработка 32-разрядных микропроцессоров. Поэтому возникает проблема создания гибких микропро­цессорных структур магистрально-модульного типа, наи­более согласованных с требованиями решаемых задач автоматизации, т. е. для малых систем невысокой произ­водительности использовать 8-разрядные процессоры, для средней 16-разрядные, а для высокой производитель­ности 32-разрядные процессоры.

Для разного быстродей­ствия системы ориентируют на разную технологию: для низкого быстродействия КМОП, для среднего — ТТЛ, для высокого —ЭСЛ и ТТЛШ. Одновременно разрабаты­вают различные интерфейсы последовательного и парал­лельного типов с арбитражем магистрали для работы многих процессоров.

Новые модульные системы (Р-896, УМЕ, ФАСТБАС) включают как параллельный интерфейс для основных задач, так и последовательный интерфейс для контроля, инициирования сложных систем, диагностики и решения вспомо­гательных задач.

Во многих современных ИВС применяют стандар­ты типа НР (с байтовым кабельным интерфейсом) и КАМАК (с параллельным интерфейсом на магистраль секции). При этом малые ИВС иногда используют с мик­ро-ЭВМ в бездисковом варианте (резидентное програм­мное обеспечение), средние ИВС представляют собой обычно дисковые системы реального времени, а большие ИВС содержат несколько ЭВМ, объединяемых в сложные комплексы.

Микро-ЭВМ, входящие в состав измерительной и управляющей аппаратуры, работают с мини-ЭВМ в режиме разделения времени. Получает развитие новый класс систем, использующий много процессоров (ан­самбль) для автоматизации одного эксперимента. При этом используют встраиваемые процессоры без перифе­рии, работающие под управлением центральной ЭВМ

Рис. 9.4. Эволюция структуры измерительных и вычислительных систем: а — радиальная структура связей ИИС, ИУС и мини-ЭВМ; б — магистраль об­мена данными в ИИС, ИУС и ЭВМ; в — общая магистраль данных, адресов и управления для ИИС и ЭВМ; А — адаптеры сопряжения; УУ — устройство управления; ИМ — измерительные модули; УМ — управляющие модули; ЗУ — запоминающее устройство; УВВ — устройство ввода-вывода; ПР — процессор; ВЗУ — внешнее запоминающее устройство.

. Другое направление развития — терминальные ИВС для измерения и управления, выполняемые в виде выносных рабочих станций с терминалом, имеющие доступ к файлам центральной ЭВМ. С развитием микропроцессоров и мик­ро-ЭВМ оказывается возможным создавать достаточно мощные системы сбора и анализа данных из набора отно­сительно дешевых средств. По существу с развитием мо­дульных систем, включающих наряду с параллельным и последовательный канал связи, решается проблема соз­дания локальных сетей модульных ИВС в экспериментах.

Важным качеством таких распределенных модульных систем является совместимость компонентов, основанная на использовании унифицированных аппаратурных и про­граммных средств, при этом различают следующие требо­вания к совместимости систем:

1) информационные, обеспечиваемые стандартизацией интерфейсов;

2) программные, обеспечиваемые выбором средств программирования (языков, операционных систем и прикладного программирования в реальном масштабе време­ни);

3) энергетические, основанные на унификации источ­ников питания;

4) конструктивные, включающие стандартизацию сек­ций (крейтов), модулей (блоков) и соединителей (разъ­емов);

5) метрологические, предполагающие единство средств измерения, обеспечивающих расчет характеристик с уче­том аппаратурных и программных средств;

6) электрические, использующие типовые методы пере­дачи и приема сигналов согласно стандартному протоко­лу связи.

Первые типовые ИВК были предназначены для авто­матизации общефизических экспериментов (ИВК-1, ИВК-2), для оптических приборов в задачах спектроско­пии (ИВК-3), для геофизических задач (ИВК-5) и др.

9.2.Физико-технические проблемы автоматизации научных исследований

При разработке систем автоматизации необходимо учитывать физико-технические возможности создания средств, что можно свести к следующим основным вопро­сам:

1) элементная база (технология), определяющая по­тенциальное быстродействие, надежность, потребляемую мощность, радиационную стойкость, функциональные воз­можности, габаритные размеры и другие характеристики разрабатываемых устройств;

2) унификация уровней взаимодействия и связи устройств, стандартизация их сопряжения, передача сиг­налов и сообщений;

3) функциональное магистрально-модульное построение систем в зависимости от выбора конструктивов и соеди­нителей для выполнения электронного оборудования до общей структуры и организации систем;

4) энергетические проблемы (питание, разводка), ох­лаждение аппаратуры до рабочей температуры и др.

Развитие микропроцессоров показало, что они, как и мини-ЭВМ, достигают возможностей больших ЭВМ предшествующих поколений. Уже широко применяются в экспериментах как мини-ЭВМ, имеющие 32 раз­ряда (например VАХ-11, IBM PC США),так и микропроцессоры такой же разрядности. При этом очень важен вопрос использования программно-совместимых се­рий микропроцессоров, микро- и мини-ЭВМ для совместно­го использования средств в единых системах.

6. Реализация программного обеспечения системы автоматизации экспериментов в SCADA TRACE MODE с использованием компонентных технологий.

   Реализация программного обеспечения системы автоматизации экспериментов в SCADA TRACE MODE с использованием компонентных технологий

Разработка программного обеспечения современных систем автоматизации экспериментов (САЭ) на электрофизических установках представляет собой сложную и неоднозначную задачу. Ведь в создании данного ПО имеется ряд существенных особенностей: неоднородность потоков информации, отсутствие заданного технологического регламента работы, наличие сложных форм визуализации потоков информации. Все это предполагает альтернативный подход к решению данной задачи. Рассмотрим один из вариантов реализации СЭА в SCADA TRACE MODE с использованием компонентных технологий.

Система автоматизации экспериментов (САЭ) на термоядерной материаловедческой установке КТМ, проектируемой в настоящее время в Национальном ядерном центре Республики Казахстан, имеет трехуровневую структуру, представленную на рис. 1. Нижний уровень (уровень I) системы управления включает в себя малоканальные контроллеры, выполняющие задачи управления отдельными блоками и агрегатами технологических систем, системы цифрового управления источниками питания электромагнитной системы, а также модули сбора данных диагностических систем. Средний уровень (уровень II) включает промышленные контроллеры и компьютеры, обеспечивающие координацию работы контроллеров первого уровня в рамках технологической подсистемы и их синхронизацию в ходе эксперимента. 

Рис. 1. Структурная схема системы автоматизации токамака КТМ

Верхний уровень (уровень III) САЭ токамака КТМ включает в себя:

к многотерминальный пульт главного оператора КТМ, который состоит из пульта общего управления экспериментом, пульта оператора технолога и пульта ведущего физика, обеспечивающих визуализацию на мнемосхемах параметров технологических систем и результатов физического эксперимента;

- панель коллективного пользования (ПКП), на которой отображается мнемосхема комплекса установки КТМ, выполняется предупредительная и аварийная сигнализация, а также представляются основные параметры эксперимента;

- стойка серверов информационно-измерительной системы (ИИС). 

Основными функциями третьего уровня СУТП являются: объединение в одну управляющую систему всего технологического оборудования КТМ; обработка, регистрация, представление технологической и экспериментальной информации на графических мнемосхемах и ее документирование; анализ аварийных ситуаций, формирование сообщений предупредительной сигнализации, отработка алгоритмов общей аварийной защиты КТМ. 

Общая структурная схема программного обеспечения системы показана на рис. 2 и состоит из следующих основных частей: программное обеспечение технологических и диагностических подсистем I уровня, программное обеспечение ЭВМ стойки СУТП, осуществляющей общее управление процессом вакуумно-технологической подготовки, программное обеспечение ЭВМ стойки СУП для управления плазменными процессами и источниками питания электромагнитной системы (ЭМС), программное обеспечение ЭВМ стойки системы синхронизации и противоаварийной защиты (СС и СПЗ), выполняющей координацию работы систем управления, их синхронизацию, а также функции защит и блокировок по комплексу в целом. 

Важное место в структуре программного обеспечения САЭ занимает ПО верхнего уровня, поэтому уделим особое внимание макетированию функций, решаемых на данном уровне, и механизмов межуровневой передачи данных. 

Разработка программного обеспечения современных систем автоматизации экспериментов (САЭ) на электрофизических установках представляет собой сложную задачу, успешное решение которой определяется многими факторами. В качестве наиболее значимых из них можно выделить:

- соответствие принятой на этапе технического проектирования САЭ архитектуры программного обеспечения системным требованиям;

- качество организации процесса разработки программного кода с возможностью контроля результатов разработки и их верификации;

- эффективность применения современных технологий программирования и специальных средств разработки, выбранных для реализации программного обеспечения системы.

Настоящая статья посвящена третьему из названных факторов, а именно, рассмотрению вопросов повышения эффективности использования SCADA-системы TRACE MODE, как специального средства разработки программного обеспечения автоматизированных систем, при реализации САЭ термоядерной установки типа токамак. За критерий эффективности в этом случае принято следующее выражение:

(1)

где Nc.p. - количество различных средств разработки и программных технологий, используемых при реализации программного обеспечения САЭ;

Nф.з. - количество функциональных задач системы, реализованных этими средствами.

Обеспечить минимум критерия (1), достигаемый при Nc.p. = 1 в случае САЭ, затруднительно, поскольку САЭ электрофизической установки, как отмечается в [1], характеризуется в отличие от АСУ ТП такими особенностями, как: отсутствие заданного технологического регламента работы, неоднородность потоков информации, циркулирующих в системе, и наличие сложных форм визуализации экспериментальных данных. Названные особенности САЭ заставляют разработчиков программного обеспечения наряду с классическими средствами SCADA-систем обращаться к использованию дополнительных инструментов, например, интерпретаторов командных языков, программ символьного анализа, ОС и СУБД реального времени, систем обработки и визуализации многомерных данных и результатов измерения быстропротекающих процессов. Следствием этого является существенное усложнение и удорожание всего программного комплекса САЭ.

Рис. 2. Архитектура программного обеспечения САЭ токамак КТМ

Авторами статьи принят альтернативный подход к разработке программного обеспечения САЭ, который предполагает расширение функциональных возможностей SCADA-системы TRACE MODE, как основного средства программирования алгоритмов управления технологическими процессами экспериментального комплекса, на основе применения компонентных технологий ActiveX и ОРС.

ActiveX-технология в данном случае рассматривается как гибкое средство, позволяющее практически неограниченно развивать пользовательский интерфейс оператора САЭ. Причем необходимость написания собственных ActiveX-объектов может быть сведена до минимума при условии приобретения стандартных библиотек ActiveX-компонентов, специально ориентированных на решение задач автоматизации, например, таких как Iocomp Instrumentation Components (“Iocomp Software”, Канада) или ComponentWorks (“National Instruments”, США). 

OPC-технология, в свою очередь, рассматривается как средство развития возможностей SCADA-системы по обработке неоднородных потоков данных, а также как средство интеграции SCADA с программируемыми приборами, встроенными элементами управления и специализированными контроллерами с магистрально-модульной архитектурой (выполненными в стандарте VME, CAMAC), число которых в составе САЭ достаточно велико.

Остановимся более детально на рассмотрении проблем реализации визуальных форм пользовательского интерфейса для пультов САЭ с использованием ActiveX-компонентов и интеграции этих компонентов в SCADA-систему TRACE MODE. Следует отметить, что такой акцент в данном случае сделан не случайно и вызван повышенными требованиями, предъявляемыми в САЭ к функциям визуализации экспериментальных данных, как после экспериментальной обработки, так и в реальном масштабе времени при проведении экспериментов. Кроме этого, в состав средств отображения информации САЭ входит ряд пультов и панелей коллективного пользования (ПКП), различных по своему функциональному назначению, отличающихся составом и формой представления выводимой информации и обеспечивающих одновременную совместную работу операторов САЭ и ученых-исследователей по управлению экспериментальным комплексом и выполнению программы эксперимента. Следовательно, программное обеспечение пультов составляет существенную часть всего программного комплекса САЭ, которая фактически определяет эксплуатационную эффективность системы, и упрощение ее разработки является весьма актуальным.

Рис.3. Размещение средств отображения информации в пультовой САЭ

Размещение средств отображения информации в пультовой САЭ показано на рис. 3. 

Пульт оператора-технолога предназначен для наблюдения за процессами вакуумно-технологической подготовки камеры токамака к экспериментам. Для создания графического интерфейса этого пульта достаточно использования базовых возможностей TRACE MODE. 

Пульт ведущего физика используется для отображения в паузах между плазменными разрядами результатов эксперимента, часть которых представлена функциями, зависящими как от пространственных, так и от временных координат. 

Особое значение в САЭ имеет пульт общего управления экспериментом. Данный пульт используется главным образом в пусковом режиме работы установки, в течение которого инженер-исследователь должен иметь возможность на основе анализа комплексной информации о состоянии технологических систем и параметрах плазменных процессов оперативно вводить изменения в программу эксперимента, контролировать готовность подсистем САЭ к экспериментам, в интерактивном режиме вводить команды пуска и остановки плазменных разрядов. 

ПКП предназначены для вывода обобщенной информации о ключевых параметрах технологических систем комплекса, результатов анализа аварийных и предаварийных ситуаций, целевых и достигнутых параметрах плазмо-физических процессов. 

При разработке графического интерфейса пультов естественным является стремление применить единый инструментарий - TRACE MODE 5, что позволит сократить объем подготавливаемых визуальных форм отображения, обеспечит гибкость при компоновке и унификацию мнемосхем как в пределах графического пространства одного пульта, так и для группы пультов САЭ.

Рис.4. Active- X форма и компонент 3D graph

Далее рассмотрим процесс подготовки и включения ActiveX -объектов в графическое пространство TRACE MODE и покажем приемлемость этого решения для визуализации трехмерной функции распределения плотности тока Jp(R,z) по сечению плазменного шнура. В качестве базового при этом взят визуальный компонент 3DGraph из библиотеки ComponentWorks (рис. 4), который предоставляет трехмерное графическое ядро и позволяет строить 3D графики. Чтобы упростить разработку ActiveX-приложений, должна быть выбрана программная платформа, которая позволяла бы модифицировать базовые компоненты ActiveX, вне зависимости от среды разработки. В качестве такой платформы выбрана система программирования Delphi фирмы Borland, обеспечивающая гибкий механизм создания визуальных компонент ActiveX в специально созданной для этих целей среде программирования, называемой DelphiActiveX (DAX) [2].

Механизм создания ActiveX-компонент в среде DAX включает пять этапов. Подключение созданного средствами DAX-компонента 3D_Plot к TRACE MODE выполняется с помощью редактора представления данных (РПД), который позволяет разместить на экране проекта ActiveX-компонент из состава зарегистрированных в системе. При установке компонента автоматически открывается его страница свойств, в которой выполняется привязка свойств компонента к каналам TRACE MODE и выбирается направление передачи данных: привязка типа ВХОД - значение свойства канала передается свойству компонента; привязка типа ВЫХОД - значение свойства компонента передается свойству канала (рис. 5). На рис. 6 показан результат выполнения компоненты 3D_Plot в режиме эмуляции проекта TRACE MODE.

Рис. 5. Этап редактирования свойств в Trace Mode

Общая структурная схема программного комплекса САЭ подробно рассмотрена в [1]. С целью проверки работоспособности созданного компонента в условиях САЭ выделены основные элементы программной структуры, обеспечивающие получение, передачу и отображение измерительной информации. Схема взаимодействия этих программных элементов показана на рис. 7. Сервер архивирования и доступа к оперативным данным функционирует под управлением операционной системы Linux с ядром, модифицированным для решения задач реального времени. Назначение сервера заключается в координации информационных потоков между ЭВМ верхнего уровня САЭ и подсистемами управления технологическими процессами и диагностическими комплексами информационно измерительной системы. Программное обеспечение сервера сбора данных состоит из двух частей: часть, взаимодействующая с технологическими и диагностическими подсистемами через внешние порты, и часть, обеспечивающая обмен информацией с ЭВМ верхнего уровня, к которым, в частности, относятся и ЭВМ операторских пультов. 

Промежуточным звеном между этими частями выступает динамическая база данных технологической и диагностической информации, размещаемая в оперативной памяти. Эта область памяти циклически обновляется в результате информационного обмена сервера доступа к оперативным данным с подсистемами управления и диагностики. Программное обеспечение сервера выполняет предварительную обработку получаемой измерительной информации и вычисление результатов косвенных измерений. Так, в частности, на основе результатов измерения внешнего магнитного поля плазмы вычисляются параметры профиля плотности тока Jp(R,z) в сечении плазменного шнура. Полученные при этом значения плотности тока плазмы в виде двумерного массива передаются в МРВ TRACE MODE, работающий на ЭВМ пульта общего управления. Так как прямой информационный обмен МРВ и сервера архивирования невозможен, для решения этой задачи выполнена разработка дополнительного программного модуля, называемого транслятор запросов.

Рис. 6. Выполнение компонента в режиме эмуляции

Транслятор запросов выполняется на клиентской машине и преобразует программные запросы, поступающие от мониторов реального времени TRACE MODE, в формат, удобный для последующей передачи, по сетевому протоколу TCP/IP к серверу доступа к оперативным данным. В свою очередь, для передачи данных между транслятором и МРВ TRACE MODE используется протокол DDE, поддерживаемый TRACE MODE. 

Важно отметить, что необходимость использования транслятора запросов отпадет при переходе на TRACE MODE версии 6, в которой для организации сетевого обмена будет использоваться транспортный протокол TCP/IP [3]. Поступающие в МРВ от транслятора запросов данные пересылаются в базу каналов TRACE MODE. Затем 3D_Plot-компонент отрабатывает поступающие из каналов МРВ значения, в результате чего происходит построение зависимости Jp(R,z) и ее перерисовка в темпе изменения плазменного процесса.

В результате проведенных испытаний программного комплекса, построенного в соответствии со схемой, показанной на рис. 5, была подтверждена работоспособность ActiveX-компонент совместно с монитором реального времени TRACE MODE. 

Достигаемые при этом характеристики по скорости перерисовки форм и качеству графического представления данных измерения многомерных функций удовлетворяют системным требованиям. Повышение эффективности применения TRACE MODE достигается в данном случае за счет совмещения в общем графическом пространстве пульта общего управления экспериментом и пульта ведущего физика, а также панелей коллективного пользования как параметров технологических систем экспериментального комплекса, так и параметров плазмо-физических процессов. При этом исключается необходимость в использовании специализированных программ обработки и визуализации экспериментальных данных.

Рис. 7. Схема взаимодействия основных программных элементов САЭ