III ЛЕКЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС
Лекция №1-2. Обобщенная архитектура прикладной составляющей программного обеспечения систем управления.
Тенденции развития прикладной составляющей программного обеспечения систем управления. Современные подходы в разработке, использование готовых компонентов. Компоненты каркаса пользовательского интерфейса. Концепция открытой модульной архитектуры.
Жизненный цикл изделия и программные средства его поддержки Современное производство сложных изделий машиностроения подразумевает согласованную работу многих предприятий. Для обеспечения согласованной работы всех предприятий, участвующих в проектировании, производстве, реализации и эксплуатации изделий, используется соответствующая информационная поддержка этапов жизненного цикла изделий. Такая поддержка и компьютерное сопровождение жизненного цикла изделия получили название CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support). Назначение CALS-технологий - обеспечивать представление необходимой информации в нужное время, в нужном виде, в конкретном месте любому пользователю на всех этапах жизненного цикла изделия. Внедрение CALS-технологий в ближайшие годы станет необходимым условием выживания промышленных предприятий при существующей жесткой конкуренции товаров на международных инациональных рынках.
Рис. 1 Этапы жизненного цикла промышленных изделий и системы их автоматизации, применительно к производствам на базе PLC.
В современных условиях участниками жизненного цикла конкретного изделия могут быть юридически и территориально не связанные друг с другом предприятия. CALS-технологии призваны служить средством, интегрирующим существующие на предприятиях автоматизированные системы обработки информации в единую функциональную систему. Главная задача создания и внедрения CALS-технологий - обеспечение единообразных описаний и смысловой интерпретации данных независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей масштабы вплоть до глобальных. CALS-технологии не отвергают существующие автоматизированные системы обработки информации (САПР, АСТПП, АСУ, АСУП и др.), а служат средством их интеграции и эффективного взаимодействия. При этом структура проектной, технологической и эксплуатационной документации, понятийный аппарат и языки представления данных должны быть стандартизованы. Следует отметить, что технические средства, используемые в CALS, не являются специфическими, предназначенными только для CALS-технологий. Специфическими являются прежде всего средства лингвистического, математического и программного обеспечения CALS, а также международные CALS-стандарты, регламентирующие средства информационного и методического обеспечения. Основные типы автоматизированных систем обработки информации в CALS, используемых в жизненном цикле изделия, представлены на рисунке.
САЕ - Computer Aided Engineering (автоматизированные расчеты и анализ);
CAD - Computer Aided Design (автоматизированное проектирование);
САМ - Computer Aided Manufacturing (автоматизированная технологическая
подготовка производства);
PDM - Product Data Management (управление проектными данными);
ERP - Enterprise Resource Planning (планирование и управление предприятием);
MRP-2 - Manufacturing (Material) Requirement Planning (планирование
производства);
MES - Manufacturing Execution System (производственная исполнительная
система);
SCM - Supply Chain Management (управление цепочками поставок);
CRM - Customer Relationship Management (управление взаимоотношениями с
заказчиками);
SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition (диспетчерское управление
производстветнтыми процессами);
CNC - Computer Numerical Control (компьютерное числовое управление);
S&SM - Sales and Service Management (управление продажами и обслуживанием);
СРС - Collaborative Product Commerce (совместный электронный бизнес).
Интересующими нас этапами в жизненном цикле изделия являются его проектирование и производство (Рис. 1). Применяемые на этих этапах современные технологии и инструменты (CAE, CAD, CAM, PDM, MES и прочие) являются залогом того, что производство будет эффективным, и изделие качественным и востребованным.CAM, ERP, SCADA и другие инструментальные средства обладают универсальностью, т.е. применимы к широкому кругу производственных задач. В связи с этим возможно выделить уровень систем и приложений более близкий к специфике задач производства и используемому на нем оборудованию. Такое программное обеспечение будет иметь прикладной характер по отношению к производственному процессу.
В настоящее время широкое распространение получили производства (например, деревообработка, полиграфия, сборочные и упаковочные линии), в которых управление производственными процессами реализовано на базе программируемых логических контроллерах (PLC). На таких производствах важную роль играет программное обеспечение, которое используется для компьютерного оборудования на этапах проектирования, подготовки производства и производства. На этих этапах выполняются прикладные задачи создания программ управления электроавтоматикой, настройки аппаратных средств, организации предоставления данных для систем более высокого уровня (SCADA, ERP,MES) и прочее. Программное обеспечение, выполняющее задачи этого уровня называют прикладным программным обеспечением или прикладнойсоставляющей систем управления.
Примеры CAD/CAM/CAE линейки продуктов: |
Autodesk (Autodesk, Inc); SolidWorks (SolidWorks Corp США); Delcam (Power Solution Великобртания). |
Примеры PDM систем: |
PLM Windchill (Parametric Technology Corporation) SWR-PDM (SolidWorks Corp) |
Казахстанские: |
T-FLEX DOCs (Топ системы) APPIUS PDM (1С:PDM) |
И прочие описания доступны в интернете по ключевым словам Современные тенденции построения систем управления электроавтоматикой опираются на следующие особенности:
Аппаратная база предполагает использование технологических и стоимостных
преимуществ персональных компьютеров;
Программная реализация использует все достоинства
объектно-ориентированного и компонентного подходов;
Пользовательский интерфейс имеет стандартное оконное представление;
Технологу-программисту предоставляются удобные средства для разработки
управляющих программ;
Система управления предполагает своё внедрение в работу систем по управлению производством.
Представленные особенности имеют отражение в проектировании и разработке программного обеспечения для систем управления.
Вопросы:
1.Что означает CALS-технологии?
2. В чём заключается главная задача создания и внедрения CALS-технологий?
3.Жизненный цикл изделия и программные средства его поддержки.
4.Этапы жизненного цикла промышленных изделий и системы их автоматизации, применительно к производствам на базе PLC.
5.Назовите основные типы автоматизированных систем обработки информации в CALS.
Лекция №3-4. Обобщенная архитектура систем управления электроавтоматикой. На сегодняшний день обобщенную архитектуру модулей систем управления электроавтоматикой можно представить в следующем виде (Рис. 2). В представленном виде (схематично) выделяются: прикладная часть, ядро системы управления и аппаратное обеспечение производства (последнее не является программными модулями системы управления). Для взаимодействия прикладной части и ядра системы управления используется ряд программных технологий (OPC, DDE, API, COM/DCOM) и ряд сетевых технологий (TCP/IP, Profibus, CANopen и т.п.). Соответственно программные технологии используются для организации программного взаимодействия между компонентами системы вне зависимости от их локального или распределённого расположения. Сетевые технологии применяются для организации взаимодействия компонентов распределенных на нескольких ПК, связанных сетью, а также для организации взаимодействия приложений системы, выполняемых на ПК, с компонентами ядра, расположенных на PLC.
Рис.
2 Обобщенная архитектура систем управления
электроавтоматикой
Характеристики современного процесса разработки прикладной составляющей электроавтоматики Процесс разработки прикладных компонентов систем управления электроавтоматикой обладает своей спецификой. Стоит отметить, что более 80% от объема разрабатываемого кода, приходится исключительно на реализацию компонентов прикладной составляющей. С учётом этого и поскольку интерес к развитию и расширению функций прикладной составляющей неуклонно растёт (в частности, к HMI и средствам взаимодействия с MES и ERP системами), появляются фирмы, специализирующиеся на разработке унифицированного прикладного программного обеспечения. Лидером в этой области является разработчик систем управления Smart Software Solutions – 3S, прикладные компоненты ее продукта CoDeSys применяются в системах управления электроавтоматикой TwinCAT (Beckhoff) и IndraLogic (система управления электроавтоматикой, реализованная на основе информационной системы IndraWorks производителя Bosch Rexroth). TwinCAT PLC Control – редактор управляющих программ поддерживают все 5 стандартных языков программирования логических контроллеров МЭК61131-3. В основу редакторов TwinCAT положен программный продукт CoDeSys фирмы 3S, который Beckhoff использует по лицензионному соглашению.
Таким образом, разработчикам систем управления чаще выгоднее приобрести некоторые готовые и зарекомендовавшие себя прикладные средства, чем вкладывать средства и ресурсы на разработку своих собственных аналогов. Это так же даёт возможность сосредоточить усилия на разработке ядра системы или каких-либо специализированных уникальных прикладных средств.
Растущие требования к эргономичности пользовательского интерфейса, которые
предполагают реализацию функций, специфичных скорее офисным приложениям, также не остались без внимания. На рынок выходят новые фирмы, предлагающие компоненты для реализации элементов пользовательского оконного интерфейса, такие как Lidor Systems (продукты LidorSystem.Collector и IntegralUI TreeVeiw), TheUltimateToolbox (продукты Ultimate Toolbox 2005, Ultimate Grid, Ultimate TCP/IP) и Divelements Limited (продукты SandRibbon, SandGrid, SandBar, SandDock, Eyefinder, Navisight). Заказчики или производители систем автоматизации могут использовать аппаратное обеспечение СУ различных производителей. Это важно, например, при модернизации производства, когда новая система управления должна уметь взаимодействовать с уже использующимися и зарекомендовавшими себя контроллерами. Ключевое слово “открытая архитектура” наиболее полно раскрывает потенциал новых функциональных возможностей систем электроавтоматики. Важнейшие из них:
Конфигурирование (настраивание);
Внедрение покупных программных продуктов;
Эволюция систем управления;
Доступ к информации;
Стандартизация пользовательских интерфейсов;
Включение системы в сетевую коммуникационную среду.
Обобщенно открытую архитектуру прикладного программного обеспечения можно представить нижеследующим образом (Рис.3).Центральное место в архитектуре занимают компоненты, реализующие интеграцию, т.е. взаимодействие и обмен данными между компонентами различных групп, как собственных, так и сторонних разработчиков. Сторонние разработчики поставляют с одной стороны, компоненты, специализированные для реализации пользовательского интерфейса (слева на Рис. 3), с другой стороны, прикладные компоненты инструментария для разработки программ PLC (справа), и прикладные компоненты драйверов и управления контроллера (снизу). В каждой из этих областей присутствуют фирмы-лидеры со своими готовыми компонентами. Для создания прикладного программного обеспечения, на основе наиболее подходящих разработок от ведущих производителей необходимо реализовать компоненты интеграции.
Рис. 3 Обобщенная архитектура открытого прикладного ПО электроавтоматики Главная роль компонентов интеграции – это обеспечение взаимодействия компонентов, реализация конфигурирования их набора и преобразование данных, необходимых для обмена между компонентами. Примером системы управления, которая реализует подобную архитектуру, является IndraLogic, а также отчасти CoDeSys и TwinCAT. Как говорилось выше, IndraLogic реализована на базе информационной системы IndraWorks, которая в свою очередь использует компоненты пользовательского интерфейса DDPFramework.В качестве инструментальных средств разработки используются редакторы управляющих программ контроллеров программного продукта CoDeSys. А со стороны аппаратного обеспечения применяются контроллеры нового поколения IndraLogic L20, L40, контроллеры на базе ПК IndraLogic VE, VP, VS. Использование представленной открытой архитектуры прикладной составляющей в системах управления имеет ряд преимуществ, как для разработчиков, так и для потребителей:
Разработчики системы управления не тратят определённые ресурсы, т.е.
снижаются затраты, на разработку типичных элементов пользовательского интерфейса и зарекомендовавших себя в области систем управления элементов управления, типичных для задач прикладной области (например, редакторов УП, конфигураторов сетевых подключений и т.п.);
Разработчики имеют возможность определения требуемого набора компонентов и реализуемых ими задач, на ранних стадиях проектирования прикладной составляющей;
Разрабатываемая система получается открытой и расширяемой для
разработчиков программного обеспечения, производителей систем автоматизации
и для конечных потребителей;
Сокращается время выпуска новой системы;
Потребители получают возможности для расширенной настройки пользовательского интерфейса.
Наряду со всеми преимуществами разработки систем с открытой архитектурой, также присутствуют и проблемные области. Основной из них является интеграция
программных компонентов. На данный момент отсутствует единая глобальная концепция внедрения компонентов от различных производителей в состав разрабатываемого прикладного программного обеспечения.
Вопросы:
Прикладное программное обеспечение СУ. Место в обобщенной структуре программного обеспечения СУ.
Обобщенная архитектура прикладной составляющей программного обеспечения СУ.
Тенденции развития архитектуры прикладной составляющей программного обеспечения СУ. Современные подходы в разработке и использовании готовых компонентов обеспечения СУ.
Лекция №5-6. Базовые элементы платформы приложений су для построения интерфейса пользователя. Концепция открытой модульной архитектуры в приложениях прикладного программного обеспечения
Базовые элементы платформы для построения интерфейса пользователя.
Специализация элементов управления в пользовательском интерфейсе приложений систем управления. Общие элементы управления. Специфичные для задач элементы управления. Управление и настройка в пользовательского интерфейса. В функциональности прикладной составляющей электроавтоматики выделены две области программных компонентов. Первая область - это компоненты окружения, вторая - прикладные компоненты. Компоненты окружения предоставляют механизмы для организации совместной работы прикладных компонентов и механизмы управления ими в рамках единой системы. С помощью компонентов окружения программно связываются компоненты прикладных задач, осуществляется настройка на конкретную платформу исполнения и происходит настройка (конфигурирование) набора прикладных задач. Они предоставляют главное окно приложения и размещаемые в нём рабочие области: меню, панелей инструментов, окна документов, строки состояния, плавающие окна для инструментария и механизмы управления, диалоги настроек этих элементов. Прикладные компоненты реализуют задачи управления электроавтоматикой. Они осуществляют функциональное наполнение прикладных приложений, используя предоставляемые окружением сервисы и функции для взаимодействия с другими
компонентами. Исходя из функционального назначения, компоненты окружения разделим на три подгруппы:
каркас системы обеспечивает общие механизмы работы компонентов в единой среде исполнения. Эти компоненты определяют правила организации элементов управления (работа с документами, способ передачи фокуса и функции для активизации окон, реализации пунктов меню, панелей инструментов и т.п.), правила взаимодействия и совместной работы компонентов системы (базовые функции для взаимодействия компонентов);
конфигурирование системы позволяет производить настройку состава
компонентов системы управления без перекомпиляции исходных кодов. Таким
образом, конечный пользователь оперирует только тем набором компонентов,
который ему необходим.
расширенный интерфейс пользователя предоставляет свои интерфейсы для реализации общих для набора прикладных компонентов элементов управленияоператора.
Это предполагает использование дерева проекта, строки состояния, окна пользовательских настроек, библиотек устройств, галереи кнопок панели оператора и т.п. Рост вычислительных мощностей персональных компьютеров позволил сделать пользовательский интерфейс приложений эргономичным и удобным в использовании. Компоненты окружения могут быть применены в реализации приложений различной специализации, как офисной, так и промышленной. С другой стороны, компоненты окружения различных офисных приложений, которые уже отлажены и зарекомендовали себя, могут быть использованы для реализации прикладных приложений систем электроавтоматики. Важной характеристикой инструментария программных комплексов систем управления является переносимость на другие аппаратные платформы. Т.е. одни и те же прикладные компоненты, например задачи создания управляющих программ, должны исполняться на ПК, непосредственно на панелях станков или пультах управления автоматикой в условиях цеха, а так же в сетевых приложениях с удалённым доступом, например через Internet. Переносимость специализированных компонентов может быть достигнута путём реализации зависящих от платформы функций через компоненты окружения. Тогда при необходимости переноса на другие целевые платформы, изменению будут подвергаться только компоненты окружения.