7.2. Специальное программное обеспечение асутп

Специальным программным обеспечением [47] называют сово­купность программ, позволяющих реализовать функции АСУТП. Разработка специального программного обеспечения весьма длительна и требует больших затрат труда и материальных ресурсов. Поэтому обычно его разрабатывают для некоторого класса технологических объектов с возможностью настройки на конкретные параметры объекта без изменения программ. Для этой цели специальное программное обеспечение делят на две части: комплекс задач реального времени; совокупность задач генерации.

Комплекс задач реального времени предназначен непосред­ственно для реализации функций АСУТП. Совокупность задач генерации используют для настройки комплекса задач реаль­ного времени в соответствии с требованиями конкретного тех­нологического объекта управления.

Важнейшие требования к специальному программному обес­печению в АСУТП — быстрая реакция системы на события в технологическом процессе; возможность настройки в соответ­ствии с параметрами технологического объекта, составом и взаимосвязью технических средств в АСУ. Наиболее полно эти требования реализуются при использовании пакетов прикладных программ. Ими называют совокупность программ­ных модулей, предназначенных для реализации одной или не­скольких функций АСУТП и связанных общим внутренним ин­терфейсом. Комплекс задач реального времени. Под режимом реального времени понимают такой режим работы системы, когда она реагирует на события на технологическом объекте управления и (или) на команды оперативного персонала столь быстро, что это позволяет воздействовать на ход технологического процесса.

Для комплекса задач реального времени характерны:

взаимосвязь задач по управлению и информации;

функционирование в режиме реального времени;

интенсивный обмен информацией с технологическим объек­том;

интенсивный обмен информацией с оперативным персоналом (операторами-технологами, начальниками смен и т. п.).

Организация комплекса задач реального времени, соответ­ствующая этим основным характеристикам, приведена на рис. 7.3. В составе комплекса выделены подсистемы, компонуе­мые с использованием настраиваемых пакетов прикладных программ. Выделение подсистем выполнено по признаку близ­кого функционального назначения входящих в них задач. При этом учитывается используемый подсистемой математический аппарат, способ настройки соответствующего пакета приклад­ных программ, организация обмена данными внутри подсисте­мы, вид программной реализации.

Для АСУТП химико-технологических агрегатов можно вы­делить следующие подсистемы (рис. 7.3): ввода и первичной обработки информации; расчета комплексных показателей; представления информации; вычисления управляющих воздей­ствий; реализации управляющих воздействий.

В качестве общего системного интерфейса, объединяющего эти подсистемы, используется база данных реального времени

Рис. 7.3. Организация комплекса задач реального времени

Рис. 7.4. Обмен информацией с базой данных реального времени:

СУБД — система управления базой данных; БДРВ — база данных реального времени

(рис. 7.4). Она снабжена набором программных средств, обес­печивающих унифицированный доступ и изменение содержа­щейся в ней информации.

Все подсистемы, входящие в комплекс задач реального вре­мени, имеют выход на базу данных для чтения и записи ин­формации. Непосредственный обмен данными между подси­стемами не допускается. В то же время каждая из подсистем имеет свой внутренний локальный интерфейс, в рамках кото­рого может проводиться обмен информацией между задачами данной подсистемы. Кроме того, каждая из подсистем может в случае необходимости иметь свою локальную базу данных, используемую для реализации внутренних функций подсистемы.

Использование базы данных реального времени в качестве общесистемного интерфейса позволяет значительно упростить организацию взаимодействия между подсистемами. В комплекс задач реального времени могут быть включены новые функцио­нальные подсистемы (например осуществляющие связь с АСУ более высокого уровня), а существующие заменены и исклю­чены. Изменение состава функциональных подсистем не требу­ет перепрограммирования подсистем, не подвергающихся из­менению, т. е. возможно дальнейшее развитие специального программного обеспечения АСУТП.

Применение базы данных реального времени позволяет со­здавать как централизованные, так и децентрализованные си­стемы. При этом изменению подвергаются только программы, входящие в систему управления базой данных, а программы функциональных подсистем не меняются.

Понятие комплекса задач означает наличие взаимосвязи между задачами по данным и управлению. Связь по данным состоит в том, что информация, вырабатываемая одной зада­чей, может использоваться одной или многими другими задача­ми. Поскольку все они имеют выход на базу данных реального времени, то связь по данным осуществляется путем записи в нее информации (или считывания информации из нее).

Связь между задачами по управлению выражается в том, что одна задача может запускать другую, снимать ее с выпол­нения, приостанавливать или возобновлять ее выполнение. Для этой цели в комплексе задач реального времени используются данные типа «монитор». Данные этого типа в количестве, со­ответствующем числу взаимодействующих задач комплекса,, содержатся в базе данных.

Интенсивный обмен информацией с технологическим объек­том управления возникает ввиду необходимости обеспечить ре­жим работы в реальном масштабе времени и, следовательно, малое время реакции системы на изменение состояния объекта. За это время (обычно не превышающее десятых долей секун­ды) необходимо получить данные с объекта и обработать их, а затем выдать на объект управляющие воздействия и (или) сообщить о происшедшем изменении оперативному персоналу.

Элементом базы данных является технологическая перемен­ная (давление, температура и т. д.), принимающая различные значения в процессе функционирования объекта и отображаю­щая состояние технологического параметра. Любая технологи­ческая переменная характеризуется мгновенным значением, единицами измерения и достоверностью. Для представления ее в базе данных используют паспорт технологической перемен­ной.

Паспортом технологической переменной (или просто паспор­том) называют структуру данных, обладающую именем и со­держащую информацию, характеризующую технологическую переменную и методику ее получения. Имена паспортов долж­ны быть различны для однозначной их идентификации. Для хранения значений (имеющих смысл для любой технологиче­ской переменной) в паспорте выделяется постоянный элемент, называемый заголовком паспорта. Для большинства техноло­гических переменных используется изменяемый набор значе­ний, определяемых методикой их обработки (например, границы допустимых изменений технологической переменной, ее сред­нее значение, дисперсия и т. п.). Для хранения данных изме­няемого набора в паспорте предусмотрена последовательность элементов, называемых субблоками. Кроме самих значений пе­ременных субблоки содержат информацию о способе получе­ния этих значений, определяя тем самым программу обработки данной технологической переменной.

К базе данных, используемой для хранения информации (рис. 7.5), предъявляют следующие основные требования: ма­лое время доступа к данным; удобство организации доступа из программ; надежность хранения данных [30].

Необходимость малого времени доступа к данным вытекает из требования работы системы в реальном масштабе времени. Количество и состав контролируемых технологических перемен­ных процесса можно считать постоянным. Если необходимо из­менить число контролируемых технологических переменных, ис­пользуют систему генерации.

Значительное время тратится на передачу данных с внеш­них запоминающих устройств в оперативную память для обра­ботки и на обратную пересылку их после обработки. В связи с этим часто используемая информация из базы данных реаль­ного времени обычно хранится в оперативной памяти, что во много раз сокращает продолжительность доступа к данным.

Значительные потери времени обусловлены поиском данных, содержащихся в базе данных реального времени. В то же вре­мя большинство программ комплекса либо постоянно обраща­ются к одним и тем же данным, либо изменяют состав исполь­зуемых данных достаточно редко. Для решения этой проблемы применяют специальную организацию доступа к информации.

Рассмотрим использование базы данных для управления обработкой технологических переменных.

Каждая из подсистем, использующих базу данных реально­го времени как активный компонент, определяющий обработку технологических переменных, строится по одинаковой схеме (рис. 7.5). Заявки на обработку поступают к ведущей програм­ме, называемой интерпретатором заявок. Эти заявки бывают двух типов: детерминированные и стохастические. Детермини­рованные заявки поступают регулярно по времени и имеют по­стоянный состав обрабатываемых технологических переменных. Для них в базу данных включаются списки обработки, опреде­ляемые при генерации. При вызове интерпретатора заявок для выполнения детерминированной заявки он получает идентифи­катор такого списка обработки. Стохастические заявки харак­теризуются нерегулярностью поступления и непредсказуемым составом обрабатываемых технологических переменных. Спи­ски обработки при стохастических заявках формируются программой, вызвавшей интерпретатор заявок.

В соответствии со списком обработки интерпретатор заявок выполняет вызов диспетчера обработки, передавая ему иденти­фикатор требуемого паспорта. Диспетчер обработки, в свою очередь, в соответствии со списком модулей обработки, содер­жащимся в последовательности субблоков, выполняет их вы­зов. Модули обработки выполняют элементарные операции, специфичные для каждой из подсистем (первичной обработки информации, расчета комплексных показателей, выдачи управ­ляющих воздействий).

Подсистема ввода и первичной обработки информации (ПОИ). Эта подсистема выполняет совокупность операций, обеспечива­ющих ввод сигналов от датчиков, первичную обработку этих сигналов и сохранение данных, поступающих от технологического объекта управления.

Рис. 7.5. Организация обработки технологических переменных:

ДЗ — детерминированные заявки; СЗ — стохастические заявки; ЗГ —заголовок

При этом входные сигналы могут быть аналоговыми и дискретными. (Подробно основные задачи ПОИ рассмотрены в гл. 3.)

Организация подсистемы ПОИ совпадает со схемой органи­зации обработки технологических переменных, показанной на рис. 7.5 (при этом в качестве технологических переменных рас­сматриваются непосредственно измеряемые параметры состоя­ния объекта). Основные характеристики подсистемы ПОИ — интенсивное взаимодействие с техническими средствами уст­ройств связи с объектом; большое число обрабатываемых дан­ных; ограниченное число алгоритмов обработки.

В число алгоритмов обработки данных обычно включают вычисление средних значений технологической переменной и ее дисперсии, контроль режимных и аварийных границ, коррекцию расходов по температуре и давлению, фильтрацию различных типов и т. д. Ограниченное число алгоритмов и высокая часто­та использования реализующих их программных модулей в ре­жиме реального времени налагают жесткие требования на ка­чество их разработки. Поэтому модули пакета прикладных программ первичной обработки обычно пишутся на языке Ас­семблера и для их разработки привлекаются высококвалифици­рованные специалисты. Небольшое число алгоритмов обработ­ки в подсистеме ПОИ и возможность унификации ее модулей позволяет довольно просто выделять подсистему в отдельные ЭВМ децентрализованных систем. Это кардинально решает проблемы загрузки процессора главной ЭВМ.