Технические САУ, Петухов И.В., Стешина Л.А

фициент полезного действия. Быстродействие таких устройств мало, поэтому их можно использовать лишь при режиме последовательной выдачи. Кроме того, им свойственны нестабильность, жесткие допуски на элементы, трудности синхронизации и т.д.

Рефракционный способ реализует известное оптическое свойство – отклонение светового луча вследствие преломления (рефракции) на границе двух прозрачных сред. В этом случае применяют электрооптическую призму или ультразвуковую рефракционную ячейку.

Дифракционный способ может быть использован, если диаметр падающего светового пучка существенно больше длины ультразвуковой волны, когда возникает дифракция света (при растровой развертке). Он обеспечивает малые рабочие углы (до нескольких градусов) и низкую эффективность отклонения.

Способ когерентной оптической фазовой решетки основан на свойстве излучения лазера, характеризующимся высокой степенью временной и пространственной когерентности. Это свойство используется для отклонения лазерного луча за счет разделения его на множество параллельных лучей и изменения относительных фаз между соседними лучами в ближней зоне поля. Этот способ требует высокой стабильности как источника света, так и дефлектора и имеет ряд других ограничений.

Способ двоичного электрооптического управления световым лучом основан на использовании свойства двойного лучепреломления некоторых веществ. В таких веществах обычный неполяризованный луч света расщепляется на два луча. Один из лучей называется обыкновенным, а другой – необыкновенным. Эти лучи линейно поляризованы, причем плоскости их поляризации взаимно ортогональны. Если свет, падающий на вещество с двойным лучепреломлением (по нормали), полностью линейно поляризован и его плоскость поляризации совпадает с плоскостью поляризации обыкновенного луча, то свет проходит не отклоняясь. Если свет линейно поляризован в плоскости необыкновенного луча, выходной луч оказывается смещенным относительно точки

279

выхода обыкновенного луча. Величина такого смещения пропорциональна толщине кристалла с двойным лучепреломлением (КДП). В качестве такого вещества используют кальцит. Кристалл такого рода может выполнять функцию двоичного переключения линейно поляризованного света, преобразующего обыкновенный О-луч в необыкновенный Н-луч путем введения фазового запаздывания на 180° при воздействии на кристалл напряжения полуволнового запаздывания.

Многоцветное изображение может быть получено использованием нескольких лазеров, работающих параллельно и имеющих различные спектральные линии излучения, причем у каждого лазера своя система отклонения, настроенная на соответствующую линию излучения.

Система аналогичного назначения может быть рассчитана на работу нескольких лазеров на общее устройство дискретного отклонения, в котором с помощью специальных мер устранены хроматические аберрации. Более совершенна система, в которой излучается несколько цветов от одного лазерного генератора с переключаемыми линиями излучения, работающего на общее ахроматическое дискретное устройство отклонения.

Достоинствами СОИ коллективного пользования на лазерах являются: отображение информации в реальном масштабе времени, высокая разрешающая способность, получение многоцветных изображений, отсутствие промежуточных носителей, возможность создания экрана практически любых размеров для коллективного пользования. К недостаткам их следует отнести сложность, низкую эффективность, малую надежность и наличие сцинцилляций (искрения) изображения.

Однако существенные достоинства СОИ на лазерах, а также интенсивное развитие и совершенствование лазерной техники позволяют считать их весьма перспективными, поэтому в последние годы ведется работа, направленная на разработку, исследование и внедрение лазерных СОИ коллективного пользования.

280

16.5. Плазменные и LED дисплейные модули

Главный элемент LED-технологии – светодиод, или светоизлучающий диод (LED Light-Emitting Diode), представляющий собой полупроводниковый прибор, который излучает некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.

Решением, построенным на этой технологии, являются LEDтелевизоры, в которых используются самые продвинутые жидкокристаллические матрицы. В отличие от традиционных, для плоских ТВ ламп с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamps, CCFL) для подсветки используют именно светодиоды. При этом специальный процессор в реальном времени рассчитывает промежуточные кадры и размещает их между кадрами входного видеосигнала: если на экране должно отображаться абсолютно черное изображение, то светодиоды в этих участках просто отключаются. Напомним, что флуоресцентные лампы, напротив, частично выключить невозможно, поэтому в ТВ с традиционной подсветкой нельзя добиться глубины черного цвета, характерной для LED-телевизоров, картинка на которых выглядит более контрастной.

Суть технологии – подсветка обычного ЖК не лампой, а диодной подсветкой, что позволяет существенно уменьшить толщину корпуса. При этом визуально воспроизводимое изображение ярче и контрастнее. Вместо обычных люминесцентных ламп, используемых в ЖК-технологии, в мониторах LED применяется высокоэффективная светодиодная LED-подсветка.

Преимущества данной технологии заключаются в улучшении цветопередачи, снижении материальных затрат на эксплуатацию и экологичности.

281

17. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ

17.1. Требования, предъявляемые к программному обеспечению

Специфика промышленного применения накладывает свой отпечаток на используемое программное обеспечение.

Можно сформулировать следующие основные требования к программному обеспечению (ПО):

1.ПО должно быть достаточно надежным. Очевидно, что многие инновации последнего времени – структурное программирование, объектно-ориентированные языки, CASE-технологии появились в результате стремления писать все более сложные программы с меньшим количеством ошибок.

2.ПО должно быстро реагировать на какие-либо внешние события или изменения в параметрах управляемых процессов. Системы, работающие в соответствии со вторым требованием, часто называют системами реального времени. Типовое время реагирования на внешние воздействия, необходимое современным индустриальным системам, составляет десятки микросекунд.

3.Программные средства должны быть удобны в использовании, соответствовать решаемой задаче, иметь логичный интерфейс. Данные требования должны предъявляться вообще к любому программному продукту. Для систем сбора данных и управления выработаны определенные правила. Они не стандартизированы, но все же разработчики известных систем их придерживаются. Основная преследуемая цель – минимизация ошибок персонала по вине путаного интерфейса.

4.Программные средства должны позволять переконфигурацию «на ходу», давать возможность изменения настроек системы (форм представления, графиков, мнемосхем) и условий обработки информации о технологическом объекте (шкал, уставок, размерностей и т.д.) в конкретной подсистеме, не прерывая и не мешая другим подсистемам.

283

5.Важным свойством программного обеспечения является выборочное резервирование. Это одно из самых ресурсоемких, но обязательных требований для систем повышенной ответственности. Однако на практике не вся управленческая информация требует резервирования, поэтому резервирование должно быть выборочным, настраиваемым.

6.ПО должно обеспечивать свойство масштабируемости системы. Система управления должна обладать способностью работать как с малым, так и с очень большим количеством параметров, эффективно использовать аппаратные ресурсы.

7.ПО должно обеспечивать возможность внешнего доступа к информации о работе системы сбора данных и управления. Для решения многих задач (например, для расчета финансовоэкономических показателей) требуется доступ к информации, получаемой системой сбора данных и управления в ходе работы. Этот доступ должен быть оперативным, простым, но с разграничением прав (экономист не должен иметь возможности управлять объектом). Какой бы ни была интенсивность работы «внешних» пользователей, никакого влияния на работоспособность системы управления они оказывать не должны.

Кроме того, система управления должна обладать свойством расширяемости. Под расширяемостью понимается возможность дополнительного добавления новых типов контроллеров, новых типов рабочих мест, новых форм хранения информации и т.д., т.е. возможность развития системы в будущем.

Очевидно, что система должна быть модернизируемой. Очень часто ошибки при модернизации одной из подсистем (обычно с целью оптимизации) приводят к появлению ошибок в других подсистемах. Проблема усугубляется тем, что системы подобной сложности создаются не одним человеком, а целой группой разработчиков.

Следует обязательно учитывать то, что процесс управления должен быть многозадачным. Это требование часто (но не всегда)

284

предъявляется к программному обеспечению систем управления. Оно проистекает из подчас чрезвычайно сложной и многоуровневой природы управляемых процессов, когда необходимо одновременно реализовать сложные алгоритмы управления различными аспектами или частями реального объекта. По каждой задаче выполняется определенная доля работы по управлению объектом, и все задачи делят ресурсы вычислительной системы в зависимости от своего приоритета и от внешних и внутренних событий, конкретно с ними связанных. Существует целый ряд алгоритмов распределения ресурсов между задачами, рассмотрение которых, впрочем, выходит за рамки данного учебного пособия.

Другим тесно связанным с многозадачностью понятием является многопоточность. Под этим термином, как правило, понимают возможность выполнения в рамках одной задачи нескольких независимых процессов (потоков команд), которые в отличие от задач пользуются общими участками кода и данных. Названным требованиям должны удовлетворять все уровни программного обеспечения системы.

17.2. Классификация программного обеспечения

Условно все ПО можно разделить на три уровня:

1)базовая система ввода-вывода (BIOS);

2)операционная система и драйверы (ОС);

3)собственно прикладные программы.

BIOS осуществляет непосредственную связь между аппаратурой и программным обеспечением верхних уровней. Ведущие фирмы-поставщики BIOS ориентируются в основном на рынок офисных компьютеров и не применяют специальных мер для обеспечения требований индустриальных приложений. Основная опасность при обращении к BIOS – это возможность запрета прерываний на достаточно долгое время, в результате чего может быть пропущена важная информация от быстродействующих

285

датчиков или телекоммуникационных устройств. Вот почему, с одной стороны, есть фирмы, предлагающие BIOS, ориентированные на приложения «жесткого» реального времени, а с другой стороны, многие операционные системы минимизируют взаимодействие с BIOS или не обращаются к ней вообще.

Операционная система выполняет базовые функции связи с оператором, запуска программ, распределения памяти, поддержки файловой системы и т.п. Создатель системы автоматизации, как правило, встает перед выбором: или использовать многозадачное ядро реального времени, работающее над DOS, или перейти на другую операционную систему. В первом случае используются самодельные или коммерчески распространяемые библиотеки программ, реализующие функции многозадачной ОС, например RTKernel. Во втором случае открывается богатый выбор операционных систем, разработанных специально для применения в системах «жесткого» реального времени. Эти ОС часто так и называют операционными системами реального времени. На рынке существует несколько десятков операционных систем реального времени. У нас известны такие ОС, как QNX, OS 9000, VxWorks, iRMX, VRTX, Nucleus и др.

Существуют два подхода к переносимости программного обеспечения: первый – поддержка одной ОС одновременно нескольких аппаратных платформ, второй – обеспечение стандартного интерфейса между прикладными программами и ОС. В качестве такого стандарта часто используют программный интерфейс, разработанный для UNIX-подобных операционных систем и получивший название POSIX (Portable Operating System Interface for UNIX). To есть ваша программа, написанная в соответствии со стандартом POSIX, должна надежно работать на любой аппаратной платформе при условии применения POSIX совместимой операционной системы.

При проектировании ОС реального времени все чаще используется идеология микроядра, которая увеличивает надежность программного обеспечения и позволяет использовать только те

286

компоненты операционной системы, которые необходимы в каждом конкретном случае. Так, микроядро одной из самых распространенных операционных систем QNX имеет размер менее 10 Кбайт. Модуль, ответственный за файловую систему, например, запускается как одна из задач и может быть легко удален. Все драйверы также функционируют как независимые задачи, т. е. если в вашей встроенной системе не используются файловые операции или отсутствуют интерфейсы с какими-либо внешними устройствами, вы можете просто не включать в состав операционной системы, функционирующей в вашем изделии, соответствующие модули, высвобождая тем самым память для более эффективного выполнения приложений.

Что же касается таких операционных систем, как Windows NT и OS/2, то эти новейшие операционные системы оказывают определенное давление на рынок операционных систем реального времени. Тем не менее обе системы ориентированы на офисное применение и не могут обеспечить скорость отклика на внешние воздействия, сравнимую со скоростью специализированных ОС реального времени. Кроме общей неразвитости механизмов управления приоритетами могут возникать проблемы некоторой непредсказуемости поведения этих ОС. Например, совершенно неожиданно система может инициировать массированный свопинг на диск, забирая для этого мероприятия практически все ресурсы. Вот почему чувствительные к задержкам задачи, типа обмена данных в мультимедиа-приложениях, оформляются в виде драйверов. Так что пока Windows NT и OS/2 можно использовать только в задачах «мягкого» реального времени, а то, что количество их дистрибутивных дискет превосходит число пальцев на обеих руках, не внушает оптимизма разработчикам встраиваемых систем, где каждый мегабайт на счету. Однако системы на базе Windows NT широко используются как ОС для терминалов в дополнение к автономно действующим контроллерам (например, в системах Honeywell). He так давно Microsoft выпустила на рынок ОС Windows СЕ для встраиваемых приложений.

287

Немного особняком стоит программное обеспечение, предназначенное для эксплуатации на верхнем уровне систем автоматизации, например в диспетчерских электростанциях, пультах управления сложными агрегатами и т.д.

С середины 80-х годов ряд фирм-разработчиков программных систем приступил к разработке и выпуску универсальных и открытых пакетов прикладных программ для компьютерных операторских станций, предназначенных не для конкретной микропроцессорной системы, но приспособленных для применения в разных программно-технических и сетевых средах.

Свойство открытости состоит в том, что пакет прикладных программ поддерживает совокупность интерфейсов и драйверов, позволяющих использовать пакет для широкого класса микропроцессорных контроллеров, систем и сетей передачи данных, содержит средства разработки новых (не предусмотренных разработчиком) интерфейсов и драйверов для микропроцессорных приборов и сетей. Он позволяет расширять функциональные возможности систем в соответствии с заданиями на конкретные проекты – путем подключения программ пользователя.

17.3. SCADA-системы

Программные системы и пакеты прикладных программ, обеспечивающие работу компьютерных операторских станций, в литературе получили наименование SCADA-программы (аббревиа-

тура SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) означает сбор данных, наблюдение и управление).

SCADA-программы обеспечивают реализацию основных функций операторских станций в реальном времени: собирают текущую технологическую информацию от контроллеров или других приборов и устройств, связанных непосредственно или через сеть с операторской станцией; проводят необходимую пер-

288