Промышленные контроллеры и управляющие компьютеры - это электронно-вычислительные устройства, являющиеся звеном автоматизированных систем управления технологическим процессом, которые с человеком или без него управляют технологическим процессом.
Управляющие компьютеры - это те устройства, которые требуют реакции человека.
Промышленные контроллеры ведут процесс в полностью автономном режиме.
Подходы к проектированию:
Полностью закрытые управляющие системы. Нет подробного описания алгоритмов, аппаратуры и так далее. В настоящее время себя изживают.
Открытые системы (магистрально-модульные системы реального времени)
Рис. 1 Требования к ОММСРВ
Открытая магистрально-модульная система реального времени (ОММСРВ) - это система, построенная по магистрально-модульному принципу на основе совместимых компонентов, не имеющих логических ограничений по наращиванию, сопровождающаяся полной информацией по всем видам обеспечения, и отвечающая требованиям реального масштаба времени.
Основные тенденции в современном мире.
Открытые магистрально-модульные системы (ОММС)
Адаптация стандартных компьютеров для управления технологическим процессом
Самостоятельные разработки на однокристальных контроллерах.
Первые две тенденции в настоящее время являются наиболее перспективными.
Открытые стандарты на каждую часть ОММС.
Магистраль: IEC 821, IEEE 1C14
"Евромеханика": IEC 297-3, IEEE 1101, IEC603.2
Операционные системы реального времени: ISO 9345, IEC 1130, POSIX 1003.4
Средства разработки: IEC 1131.3
Протоколы и интерфейсы (взаимосвязь между частями ММС): Profybus, LONWorks, Canbus.
SCADA - системы: InTouch, Citect, TraceMode
Связь с вычислительными сетями общего назначения (протоколы и интерфейсы): RS232, RS485, Ethernet, TCP/IP.
Чтобы система могла называться системой реального времени, она должна удовлетворять следующим требованиям:
Гарантированное (строго определённое) время реакции на любое внешнее асинхронное событие. Это требование является основным.
Разделение (возможность декомпозиции) задач на независимые функциональные модули, которые могут работать автономно.
Реальная многоприоритетность. Задача с высоким приоритетом будет выполняться в нужное ей время.
Возможность любому процессу напрямую воздействовать как на планировщик задач (чисто программный продукт), так и на аппаратный арбитр.
Необходимость компактного ядра ОС, возможность ОС загружаться с ПЗУ, при этом объём ПЗУ должен быть достаточно маленьким. И возможность наращивания ПО и аппаратного обеспечения в зависимости от выполняемых задач и функций.
Сегмент ММС– это электронно-вычислительное устройство, которое может выполнять полностью задачу по управлению технологическим процессом. Это «самодостаточное» устройство. Таких сегментов в системе может быть несколько.
Сегмент включает в себя модули. Каждый модуль работает автономно над своей задачей.
Каждый модуль делится на составные части. И эти части зависят от задачи.
Модульная магистраль– магистраль, по которой обмениваются составные части модуля между собой.
Системная магистраль – магистраль, по которой обмениваются модули. Для этого в модуле должен быть интерфейс системной магистрали.
Коммуникационные интерфейсы как части системы ММС. Осуществляют связь между другими сегментами или внешним миром.
Сегмент ММС чаще всего называют контроллером.
Интерфейс связи с устройством связи с объектом (УСО) - специализированное устройство. Имеет выход на межсегментную магистраль – та магистраль, по которой обмениваются сегменты ММС.
Требования магистрально-модульной структуры.
Локализация потоков данных за счёт модульности построения.
Уменьшение адресного пространства за счёт модульности построения.
Независимость магистрали от быстродействия модулей и сегментов, «сидящих» на этой магистрали. Это позволяет производить достаточно простое масштабирование.
Могут использоваться различные виды адресации. Обязательно должен быть групповой и широковещательный доступ к адресному пространству. Это необходимое требование ММС структуры.
Основные характеристики.
Локальная магистраль. Самая быстрая магистраль. Длина её составляет 8-10 см. Количество объектов, которые возможно подключить: 5-6 устройств. Используется внутри модуля. Нет арбитража. Маленькое адресное пространство.
Системная магистраль. Большое адресное пространство и пространство данных. Её длина может достигать 0.5 м. Скорость обмена – 400 Мб/с. Должен быть аппаратный арбитр, который синхронизирует обмен данных (обычно используются последовательные шины). Системная магистраль параллельная.
Межсегментная магистраль. Низкая пропускная способность. Адресное пространство ограничено только количеством контроллеров (до 256). Длина может быть до нескольких километров.
Принцип управления.
Централизованный.Внутри сегмента есть системный контроллер. Управление системной магистралью осуществляется во время обмена. Модули работают как замкнутые и как разомкнутые.
Децентрализованный.Нет единого центра управления. Но требуется обратиться к арбитражу шины. Если шина свободна, её нужно захватить и только после этого производить обмен.
Замкнутая– это когда мастер обращается к исполнителю и ждёт подтверждения того, что исполнитель информацию принял.
Разомкнутая магистраль – мастер считает, что исполнитель и так всё «понял» и не ждёт подтверждения приёма.
Синхронные и асинхронные магистрали.
Синхронныежёстко привязаны к тактирующим последовательностям.
Асинхронные.Передача может происходить в любое удобное время, но нужно предупредить других.
Режимы передачи данных.
Одиночный. За один сеанс передаётся одно слово.
Блочный.Передаётся длина блока данных и сам этот блок, или осуществляется передача блоков фиксированной длины.
Групповой.Одиночная или блочная передача между одним мастером и группой исполнителей.
Широковещательный.Одиночная или блочная передача всем устройствам, «сидящим» на шине.
Типы адресации, поддерживаемые магистралями.
Логическая. Каждый компонент имеет логическое имя и эти имена хранятся в специальной таблице.
Географическая. Для обращения к адресу имеется номер модуля и адрес внутри этого модуля.
Индексная. Имеется совокупность модулей и есть внутренние индексы.
Длина адресной части.
Короткая:16 бит/адрес.
Стандартная:24 бит/адрес.
Расширенная: 32 бит/адрес.
Длинная: 64 бит/адрес.
Передача данных и адреса.
Мультиплексированная. Для передачи данных и адреса используются обе линии. За первый цикл передаётся адрес, а за второй – данные.
Немультиплексированная.Передача данных осуществляется по линиям данных, а для передачи адреса – адресные линии. Передача осуществляется за один полный цикл. Сеанс происходит в течении одного цикла.
Возможность организации многопроцессорной работы.
Наличие аппаратного контроллера на магистрали. Аппаратный контроллер занимается слежением за тем, как работает магистраль и не занимается обработкой информации.
Конструктивные особенности магистралей.
Можно ли установить устройства с различными типоразмерами (физическая установка)
Унификация разъёмов на магистрали.
Совместимость на уровне блок – каркас.
Q-bus (LSI – 11).
Данная шина:
мультиплексированная;
централизованная;
размерность данных 8/16;
размерность адреса 24;
асинхронная;
замкнутая (требуется подтверждение от приёмника)
МАД – магистраль адреса и данных
СИА (L) – синхронизация активного (на низком уровне)
СИП (L) – синхронизация пассивного (на низком уровне)
Есть одна линия прерываний. На ней может быть несколько (очень много) источников прерывания. Они соединены по принципу монтажного ИЛИ. Рекомендуется наиболее критические модули располагать как можно ближе к процессору.
Работа по прямому доступу к памяти аналогична работе по прерыванию.
ISA
|
xt – |
8 линий данных |
|
|
20 линий адреса |
|
at – |
16/32 линии данных |
|
|
24/32 линии адреса |
Данная шина:
разомкнутая;
централизованная;
синхронная;
немультиплексированная
Разделяют адресные пространства ВУ и памяти.
PCI
Данная шина:
немультиплексированная;
централизованная;
замкнутая;
разрядность адреса и данных по 32;
имеется арбитраж;
имеется механизм захвата шины.