Протоколы наследования и увеличения приоритетов Протокол наследования приоритета

Архитектуры операционных систем реального времени

Классы ОСРВ

1-й класс: исполнительные ОСРВ. Это программы для программируемых микропроцессоров, встраиваемых в различные устройства, очень небольшие и обычно написаны на языке низкого уровня типа ассемблера. Признаки систем этого типа – различные платформы для систем разработки и исполнения. Приложение реального времени разрабатывается на hostкомпьютере (компьютере системы разработки), затем компонуется с ядром и загружается в целевую систему для исполнения. Системы этого типа обладают рядом достоинств, среди которых главное – скорость и реактивность системы. Главная причина высокой реактивности систем этого типа – наличие только нитей (потоков) и, следовательно, маленькое время переключения контекста между ними. Недостатки: зависание всей системы при зависании нити, проблемы с динамической подгрузкой новых приложений.

2-й класс: минимальное ядро системы реального времени. На более высоком уровне находятся системы реального времени, обеспечивающие минимальную среду исполнения. Предусмотрены лишь основные функции, а управление памятью и диспетчер часто недоступны. Ядро представляет собой набор программ, выполняющих типичные, необходимые для встроенных систем низкого уровня функции, такие, как операции с плавающей запятой и минимальный сервис ввода/вывода. Прикладная программа разрабатывается в инструментальной среде, а выполняется, как правило, на встроенных системах.

Системы этого класса, как правило, модульны, хорошо структурированы, имеют наиболее развитый набор специфических механизмов реального времени, компактны и предсказуемы.

Одна из особенностей систем этого класса – высокая степень масштабируемости. На базе этих ОС можно построить как компактные системы реального времени, так и большие системы серверного класса.

3-й класс: ядро системы реального времени и инструментальная среда. Этот класс систем обладает многими чертами ОС с полным сервисом. Разработка ведётся в инструментальной среде, а исполнение – на целевых системах. Этот тип систем обеспечивает гораздо более высокий уровень сервиса для разработчика прикладной программы. Часто доступно параллельное выполнение программ.

4-й класс: ОС с полным сервисом. Такие ОС могут быть применены для любых приложений реального времени. Разработка и исполнение прикладных программ ведутся в рамках одной и той же системы.

SCADA-системы. Функции требования

SCADA(Supervisory Control And Data Acquisition,Диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления.

SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода-вывода или OРС/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например наC++), так и сгенерирован в среде проектирования.

Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.

Термин SCADA имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание SCADA как приложения, то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения. Однако, часто под SCADA-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс. Подобное понимание термина SCADA более характерно для раздела телеметрия.

Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. С 90-х годов термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейсаАСУ ТП.

SCADA-системы закрывают цеховой уровень автоматизации, связанный, прежде всего, с получением и визуализацией информации от программируемых контроллеров распределенных систем управления. Поставляемая на данный уровень информация недоступна на уровне управления производством. Поэтому важно отметить, что некоторые фирмы разрабатывают системы управления производством и обеспечивают обмен между этими уровнями.

К SCADA-системам предъявляются особые требования [30, 35]:

- соответствие нормативам "реального времени" (в т.ч. и "жесткого реального времени");

- способность адаптироваться как к изменениям параметров среды в темпе с этими изменениями, так и к условиям работы информационно-управляющего комплекса;

- способность работать в течение всего гарантийного срока без обслуживания (бесперебойная работа годами);

- установка в отдаленных и труднодоступных местах (как географически - малообжитые районы, так и технологически - колодцы, эстакады).

SCADA-системы решают следующие задачи

Обмен данными с  промышленными контроллерами и платами ввода/вывода в реальном времени через драйверы.

• Обработка информации в реальном времени.

• Логическое управление.

• Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.

• Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.

• Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.

• Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.

• Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.

• Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.).

Для решения этих задач SCADA-система комплектуется следующими подсистемами:

• Драйверы или серверы ввода-вывода– программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами, счётчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.

• Система реального времени– программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов.

• Человеко-машинный интерфейс –инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им. Программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса.

• Система логического управления– программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.

• База данных реального времени– программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени.

• Система управления тревогами– программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.

• Генератор отчетов– программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки.

• Внешние интерфейсы– стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC, DDE, ODBC, DLL и т. д.

Компоненты, подсистемы и общая структура SCADA-системы.

Т.о. SCADA –пакет включает в себя три компонента:

1. Среда разработки, в которой создаются мнемосхемы, определяются и привязываются к аппаратным средствам входные и выходные сигналы и параметры, разрабатываются алгоритмы управления, назначаются права операторов и т.д.

2. Среда исполнения– среда, в которой выполняется разработанное программное обеспечение.

3. Сервера ввода/выводаобеспечивают взаимодействие с различными промышленными контроллерами (PLC).

Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными, и к ним добавляют термин SoftLogiс.

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента (см. рис. 2):

1. Remote Terminal Unit (RTU)– удаленный терминал, осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. Спектр его воплощений широк от примитивных датчиков, осуществляющих съем информации с объекта, до специализированных многопроцессорных отказоустойчивых вычислительных комплексов, осуществляющих обработку информации и управление в режиме жесткого реального времени. Конкретная его реализация определяется конкретным применением. Использование устройств низкоуровневой обработки информации позволяет снизить требования к пропускной способности каналов связи с центральным диспетчерским пунктом.

2. Master Terminal Unit (MTU),Master Station (MS)– диспетчерский пункт управления (главный терминал). Осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме мягкого реального времени. Одной из основных функцийMTUявляется обеспечение интерфейса между человеком-оператором и системой (HMI, MMI). В зависимости от конкретной системыMTUможет быть реализован в самом разнообразном виде от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Как правило, и при построенииMTUиспользуются различные методы повышения надежности и безопасности работы системы.

3. Communication System (CS)коммуникационная система (каналы связи), необходима для передачи данных с удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления наRTU(или удаленный объект в зависимости от конкретного исполнения системы).

Схема интеграции SCADA –системы в комплексные системы управления.

Одной из основных особенностей современных систем автоматизации является высокая степень интеграции этих систем. В любой из них могут быть задействованы объекты управления, исполнительные механизмы, аппаратура, регистрирующая и обрабатывающая информацию, рабочие места операторов, серверы баз данных и т.д. Очевидно, что для эффективного функционирования в этой разнородной среде SCADA-система должна обеспечивать высокий уровень сетевого сервиса. Желательно, чтобы она поддерживала работу в стандартных сетевых средах (ARCNET, ETHERNET и т.д.) с использованием стандартных протоколов (NETBIOS, TCP/IP и др.), а также обеспечивала поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов (PROFIBUS, CANBUS, LON, MODBUS и т.д.) Обобщенная схема подобной системы приведена на рис.2

Рис. 1. Схема интеграции SCADA-приложений в комплексные системы управления

Устройства счета осей

В настоящее время на сети дорого устройства счета осей (УСО) используются, в основном, в системах полуавтоматической блокировки (ПАБ). Однако функциональные возможности устройств счета осей потенциально определяют существенно большие области их применения на железнодорожном магистральном и промышленном транспорте. Их реализация становится возможной при использовании современных средств микроэлектроники.

Первыми и наиболее развитым направлением использования УСО являются участковые системы регулирования движением поездов на станциях и перегонах (Участковые УСО).

Новым качеством устройств СО, которое может быть использовано в различных областях железнодорожного транспорта, является прямое и непосредственное использование дополнительных данных о скорости, ускорении и условной длине состава с общеинформативной целью. В частности, эти данные могут быть применены для извещения работников служб пути, энергосбережения, СЦБ, связи и т.п. о приближении поезда при аботе на путях станции или перегонах. Это позволяет, так же в случае с автоматической переездной сигнализацией, повысить безопасность работы и сократить время простоя. Получение информации о скорости позволяет дежурному по станции или поездному диспетчеру контролировать действия машиниста при движении поезда, давая ему, при необходимости, соответствующие указания.

В настоящее время на отечественных железных дорогах и за рубежом в системах счета осей наибольшее распространение получили индукционные датчики, которые обеспечивают работоспособность в любых климатических условиях.

Индукционные датчики в силу простоты их схемных и конструктивных решений, а также повышенной надежности, являются наиболее распространенным типом бесконтактного датчика и применяются на железных дорогах многих стран в двух основных модификациях: магнитоиндукционных (с источником связующего поля – постоянным магнитом) и индуктивных электромагнитных (с переменным магнитным полем).

В рассматриваемой конструкции индукционного электромагнитного путевого датчика переменное магнитное поле, создаваемое передающей катушкой W1 (рисунок 1.3), пересекает витки приемной катушки W2, расположенной на другой стороне рельса, и генерирует в ней ЭДС выходного сигнала [2].

Форма и расположение обеих катушек и их ферритовых сердечников образуют два магнитных потока Ф1 и Ф2, проходящих через первичный преобразователь (обмотку W2) в противоположных направлениях. При отсутствии колеса преобладает поток Ф1, который и индуктирует выходной сигнал в виде переменного напряжения Uвых.

Если между катушками датчика проходит колесо, то его металлическая масса изменяет направление и действует как экран для потока Ф1, который уменьшается в катушке W2. Разность эдс в приемной катушке, индуктируемых потоками Ф1 и Ф2, снижается до нуля, это и является сигналом счета оси, выдаваемого точечным путевым датчиком.