8.3 Програмне та інформаційне забезпечення систем керування гвс

Програмне забезпечення (ПЗ) системи керування ГВС складається з двох основних частин - загального і спеціального. Спеціальне ПЗ складається з прикладних задач, призначених для вирішення завдань АСУ ГВС, і необхідної документації. Загальне ПЗ організовує процеси рішення задач на ЕОМ, забезпечує доступ до обчислювальних ресурсів і їх ефективне використання. Загальні ПЗ постачає розробник ЕОМ, і вони в меншій мірі, чим спеціальні, залежать від складу ГВС і набору автоматизованих функцій.

Загальне програмне забезпечення. Основою загального ПЗ є операційна система (ОС). Вона доповнює технічні (апаратні) засоби ЕОМ; тому користувач при вирішенні прикладних задач має перед собою сукупність властивостей, що реалізовуються за допомогою апаратних засобів і операційної системи.

Операційні системи призначені для керування обчислювальними процесами, розподілу ресурсів ЕОМ, автоматизації підготовки програм і організації їх виконання в різних режимах, забезпечення доступу користувача до машини.

Оскільки в ГВС одночасно виконуються різні операції, а обробка даних в однопроцесорній ЕОМ відбувається послідовно, то керуюча ЕОМ повинна працювати в багатопрограмному (мультипрограмному) режимі. Мультипрограмний режим дозволяє рівномірно завантажити усі компоненти ЕОМ, погоджувати високу швидкодію обчислювальної частини ЕОМ порівняно повільно діючими електромеханічними периферійними пристроями.

Мультипрограмна робота припускає виникнення черг із програм для обслуговування. Для вибору програм з черги можна встановити різні правила. У одному з простих випадків до виконання призначається задача, поставлена в чергу першою (першим прийшов - першим обслуговувався). У іншому випадку, в режимі розподілу часу, задачам виділяється визначений час обчислювальних ресурсів ЕОМ.

У системі керування ГВС є задачі, пов'язані з координацією роботи устаткування, контролем виконуваних операцій і регулюванням, які потребують лише невеликої затримки часу для обробки інформації і вироблення керуючої дії. В цьому випадку потрібно керування в реальному часі, тобто, щоб результати обробки даних можна було використовувати в керованому об'єкті без порушення заданих йому умов функціонування.

Режим реального часу характеризується часом відповіді обчислювальної системи (частки секунди і секунди), паралельним (що здається) виконанням декількох програм і обробкою їх по пріоритетах. Найбільш важливим (терміновим) задачам привласнюються високі пріоритети для їх першочергового обслуговування.

Принцип мультипрограмної роботи в реальному режимі часу забезпечує операційна система реального часу (ОС РЧ), яку широко застосовують в АСУ ГВС. Для систем керування ГВС, реалізованих на ЕОМ сімейства СМ4, "Электроника-60", використовують і інші операційні системи (МОС РВ, РАФОС, ДОС КП).

Організація режимів роботи ЕОМ є прикладом рішення однієї із задач ОС, яка виконується під керівництвом керуючої програми ОС. Додатково керуюча програма забезпечує процеси введення-виведення інформації, засоби зв'язку з оператором та ін.

Крім керуючої програми, яка становить основу організаційної системи, в ОС входять оброблювальні (обслуговуючі) програми. Вони забезпечують визначений рівень спілкування користувача з ЕОМ, який визначається використовуваними алгоритмічними мовами. Ці програми організовують зв'язок з іншими ЕОМ ГВС, мають засоби для ведення інформаційної бази та ін. Набір системних програм залежить від конкретної операційної системи і від генерації (створення) завдань при їх постановці на ЕОМ.

Елементи програм (команди, адреси, дані) при розв’язання задач на ЕОМ мають бути представлені в двійкових кодах. Але розробка користувачем програм в двійкових кодах дуже неефективна із-за надмірної трудомісткості і збільшення кількості помилок. Тому при написанні програм використовують мови програмування, які ділять на два класи: машинно-орієнтовані і мови високого рівня.

Машинно-орієнтовані мови типу асемблера використовують як елементи програми машинні команди, представлені за допомогою мнемонічних скорочень і макрокоманд. Програми, написані на цих мовах досвідченим програмістом, займають менший об'єм пам'яті і виконуються швидше, ніж програми на мовах високого рівня (МВР). Проте трудомісткість написання програм на машинно-орієнтованих мовах у декілька разів більше, ніж на МВР; тексти програм мало наглядні. Тому на них програмують в тих випадках, коли пред'являються високі вимоги до швидкодії і немає можливості використовувати мови високого рівня.

Вказані обмеження більш характерні для мікро-ЕОМ нижнього рівня АСУ ГВС, де нерідко використовується машинно-орієнтована мова асемблер.

Для задач середнього і верхнього рівнів АСУ ГВС частіше застосовують мови високого рівня, такі, як КОБОЛ, ФОРТРАН, ПЛ/1, ПАСКАЛЬ. Серед нових універсальних мов високого рівня слід зазначити мову АДА, яка дозволяє використовувати сучасні методи розробки програм і призначена для використання на ЕОМ різного класу.

Загальне програмне забезпечення ЕОМ включає комплект програм технічного обслуговування для перевірки працездатності ЕОМ і окремих її пристроїв. Водночас з розвитком апаратних засобів ЕОМ постійно удосконалюється загальне програмне забезпечення, яке розвивається в основному розробниками ЕОМ за рахунок розширення пакету програм для вирішення достатньо загальних науково-технічних завдань, а також збільшення можливостей операційних систем по управлінню базами даних, мереж зв'язку ЕОМ та ін.

Спеціальне програмне забезпечення АСУ ГВС. Спеціальне або прикладне програмне забезпечення засновано на алгоритмах (правилах) виконання завдань системи ГВС. Прикладне ПЗ складається з комплекту програм і необхідної документації.

Система керування ГВС має ієрархічну, тобто, багатоступінчасту, структуру; тому комплекс програм АСУ ГВС повинен повторювати ділення системи на рівні і розвиток процесу керування у міру переходу від верхніх рівнів АСУ до нижніх.

Програми розвиненої системи керування ГВС нараховують десятки і сотні тисяч операторів. Трудомісткість розробки програм і кількість можливих помилок значно збільшуються (приблизно квадратично) із збільшенням її складності, яку орієнтовно можна оцінити за розміром програми. Тому представлення загальної задачі АСУ ГВС окремими частинами дозволяє значно скоротити терміни розробки і випробувань програм. Простішим стає подальший розвиток ПЗ, наприклад, при поетапній автоматизації ГВС.

Принцип модульності, однаково важливий для розробок будь-яких систем (виробів) високої складності, використовується в усіх сучасних методах програмування. При розчленовуванні задач вимагається забезпечити максимальну самостійність виділених частин, що дозволяє розробляти програми паралельно декількома виконавцями, а також зменшує кількість проміжних масивів даних, які нерідко вимагаються для організації взаємодії окремих частин.

Основним критерієм при діленні прикладного ПЗ на частини є характер даних задач, що визначається на етапах функціонального аналізу АСУ ГВС і розробки алгоритмів керування. Але окрім функціональної ознаки для виділення окремих частин ПЗ використовують і інші критерії: розмір задач, територіальний розподіл процедур керування, взаємозв'язок між частинами програми, однорідність операцій по обробці даних, можливість використання стандартних програм, вимоги до часу виконання окремих задач.

Отже, ієрархія в будові АСУ ГВС і принцип модульності призводять до необхідності мати багаторівневе ПЗ (ділення по вертикалі), а на кожному рівні ПЗ розчленовується на підсистеми і модулі (ділення по горизонталі).

Підсистемою називають частину програмного забезпечення АСУ ГВС, яка вирішує одне з основних завдань керування. Підсистема складається з модулів, які призначені для вирішення задачі. Підсистеми можуть вирішувати задачі більш ніж одного рівня, модулі, зазвичай, виконують задачі одного рівня і реалізуються на одній мікро- або міні-ЕОМ.

Через різноманіття критеріїв для ділення задач АСУ ГВС на частини, їх якісного і нерідко суперечливого характеру, внаслідок різної міри автоматизації ГВС, яку можна оцінити по набору автоматизованих функцій, в реалізованих ГВС спостерігається різний підхід до ділення ПЗ на підсистеми і модулі.

Функціональні підсистеми виконують технологічну і організаційну підготовку виробництва, керування устаткуванням, забезпечення надійності функціонування ГВС, облік і документування.

Програмне забезпечення підсистем зв'язку диспетчера і операторів ГВС з АСУ, а також керування інформаційною базою значною мірою залежать від характеристик використовуваної обчислювальної техніки і операційної системи. Для підсистеми забезпечення надійності функціонування ГВС на нижньому рівні керування необхідно мати програмні модулі контролю стану устаткування, тестового контролю мікро- и міні-ЕОМ, ліній зв'язку, контролю виконаних операцій [11].

Алгоритми керування ГВС різні при роботі устаткування в різних режимах (переналадка, черінь-наладка, обробка партії деталей, плановий пуск або зупинка). Тому в деяких ГВС виділяються окремі підсистеми, відповідальні за реалізацію різних режимів роботи.

Різні варіанти структурних побудов ГВС також призводять до зміни складу прикладного ПЗ. Наприклад, якщо в системі передбачається централізована система контролю або інструментального забезпечення, то програмне забезпечення доповнюється відповідними підсистемами.

Робота підсистем АСУ ГВС організовується монітором. Інші назви цієї частини ПЗ – головна керуюча програма, програма-диспетчер, координатор - пояснюють функціональне призначення монітора [10, 11]. Монітор встановлює тимчасову і логічну послідовність роботи підсистем, обробляє запити від програм, що поступили, і користувачів, здійснює ряд сервісних функцій по лічильниках часу, реєстрації даних та ін. Склад і складність задач монітора залежать від характеристик використовуваної операційної системи.

Основна функція монітора - координація роботи підсистем - виконується порівняно нескладно. Робиться виклик необхідної підсистеми АСУ, для неї задаються необхідні керуючі параметри і призначаються команди для опису інформаційного обміну між підсистемами. Складні підсистеми, які нерідко представлені пакетом прикладних програм, можуть мати свої монітори. Іноді моніторами забезпечують окремі рівні АСУ ГВС.

Інформаційне забезпечення. Процес керування будь-якої системи пов'язаний з обробкою інформації. Інформація для різних рівнів і підсистем АСУ ГВС відрізняється типом даних, мірою їх зміни в процесі функціонування ГВС і методами використання.

Сукупність даних, використовуваних для вирішення задач в ГВС, складає інформаційну базу АСУ ГВС. Але для створення, зберігання, зміни і використання (ці операції визначаються терміном "ведення") інформаційної бази необхідно використовувати визначені організаційні принципи і засоби. Сукупність інформаційної бази і засобів її ведення складає інформаційне забезпечення.

У АСУ ГВС для ведення інформаційної бази використовують систему керування файлами і банки даних. Система керування файлами підтримується засобами операційної системи ЕОМ і дозволяє автоматизувати численні і часто такі, що повторюються операції по введенню-виведенню інформації, розміщенню її на зовнішніх запам’ятовуючих пристроях, створенню бібліотек і каталогів, оновленню даних і т. п. Файл - це сукупність логічно пов'язаних і певним чином впорядкованих даних, для ведення яких використовується ЕОМ.

Системи керування файлами мають високу швидкодію у відповідях на запити, можуть в певних межах змінюватися користувачами для вирішення конкретних задач, не відволікають значних обчислювальних ресурсів ЕОМ.

Банки даних є сукупністю бази даних і систем керування базами даних (СКБД). При роботі з інформаційними масивами банки даних дозволяють усунути надмірність інформації (не допускається дублювання даних), забезпечують вищий рівень достовірності і несуперечності, організовують безліч даних, доступних широкому кругу користувачів. Важливою перевагою банків даних є незмінність програм користувача при зміні об'єму і структури даних.

В деяких випадках обмін інформацією через банки даних збільшує час передачі даних в порівнянні з файловими системами. Крім того, засоби ведення бази даних вимагають відвернення значних ресурсів ЕОМ. Ці обмеження усуваються у міру розвитку апаратних засобів і систем керування базами даних. Тому використання банків даних для інформаційного забезпечення АСУ ГВС є прогресивною тенденцією.

Склад інформаційної бази АСУ ГВС залежить в основному від набору автоматизованих функцій системи керування; тому він відрізняється для різних реалізованих систем. Використовувані в АСУ ГВС дані можна класифікувати на нормативно-довідкові, поточні і результуючі.

Довідкові дані визначають постійні характеристики вживаних технічних засобів: місткість верстатних накопичувачів, параметри різального інструменту і іншого оснащення, характеристики верстатів, транспортних засобів і т. п. При включенні в задачі АСУ ГВС підсистеми технологічної підготовки виробництва об'єм нормативно-довідкових даних різко зростає.

Склад довідкових даних збільшується за наявності в АСУ ГВС контуру автоматизованого регулювання виробничого процесу. В цьому випадку необхідно детальніше описувати технологічні можливості устаткування і оснащення, щоб аналізувати можливі передачі робіт з одного верстатного модуля на інший при виникненні аварійних ситуацій.

Визначити межу між результуючими і поточними даними не завжди вдається. Наприклад, керуючі програми для устаткування з ЧПК є результатом підсистеми технологічної підготовки виробництва, але безліч цих програм являються змінними і залежать від зміни номенклатури деталей. Також і масив змінно-добових завдань з одного боку є результатом виконання функцій верхнього рівня, а з іншої – ці графіки схильні до частих змін.

До результуючих даних відносяться показники роботи ГВС за певний період часу (зміну, робочий день, тиждень і т. д.). До них відносять дані про виробничу продукцію, брак, витрачені ресурси, кількість і причини простоїв. Для функціонування підсистеми календарного планування потрібно мати дані по технологічних процесах виготовлення деталей, стану компонентів ГВС і забезпеченості їх необхідними ресурсами. Але навіть за відсутності в АСУ ГВС автоматизованої підсистеми календарного планування ці дані потрібні для оперативного керування і регулювання на середньому рівні АСУ ГВС.

Інформаційні масиви про стан компонентів ГВС (системи керування, технологічне і транспортне устаткування, локальні і центральні накопичувачі деталі, оснащення) у нинішній момент часу разом із змінно-добовим завданням є основою для реалізації функцій оперативного керування.

Стан технологічного устаткування визначається по його працездатності, зайнятості локальних накопичувачів для деталей і інструменту, номеру виконуваної деталеоперації, стану датчиків. Велика частина сигналів від датчиків використовується безпосередньо локальними системами керування. Залежно від ступеня автономії устаткування деякі з сигналів використовуються для характеристики об'єктів керування на середньому і верхньому рівнях АСУ ГВС. Наприклад, сигнал датчика про вихід з ладу різального інструменту зазвичай використовується тільки в контурі локальної системи керування верстата, і в результаті цей інструмент замінюється на дублер. За відсутності дублера верстат зупиняється, а на середній рівень ГВС передається інформація про причину простою. Якщо в ГВС використовується централізована система заміни інструменту, як, наприклад, в лініях типу АЛП [10], то повідомлення про відмову інструменту в сукупності з номером верстата і інструменту мають бути передані на вищестоящий (середній) рівень АСУ ГВС, де формуються керуючі команди на заміну інструменту.

Стан деталі як об'єкту обробки характеризується номером останньої виконаної операції і адресою знаходження. Стан оснащення визначається ознакою придатності і місцем розташування. Ознака придатності для різального інструменту може бути отримана як різниця між первинним ресурсом, тобто розрахунковою стійкістю, і фактичним часом роботи інструменту. Для характеристик накопичувачів деталей та інструментів потрібні дані про об'єкти, що зберігаються, і про наявність вільних місць.

Деталі різної номенклатури можуть утворювати черги на технологічне або транспортне устаткування; тому для вибору найбільш пріоритетних деталей в інформаційній базі АСУ ГВС потрібно створювати і вести черги деталей на устаткування ГВС.

Початкові дані для АСУ ГВС вводяться з використанням перфострічок, магнітних стрічок і відеотерміналів. Ці засоби широко застосовують для введення нормативно-довідкової інформації. Відеотермінал з клавіатурою є основним засобом для введення даних про появу нових замовлень і їх забезпеченості ресурсами. Ефективність етапу створення і оновлення інформаційної бази залежить від якості проведеної роботи по вдосконаленню документообігу у виробничій системі. Значна частина даних є результатами роботи прикладних програм на різних рівнях і підсистемах АСУ ГВС; тому для використання інформації необхідно організувати обмін даними або безпосередньо між програмами з використанням оперативної пам'яті, або, що буває частіше, через базу даних.

Для зберігання інформації використовують зовнішні запам’ятовуючі пристрої (магнітні диски і стрічки). Накопичувачі на магнітних стрічках дозволяють розміщувати великий об'єм інформації і мають невелику вартість, але зважаючи на збільшений час доступу в порівнянні з магнітними дисками на стрічках зберігають рідко використовувані дані, наприклад, архів керівників програм для устаткування з ЧПК, копії програмного забезпечення АСУ ГВС і т.п.

Основний об'єм інформаційної бази розміщується на магнітних дисках, які мають прийнятні характеристики по об’єму інформації, що зберігається і часу доступу.

АСУ ГВС є комплексом технічних, алгоритмічних, інформаційних і програмних засобів, які використовують під керівництвом обслуговуючого персоналу ГВС. Для функціонування такого комплексу необхідно мати організаційно-методичне забезпечення. Воно представляє собою сукупність стандартів, правил, інструкцій і інших документів для експлуатації і обслуговування компонентів комплексу і АСУ ГВС в цілому.