Методы проектирования малых контроллерных распределенных систем

• Автор: Кустарев, Павел Валерьевич
• Шифр специальности: 05.13.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: СПб
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАЛЫХ КОНТРОЛЛЕРНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ
1 1 Промышленные информационно-управляющие системы
1.2 Малые контроллерные распределенные системы
1.3 Проектирование МКРС
1.3.1 Критерии и проблемы проектирования МКРС
1.3.2 Методы проектирования МКРС
1.3.3 Анализ эффективности специальных подходов к проектированию РИУС
1.3.4 Применение формализованных методик проектирования
1.4 Выводы
2 ОРГАНИЗАЦИЯ КОММУНИКАЦИОННОЙ ПОДСИСТЕМЫ МКРС
2.1 Организация КПС типовых РИУС
2.2 Задачи и подходы к проектированию КПС МКРС
2.3 Общие принципы организации модели КПС МКРС
2.4 Структура КПС МКРС
2.5 Физический уровень КПС МКРС
2.6 Канальный уровень КПС МКРС
2.6.1 Структура и функции канального уровня
2.6.2 Маршрутизация в сетях МКРС
2.6.3 Организация эффективной доставки кадров
2.6.4 Система идентификации кадров
2.6.5 Комплекс управления кадрами
2.7 Общие принципы организации прикладного уровня КПС МКРС
2.8 Выводы
3 ОРГАНИЗАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ПРОЦЕССА КОНТРОЛЛЕРОВ
МКРС
3.1 Реализация объектной модели контроллеров МКРС
3.2 Структура вычислительного процесса контроллеров МКРС
3.2.1 Субпроцессы
3.2.2 Субпроцессы контроллеров МКРС
3.3 Представление контроллеров МКРС в базисе архитектурных модулей
3.3.1 Архитектурный модуль
3.3.2 Классификация АМ
3.3.3 Применение АМ при проектировании контроллеров МКРС
3.4 Система автоматизированного проектирования (САПР) контроллеров МКРС
3.5 Выводы
4 СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МИКРОКЛИМАТОМ КОМПЛЕКСА ЗД АНИЙ
СЬМС
4.1 Техническое задание на проектирование системы СЬМС
4.1.1 Прикладная задача
4.1.2 Технические требования
4.2 Структура СКМКЗ СЬМС
4.3 Аппаратные средства контроллеров СКМКЗ
4.4 Коммуникационная подсистема СКМКЗ
4.5 Организация контроллеров ТТГ4
4.6 Оценка эффективности проектирования
4.7 Выводы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ.
Разнообразие функциональных возможностей, развитый сервис, гибкость, надежность определили успешное использование распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) для решения постоянно расширяющегося круга задан автоматизации в промышленности, на транспорте и других сферах. Типовыми стали системы на базе мощных программируемых контроллеров (PLC) и высокопроизводительных сетей, реализующие управление технологическими агрегатами, линиями или целыми производствами. Наряду с этим в последние пять-десять лет отмечается резкий рост количества РИУС, разрабатываемых для решения простых, но нетиповых прикладных задач, что обусловлено снижением стоимости и миниатюризацией аппаратной базы, в первую очередь однокристальных микроЭВМ (ОКМЭВМ) и ПЛИС, появлением широкодоступных инструментальных средств. Подобные системы, выделенные в отдельный класс малых контроллерных распределенных систем (МКРС), характеризуются уникальной организацией, малой серийностью выпуска, ограничениями стоимости. Для них неприменимы стандартные методы, используемые при разработке мощных промышленных РИУС, ориентированные на унифицированную структуру и неограниченные ресурсы вычислительной системы (ВС). Требуется выработка подходов, совмещающих простоту проектирования и невысокую стоимость готовых систем. Поиск решения данной проблемы может быть осуществлен в направлении минимизации функциональной избыточности МКРС в границах характерных для них задач и применения алгоритмов, эффективно использующих возможности аппаратных средств.
Целью работы является создание методик проектирования и типовых вариантов структурно-функциональной организации МКРС, в совокупности обеспечивающих решение прикладных задач в рамках ограниченных ресурсов. В этом направлении решались следующие задачи:
1. Определение и описание класса МКРС.
2. Разработка модели коммуникационной подсистемы (КПС) МКРС и структуры ключевых функциональных блоков в ее составе.
3. Организация вычислительного процесса (ВЕГ) контроллеров МКРС, обеспечивающая исполнение задач в реальном масштабе времени (РМВ).
4. Разработка методов структурно-функциональной декомпозиции МКРС, выбора и предварительной оценки способа реализации.
5. Разработка структуры системы автоматизированного проектирования (САПР) контроллеров МКРС.
В работе были широко использованы практический опыт и результаты ряда реальных проектов, в числе которых: система телеметрии и телеуправления СУО-2 (управление освещением цехов предприятия, охранная сигнализация и технический учет энергоресурсов), система управления газовым нагревателем ТС-2, контроллер ТТР4 (ТУ 3428-001-43475370-99) системы управления микроклиматом комплекса зданий СЬМС-2 и другие.
Методическую базу исследования составляют положения теории объектно-ориентированного проектирования, теории взаимодействия открытых систем, теории графов, методы теории вероятности, теории конечных автоматов, структурно-функционального описания аппаратуры.
Основные идеи и результаты были освещены в 4 докладах на 3 конференциях. Всего по теме диссертации сделано 6 публикаций.

МКРС объединяет четыре контроллера КР1-КР4. С1-СЗ - сегменты сети. «Пузырьками» с пунктирной границей обозначены физические устройства ввода/вывода, обозначенные для облегчения понимания работы системы. Другим фактором, определяющим необходимость поддержки разветвленной топологии, является привязка к имеющимся, уже проложенным коммуникациям заказчика. Таковыми являются ЛВС других типов, телефонные, охранные, энергетические линии, лучи аналоговых управляющих систем «4-20 тА» и другие. Их применение позволяет резко снизить стоимость управляющей системы за счет экономии на покупке и прокладке кабелей (как показывает практика эта статья покрывает 10-60% расходов), но при разработке структуры МКРС требует учета взаимного пространственного положения коммуникаций.
Возможности реализации сложной топологии средствами физического уровня -ветвлением линий связи - ограничены возникающей при этом высокой загрузкой каналов передачи данных и ограничениями на число подключаемых устройств. В этой связи возникает задача разработки средств маршрутизации пакетов на более высоких уровнях сети.
b) Использование нестандартных физических каналов передачи данных (телефонных, сети электропитания, сигнализации и других), часто низкокачественных. Работа в режиме разделения линий с основными системами (охранными, телекоммуникационными и т.д.).
Основной проблемой, определяемой применением подобных коммуникаций, является обеспечение достаточной надежности передачи пакетов по отдельным сегментам и качества доставки сообщений по сети МКРС в целом. Для решения данной задачи, без изменения аппаратуры коммуникаций, требуется разработка специальных алгоритмических подходов и реализующих их подсистем, локализованных в узлах и взаимодействующих между собой.
c) Совместное использование в рамках одной системы разнотипных коммуникаций.
Как и для предыдущего пункта, данное свойство вытекает из определения МКРС (см. п. 1.2). С точки зрения организации КПС оно требует проработки средств сопряжения сегментов, сильно влияет, как будет показано ниже, на реализацию механизмов маршрутизации и коммутации.