Анализ архитектур контроллеров с параллельной шиной

Основные свойства большинства классических контроллеров:

· классический контроллер образуется набором модулей, установленных в каркас (крейт) и объединенных традиционной параллельной шиной;

· контроллер имеет один (очень редко несколько) модуль центрального процессора, взаимодействующего с остальными модулями контроллера через параллельную шину;

· остальные модули выполняют в контроллере функции устройств сопряжения с объектом (УСО) или другие вспомогательные функции;

· все модули, кроме процессорного, не являются интеллектуальными;

· взаимодействие между модулями осуществляется на уровне циклов обращений микропроцессора к внутренним регистрам и ячейкам памяти модулей;

· взаимодействие по параллельной шине характеризуется высокими скоростями передачи;

· относительно высокое число каналов в контроллере.

Объем ФУ составляет в среднем порядка 50 каналов. Модульность позволяет скомпоновать контроллеры с необходимым объемом каналов и процессорной производительностью, развитые сетевые средства без труда позволяют объединить их в единую систему и т.д., но при практической реализации возникают некоторые проблемы:

1. Для традиционных универсальных контроллеров число каналов, равное 50, не оптимально с точки зрения стоимости. Обычно они обслуживают несколько сотен каналов, тогда стоимость общесистемной части контроллера (крейта, источников питания, процессорного модуля и т.д.) распределяется по большому числу каналов и вклад системной части в среднюю стоимость канала минимален. Поэтому, если объем каналов в традиционном контроллере уменьшить до требуемого (в среднем 50 каналов), то средняя стоимость канала и системы в целом возрастет более чем в два раза.

2. Можно попытаться использовать более простые и соответственно дешевые традиционные контроллеры с меньшим числом каналов, например PLC-контроллеры, но тогда вы имеете ряд ограничений по функциональным возможностям, производительности процессора и т.д., которые сделают невозможным решение сложных или нестандартных задач.

Таким образом, в обоих случаях возникают несоответствия, приводящие либо к существенному увеличению стоимости контроллерного оборудования в системе из-за дорогостоящей общесистемной части, не позволяющей масштабировать контроллеры в широком диапазоне обслуживаемых каналов, либо к существенному ограничению функциональных возможностей контроллеров. Традиционные контроллеры с параллельной шиной не имеют каких–либо архитектурных решений, повышающих их надежность. Их надежность обеспечивается за счет высокого качества производства электронного оборудования. С архитектурной точки зрения, параллельная шина является центральным системным элементом с крайне высокой потенциальной ненадежностью. Она содержит десятки сигналов, к которым подключаются все модули контроллера своими активными интерфейсными элементами (шинными приемо-передатчиками). Отказ любого элемента, при котором нарушатся электрические характеристики хотя бы одного сигнала, приводит к выходу из строя всего контроллера. При этом практически невозможно диагностировать такую неисправность, так как при подобном отказе полностью нарушается функционирование контроллера.

3.15. Повышенные требования к устойчивости функционирования

Это требование может быть выполнено только при условии компоновки небольших контроллеров, соответствующих объемам функциональных технологических узлов. При выполнении большого числа сложных программ на одном процессорном устройстве в многозадачном режиме возможно взаимовлияние программ. Это может приводить к неустойчивому функционированию прикладного программного обеспечения. Выяснение причин подобных сбоев является наиболее сложной задачей в программировании и ее сложность растет экспоненциально с ростом объема программы. Взаимовлияние программ может привести к чрезвычайно высокой трудоемкости технологической наладки объекта. Во-первых, модификация программы в любой ее части может изменить время ее выполнения существенным образом, что повлияет на динамические свойства других участков программ. В некоторых случаях ощутимое перераспределение процессорного времени может возникать только при соблюдении определенных условий (состояний), т.е. очень редко. Выявление и устранение подобных программных ошибок может занять неизвестное количество времени. Во-вторых, для запуска исправленной в ходе технологической наладки программы требуется перезагрузка программы в контроллере на работающем объекте. Если контроллер ответственен за крупный участок технологии, то такая перезагрузка может повлечь остановку основного оборудования, что просто недопустимо.

Недостатки классической параллельной шины. Помимо перечисленных выше противоречий, возникающих при использовании традиционных контроллеров в управлении сложными технологическими объектами, существует ряд недостатков, порождаемых самой природой параллельной шины.

Большинство параллельных шин являются одномастерными (однопроцессорными). Многомастерные (многопроцессорные) шины существенно сложней и более дорогостоящи. Если для решения задач, потребуется многопроцессорная обработка, то необходимо использовать относительно дорогие многопроцессорные шины типа VME или аналогичные.

Многопроцессорные параллельные шины имеют централизованную схему арбитража. Арбитр – это отдельное самостоятельное устройство для управление доступом процессоров к шине. Выход из строя единственного элемента – арбитра, приведет к выходу из строя всего контроллера.

Шинные циклы на параллельной магистрали являются элементарными операциями чтения/записи операндов с точно заданными адресами и не обладают свойством транзакции, т.е. невозможно корректно " откатиться" в состояние до выполнения неудачного цикла и попытаться повторить его вновь. Из этого следует сразу несколько проблем:

· любой сбой при выполнении шинного цикла является серьезной системной ошибкой (исключительной ситуацией), корректная обработка которой практически невозможна;

· обязательное наличие точного адреса операнда в шинном цикле лишает возможности организации динамической маршрутизации информационных потоков;

· ряд ограничений в адресации на параллельных шинах – отсутствуют широковещательные сообщения.

Крупные контроллеры с централизованной обработкой даже с очень мощным процессором не удовлетворяют предъявляемым требованиям в полной мере. Необходима децентрализация обработки между небольшими автономными контроллерами, оптимальный объем которых соответствует объемам функциональных узлов (ФУ), для того, чтобы минимизировать обмен информацией между контроллерами.

Локальная сеть внутри контроллера вместо параллельной шины. Сегодня локальные сети решают весь комплекс задач по объединению компьютерного и контроллерного оборудования в единую систему. Фактически контроллер с внутренней локальной сетью будет представлять собой кластер автономных интеллектуальных модулей, объединенных этой сетью. Важной предпосылкой для использования стандартной сети из семейства современных полевых сетей " Fieldbus" в качестве межмодульной среды передачи является существенное снижение интенсивности межмодульного взаимодействия. Интенсивность обмена информацией между интеллектуальными модулями может снизиться в сотни раз за счет реализации операций ввода/вывода УСО, обработки информации и управляющих программ внутри интеллектуального модуля. Межмодульное взаимодействие в этом случае требуется только для получения информации о значениях параметров, необходимых для функционирования собственных алгоритмов управления и заданий/рапортов извне. Объемы отдельных ФУ могут превосходить возможности отдельного модуля, поэтому сеть внутри контроллера должна быть достаточной для обеспечения более тесных и интенсивных связей, необходимых для решения задач внутри ФУ. На " цеховом" уровне, где представлено несколько контроллеров, стоит задача их объединения в единую систему, т.е. сеть интеллектуальных модулей должна быть двухуровневой и включать сеть первого ранга, образующую контроллеры ФУ из интеллектуальных модулей, и сеть второго ранга, объединяющую контроллеры (кластеры) в единую систему. Кластер модулей, объединенных сетью первого ранга, можно назвать контроллером функциональных узлов (КФУ). Важной особенностью этой архитектуры является то, что сетевой шлюз в КФУ является абсолютно прозрачным для модулей. Таким образом система выглядит для модулей как одноранговая сеть, т.е. для любого отправителя (модуля) не имеет значения где физически находится получатель сообщения – в том же КФУ, или в другом. Это еще одно неоспоримое достоинство предлагаемой архитектуры.

Выбор стандартных локальных сетей для объединения интеллектуальных модулей внутри КФУ и полное исключение традиционных параллельных шин, как средства межмодульной коммуникации, позволяет без дополнительных затрат решить ряд проблем, неразрешимых для контроллеров с традиционной архитектурой.

Замена параллельной шины внутри контроллера на локальную сеть оптимально и без всяких оговорок решает ряд ключевых задач, определяющих основные системные свойства контроллеров:

1.Обеспечение надежной среды передачи данных. В современных локальных сетях обеспечивается достоверность передаваемых по сети данных, которые защищаются циклическими контрольными суммами, что отсутствует в большинстве параллельных шин.

2. Некоторые сети обеспечивают возможность инициативного доступа к среде передачи со стороны любого сетевого абонента. Это позволяет реализовать разнообразные схемы обработки информации – по инициативе " ведущего" обработчика, управление по событиям, управление потоком данных.

3. Появляется возможность осуществить разнообразные методы адресации. Некоторые сети не имеют физических адресов – все сообщения имеют свой идентификатор типа или класса сообщений. Это позволяет строить динамические схемы маршрутизации информационных потоков в системе. Кроме того, имеются специальные служебные и широковещательные сообщения, без которых трудно реализовать ряд необходимых системных функций – например, синхронизацию времени и другие функции, требующие синхронной обработки.

4. Отсутствие централизованного арбитра и широкие возможности автоконфигурирования сетевой топологии существенно повышает надежность и живучесть контроллера. В многопроцессорных параллельных архитектурах, напротив, используется централизованная схема арбитража.

5. Более высокоуровневый обмен информацией. Общение между интеллектуальными модулями происходит не на уровне элементарных регистровых обращений (циклов чтения/записи), а на уровне смысловых сообщений. В сетях элементом информации является сообщение, оформленное в виде пакетов. Пакет является нормальной транзакцией, целостность которой автоматически отслеживается на сетевом уровне. Более того, даже разрушение самой сетевой среды во время передачи пакета не является фатальной системной ошибкой – это обычная штатная ситуация, предусмотренная в любой сети, в отличие от параллельной шины, где сбой шинного цикла является серьезной системной ошибкой с фатальными последствиями.

6. Скорости передачи. Параллельные шины пока считаются самыми быстродействующими. Сегодня появилось несколько технологий последовательной передачи данных, которые превосходят по быстродействию любые существующие параллельные шины и обеспечивают передачу данных со скоростью до 400 Мбайт/сек и даже более.

Контрольные вопросы

1. Дайте краткие характеристики известных Вам компьютерных шин и сравните их по параметрам.

2. Дайте краткую характеристику нового аппаратного стандарта CompactPCI.

3. Охарактеризуйте особенности стандарта FUTUREbus+.

4. Изложите основные принципы программирования программируемого логического контроллера.

5. Изложите кратко принципы выбороа контроллерных средств.

6. Охарактеризуйте современные принципы взаимодействия компонентов контроллеров.

7. На основе каких принципов осуществляется на современном этапе проектирование распределенных систем управления?

8. Приведите основные принципы концепции открытой модульной архитектуры контроллеров – OMAC.

9. Проанализируйте архитектура производственной базы данных реального времени.

10. Приведите основные принципы современной эволюция стандарта PCI для жестких встраиваемых приложений.

11. Проведите анализисполнительной системы ISaGRAF 5++ACE Target как целевой системы высокой производительности.

12. Дайте краткую характеристику одно- и многоуровневым системам диспетчерского контроля и управления.

13. Проанализируйте основные технологии и протоколы передачи данных в промышленности: Industrial Ethernet.

14. Перечислите пути повышения надежности и отказоустойчивости АСУ ТП с использованием резервированного кольца Turbo Ring.

15. Проведите анализ архитектур контроллеров с параллельной шиной.

16. Перечислите пути повышения требований к устойчивости функционирования небольших контроллеров.

17. Перечислите недостатки классической параллельной шины.

18. Каковы возможности использования локальной сети внутри контроллера вместо параллельной шины?

19. К каким преимуществам приводит замена параллельной шины внутри контроллера на локальную сеть?

ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ТИПОВЫХ КОНТРОЛЛЕРОВ

⇐ Предыдущая 9 10 11 12 131415 16 17 18 Следующая ⇒