Рассматривая особенности применения компьютеров в промышленности, нельзя не учитывать, что эта сфера не является обособленной и в той или иной степени воспринимает тенденции компьютерного рынка вообще. Одно из проявлений таких тенденций –  постоянно растущая популярность архитектуры IBM PC, чему в основном и посвящена данная статья. Часто употребляемое здесь слово "архитектура" в нашем случае означает общие принципы построения и функционирования вычислительной системы или ее составной части. С известной степенью упрощения архитектура определяется системой команд процессора и типом системной шины, используемой для подключения дополнительных внешних устройств.

Немного истории

Через некоторое время после того как в СССР было принято решение не разрабатывать свои компьютеры, а копировать западные, нашу страну заполнили аналоги мэйнфреймов IBM (EC ЭВМ), а также клоны мини- и микрокомпьютеров фирмы DEC (CM ЭВМ, "Электроника-60", ДВК). Эти же компьютеры составили костяк автоматизированных систем управления (АСУ) и промышленных систем автоматизации первой волны. В настоящее время мэйнфреймы, повсеместно теснимые распределенными вычислительными системами на базе локальных сетей, в нашей стране ввиду глубокого экономического кризиса практически вымерли. Архитектура фирмы DEC оказалась более живучей. Однако, несмотря на то что целое поколение специалистов, которым сейчас за 30, было воспитано на этой архитектуре, компьютеры линии LSI-11, PDP-11 и VAX неуклонно сдают свои последние позиции. В качестве основы для систем самого низкого уровня, как правило, использовались освоенные нашей промышленностью микроконтроллеры, совместимые с изделиями MCS80, MCS48 и MCS51 фирмы Intel.

В остальном мире развитие миникомпьютеров шло различными путями. В результате повышения степени интеграции элементной базы появились так называемые рабочие станции. Осознание очевидных преимуществ процессоров с сокращенным набором команд (RISC) привело к появлению архитектур SPARC (Sun Microsystems), Alpha (DEC), MIPS (Silicon Graphics), PA-RISC (Hewlett-Packard) и некоторых других. Указанные архитектуры продвигаются на рынок достаточно сильными компаниями и в той или иной степени находят применение в системах управления и промышленной автоматизации.

Каждый изготовитель миникомпьютеров, как правило, использовал системную шину собственной разработки. Поэтому неудивительно, что в этой области в конце концов были предприняты попытки стандартизации. Так, в качестве универсальных системных шин для промышленных миникомпьютеров фирмой Intel была предложена шина Multibus II, а фирмой Motorola – шина VME. После некоторого периода конкурентной борьбы шина VME получила более широкое признание независимых изготовителей, в результате чего Intel недавно объявила о прекращении производства изделий с шиной Multibus.

Параллельно конкуренция между этими же компаниями определяла и развитие рынка микропроцессоров и микроконтроллеров. Хотя сейчас свои однокристальные контроллеры выпускает практически каждая крупная электронная компания, именно разработки Intel и Motorola легли в основу большинства систем автоматизации нижнего уровня. Такие системы, конструктивно оформленные в виде законченных устройств получили название программируемых логических контроллеров (PLC). Для связи с объектом управления эти контроллеры имеют несколько аналоговых и/или цифровых входов/выходов, зачастую в них встроены интерпретаторы специализированных языков (например, языка релейной автоматики), кроме того, PLC, как правило, снабжены возможностью подключения устройств для связи с оператором (Man Machine Interface). Наши специалисты знакомы с PLC фирм Siemens, GE-Fanuc, ABB и ряда других.

В качестве универсальной системной шины в компьютерах и контроллерах нижнего уровня широкое распространение получила 8-разрядная шина STD, а в качестве шины расширения ("мезонинной" шины) для одноплатных устройств успешно применяется предложенная фирмой Intel шина iSBX.

Компьютерная революция

Когда Стивен Джобс колдовал в своем гараже над первой моделью компьютера Apple, он, наверное, и не предполагал, насколько значительное влияние окажут персональные компьютеры на нашу жизнь. Сейчас даже трудно вообразить, как бы мы смогли обходиться без персональных компьютеров, проникших во все сферы человеческой деятельности.

Хотя в России в силу разных причин оборудование Apple получило весьма ограниченное распространение, компьютеры этой фирмы занимают довольно большую долю рынка в других странах Apple бдительно охраняет права на аппаратное и программное обеспечение своих компьютеров, архитектура которых по-прежнему остается в значительной степени закрытой. Фирма до сих пор является практически единственным изготовителем компьютеров линии Macintosh и не уделяет рынку индустриальных систем какого-либо внимания По этой причине вы не найдете никаких следов Apple в промышленных системах автоматизации.

В то же время компьютеры Apple преобладают в системе образования США, в связи с чем часто применяются в лабораторных системах сбора информации и для научных экспериментов. Некоторые фирмы, например National Instruments, выпускают для этих целей периферийные платы (АЦП, IEEE – 488 и т. п.) и соответствующее программное обеспечение.

Следующей важнейшей вехой компьютерной эры стало решение IBM создать свой персональный компьютер на базе нового тогда микропроцессора8088 фирмы Intel. По моему мнению, еще более важным было решение IBM сделать архитектуру нового компьютера совершенно открытой, что позволило сотням компаний во всем мире производить совместимые изделия Кроме того, по условиям соглашения между IBM и Intel последняя имела право свободно продавать операционную систему, разработанную для IBM PC, третьим фирмам Сейчас мы видим, что архитектура IBM PC занимает все более значительное место в области автоматизации промышленности, с одной стороны, тесня миникомпьютеры с другой – находя применение там, где раньше господствовали PLC-контроллеры. В чем же состоит причина и каковы слагаемые такого успеха?

Во-первых, это огромное количество независимых поставщиков аппаратных средств и специализированных микросхем – ожесточенная конкуренция между ними ведет к постоянному снижению цен и повышению технико-экономических показателей. Как следствие, вы имеете дешевую платформу для разработки.

Во-вторых, существенный задел программного обеспечения, в том числе в области систем реального времени.

И в-третьих, большое количество высококвалифицированных специалистов по архитектуре и программированию IBM PC.

В целом все это является отражением того факта, что сейчас на рынке совместимых с IBM PC изделий сосредоточены финансовые и интеллектуальные ресурсы, во много раз превышающие возможности любой отдельно взятой компании.

Парад шин

8-, а затем 16-разрядная шина ISA, используемая в персональных компьютерах фирмы IBM, стала стандартом де-факто в отрасли. Однако по мере увеличения быстродействия микропроцессоров шина ISA стала узким местом для приложений, требующих быстрого обмена по системной магистрали.

Некоторое время спустя IBM попыталась оторваться от наступающего нa пятки конкурентов, предложив запатентованную архитектуру на базе шины Micro Channel. Несмотря на экономическую мощь IBM, второго чуда не произошло из-за несовместимости с уже существующими периферийными платами, а также из-за требования лицензионных отчислений с фирм-изготовителей совместимого оборудования шина Micro Channel не нашла поддержки независимых производителей. Разумеется, она не получила широкого признания и в индустриальных приложениях, хотя и используется в промышленных компьютерах, выпускаемых самой IBM.

Более счастливая судьба оказалась у шины EISA, разработанной по инициативе фирмы Compaq. Широко сочетающая 32-разрядную архитектуру и совместимость с традиционными 16- и 8-разрядными платами, получила достаточно широкое распространение в критичных по быстродействию индустриальных приложениях. Но в настоящее время число компаний, выпускающих изделия с шиной EISA, быстро падает.

Разумеется, взрывной рост популярности систем на базе 32-разрядной шины VL Local Bus (VESA) коснулся и рынка средств автоматизации. Прошло совсем немного времени, и в каталогах изготовителей индустриальных компьютеров появились системы на базе этой шины Однако ориентация шины VL Local Bus на устаревающий микропроцессор 80486 фирмы Intel и недостаточная буферизация стали препятствием на пути ее развития. И хотя соответствующий комитет работает над улучшением стандарта, на горизонте появилась новая звезда – шина PCI.

Разработанная в 1992 году фирмой Intel, шина PCI получает растущее признание независимых изготовителей.

Во-первых, PCI со своей пропускной способностью до 132 Мбайт в секунду отвечает возросшим возможностям современных микропроцессоров.

Во-вторых, независимость шины от типа используемого процессора позволяет уравнять шансы конкурентам фирмы Intel, таким как DEC с микропроцессором Alpha или альянсу Apple-IBM-Motorola с микропроцессором PowerPC.

В-третьих, унификация используемой шины позволяет изготовителям периферийных плат не распылять свои силы на разработку различных вариантов одного и того же изделия для разных шин.

Все это, по-видимому, предопределит широкое распространение шины PCI в будущем, и уже появились промышленные компьютеры, основанные на новой шине. Несколько фирм совместно работают над индустриальной версией шины PCI, которая позволит применять большее количество слотов расширения, чем предусмотрено действующим стандартом, а фирмы IBM и Motorola предлагают удвоить тактовую частоту шины – с 33 до 66 МГц.

Тем не менее необходимо отметить, что в связи с консервативностью рынка индустриальных компьютеров шина ISA будет преобладать здесь еще довольно долгое время.

Компьютеры большие...

На верхнем уровне иерархии IBM PC-совместимых промышленных систем мы видим мощные компьютеры, предназначенные для управления производственными и технологическими процессами в масштабах производственного участка цеха или завода. Такие компьютеры имеют повышенную надежность, предназначены для круглосуточной работы в условиях запыленности, больших перепадов температуры, вибрации и других неблагоприятных факторов (в том числе несоответствующего уровня подготовки обслуживающего персонала).

Первые энтузиасты применения персональных компьютеров в промышленности брали за основу материнские платы обычных офисных компьютеров и помещали их в специальные корпуса. Стечением времени, однако, выработались вполне определенные характерные черты, которыми отличаются современные промышленные PC.

Как правило, вместо стандартной материнской платы применяется пассивная объединительная панель, в один из слотов которой вставляется процессорная плата. Для обеспечения связи с различными датчиками, исполнительными устройствами и каналами коммуникации может потребоваться много плат расширения, поэтому допустимое число таких плат в промышленных персональных компьютерах достигает 12-14, против 6-8 в офисных моделях. Иногда применяют секционированные панели, которые позволяют компоновать несколько независимых компьютеров в одном корпусе. Применение пассивной панели существенно сокращает время ремонта, а соответственно, и время простоя технологического оборудования. Замена любой платы, в том числе процессорной, занимает не больше 5-10 минут. Кто хотя бы раз менял материнскую плату в обычном персональном компьютере, согласится, что это действительно немного.

Компьютеры имеют упрочненные металлические корпуса, как правило, предназначенные для монтажа в стандартные стойки шириной 19 дюймов. Во многих системах применяются специальные средства для обеспечения повышенной виброустойчивости. Часто доступ к НГМД закрыт специальной дверцей с замком для предохранения от загрязнения и несанкционированного доступа. Получили распространение так называемые индустриальные рабочие станции (Industrial Workstation), которые характеризуются тем, что системный блок и дисплей размещены в одном защищенном корпусе, а клавиатура, выполненная по мембранной технологии, встроена непосредственно в переднюю панель.

Обычно промышленные компьютеры снабжены источником питания большой мощности и имеют развитую систему воздушного охлаждения со сменными пылеулавливающими фильтрами и положительным внутренним давлением очищенного воздуха.

Некоторые фирмы для особо ответственных приложений выпускают отказоустойчивые компьютеры с дублированием важнейших узлов и предусматривают возможность их "горячей" замены.

На нашем рынке производители промышленных компьютеров представлены такими фирмами, как Advantech, ICP, Intecolor, Texas Micro. На рис. 1 представлен типовой системный блок промышленного компьютера, а на рис. 2-монитор, помещенный в защитный корпус с приспособлениями виброизоляции. На рис. 3 можно видеть типичную индустриальную рабочую станцию.

...и маленькие

Сегодня мы можем смело утверждать, что архитектура PC распространяется все ниже и ниже в иерархии автоматизированных систем управления. Автомобильная промышленность США, которая контролирует 35% рынка PLC-контроллеров, уже приняла решение о переходе на IBM PC-совместимые компьютеры и контроллеры Более того, разработка и начало производства такими компаниями, как Intel, AMD, C&T однокристальных PC привели к тому, что сейчас архитектура PC вторгается на рынок недорогих контроллеров, где раньше безраздельно господствовали микроконтроллеры типа 8051 или 68НС11.

Характерной особенностью систем автоматизации нижнего уровня является то, что они могут встраиваться непосредственно в промышленное или бортовое оборудование. Они располагаются на самом объекте управления и часто вынуждены работать в необорудованных и неотапливаемых помещениях, а то и просто "на улице". Во многих случаях управляющие компьютеры и контроллеры являются неотъемлемой частью какого-либо прибора, станка или агрегата, поэтому их часто называют встраиваемыми (embedded). Далее вы увидите, что, хотя мы и относим такие системы к нижнему уровню систем управления, это вовсе не означает, что их возможности или быстродействие ограничены. В то же время особенности их применения накладывают ряд специфических требований.

Наряду с ужесточением требований по вибростойкости, ударопрочности, рабочему диапазону температур добавляются такие, как малые габариты и пониженный уровень потребляемой мощности. Кроме того, могут предъявляться требования по взрывобезопасности, радиационной стойкости, стойкости к химически агрессивным средам или сильным электромагнитным полям.

С функциональной точки зрения мы также видим вещи, не характерные для офисных компьютеров: например, "сторожевой таймер" (watchdog timer), автоматически перезапускающий систему в случае зависания программы; хранение setup-параметров в энергонезависимой памяти, что позволяет обходиться без специальных батареек. Часто операционная система загружается из ПЗУ, а в качестве накопителей используются электронные диски, в том числе на базе флэш-памяти.

Разработчики встраиваемых систем, желающие использовать архитектуру PC, стоят перед выбором: либо разрабатывать систему "с нуля", применяя тот или иной набор микросхем, либо брать в качестве основы готовые изделия специализированных компаний. Можно констатировать, что второй подход все чаще берет верх, и тому есть ряд причин.

Во-первых, разработка вычислительной системы, например класса 386 или 486, является дорогим удовольствием. Необходим штат высококвалифицированных схемотехников и программистов. Высокие тактовые частоты используемых микропроцессоров требуют особо тщательного проектирования печатных плат, а современная элементная база даже для изготовления прототипа требует высококлассного технологического оборудования, обеспечивающего монтаж на поверхность. Хотя кажется, что устройство, разработанное с учетом конкретных нужд и не включающее в себя ничего лишнего, обойдется вам дешевле, чем универсальные, а значит, избыточные изделия специализированных компаний, – это впечатление может оказаться обманчивым, так как существует множество скрытых затрат, таких как организация и поддержка разработки и производства, входной и выходной контроль, испытания и тестирование, отладка программного обеспечения, гарантийные обязательства и т. п. Кроме того, изготовители стандартных плат закупают комплектующие большими партиями по более низким ценам. Вот почему самостоятельная разработка может быть экономически выгодна только при крупносерийном производстве изделия.

Во-вторых, в условиях жесткой конкуренции очень важно минимизировать время, которое проходит от возникновения идеи до выпуска готового изделия (Time-to-Market). Поэтому многие даже крупные компании предпочитают сосредотачивать свои ресурсы на том, что они умеют делать лучше других, а не изобретать колесо, особенно, если стоимость системы управления составляет лишь малую долю от стоимости всего изделия.

В-третьих, время жизни наборов микросхем, используемых в PC, часто не превышает и года. Не исключена ситуация, когда, закончив разработку, вы неожиданно обнаружите, что микросхемы, предусмотренные в проекте, сняты с производства. Время же жизненного цикла систем автоматизации достигает 10 лет. В этой ситуации фирмы, специализирующиеся на изготовлении плат, как правило, заключают с ведущими изготовителями компонентов специальные соглашения, по условиям которых они заблаговременно получают информацию как о планах снятия каких-либо устройств с производства, так и о планах выпуска новых. Это позволяет закупать необходимое количество "критических" компонентов для обеспечения необходимого жизненного цикла своей продукции, а также обеспечивать полную совместимость снизу вверх последующих поколений изделий.

И наконец, в-четвертых, при приемлемом тираже вашей продукции специализированные фирмы могут внести необходимые изменения в свои стандартные изделия, чтобы те удовлетворяли вашим требованиям.

В России известны такие производители встраиваемых PC, как Octagon Systems, Ampro, PEP, Radisys.

Условно встраиваемые компьютеры можно разделить на две группы. К первой относятся компьютеры, собираемые из нескольких плат, объединяемых системной шиной, а ко второй – компьютеры, у которых все необходимые функции интегрированы на одной плате небольшого размера. Использование стандартного подхода с системной шиной позволяет создавать функционально более мощные системы управления, гибкие в конфигурировании и настройке на конкретное приложение. В то же время компьютеры на одной плате, не имея средств поддержки общей системной шины, могут оказаться более дешевым решением в тех случаях, когда особая гибкость не нужна. Тем не менее, одноплатные компьютеры, как правило, снабжаются шиной расширения, или, как ее иногда называют, мезонинной шиной (mezzanine bus), для подключения при необходимости дополнительных плат, выполняющих какие-либо специфические функции для конкретных приложений. Необходимо отметить, что в области шин расширения также становится заметным влияние PCI, для которой разработан стандарт по ее использованию в качестве мезонинной шины.

Какие только шины не используют изготовители, чтобы разместить IBM PC на платах меньшего размера, чем стандартные платы полной длины. Это и ESP, и PC/ 104, и АТ96, и VME, и многие другие. Пожалуй, только фирма Octagon Systems при стандартном размере платы 114x124 мм сохранила полную совместимость с IBM PC по разъему. Кроме того, Octagon Systems является крупнейшим поставщиком компьютеров для расширенного температурного диапазона (-40...+85 °С).

Предложенная фирмой Ampro шина РС/104 получила широкое распространение взамен iSBX в качестве мезонинной шины для одноплатных компьютеров. В то же время ряд фирм выпускает и процессорные платы, имеющие стандартный для РС/104 размер 90x96 мм. На рис. 4 представлен процессорный модуль фирмы Advantech, объединяющий на небольшой плате все функции материнской платы IBM PC/386, 4 Мбайт ОЗУ, электронный диск емкостью до 1 Мбайт, а также последовательный и параллельный порты.

На рис. 5 показана процессорная плата фирмы Octagon Systems, включающая все функции материнской платы IBM PC/386,4 Мбайт ОЗУ, два электронных диска общей емкостью до 1,5 Мбайт, два последовательных и один двунаправленный параллельный порт, контроллер НГМД и НЖМД, а также программатор флэш-памяти. На одном из электронных дисков предварительно установлена DOS v6. Она универсальна и может использоваться как в системах с пассивной системной шиной, так и в качестве одноплатного компьютера с возможностью расширения через мезонинную шину РС/104.

На рис. 6 показан одноплатный компьютер фирмы Octagon Systems размером 150x200 мм: вычислительная мощность до 486DX4-100; объем ОЗУ до 32 Мбайт, три электронных диска общей емкостью до 2,5 Мбайт; четыре последовательных порта RS-232/485, параллельный порт принтера, порт клавиатуры, программатор флэш-памяти; IDE-контроллер гибких и жестких дисков; к локальной шине с быстродействием 33 МГц подключены интерфейсы SCSI, Ethernet и SVGA (1 Мбайт) с поддержкой как ЭЛТ-дисплеев, так и плоских панелей, а также шина расширения РС/104.

Отдельного разговора заслуживают специальные защищенные и упрочненные компьютеры для мобильных пользователей. В частности, на рис. 7 можно видеть портативный компьютер фирмы Getac, который одинаково надежен в условиях как пыльной бури, так и морского шторма Несмотря на внешнее сходство с обыкновенным ноутбуком, его конструкция имеет ряд уникальных особенностей- пылевлагонепроницаемый металлический корпус, вибростойкость и ударопрочность в соответствии с военными стандартами, широкий диапазон рабочих температур (-20...+50 °С) и т.п. Такие защищенные ноутбуки находят применение в военной и промышленной сфере, например, для обслуживания автоматических станций, передвижных диагностических лабораторий и т.д.

Внешние устройства

Сегодня среди устройств хранения информации наибольшую популярность приобрели накопители на гибких и жестких магнитных дисках. Проиллюстрируем некоторые наработанные решения в области защиты накопителей от вредных воздействий на примере системного блока фирмы Advantech (рис. 1). Во-первых, это противоударное крепление блока накопителей, во-вторых, защитная дверца, предохраняющая устройства от загрязнения, и, в-третьих, пылеулавливающий фильтр и система вентиляции, обеспечивающая избыточное внутреннее давление очищенного воздуха.

В тех случаях, когда необходима повышенная ударопрочность, применяются специальные накопители на жестких дисках. Так, накопители в виде карт стандарта PCMCIA позволяют, с одной стороны, отказаться от гибких дисков как сменных носителей информации, а с другой стороны, вы получаете высоконадежное устройство большой емкости и повышенной прочности. Например, фирма Integral выпускает PCMCIA-накопители емкостью до 340 Мбайт, выдерживающие перегрузки до 2д при вибрации и до 200д при ударе в рабочем состоянии. Внутреннее пространство накопителя заполнено инертным газом, время безотказной работы достигает 300 тыс. часов.

Ну, а когда требуется еще более высокая надежность, более широкий диапазон рабочих температур или повышенная ударопрочность (например, в бортовых системах), обычно используются накопители на полупроводниковой флэш-памяти. Одной из ведущих фирм в области разработки аппаратных и программных средств для линейных накопителей на флэш-памяти является компания M-Systems, которая выпускает ряд изделий емкостью до 900 Мбайт для работы с ISA, PC/104, PCMCIA, SCSI и т. п. Фирма SanDisk лидирует в области флэш-дисков АТА с интерфейсом PCMCIA или IDE. Несмотря на то что число циклов перезаписи во флэш-память ограничено, его типовое значение для современных систем достигает миллиона.

Далее. Как известно, важным элементом интерфейса между машиной и оператором является дисплей. Кожух, показанный на рис. 2, обеспечивает не только вибростойкость встраиваемого дисплея, ной защиту его от пыли и влаги со стороны экрана. Однако встраиваемый стандартный дисплей, конечно же, не рассчитан на эксплуатацию в тяжелых условиях, поэтому такой метод защиты можно рассматривать лишь как компромиссный.

Некоторые фирмы разрабатывают для систем автоматизации специальные дисплеи. Например, фирма Intecolor изготавливает мониторы с диагональю в 20 дюймов, которые выдерживают удар в 20д и имеют повышенную степень защиты от внешних воздействий (рис. 8). В тех приложениях, где существенны малые габариты изделия, предпочтительны плоские панели на базе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ). В условиях низких температур, как правило, ни ЖКИ, ни ЭЛТ-дисплеи уже не годятся и применяются электролюминесцентные или плазменные дисплеи. При этом диапазон рабочих температур может простираться до -55 °С.

Еще одной особенностью индустриальных приложений является широкое применение сенсорных экранов. С одной стороны, это позволяет обходиться без отдельной клавиатуры, с другой – обеспечивает определенные удобства для обслуживающего персонала благодаря простоте и функциональности подобных устройств. Сенсорный экран позволяет программно рисовать функциональную клавиатуру на экране, например, как часть мнемосхемы управляемого объекта. Более того, в зависимости от выполняемой операции на экране могут отражаться несколько разных функциональных клавиатур, а для изменения их состава или местоположения достаточно внести соответствующие коррективы в программное обеспечение.

Тем не менее обычные клавиатуры тоже используются и довольно широко. Для обеспечения их пылебрызгозащиты применяются накладки из прозрачного пластика, наклеиваемые поверх клавиш, а также мембранная технология (рис. 3). Существуют клавиатуры и для работы в агрессивных средах – для них не страшны брызги нефтепродуктов, их можно мыть водой с порошком. С такой же степенью защиты выпускаются манипуляторы типа "мышь" (Durapoint Mouse), не содержащие движущихся частей (рис. 9).

Специфичными для промышленных применений являются аппаратные средства, предназначенные для непосредственной связи вычислительной системы и объекта управления. Эти средства ответственны за нормирование и/ или линеаризацию входных сигналов с датчиков или усиление выходных сигналов для исполнительных устройств. При этом весьма часто предъявляются требования полной гальванической развязки вычислительной системы от каждого из входных или выходных каналов, а также между самими каналами. Ряд фирм, таких как Analog Devices, Grayhill, Opto22, выпускает специальные модули (Data Acquisition Modules), реализующие эти требования. В последнее время получают распространение удаленные модули, имеющие непосредственный выход на одну из шин класса Fieldbus, что позволяет легко интегрировать датчики и исполнительные устройства в распределенных системах управления. Типичным примером могут служить модули серии ADAM-4000, выпускаемые фирмой Advantech (рис. 10).

Сети

Наиболее распространенным сетевым решением в настоящее время, безусловно, является Ethernet, и последние достижения в области увеличения скорости работы Ethernet до 100 Мбит/ с, надо ожидать, будут и дальше способствовать поддержке этого стандарта. Ethernet широко используется в системах промышленной автоматизации, однако его применение ограничено там, где циркулирует информация, требующая принятия решений в реальном времени. Это связано с недетерминированной природой самого протокола Ethernet. Иными словами, при большой загрузке сети существует небольшая, но отличная от нуля вероятность того, что сообщение, посланное одним из узлов, никогда не достигнет адресата. Теперь представим, что этим сообщением является информация об аварии в системе обслуживания ядерного реактора, требующая немедленных действий со стороны другой подсистемы управления реактором, являющейся тем самым адресатом. Вот почему в приложениях, где необходима гарантированная доставка информации в течение заданного интервала времени, более подходящими оказываются протоколы Token Ring (4/16 Мбит/ с) или Arcnet (2,5 Мбит/с). В настоящее время существует стандарт Arcnet II со скоростью до 20 Мбит/с, однако его применение сдерживается недостаточной поддержкой со стороны изготовителей специализированных сетевых микросхем. Поклонники ATM (Asynchronous Transfer Mode) предсказывают, что вскоре он вытеснит всех, даже Ethernet. He исключено, что они окажутся во многом правы – при условии поддержки ATM со стороны изготовителей микросхем. К тому же, большое значение для повсеместного внедрения ATM может иметь инициатива IBM по созданию дешевого варианта ATM, рассчитанного на скорость 25 Мбит/с.

Помимо указанных выше, существуют сетевые протоколы, специфичные для промышленных систем автоматизации низкого уровня: это, например, среднескоростные CAN, FIP, Profibus, BIT-bus и т. п. Зачастую их объединяют одним словом – Fieidbus Стандарт

CAN пользуется растущим признанием и имеет две основные конкурирующие реализации протоколов верхнего уровня: DeviceNet фирмы Allen-Bradley и SDS фирмы Honeywell. В США над стандартом Fieldbus работает специальный комитет – с целью объединить все положительные стороны существующих подходов. Новый стандарт должен быть готов в 1996 году. В качестве дешевой низкоскоростной магистрали широко применяется интерфейс RS-485, который обеспечивает связь по витой паре сегментами длиной до 1,2 км и позволяет подключать до 32 узлов на сегмент. В качестве логических протоколов работы по RS-485 получили распространение Optomux, Promux и другие совместимые с ними.

Наличие сильных электромагнитных полей на объектах управления приводит к тому, что в качестве физической линии связи подчас применяется оптоволокно, а невозможность или дороговизна прокладки кабелей может привести к необходимости использования в качестве линии связи радиоканала.

Программное обеспечение

Выглядит совершенно естественным факт, что специфика промышленных применений наложила свой отпечаток и на используемое программное обеспечение. В рамках излагаемой темы я приведу лишь основные, на мой взгляд, требования к программному обеспечению и сделаю небольшой обзор основных продуктов в этой области.

Первым требованием является надежность программного обеспечения. Действительно, одно дело, когда у вас в офисе "зависает" текстовый процессор, и совсем другое – когда сбоит программа, управляющая ядерным реактором или космическим кораблем. В конечном счете, многие новации последнего времени – структурное программирование, объектно-ориентированные языки, CASE-техно-логии – послужили ответом на стремление создавать все более сложные программы с меньшим количеством ошибок.

Вторым требованием является быстрая обработка каких-либо внешних событий или изменений в параметрах управляемых процессов. Системы, работающие в соответствии со вторым требованием, часто называют системами реального времени. Разумеется, понятие "быстрый" является относительным. Типовое время реагирования на внешние воздействия, необходимое современным индустриальным системам, составляет десятки микросекунд. В то же время существует ряд задач, где инерционность протекающих процессов позволяет реагировать с задержкой в десятки, а то и сотни миллисекунд. В этом случае иногда применяется понятие "мягкое реальное время".

И третьим требованием, часто предъявляемым к программному обеспечению систем управления, является многозадачность. Это требование диктуется подчас чрезвычайно сложной и многоуровневой природой управляемых процессов, необходимостью одновременной реализации сложных алгоритмов управления различными аспектами или частями реального объекта. Каждая задача выполняет свою долю работы по управлению объектом и делит с другими ресурсы вычислительной системы в зависимости от своего приоритета и от внешних и внутренних событий, связанных с данной задачей. Разработан не один десяток алгоритмов распределения ресурсов между задачами, рассмотрение которых, впрочем, выходит за рамки данной статьи.

Другим тесно связанным с многозадачностью понятием является многопоточность. Хотя терминология здесь не совсем устоялась, под многопоточностью, как правило, понимают возможность выполнения в рамках одной задачи нескольких независимых процессов (потоков команд), которые, в отличие от задач, пользуются общими участками кода и данных.

Названным требованиям должны удовлетворять все уровни программного обеспечения системы. Последнее условно можно разделить натри уровня:

 – базовая система ввода-вывода (BIOS);

 – операционная система и драйверы (ОС);

 – собственно прикладные программы.

BIOS осуществляет непосредственный интерфейс между аппаратурой и программным обеспечением верхних уровней. Ведущие фирмы-поставщики BIOS ориентируются в основном на рынок офисных компьютеров и не принимают специальных мер для обеспечения требований индустриальных приложений. Основная опасность при обращении к BIOS – это возможность запрета прерываний на достаточно долгое время, в результате чего может быть пропущена важная информация от быстродействующих датчиков или телекоммуникационных устройств. Вот почему, с одной стороны, некоторые фирмы предлагают BIOS, ориентированную на приложения реального времени, а с другой – многие операционные системы реального времени минимизируют взаимодействие с BIOS или не обращаются к ней вообще.

Операционная система выполняет базовые функции по интерфейсу с оператором, запуску программ, распределению памяти, поддержки файловой системы и т.п. Наиболее распространенной операционной системой, конечно, является MS-DOS фирмы Microsoft и совместимые с ней. Ее последние версии обладают приемлемой надежностью, однако нет никакой поддержки многозадачности, а попытки реализовать ее в виде надстройки наталкиваются на необходимость решения проблемы нереентерабельности DOS. Разработчик системы автоматизации нередко стоит перед выбором: или использовать многозадачное ядро реального времени, работающее над DOS, или перейти на другую операционную систему. В первом случае используются самодельные или коммерчески распространяемые библиотеки программ, реализующие функции многозадачной ОС, например CТASK или RT-Kernel. Во втором случае открывается богатый выбор операционных систем, разработанных специально для применения в системах реального времени Эти ОС часто так и называют -операционные системы реального времени. На рынке их существует несколько десятков; отечественным специалистам известны такие ОС, как QNX, OS-9000, VxWorks, iRMX, VRTX, Nucleus

Существует два подхода к переносимости программного обеспечения. Первый – это поддержка одной ОС одновременно нескольких аппаратных платформ, второй -это обеспечение стандартного интерфейса между прикладными программами и ОС В качестве такого стандарта часто используют программный интерфейс, разработанный для UNIX-подобных операционных систем и получивший название POSIX (Portable Operating System Interface for UNIX). To есть ваша программа, написанная в соответствии со стандартом POSIX, должна надежно работать на любой аппаратной платформе при условии применения POSIX-совместимой операционной системы.

При проектировании ОС реального времени все чаще используется идеология микроядра, которая повышает надежность программного обеспечения и позволяет использовать только те компоненты операционной системы, которые необходимы в каждом конкретном случае. В частности, размер микроядра одной из самых распространенных операционных систем QNX не превышает 10 Кбайт. Модуль, ответственный за файловую систему, например, запускается как одна из задач и может быть легко удален. Все драйверы также функционируют как независимые задачи. То есть, если в вашей встроенной системе не используются файловые операции или отсутствуют интерфейсы с какими-либо внешними устройствами, вы можете просто не включать в состав операционной системы, функционирующей в вашем изделии, соответствующие модули, высвобождая тем самым память для более эффективного выполнения приложений.

"А как же многозадачные и многопоточные Windows NT и OS/2?" – резонно спросит читатель. Безусловно, эти новейшие операционные системы оказывают определенное давление на рынок операционных систем реального времени Однако преимущественно они ориентированы на офисные применения и не способны обеспечить скорость отклика на внешние воздействия, сравнимую со специализированными ОС реального времени. Помимо общей неразвитости механизмов управления приоритетами, существует проблема некоторой непредсказуемости поведения этих ОС Скажем, совершенно неожиданно система может инициировать массированный свопинг на диск, отнимая на это мероприятие практически все ресурсы. Вот почему чувствительные к задержкам задачи, типа обмена данных в мультимедиа-приложениях, оформляются в виде драйверов.

Фирма Microsoft, однако, все-таки обратила свой высочайший взор на встроенные системы и объявила о скором выпуске операционной системы реального времени Microsoft At Work, основанной на концепции микроядра. Конечно, у нас есть основания скептически относиться к заявлениям Microsoft, однако, если будет реализована обещанная совместимость с Windows API, эта новая операционная система может стать заметным игроком на рынке ОС для встраиваемых систем. Вообще, с появлением Windows 95 и следующих версий OS/2 и Windows NT проникновение этих операционных систем на рынок систем реального времени будет возрастать, и, по-видимому, в этой области завяжется конкуренция между операционными системами, совместимыми с POSIX и WIN32. Более того, совсем недавно объявлено о вступлении IBM и DEC в альянс по разработке операционной системы реального времени следующего поколения на базе микроядра IBM. Конкурентная борьба между крупнейшими компаниями обещает быть очень интересной, и, возможно, мы вскоре увидим новые операционные системы, пригодные для применения в промышленных системах автоматизации. Хотя некоторые горячие головы предсказывают доминирование какой-то одной операционной суперсистемы на всех аппаратных платформах и для любых приложений, четвертьвековая история UNIX не позволяет надеяться, что уже нынешнее поколение будет жить при таком "коммунизме".

Немного особняком стоит программное обеспечение, предназначенное для эксплуатации на верхнем уровне систем автоматизации, например, в диспетчерских системах электростанций, пультах управления сложными агрегатами и т.д. Главными функциями таких SCADA-программ (Supervisor Control And Data Acquisition) являются отображение технологического процесса в виде мнемосхем, сигнализация об аварийных ситуациях, ведение системного журнала, обеспечение общего управления процессом со стороны оператора и т.п. Многие системные интеграторы или подразделения АСУ крупных предприятий, как правило, имеют свои наработки в этой области. В то же время есть фирмы, специализирующиеся на разработке универсальных SCADA-программ, таких как Genesis (Iconics), FixDmacs (Intellution), InTouch (Wonderware). Из отечественных разработок хотелось бы отметить программу Trace Mode (Adastra Research Group). Ha рис. 11 представлен экран с мнемосхемой объекта, реализованный в системе Genesis.

Граница между программным обеспечением класса SCADAи MMI (Man Machine Interface) весьма условная, поэтому многие системы_в SCADA могут работать в качестве! интерфейса MMI для систем нижнего уровня. В последнее время получает распространение программное обеспечение класса МЕS (Manufacturing Execution Systems), основной задачей которого является оптимизация управления производством в целом, включая планирование запасов комплектующих расписание технологических процессов и т. д. Системы MES, c одной стороны, взаимодействуют с системами SCADA, образуя единую систему управления производством; с другой стороны, они часто интегрируются в систему планирования и управления предприятием в целом.

Более подробную информацию по теме данной статьи можно получить в московской фирме "ПРО-СОФТ" (тел: 284-84-04, факс: 971 -40-00), которая специализируется на поставках аппаратных и программных средств для индустриальных и бортовых систем управления, контроля и сбора данных.

В заключение мне хотелось бы поблагодарить фирмы Advantech, Getac, Iconics, Interlink и OctagonH Systems, с любезного разрешениям которых приведены иллюстрации к этой статье, и выразить надежду, что Россия, пойдя по пути интеграции в мировую экономику, быстрой восстановит свой экономическими потенциал, и не в последнюю очередь благодаря внедрению современных средств автоматизации в промышленности.