Файл: Мясников, В. А. Программное управление оборудованием.pdf

диапазон возможных областей применения требует приспособляе­ мости к исключительно широкому ряду характеристик сигналов. Дистанционные источники сигналов или приемники должны быть связаны с процессорами через дистанционные устройства вводавывода при помощи линий связи с высокой пропускной спо­ собностью.

Связь человек-машина. Возрастающая роль ЭВМ в управле­ нии производством требует расширения возможностей связи человека с машиной. Для выполнения этого требования необхо­ димо применять устройства ввода-вывода с удобочитаемыми носи­ телями информации, графические устройства вывода и т. п.

Магнитные ленты и диски большой емкости. Интегрированные системы управления требуют применения больших банков инфор­ мации, откуда ее выборка производится от случая к случаю. Организация банков информации должна быть детально изучена. Вопрос о разбивке больших массивов информации с точки зрения оптимального обмена между емкостью памяти и скоростью вы­ борки информации должен основываться на точном знании типов информации, требующихся на всех уровнях организационной иерархии. В дополнение к возможностям хранения информации в центральном устройстве на всех уровнях иерархии вычислитель­ ных подсистем требуется определенная емкость памяти на магнит­ ных лентах и дисках. Она необходима для следующих целей:

запоминания информации, когда центральное устройство па­ мяти переполнено;

уменьшения нагрузки систем связи путем записи необходимой информации непосредственно у ее источника;

обслуживания информацией небольших систем; в качестве буферной памяти, когда данные не могут быть

переданы в реальном масштабе времени из-за частотных ограни­ чений каналов связи.

Весьма важное значение имеет также разработка методов защиты информации от ошибок.

Средства программирования. Программы ЭВМ, разработанные для функционирования на низших уровнях иерархии вычисли­ тельных систем, должны работать в реальном масштабе времени. Процессы автоматизации производства могут отличаться в боль­ шой степени друг от друга. В некоторых случаях производство бывает непрерывным (в течение 24 ч в сутки). Это, в свою очередь, требует от программистов отладки программы и исправления ошибок во время непрерывной работы системы управления про­ изводством. Такая система также должна уметь быстро приспо­ сабливаться ко всем изменениям внешней среды.

Требования к средствам программирования: максимальное использование системного подхода; приоритетное переключение задач;

использование проблемно-ориентированных высокоорганизо­ ванных языков;

44

доступность программ и хорошая организация системы связи. Программы управления любым процессом на предприятии, несмотря на необходимость их связи между собой, должны рабо­ тать асинхронно. Обычным методом системного воздействия на большое число асинхронных программ, связанных между собой, является их организация в мультипрограммную систему. Таким образом, на предприятии основной оперативной системой низшего уровня служит мультипрограммная система, управляемая на

основе временных задержек по входу (выходу).

Операционные группировочные системы применяют специаль­ ные алгоритмы переключения задач, которые позволяют завер­ шить вычисление любой из задач до перехода на новую. Использо­ вание таких алгоритмов дает возможность минимизировать число переключений задач, а также число реверсов в системе. При­ оритетность задач в системе определяется их природой. Обычно алгоритм переключения задач вводится с помощью структурной приоритетности системы. Согласно таким алгоритмам, высшей степенью приоритета внутри системы в любой заданный момент времени считается вычисление.

Важное значение в операционной системе управления имеет способ введения задач в систему. Обычно в системах требуется ввести задание на переключение с помощью утверждения на языке управления. Системы, работающие в реальном масштабе времени в операционной системе, функционируют под воздей­ ствием трех источников дополнительной информации. Первый из них относится к возможности появления какого-то события извне системы. Вторым источником является временной фактор. Часто потребитель требует от операционной системы, чтобы она произ­ водила вычисление в определенное время (например, в определен­ ное время дня) и с заданными интервалами. Третий источник может заставить систему переключаться с вычисления одной задачи на другую. Это означает, что потребитель, используя любой из про­ граммирующих языков внутри системы, может вызвать программудиспетчер в любой момент для того, чтобы начать работу с какой-то другой программой.

Необходимо при программировании использовать высокоорга­ низованные языки, тогда разрабатываемая система будет в наи­ меньшей степени зависеть от типа используемой ЭВМ.

Не менее важна хорошая организация связи на всех уровнях иерархии в интегрированной системе управления. С другой сто­ роны, производство должно работать, даже если автоматизи­ рованная система управления выключена. Однако это не озна­ чает, что система должна прерывать свою работу, если обнару­ жена ошибка. Ошибка тут же исправляется, система вновь син­ хронизируется, а анализ причин возникновения ошибки про­ изводится впоследствии. Основным правилом функционирования системы в реальном масштабе времени при возникновении ошибок является полная независимость различных ее устройств друг от

45

друга. Часть из них может выйти из строя и будет отключена, а система тем не менее должна продолжать работу.

На систему, работающую в реальном масштабе времени, на­ кладываются определенные требования с точки зрения процедур обнаружения ошибок. Во-первых, эти процедуры не должны влиять на реакции системы по отношению к внешней среде. Во-вто­ рых, потребитель должен уметь управлять этими процедурами, а значит должен быть своевременно информирован о возникнове­ нии ошибки.

Основные типы структуры

Структура с централизованными вычислительными функциями. В такой структуре высокопроизводительный центральный про­ цессор с помощью развитой системы связи и сети потребителей управляет различными сторонами деятельности предприятия. Потребители в этой схеме не обладают собственными вычисли­ тельными возможностями и полностью зависят поэтому от цен­ трального процессора. Вследствие такой зависимости все основ­ ные компоненты этой структуры из-за возможного выхода из строя продублированы. Блок-схема структуры изображена на рис. 9.

Рис. 9. Блок-схема структуры с централизованными вычислительными функ­ циями:

1 — магнитные ленты, устройства ввода-вывода; 2 — центральный процессор; 3 — банк данных; 4 — устройство управления параллельными каналами; 5 — терминалы

Подобная структура, однако, не отвечает всем требованиям высокой приоритетности, а основные правила ее функционирова­ ния следующие.

1. Централизованное сосредоточение всех вычислительных воз­ можностей системы должно обеспечивать требования большинства потребителей на предприятии. При условии применения цен­ трального процессора общего назначения это труднодостижимо

идорого.

2.Надежность и пригодность основной части системы должны

удовлетворять жестким требованиям. Это приводит к высокой стоимости оборудования, системного обслуживания и т. п.

46

Отдельные системы, работающие в реальном масштабе времени. Большинство задач на низших уровнях предприятия решается в режиме с разделением времени или мультипрограммным спо­ собом с помощью отдельных подсистем сравнительно большой вычислительной мощности. Эти подсистемы соединяются с одной общей информационно-управляющей системой. Примером такой системы может служить система, построенная на основе

IBM-1800, изображенная на рис. 10 [46].

Рис. 10. Блок-схема отдельных устройств, работающих в реальном масштабе времени:

1 — управляемая система; 2 — стандартные устройства ввода-вывода; 3 — централь­ ный процессор; 4 — магнитные ленты; 5 — мультиплексор; 6 — терминал; 7 — кон­ троллер; 8 — дисплеи

Эта структура имеет много преимуществ по сравнению с пре­ дыдущей. Она достаточно гибкая по отношению к задачам, кото­ рые ею решаются, и позволяет каждой подсистеме функциониро­ вать либо автономно, либо в виде компонента интегрированной системы управления производством. Структура имеет большие возможности роста как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Возможности одной большой структуры намного превышают суммарные возможности всех ее независимых под­ систем .

Однако такая структура имеет ряд ограничений. Например, поскольку каждая из подсистем обслуживает свою сферу, выход из строя одной подсистемы влечет за собой нежелательные по­ следствия. Вычислительные возможности отдельных подсистем сильно ограничены для решения задач по комплексному анализу.

Двухровневая управляющая система. Структура этой системы представляет собой некоторое количество сателлитных специализи­ рованных подсистем, координация действий которых осуще­ ствляется центральным процессором. Блок-схема такой системы представлена на рис. 11.

47

Система высшего уровня с вычислительным комплексом общего назначения обеспечивает обслуживание отдельных подсистем. Это обслуживание, которое сами подсистемы не в состоянии выполнить, включает в себя перфокарточный ввод-вывод, функции банка данных, компиляцию, интерпретирование, классифика­ ционный анализ. Выполнение всех этих функций без задержки обеспечивает система связи с достаточно емким переключателем

Рис. 11. Блок-схема двухуровневой управляющей системы:

J — управляемая система; 2 — стандартные устройства ввода-вывода; 3 — централь­ ный процессор I; 4 — центральный процессор II; 5 — быстродействующий мульти­ плексор; 6 — банк данных; 7 — выход к медленнодействующим устройствам; 5 — под­ системы специального назначения

каналов. Кроме того, необходимы еще дешевые медленно действу­ ющие каналы, обеспечивающие связь системы с устройствами ввода. Центральные процессоры I и II выполняют различные функции, но в случае выхода из строя могут заменять друг друга.

Сателлитная структура системы требует такой специализации, чтобы каждая из задач решалась достаточно эффективно. Двух­ уровневая структура имеет возможности неограниченного роста по всем направлениям. Высокой надежности можно добиться дублированием подсистем.

Сравнение описанных выше трех возможных структур системы управления позволяет сделать вывод, что каждая из них имеет свою сферу применения и зависит от типа производства и финан­ совых возможностей потребителей.

9. ЛИНГВИСТИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ИЕРАРХИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Как уже упоминалось выше, иерархическая система есть си­ стема, состоящая из взаимосвязанных подсистем, каждая из кото­ рых, в свою очередь, является иерархической. В большинстве

48

систем (естественных и искусственных) выявить множество эле­ ментарных подсистем, на котором необходимо прекратить дробле­ ние системы, можно произвольным образом.

В [30 ] предложено простое описание сложных систем, исполь­ зующее избыточность их структуры. Пусть, например, структура сложной системы описывается матрицей

Здесь можно считать, что отдельные буквы описывают некоторые элементарные подсистемы. Они могут быть объединены в более крупные подсистемы следующим образом:

Тогда, если для исходной системы требовалось 64 символа, то для описания системы в новых обозначениях требуется лишь 32 сим­ вола:

Экономия в описании исходной структуры целиком опреде­ ляется ее избыточностью (рис. 12). В случае, если структура не избыточна, то ее невозможно представить более экономным образом. В большинстве случаев иерархические системы обла­ дают большой избыточностью. Действительно, в одном цехе, например, может быть установлено много одинаковых станков с-программным управлением или же вдоль автоматической линии