В статье рассматриваются особенности использования современных средств разработки систем реального времени применительно к встраиваемым системам и АСУ ТП при подготовке специалистов в Саратовском государственном техническом университете. Обучение основано на применении системы проектирования программного обеспечения Rhapsody и ОС РВ QNX для задач управления мобильными роботами, а также программно-технических комплексов на базе современных промышленных контроллеров для задач разработки АСУ ТП.
К числу систем реального времени (РВ) могут относиться как встраиваемые системы, так и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). В Саратовском государственном техническом университете (СГТУ) на факультете электронной техники и приборостроения обучение разработке современных встраиваемых систем и АСУ ТП ведётся на основе программно-технических комплексов и физических моделей объектов управления с использованием средств создания систем реального времени.
Основой большинства сложных встраиваемых систем являются операционные системы (ОС) жёсткого РВ: LynxOS-178, VxWorks AE-653, Microware OS-9, OC2000, QNX Neutrino [1]. Для изучения особенностей разработки встраиваемых систем и управления жизненным циклом программного обеспечения разработана программно-аппаратная среда (ПАС) с использованием ОС QNX Neuntino и OC2000. Структура программных средств ПАС показана на рис. 1.
Объектом управления ПАС является мобильный робот (МР), который может взаимодействовать с другими МР и со стационарным центром управления и мониторинга (рис. 2). В состав МР входят: мобильная платформа МП-С2301 (рама с двумя колёсами и мотор-редукторами), cервоусилитель MoviServo 1.3, два энкодера, 8 инфракрасных дальномеров Sharp GP2D15, датчик угловой скорости CRS03-02S, трёхосевой акселерометр MOD-MMA7260Q, интернет-камера DCS-950 (на рис. 2 не показана), беспроводная точка доступа DWL-G700AP, распределённая система ввода-вывода I-7000 (I-7520, I-7017, I-7050D), управляющий компьютер на базе Intel 440MX Entry-level Communication Appliance с операционной системой QNX Neutrino (на рис. 2 не показан) или контроллер NI Single-Board RIO 9631.
Разработка системы управления МР начинается с определения требований к ней. Для хранения сформулированных требований и их изменений в процессе разработки системы управления МР используется программный пакет Requisite Pro.
Требования передаются в среду визуального моделирования Rhapsody, которая обеспечивает модельно-управляемую разработку (Model Driven Development – MDD) программного обеспечения для встраиваемых систем. При моделировании одновременно выполняется автоматическая кодогенерация для С, С++, Java. Rhapsody позволяет протестировать текущие результаты создания программного обеспечения на любом этапе процесса разработки (от анализа требований до готовой встраиваемой системы) и сократить общее время разработки системы управления МР. Rhapsody поддерживает инструменты конфигурационного управления (Subversion, CVS и др.).
Интегрированная среда разработки QNX Momentics IDE не только обеспечивает разработку, компиляцию, отладку приложений встраиваемых систем для работы в операционной системе QNX Neutrino, поддерживающей аппаратные платформы MIPS, PowerPC, StrongARM, xScale, SH-4, x86, но и выполняет анализ производительности и системное профилирование. Она позволяет проанализировать взаимодействия процессов и потоков, эффективность обработки прерываний, то есть поведение системы в целом в условиях критического лимита времени [2].
Во встраиваемых системах с начала 90-х годов до 2005 года происходил процесс перехода с 8-битовой архитектуры к 32-битовой. При этом количество строк кода возросло от нескольких десятков до нескольких тысяч и продолжает расти при незначительном увеличении штата разработчиков и стоимости разработки. Для устранения этого противоречия в среде визуального моделирования Rhapsody применяется методика модельно-управляемой разработки MDD. Методика MDD позволяет существенно увеличить скорость разработки и надёжность программного обеспечения. Возросшие возможности аппаратных средств и применение MDD обеспечивают повышение эффективности создания встраиваемых систем (рис. 3).
Методику управления жизненным циклом программного обеспечения Harmony (компания Telelogic) для разработки системы управления МР иллюстрирует рис. 4. Эта методика реализована в среде визуального моделирования Rhapsody на основе нотаций UML 2.1 и SysML. Для разработки программной модели системы управления МР в Rhapsody разработаны следующие диаграммы: диаграмма прецедентов, структурная диаграмма, диаграмма последовательности и диаграмма состояний.
В диаграмме прецедентов (вариантов использования – ВИ) определены рамки системы, ВИ и их взаимосвязи между собой и с внешними подсистемами («актёрами»). Каждый из ВИ формируется на основе требования и описывает в виде вербальных алгоритмов часть функциональности системы. ВИ воз-вращает результат своей работы «актёрам», не раскрывая деталей внутренней реализации этой функциональности [3]. Диаграмма прецедентов МР показана на рис. 5.
В структурной диаграмме из прецедентов формируются подсистемы в виде программных объектов и описываются порты взаимодействия этих объектов и внешних подсистем. На рис. 6 показаны подсистемы МР и порты, обеспечивающие их взаимодействие. Порт определяется интерфейсами, которые предоставляются или запрашиваются через него.
Такой подход к моделированию позволяет связывать между собой только совместимые элементы и проводить анализ целостности вариантов использования, что важно при проектировании архитектуры и разработке компонентов. Каждая из подсистем детализируется, в результате чего появляется необходимое для полного описания системы управления количество классов. Активные классы порождают программные потоки. Совокупность классов является статическим описанием про-граммной модели системы управления МР.
Для описания динамического поведения системы управления МР использована диаграмма последовательности. В диаграмме последовательности объекты связываются сообщениями и событиями. Сообщения из диаграммы автоматически создаются в соответствующих классах как методы. При разработке диаграммы последовательности выделяются состояния, в которых находятся программные объекты. Эти состояния подробно описываются в диаграмме состояний для каждого класса. На рис. 7 показана диаграмма последовательности и диаграмма состояний для класса Motor_Control.
Диаграммы состояний используют формальное представление конечных автоматов. Эта диаграмма расширяет классическое представление конечных автоматов Мили-Мура за счёт использования: 1) вложенных состояний в форме иерархии, 2) AND-состояния для определения логической независимости и взаимосовмещаемости, 3) псевдосостояний для описания специфики динамической семантики.
Полученная модель системы управления МР одновременно содержится в виде исходного кода в инструментальной среде разработки QNX Momentics IDE, где выполняется компиляция проекта. Для обеспечения верификации и валидации модели Rhapsody позволяет симулировать скомпилированный программный код, отображая на диаграммах конечных автоматов изменения состояний объектов и протоколируя обмен событиями между объектами в диаграмме последовательности. Полученные при моделировании диаграммы последовательности с помощью инструмента DeffMerg сравниваются с соответствующими диаграммами последовательности, разработанными на этапе проектирования системы управления МР, и позволяют выявить несоответствия исходным требованиям.
Для верификации программного кода используется система Rhapsody Automatic Test Generator (ATG). Она автоматически генерирует все возможные комбинации входных данных для покрытия условий и ветвей программного кода (Modified Condition/Decision Coverage – MC/DC) в соответствии с ГОСТ Р 51904-2002 «Программное обеспечение встроенных систем. Общие требования к разработке и документированию» (российский аналог международного стандарта DO-178В Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification).
Применение среды моделирования Rhapsody повышает эффективность разработки системы управления МР. Полученная программная модель системы управления обеспечивает её лёгкую адаптацию к различным областям применения (патрулирование территории, экологический мониторинг, разведка местности) с учётом их специфических требований к функционированию и дополнительным аппаратным средствам.
Повышение эффективности изучения студентами технических вузов математических моделей и методов управления технологическими процессами (ТП) основано на совместном использовании виртуальных и физических объектов управления. Для этого на факультете разработан программно-технический комплекс (ПТК). При разработке ПТК учитывался опыт кафедр микроэлектроники Самарского аэрокосмического университета, процессов и аппаратов химической технологии Московского государственного университета инженерной экологии [4] и автоматизированных систем управления тепловыми процессами Московского энергетического института. В учебном процессе при разработке АСУ ТП используются программное обеспечение Autodesk Inventor 2009 и фирмы EPLAN, а также оборудование компаний Rittal и DKC.
В состав ПТК входят лабораторные стенды, которые представляют собой физические модели объектов автоматизации:
модель теплицы, управляемой логическим модулем LOGO! компании Siemens (рис. 8);
модель дискретного (конвейерная линия с позициями обработки) и непрерывного (камера с изменяемым нагревом и уровнем освещённости) объектов управления на основе контроллера SIMATIC S7-224XP компании Siemens (рис. 9);
модель роботизированного технологического комплекса, состоящая из манипуляционного робота и транспортёра компании Fischertechnik, и модель смешивания жидкостей на основе контроллера SIMATIC S7-315F компании Siemens (рис. 10);
модель смешивания жидкостей на основе промышленных датчиков и контроллера Premium TSX57 104M компании Schneider Electric;
модель камеры с управляемым нагревом и уровнем освещённости на базе контроллера I-7188D/DOS/512 и SCADA-системы Trace Mode 6 [5];
модель «умный дом» на базе контроллера WAGO I/O 750-841 и ПЛК 150 компании ОВЕН.
Студенты изучают особенности разработки систем противоаварийной защиты на базе контроллера S7-315F и методики Safety Integrated в соответствии со стандартом IEC 61508, который охватывает все электрические, электронные и контроллерные системы, используемые для реализации функций, связанных с безопасностью [6].
Вопросы моделирования и расчёта вероятностных характеристик надёжности встраиваемых систем и АСУ ТП студенты изучают на основе программного комплекса (ПК) «Арбитр». ПК «Арбитр», разработанный ОАО «СПИК СЗМА», содержит специальное графическое средство представления структур систем – схему функциональной целостности (СФЦ) [7].
С помощью аппарата СФЦ могут представляться как типовые монотонные структурные модели (блок-схемы, графы связности, деревья отказов, деревья событий), так и новый класс немонотонных структурных моделей надёжности и безопасности систем. ПК «Арбитр» позволяет строить модели надёжности структурно-сложных системных объектов и процессов на основе общего логико-вероятностного метода для расчёта надёжности, стойкости, живучести, риска и безопасности структурно-сложных систем.
Анализ надёжности МР, СФЦ которого состоит из 37 вершин (рис. 11), позволил определить причины отказов (автоматически построить деревья отказов) и найти наиболее эффективные пути повышения надёжности [8].
Разработанные программно-технические комплексы и физические модели объектов управления применяются при обучении студентов 2–5 курсов по дисциплинам «Основы теории управления», «Технические средства интеллектуальных систем», «Теоретические основы автоматизированного управления», «Микропроцессоры в системах управления», «Надёжность, эргономика и качество АСОИУ», «Программно-аппаратные комплексы интеллектуальных систем», «Проектирование АСОИУ», «Системы реального времени», «Современные технологии программирования» и «Современные инструментальные средства проектирования систем». Такой подход позволяет студентам облегчить понимание изучаемого теоретического материала и получить практические навыки разработки современных встраиваемых систем и АСУ ТП.
Представленные программно-аппаратная среда и программно-технические комплексы, а также программный комплекс «Арбитр» являются платформой для изучения передовых информационных технологий моделирования и разработки сложных систем управления реального времени и обеспечивают подготовку высококвалифицированных специалистов, востребованных на рынке труда.
Полученные на факультете электронной техники и приборостроения СГТУ результаты стали возможны при технической поддержке и реализации образовательных программ компаний Siemens, Schneider Electric, ОВЕН, ПРОСОФТ, Rittal, AdAstra, SWD Software, Eplan, IBM, СПИК СЗМА. ●
Операционные системы реального времени для авионики: обзор [Электронный ресурс] / ИТМиВТ РАН им. С.А. Лебедева. – Режим доступа : http://www.ipmce.ru/about/press/popular/rdc news05052008/.
Зыль С.Н. QNX Momentics. Основы применения. – СПб. : БХВ-Петербург, 2005. – 256 с.
Douglass B. Real-Time UML Workshop for Embedded Systems [Электронный ресурс] / SWD Software. – Режим доступа: http://www.swd.ru/Press_Ready/Douglass Book.pdf.
Сидельников И.И. Комплексная лабораторная установка, автоматизированная при помощи приборов ОВЕН // Автоматизация и производство. – 2006. – № 1. – C. 28–29.
Петров Д.Ю. Применение Trace mode в учебном процессе // Материалы ХIII междунар. конф. TRACE MODE. – М., 2007. – С. 78–83.
Федоров Ю.Н. Основы построения АСУ ТП взрывоопасных производств: [в 2 т.]. – М. : СИНТЕГ, 2006. Т. 1: Методология. – 720 с.
Программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования и расчёта надёжности и безопасности систем АРБИТР (ПК АСМ СЗМА), базовая версия 1.0 [Электронный ресурс] / СЕВЗАПМОНТАЖАВТОМАТИКА. – Режим доступа : http://www.szma.com/pkasm.shtml.
Назаров А.А., Петров Д.Ю., Рыбко В.В. Оценка надёжности функционирования мобильного робота // XXII междунар. науч. конф. «Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-22)»: сб. трудов/ под общ. ред. В.С. Балакирева. – Псков, 2009. – Т. 8 – С. 174–177.
E-mail: iac_sstu@mail.ru
Модули ввода/вывода EKF PRO-Logic для автоматизированных систем управления
Модули ввода/вывода обеспечивают связь между контроллером и периферийными устройствами, такими как датчики, исполнительные механизмы, реле и другое оборудование. Такие устройства крайне важны в распределённых системах автоматизации или на производствах с большими площадями помещений. С развитием технологий автоматизации промышленности модули ввода/вывода (I/O) стали неотъемлемой частью систем управления производственными процессами. 17.10.2024 175 0 0Разбор параметрирования нескольких преобразователей частоты с помощью WI-FI модуля на примере ПЧ Sinvel SID300
09.10.2024 264 0 0Контроллер, программируемый с помощью условий
Возможно ли создать алгоритм для задач автоматизации технологического процесса, не используя язык программирования? Предлагается описание системы создания алгоритма работы ПЛК для устройств малой автоматизации без использования специальных языков программирования. 01.09.2024 СТА №3/2024 651 0 0Как биометрия и искусственный интеллект помогают быстро и безопасно обслужить пассажиров в аэропортах
В условиях современных аэропортов идентификация пассажиров является одной из самых важных функций быстрого и безопасного обслуживания. Передовая биометрия помогает в этом, надёжно контролируя все этапы и существенно повышая пропускную способность транспортных узлов. 28.07.2024 СТА №3/2024 724 0 0