Использование операционных систем реального времени (ОС РВ) в системах промышленной автоматизации (QNX)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Контрольная работа

по дисциплине "Основы компьютерного управления"

Тема: Использование операционных систем реального времени (ОС РВ) в системах промышленной автоматизации (QNX)

Использование операционных систем реального времени в системах промышленной автоматизации.

Для достижения оптимальных характеристик создаваемой АСУ ТП необходимо применение различных программных пакетов, работающих под управлением операционных систем - как реального времени, так и общего назначения. Сравнительный анализ популярных программных продуктов ОС QNX и Windows NT, а также опыта создания и эксплуатации АСУ ТП на предприятиях нефтегазовой отрасли позволяет выработать конкретные рекомендации по рациональному использованию подобных типов операционных систем.

Операционная система QNX относится к классу ОС реального времени (ОС РВ). Именно поэтому следует прежде всего указать на ключевые отличия ОС РВ от операционных систем общего (универсального) назначения. Чтобы сравнения были более конкретными, они проводятся на примере Windows NT - той альтернативе, которая часто стоит при выборе базовой ОС для того или иного приложения в АСУ ТП предприятий нефтегазовой отрасли.

Свойства систем на базе ОС РВ.

Операционные системы реального времени представляют собой специальный класс программного обеспечения нижнего уровня, на базе которого разрабатываются так называемые системы реального времени (СРВ). Несмотря на то, что СРВ реализуются в приложениях различного масштаба - от встроенного в часы электронного секретаря-ассистента до глобальной системы банковских транзакций, - их общей отличительной чертой является способность дать правильный ответ на любое разрешенное событие за время, не превосходящее некоторый, заранее определенный интервал ("реальное время"). Стандарт POSIX 1003.1 определяет основное требование к ОС РВ как "способность операционной системы обеспечить требуемый уровень сервиса в заданный промежуток времени".

Часто термин "реальное время" используется некорректно - на практике он подразумевает лишь возможность системы работать в режиме on-line или характеристику интерактивной системы с более коротким временем отклика, чем обычно. При этом реально взаимодействующая с пользователем система может допускать задержки в сотни миллисекунд без ущерба для пользователя.

Операционные системы реального времени имеют характерные особенности, основными из которых являются следующие.

Многозадачность. ОС РВ обеспечивает вытесняющую многозадачность, что означает параллельное выполнение нескольких нитей различных вычислительных процессов. При этом процессор способен полностью переключаться с одной нити на другую и обратно.

Уровни приоритета.

ОС РВ имеет большое количество уровней приоритетов нитей, которые чаще всего определяют, какая из всех имеющихся нитей должна в данный момент выполняться.

Механизмы синхронизации.

Между различными нитями необходимо передавать данные и управляющие сигналы. Поэтому в ОС РВ предусмотрена поддержка механизмов синхронизации нитей.

Наследование приоритета.

Для порождаемых нитями процессов обеспечивается наследование приоритета.

Предсказуемость.

Поведение операционной системы известно для любой возможной ситуации, ее конструкция максимально избавлена от механизмов, способных внести неопределенность в работу СРВ. В качестве примера можно назвать механизм свопинга - имитации оперативной памяти на жестком диске, которая может вызвать неприемлемую по длительности задержку в обслуживании. Механизм свопинга часто используется в ОС общего назначения и никогда в ОС РВ.

Наличие в качестве основы информационной системы ОС РВ не гарантирует создание СРВ. Это лишь необходимое, но вовсе не достаточное условие. Помимо наличия ОС РВ для создания СРВ необходимо правильно спроектировать систему в целом, учитывая такие параметры, как производительность аппаратных средств, возможные объемы информационных потоков, мощность каналов связи, возможное число одновременно обрабатываемых задач, распределение и изменение их приоритетов и т.п.

Процесс разработки системы реального времени всегда завершается ответственным этапом кодирования и отладки. Однако даже после успешного завершения этих этапов никто не может дать гарантии на функциональную безошибочность работы СРВ. Лишь после проведения длительных испытаний разработчик в некоторых случаях (системы противоаварийной защиты, обработка огнеопасных или взрывоопасных материалов и т.п.) берет на себя частичную ответственность за созданную СРВ.

Устойчивость систем на базе ОС РВ QNX.

Существенным фактором, обеспечивающим высокую устойчивость систем на базе QNX, является концепция микроядра. Для создания максимально предсказуемой конструкции разработчики QNX предельно облегчили ядро системы. Микроядро размером около десятка килобайт позволяет разместить его копию вместе с драйверами прерываний в кэш-памяти процессора и тем самым обеспечить непревзойденную производительность приложений с большим числом задач.

Микроядро QNX реализует 4 функции:

* межпроцессную связь;

* нижний уровень сетевого протокола;

* планирование процессов;

* диспетчеризацию прерываний.

Диспетчеризация осуществляется на базе приоритетного переключения контекстов с циклическим (round-robin - кольцевой список), FIFO (первым пришел - первым обработан) и адаптивным планированием.

Малый размер тщательно отлаженного кода микроядра дает преимущество высокой устойчивости: даже если какой-либо аппаратный драйвер имеет программную ошибку, его сбой не приведет к краху системы - микроядро способно выгрузить ошибочный код, работающий в защищенном режиме. Более того, дефектный драйвер можно заменить не перезагружая ядро. Благодаря этому становится возможна модернизация работающего приложения. За счет гибкости и устойчивости компьютерные системы под управлением QNX работают без перезагрузки в течение нескольких лет!

Микроядро окружено группой взаимодействующих процессов, предоставляющих услуги операционной системы высокого уровня. К ним относятся менеджеры файловых систем, менеджер графической оболочки, сетевой менеджер, модули стеков различных протоколов и т.д. (Рис.1). Все они работают в защищенном режиме. Взаимодействие между процессами осуществляется посредством сообщений.

Рис.1 Архитектура ОС РВ QNX

Построение системы для конкретного приложения базируется на модульном принципе - отбираются только те функции, которые требуются в каждом конкретном случае.

Встроенная файловая система устойчива даже при отключении питания, поэтому QNX никогда не допускает нарушения целостности данных.

Графическая подсистема, как и система в целом, строится на модульном принципе, обеспечивая отображение графических данных на простых монохромных панелях и работу многооконного интерфейса для полноцветных мониторов высокого разрешения. Имеется развитая собственная разработка графических функций QNX Photon microGUI с удобным средством разработки многооконных приложений Photon Application Builder (Фото. 1), а также импортированная в QNX графическая библиотека X Windows.

Фото 1. Графический интерфейс Photon Application Builder

Прозрачная сетевая структура позволяет одному узлу сети QNX пользоваться всеми ресурсами любого другого узла сети QNX. QNX поддерживает работу кластеров симметричной мультипроцессорной архитектуры. программный синхронизация сетевой

Важным условием успеха операционной системы является наличие в ней развитой среды разработки. С этой точки зрения ОС QNX представляет собой одну из самых развитых ОС реального времени. Возможна разработка целевого ПО на хост-системе под управлением QNX, а также перекрестная схема разработки (cross-development), когда хост-система функционирует на отдельной рабочей станции платформы Windows или Sun.

Поскольку QNX оснащен интерфейсом POSIX, разработчик может использовать большое число стандартных инструментальных средств, включая бесплатные GNU GDB и GCC, используемые для разработки в ОС общего назначения - таких, например, как Linux. Более того, многие приложения Linux легко портируются в QNX.

Последовательность процессов УПСВ.

Продукция скважин нефть, газ и вода с кустовых замерных установок поступает на узел сепарации газа в нефтегазовый сепаратор (НГС). На вход НГС подается демульгатор посредством дозировочного насоса, расположенного в блоке реагентного хозяйства (БРХ). Расход химреагента производится согласно утвержденным нормам.

В НГС осуществляется сепарация нефти от газа. Затем отсепарированный газ с НГС поступает в газовый сепаратор (ГС), а жидкость, через расширительную камеру (РК) поступает в сепарационную наклонную трубную установку (УСТН) для окончательного отделения от газа.

Уровень в НГС контролируется поплавковым штуцерным уровнемером (РУПШ) и регулируется с помощью регулировочного клапана (УЭРВ), установленного на выходе с НГС. Управление УЭРВ осуществляется в ручном или автоматическом режиме с помощью блока управления, выведенного на щит КИПиА в операторной установки предварительного сброса воды (УПСВ).

Для предотвращения превышения давления в НГС, ГС, УСТН свыше допустимого они оборудованы предохранительными клапанами.

В ГС происходит первичная осушка газа, после чего он проходит через установки окончательной осушки и поступает потребителю или на газокомпрессорную станцию. Для предотвращения замерзания газопроводов на выход из ГС дозировочным насосом подается метанол. Расход метанола производится согласно утвержденным нормам.

После УСТН отделенная от газа жидкость поступает в вертикальный стальной резервуар (РВС), где происходит отделение нефти от подтоварной воды. Подтоварная вода под давлением столба жидкости с РВС поступает через узел учета воды в водо-насосную или на блочно-кустовую насосную станцию. Уровень жидкости в РВС контролируется уровнемером и регулируется УЭРВ. Блоки управления, световой и звуковой сигнализации УЭРВ и уровнемера выведены на щит КИПиА.

Нефть с РВС под давлением столба жидкости поступает на прием нефтяных насосов. На приеме насосов установлены сетчатые фильтры, предотвращающие попадание в насосы различных мех. примесей.

Рис. 2 Схема УПСВ.

Р-1 - аппарат обезвоживания нефти; О-1 - аппарат очистки воды; Е-1 - водяной буфер; Е-2 - нефтяной буфер; Ед - дренажная емкость; ГС - газосепаратор; Нн - насос нефти; Нв - насос воды; Клн, Клв, Зд 1, Зд 2 - исполнительные органы

Определение технических средств автоматизации УПСВ.

Для выбора средства измерения избыточного давления будет произведен сравнительный анализ нескольких датчиков различных фирм. Характеристики представлены в таблице 1.

Поскольку характеристики датчиков практически совпадают, был выбран Метран-100 ДИ, зарекомендовавший себя с хорошей стороны.

Для измерения разности давлений был выбран датчик Метран-100-ДД.

Таблица 1 - Технические характеристики датчиков давления

Для измерения уровня жидкости и уровня раздела фаз были выбраны преобразователи Сапфир-22МП-ДУ так как они обладают следующими преимуществами:

- высокая температурная стабильность;

- автоматическая коррекция по температуре;

- установка нуля и перестройка диапазона измерения производится непосредственно на объекте, без вскрытия и разгерметизации электронного блока, что важно при использовании во взрывоопасной или агрессивной среде;

- преобразователи имеют высокую электромагнитную совместимость, что обеспечивает их стабильную работу вблизи мощных источников электромагнитных излучений;

- легкая интеграция в цифровые АСУ ТП;

- обеспечена возможность дистанционного снятия информации;

- защита от несанкционированного доступа.

Датчики уровня Сапфир-22МП-ДУ обеспечивают непрерывное преобразование значения измеряемого параметра в стандартный токовый выходной сигнал.

Для контроля уровня нефти, воды и конденсата в технологических емкостях используются сигнализаторы уровня ультразвуковые УЗС 207И и УЗС 107И, так как они обладают следующими преимуществами:

- сигнализаторы обеспечивают два вида сигнализации наличие и отсутствии контролируемой среды;

- сигнализаторы УЗС-207И обеспечивают контроль исправности при подаче напряжения постоянного тока 27В от отдельного источника питания;

- погрешность срабатывания относительно номинального уровня срабатывания не более 2 мм при вертикальной установке и 5 мм при горизонтальной установке датчика.

Для получения дискретных данных о превышении или снижении заданных параметров давления были выбраны манометры электро-контактные ДМ-2005, так как они просты в исполнении и обладают хорошими эксплуатационными характеристиками.

Данный прибор является показывающим сигнализирующим манометром, предназначенным для измерения избыточного и вакуумметрического давления жидкостей, паров, газов и управления внешними электрическими цепями в схемах автоматизации и блокировки трубопровода.

Структурная схема АПС УПСВ.

Рис. 3 Схема автоматизации УПСВ

Задача автоматизации технологического процесса УПСВ заключается в:

1. Р-1 - поддержание уровня раздела фаз в заданных пределах;

2. О-1 - сброс нефтяной пленки по мере ее накопления;

3. ГС - сброс конденсата в случае превышения заданного уровня;

4. Е-1 - поддержание заданного уровня воды;

5. Е-2 - поддержание заданного уровня нефти;

6. Нн - отключение насоса при аварийном уровне нефти в Е-2;

7. Нв - отключение насоса при аварийном уровне воды в Е-1.

Задание

1. Описать кратко принципы современных промышленных технологий.

Под принципами информационно-технологического обеспечения управления следует понимать императивы, правила, постулаты и общие идеи о том, как должна строиться, функционировать и развиваться система информационных технологий. В отличие от закономерностей, принципы субъективны по своей природе. Они формируются специалистами на основе познания закономерностей и опыта практической деятельности. С точки зрения гуманитарных, социальных наук именно люди создают, формируют принципы, идеи и категории соответственно своим общественным отношениям и своей коммуникативной практике.

К настоящему времени исследован и обоснован достаточно широкий круг принципов создания и применения информационных технологий. Целесообразно разделить его на три взаимосвязанные принципиальные группы:

- основополагающие организационно-технологические принципы информационного обеспечения деятельности правоохранительных органов;

- методологические принципы создания автоматизированных информационных систем на основе современных компьютерных технологий;

- принципы информатизации управления.

2. Провести сравнительную характеристику структур АСУ ТП: централизованные, децентрализованные, распределенные, иерархические. Оформить таблицу сравнения.

Таблица 2. Сравнение структур АСУ ТП

Модель взаимодействия открытых систем BOC/MOС.

Эталонная модель взаимодействия открытых систем (ВОС) определяет уровни взаимодействия систем, дает им стандартные имена и указывает, какие функции должен выполнять каждый уровень. Средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень определяет один вид взаимодействия сетевых узлов и технологий.

Таблица 3. Взаимодействия открытых систем BOC/MOС

4 Сравнительная характеристика операционных систем реального времени, используемых в промышленной автоматизации.

Операционная система реального времени - тип операционной системы, основное назначение которой - предоставление необходимого и достаточного набора функций для работы систем реального времени на конкретном аппаратном оборудовании.

Таблица 4. Сравнительная характеристика ОСРВ

5 Серверы баз данных: определение, основные компоненты, схема (структура) взаимодействия основных компонентов.

Определение - сервер базы данных, сокращение от английского database server. Data server представляет собой программное обеспечение и соответствующие аппаратные средства, предназначенные для работы с базами данных. Как видно из названия, data server - это сервер, на котором хранятся данные.

Основные компоненты:

Малый или стандартный сервер базы данных обычно включает серверное оборудование и соответствующую программную часть приложения, использующего базу данных.

Большие серверы баз данных используют при высоких вычислительных нагрузках. Клиент-серверная архитектура в таком случае подразумевает два и более серверов. Большой data server использует часть аппаратного обеспечения для операций с базами данных, но хранит сами базы на других серверах.

В вычислительной клиент-серверной модели data server предполагает специально отведенный для него базовый компьютер, на котором запускается соответствующее программное обеспечение. К такому компьютеру, который называют "сервером", подключаются "клиенты" - программное обеспечение, которое использует вычислительные мощности и доступные данные "сервера".

Рис. 4 Схема (структура) взаимодействия основных компонентов

Сравнительная характеристика агрегатных комплексов.

Агрегатный комплекс - это совокупность технических средств измерительно-информационной и управляющей техники, характеризующихся метрологической, информационной, конструктивной, энергетической и эксплуатационной совместимостью и предназначенных для решения определенного проблемно-ориентированного комплекса задач автоматического контроля и управления.

1. АСЭТ - комплекс средств электроизмерительной техники, представляющий собой набор устройств для измерения и преобразования различных электрических величин с высокими метрологическими характеристиками;

2. АСКР - комплекс средств контроля и регулирования, состоя¬щий из набора первичных и вторичных преобразователей, регулятор для систем контроля и регулирования;

3. АСТТ - комплекс средств телемеханической техники, включающий в себя набор средств, позволяющих осуществлять телеизмерение;

4. АСВТ - комплекс средств вычислительной техники, включающий в себя процессоры, устройства памяти, вводные и выводные устройства, устройства связи с объектом контроля;

5. АСПИ - комплекс средств сбора и первичной обработки дискретной информации, состоящий из набора устройств регистрации работы оборудования, счета изделий, подготовки дискретной информации для ее передачи по каналам связи;

6. ЛИУС - комплекс технических средств локальных информационно-управляющих систем, состоящий из набора средств получения, передачи и обработки информации и управления.

7. АСПУ - комплекс средств программного управления;

8. ACAT - комплекс средств аналитической техники;

9. АСЯТ - комплекс средств ядерной техники;

10. АСРТ - комплекс средств рентгеновской техники;

11. АСХТ - комплекс средств хронометрической техники и др.

Специализированные комплексы:

1. АСГТ - комплекс средств геофизической техники;

2. АСГМ - комплекс средств гидрометеорологической техники;

3. АСНК - комплекс средств неразрушающего контроля;

4. АСИМ - комплекс средств измерения и дозирования масс.

Список использованных источников

1. Бурукина И.П., Операционные системы реального времени: учебное пособие / И.П. Бурукина; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Пензенский гос. ун-т". - Пенза: Изд-во Пензенского гос. ун-та, 2008. - 57с.

2. Зыль С.Н., Операционная система реального времени QNX: от теории к практике / Сергей Зыль. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004. - 192 с.

3. Леонидова Г.Ф., Программно-техническое обеспечение автоматизированных библиотечно-информационных систем [Текст]: учебное пособие для студентов высших учебных / Г.Ф. Леонидова; М-во культуры Российской Федерации, ФГБОУ ВПО "Кемеровский гос. ун-т культуры и искусств". - Кемерово: Кемеровский гос. ун-т культуры и искусств, 2012. - 21 с.

4. Леонтьев С.А., Расчет технологических установок системы сбора и подготовки скважинной продукции [Текст]: учебное пособие для студентов высших учебных заведений / С.А. Леонтьев, Р.М. Галикеев, О.В. Фоминых; Федеральное агентство по образованию, Гос. образовательное учреждение высш. проф. образования "Тюменский гос. нефтегазовый ун-т". - Тюмень: ТюмГНГУ, 2010. - 115 с.

5. Шашкова И.Г., Информационные системы и технологии [Текст]: учебное пособие / Шашкова И.Г., Конкина В.С., Машкова Е.И. - Рязань: ФГБОУ ВПО РГАТУ, 2012. - 539 с.

Размещено на Allbest.ru