Управление сеансами обмена и представлением данных относится в архитектуре распределенной АСУ к надсетевым уровням и поэтому в отличие от систем с традиционной архитектурой характерно для распределенных АСУ лишь постольку, поскольку этого требует новый подход к созданию АСУ обусловленный современными средствами обработки и представления данных.

Сеанс представляет собой процедуру информационного взаимодействии прикладных процессов для целей обмена данными при соблюдении временных ограничений.

Различают односторонний, двусторонний разновременный н двусторонний одновременный сеансы обмена. В первом случае один процесс постоянно является источником, а другой - приемником данных. При двустороннем обмене оба прикладных процесса могут быть в одно и то же время или поочередно источниками и приемниками данных.

Для осуществления сеанса обмена необходимо выполнить две функции: синхронизацию двух прикладных процессов и передачу данных.

Под синхронизацией понимают обеспечение временной взаимозависимости процессов, вводимой в целях достижения заданной очередности протекающих явлений.

Все разнообразие известных алгоритмов синхронизации можно свести к двум механизмам, известным как отношения производитель - потребитель и взаимное исключение.

В первом случае временное ограничение состоит в том, что потребитель не может использовать данные до тех пор, пока производитель их не подготовит. Производитель формирует сообщение, снабжая его при необходимости адресом получателя, и помещает в некоторый буфер. При наличии сообщения потребитель начинает обработку данных. В противном случае освобождаются ресурсы в пользу других потребителей (обработка данных приостанавливается), которые действуют аналогичным образом. Этим обеспечивается требуемая последовательность процессов обработки информации производителем н потребителем, т.е. их синхронизация.

В том случае, когда несколько процессов обращаются к одним и тем же данным или устройствам, возможна ситуация, когда последние на какое-то время оказываются не подготовленными для использования. Такое состояние может возникнуть, например, при обновлении данных или при одновременном обращении двух процессов к устройству ввода-вывода с одним буфером, и тогда процесс, получивший доступ к ресурсу, должен воспрепятствовать всем другим процессам воспользоваться тем же ресурсом. Иначе говоря, один процесс должен исключить все другие процессы.

Распространенный способ решения задачи взаимного исключения известен как семафор. Общим данным (устройствами) ставится в соответствие некоторая целочисленная переменная (семафор). Каждый процесс, захватывающий ресурс, начинает работу с увеличения содержимого а на единицу и заканчивает ее вычитанием единицы по завершению работы. Очередной процесс-пользователь получает доступ к данным только в том случае, если s = О. Частным случаем семафора является механизм флагов, при котором переменная может иметь только два значения: 1 (флаг выставлен) и О (флаг снят).

Комитет ТС 8 Европейской рабочей группы по промышленным вычислительным системам (ЕWICS) предложил универсальный механизм, сочетающий преимущества обоих способов. Он базируется на принципе "почтового ящика", представляющего собой буфер, для которого предусмотрены операции записи (INC) и чтения (DEC) данных по определенным правилам. Буфер называют синхронизационным элементом, а записываемые (считываемые) данные - информационным элементом.

Операция INC (S,S) помещает информационный элемент с именем 1 в синхронизационный элемент с именем Ь. Соответствующая операция DЕС (5,1) считывает информационный элемент, 1 из синхронизационного элемента Ь. Если элемент 1 содержится в 5, то операция чтения завершается, а процесс, в котором она осуществляется, получает данные 1, и его исполнение может продолжаться дальше. Если запрашиваемого элемента 1 в синхронизационном элементе 5 нет, процесс, пытающийся считать эти данные, дальше исполняться не может. Он прерывается, т.е. освобождает занятые ресурсы в пользу других процессов. Происходит переключение процессов. Операция DЕС завершается позже, когда элемент 1 окажется в буфере 8. Таким образом, с помощью операций INС и DЕС осуществляется синхронизация процессов. Конкретный механизм, реализуемый этой парой операций, зависит от свойств обоих элементов. Если синхронизационный элемент является буфером типа магазина (стека), а информационный - сообщением, то реализуется механизм производитель - потребитель. Если синхронизационный элемент оперирует с данными типа шаблона, то реализуемый механизм соответствует семафору. Информационный элемент в этом случае является своеобразным паролем, по которому синхронизационный элемент разрешает доступ к общим переменным.

В однопроцессорной системе информационный элемент передается через память, общую для всех процессов. В многопроцессорных комплексах для этой цели может использоваться также дополнительный вход блока памяти, через который информация записывается в локальную память конкретного процессора. Процессор анализирует запись в подходящий для него момент времени. Возможно также использование механизма прерывания: процессор-получатель прерывает работу по сигналу процессора-отправителя, принимает данные, а затем анализирует их в подходящий момент времени.

В многомашинных системах не существует общей памяти, в которой можно было бы располагать синхронизационные элементы. Поэтому при выполнении операции' синхронизации сначала решается вопрос, где находится соответствующий объект. Если он расположен в собственном узле, операция выполняется традиционно. В противном случае заказ передается через локальный синхронизационный элемент в сеть передачи данных. При этом процесс-отправитель указывает адресатов (синхронизационный элемент и процесс-получатель) по именам, т.е. независимо от их местонахождения в сети. Заказ от локального синхронизационного элемента, переданный по сети передачи данных, проводится описанными ранее методами через все уровни сети, достигая через устройства ввода-вывода и каналы связи нужного узла сети. Здесь он обрабатывается процессом-адресатом, который таким образом синхронизируется с процессом-отправителем. Если отправитель не ждет ответа, то работа на этом завершается. В противном случае процесс-отправитель выполняет операций DЕС над локальным синхронизационным элементом, существующим для каждого процесса. Когда операция синхронизации завершается, процесс-отправитель получает ответ в локальной памяти из синхронизационного элемента. С помощью операций INC и DЕС реализуются также более сложные алгоритмы синхронизации, используемые в языках реального времени.

Для упрощения сеансов обмена в распределенных АСУ прикладные процессы делят на активные и пассивные.

Пассивные лишь готовят информацию для других процессов, т.е. являются производителями данных.

Активные процессы, наоборот, сами разыскивают предназначенные для них данные. Для организации сеанса обычно используется принцип почтового ящика. Сеанс начинается с формирования сообщения пассивным процессом. Сообщение снабжается адресом активного получателя и помещается в буфер (почтовый ящик).

Активные процессы с большой частотой опрашивают буфер, проверяя наличие в них сообщений для себя. Обнаружение такого сообщения соответствует соединению процесса-отправителя с процессом-получателем, после этого данные из буфера передаются процессу-получателю.

надсетевой прикладная функция архитектура

Обмен данными после соединения (синхронизации) прикладных процессов осуществляется с использованием функций представительного уровня.

Задачей уровня является предоставление взаимодействующим прикладным процессам данных в требуемом формате. Уровень представления выполняет по отношению к вышележащему прикладному уровню две основные функции; получение информации данным прикладным процессом от других процессов, в том числе и от процессов ввода; передачу информации от данного прикладного процесса другим процессам, в том числе и процессам вывода. Работу уровня можно представить в виде четырех последовательных фаз. В фазе инициализации выполняются процедуры подготовки к сеансу связи прикладных процессов. Затем следует фаза управления отображением, в которой выбирается форма отображения данных, после чего в фазе передачи данные или команды преобразуются в нужную форму и воспринимаются процессом-получателем. Фаза окончания сеанса завершает работу уровня представления. Выполнение этих операций обеспечивается, во-первых, сервисными функциями нижележащего уровня сеансов обмена и, во-вторых, внутренними функциями самого уровня представления, которые охватывают накопление, хранение, преобразование форматов, защиту данных, организацию доступа к ним и т.п.

2. Способы реализации функций представления данных

Как и на уровнях сеансов и представления, функции и программы прикладного уровня в распределенных АСУ имеют лишь ограниченную специфику и в основном сходны с функциями и программами АСУ традиционной архитектуры. Тем не менее обновление аппаратурной базы АСУ создание новых комплексов программно-аппаратурных средств оказали известное влияние на состав и характер прикладных программ, реализуемых в распределенных АСУ

Прикладные функции рассмотрим, следуя классификации, данной.

Функции класса "объект-объект" - это автоматическое регулирование объекта и логическое управление им. Основной операцией в этих прикладных функциях является выработка управляющего воздействия в зависимости от задания и состояния объекта. Локальные станции вырабатывают управляющее воздействие программным путем в цифровой форме. В набор законов регулирования (вычисления управляющего воздействия) обычно входит непрерывное регулирование - пропорциональное (П), пропорционально-интегральное (ПИ) и пропорционально - дифференциальное (ПИД), регулирование с компенсацией запаздывания в объекте, с ограничением управляющего воздействия, по производной, многомерное регулирование. Предусматривается возможность фиксированной уставки, ее изменения как заранее заданной функции времени, каскадного регулирования, регулирования отношения между двумя технологическими переменными (одна переменная - независимая, другая - функция первой). Кроме того, имеются программы операций для двух- и трехпозиционного регулирования. В некоторых комплексах сложные законы регулирования - многомерного, каскадного и т.п. - нельзя реализовать в локальной станции, не привлекая к участию в программе координирующую станцию. Программы вычисления управляющего воздействия хранятся в локальной технологической станции чаще всего в виде модулей в постоянной памяти.

Операции, необходимые для непрерывного управления по возмущению, экстремального и адаптивного управления, можно реализовать только на координирующих станциях, допускающих свободное программирование для каждого объекта.

Логическое управление требует выполнения операции получение некоторых логических функций от набора двоичных аргументов на входе. Для прикладных функций этой группы может потребоваться также счет событий, отсчет времени, преобразование кодов.

К прикладным функциям класса "объект - оператор" технологических переменных, с вычислением функций от технологических переменных относятся также функции контроля - сигнализация о переходе переменной или ее производной за установленные границы и о других событиях, определяемых в виде логических функций двоичных переменных.

Кроме того, принято, чтобы сообщения о существующих нарушениях всегда выводились на экран дисплея независимо от вызванного в данный момент оператором кадра, обычно на красном фоне. Если нарушений в данный момент существует больше, чем помещается в выделенном для этого поле экрана, то показываются самые ранние нарушения, и с каждым нажатием квитирующей клавиши самое раннее нарушение убирается с экрана, последующие сдвигаются и вводится сообщение о первом из не уместившихся на экране нарушений.

Для непрерывного измерения важнейших переменных выделяются цифровые и (или) аналоговые индикаторы.

Функции измерения и контроля по вызову оператора в современных распределенных АСУ чрезвычайно многообразны. Более простые способы получения сведений о состоянии процесса - это пользование цифровыми и аналоговыми индикаторами и самописцами.

Вызов переменной на индикацию или запись требует, чтобы оператор установил соответствие между вызываемой переменной и прибором; в большей части систем это соответствие может быть произвольным, т.е. на любой прибор можно вызвать любую переменную. Чаще всего за каждым прибором закрепляется клавиатура вызова, на которой оператор набирает вызываемую переменную.

Функциональные клавиши выделяются только для самых важных контуров, остальные контуры вызываются алфавитно-цифровой клавиатурой, на которой оператор набирает мнемонический код контура (например, Т12 - температура в 12-м контуре).

Самописцы, предназначенные для получения кривых, описывающих ход интересующих оператора технологических переменных, обычно многоточечные и многоцветные. Для выбора пера и цвета они снабжаются соответствующими функциональными клавишами.

Гораздо более широкие и разнообразные возможности по представлению процесса оператору дают дисплеи с электронно-лучевыми трубками, особенно цветными. В современных АСУ принято иерархическое представление информации. Верхний уровень иерархии занимает обзорная картина, на которой виден весь процесс но без деталей, и охватывающая 150 - 250 контуров регулирования; нижний уровень - детальное представление данных по нескольким или даже одному контуру регулирования.

Обзорный кадр дает оператору примерно ту же информацию, какую он получает с традиционного щита с приборами, глядя на него с расстояния 4 - 5 м; кадр промежуточного уровня - групповой, содержащий данные по шести контурам, - дает информацию, получаемую с расстояния около 1 м от щита.

Кадры с графиками изменения переменных формируются путем нажатия специальных клавиш в сочетании с клавишами вызова переменных. При одновременном вызове на экран нескольких кривых их различают цветом. Иногда предусматривают возможность выбора масштаба по оси времени, т.е. отрезка, к которому относятся графики,, и введения фильтрации для исключения случайных колебаний.

Нестандартные кадры, формируемые специально для каждого процесса, широко используют графические возможности дисплея и позволяют представить на экране цветные мнемосхемы процесса в целом и отдельных его частей. Графические изображения обычно имеют две иерархические ступени. Обзорная картина, охватывающая весь процесс разделена на фрагменты (например, 4Ч4=16 фрагментов, как показано на рис. 3). При возникновении любого нарушения сообщение о нем появляется в верхней части кадра. Затем оператор может обратиться к кадру второй иерархической ступени - фрагменту, вызвав его в увеличенном виде на весь экран. На фрагменте мнемосхемы рядом с условным изображением аппарата или установки указываются значения переменных с применением цветовых выделений. Часть кадра может быть занята графиком изменения избранной переменной, вызванным из архива.

Рис. 3. Кадр обзора процесса на дисплее, разделенный на 16 фрагментов

Для вызова кадра применяют три способа: нажатие клавиш, подведение маркера (специальной метки на экране дисплея) к имени переменной или прикосновение световым пером к интересующему оператора фрагменту обзорного кадра или же к имени переменной в таблице нарушений на экране дисплея.

Имеются специальные клавиши, нажатием которых можно листать фрагменты, поочередно их вызывая на экран в прямом или в обратном порядке.

Прикладные функции класса "оператор - объект" - воздействия на процесс со стороны оператора - имеют много общего с функциями класса "объект - оператор", поскольку здесь также нужно выбирать величину, относящуюся к контуру регулирования или объекту управления, но в целях воздействия на величину.

Прикладные функции класса объект - архив (накопления архива) включаются либо автоматически - в функции времени или событий в процесс либо по вызову оператора. В последнем случае для вызова используется способ, аналогичный применяемому для вызова измерения. При фиксации "аварийного архива" особое внимание уделяется обеспечению приема сигналов с интенсивностью, многократно превышающей нормальный режим.

При регистрации в зависимости от выбранного регистрационного протокола фиксируют дату, время, мнемоническое имя переменной, ее полное название, измеренное значение со знаком и названием единиц измерения, состояние переменной (в нормальной области или вне ее), граничные значения, знак производной, моменты наступления и окончания нарушения и т.д. Форматы регистрации устанавливаются при проектировании АСУ ФИ либо выбором из нескольких стандартных, т.е. заранее запрограммированных, форматов, либо программированием.

Требования, предъявляемые к прикладным функциям АСУ надежность, точность, допустимое запаздывание исполнения. Понятие точности относится только к функциям с выходной величиной, измеряемой числом; при выходе в форме логического суждения следует говорить о его достоверности. Связь показателей, характеризующих эффективность исполнения отдельных прикладных функций, с эффективностью АСУ (Щ) в целом рассмотрена далее.

Контрольные вопросы