Организация программного обеспечения (ПО)

В этом разделе кратко рассматриваются общие вопросы программного обеспечения УЧПУ локальными объектами, которые имеют средства общения с оператором и внешними устройствами, ввода информации управления и ее преобразования в технологическую программу управления, тестирования и диагностирования. Эти средства реализуются совокупностью электронных, электромеханических устройств и программного обеспечения. Удельный вес аппаратуры и программного обеспечения в проекте УЧПУ определяется в процессе проектирования УЧПУ. Но стремление к унификации УЧПУ удешевляет аппаратную часть УЧПУ и увеличивает удельный вес стоимости программного обеспечения в стоимости проекта.

Как правило, средства общения с оператором и внешними устройствами — источниками управляющей технологической информации, устройствами диагностики, ввода управляющей технологической информации и преобразования ее в управляющую программу работают в режимах, предшествующих технологическому процессу на этапах подготовки к нему, а само управление технологическим процессом, выполняемым локальным оборудованием, происходит в режимах исполнения в реальном времени. Однако некоторые УЧПУ позволяют выполнять задачи подготовки к следующему технологическому процессу, а также задачи диагностики и прогнозирования в процессе выполнения текущего технологического цикла. Такие системы требуют большой вычислительной мощности и развитого ПО.

Достижения вычислительной техники привели к широкому толкованию термина «Программное обеспечение». Прежде чем говорить о ПО, необходимо выяснить, на какие категории оно подразделяется, и уяснить основные понятия и термины.

Программа — это последовательность команд или операторов, которая воспринимается вычислительной машиной, в результате чего машина выполняет некоторую работу. Как сопоставить между собой понятия программа и ПО?

Программа имеет жесткие связи между модулями и подпрограммами, ПО — свободно связанная группа программ. Однако четкую границу между большой программой и ПО провести не удается, но понимание разницы между программой и ПО необходимо и полезно. Программное обеспечение — это тот «предмет», который выполняет работу. Однако ГОСТ 20523—80 относит сюда же еще и документацию, получаемую на стадии проектирования программ. Многие авторы этого не делают. Разработка программного обеспечения может быть разбита на шесть этапов: определение требований и заданий; проектирование; написание команд — программирование; компоновка; тестирование; документирование.

Любая программная система при ее реализации обычно проходит три стадии: проектирование, использование и сопровождение (продолжающегося проектирования). Большая система ПО никогда не может быть отлажена до конца, даже после нескольких лет тестирования и использования. Поэтому разработка ПО весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс. Современное ПО становится все более сложным, находит все более широкое применение и в то же время превращается в «обыкновенную» продукцию для пользователя.

Программное обеспечение состоит из множества программ различных типов, поэтому говорить о нем можно, только употребляя уточняющие слова: ПО проекта УЧПУ, ПО, работающее в реальном времени или диалоге, инструментальное, системное или прикладное. Каждая из этих категорий обладает характерными только для нее чертами.

Основным инструментом создания нового ПО является вычислительная машина и ее ПО, которые являются «инструментом для создания инструмента». Но при работе над проектом нового

ПО руководителю разработки необходимо быть компетентным в общих инженерных вопросах, а также во всех областях знаний.

Программное обеспечение используется при обработке данных решении научных задач, в информационных системах, в диалоговых системах решения задач, при управлении процессами.

Для УЧПУ характерно использование таких ПО, которые предполагают соответственно вычисления, специально организованное хранение и использование информации, диалог с пользователем при разработке управляющих технологических программ, тестировании и прогнозировании, управление работой локального оборудования в реальном времени.

Управляя процессами, машина должна успевать выполнять свою работу за отведенное время. При этом любые сбои могут привести к полному нарушению управляемого процесса и непредсказуемым последствиям, проявляющимся в авариях и браке часто дорогостоящих изделий. Поэтому ПО, использующееся при управлении процессами, должно иметь высокую степень помехозащищенности и надежности, что приводит к необходимости разрабатывать один из самых сложных видов ПО.

Все ПО могут быть разделены на три типа: прикладное, системное, инструментальное.

Первые два типа ПО работают на стадии использования, а последние два — на стадии разработки.

Прикладное ПО — это программы, непосредственно выполняющие поставленную перед ними задачу, например диагностику или траекторную задачу. Прикладные программы обычно составляются специалистами по автоматизации процессов управления.

Системное ПО — это программы, которые взаимодействуют о прикладными или инструментальными программами, облегчая работу пользователя. Такое ПО использует вычислительную машину для управления ею самой и ее окружением. ПО, известное под названием операционных систем и систем управления базами данных (СУБД), также попадает в эту категорию. Разработка системного ПО — задача системных программистов.

Размеры денежных вложений на создание и модификацию операционных систем очень велики. Но так как они выполняют огромное число функций, их используют там, где только это допустимо.

Системы управления базами данных выполняют функции формирования и ведения баз данных, отражающих информационные модели конкретных объектов. От обоснованности, точности и достоверности этих моделей во многом зависит эффективность управления этими объектами. Системы управлений базами данных позволяют значительно облегчить процесс внесения изменений в прикладное ПО, экономить пространство памяти и повысить достоверность информации благодаря уменьшению общего числа файлов, облегчить доступ к данным.

Однако далеко не все управляющие комплексы работают с операционными системами. В системах реального времени стандартные операционные системы работают слишком медленно. Кроме того, в стадии использования ПО операционные системы занимают часть памяти и для выполняемой ими работы требуется машинное время. Эти обстоятельства вынуждают разрабатывать специальное системное ПО для управления в реальном времени объектами с быстро изменяющимися процессами и событиями, свойственными и для УЧПУ. Системное ПО может быть выполнено фирмой по производству ПО, либо изготовителями аппаратуры УЧПУ, либо может быть разработано пользователями. Системное ПО управляет процессами и ресурсами вычислительной системы: оперативной памятью, центральным процессором или процессорами, внешними устройствами, файлами и вычислительной системой.

Инструментальное ПО — это программы, используемые программистами для создания ПО стадии использования. К ним относятся ассемблеры, трансляторы, интерпретаторы, редакторы, оптимизаторы и другие программы.

Для повышения мощности и производительности вычислительной системы, особенно при решении задач в реальном времени, применяют мультипроцессорные вычислительные системы, процессоры которых обладают различными вычислительными возможностями. При мультипроцессорной обработке к общей памяти или к нескольким общим блокам памяти подключается сразу несколько центральных процессоров, которыми управляет одна операционная система. В этом случае используется метод мультипрограммирования, при котором переключение с одной программы на другую происходит без загрузки в оперативную память и удаления из нее какой-либо из программ. Если процессоры обладают не одинаковыми возможностями, то один из них может быть ведущим, а другие — вспомогательными. Но при этом используются разные операционные системы и нет мультипроцессорной обработки. В мультипроцессорных УЧПУ, как правило, каждый процессор ориентирован на выполнение конкретной задачи или нескольких задач, таких, как обслуживание дисплея, приводов, управления системой, решение траекторных задач, ввода—вывода и др. Такой метод часто называют методом присоединенного вспомогательного процессора.

Производительность мультипроцессорной системы ниже суммы производительностей отдельных микропроцессоров из-за конфликтов, возникающих при обращении к общим ресурсам.

Кроме повышения мощности вычислительной системы, мультипроцессорные системы могут обеспечивать бесперебойную работу при отказах блоков системы, исключая из нее отказавшие блоки и часть функций.

Общие проблемы системного ПО, часто возникают при проектировании систем реального времени УЧПУ. Существует множество различных ограничений реального времени, которые необходимо учитывать при разработке ПО УЧПУ.

Рассмотрим с этих позиций требования к организации вычислительного процесса в однопроцессорном УЧПУ с учетом ограничений на быстродействие процессора. К этим требованиям относятся обеспечение непрерывности обработки и постоянства контурной скорости, обеспечение устойчивой работы исполнительного устройства и удовлетворительного сглаживания им заданной траектории, представляющей обычно ее аппроксимацию прямыми или дугами окружности, интерполированными по способу прямоугольника. Устойчивая работа исполнительного устройства и удовлетворительное сглаживание скачков сигнала задания при заданной полосе пропускания обеспечивается при замыкании контура положения с постоянным циклом, не превышающим 8—16 мс. Постоянство контурной скорости предусматривает постоянство цикла расчета программы интерполяции, и этот цикл не может существенно превышать указанную цифру 8—16 мс, так как именно дискретный характер интерполяции приводит к необходимости сглаживания сигнала задания. Наконец, непрерывность обработки достигается в результате записи данных в буферную память. Пока УЧПУ совместно с объектом управления отрабатывает текущий кадр УП, в фоновом режиме выполняются расчеты, связанные с подготовкой информации следующих кадров; полученные данные записываются в буферную память, и после получения сигнала конца отработки текущего кадра УЧПУ уже готово к отработке следующего кадра.

Совершенно очевидно, что для программ такого типа особенно важна модульная структура. Модули должны тестироваться отдельно друг от друга вместе с обслуживаемыми ими устройствами, используемыми модулями обработки, модулями данных или используемыми модулями управления и моделями объектов. Для тестирования ПО в полном объеме может потребоваться моделирование всего процесса или реальная система, эксплуатируемая на стадии отладки ПО. Иногда ПО, работающее в реальном масштабе времени, испытать заранее на реальном оборудовании невозможно, что приводит к тестированию ПО на модели.

На стадии эксплуатации ПО выявляется расхождение между существующим состоянием работы системы и желаемым, что приводит к необходимости иметь группу лиц сопровождения ПО, занимающуюся на стадии сопровождения (продолжающегося проектирования) следующими вопросами: исправлением ошибок; включением новых функций, связанных с непредусмотренными на стадии разработки изменениями среды; модификацией функций (их изменением и расширением); модификацией ПО в связи с модификацией оборудования.

Следует отметить, что системное ПО УЧПУ, используемое на стадии подготовки к управлению объектом, часто не может быть использовано на стадии управления им. Поэтому существует задача совместимости системного ПО этих стадий и увеличения ресурсов УЧПУ.

Таким образом, создание ПО проекта УЧПУ, обладающего широкими возможностями, является сложной задачей. Для ее решения необходимы глубокое понимание сущности и особенностей проекта в целом, наличие соответствующих задач технологии и инструмента, а также времени.

Стоимость ПО проекта УЧПУ может доходить до 90 % общей стоимости проекта. Стоимость же ПО УЧПУ, если их выпускается много, может быть мала по сравнению со стоимостью аппаратных средств УЧПУ.