Глава 8. Системны.

Создание на основе шины удовлетворительно работаюшего комплекса Moe-j заться как простой, так и чрезвычайно сложной задачей. На практике почти к плата должна настраиваться с помощью переключателей и перемычек и чаще чем телось бы, требуетсяирив одить в соответствие параметры программного обеспече Таким образом, наладка усзтройства обычно требует нескольких циклов проб и ощи"

Новая тенденция в ар:2ситектуре шин - использовать для каждого устройства паратно "зашитую" идентгификационную информацию. На стадии запуска операц" онная система опрашиваеет все присоединенные устройства и настраивает конфигурацию без участия прогр аммиста. Так, например, происходит в шинах PCI и Цена этого - более сложные дополнительные управляющие логические схемы кото рые должны быть устано влены на каждом устройстве; поэтому не удивительно, что наиболее мощные системгы стоят довольно дорого. Следует отметить, что узкоспециализированные и относительно простые устройства в определенном смысле обеспечивают большую гибкосж-ь, поскольку их легче подобрать для выполнения конкретной функции; при исполжззовании сложных плат всегда существует вероятность, что часть функций останется: невостребованной.

В этой главе были ошисаны наиболее важные для промышленного применения шины. Важно еще раз подчеркнуть, что не существует "наилучшей" системы - у каждого типа шины свои презгмущества и недостатки. Настоящая проблема заключается в выборе подходящей системы для конкретной задачи с учетом как технических, так и экономических ограничений.

В настоящее время обязательные требования для шины - разрядность адреса и данных по крайней мере в 32 бита и применение плат стандартных размеров со стандартными разъемами (например, стандарты Eurocarci для размеров и DIN 41612 для электрических присоединений). Важными стандартами для промышленных устройств являются VMEbms и Compact PCI.

Рекомендации по дальнейшему чтению

Книга [Lawrence/Ma-uch, 1987] является прекрасным введением в «бластьсда темных шин и периферзгйного оборудования. Изложение основано на систе подходе и учете взаимо связей между программным и аппаратным «беспече Структуре цифровых ус тройств от простейших логических схем до сложны посвящена книга [Тапеп baum, 1990]. Собственно шинам в ней отведено ""(.i но эта книга может дать более широкое представление о работе систем, °"°рр,К) на применении шин. Глу-бокое описание работы шины VMEbus, сочетаюше с практическими примерами, приведено в [Peterson, 1989]. ком"

Основная информация о системных шинах содержится в Документацирз-ний-изготовителей и орхганизаций по стандартизации. Например, lEEb PpqBiJ няет описания всехшин„ на которые выпущены нормативы и стандарты. типы шин IBM и станда1>т EISA не поддерживаются общественными орг-ми и поэтому не публиксэвались для свободного использования, однако в п ствующих официальных документов имеются многочисленные статьи в сп „о-изданиях, посвященныег работе и характеристикам этих шин. Кроме "" расПР" священо большое колиаество книг, а многие производители выпускают -о-страняют описательную, информацию, рекламирующую шины, конструк рых основаны на соотве-жствующих стандартах.

Цифровые коммуникации в управлении процессами

Основные понятия и принципы передачи информации. Модель взаимодействия открытых систем. Стандарты и протоколы передачи информации. Промышленные решения

Обзор

Коммуникации - обмен информацией - основа функционирования любой организованной системы. Управление производственными процессами - не исключение. Эта глава посвящена коммуникационным технологиям, в первую очередь, на основе электрических сигналов. Она не претендует на исчерпывающее изложение предмета. Круг тем и количество стандартов столь велико, а оборудование столь разнородно, wo для более или менее подробного освещения потребовались бы сотни и сотни страниц. Поэтому вначале описываются основные понятия, а затем рассматриваются наиболее распространенные технологии и решения, представляющие интерес для систем управления производственными процессами.

Коммуникации в приложениях промышленного управления могут опираться как на простую технологию и протоколы - системы со скоростью передачи данных 50 бит в секунду все еще находятся в эксплуатации, - так и на очень сложное современное оборудование, способное работать при скоростях свыше 100 Мбит/с, что превосходит простейшие системы в 2 миллиона (!) раз. Поэтому весьма вероятно, что инженер по промышленной автоматике может столкнуться с более разнообразными ачами и устройствами, чем его коллеги, работающие в области "чистой" связи, на-"Ример с офисными сетями и распределенными вычислительными системами. Сле-*ательно, для промышленных приложений очень важно понимать фундаменталь- 4>изические принципы связи.

твия"" РР общая физическая модель связи. Модель вза1-1модей-

Чны систем, представляющая собой основу для разработки коммуникаци-

Ри а "aPciB, обсуждается в разделе 9.2. Эта модель используется в качестве базы

ким других стандартов на протяжении всей главы. Раздел 9.3 посвящен физи-

*9.5 gM, а раздел 9.4 - протоколам. Локальные сети рассматриваются в разде-

йс р1 разделах описываются распространенные стандарты, в частности, интер---239 R To-3T,Q„„ о с------------- I

"Роизво" разделе 9.6 рассматриваются потоки информации при управлении твия""™" процессами. Здесь, в частности, обсуждаются проблемы взаимо- т. е. открытости, в промышленных коммуникациях. Раздел 9.7 посвящен

yfuTj" cation". В русском языке этому понятию соответствуют термины Р1-Ные„ "==язь", причем первый носит обобщенный характер (например транс-

Оба °*УИикации), а второй обычно ассоциируется с передачей речи. Здесь для удоб-«ел gYo*"" используются как синонимы в смысле перемещения любой информации ). - Примеч. ред.

Глава 9. Цифровые коммуникации в управлении процц

шинам локального управления Fieldbus - тип локальных сетей для промыщ;, условий. В эту главу включены также данные о сетях общего пользования (разде У поскольку знакомство с соответствующими понятиями полезно и с точки зрени

фдриация и коммуникации

мышленных приложений.

9.1. Информация и коммуникации 9.1.1. Что такое информация?

Информация - понятие, о котором мы имеем более или менее интуитивное пред ставление. Эту фундаментальную величину нельзя выразить через другие основные величины аналогично тому, как, например, вводится понятие скорости в виде отношения пути ко времени. Информация является внутренним свойством - любая система содержит информацию о себе самой, и ее можно передавать при малых затрата.\ энергии: чертежи дома содержат достаточно много структурной информации о самом доме, и в отличие от дома их можно передать куда угодно с очень небольшими усилиями. Замечательным и весьма важным свойством информации является то, что ее можно копировать без ухудшения качества.

Математически информация определяется как мера упорядоченности множества, состоящего из различных объектов. Абстрактно состояние объекта можно обозначить некоторым символом. Например, цифры 0-9 представляют десять различных объектов. Если объект может принимать любое из определенного числа состояний, выявление его текущего состояния эквивалентно получению некоторой информации о нем. Чем больше состояний может принимать объект, тем больше информации можно получить на основе его текущего состояния.

Мера информации /, ассоциируемая с системой, которая может приниматьвозможных состояний, есть логарифм Л. Если логарифм вычисляется по основанию то результирующая мера в битах (bit) есть

Если объект или переменная может принимать только одно из двух состояний, его информационное содержание равно /= log2(2) = 1 бит. Информационное соДФ ние множества десятичных цифр (О,9} равно / = log2(10) = 3.32 бит. -Р можно также вычислять и по другому основанию. Для логарифмов по основ единицей информации является нит (nit), а для логарифмов по основанию (dit) или Hartley. Основания логарифмов, отличающиеся от 2, редко использу практике и в теории информации. Уравнение (9.1) справедливо в предпол что различные состояния являются равновероятными. торы"

Бит представляет собой удобную единицу для схем цифровой логики, в ко р легко представить двумя различными уровнями энергии в электрической " рое передачи или хранения информации, относящейся к переменной, требуется н yj) число элементарных цепей или ключей, равное или превосходящее соответсг меру информации. В случае цифр {О,... ,9} с информационным содержанием у требуются по крайней мере четыре ключа, которые позволяют представить 2 личных состояний; три ключа обеспечивают только 2=8 состояний. рс-

В соответствии с данны.м выше определением аналоговая переменная, т. -г,, менпая, которая в заданном диапазоне может иметь бесконечное число -зна

бесконечное информационное содержание. В цифровой технике используются имеет

дискретные величины; допускается соответствующая потеря информацион-"содерия при дискретизации и цифровом преобразовании аналогового сиг-(разделы 5.1. и 5.2). Например, при оцифровке напряжения, изменяющегося "" елах от О до 10 В, аппроксимация в 0.1 В означает, что 7 бит достаточно для Тсания 100 результирующих состояний (2=128).

•""лрдденение логарифма для измерения информации удобно потому, что: он представляет собой возрастающую функцию числа возможных состояний;

если возможно лишь одно состояние, значение логарифма равно нулю, т. е. ин-

фор.мационное содержание константы - ноль; - логарифмирование делает меру информации аддитивной; для сравнения: число комбинаций состояний независимых переменных есть произведение числа состояний, которое может принимать каждая переменная. Иначе говоря, если число возможных состояний для каждого символа равно v, то, соответственно, число комбинаций для п символов равно v. Если информационное содержание каждого символа равно /, то п символов должны иметь общее информационное содержание п I. Функция log п удовлетворяет этому условию. Важным следствием логарифмического характера меры информации является то, что она всегда положительна.

9,1.2. Коммуникации

Коммуникации - это процесс перемещения информации в пространстве. Связь играет фундаментальную роль во всех организованных системах. Например, внутри живых организмов перенос информации происходит с помощью химических и электрических сигналов. Внешние коммуникации живого организма, - информация, по-Учаемая/передаваемая органами чувств/голосом - помогают выжить в окружающем мире. В современном обществе существует развитая коммуникационная "Фраструктура, включающая телефонную сеть, прессу и телевидение. пер/°" °У"™Ций (связи) играет важную роль во многих приложениях. Экс-товап"° Р™""У стремящийся убедить множество людей купить определенный Чрую"""" "°"™ " применяемые инженером-связистом, проек-?а1ьв"* системы радиосвязи. Коммуникации играют, естественно, центральную зется управления - информация о состоянии системы непрерывно пере-исппя датчиков к центральному процессору, а управляющие сигналы - от него олнительным механизмам.

иинл зародилась как инженерная дисциплина для решения проблем пере-"чески ее результаты стали применяться в других - нетех-

овыез областях, например в психологии и лингвистике. Здесь были открыты ""оды и очередь нашедшие применение в технике. Основные

В теч Рь разных областях одинаковы и приводят к обобщенным моде-""на н долгого времени инженеры проявляли интерес к передаче информа-4io nnf уровне", а лингвисты и психологи уделяли больше внимания назна-

, ------------j.-ii.ii i.ijju-iL Dnj-iMctnii« назна-

роцесса коммуникации, т. е. тому, как достичь цели. В настоящее время "Май подходы постепенно сближаются, и в технической сфере теперь уделяют ие семантическим (связанным со значением) и прагматическим (целевым)

Глава 9. Цифровые коммуникации в управлении

аспектам процесса коммуникации. Передача информации рассматривается моцель, а как средство достижения определенных результатов.

9.1.3. Модель процесса коммуникации

Общая модель процесса коммуникациии показана на рис. 9.1. Эта модель не ничена кругом инженерных приложений и может применяться в других обд при условии, что ее элементы идентифицированы соответствующим образом

астя;

объект

передатчик

Рис. 9.1. Общая модель процесса коммуникации

приемник

Все процессы коммуникации включают в себя передатчик и приемник. Передатчик (sender) передает сообщение (message), состоящее из последовательности символов, приемнику (receiver) по каналу связи (channel) или носителю (medium), которьп является общим для передатчика и приемника. Сообщение относится к какому-либ( внешнему объекту. Общее количество передаваемой информации представляет со бой сумму информационного содержания каждого из символов, составляющихсооо щение. Поскольку информация сама по себе не имеет физических (материальных характеристик, для передачи сообщения должен применяться какой-либо код (со в соответствии с которым передатчик изменяет некоторые физические свойства ка нала, а приемник восстанавливает сообщение по изменениям, которые он обнарУ*" вает в канале. На канал обычно влияет шум (noise), искажающий сообщение и трудняющий распознавание приемником изменений в канале и правильную терпретацию сообщения.

формация и коммуникации

рример

рукописная информация

Автор (передатчик) передает информацию читателю (приемнику) на бума-g (среда передачи, носитель, канал). Сообщением является содержание, ко-"дУ - язык, символами - буквы и слова. Читатель может декодировать (понять) сообщение, если он использует тот же язык, что и передатчик.

Пример92

Передача данных

Средой является электрический кабель, а передаваемая информация представляет собой цифровые данные. Кодирование осуществляется просто - "О" и"1" соответствуют разным уровням напряжения в кабеле.

Пример 9.3

Электронная передача текста

Текст кодируется (записывается) на каком-либо языке, символами являются буквы и слова. Текст можно хранить на электронном носителе, где каждый символ кодируется, например, разным уровнем намагниченности. Для вторичного кодирования перед записью на электронный носитель часто используется код ASCII, в котором каждый символ (буква, цифра или иной символ) кодируется с помощью 7 или 8 бит.

При электронной передаче текста каждый бит вызывает изменения какого-либо * физических параметров канала, и текст представляется набором нулей и единиц, имеющих очевидного значения. На более высоком уровне абстракции их содержа-Щ понятным, если используется один и тот же язык, например английс-щ русский. С этой точки зрения не имеет значения, выполняется ли внутрен-ЕВСт™"° кодирование в ASCII, или используется другой код, например

В большинстве случаев сообщение касается чего-либо внешнего по отношен Ьитовая кодировка которого отличается от ASCII.

К процессу связи, однако иногда оно относится к одному из его объектов. 36,.

примером является "алло" при телефонных разговорах, которое представляет сообщение о состоянии самого канала, - его целью является проверка работос ности канала и индикация приемнику, что разговор может начаться. [г

Основной проблемой передачи данных является доставка за заданное вРдц щения от пункта А в пункт Б при минимизации влияния шума, или иначе, "°"pjV и восстановление сообщения, искаженного шумом. Эту же проблему можно сф

Редача печатного текста

ист бумаги (канал) может содержать 2000 букв; если каждая буква коди-

рует-

лировать по-другому: как обеспечить, чтобы приемник Б выполнил то, раДИ

передает сообщение (такая трактовка применяется при создании рекламы, -имеет очевидное значение). В системах автоматического управления устро» (, либо просто передает информацию устройству Б, либо А имеет целью вьШУД совершить какое-либо действие.

Тисте "битном коде ASCII, общее количество информации, хранящейся на сата 14000 бит. Если лист посылают по почте и он достигает адре-

ООО/"*" ° эквивалентная пропускная способность канала равна

вает *3600) или около 0.16 бит/с. Книга объемом 200 страниц насчиты-, примерно 300 ООО букв. При передаче ее с той же скоростью достигается <1!1Разбольшая пропускная способность или 24.3 бит/с.