Надежность программного обеспечения АСУТП
Лекция 1
Автоматизация. Определения, терминология и направления АПП.
Одним из основных направлений деятельности человека является совершенствование процессов производства с целью облегчения тяжелого физического труда и повышение процесса в целом – это направление может реализоваться через автоматизацию производственных процессов.
Система автоматического управления (САУ) – все операции выполняются без участия человека.
Автоматизированная система управления (АСУ) – часть операций управления выполняется машиной, часть – человеком.
Технологический процесс:
1) рабочий цикл;
2) холостой ход;
3) транспортно-накопительные операции.
Производственный процесс делится на ряд последовательно и параллельно выполняемых операций, которые можно разделить на две группы:
1) рабочие операции – набор текста, печать, транспортировка продукции, упаковка;
2) операции управления – необходимы для обеспечения своевременного и высококачественного выполнения рабочих операций – включение/выключение машины, поддержание параметров процесса.
Управление – функция организованных технических систем, обеспечивающая сохранение их определенной структуры, поддерживающая режим деятельности и реализацию программы и цели деятельности.
Автоматизация – направление развития производства, характеризуемое освобождением человека не только от мускульных усилий, для выполнения тех или иных движений, но и от оперативного управления механизмами, выполняющими эти движения.
|
|
|
Автоматизация может быть частичной или полной.
Частичная автоматизация – автоматизация частиц операции по управлению производственным процессом при условии, что остальная часть всех операций выполняется автоматически (управление и контроль человеком). Пример: автоматическая линия.
Полная автоматизация – характеризуется автоматическим выполнением всех функций для осуществления производственного процесса без непосредственного вмешательства человека в работу оборудования. В обязанности человека входит настройка машины или группы машин. Пример: автоматический участок или цех.
Гибкие автоматизированные системы – предназначены для автоматизации тех. процессов со сменным объектом производства, в том числе для единичного и малосерийного производства. Включает в себя основное и вспомогательное оборудование, работающее от одной СУ.
Создание ГАП является сложным многоэтапным процессом, поэтому он по возможности автоматизируется, в результате обнаруживается системное окружение ГАП.
В состав ГАП включены подсистемы: обработки, манипулирования, контроля и управления. Проектирование, разработка и внедрение осуществляется в установленном нормами и правилами порядке.
|
|
|
Классификация СУ:
1) по принципу синхронизации;
2) по степени централизации управления;
3) по методу воздействия;
4) по числу управляемых координат;
5) по виду программоносителя;
6) по наличию или отсутствию обратной связи.
Особенности централизованной СУ:
1) простота схем управления;
2) надежность работы;
3) удобство обслуживания и наладки;
4) необходимость иметь дополнительные предохранительные устройства, т.к. команды с центрального командного пульта подаются вне зависимости от действия и положения исполнительных рабочих органов.
Особенности децентрализованной СУ:
1) осуществляют управление при помощи датчиков включенных движущимися исполнительными рабочими органами с помощью упоров;
2) исполнительные органы связаны между собой так, что каждое последующее движение одного может происходить после окончания движения предыдущего;
3) отсутствие сложной блокировки, т.к. команды подаются только после окончания предыдущей операции.
Основой систем цифрового программного управления является следящий привод, который состоит из:
|
|
|
1) устройства управления;
2) преобразующего устройства;
3) исполнительных двигателей;
4) усилителя;
5) устройства сравнений;
Процесс автоматического слежения заключается в сведении к нулю ошибки рассогласования.
Лекция №2
Надежность программного обеспечения АСУТП
Надежность ПО – есть свойство программного обеспечения своевременно выполнять в заранее указанных условиях эксплуатации вперед установленные функции.
В самом общем случае основную функцию ПО можно рассматривать как своевременное получение некоторого результата или решения у при переработке информации х из множества Х.
АСУТП выполняют следующие задачи:
1) Централизованный контроль параметров технологического процесса;
2) Управление технологическим процессом путем подачи команд на объект управления;
3) Оперативный расчет и регистрация технологических и экономических показателей процессов и выработка рекомендаций по их оптимизации;
4) Комплексная обработка информации при автоматизации.
Достоинства:
1)Гибкость управления;
2) Универсальность;
3) Простота технической реализации системы управления.
За счет изменения алгоритмов и программ управления можно оптимизировать управление отдельными параметрами и технологическим процессом в целом.
|
|
|
В этом случае система управления является двухуровневой:
Нижний уровень – локальные замкнутые системы управления каждым параметром технологического процесса.
Верхний уровень управления – образует ЭВМ, вырабатывающая команды управления каждым параметром технологического процесса.
Входную информацию о ходе технологического процесса ЭВМ получает с датчиков системы управления, а также с дополнительных датчиков, контролирующих параметры технологического процесса.
Неслучайные отказы ПО обусловлены действием компьютерных вирусов.
Случайные отказы ПО наблюдаются в случайные моменты времени работы ЭВМ или процессора. По своим последствиям эти отказы классифицируются на случайные сбои и устойчивые отказы.
Сбой ПО – самоустраняющийся отказ программы, возникающий при некоторых возможно случайных состояниях ЭВМ и информации, наблюдаемый пользователем в случайные моменты времени и исчезающие без вмешательства программиста.
Ошибка первичного типа – связаны с неточностью в тексте программ и возникают при подготовке носителей и документации ПО, при записях, когда на алгоритмических языках и трансляции программ на машинный язык.
Отказы ПО при его эксплуатации имеют ряд отличий от отказов технических элементов:
1) Отказ ПО не приводит к разрушению или поломке программного элемента. Отказы ПО не связаны с физическим износом элемента;
2) Отказ ПО не коррелирован с процессорным и тем более с астрономиеческим временем.
3) При длительной эксплуатации ПО все его ошибки могут быть устранены и программы становятся абсолютно надежными. Если обозначить число выявленных ошибок ПО в произвольный момент времени, то формально имеет место соотношение lim(Nt) = 0, справедливое при условии, что в процессе восстановления программ не вносятся новые ошибки.
Важнейшей задачей информационного обеспечения является оптимальное формирование, обработка и использование информационных массивов.
Информационный массив – совокупность данных, постоянных или обновляющихся, объединенных смысловым содержание. Массив состоит из логических записей, каждая их которых составляем независимую группу данных, смысловое содержание которых, соответствует содержанию массива.
Несколько логических записей объединяются в блок. Обработка информации в различных подсистемах осуществляется поблочно.
Информационные массивы делят на:
1) входные;
2) выходные;
3) Внутренние:
А) постоянные – содержат неизменяемые в процессе обработки информации директивные, нормативные и справочные данные.
Б) вспомогательные – получают из основных, путем их сортировки, выделения и объединения;
В) Промежуточные – представляют собой промежуточные результаты предыдущего этапа обработки информации и исходный материал для последующей обработки;
Г) Текущие – содержат информации состояния АСУ и ее подсистем.
В процессе функционирования АСУ ТП, управляемой вычислительной комплекс может решать следующие задачи:
1) Сбор данных о параметрах объекта;
2) Определение параметров процесса или объекта;
3) Анализ режима протекания процесса с целью выработки рекомендаций для управления или команд для непосредственного управления процессом.
Лекция 4
Проектирование микропроцессорных систем управления полиграфическим оборудованием
Уровни представления микропроцессорной системы.
Микропроцессорная система может быть описана, например, на одном из следующих уровней абстрактного представления:
1. «Чёрный ящик»
2. Структурный
3. Программный
4. Логический
5. Схемный
На уровне черного ящика микропроцессорная система описывается внешними спецификациями: перечисляются внешние характеристики.
Структурный уровень создаётся компонентами микропроцессорной системы: микропроцессорами, ЗУ, У ввода/вывода, внешними ЗУ, каналами связи. Микропроцессорная система описывается функциями отдельных устройств и их взаимосвязью, а также информационными потоками.
Программный уровень разделяется на два подуровня: команд процессора и языковой. Микропроцессорная система интерпретируется как последовательность операторов или команд, вызывающих то или иное действие над некоторой структурой данных.
Логический уровень присущ исключительно дискретным системам. На этом уровне выделяются два подуровня: переключательных схем и регистровых пересылок. Подуровень переключательных схем образуется вентилями и построенными на их основе операторами обработки данных. Переключательные схемы подразделяются на комбинационные и последовательностные; первые в отличие от последних не содержат ЗУ. Поведение системы на этом уровне описывается алгеброй логики, моделью конечного автомата, входными/выходными последовательностями 1 и 0. Комбинационные схемы представляются таблицей истинности, в которой каждому входному набору значений сигналов ставится в соответствие набор значений сигналов на выходах.
Последовательностные схемы могут описываться диаграммами или таблицами входов/выходов, в которых определены взаимно однозначные соответствия между входами схемы. внутренними состояниями (комбинациями значений элементов памяти) н выходами. Подуровень регистровых пересылок характеризуется более высокой степенью абстрагирования и представляет собой описание регистров н передачу данных между ними. Он включает в себя две части: информационную и управляющую. Информационная часть образуется регистрами. Операторами и путями передачи данных. Управляющая часть определяет зависящие от времени сигналы. инициирующие пересылку данных между регистрами.
Схемный уровень образуется резисторами и конденсаторами. Показателями поведения системы на этом уровне служат напряжение и ток, представляемые в функции времени
и частоты. Этот уровень описания дискретной системы широко используется в описаниях аналоговых систем и не является ни наинизшим из возможных, ни достаточным для характеристики системы.
Этапы проектирования микропроцессорных систем.
1. Формализация требований к системе
Составляются внешние спецификации, перечисляются функции системы, формализуется техническое задание на систему, формально излагаются замыслы разработчика в официальной документации.
2. Разработка структуры и архитектуры системы
Определяются функции отдельных устройств и программных средств, выбираются микропроцессорные наборы, на бае которых будет реализована система, определяются взаимодействие между АО и ПО, временные характеристики отдельных устройств и программ.
3. Разработка и изготовление аппаратных средств и программного обеспечения системы
Схемотехники и программисты одновременно приступают к разработке и изготовлению соответственно опытного образца и ПО. Разработка и изготовление аппаратуры состоят из разработки структурных и принципиальных схем, изготовления образца, автономной отладки. Разработка программ состоит из разработки алгоритмов, написания текста исходных программ, трансляции исходных программ в объектные программы; автономной отладки.
4. Комплексная отладка и приёмосдаточные испытания
Комплексная отладка предусматривает совместные работу АО и ПО МПС.
На каждом этапе проектирования МПС людьми могут быть внесены неисправности и приняты неверные проектные решения. Кроме того, в аппаратуре могут возникнуть дефекты.
Источники ошибок проектирования микропроцессорной системы по этапам.
1. Логическая несогласованность требований, упущения, неточности алгоритма.
2. Упущения функций, несогласованность протокола взаимодействия аппаратуры и программ, неверный выбор микропроцессорных наборов, неточности алгоритмов, неверная интерпретация технических требований, упущение некоторых информационных потоков.
3. При разработке аппаратуры – упущения некоторых функций, неверная интерпретация технических требований, недоработка в схемах синхронизации, нарушение правил проектирования; при изготовлении прототипа – неисправности комплектующих изделий, монтажа и сборки; при разработке ПО – упущения некоторых функций технического задания, неточности в алгоритмах, неточности кодирования.
Каждый из перечисленных источников ошибки может породить большое число субъективных или физических неисправностей, которые необходимо локализовать и устранить. Обнаружение ошибки и локализация неисправности являются сложной задачей по нескольким причинам: во-первых, из-за большого числа неисправностей; во-вторых, из-за того, что различные неисправности могут проявляться одинаковым образом, так как отсутствуют модели субъективных неисправностей. указанная задача не формализована. Имеются определенные успехи в области создания методов и средств обнаружения ошибок и локализации физических неисправностей. Эти методы и средства широко используются для проверки работоспособного состояния н диагностики неисправностей дискретных систем при проектировании. производстве и эксплуатации последних.
Субъективные неисправности отличаются от физических тем, что после обнаружения, локализации и коррекции больше не возникает. Однако, как следует из перечня источников ошибок. быть внесены на этапе разработки спецификации системы, а это означает, что даже после самых тщательных испытаний системы на соответствие внешним спецификациям в системе могут находиться субъективные неисправности.
Процесс проектирования - итерационный процесс. Неисправности, обнаруженные на этапе приемосдаточных испытаний, могут привести к коррекции спецификаций, а, следовательно, к началу проектирования всей системы. Обнаруживать неисправности необходимо как можно раньше. Для этого надо контролировать корректность проекта на каждом этапе разработки.
Проверка правильности проекта. (Основные методы контроля правильности проектирования, следующие: верификация — формальные методы доказательства корректности проекта; моделирование: тестирование.
Существует много работ по верификации программного обеспечения, микропрограмм, аппаратуры. Однако эти работы носят теоретический характер. На практике пока используют моделирование поведения объекта и тестирование.
Для контроля корректности проекта на каждом этапе проектирования необходимо проводить моделирование на различных уровнях абстрактного представления системы н проверку правильности реализации заданной модели путем тестирования. На этапе формализации требований контроль корректности особо необходим. поскольку многие цели проектирования не формализуются или не могут быть формализованы в принципе. Функциональная спецификация может анализироваться коллективом экспертов или моделироваться н проверяться в опытном порядке для выявления. достигаются ли желаемые цели. После утверждения функциональной спецификации начинается разработка функциональных тестовых программ, предназначенных для установления правильности, функционирования системы в соответствии с ее функциональной спецификацией. В идеальном случае разрабатываются тесты целиком, основанные на этой спецификации и дающие возможность проверки любой реализации системы, которая объявляется способной выполнять функции. оговоренные в спецификации. Этот способ — полная противоположность другим. где тесты строятся применительно к конкретным реализациям. Независимая от реализации функциональная проверка
обычно заманчива лишь в теоретическом плане, но практического значения не имеет из-за высокой степени общности.
Отладка микропроцессорных систем. О правильности функционирования микропроцессорной системы на уровне «черного ящика» с полностью неизвестной внутренней структурой можно говорить лишь тогда. когда произведены ее испытания. в Ходе которых реализованы все возможные комбинации входных воздействий. и в каждом случае проверена корректность ответных реакций. Однако исчерпывающее тестирование имеет практический смысл лишь для простейших элементов систем. Следствием этого является тот факт. что ошибки проектирования встречаются при эксплуатации. и для достаточно сложных систем нельзя утверждать об их отсутствии на любой стадии жизни системы. В основе почти всех методов испытаний лежит та или иная гипотетическая модель неисправностей. первоисточником которой служат неисправности. встречающиеся в практике. В соответствии с моделью в рамках каждого метода предпринимаются попытки создания тестовых наборов, которые могли бы обеспечить удовлетворительное выявление моделируемых неисправностей. Любой метод тестирования хорош ровно настолько. насколько правильна лежащая в его основе модель неисправности.
Обнаружение ошибки и диагностика неисправности. Дефект не может быть обнаружен до тех пор, пока не будут созданы условия для возникновения из-за него неисправности, результат которой должен быть, в свою очередь, передан на выход испытуемого объекта, для того чтобы сделать ее наблюдаемой, генерировать тесты. ставящие испытуемый: моделируемые неисправности проявляли бы себя в виде обнаруживаемых ошибок. Если испытуемый объект предназначен для эксплуатации. то при обнаружении ошибки необходимо произвести локализацию неисправности целью ее устранения путем ремонта или усовершенствования испытуемого объекта.
Диагностика неисправности - процесс определения причины появления ошибки по результатам тестирования. Отладка — процесс обнаружения ошибок Н определение источников их появления по результатам тестирования при проектировании микропроцессорных систем. Средствами отладки являются приборы. комплексы и программы.
Точность, с которой тот или иной тест локализует неисправности, называется его разрешающей способностью.
Лекция 5
Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 17; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!