ВГРАДЕНИ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ
1. ВЪВЕДЕНИЕ.
Понятието „вградени” (embedded), което се използва като характеристика на
определен клас технологии и системи за управление, е въведено в началото на
60-те години от конструкторите на американската космическа програма ‘Аполо’. С
него те определят системата за автоматично управление в ‘реално време’ на
лунарните модули (Apollo Guidance
Computer - AGC),
която е „вградена” (внедрена) в главната система за управление на полетите от
космическата програма „Аполо”.
В българската граматика
прилагателното „вградени”, което се използва като определение на този клас
технологии и системи за управление, е един от възможните преводи от английски
на “embedded” от глагола „to
embed”, чиито значения са: закрепвам, поставям в
нещо, вмъквам, внедрявам, вграждам.
Затова и автоматичните системи за управление с фиксирани цели
и задачи, които са „вградени”(поставени) в други, различни от тях системи за
управление се определят като „вградени системи” (embedded systems), а използваните за изграждането им
технологии - като „вградени технологии”(embedded technologies).
По-често обаче, освен определението „вградени”, за
характеристика на вградените технологии и системи за управление се използват и
специфични техни признаци и/или свойства, като найчесто
срещаните са обобщени в следващите няколко точки:
ƒ Вградените
системи за управление са компютеризирани системи с
най-различни приложения, специално проектирани за изпълнението на малък брой
фиксирани задачи в „реално време”, а основните им функции са свързани с контрол
и/или управление. Тe са вграждани в други по-големи
системи, в които са включени и други компоненти - механични, хидравлични,
пневматични;
ƒ За разлика
от компютърните системи за общи цели, които са проектирани да изпълняват
множество различни задачи в зависимост от инсталираните в тях приложни
програми, вградените системи за управление са проектирани за специални цели и
ограничен брой фиксирани задачи. Това позволява намаляването на техния размер и
цена, както и повишаването на тяхната надеждност и производителност;
ƒ Вградената
система за управление се проектира върху платформа, която е различна от
платформата на по-голямата система, в която ще бъде вградена. От гледна точка
на разработването на вградената система, платформата е свързана с операционната
система на инструмента, с който ще бъде проектирана. От гледна точка на
системата, в която ще бъде поставена(внедрена) вградената система за
управление, платформата се отнася до спецификата на нейната операционна
система;
ƒ Основа на
вградените системи за управление са компютъризирани (изчислителни) компоненти:
персонални компютри, микропроцесорни системи, микроконтролери, чипове за
цифрова обработка на сигнали (DSP) или специално
проектирано апаратно осигуряване (хардуер) и присъединено към него програмно
осигуряване (софтуер);
ƒ Компютърни
системи за общи цели като: персонални компютри (Personal computer), работни плотове (Desktop)
или преносими компютри (Laptop) независимо, че
съдържат (включват) в себе си компютеризирани
(изчислителни) компоненти, не се определят като „вградени”, тъй като техните
основни функции не са управляващи, а изчислителни. Ако такава компютърна
система е проектирана специално с управляващи функции и е вградена устойчиво
във външна система за реализацията на най-различен тип приложения, то тя може
да бъде разглеждана като вградена система.
Диапазонът на вградените системи за управление е изключително
широк - от преносими устройства като
дигитални часовници до стационарни системи за пряк контрол и управление на
технологични процеси в големи производствени системи. Тяхната сложност варира
от ниска - за тези, които са изградени с едночипов
микроконтролер, до много висока - за тези, които са изградени с множество
микроконтролери, периферия и индустриални мрежи.
2. ПРИМЕРИ НА ВГРАДЕНИ
СИСТЕМИ.
Вградените системи за управление се срещат в различни области
на бита и производството и са използвани за широк диапазон от приложения. Това
са вградени системи в:
ƒ Битова
електроника, която включва: МП3 плеъри (Мp3 players), мобилни телефони, конзоли за видеоигри (videogame consoles),
цифрови камери (digital cameras),
ДВД плеъри (DVD players),
сателитни приемници (GPS receivers),
принтери (printers);
ƒ Битови
прибори: микровълнови печки (microwave ovens), миялни машини (washing machines), перални (dishwashers);
ƒ Сградна
автоматика (home automation),
която използва проводникови и безжични мрежи за
контрол на осветеност, климат, сигурност, алармена техника;
ƒ Офис
техника като: четци на карти за достъп (card readers), скенери (scanners), касови апарати (cash registers), факс машини (fax machines), фотокопирни машини (copiers);
ƒ Телекомуникационни
системи, които използват множество вградени системи от телефонни комутатори (switches) за телефонните мрежи до мобилни телефони за
крайния потребител, сателитни телефони, пейджъри, видеотелефони;
ƒ Компютърна
техника като: маршрутизатори (routers), мрежови
мостове (network bridges)
за маршрутизиране на данни, модеми, мрежови карти,
мрежови ключове, принтери;
ƒ Модерни
климатични (HVAC) системи, които
използват свързани в мрежа термостати за много по-прецизно и ефикасно
управление на температурата в зависимост потребностите и външните условия;
ƒ Транспортни
системи от самолети до автомобили, в които все повече се използват вградени
системи: инерционни системи за насочване (inertial guidance systems),
приемници за глобалните позициониращи системи (GPS),
управление на скоростни кутии (transmission control), управление на карбуратори (fuel injection), противоблокиращи спирачни
системи (antilock brakes), навигационни системи (cruise control), системи за електронно управление на стабилността (ESC/ESP);
ƒ Промишлени
системи за пряко управление на технологични процеси (programmable logic controller based systems) в рамките
на йерархични системи за индустриален контрол и управление на производството (SCADA Systems);
ƒ Медицинска
техника за: мониторинг и поддържане на жизнената дейност (life-support systems), електронни стетоскопи с усилватели на звука, различни
системи за визуализация на медицинските
прегледи, скенери, диагностични системи;
ƒ Множество
най-различни вградени системи за управление като: автоматично фокусиращи се
камери, записващи камери, цифрови камери, зарядни устройства за батерии и
акумулатори, електронни инструменти, електронни играчки, идентификатори на
пръстови отпечатъци, преносими видеоигри, системи за разпознаване на глас,
системи за телеконференция, телевизори, плеъри.
Като пример на вградена система за
управление на фиг. 1 е показана блок-схема на такава система, която се
произвежда масово за нуждите на автомобилната промишленост, и чиято основна
задача е свързана с управлението на спирачките на автомобила. Системата е
вградена в главната система за управление на автомобила като целта е да бъде
избягнато блокиране на спирачките на автомобила, независимо от зададената от
шофьора сила върху електромеханичния педал на спирачките.
3.
ИСТОРИЯ НА ВГРАДЕНИТЕ СИСТЕМИ ИСТОРИЯ НА ВГРАДЕНИТЕ СИСТЕМИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ.
В края на 40-те години компютърните
системи бяха предназначени за решаването на една единствена задача и бяха много
по-големи и по-скъпи от съвременните вградени системи за управление. По-късно
обаче, идеята за програмируемите контролери (PLC)
и тяхното прилагане в автоматичните системи за контрол и управление доведе до
развитие в проектирането и реализацията на вградени системи за управление.
Първата съвременна вградена система беше управляващата система
на космическите кораби от програмата „Аполо” ( Apollo Guidance Computer - AGC), използвана от астронавтите за сбор на
летателна информация и автоматично управление на всички навигационни функции на
лунарните модули в реално време. Тя беше разработена за програмата ‘Аполо’ в
началото на 60-те години от Чарлз Дрейпър от MIT- Instrumentation Laboratory и Елдън Хол с
интегрални схеми, заради малкия размер и тегло на системата.
Една от най-ранните, масово произвеждани, вградени системи е
управляващата система „Autonetics D-17”
на междуконтиненталната балистична ракета „LGM-30 Minuteman”,
която беше изградена с транзисторни логически елементи и имаше твърд диск.
След тези първи реализации, цените на вградените системи за
управление започнаха да намаляват, а тяхната функционалност рязко да
нараства.
Първата микропроцесорна система Intel
4004 беше проектирана за калкулатори и други малки системи, но все още
изискваше много външна памет и периферия. С падането на цената на
микропроцесорите и микроконтролерите се улесни замяната на аналоговите
компоненти като: потенциометри и променливи
кондензатори с техни програмни реализации.
В средата на 80-те години повечето от външните преди това
периферии бяха интегрирани в един чип заедно с процесора и тази нова форма на
микроконтролерите позволи тяхното широко прилагане във вградените системи.
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ
Основните характеристики на проектираните и технически
реализирани вградени системи за управление могат да бъдат определени в няколко направления:
ƒ Вградените
системи се проектират по-скоро за определени специфични задачи, отколкото като
компютърни системи с общо предназначение и за многозадачен
режим на работа. Някои от тях имат ограничения за работа в ‘реално време’
заради тяхната сигурност и използването им. Други нямат такива ограничения,
което от своя страна позволява редуциране на апаратната част, а оттук и
редуциране на средствата за тяхното изграждане.
Вграденитесистеми не винаги
са самостоятелни устройства. Много вградени системи са съставна част на
по-голямо, външно устройство, които се използва за по-общи цели. Например,
вградени системи в автомобилите осигуряват специфични функции като подсистеми
на системата ‘автомобил’.
ƒ Програмното
осигуряване за вградените системи се нарича най-често „фирмено осигуряване” (firmware) и обикновено е запаметено в постоянна памет
или във „флаш”памет. То често се активира с
ограничени ресурси - малка клавиатура или без клавиатура, екран и малка по обем
памет.
ƒ Вградените
системи могат да имат както потребителски интерфейс за една, точно определена
задача, така и сложен графичен потребителски интерфейс, подобен на съвременните
операторски станции. За по-малките вградени системи се използват найчесто бутони, светлинна индикация (LED),
буквено-цифров дисплей с меню. За по-големите се използват графични екрани, които
осигуряват гъвкавост, тъй като графичните примитиви могат да бъдат избирани и
тяхното значение и функция променяни. Широкото разпространение на Интернет
мрежата (World Wide Web) наложи на
проектантите на вградени системи съвършено различен избор: осигуряването на
интерфейс за Интернет мрежата.
5. СИСТЕМНО АПАРАТНО
ОСИГУРЯВАНЕ НА ВГРАДЕНИТЕ СИСТЕМИ.
Системното апаратно осигуряване (хардуер) на вградените
системи за управление може да бъде описано в няколко основни направления:
ƒ Процесорната компонента на вградените системи
може да бъдат разделена на две големи категории: обикновени микропроцесори (μP) и микроконтролери (μC)
с многочипова периферия, което намалява тяхната цена
и размери. За разлика от персоналните компютри и сървъри, сравнително широк
брой от базисни архитектури (CPU architecture) на централния процесор се използват
за вградените системи. Процесорната дума варира от 4
бита до 64 бита, като за цифровите сигнални процесори (DSP processor) тя може да бъде и по-голяма, въпреки че
типичната дължина остава 8/16 бита. Повечето процесорни
компоненти се различават по форма и характеристики и са произвеждани от
различни компании като най-често срещаните са: AVR, MOTOROLA, ZILOG, PIC и др.
ƒ За
конфигуриране на малки вградени системи се използват готови платки (ready made computer boards), които
най-често използват операционни системи: DOS,
Linux, NetBSD или вградени операционни системи
за реално време като: MicroC/OS-II, QNX или VxWorks.
ƒ За
конфигуриране на големи вградени системи се използват едночипови
системи (system on a chip - SoC), интегрални
схеми за специфични приложения (applicationspecific integrated circuit - ASIC), за които процесорното
ядро е било заявено и поръчано като елемент в проектирането на чипа, както и подобните
на тях схеми с програмируема логика (field-programmable gate array – FPGA).
ƒ Най-често
срещаната системна периферия на вградените системи е:
•
Асинхронен сериен комуникационен интерфейс(АCI): RS-232, RS-422, RS-485; • Асинхронен сериен комуникационен
интерфейс(SCI): I2C, JTAG,
SPI, SSC, ESSI;
•
Универсална серийна шина (USB);
• Мрежови
шини: Ethernet, Controller
Area Network, LonWorks;
• Таймери: PLL(s), Capture/Compare, Time Processing
Units;
• Дискретни
входно-изходни устройства: General Purpose Input/Output (GPIO);
• Аналого-цифрови и цифрово-аналогови
преобразуватели (ADC/DAC).
6. СИСТЕМНО ПРОГРАМНО
ОСИГУРЯВАНЕ НА ВГРАДЕНИТЕ СИСТЕМИ.
За системното програмно осигуряване на вградените системи за
управление се използват няколко различни типа организация:
Непрекъснат цикъл на последователно изпълняване на
подпрограми, всяка една от които управлява част от апаратното осигуряване и
част от приложното програмно осигуряване;
ƒ Фонов цикъл
и изпълнение на определени подпрограми след заявка за тях и заявка за
прекъсване на цикъла. Подпрограмите се изпълняват след като са заявени от
различен тип събития като обикновено всяка подпрограма изпълнява една
определена задача;
ƒ Цикъл на
едновременно изпълнение на несвързани помежду си подпрограми (nonpreemptive multitasking),
при което всяка подпрограма изпълнява отделна задача. Предимствата на този тип
организация е възможността да бъдат добавени лесно нови подпрограми към нея;
ƒ Цикъл на
последователно изпълнение на несвързани помежду си подпрограми (preemptive multitasking),
при което всяка подпрограма изпълнява отделна задача;
ƒ Монолитни
ядра от типа: „Вграден Линукс” (Embedded Linux) и „Компактен вграден Уиндоус” (Windows
Embedded Compact);
ƒ Потребителско
системно програмно осигуряване, което се изгражда конкретно за определена
вградена система;
ƒ Допълнителни
програмни компоненти, които се състоят от мрежови протоколи като: интернет
протоколи (TCP/IP, FTP, HTTP, HTTPS),
различни драйвери (drivers), мултимедийни кодеци
(codecs), безжични рутери, GPS
навигационни системи.
7. СРЕДСТВА ЗА
РАЗРАБОТВАНЕ НА ВГРАДЕНИТЕ СИСТЕМИ.
Както за всяко друго програмно осигуряване, проектантите на
вградените системи за управление използват най-често за тази цел: компилатори (compilers), асемблери (assemblers)
и дебъгъри (debuggers). Те
могат да използват и по-специфични средства:
ƒ Вътрешно-схемни дебъгъри (debuggers) или емулатори (emulators);
ƒ Средства за
добавяне на контролна сума или циклична проверка за излишък (CRC) към приложното програмно осигуряване като по този
начин вградената система може да проверява дали програмата в нея е валидна;
ƒ За
системите, които използват цифрова обработка на сигналите (DSP),
проектантите могат да използват специални инструменти за симулация като: MATLAB, Simulink, MathCad, Mathematica;
ƒ Ползвателски компилатори и свързващи програми
могат да бъдат използвани за усъвършенстване и оптимизация на конкретно
апаратно осигуряване;
ƒ Вградените
системи могат да имат свой собствен език или средство за проектиране, или добавени
разширения към съществуващи езици като Forth или Basic;
ƒ Друга
алтернатива са добавените операционна система за реално време (Real-time operating system) или операционна система за вградени системи
(Embedded operating system), които могат да имат функции за цифрова
обработка на сигналите (DSP); ƒ Операционни
системи като: Linux, NetBSD,
OSGi или Embedded Java.
Средствата за проектиране могат да се доставят от:
ƒ Фирми,
които са специализирани на пазара на вградени системи;
ƒ Свободен
софтуер (GNU);
ƒ Някои
средства за проектиране, които се разработват за персоналните компютри.
8. ПРОВЕРКА ЗА ГРЕШКИ В ПРОГРАМНОТО И
АПАРАТНОТО ОСИГУРЯВАНЕ.
Проверката за грешки и тяхното отстраняване (Debugging) е съвкупност от методи за откриване на грешки
(bugs) или дефекти в апаратното и програмно осигуряване
на вградените системи за управление. Проверката за грешки може да бъде
извършвана на различни нива и може да бъде групирана по следния начин:
ƒ Интерактивна,
вътрешна, резидентна, използваща вградената операционна система;
ƒ Външна,
използваща серийния порт на вградените системи за проследяване на операциите в
системата;
ƒ Включена в
интегрална схема (ICD), която се свързва с
процесора на вградената система чрез стандарта IEEE
1149.1 (JTAG) или NEXUS
интерфейс, което позволява операциите на вградения микропроцесор да бъдат
контролирани външно;
Включена в интегрална схема - емулатор, който заменя
микропроцесора със симулиран еквивалент, осигурявайки по този начин неговия
пълен контрол;
Пълен емулатор, който осигурява симулация на всички аспекти
на апаратното осигуряване, и който позволява всичко от него да бъде
контролирано и модифицирано, а така също и възможност за проверка от персонален
компютър.
Проектантът на вградени системи може чрез горните средства да
съхрани и изпълни програмното осигуряване, имайки достъп до асемблерния код (assembly code) или
източниковия код (source-code),
както и възможността да го спира (стопира) в определена желана точка. Тъй като
често вградените системи са композирани от широка гама елементи, проверката за
грешки (Debugging) може да бъде
извършвана по няколко начина. Проверката на централизирана вградена система се
различава от проверката на друга вградена система, в която една част от
функциите се изпълнява от специализирана периферия (DSP, FPGA, Co-processor).
Някои вградени системи използват повече от едно процесорно
ядро и общият проблем в тези случаи е точната синхронизация на изпълняваното
програмно осигуряване. Например, проектирането на вградена система може да
наложи проверката на трафика на данни по шинната
система между процесорните ядра, което изисква
проверка за грешки с логически анализатор на много ниско ниво.
9. СИГУРНОСТ.
Вградените системи за управление са включени в машини или
апаратура, която се очаква да работи с години без грешки и в някои случаи да се самовъзстановява,
когато се появи някаква грешка. По тази причина програмното осигуряване
обикновено е разработено и тествано много по-внимателно от това на персоналните
компютри, както и са избягнати несигурни механични движещи се компоненти като
‘твърди’ дискови устройства, ключове, бутони. Специфичните прояви на
несигурност на вградените системи могат да бъдат следните:
ƒ Системата
не може сигурно да се изключи или е недостъпна за изключване. Такива могат да
бъдат сателитни системи, навигационни системи и т.н;
ƒ Системата
може да изисква много средства при изключване. Такива са телефонните
превключватели, системите за управление на промишлени процеси, влаковата
сигнализация, автоматичните продажби и услуги;
За избягването на грешки и повишаване на сигурността на
вградените системи се използват различни методи:
ƒ Таймери-пазачи
(watchdog timers),
които рестартират системата ако изтече определеното време на таймера;
ƒ Подсистеми,
които осигуряват излишък в програмното и апаратно осигуряване и по този начин
позволяват превключване към отделни компоненти при поява на грешки; ƒ Програмно
осигуряване, което осигурява частично функциониране на системите.
10. ОЦЕНКА НА ВГРАДЕНИТЕ СИСТЕМИТЕ.
Оценката на вградените системи за управление се състои от
измервани характеристики на вече реализирани системи. Те се използват за
характеристика и сравнение на различните системи и включват:
ƒ Безопасност. Тази
характеристика определя влиянието на вградената система върху този, който я
използва, върху околната среда и върху други системи;
ƒ Цена. Цената
включва разходите за проектиране, разходите за тест на прототипа и разходите за
производство на всяка отделна вградена система;
ƒ Време за реализация на
вградената система. Това е времето, необходимо за разработване и
реализация на вградената система. Това време трябва да бъде много по-малко от
времето, през което системата ще бъде на пазаря преди да бъде обявена за
остаряла;
ƒ Размер. За много
вградени системи физическите размери и тегло са важни характеристики. Това се
отнася и за размера на програмното осигуряване на системите;
Производителност и експлоатационни
качества. Най-важната
характеристика е времето за изпълнение на ключова задача;
Енергиен разход. Това е важна характеристика, която
определя годността на захранването на вградените системи, охлаждането на
апаратното осигуряване и надеждността на системата;
ƒ Репериране на системите. Консорциум за репериране
на вградените системи (EEMBC) започва да разработва
през 1997 година репери за работоспособността на
вградените системи. Реперите на EEMBC
са разработени за вградени системи от областите: автономни подвижни
системи(индустриални роботизирани системи), мрежови системи, телекомуникации и
офис-автоматика. Това осигурява на проектантите на вградени системи проверени
методи за сравнение и експертна оценка на техните експлоатационни качества.
11. ПРИЛОЖНО ПРОГРАМНО
ОСИГУРЯВАНЕ НА ВГРАДЕНИТЕ СИСТЕМИ.
Приложното програмно осигуряване на
вградените системи за управление е изключително разнообразно по своята
теоретична същност, използваните методи за проектиране и практическа
реализация. Това е така, защото в общия случай вградените системи са
специализирани системи, които са предназначени за изпълнение на малък брой
фиксирани задачи с най-разнообразни приложения, а основните им функции са
свързани с управление и / или контрол. Според основния принцип на използваните
методи за изграждане на приложното програмно осигуряване, то може да бъде
разделено на два големи класа.
В първия клас са включени всички
методи за проектиране и изграждане, чиито принцип е наличието на адекватен,
точен математически модел на управляваните процеси от вградените системи. Въз
основа на този модел се синтезират компютъризирани (изчислителни) компоненти за
управление, чието приложно програмно осигуряване е както за непрекъснато по
своята същност автоматично управление, така и за дискретно логическо
управление. Доколкото за тях се използват станалите вече класически методи, то
и създадените чрез тях вградените системи за управление се определят като
„класически”.
Във втория клас са включени всички методи за проектиране и
изграждане, чиито принцип е наличието на практическо (експертно) знание на
опитни оператори и технолози за управлението на процесите, за които е невъзможно
да бъде създаден адекватен, точен математически модел. Въз основа на тяхното
практическо (експертно) знание се синтезират компютъризирани (изчислителни)
компоненти за управление, като за тази цел това знание се преобразува и
представя формално чрез използването на методите на теоретико-множествения
математически апарат на размитите множества. По тази причина, изграденото
приложно програмно осигуряване се определя като „размито”, а създадените по
такъв начин вградени системи се определят като: „размити”.
11.1.
КЛАСИЧЕСКИ ВГРАДЕНИ СИСТЕМИ
Създаването на класически вградени
системи за управление има вече 30 годишна история в България. Още през 1979
год. в катедра „Автоматизация на производството” към Техническия университет -
Варна се извършва проектиране и техническа реализация на вградени системи, с
помощта на класически методи. За тази цел са използвани: микропроцесорни
системи, микроконтролерни системи, цифрови сигнални
процесори (DSP-processor), програмируема
логика (field-programmable gate array - FPGA),
програмируеми контролери (PLC).
Системното програмно осигуряване е потребителско и е
изграждано конкретно за определена вградена система, а приложното програмно
осигуряване е пряко свързано с конкретните управлявани процеси. Резултатите от
реализацията на вградените системи са публикувани и могат да бъдат описани
накратко като:
ƒ Проблемно-ориентирана
микропроцесорна система за управление на съоръжение за газово карбонитриране;
ƒ Микропроцесорна
система за управление на технологичен комплекс за течно щамповане с високо
газово налягане;
ƒ Микропроцесорна
система за автоматизацията на проектирането и управлението на Технологичен
процес за газово карбонитриране;
Йерархична система с програмируеми
контролери за контрол и управление на помпени станции в рамките на ВиК;
Микропроцесорна система за експериментални хидродинамични
изследвания на корабни модели;
ƒ Микропроцесорни
системи за медицински приложения - ЕКГ контрол, ФК контрол;
ƒ Системи с
програмируеми контролери за контрол и аварийно управление на производството на тринитротулуол (TNT);
ƒ Микроконтролери
за ехолокатори;
ƒ Микроконтролерен преобразувател на скоростта на
корозия;
ƒ Унифициращ
преобразувател за измерване и контрол на ниво на корозия;
ƒ Микроконтролерен преобразувател на проводимост и
диагностика на замърсяването на измервателната клетка;
ƒ Микроконтролерно управление на устройство за
измерване и контрол на проводимост;
ƒ Системи с
алгоритми за цифрова обработка на сигнали от SODAR-и
и ултразвуково зрение;
ƒ Система за
комуникация посредством USB между преносим компютър и
микроконтролер от фамилия PIC18Fxxx.
Като пример на класическа вградена
система на фиг.2 е показана блок-схема на вградена система за векторно
управление на отделните фази на трифазен електродвигател.
11.2.
РАЗМИТИ ВГРАДЕНИ СИСТЕМИ
Известно е, че преди да бъде
автоматизирана, всяка стопанскa и/или производствена
управленческа дейност се осъществява “по необходимост” от хора - “опитни
оператори”, “експерти”, “управители”. Тогава нейната успешна автоматизация
трябва да осигури постигането на поставените управленчески цели, чрез съответни
технически системи за управление с адекватна функционалност. В този смисъл,
основната и най-важна задача за всяка вградена система (embedded system) за управление е методологическа по своята
същност, пряко свързана с избора, както и с ефективността на прилаганите за
нейната реализация - теоретични принципи, подходи, методи и технически
средства.
Първоначално сложните теоретични и
приложни задачи, а така също и специфичните проблеми на автоматизацията, бяха
решавани и се решават в по-голямата си част и днес с утвърдилите се вече в
инженерната практика принципи, методи и средства на Теорията на Автоматичното
Управление ТАУ. Известно е, че те са особено ефективни при автоматизацията на обекти,
за които съществува точно, “добре дефинирано” формално описание на тяхното
функциониране, структура, цели и критерии на управление.
Успешната в повечето случаи, автоматизация на редица “добре
дефинирани” обекти със средствата на ТАУ обаче, само затвърди първоначално
установеното мнение за нейните универсални възможности и практически
неограничен диапазон на приложение.
Затова и проблематичната
автоматизация на някои, очевидно “нетрадиционни” за ТАУ, обекти доведе до
определена преоценка на нейната, неподлежаща на
критика и съмнение, универсалност. Същевременно това предизвика и търсенето на
нови, алтернативни за нея - принципи, подходи, теоретични концепции, модели,
методи и средства за автоматизация.
За тази цел бяха създадени и се
разработват непрекъснато нови методи за проектиране и изграждане на системи за
управление, в които се използва експертното знание на опитни оператори и
технолози, пряко свързани с управлението на процесите, за които не може да бъде
създаден адекватен, точен математически модел.
Най-често индивидуалното експертно
знание на опитните оператори е във формата на лингвистични твърдения на
естествен или на някакъв друг професионален (“цехов”) език и това налага
разкриването на неговото обективно значение и смисъл. Основната причина за това
е принципната несъвместимост между субективното по съдържание, лингвистично
(знаково) обективирано експертно знание от една страна и от друга -
необходимостта то да бъде интерпретирано в изгражданите системи за управление в
обективна по съдържание, деиндивидуализирана, числена
форма.
За преодоляването на споменатото
ограничение и ефективната интеграция на двете форми за представяне на
експертното знание се използва теорията на размитите множества.
В последните години получиха
определено развитие изследванията и разработките на вградени системи за
управление на обекти от по-долно, “локално” ниво на интегрираните (йерархични)
системи за производство. Създаването на такъв тип системи обаче, е все още
ограничавано от проблематичността на тяхното вграждане (“интеграция ”) и от
възможността за самостоятелно, “автономно” формиране на “екпертни
знания” в процеса на управление. Като основна причина за това се изтъква все
още незадоволително решаваната задача за интерпретация на абстрактните, и
затова общи по своята същност, експертни знания в сетивно различимия и единичен
по своите проявления, обект на управление.
В катедра „Автоматизация на производството” към Техническия
университет - Варна повече от 20 години се извършва проектиране и техническа реализация
на вградени системи за управление, с помощта на размити методи. Въз основа на
експертното знание се синтезират компютъризирани (изчислителни) компоненти за
управление като за тази цел това знание се преобразува и представя формално
чрез използването на методите на теоретикомножествения математически апарат на
размитите множества. По тази причина, изграденото приложно програмно
осигуряване се определя като: „размито”, а създадените по такъв начин вградени
системи се определят като: „размити”. Системното програмно осигуряване е
потребителско и е изграждано конкретно за всяка вградена система, а приложното
програмно осигуряване е пряко свързано с конкретните управлявани процеси.
Резултатите от реализацията на размитите вградени системи за управление са
публикувани и могат да бъдат описани накратко като:
ƒ Изграждане
на експертни размити регулатори за промишлени цели;
ƒ Използване
на теорията на размитите множества в експертните системи;
ƒ Несъвършенство
на информацията: неточност, несигурност;
ƒ Размита система
за управление на технологични процеси в захарното производство;
ƒ Размита
система за управление на технологични процеси в производството на питейна вода;
ƒ Прагматическа
интерпретация на размитите правила за управление; ƒ Размита
система за управление с използване на вграден микроконтролер; ƒ Вграден
размит контролер за адаптивно управление на отопление на сгради.
Въпреки това и независимо от
съществуващата теоретико-приложна експанзия в тази научна област, все още
съществуват проблеми в нейното осмисляне по категории, общотеоретично
обосноваване и по-специално – в използването на нейните възможности за целите
на автоматизацията на стопанскaта и производствена
управленческа дейност и за създаване на вградени системи.
Като пример на размита вградена система на фиг.3 е показана
блок-схема на вградени системи за управление на радиатори в отделни помещения.
Системите са вградени в главната система за сградна автоматика.
12. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Вградените системи за управление се
срещат вече навсякъде: на работното място, в човешкото жилище, в местата за
забавления. Например, в системите за управление на технологичните процеси в
промишленото производство, в медицинската апаратура и инструменти, в
транспортните средства, в банковото дело, в битовата техника, в сградната автоматика,
в електронните игри, в интернет мрежата, както и в много други области, които
зависят главно от създадените и внедрени в тях - вградени системи за
управление.
Няколко са преимуществата, които правят вградените системи за
управление предпочитани за автоматизация
в редица области на бита и промишленото производство:
ƒ На първо
място трябва да бъдат изтъкнати техните сравнително малки размери и ниска цена.
Доколкото вградените системи за управление са предназначени за решаването на
предварително определени задачи, инженерите - проектанти са в състояние да
оптимизират значително тяхната структура и функционалност. За някои системи се
налага да бъдат поставени ограничения за работата им в ‘реално време’ като
основната причина са изисквания за тяхната сигурност и използваемост. За други
системи обаче, такива ограничения не се изискват и това позволява намаляване на
техните размери и крайна цена. Именно поради ниската им цена те обикновено се
проектират за нуждите на масовото
производство;
ƒ На второ
място трябва да бъде изтъкнато времето за разработване и реализация на
вградените системи за управление. Увеличеното пазарно търсене на такива системи
наложи рязко ускоряване на цикъла на проектиране и намаляване на времето между
тяхното проектиране и крайна пазарна реализация. По тази причина в научните
издания – печатни и електронни все повече и повече се срещат публикации, в
които се описват нови методи и средства за създаването на вградени системи за
управление. Предлага се нов тип проектиране, което размива традиционните
граници между апаратното и програмното осигуряване, използвайки унифициран
поглед върху тях;
ƒ Вградените
системи за управление са прости (лесни) за използване и поддръжка. Те са
създадени за изпълнението на малък брой фиксирани задачи и функции със
сравнително ограничено (несложно) апаратно и програмно осигуряване и това
улеснява както тяхното използване, така и тяхната поддръжка.
Три важни тенденции в развитието на системното апаратно и
програмно осигуряване направиха възможни изтъкнатите преимущества на вградените системи за управление:
ƒ Първата от
тях е свързана с капацитета на интегралните схеми, който се увеличи в степен
позволяваща системното и приложното програмно осигуряване да бъдат съвместявани
в една интегрална схема (едночипов микроконтролер);
ƒ Втората
тенденция е свързана с качеството на компилаторите и размера на програмното
осигуряване. Това доведе до общо използване на Fort, Basic, C++ и Java компилатори в интегрирана среда
(IDE’s) за проектиране на вградени системи за управление,
значително намалявайки по този начин важността на микропроцесорните асемблерни
езици за проектиране;
ƒ Третaта тенденция се отнася до
технологията за синтез на вградени системи за управление, в която вече се
използват инструменти, позволяващи описването на функциите на създаваните
вградени системи за управление с езици от високо ниво и последващо автоматично
генериране на ефикасна потребителска програма.
Първата тенденция прави почти невъзможно предишното разделяне
на проектирането на апаратно и програмно. Втората и третата тенденции
позволяват унифицираното проектиране на вградени системи за управление на
най-високо ниво, решавайки по този начин проблема за избор на апаратно
осигуряване, проектиране на програмното осигуряване и интегриране на обработването
им. И трите тенденции позволяват да бъдат намалени размерите и цената на
проектираните и реализирани вградени системи за управление.
Систематизираните преимущества на
вградените системи за управление и тенденциите в тяхното развитие и
усъвършенстване водят до действителен ръст на реализацията им във всички
области на човешката дейност.
В България те са внедрени и се използват в различни области:
битова електроника, битови прибори, офис техника, телекомуникационни системи,
компютърна техника. Най-сериозно развитие обаче, те имат в областта на
промишлени системи за пряко управление на технологични процеси, които са
вградени в йерархични системи за индустриален контрол и управление на
производството. Докато вградените системи за управление от гореизброените
области са резултат от чуждестранен внос, то вградените системи за управление в
промишленото производство са предмет на все по-широко проектиране и внедряване
от български инженери. Изтъкнатите по-горе предимства и развитие на вградените
системи за управление дават възможност за нарастване на техния относителен дял
на българския пазар.