Архитектура ПЛК (время цикла, прерывание, области памяти, системы реального времени)

Архитектура ПЛК (время цикла, прерывание, области памяти, системы реального времени)
1. Понятие архитектуры ПЛК (ЭВМ)
2. Что такое ЭВМ
3. Аппаратная составляющая ЭВМ
4. ОС - программная (алгоритмическая) составляющая ЭВМ
5. Отличие между ОС общего назначения и ОСРВ
6. Основные критерии ОСРВ
7. ОСРВ в ПЛК S7-400H Siemens
8. Время цикла в ПЛК S7-400H Siemens
9. Прерывания, приоритеты в ПЛК S7-400H Siemens
10. Организация памяти в ПЛК S7-400H Siemens
1
Понятие архитектуры ЭВМ
Архитектура ЭВМ – это многоуровневая иерархия аппаратно-программных средств, из
которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и конкретная
реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.
В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие
аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, архитектуру
набора команд организацию ввода/вывода и т.п.
В узком смысле под архитектурой понимают архитектуру набора команд. Самые
распространенные это:
CISC (Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд»);
RISC (Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд»);
2
ЭВМ - электронная вычислительная машина
ЭВМ это электронно-программное устройство, единственное
предназначение которого - обработка информации (преобразование, хранение,
применение). И на сегодняшний день использование данного устройства в
жизни человека невозможно переоценить (т.е. как бы высоко не оценили этот
факт, он все равно будет недооценен). Все что окружает Человека, является
для него в первую очередь информацией. Для своего развития и становления
Человеку приходится обрабатывать гигантский поток информации. ЭВМ
ускоряет и упрощает во много раз процессы преобразования, оптимизации,
хранения и использование информации. ЭВМ берет на себя огромный пласт
рутинных задач, которые человеку просто не под силу. Использование ЭВМ
позволяет человечеству автоматизировать огромное количество рутинных
процессов жизнедеятельности, что в свою очередь очень заметно повышает
качество жизни людей и ускоряет их развитие.
3
Упрощённое представление аппаратной составляющей ЭВМ
Функционально аппаратную (электронную) часть любой ЭВМ, от супер компьютера (занимающего целые здания) до
однокристального микропроцессора, упрощённо можно представить в виде 3-х основных блоков:
Э
В
М
Устройства ввода
Вычислительное устройство (ВУ)
Память
Арифметико-логическое
устройство (АЛУ)
Устройство
управления
(УУ)
Устройства вывода
Все три блока представляют собой единое целое и являются обязательными элементами любой ЭВМ. Каждый элемент
отвечает за конкретную часть процесса обработки информации: устройства вода – загрузка, ВУ – обработка, устройства
вывода – применение информации.
4
Упрощённое представление программной составляющей ЭВМ
Вторая составляющая ЭВМ программная - операционная система (ОС). ОС — комплекс взаимосвязанных
алгоритмов, предназначенных для организации взаимодействия с пользователем и управления
ресурсами ЭВМ. Если суть работы ЭВМ сравнивать сквозь призму аллегории с концепцией, существующей в
некоторых философских учениях, триединства человека, (тело душа и святой дух), то устройства ввода – вывода и
ВУ это тело ЭВМ, ОС это душа ЭВМ, а электроэнергия, по средству которой происходит «сшивание» железа и ОС
это святой дух. Чтобы ЭВМ «ожило» и выполняло задачи в нее заложенные, необходимо наличие и совокупное
взаимодействие всех 3-х составляющих.
Word
Прикладные программы
Операционная система
Windows10
5
Step7
Software
Электроэнергия
Аппаратная составляющая ЭВМ
Отличие между ОС общего назначения и ОСРВ
Бурное развитие вычислительной техники, усложнение систем вычисления и периферийных устройств (устройств
ввода-вывода) определило создания ОС, в задачи которой входит управление кратно усложнившимися
аппаратными ресурсами ЭВМ и взаимодействие с пользователем. Использование ЭВМ в специализированных
сферах обусловило создания специализированных ОС. Одной из таких ОС является ОСРВ (операционная
система реального времени). ОСРВ – программная составляющая СРВ (система реального времени),
используется в большинстве своем в таких СРВ как автоматизированная и автоматическая системы управления
процессом. И если основная функция ОС общего назначения – оптимальное распределения ресурсов ЭВМ между
процессами, то ЭВМ под управлением ОСРВ обязана сгенерировать отклик за предсказуемое время на
непредсказуемый поток внешних событий. Т.е. основная задача ОСРВ получение результата за
предсказуемый промежуток времени, а задача ОС общего назначения - оптимальное использование ресурсов
ЭВМ для получения максимального быстродействия без возможности четко прогнозировать время выполнения
алгоритма.
6
Основные критерии ОСРВ
Различают СРВ двух типов:
системы жесткого реального времени, это системы в которых реакция на событие должна быть сгенерирована
не позднее заданного периода, выход за заданные рамки повлечёт за собой катастрофические последствия для
процесса;
системы мягкого реального времени, это системы в которых реакция на событие может быть сгенерирована
позднее заданного периода, выход за рамки заданного периода лишь увеличит стоимость и снизит
производительность процесса.
ОСРВ являются программной составляющей СРВ и как правило на одной и той же ОСРВ можно построить любой
из двух типов СРВ.
Для ОСРВ характерно:
 высокий уровень готовности;
 многопоточность;
 механизм приоритетности и наследование приоритетности задач;
 гарантированное время отклика;
 относительно невысокая производительность;
 наличие средств автомониторинга;
 поддержка различного специального оборудования;
 наличие системы исполнения и системы разработки.
7
ОСРВ в ПЛК S7-400H Siemens
В качестве примера СРВ будем рассматривать САУ ГА СШГЭС. Элементной базой системы выступают ПЛК
производства Siemens серии SIMATIC S7-400H. Серия с буквой H имеет возможность горячего резервирования
(автоматическое безударное переключение на резервный блок в случае отказа ведущего блока) и горячей замены
(замены неисправного блока без отключения питания и остановки системы). В данных контроллерах используется
проприетарная ОСРВ разработанная фирмой Siemens, ОСРВ полностью закрыта, жестко зашита в ППЗУ.
Изменение параметров ОСРВ (приоритеты и прерывания) производится через интерфейс пользователя.
8
Время цикла в контроллерах S7-400H Siemens
В ОСРВ разработки Siemens как и любой другой ОСВР прикладная часть программы обрабатывается циклически.
Время цикла это период, за который выполняется одна итерация (проход), присвоение значений выходам, опрос
входов и обработка алгоритмов. Это величина не постоянная, зависит от объема обрабатываемого кода и жестко
контролируется. Время цикла это один из основных параметров оценки быстродействия ПЛК.
Прикладная часть программы представлена в виде блоков OB, FB, FC, DB. Каждый тип блока используется для выполнения
определенной функции. OB - организационные блоки, с их помощью организуется последовательность и периодичность вызова
FB, FC функциональных блоков и DB блоков данных в которых прописаны алгоритмы управления объектом автоматизации.
9
Время цикла в контроллерах S7-400H Siemens
10
Время цикла в контроллерах S7-400H Siemens
11
Прерывания и приоритеты в ПЛК S7-400H
Прерывание — это событие, возникновение которого обязывает ОС
приостановить выполнение текущего процесса, сохранить его
состояние и начать выполнять другой процесс с более высоким
приоритетом, после завершения, которого состояние прерванного
процесса должно быть восстановлено. А в случае фатального
прерывания (например, из-за отказа аппаратной части или
фатальной программной ошибки) ПЛК должен перейти в режим STOP
или быть перезагружен.
Условно прерывания можно разделить на внутренние и внешние.
Внутренние прерывания генерируются выполнением команды в
процессоре:
Циклические;
По условию;
Исключения, вызванные ошибкой при выполнении команды.
Внешние прерывания генерируются произошедшим снаружи
процессора событием, как правило, это связано с отклонениями в
работе аппаратной части ПЛК.
12
Организация памяти в ПЛК S7-400H Siemens
Память ЭВМ (запоминающее устройство) совокупность технических устройств и процессов,
обеспечивающих запись, хранение и чтение
(использования) информации в ЭВМ. ЗУ основа
любой ЭВМ, «Оживание» ЭВМ при подаче питания
происходит с обращения к ЗУ и загрузки ОС.
Основные характеристики ЗУ – емкость (объем) и
быстродействие.
Условно ЗУ можно разделить первичные и
вторичные.
Первичное ЗУ - рабочая оперативная память
процессора необходимая ему для обработки
информации, такая память зачастую располагается
на одном кристалле с процессором, объем такой
памяти не велик, а быстродействие велико.
Вторичное ЗУ – периферийная память в которой
хранится информация не используемая в конкретный
момент, она имеет приличный объем и слабое
быстродействие.
13
Организация памяти в ПЛК S7-400H Siemens
В ПЛК S7 серии различают следующие виды памяти:
 Загрузочная, обычно в виде карты памяти MMС;
 Рабочая, является частью CPU;
 Системная, конструктивно является частью CPU.
Загрузочная память - память этого типа может состоять из RAM и EEPROM компонентов. Это первое место, куда
попадает программа пользователя, конфигурация оборудования и данные о переменных, используемых в
программе, после загрузки проекта через вашу среду разработки.
Рабочая память это «быстрая» RAM-память, в которую загружается необходимые для работы данные прикладной
части алгоритма из загрузочной памяти и используется при выполнения цикла программы с максимальной
скоростью. Главной причиной использования этого типа памяти в выполнении алгоритма, является уменьшение
времени цикла программы, т.е. увеличение быстродействия CPU.
Системная память содержит адреса (переменные), к которым происходит обращение в прикладной части
алгоритма: адреса модулей ввода/вывода; адреса внутренней памяти ПЛК ( меркеры, таймеры, счетчики и т.д.).
Системная память берет ответственность за низкий уровень ПЛК, общаясь с модулями ввода/вывода по внутренней
шине и является последним звеном в выдаче команд на исполнительные устройства.
14