ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & ΑΥΤΟΜΑΤΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΤΗΣ ΦΟΙΤΗΤΡΙΑΣ ΡΗΓΑ ΦΩΤΕΙΝΗΣ ΤΟΥ ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΥ Α.Μ. 5271 ΜΕ ΘΕΜΑ: ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΓΙΑ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟ ΕΛΕΓΧΟ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ : ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ν. ΚΟΥΣΟΥΛΑΣ ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ /2010 ΠΑΤΡΑ,. 2010 1
ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η διπλωματική εργασία με θέμα: «ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ ΓΙΑ ΚΑΤΑΝΕΜΗΜΕΝΟ ΕΛΕΓΧΟ» της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών Ρήγα Φωτεινής (Α.Μ. 5271) παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 2010. Ο Επιβλέπων Καθηγητής Νικόλαος Κούσουλας Ο Διευθυντής του Τομέα Καθηγητής Νικόλαος Κούσουλας 2
Περίληψη Η παρούσα εργασία πραγματεύεται ζητήματα που αφορούν σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου με ιδιαίτερη έμφαση στα συστήματα κατανεμημένου ελέγχου. Σε αυτό το πλαίσιο, πραγματοποιείται στην εργασία καταρχάς μια σύντομη ανασκόπηση σε σχέση με τα συστήματα ελέγχου και με το πώς αυτά τα συστήματα εισήχθησαν για χρήση στη βιομηχανία. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα κατανεμημένα συστήματα ελέγχου, τα βασικά χαρακτηριστικά τους αλλά και οι βασικές μεθοδολογίες σχεδίασης ενός τέτοιου συστήματος. Γίνεται επίσης σημαντική αναφορά στα πολυπρακτορικά συστήματα (Multi Agent Systems MAS) τα οποία αποτελούν το μέλλον της ανάπτυξης των κατανεμημένων συστημάτων. Τέλος, συνοψίζονται τα βασικά προβλήματα, οι τάσεις αλλά και η κατάσταση στην αγορά αναφορικά με αυτά τα συστήματα. 3
ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1 Εισαγωγή... 11 2 Συστήματα ελέγχου Μια σύντομη ανασκόπηση... 14 2.1 Ιστορική Ανασκόπηση... 16 2.2 Λόγοι που οδήγησαν στην εισαγωγή των Συστημάτων Αυτομάτου Έλεγχου στην βιομηχανία... 20 2.3 Σύγχρονες Τάσεις Προοπτικές... 22 2.4 Οικονομική Κοινωνική θεώρηση... 25 3 Κατανεμημένα συστήματα ελέγχου... 28 3.1 Ο όρος «κατανεμημένα» Γενικά για κατανεμημένα συστήματα... 28 3.2 Βασικά χαρακτηριστικά κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου... 31 3.3 Μεθοδολογίες σχεδίασης ενός κατανεμημένου συστήματος ελέγχου... 35 3.3.1 Αντικειμενοστραφείς (Object Oriented)... 36 3.3.2 Αντικειμενοστραφείς μεθοδολογίες μοντελοποίησης πραγματικού χρόνου 37 3.3.3 Μεθοδολογίες ανάπτυξης κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου... 39 3.3.4 Μεθοδολογίες πρακτόρων λογισμικού (Agent)... 41 3.4 Εξοπλισμός πεδίου και ελεγκτικός εξοπλισμός ενός κατανεμημένου συστήματος... 43 3.4.1 Συμπεριφορά εντός κατανεμημένων συστημάτων... 44 4
3.4.2 Υλικό ελέγχου κατανεμημένων συστημάτων... 45 3.5 Συντήρηση ενός κατανεμημένου συστήματος ελέγχου... 49 3.6 Κατανεμημένα συστήματα και προσδιορισμός πραγματικού χρόνου... 50 3.6.1 Γενικά... 50 3.6.2 Λεπτομέρειες για τον προγραμματισμό... 52 3.6.3 Οι δύο τεχνικές προγραμματισμού... 54 3.6.4 Ανακριβής υπολογισμός... 56 3.7 Τα πολύπρακτορικά συστήματα (Multi Agent Systems, MAS)... 59 3.7.1 Τι είναι οι agents (πράκτορες)... 60 3.7.2 Κινητοί πράκτορες (mobile agents)... 61 3.7.3 Εφαρμογές Τάσεις... 63 4. Βασικά προβλήματα και προκλήσεις κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου... 65 4.1 Τα βασικότερα προβλήματα. Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα... 65 4.1.1 Συστήματα κεντρικού έλεγχου... 66 4.1.2 Συστήματα κατανεμημένου έλεγχου... 67 4.2 Προκλήσεις... 68 4.3 Προοπτικές, τάσεις αγοράς και εμπορικά προϊόντα... 71 4.3.1 Οι τάσεις της αγοράς... 71 4.3.2 Αναπτυσσόμενα εργαλεία έρευνας... 74 5
5 Επίλογος Συμπεράσματα... 78 6 Βιβλιογραφία... 80 6
Ευχαριστίες Για την ολοκλήρωση αυτής της εργασίας, απαιτήθηκε σημαντική προσπάθεια από ένα σύνολο ανθρώπων, τους οποίους θα ήθελα να ευχαριστήσω. Καταρχάς, ένα πολύ μεγάλο ευχαριστώ θα ήθελα να πω στον Καθηγητή μου και επιβλέποντα της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας Κο Νικόλαο Κούσουλα για την πολύ μεγάλη βοήθειά του κατά την διάρκεια της έρευνάς μου, για την καθοδήγηση και για την παροχή πλούσιου υλικού. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω όλους τους ειδικούς αλλά και εκείνους που έχουν πρόσφατα ασχοληθεί με το ζήτημα των συστημάτων ελέγχου γενικότερα και ειδικότερα με τα θέματα των συστημάτων κατανεμημένου ελέγχου, οι έρευνες των οποίων αποτέλεσαν πηγή έμπνευσης αλλά και πλούσιου βιβλιογραφικού υλικού, ώστε να είναι δυνατή η ολοκλήρωση της παρούσης εργασίας. Επιπλέον, ένα ευχαριστώ χρωστάω και σε ανθρώπους υπεύθυνους ηλεκτρονικών και μη βιβλιοθηκών, μέσω των οποίων απέκτησα πρόσβαση σε άρθρα και βιβλία που ήταν απαραίτητα στην έρευνα που πραγματοποίησα. Τέλος, θα επιθυμούσα να αποστείλω τις ευχαριστίες μου στα μέλη της οικογένειάς μου αλλά και τους φίλους μου, οι οποίοι όλο αυτόν τον καιρό της προετοιμασίας της διπλωματικής μου εργασίας αλλά και έρευνας με στήριξαν σε υπέρτατο βαθμό. 7
8
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1: Η διάταξη του πρώτου συστήματος αυτόματου ελέγχου... 16 Σχήμα 2: Το πρώτο σύστημα ελέγχου με ανάδραση... 17 Σχήμα 3: Διάγραμμα τοπικού ελεγκτή... 32 Σχήμα 4: Λειτουργικές εντολές τοπικού ελεγκτή... 33 Σχήμα 5: Βήματα μετάβασης από συγκεντρωμένα σε κατανεμημένα συστήματα ελέγχου.34 Σχήμα 6: Ιεραρχία κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου... 35 Σχήμα 7: Το IEC 61449... 40 Σχήμα 8: Κύκλος ζωής κατανεμημένου συστήματος... 44 Σχήμα 9: Είδη κινητού κώδικα... 62 Σχήμα 10: Μετάβαση προς κατανεμημένα συστήματα ελέγχου σε βιομηχανικές εφαρμογές... 69 Σχήμα 11: Η γλώσσα IEC 61449 ως γλώσσα μοντελοποίησης... 69 Σχήμα 12: Η χρήση της υπηρεσιοστραφούς αρχιτεκτονικής (Service Oriented Architecture SoA)... 70 9
10
1 Εισαγωγή Η τεχνολογία των συστημάτων ελέγχου γενικότερα, αλλά και ειδικότερα των κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου, βρίσκεται σε ένα ερευνητικό πεδίο το οποίο τα τελευταία χρόνια έχει απασχολήσει σε σημαντικό βαθμό τη διεθνή ερευνητική κοινότητα. Οι συνεχώς αναπτυσσόμενες τεχνολογίες, και οι διαρκώς αυξανόμενες απαιτήσεις σε συστήματα τόσο στον χώρο της βιομηχανίας, όσο και σε άλλους χώρους όπως για παράδειγμα αυτός του οικιακού εξοπλισμού, έχουν οδηγήσει στην ανάγκη για την περαιτέρω εξέλιξη συστημάτων γενικότερα στον τομέα του αυτοματισμού, και ειδικότερα στον χώρο των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Υπάρχει μια πληθώρα πιθανών εφαρμογών για ένα σύστημα αυτομάτου ελέγχου, και αντίστοιχα ιδιαίτερα αυξημένες είναι και οι περιπτώσεις που τα κατανεμημένα συστήματα ελέγχου (Distributed Control Systems, DCS) είναι απαραίτητα. Έχοντας αυτά υπόψη, στόχος της παρούσης εργασίας είναι να παρουσιάσει τα βασικότερα χαρακτηριστικά τέτοιων συστημάτων. Εξάλλου, όπως όλες οι τάσεις καταδεικνύουν, πρόκειται για συστήματα που όχι μόνο χρησιμοποιούνται κατά κόρον, αλλά μάλιστα τείνουν να υλοποιούνται και να εξετάζονται σε όλο και μεγαλύτερο βαθμό. Σε αυτό το πλαίσιο, η δομή της εργασίας είναι η ακόλουθη. Στο επόμενο κεφάλαιο, θα παρουσιαστούν τα βασικά χαρακτηριστικά γενικότερα των συστημάτων ελέγχου. Έτσι, θα γίνει μια σύντομη ιστορική ανασκόπηση, ενώ θα παρουσιαστούν 11
και οι βασικότεροι λόγοι που οδήγησαν στην εισαγωγή των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου στη βιομηχανία. Επίσης, θα γίνει αναφορά στις σύγχρονες τάσεις και προοπτικές σχετικά με τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου, ενώ θα παρουσιαστούν και κάποια στοιχεία για την οικονομική και κοινωνική τους θεώρηση. Εν συνεχεία, στο τρίτο κεφάλαιο θα γίνει εκτενέστερη αναφορά στα συστήματα κατανεμημένου ελέγχου. Πιο συγκεκριμένα, θα γίνει καταρχάς μια αναφορά στα γενικά τους χαρακτηριστικά, ενώ θα παρουσιαστούν οι βασικές μεθοδολογίες ενός κατανεμημένου συστήματος ελέγχου. Εν συνεχεία, θα γίνει αναφορά στον εξοπλισμό πεδίου αλλά και στον ελεγκτικό εξοπλισμό των συστημάτων κατανεμημένου ελέγχου, καθώς και στους τρόπους με τους οποίους είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί η συντήρησή τους. Τέλος, πραγματοποιείται παρουσίαση των πολυπρακτορικών συστημάτων (Multi Agent Systems MAS) τα οποία θεωρούνται συστήματα με πληθώρα εφαρμογών και αποτελούν το μέλλον τέτοιου είδους συστημάτων. Το τέταρτο κεφάλαιο της εργασίας περιλαμβάνει την παρουσίαση των βασικών προβλημάτων, πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων των συστημάτων κατανεμημένου ελέγχου. Η παρουσίαση αυτή γίνεται σε αντιδιαστολή με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά των συστημάτων κεντρικού ελέγχου, ώστε να είναι πιο σαφής. Επίσης, παρουσιάζονται, στα πλαίσια του κεφαλαίου αυτού, οι σημαντικότερες προκλήσεις αναφορικά με την ανάπτυξη και εφαρμογή τέτοιων συστημάτων, ειδικά στον χώρο της βιομηχανίας. Τέλος, αναφέρονται οι βασικότερες μελλοντικές τάσεις σχετικά με τα συστήματα κατανεμημένου ελέγχου, εστιάζοντας 12
περισσότερο στον χώρο της αγοράς και στα αντίστοιχα εργαλεία. Η εργασία ολοκληρώνεται με έναν επίλογο και μια σύνοψη των ανωτέρω. 13
2 Συστήματα ελέγχου Μια σύντομη ανασκόπηση Δεν είναι υπερβολή να πούμε ότι σ ένα μεγάλο βαθμό η αυτοματοποίηση με την μια ή την άλλη μορφή έχει εισβάλλει στη ζωή μας και όπως διαφαίνεται, στο μέλλον θα κυριαρχεί όλο και περισσότερο. Το αυτόματο πλυντήριο, η αυτόματη κουζίνα, η αυτοματοποιημένη κεντρική θέρμανση είναι μόνο λίγα από τα παραδείγματα αυτοματοποιημένων συστημάτων που βρίσκονται ήδη στη διάθεση του μέσου ανθρώπου. Από την άλλη μεριά η αυτοματοποίηση στις γραμμές παραγωγής των εργοστασίων συντελεί στη συνεχή μείωση του κόστους των καταναλωτικών προϊόντων με παράλληλη βελτίωση της ποιότητας τους. Αυτοκίνητα, ηλεκτρικέςηλεκτρονικές συσκευές, υπολογιστές παράγονται σε πλήρως αυτοματοποιημένες γραμμές και κατακλύζουν τις αγορές του κόσμου. Και βέβαια ας μην λησμονηθεί η καταλυτική σπουδαιότητα του αυτόματου ελέγχου σε τομείς της επιστήμης και της τεχνολογίας όπως: Αεροδιαστημική Αυτόματη πλοήγηση αεροσκαφών-υποβρυχίων Αυτόματος έλεγχος πυρηνικών εργοστασίων Έξυπνα οπλικά συστήματα Η ταχύτατη εξέλιξη των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου - που σε μεγάλο βαθμό οφείλεται σαφώς στην επανάσταση της μικροηλεκτρονικής και των υπολογιστών - υπόσχεται σήμερα να απαλλάξει τον άνθρωπο από μονότονες 14
εργασίες. Ήδη τα βιομηχανικά ρομπότ αναλαμβάνουν ακούραστα και αδιαμαρτύρητα να εκτελέσουν πολλές τέτοιες εργασίες. Υπάρχει πάντως λανθάνων και ο φόβος ότι η πλατιά εξάπλωση των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου στους χώρους δουλειάς οδηγεί στην ανεργία, έστω και προσωρινά. 15
2.1 Ιστορική Ανασκόπηση Ένα από τα πρώτα συστήματα αυτομάτου ελέγχου που αναφέρονται στην ιστορία είναι ο μηχανισμός που επινόησε ο Ήρωνας ο Αλεξανδρινός για το αυτόματο άνοιγμα των θυρών ενός αρχαίου ναού ([1]). Η διάταξη φαίνεται στο Σχήμα 1 και λειτουργούσε κάπως έτσι: Σχήμα 1: Η διάταξη του πρώτου συστήματος αυτόματου ελέγχου Με το άναμμα της φωτιάς στο βωμό ο αέρας κάτω απ αυτόν θερμαινόμενος διαστέλλεται και πιέζει το νερό από το κλειστό δοχείο να ανέβει στον κουβά. Ο τελευταίος γίνεται βαρύτερος και κατέρχεται ανοίγοντας τις θύρες με τη βοήθεια 16
σχοινιών, παρασύρει δε και ανυψώνει το αντίβαρο. Η διαδικασία εξελίσσεται αντίστροφα όταν σβήσει η φωτιά. Ο αέρας κρυώνει, η πίεση του κλειστού δοχείου μικραίνει και συνεπώς το νερό κυλάει από τον κουβά στο κλειστό δοχείο λόγω βαρύτητας. Ο κουβάς λοιπόν γίνεται ελαφρύτερος οπότε κάποια στιγμή το αντίβαρο αρχίζει να κατεβαίνει κλείνοντας τις πόρτες. Είναι πιθανόν ότι ο όλος μηχανισμός ενεργοποιείτο όταν οι ιερείς άρχιζαν να ανεβαίνουν τα σκαλοπάτια του ναού. Η διάταξη βέβαια δεν ήταν ορατή στους κοινούς θνητούς και έτσι το άνοιγμα αποδίδονταν στους Θεούς. Το πρώτο σύστημα ελέγχου με ανάδραση θεωρείται το υδάτινο ρολόι του Κτησίβιου που κατασκευάστηκε στην Αλεξάνδρεια τον 3ο π.χ. αιώνα. Σχήμα 2: Το πρώτο σύστημα ελέγχου με ανάδραση Στη διάταξη αυτή, που φαίνεται στο Σχήμα. 2 ένα κύριο δοχείο χρησιμεύει για την συγκέντρωση νερού. Αν η ροή προς τη δεξαμενή διατηρείται σταθερή τότε η 17
στάθμη της - κατάλληλα βαθμονομημένη - μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση του χρόνου. Προκειμένου να διατηρήσει τη ροή προς την δεξαμενή σταθερή, ο Κτησίβιος χρησιμοποίησε ένα δεύτερο δοχείο ρύθμισης. Του δοχείου αυτού έλεγχε την στάθμη με την βοήθεια ενός κωνικού πλωτήρα: Όταν η στάθμη κατέρχεται ο πλωτήρας κατερχόμενος αποκαλύπτει περισσότερο το στόμιο και επιτρέπει να περάσει περισσότερο νερό, άρα η στάθμη ξανανεβαίνει. Η σταθερή στάθμη του νερού στο δευτερεύον δοχείο επιβάλλει σταθερή ροή προς το κύριο (η ροή από σταθερό στόμιο δοχείου εξαρτάται μόνο από τη στάθμη του νερού σ αυτό). Ένα μάλλον ογκώδες ρολόι ιδιαίτερα αν συγκριθεί με τα σύγχρονα ηλεκτρονικά! Στο ρολόι του Κτησίβιου συναντάμε την αρχή της ανάδρασης: Η ελεγχόμενη ποσότητα (στάθμη του βοηθητικού δοχείου) ανατροφοδοτείται (επηρεάζει) στην είσοδο του συστήματος που είναι η ροή του νερού προς αυτό. Κατά καιρούς εμφανίστηκαν και άλλα πρωτόγονα συστήματα αυτομάτου ελέγχου. Το πρώτο όμως που βρήκε (και βρίσκει) ευρεία χρήση, θεωρείται ο φυγοκεντρικός ρυθμιστής ταχύτητας που εφευρέθηκε το 1788 από τον James Watt για τον έλεγχο ταχύτητας των ατμομηχανών. Ο μηχανισμός παρακολουθεί βασικά την περιστροφική ταχύτητα της μηχανής με τη βοήθεια στρεφομένων (από τον άξονα της μηχανής) σφαιριδίων. Μείωση της ταχύτητας περιστροφής της μηχανής - λόγω π.χ. αυξημένου φορτίου - συνεπάγεται πτώση των σφαιριδίων που μέσω του υδραυλικού μηχανισμού οδηγεί στο άνοιγμα της βαλβίδας ατμού. Η αύξηση της παροχής του ατμού επαναφέρει την ταχύτητα στα προηγούμενα επίπεδα. Ακριβώς το αντίστροφο συμβαίνει όταν η μηχανή τείνει να αυξήσει τις στροφές της. Το όλο σύστημα επειδή παρουσιάζει αρκετό ενδιαφέρον θα αναλυθεί στο σχετικό κεφάλαιο. 18
Ο ρυθμιστής του Watt, εξελιγμένος φυσικά, χρησιμοποιείται ακόμη και σήμερα για την ρύθμιση στροφών μοντέρνων στροβιλομηχανών. Το σύστημα είναι ενδιαφέρον από άποψη ευστάθειας, και μόνο το 1868 ο Maxwell το μελέτησε αναλυτικά. Ισχυρή ώθηση δόθηκε στον Αυτόματο Έλεγχο κατά τη διάρκεια του 2ου Παγκοσμίου Πολέμου. Τότε η επιτακτική ανάγκη για τους εμπόλεμους να κατασκευάζουν συνεχώς τελειότερα όπλα, οδήγησε στην κατασκευή αυτομάτων συστημάτων σκόπευσης πυροβόλων, συστημάτων αυτόματης κατεύθυνσης κεραιών radar, συστημάτων αυτόματης πλοήγησης αεροσκαφών και υποβρυχίων. Δυστυχώς για μια ακόμη φορά ο Ηράκλειτος επαληθεύθηκε: πόλεμος πατήρ πάντων... Ακόμη και σήμερα, μετά τον ψυχρό πόλεμο, μεγάλα ποσά χρημάτων κατευθύνονται στην έρευνα οπλικών συστημάτων. Τουλάχιστον - κάτι είναι και αυτό - μετά κάποια χρονική περίοδο, τα αποτελέσματα των ερευνών στα εργαστήρια της πολεμικής βιομηχανίας κατευθύνονται σε ειρηνικούς σκοπούς... Στη δεκαετία 50-60 εμφανίστηκαν οι αναλογικοί και στη συνεχεία οι ψηφιακοί υπολογιστές. Τα εργαλεία αυτά έχοντας την ικανότητα να μετρούν μεταβλητές και να εκτελούν ταχύτατα υπολογισμούς, έδωσαν τεράστια ώθηση στον αυτόματο έλεγχο. Σήμερα οι ψηφιακοί υπολογιστές έχουν ολοκληρωτικά επικρατήσει των αναλογικών. Εκατομμύρια απ αυτούς είναι εγκατεστημένοι στη βιομηχανία όπου ελέγχουν διεργασίες παρακολουθώντας και ελέγχοντας πλήθος μεταβλητών. Στη ίδια δεκαετία οι ανάγκες της αεροναυπηγικής βιομηχανίας για την κατασκευή εξαρτημάτων αεροσκαφών μεγάλης ακρίβειας οδήγησαν στην ανάπτυξη των αυτόματων εργαλειομηχανών. Έτσι η πολεμική αεροπορία των Η.Π.Α. ανέθεσε 19
στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ) την κατασκευή ηλεκτρονικά οδηγούμενης αυτόματης, προγραμματιζόμενης φρέζας μεγάλης ακρίβειας. Σήμερα χιλιάδες μοντέρνες αυτόματες εργαλειομηχανές (CNC) είναι εγκατεστημένες και λειτουργούν στη βιομηχανία. Αρχές της δεκαετίας του 60 η αμερικάνικη εταιρία UNIMATE κατασκευάζει το πρώτο ρομπότ, που χρησιμοποιείται σαν συγκολλητής σε γραμμή παραγωγής αυτοκινήτων. Σήμερα χιλιάδες βιομηχανικά ρομπότ εργάζονται ακούραστα απαλλάσσοντας ανθρώπους από μονότονες, κουραστικές και ανθυγιεινές εργασίες. 2.2 Λόγοι που οδήγησαν στην εισαγωγή των Συστημάτων Αυτομάτου Έλεγχου στην βιομηχανία Αρχικά τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου μπήκαν στην βιομηχανία λόγω της ανάγκης μείωσης του κόστους παραγωγής - μειώνοντας το κόστος εργατικών και αυξάνοντας τους ρυθμούς παραγωγής. Σε πολλές περιπτώσεις πραγματικά ο αριθμός των εργαζομένων στις γραμμές παραγωγής μειώθηκε δραστικά. Από την άλλη μεριά όμως οι ανάγκες άκρως εξειδικευμένου προσωπικού όπως και το υψηλό κόστος απόκτησης του εξοπλισμού αντισταθμίζουν τα οικονομικά οφέλη από τη μείωση των εργαζομένων. Έτσι σε πολλές περιπτώσεις τα οικονομικά αποτελέσματα δεν ήταν τόσο ικανοποιητικά όσο αναμενόταν. Η ανάγκη περιορισμού των ελαττωματικών προϊόντων που παράγονται σε μια γραμμή παραγωγής είναι ένας άλλος λόγος για την εισαγωγή συστημάτων 20
αυτομάτου ελέγχου. Τα αυτόματα συστήματα λειτουργούν ασταμάτητα και με την ίδια αξιοπιστία, ενώ τα αναπόφευκτα ανθρώπινα λάθη οδηγούν σε αύξηση των ελαττωματικών προϊόντων. Η ανάγκη παραγωγής προϊόντων υψηλής ποιότητας - εντός αυστηρών προδιαγραφών είναι ένας άλλος λόγος που μπορεί από μόνος του να δικαιολογήσει την εγκατάσταση αυτοματοποιημένων συστημάτων. Π.χ. Εξαρτήματα ακριβείας σε μηχανές C.N.C. Πρέπει ακόμη να αναφερθούμε στην ανάγκη αυτοματοποίησης των συστημάτων εκείνων με ιδιαίτερα χαρακτηριστικά: Λειτουργούν εκεί που δεν μπορεί να επέμβει ο άνθρωπος: Στο φεγγάρι, μη επανδρωμένα διαστημόπλοια, βυθούς των ωκεανών ή στο μολυσμένο περιβάλλον ενός πυρηνικού αντιδραστήρα. Εκεί που η διαδικασία ελέγχου είναι πολύ πολύπλοκη έτσι που να μη μπορεί να γίνει από ανθρώπους: Έλεγχος ροής φυσικού αερίου από Σιβηρία προς Ευρώπη. Εκεί όπου ορισμένες ενέργειες ελέγχου είναι πολύ κρίσιμες για να αφεθούν στις ικανότητες ενός ανθρώπου: Μοντέρνα συστήματα πλοήγησης αεροσκαφών. Οποιοσδήποτε κι αν είναι ο λόγος αυτοματοποίησης μιας διαδικασίας, αποφασιστικό ρόλο παίζει το κόστος. Πρόσφατες τεχνολογικές εξελίξεις οδηγούν στη δραστική μείωση του κόστους απόκτησης μονάδων συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Αναφερόμαστε κυρίως στην εντυπωσιακή μείωση του κόστους μικροϋπολογιστών με την παράλληλη αύξηση των δυνατοτήτων τους. 21
Τα παραπάνω δικαιολογούν τον ισχυρισμό ότι η τεχνολογία του αυτομάτου ελέγχου είναι ένας τομέας ταχύτατα εξελισσόμενος. Η μεγάλη πλειοψηφία των συστημάτων παραγωγής που σχεδιάζονται και εγκαθίστανται σήμερα είναι είτε εξ αρχής πλήρως αυτοματοποιημένα είτε έτσι σχεδιασμένα που μπορούν να αυτοματοποιηθούν εύκολα. 2.3 Σύγχρονες Τάσεις Προοπτικές Οι εντυπωσιακές εξελίξεις της μικροηλεκτρονικής συμβάλλουν σήμερα στο να αναπτύσσονται τα συστήματα αυτομάτου ελέγχου με ραγδαίους ρυθμούς. Αναφερόμαστε κυρίως στα παρακάτω: Μικροεπεξεργαστές και μικροϋπολογιστικά συστήματα, που αποτελούν το "μυαλό" κάθε μοντέρνου συστήματος ελέγχου, παράγονται μαζικά. Οι τιμές τους όπως και οι διαστάσεις τους μικραίνουν ενώ οι δυνατότητες τους από άποψη υπολογιστικής και αποθηκευτικής ικανότητας ολοένα αυξάνονται. Η αγορά των ηλεκτρονικών κατακλύζεται από λογής - λογής φθηνά αισθητήρια (sensors) που αποτελούν απαραίτητες λειτουργικές μονάδες κάθε αυτομάτου συστήματος ελέγχου: Αισθητήρια θέσης, ταχύτητας, επιτάχυνσης, δύναμης, πίεσης, ροής, στάθμης, θερμοκρασίας, ακτινοβολίας. Ελάχιστα σε διαστάσεις και με τιμές ολοένα και πιο προσιτές. Οι επενεργητές (actuators), με τη βοήθεια των οποίων έχομε τη δυνατότητα να επέμβουμε και να ελέγξομε διαδικασίες, παράγονται και αυτοί μαζικά και 22
τελειοποιούνται συνεχώς: Υδραυλικοί και πνευματικοί επενεργητές αλλά και ηλεκτρικοί σερβοκινητήρες συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος. Τα επιτεύγματα και οι εξελίξεις στην τεχνολογία των λειτουργικών τμημάτων των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου, συμβάλλει στο να αναπτύσσονται σήμερα αξιοζήλευτα συστήματα. - Έλεγχος διεργασιών: Οι Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (Programmable Logical Controllers, PLCs) έχουν την δυνατότητα να ελέγξουν τις πλέον πολύπλοκες διαδικασίες μετρώντας χιλιάδες μεταβλητών και ελέγχοντας συνακόλουθα. - Ρομποτική: Το βιομηχανικό ρομπότ είναι η αιχμή του δόρατος της νέας τεχνολογίας. Προγραμματίζεται και χρησιμοποιείται για να κάνει μονότονα επαναλαμβανόμενες εργασίες, αλλά οι δυνατότητες του συνεχώς αυξάνονται και οι ερευνητικές προσπάθειες στρέφονται στο να το κάνουν ικανό να αισθάνεται το περιβάλλον: Με τεχνητή όραση και τεχνητή νοημοσύνη, ώστε να μπορεί να αντιδρά σε απρόβλεπτες μεταβολές. - Αυτόματες Προγραμματιζόμενες Εργαλειομηχανές (CNC: Computer Numerical Control Machines): Τεχνολογία περίπου ίδια μ' εκείνη του ρομπότ, εξαπλώνεται όλο και σε περισσότερες μηχανές με σκοπό να τις κάνει προγραμματιζόμενες, άρα ευέλικτες. Εκτός από τις κλασικές εργαλειομηχανές μια σειρά από άλλες σχεδιάζονται και κατασκευάζονται με την παραπάνω τεχνολογία: Μηχανές κοπής μετάλλων, μηχανές για την αυτόματη συναρμολόγηση ηλεκτρονικών πλακετών. 23
Τα επιτεύγματα στη τεχνολογία των επικοινωνιών μεταξύ υπολογιστικών συστημάτων συμβάλλει στη προσπάθεια διασύνδεσης των επί μέρους συστημάτων είτε μεταξύ τους είτε με άλλα. Φανταστείτε μερικές αυτόματες εργαλειομηχανές και ένα σύστημα (πιθανόν ένα βιομηχανικό ρομπότ) για τη μεταφορά των προς επεξεργασία εξαρτημάτων από την μια μηχανή στην άλλη. Φανταστείτε ακόμη ένα κεντρικό υπολογιστή που αναλαμβάνει να εποπτεύει το όλο σύστημα, "μιλώντας" και δίνοντας οδηγίες στους ελεγκτές (υπολογιστές και αυτοί) των διαφόρων μηχανών. Τότε, έχετε ένα όπως ονομάζεται ευέλικτο κατασκευαστικό κελί (ή σύστημα) παραγωγής (Flexible Manufacturign System, FMS). Σ' ένα τέτοιο σύστημα μπορούν να παραχθούν διάφορα εξαρτήματα, που η περιγραφή (γεωμετρία) τους είναι αποθηκευμένη στον κεντρικό υπολογιστή, μάλιστα δε όποτε αυτά χρειάζονται και όσα χρειάζονται. Ένα σκαλοπάτι παραπάνω στην ολοκλήρωση των συστημάτων αποτελεί η διασύνδεση τους σε επίπεδο εργοστασίου. Με τη βοήθεια ενός τοπικού δικτύου επικοινωνιών (Local Area Network, LAN), οι εποπτεύοντες των διαφόρων FMS υπολογιστές, "μιλούν" μεταξύ τους ανταλλάσσοντας πληροφορίες, αλλά και καθοδηγούνται αλλά και ενημερώνουν τον κεντρικό πλέον υπολογιστή του συστήματος παραγωγής. Μιλάμε πλέον βέβαια για Ολοκληρωμένες Διαδικασίες Παραγωγής με τη βοήθεια του Υπολογιστή (Computer Intergrated Manufacturign, CIM). Τέτοια συστήματα υπάρχουν ήδη και λειτουργούν. Ερευνητικά προγράμματα σε Ιαπωνία, ΗΠΑ άλλα και Ευρώπη έχουν αρχίσει ήδη με στόχο την κατασκευή εργοστασίου που θα λειτουργεί χωρίς ούτε έναν 24
άνθρωπο. Αν και προς το παρόν φαίνεται πολύ μακρινό, τίποτα δεν μπορεί να αποκλεισθεί και ήδη υπάρχουν τέτοια πρότυπα εργοστάσια. 2.4 Οικονομική Κοινωνική θεώρηση Ποιες είναι οι συνέπειες των παραπάνω τεχνολογικών εξελίξεων για την κοινωνία; Επίδραση στη "φύση" της εργασίας Ο άνθρωπος αποσύρεται σταδιακά από τη χειρονακτική εργασία, που θα εκτελείται πλέον από "έξυπνες" προγραμματιζόμενες μηχανές. Δεν θα κουράζεται πλέον σωματικά αλλά θα εξακολουθεί να υπάρχει πνευματική κόπωση. Οι μονότονες δουλειές θα αναλαμβάνονται από τις μηχανές και οι άνθρωποι θα είναι ελεύθεροι να ασχολούνται με πιο δημιουργικές εργασίες που θα τον κάνουν πιο αποτελεσματικό και θα του αφήνουν χρόνο για νέες ανακαλύψεις. Κάποια προβλήματα όμως διαφαίνονται ήδη στον ορίζοντα: Θα υπάρξουν αρκετοί ειδικευμένοι άνθρωποι που θα είναι σε θέση να χειριστούν τα όλο και πιο πολύπλοκα αυτόματα συστήματα παραγωγής; Είναι πιθανόν ότι σύντομα θα κατακλυστούμε από τέτοια συστήματα αλλά δεν θα έχομε αρκετούς ειδικούς γι αυτά. Έκθεση επιτροπής της Ευρωπαϊκής Ένωσης που δημοσιεύθηκε το 1995, αναφέρει ότι υπάρχουν και θα υπάρξουν ελλείψεις υψηλά καταρτισμένων τεχνικών στελεχών στους τομείς των νέων τεχνολογιών και συστημάτων παραγωγής. Ήδη γίνεται λόγος για μια τεχνολογική ελίτ που θα σχεδιάζει και θα εποπτεύει τις νέες αυτοματοποιημένες διαδικασίες παραγωγής. 25
Από την άλλη μεριά όμως χάνονται συνεχώς θέσεις εργασίας ανειδίκευτου προσωπικού. Αναμφισβήτητα πολλά επαγγέλματα περνούν κρίση. Σκεφτείτε τους τορναδόρους για παράδειγμα. Εδώ η ιδέα κλειδί είναι η συνεχής μετεκπαίδευση στις νέες τεχνολογίες. Παρόλα αυτά, η τεχνολογική ανεργία όπως ονομάζεται απειλεί σοβαρά ένα μεγάλο μέρος των εργαζομένων και αυτό φαίνεται να συνειδητοποιείται σιγά - σιγά παγκοσμίως. Φαίνεται οξύμωρο αλλά αυτό που οραματίσθηκαν κάποιοι ρομαντικοί της τεχνολογίας κάποτε: ένα κόσμο δηλαδή στον οποίο οι μηχανές θα δουλεύουν και οι άνθρωποι θα έχουν αρκετό ελεύθερο χρόνο για να φιλοσοφούν, να παίζουν και να ερωτεύονται, αυτό δηλαδή που σήμερα θα μπορούσε να συμβαίνει λόγω της τεχνολογικής έκρηξης, φαντάζει ακόμη μακρινό. Αντίθετα, για εκατομμύρια εργαζόμενους των οποίων η εργασία απειλείται, οι νέες τεχνολογίες ακούγονται σαν εφιάλτης. Η λύση δεν μπορεί να είναι άλλη από τη μείωση των ωρών εργασίας και φαίνεται πως αυτό αρχίζει να γίνεται συνείδηση σε Ευρώπη, Αμερική και Ιαπωνία [2]. Απαιτείται σίγουρα για κάτι τέτοιο συναίνεση σε παγκόσμιο επίπεδο, αφού οι αγορές είναι πλέον εντελώς διεθνοποιημένες και κάθε χώρα προβάλλει το επιχείρημα της ανταγωνιστικότητας των προϊόντων της. Η συναίνεση αυτή δεν είναι και τόσο εύκολη υπόθεση ασφαλώς. Φαίνεται και πάλι παρανοϊκό, αλλά λόγω ακριβώς της περίφημης αυτής ανταγωνιστικότητας, οι έχοντες εργασία δουλεύουν σκληρότερα για να την διατηρήσουν και να παράγουν όλο και περισσότερα και φτηνότερα προϊόντα - πολλά από τα οποία παντελώς άχρηστα για τις πραγματικές μας ανάγκες - ενώ κάποιοι άλλοι συσσωρεύονται στις λίστες των ανέργων. 26
Το πρώτο βήμα για μια κάποια λύση: η συνειδητοποίηση δηλαδή της τεράστιας αντίφασης φαίνεται να έχει γίνει. Μένει να δούμε αν θα παρθούν οι σωστές αποφάσεις, έτσι ώστε η (νέα) τεχνολογία και οι τεράστιες παραγωγικές δυνατότητες που προσφέρει, να γίνουν ευλογία και όχι κατάρα. 27
3 Κατανεμημένα συστήματα ελέγχου 3.1 Ο όρος «κατανεμημένα» Γενικά για κατανεμημένα συστήματα Η έννοια της «κατανομής», λειτουργιών ή δραστηριοτήτων, προέρχεται από την τεχνολογία των υπολογιστών. Τα υπολογιστικά συστήματα τυπικά ρυθμίζονται χρησιμοποιώντας έναν από τέσσερις διαφορετικούς τύπους οργάνωσης [34]. Το σύστημα θα πρέπει να έχει μία πολύ μεγάλη κεντρική μηχανή (όπως μια κεντρική μονάδα) με ευφυή τερματικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσπελαστούν δεδομένα ή λειτουργίες σε αυτή την μηχανή. Αφού οι περισσότερες εταιρείες και πανεπιστήμια χρησιμοποίησαν αυτή την οργάνωση κατά τη διάρκεια της δεκαετίας 1970 και 1980, η χρήση της κεντρικής επεξεργασίας έχει μειωθεί δραματικά. Μια εναλλακτική προσέγγιση για την κεντρική επεξεργασία είναι αυτή της ολοκληρωτικής αποκέντρωσης της επεξεργασίας, όπου ένας μεγάλος αριθμός μικρών μονάδων (όπως επιτραπέζιες μηχανές) επιτελούν ανεξάρτητες λειτουργίες με πολύ μικρή διάδραση. Αυτό παρέχει μεγάλη ευελιξία για ανεξάρτητους χρήστες, αλλά κάνει την κοινή χρήση δεδομένων δύσκολη. Μια τρίτη πιθανή οργάνωση είναι ιεραρχική, όπου ενσωματωμένες σχετικά όμοιες μικρής κλίμακας μονάδες μέσω μιας κεντρικής μηχανής, που συχνά καλείται server, επιτελούν πολλές λειτουργίες υψηλού επιπέδου. Αυτή η οργάνωση επιτελείται συχνά σε υπολογιστικά συγκροτήματα πανεπιστημίων. Επίσης χρησιμοποιείται σε εφαρμογές Web όπου ο Web server είναι 28
η κεντρική μηχανή και πελάτες είναι οι απομακρυσμένες μηχανές που συνδέονται στον Web server για να προσπελάσουν δεδομένα. Ο τέταρτος τρόπος οργάνωσης για υπολογιστικά συστήματα είναι κατανεμητικός. Κάθε υπολογιστής επιτελεί λειτουργίες ζωτικές για την συνολική λειτουργία και ενσωματώνεται με τις άλλες μηχανές του συστήματος. Διαφοροποιείται από την αποκεντρωμένη διαδικασία στην οποία οι μηχανές είναι περισσότερο στενά συνδεμένες σε ολοκληρωμένες εργασίες υψηλού επιπέδου. Είναι μια εξομαλυντική αρχιτεκτονική όπου η ιεραρχία από τις λειτουργίες επιτελείται από ανεξάρτητους επεξεργαστές και όχι από μια κεντρική μηχανή υψηλού επιπέδου. Η κατανεμημένη επεξεργασία μπορεί να θεωρηθεί σαν μια μορφή παράλληλης επεξεργασίας, εκτός της επεξεργασίας που μπορεί να κατανεμηθεί σε ξεχωριστούς υπολογιστές, όχι απλά σε ξεχωριστούς επεξεργαστές. Ένα παράδειγμα από τον επιχειρηματικό κόσμο είναι αυτό στο οποίο μια επιχείρηση έχει έναν μεγάλης κλίμακας υπολογιστή για το marketing, έναν για απογραφή (συμπεριλαμβανομένης μεταφοράς και λήψης) και έναν για την λογιστική. Ασφαλώς, όλες αυτές οι μηχανές πρέπει να επιτελέσουν διαφορετικές λειτουργίες και ακόμα πρέπει να είναι ενωμένες για να μοιράζονται δεδομένα. Ένας πελάτης που βάζει μια παραγγελία στο σύστημα δεν αντιλαμβάνεται ότι χρησιμοποιεί τρεις διαφορετικούς υπολογιστές που δουλεύουν μαζί για να εκτελέσουν την παραγγελία. Η υπολογιστική κατανομή είναι πιο δυναμική από την χρήση κεντρικής ή ιεραρχικής αρχιτεκτονικής αφού μια μηχανή μπορεί να καταρρεύσει χωρίς να αναστατώσει τις λειτουργίες που επιτελούνται σε άλλες μηχανές. Επίσης, μπορούν να εκτελεστούν αναβαθμίσεις με πιο προσαρμοστικό τρόπο και έτσι θα είναι λιγότερο αποδιοργανωτικές και γίνονται σε 29
μικρότερα κομμάτια. Ο κατανεμημένος υπολογισμός έχει κερδίσει την αποδοχή, αρχικά λόγω των πλεονεκτημάτων στην επικοινωνία των δικτύων όπου η μεταφορά δεδομένων γίνεται γρήγορα και αξιόπιστα και λόγω των πλεονεκτημάτων στην δημιουργία υλικολογισμικού, όπου κρύβονται οι χαμηλού επιπέδου λεπτομέρειες σχετικά με τον προγραμματισμό του δικτύου. Ως αποτέλεσμα, οι κατανεμημένες αρχιτεκτονικές είναι πλέον πιο κοινές για υπολογιστικά συστήματα στις επιχειρήσεις, στα πανεπιστήμια και στην κυβέρνηση. Ο κατανεμημένος υπολογισμός είναι επίσης ιδανικός για σύνθετα συστήματα ελέγχου. Αυτά τα συστήματα τυπικά έχουν πολλαπλούς επεξεργαστές, όπου ο κάθε ένας επιτελεί ξεχωριστές λειτουργίες που πρέπει να ολοκληρωθούν. Μπορεί να υπάρχουν πολλαπλοί επεξεργαστές στο ταμπλό του οχήματος: έναν για τα ηλεκτρονικά συστήματα (που περιέχει οδηγούς αισθητήρα και ενεργοποιητή και επεξεργαστή αισθητήρα), έναν για χαμηλού επιπέδου λειτουργία ελέγχου (όπως αύξηση της σταθερότητας) και έναν για υψηλού επιπέδου λειτουργίες ελέγχου (όπως σχεδιασμό τροχιάς και ανίχνευση λαθών). Ο επεξεργαστής ελέγχου της αποστολής τοποθετείται μακριά, είτε στο έδαφος ή σε άλλο όχημα (ίσως στο όχημα ανεφοδιασμού). Οι επεξεργαστές που είναι στο όχημα συνδέονται μέσω μιας LAN, ενώ ο απομακρυσμένος επεξεργαστής συνδέεται μέσω μιας ασύρματης σύνδεσης (όπως Ethernet για κοντινή εμβέλεια ή σειριακά για μεγαλύτερη εμβέλεια). 30
3.2 Βασικά χαρακτηριστικά κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου Τα κατανεμημένα συστήματα ελέγχου (Distributed Control Systems) αποτελούνται από τρία κύρια μέρη: Τα κέντρα ελέγχου (ρύθμισης), τις μονάδες επικοινωνίας ανθρώπου μηχανής (man machine interaction) και το διάδρομο επικοινωνίας (databus) που συνδέει τα μέρη αυτά μεταξύ τους. Σε ανώτερο επίπεδο, υπάρχει ένας επιβλέπων Η/Υ (supervisor) για τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας. Τα κύρια μέρη ενός δικτύου είναι: α) Τοπικούς Ελεγκτές (LocalControllers) ή ελεγκτές πεδίου. Κάθε τοπικός ελεγκτής έχει δυνατότητα να ελέγχει συγχρόνως μερικούς βρόγχους. β) Ψηφιακές συνδέσεις (Data - links) μαζί με τα πρωτόκολλα επικοινωνίας. γ) Τουλάχιστον ένα συντονιστή ή επόπτη ελεγκτή. δ) Μια κεντρική μονάδα απεικόνισης πληροφοριών. 31
Σχήμα 3: Διάγραμμα τοπικού ελεγκτή Οι παράμετροι που πρέπει να προσδιοριστούν κατά τον σχεδιασμό είναι οι ακόλουθοι: Μέγιστος αριθμός βρόχων που μπορεί να κλειστούν. Μέγιστη δυνατή Τ (συχνότητα δειγματοληψίας sampling rate). Τύποι και τιμές σημάτων εισόδου / εξόδου. Βαθμός αυτονομίας του τοπικού ελεγκτή που απαιτείται. Μέθοδος επικοινωνίας τοπικού χειριστή. Βαθμός αυτοδιάγνωσης και αυτοεπισκευής. Βαθμός φιλικότητας για τον χειριστή χωρίς ειδικές γνώσεις (end user). 32
Επίπεδο επικοινωνίας του hardware και software μέσα στον ελεγκτή και μεταξύ άλλων ελεγκτών. Σχήμα 4: Λειτουργικές εντολές τοπικού ελεγκτή Ουσιαστικά, ο όρος κατανεμημένο σύστημα ελέγχου (DCS) αναφέρεται σε ένα σύστημα ελέγχου που αποτελεί μέρος ενός συστήματος μεταποίησης (manufacturing system), μιας διαδικασίας ή ενός άλλου δυναμικού συστήματος, στο οποίο τα στοιχεία ελέγχου δεν είναι γεωγραφικά συγκεντρωμένα αλλά κατανεμημένα, με τα επί μέρους υποσυστήματα να ελέγχονται από έναν ή περισσότερους ελεγκτές. Το όλο σύστημα ελεγκτών συνδέεται μέσω δικτύων. 33
Τα βήματα μετάβασης από συγκεντρωμένα σε κατανεμημένα συστήματα ελέγχου φαίνονται στο παρακάτω σχήμα: Σχήμα 5: Βήματα μετάβασης από συγκεντρωμένα σε κατανεμημένα συστήματα ελέγχου Επίσης, η ιεραρχία των κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου μπορεί να συνοψισθεί στο παρακάτω σχήμα: 34
Σχήμα 6: Ιεραρχία κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου 3.3 Μεθοδολογίες σχεδίασης ενός κατανεμημένου συστήματος ελέγχου εξής: Οι μεθοδολογίες σχεδίασης ενός κατανεμημένου συστήματος ελέγχου είναι οι 1. Αντικειμενοστραφείς 2. Αντικειμενοστραφείς πραγματικού χρόνου 3. Ανάπτυξης 35
4. Πρακτόρων Λογισμικού και μπορούν να συνοψισθούν ως ακολούθως: 3.3.1 Αντικειμενοστραφείς (Object Oriented) Unified Modelling Language UML Ορίζει ένα σύνολο διαγραμμάτων που δείχνουν τις συσχετίσεις μεταξύ των αντικειμένων ενός συστήματος. Τα διαγράμματά της ομαδοποιούνται σε δομικά και συμπεριφορικά. Δομικά διαγράμματα αποτελούν τα διαγράμματα κλάσεων, συνεργασιών, στοιχείων και ανάπτυξης. Τα συμπεριφορικά διαγράμματα περιλαμβάνουν διαγράμματα χρήσης (use case), ακολουθιακά, καταστάσεων και ενεργειών. Rational Unified Process RUP Δίδει βασικές στρατηγικές σχεδίασης για την αντιμετώπιση κινδύνων κατά τη σχεδίαση προερχόμενων από την ύπαρξη σημαντικής ετερογένειας, ακαθορίστων απαιτήσεων ή μεγάλης πολυπλοκότητας. Ευέλικτη (agile) ανάπτυξη Αντλεί τις αρχές της από το «Manifesto of Agile Software Development». Παραδείγματα τέτοιων μεθόδων αποτελούν οι extreme Programming (XP), 36
SCRUM, Feature Driven Development (FDD) Dynamic System Development Method (DSDM) OMG Model Driven Architecture (MDA) Η OMG MDA αποσκοπεί στην εφαρμογή τεχνολογιών μοντελοποίησης προκειμένου να αντιμετωπιστούν μία σειρά θεμάτων, όπως η μεγάλη ετερογένεια πλατφορμών, ο πολλαπλασιασμός των συστατικών στοιχείων ενός συστήματος, η πληθώρα περιβαλλόντων κατανεμημένης υποδομής, κλπ. Αναπτύσσεται ένα μοντέλο UML της εφαρμογής ανεξάρτητο πλατφόρμας (PIM) που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από διαφορετικές ιδίου τύπου πλατφόρμες ανάπτυξης. 3.3.2 Αντικειμενοστραφείς μεθοδολογίες μοντελοποίησης πραγματικού χρόνου ROOM Αντικειμενοστραφής μεθοδολογία για συστήματα πραγματικού χρόνου που αναπτύχθηκε αρχικά από την Bell - Northern Research Βασίζεται στην ιδέα της χρήσης του ιδίου μοντέλου σε όλες τις φάσεις της διαδικασίας ανάπτυξης. 37
Τα μοντέλα ROOM αποτελούνται από actors που επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω πρωτοκόλλων. Υπάρχει ιεραρχική σύνθεση των actors, και οι συμπεριφορές τους περιγράφονται από διαγράμματα ROOM. OCTOPUS H Octopus / UML αποτελεί μία αντικειμενοστραφή μεθοδολογία ανάπτυξης λογισμικού ειδικευμένη σε ενσωματωμένα συστήματα πραγματικού χρόνου, που έχει αναπτυχθεί και υποστηρίζεται από τη Nokia. Ο στόχος της μεθόδου είναι η δημιουργία μοντέλων που επεξεργάζονται λεπτομερειακώς θέματα όπως: Κλάσεις και αντικείμενα, δομή, συμπεριφορά και σκοπό αυτών των αντικειμένων και κλάσεων, δομή και δυναμική των σχέσεων μεταξύ αντικειμένων, δομικές συσχετίσεις μεταξύ κλάσεων και την ομαλή μετάβαση από αντικείμενα και κλάσεις σε έργα και διαδικασίες. ROPES Η ROPES έχει αρχικά αναπτυχθεί από την Bruce Powel Douglass και υποστηρίζεται από ένα πολύ ώριμο εργαλείο σχεδίασης: Rhapsody της I-Logix. Το εν λόγω σχεδιαστικό εργαλείο αφορά στην ικανοποίηση των προδιαγραφών τους. Αυτές 38
περιλαμβάνουν λογικές απαιτήσεις (τι θα έπρεπε να κάνει), απαιτήσεις ανάπτυξης (πώς θα το κάνει) και απαιτήσεις λειτουργίας (πόσο γρήγορα πρέπει να το κάνει). 3.3.3 Μεθοδολογίες ανάπτυξης κατανεμημένων συστημάτων ελέγχου IEC 61499 Η IEC 61499 ορίζει την αρχιτεκτονική και το μοντέλο συναρτήσεων (Function Block -FB) για συστήματα κατανεμημένου ελέγχου. Ορίζει τα FB ως το βασικό δομικό στοιχείο για τον ορισμό εφαρμογών μέσω ενός Function Block Diagram (FBD). Παρέχει πιο ισχυρούς μηχανισμούς από το πρότυπο IEC 61131-3 όσον αφορά σε θέματα επικοινωνιών και θέματα πραγματικού χρόνου, που είναι σημαντικά για βιομηχανικά συστήματα. Διάφορα επίπεδα αφαιρετικότητος υποστηρίζονται μέσω Σύνθετων FB, ενώ η XML αποτελεί την πρότυπη περιγραφή των FB. Ο αλγόριθμος εκτέλεσης ελέγχου του FB περιγράφεται από το Execution Control Chart (ECC), ενώ μπορεί να εκτελείται σε ολοκληρωμένο κώδικα (π.χ. Java, C, κλπ). Το IEC 61499 παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα. 39
Σχήμα 7: Το IEC 61449 IDA Architecture Model Το IDA Application Model βασίζεται στην αρχιτεκτονική αναφοράς του IEC61499, με στόχο την παραγωγή κανόνων για τη δημιουργία μιας κοινής μορφής δεδομένων για συστήματα διαφορετικών κατασκευαστών. PROFInet Engineering Model Πρόταση του Profibus User Organization για να επιτευχθεί ανοικτή κατανεμημένη αυτοματοποίηση. Υιοθετεί τα πρωτόκολλα Ethernet, TCP/IP, και DCOM. 40
TORERO Οι λειτουργίες ελέγχου κατανέμονται σε στοιχειώδεις συσκευές που έχουν την κατάλληλη αρχιτεκτονική για να το υποστηρίξουν - TORERO Devices (TDs). Η βασική ιδέα του TORERO αφορά στην κατανομή του ελέγχου υψηλού επιπέδου και στην υλοποίηση ελέγχου χαμηλού επιπέδου. 3.3.4 Μεθοδολογίες πρακτόρων (Agent) λογισμικού GAIA Η Gaia αποτελεί μεθοδολογία η οποία έχει σχεδιαστεί αποκλειστικά για την ανάλυση και σχεδίαση συστημάτων βασισμένων σε πράκτορες λογισμικού. Κατανεμημένα βιομηχανικά συστήματα μεγάλης κλίμακας, αυξημένης πολυπλοκότητας και ετερογένειας, αποτελούν το πεδίο εφαρμογής της μεθοδολογίας. Η εφαρμογή της μεθοδολογίας θεωρεί τους πράκτορες λογισμικού καλά ορισμένα υπολογιστικά συστήματα που κάνουν χρήση υπολογιστικών πόρων. Prometheus Ο Prometheus αποτελεί μία μεθοδολογία για την ανάπτυξη συστημάτων ευφυών πρακτόρων. 41
Ορίζει μία γλώσσα μοντελοποίησης που είναι γενική σε αρχιτεκτονικές και περιβάλλοντα ανάπτυξης πολύ πρακτορικών συστημάτων. FIPA AUML Η FIPA AUML αποτελεί μία ενοποιημένη πρότυπη γλώσσα μοντελοποίησης για συστήματα πρακτόρων. 42
3.4 Εξοπλισμός πεδίου και ελεγκτικός εξοπλισμός ενός κατανεμημένου συστήματος από τα εξής: Ο κύκλος ζωής ενός κατανεμημένου συστήματος αποτελείται κατά κύριο λόγο Σχεδίαση Παραγωγή Υλοποίηση Λειτουργία Συντήρηση Ανακαθορισμός Θέση εκτός Λειτουργίας Αυτά συνοψίζονται και στο παρακάτω διάγραμμα. 43
Σχήμα 8: Κύκλος ζωής κατανεμημένου συστήματος 3.4.1 Συμπεριφορά εντός κατανεμημένων συστημάτων Δυνατότητες δικτύωσης και υπολογιστικές δυνατότητες για δυναμικό ανακαθορισμό / συντήρηση με μειωμένο κόστος. Δυνατότητες Plug n - Play Ανακάλυψη μιας συσκευής Φόρτωση δεδομένων Επικοινωνία με το περιβάλλον της 44
Εύκολη ολοκλήρωση συσκευών Διαδικτυακή επικοινωνία Τηλε υπηρεσίες συντήρησης / ανακαθορισμού Τηλε - διαγνωστική Επικαιροποίηση λογισμικού 3.4.2 Υλικό ελέγχου κατανεμημένων συστημάτων Το υλικό ελέγχου ενός κατανεμημένου συστήματος μπορεί να είναι: Βιομηχανικοί Υπολογιστές (IPC) Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC) Μικροελεγκτές Αριθμητικοί Ελεγκτές (CNC) Ελεγκτές Κίνησης Οι Βιομηχανικοί Υπολογιστές (IPC) έχουν τα εξής χαρακτηριστικά: Ανεξαρτησία από προμηθευτές Προηγμένη διεπαφή ανθρώπου μηχανής (HMI) Έλεγχος (Soft-PLC) 45
Τμηματικότητα Διαδικτυακές δυνατότητες Λειτουργικά συστήματα: σύγχρονα συστήματα επεξεργασίας πραγματικού χρόνου όπως VxWorks (Wind River Systems) και Linux RTAI εκτός από Windows (NT, XP, CE) και Linux. Οι Προγραμματιζόμενοι Λογικοί Ελεγκτές (PLC) χαρακτηρίζονται από: Διασύνδεση με αισθητές, ενεργοποιητές, μηχανές, ελεγκτές ταχύτητας και συστήματα οδήγησης (drive) Δυνατότητα διασύνδεσής τους με πακέτα HMI Δικτύωση μέσω ειδικών πρωτοκόλλων Βασίζονται συχνά σε RISC και σχεδιάζονται ώστε να ικανοποιούν απαιτήσεις βιομηχανικών περιβαλλόντων πραγματικού χρόνου Εισαγωγή της γλώσσας Java και εκμετάλλευση των δυνατοτήτων της για στόχους αυτοματοποίησης JavaPLC βασισμένα στο Snap ή το μικροεπεξεργαστή ajile Χρήση εικονικής μηχανής Java (JVM), ώστε να είναι δυνατή η απευθείας διερμηνεία κώδικα Java και η εγγύηση απαιτήσεων πραγματικού χρόνου. Αναφορικά με τους Μικροελεγκτές, μπορούμε να πούμε ότι υλικό ελέγχου τελευταίας γενιάς βασίζεται σε τεχνολογίες μικροεπεξεργαστών και την ιδέα των ενσωματωμένων συστημάτων, στα οποία τα μηχανικά, ηλεκτρικά και υπολογιστικά 46
μέρη ολοκληρώνονται σε μία μόνο συσκευή με δυνατότητες υλοποίησης μιας σειράς από λειτουργικότητες για λογικό έλεγχο, διαγνωστικά, καθορισμό κλπ. Σχετικά με τους CNC, ισχύουν συνοπτικά τα παρακάτω: Οι αριθμητικοί ελεγκτές (NC) αποτέλεσαν τους προγόνους των σημερινών υπολογιστικών αριθμητικών ελεγκτών (CNC), με στόχο τον έλεγχο των εργαλειομηχανών και των διεργασιών εργαλείων για τις οποίες σχεδιάστηκαν. Μια CNC εργαλειομηχανή αποτελεί το σερβο-ενεργοποιητή της τεχνολογίας CAD / CAM (Computer Assisted Design/Computer Assisted Manufacturing). Από ένα αρχείο CAD δημιουργείται ένα σύνολο οδηγιών, το «πρόγραμμα» συνήθως σε ASCII κείμενο, το οποίο μεταφέρεται στη μνήμη του CNC προς εκτέλεση. Τέλος, για τους Ελεγκτές Κίνησης ισχύουν τα εξής: Το τυπικό έργο των ελεγκτών κίνησης είναι η συνεχής μετακίνηση προϊόντων και εξοπλισμού από σημείο σε σημείο στο βιομηχανικό περιβάλλον. Οι ανάγκες επίτευξης της κίνησης με ακρίβεια, ταχύτητα και συγχρονισμό, δημιουργούν αυξημένες απαιτήσεις αξιοπιστίας. Το υλικό των ελεγκτών κίνησης πρέπει να ολοκληρωθεί με τα σερβοσυστήματα που ελέγχουν, τους επιταχυντές, τους σερβοκινητήρες και τις συσκευές ανατροφοδότησης. 47
Αν και η βασική εστίαση των ελεγκτών κίνησης είναι σε συσκευές θέσης, πρέπει επίσης να υπάρξει έλεγχος έναυσης παύσης και η υποστήριξη συσκευών ασφαλείας των χειριστών. Έτσι υιοθετούνται λύσεις που είναι δοκιμασμένες επιτυχώς σε PLC και αφορούν σε ολοκλήρωση εισόδων / εξόδων και υποστήριξη αρχιτεκτονικών ελέγχου. Οι λύσεις αυτές είναι κοινές ιδιαιτέρως για έλεγχο πολύπλοκων ρομποτικών κινήσεων. του οποίου είναι: Ακόμη, θα πρέπει να αναφερθεί και ο προγραμματισμός, τα βασικά στοιχεία Προγραμματισμός βάσει ιδιοκτησιακών γλωσσών Ορισμένα πρότυπα σημαντικής αποδοχής είναι τα: Το πρότυπο IEC61131 γνωρίζει σημαντική αποδοχή ως κοινή γλώσσα προγραμματισμού για PLC. Το πρότυπο IEC61499 έχει αναδυθεί ως πρότυπο σημαντικής αποδοχής κατά τα τελευταία έτη. Οι γλώσσες C και Java θεωρούνται επίσης πιθανές γλώσσες προγραμματισμού πεδίου από τους προμηθευτές PLC. Η χρήση γλωσσών προγραμματισμού υψηλού επιπέδου στην αυτοματοποίηση επίσης αυξάνεται λόγω της αύξησης χρήσης IPC. αποδοχής. Όσον αφορά σε CNC το πρότυπο ISO9001 παρέχει μια γλώσσα μεγάλης 48
3.5 Συντήρηση ενός κατανεμημένου συστήματος ελέγχου Τα διαφορετικά σενάρια συντήρησης για ένα κατανεμημένο σύστημα ελέγχου, είναι τα παρακάτω: Κεντρικοποιημένες προσεγγίσεις: Η προσέγγιση TORERO Κεντρικό εργαλείο - TORERO Integrated Development Environment (TIDE) είναι δυνατό να παρέχει δυνατότητες επανακαθορισμού των βασικών συναρτήσεων των συσκευών αλλά και της εφαρμογής ελέγχου, αξιοποιώντας τις διαδικτυακά παρεχόμενες υπηρεσίες των προμηθευτών τους. JNLP και Java Web Start Το JNLP αναπτύχθηκε από τη Sun (Java Specification Request (JSR)) με τη Java Community Process (JCP) ως ένα ταχύς και εύκολος τρόπος να αναπτυχθούν και να αυτοεπικαιροποιηθούν thick clients, ενέργεια που βοηθάει στην κάλυψη πολλών προβλημάτων με applets και thin-browser clients. Το Java Web Start επιτρέπει την εύκολη εγκατάσταση και καθορισμό εφαρμογών μέσω φυλλομετρητή. Η μόνη ενέργεια του χρήστη είναι η φόρτωση ενός Java Web Start client. Δυναμικός Ανακαθορισμός Ο δυναμικός ανακαθορισμός έχει τύχει σημαντικής έρευνας, ωστόσο τα αποτελέσματα δεν είναι ακόμη ικανοποιητικά. Πολλές τεχνικές ανακαθορισμού 49
έχουν προταθεί όπως SURF, CONIC, ARGUS, POLYLITH, HADAS, και λοιπά για διαφορετικές πλατφόρμες CORBA, DCOM, JAVA RMI και.net αλλά η πλειοψηφία είναι πολύπλοκες όταν δεν απαιτείται κάποια ιδιαίτερη γλώσσα όπως οι CONIC, ARGUS και POLYLITH. 3.6 Κατανεμημένα συστήματα και προσδιορισμός πραγματικού χρόνου 3.6.1 Γενικά Το κύριο χαρακτηριστικό των συστημάτων πραγματικού χρόνου είναι ότι μπορούν να ανταποκρίνονται σε εξωτερικά ερεθίσματα μέσα σε καθορισμένα αναμενόμενη περίοδο χρόνου. Φτιάχνοντας συστήματα υπολογισμού πραγματικού χρόνου είναι μια πρόκληση λόγω των απαιτήσεων για αξιοπιστία και αποδοτικότητα, καθώς και για προβλεψιμότητα για την διάδραση μεταξύ των μερών. Τα λειτουργικά συστήματα πραγματικού χρόνου (RTOSs) όπως τα QNX και VxWorks προάγουν την τακτική πραγματικού χρόνου σχεδιάζοντας διαδικασίες για να ικανοποιήσουν τον περιορισμό χρόνου που επιβάλλεται από την εφαρμογή. Τα συστήματα ελέγχου είναι ανάμεσα στις πιο απαιτητικές εφαρμογές πραγματικού χρόνου. Υπάρχουν περιορισμοί στον επιτρεπόμενο χρόνο καθυστέρησης στην ανάδραση του βρόγχου (λόγω λανθάνουσας κατάστασης και τρεμούλιασμα στον υπολογισμό και την επικοινωνία), καθώς και η ταχύτητα απόκρισης σε μια εξωτερική εισαγωγή όπως η αλλαγή κλιματολογικών συνθηκών ή η ανίχνευση συνθηκών 50
λάθους. Εάν δεν τηρηθεί ο περιορισμός χρόνου, το σύστημα μπορεί να γίνει ασταθές. Οι διαφορές από εφαρμογές πολυμέσων, για παράδειγμα, όπου ο χρήστης μπορεί στην χειρότερη περίπτωση να εξοργιστεί από την φτωχή ποιότητα μιας μετάδοσης ήχου ή μια σπασμωδική σειρά βίντεο ή κινουμένων σχεδίων. Αυτοί οι αυστηροί χρονικοί περιορισμοί είναι γενικά αμφίβολο να ανταποκριθούν όταν χρησιμοποιούνται σε ένα περιβάλλον πολλαπλών εργασιών. Αυτό το περιβάλλον είναι χρήσιμο στην εφαρμογή ελέγχου πολυσυντελεστών και για την άδεια ταυτόχρονης εκτέλεσης συστατικών σε ένα σύνθετο σύστημα, όπως η επιτρεψιμότητα του μοντέλου ανίχνευσης λάθους να τρέξει ταυτόχρονα με ένα μοντέλο εικονικού ελέγχου. Αφού οι διαδικασίες πολλαπλών εργασιών πρέπει να μοιραστούν χρόνο της CPU, οι αντίστοιχες εργασίες πρέπει να προγραμματιστούν. Τυπικά, τέτοιες διαδικασίες προγραμματίζονται στατικά υπό την προϋπόθεση της περιοδικής λειτουργίας, δηλαδή τ ms ανά υπολογιστικό κύκλο. Σε αυτή τη στρατηγική, ο χρόνος της χειρότερης περίπτωσης εκτέλεσης (WCET) υπολογίζεται για κάθε διαδικασία. Αυτό το ποσό χρόνου κατανέμεται για αυτή τη διαδικασία κατά τον τ ms υπολογιστικό κύκλο (ή πλαίσιο). Αφού το WCET είναι πολύ συντηρητικό, αυτή η στρατηγική μπορεί να έχει επιπτώσεις σε μικρές χρήσεις της CPU, έτσι καταρρέουν οι υπολογιστικές πηγές. Η κλασική τεχνική για στατικό προγραμματισμό πραγματικού χρόνου που χρησιμοποιείται γενικά σε λειτουργικά συστήματα πραγματικού χρόνου είναι προγραμματισμός μονοτονικού ρυθμού (RMS). Είναι τεχνική προγραμματισμού σταθερής προτεραιότητας στην οποία παραχωρείται σε κάθε διαδικασία μια σταθερή προτεραιότητα βασισμένη στο πόσο συχνά αυτή η διαδικασία πρέπει να τρέξει. Στον χρόνο εκτέλεσης, ο στατικός προγραμματισμός 51
πάντα διαλέγει την διαδικασία με την υψηλότερη προτεραιότητα για να τρέξει σε ένα δοσμένο σημείο, αποτρέποντας την εκτελούμενη διαδικασία εάν είναι απαραίτητο. 3.6.2 Λεπτομέρειες για τον προγραμματισμό Ο προγραμματισμός μπορεί να εκτελεστεί βασισμένος σε προκαλούμενα συμβάντα ή σε χρονικές ωθήσεις. Τα προκαλούμενα συμβάντα είναι εξωτερικά ερεθίσματα, όπως εισαγωγή από τον χειριστή, όπου επιφέρει διακοπές οι οποίες ελέγχονται την στιγμή που συμβαίνουν, στηριζόμενες στην προτεραιότητα. Ο ρυθμός του βρόχου μπορεί να ενδυναμωθεί με αυτό τον τρόπο με την χρήση ενός χρονόμετρου που θα καλύπτει περιοδικές διακοπές οι οποίες αντιμετωπίζονται με την δειγματοληψία των δεδομένων του αισθητήρα και υπολογίζοντας το αντίστοιχο σήμα ελέγχου. Η διαδικασία πρέπει να ολοκληρωθεί πριν την επόμενη χρονική διακοπή. Αυτή η χρονική διάρκεια συχνά περιγράφεται σαν πλαίσιο ή σαν υπολογιστικός κύκλος. Άλλες διακοπές, όπως η εισαγωγή από τον χειριστή, μπορεί να συμβούν κατά τη διάρκεια κάποιου πλαισίου και πρέπει να αντιμετωπιστούν με την χρήση προκαθορισμένης λογικής στις προτεραιότητες. Μια εναλλακτική αρχιτεκτονική είναι αυτή που βασίζεται σε χρονικές ωθήσεις παρά σε ωθήσεις από εξωτερικά συμβάντα. Σε αυτή την περίπτωση, το πλαίσιο υποδιαιρείται σε χρονικές περιόδους για να ολοκληρωθούν διαφορετικές εργασίες βάσει του WCET. Οι εργασίες προγραμματίζονται στην αρχή κάθε πλαισίου. Εξωτερικές διακοπές αντιμετωπίζονται περιμένοντας μέχρι την έναρξη ενός πλαισίου και μετά προγραμματίζεται η αντίστοιχη διαδικασία να ολοκληρωθεί κατά την διάρκεια του επόμενου πλαισίου, 52
κάνοντας τη διαδικασία πιο προβλέψιμη από αυτήν που παρήχθη με τις ωθήσεις από συμβάν. Αυτό είναι ένα πλεονέκτημα για περιοδικές διαδικασίες όπως τα συστήματα ελέγχου που έχουν απαιτήσεις απόλυτου συντελεστή. Σε μια σύγκριση αρχιτεκτονικών χρονικά προκαλούμενων με αρχιτεκτονικές προκαλούμενων από συμβάντα, ο Kopetz συμπέρανε ότι οι αρχιτεκτονικές προκαλούμενες από συμβάντα ταιριάζουν καλύτερα σε μη περιοδικές διαδικασίες που απαιτούν ευελιξία στην δομή (π.χ. για να εξυπηρετηθεί επαναρύθμιση του ελέγχου), αν και οι χρονικά ωθούμενες αρχιτεκτονικές ταιριάζουν καλύτερα σε περιοδικές εργασίες που έχουν αυστηρές απαιτήσεις στον ρυθμό τους (συμπεριλαμβάνοντας την πρόβλεψη). Γενικά, οι χρονικά ωθούμενες αρχιτεκτονικές μπορεί να είναι λιγότερο αποτελεσματικές από αυτές που προγραμματίζουν τις διαδικασίες βάσει του WCET. Εντούτοις, εάν υπάρχουν πολλές διακοπές, οι αρχιτεκτονικές ωθούμενες από συμβάντα γίνονται πιο αποτελεσματικές λόγω των προστιθέμενων λειτουργικών που απαιτούνται για τον χειρισμό των διακοπών. Εάν τα συμβάντα είναι πολύ ευαίσθητα σε λανθάνουσα κατάσταση (όπως η διάδραση σε συνθήκες σφάλματος), οι αρχιτεκτονικές ωθούμενες από συμβάντα μπορεί να είναι προτιμότερες. Η εναλλακτική λύση είναι να γίνουν τα πλαίσια σε χρονικά ωθούμενες αρχιτεκτονικές μικρότερα ώστε να μειωθεί ο χρόνος αντίδρασης στις διακοπές, αλλά αυτό μειώνει την αποδοτικότητα λόγω της μεταφοράς στον προγραμματισμό που χρειάζεται στην αρχή κάθε πλαισίου. Για να βελτιωθεί η χρησιμοποίηση του επεξεργαστή, πολλοί ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει δυναμικούς αλγόριθμους προγραμματισμού για χρήση σε συστήματα πραγματικού χρόνου. Ο δυναμικός προγραμματισμός επιτρέπει τις αλλαγές κατά τον χρόνο εκτέλεσης σε αρχιτεκτονικές συστημάτων ελέγχου ενώ 53
διατηρεί την λειτουργία σε πραγματικό χρόνο. Εάν δεν χρησιμοποιείται ένα έτοιμο πρόγραμμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί υψηλότερη χρήση των πηγών όταν χρησιμοποιούνται μη περιοδικές εργασίες. Αφού ο δυναμικός προγραμματισμός είναι κοινός σε επιτραπέζιες μηχανές, οι περιορισμοί συγχρονισμού για συστήματα πραγματικού χρόνου είναι πιο προκλητικοί. Η έννοια της ποιότητας υπηρεσιών (QoS) έχει καθιερωθεί από τις επικοινωνίες δικτύου και εφαρμόζεται στον δυναμικό προγραμματισμό για συστήματα πραγματικού χρόνου. Σε αυτή την εφαρμογή, οι απαιτήσεις των πηγών QoS καθορίζονται για κάθε εργασία. Αυτές τυπικά περιλαμβάνουν παραμέτρους όπως ενημέρωση του ρυθμού για διαφορετικά σήματα, προτεραιότητες σε περίπτωση δύο συμβάντων που συμβαίνουν ταυτόχρονα (όπως μια σήμανση συμβάντος λάθους έχει υψηλότερη προτεραιότητα από ένα σήμα ενημέρωσης εικονικού ελέγχου), WCET και τυπικό χρόνο εκτέλεσης (π.χ. το ποσό του χρόνου που συνήθως λαμβάνει μια εργασία). Ο αλγόριθμος δυναμικού προγραμματισμού χρησιμοποιεί αυτές τις παραμέτρους για να καθορίσει την σειρά με την οποία να αρχίσει τις εργασίες έτσι ώστε να έχουν τις υπολογιστικές πηγές που χρειάζονται για να ολοκληρωθούν μέσα στον καθορισμένο χρόνο τους στους απαιτούμενους ρυθμούς τους. 3.6.3 Οι δύο τεχνικές προγραμματισμού Οι δύο δημοφιλείς δυναμικές τεχνικές προγραμματισμού είναι: πρώτου αρχικού χρονικού ορίου (EDF) και πρώτης ελάχιστης χαλαρότητας (MLF). Στο EDF, η εργασία με το νωρίτερα χρονικό όριο προγραμματίζεται πρώτη. Στο MLF, η 54
εργασία με την ελάχιστη «χαλαρότητα» προγραμματίζεται να τρέξει πρώτη, όπου χαλαρότητα είναι η διαφορά στον χρόνο που απομένει πριν το χρονικό όριο μιας εργασίας και τον χρόνο εκτέλεσης της εργασίας. Η επαναρύθμιση του χρόνου εκτέλεσης ενός συστήματος ελέγχου μπορεί να απαιτεί την αλλαγή των παραμέτρων QoS σε πραγματικό χρόνο, ώστε οι εργασίες να πρέπει να έχουν τρέξει νωρίτερα σε μια χαμηλότερη προτεραιότητα από άλλες που μπορούν να τοποθετηθούν σε μια υψηλότερη προτεραιότητα για να ανταποκριθούν σε κάποιο λάθος ή σε κάποιες απρόβλεπτες συνθήκες. Για παράδειγμα, ένα μέρος πλοήγησης ενός εναέριου οχήματος μπορεί να απαιτεί δεδομένα σε μια υψηλότερη συχνότητα, ποιότητα και προτεραιότητα κατά τη διάρκεια ενός ακραίου ελιγμού από άλλους τύπους ελιγμών, όπως μιας αιώρησης. Οι παράμετροι QoS μπορεί να χρειαστεί να ρυθμιστούν λόγω αλλαγών στις πηγές του συστήματος, όπως η πρόσθεση νέων διαδικασιών και λόγω σφαλμάτων στο υπολογιστικό σύστημα. Για να υποστηριχτούν αυτές οι ανάγκες, έχουν αναπτυχθεί νέοι δυναμικοί αλγόριθμοι προγραμματισμού και προσαρμοστικές τεχνικές διαχείρισης πόρων. Οι προσαρμοστικές τεχνικές διαχείρισης πόρων κατανέμουν τις πηγές του επεξεργαστή και του δικτύου βάσει των αλλαγών των απαιτήσεων του πελάτη και βάσει των αλλαγών στις διαθέσιμες πηγές του συστήματος. Έχουν αναπτυχθεί από πολλούς ερευνητές μηχανισμοί ανάδρασης για να ρυθμίσουν τον προγραμματισμό των πηγών ώστε να διασφαλίσουν ότι οι πραγματικές QoS παράμετροι διατηρούνται μέσα σε αποδεκτές περιοχές τιμών. Δείτε για παράδειγμα το υλικολογισμικό βασισμένο στον έλεγχο που έχει αναπτυχθεί από τους Li και Nahrstedt [32] και τα συστήματα διαχείρισης προσαρμοζόμενων πηγών Honeywell s [33]. Μερικές από αυτές τις 55