Гибкость системы

1.4       Гибкость системы

Необходимость расширения системы во время ее работы зависит от конкретной области применения. Управляющая система автомобиля вряд ли нуждается в расширении (если конечно Вам лично этого не захочется). С другой стороны, поточная линия обязательно перенастраивается и снабжается дополнительными, порой загадочными, датчиками при каждом переходе на новую модель продукции. Системы контроля зданий или предприятий нуждаются в расширении несколько раз в течение жизненного цикла. В случаях если предприятие осваивает новую продукцию или расширяет производство, существующие датчики либо заменяются, либо дополняются более точными. Вот тут то и возникает необходимость гибкости наращиваемости длины линий (проводов или беспроводных каналов) а так же свободной топологии. Возможность тянуть провод от ближайшей доступной точки без оглядки на ограничения топологии и возможность добавления дополнительных репитеров по мере необходимости сильно продлевает срок службы Вашей управляющей сети. Однако для этого требуется наличие энергонезависимой памяти в каждом узле сети и наличие как локальной (на самом узле) так и удаленной процедур добавления нового устройства в протоколе управления устройствами. Эти процедуры должны быть определены недвусмысленно, ясно и четко и быть безошибочно реализованы так чтобы всевозможные узлы и приборы могли взаимодействовать между собой.

Таблица 1.2.

1.5       Производительность системы

Производительность системы в целом зависит от многих факторов. Вот некоторые из них.

-           Максимально возможная скорость передачи.

Этот параметр непосредственно влияет на время прохождения пакета в линии. Например, для 100-битного пакета время прохождения составляет 0,1 микросекунды при скорости 1Mbps и 1 миллисекунду при скорости 100Kbps. Очень полезна возможность варьировать скорость передачи в широких пределах, от нескольких килобит в секунду до мегабайта в секунду. Обдуманный выбор скорости передачи - наиболее желательный способ оптимизации соотношения цена/производительность для трансиверов, среды передачи и сетей связи.

-           Схема доступа к среде передачи.

Демократический доступ к среде передачи для всех при минимальном количестве узлов идентификации – крайне необходим для предотвращения возникновения патологической ситуации для узлов с низким приоритетом. При недемократической схеме доступа, когда приоритет является единственным критерием доступа к сети, узлы с низким приоритетом могут быть полностью задавлены более разговорчивыми. Это может снизить их производительность до неприемлемого уровня. В мире PLC контроллеров (Programmable Logical Controller), который наиболее “подвинут” в сторону “детерминизма” и где доступ к среде возможен лишь в фиксированные промежутки времени, схема с мультиплексированной шиной управляемой приоритетами наименее приемлема.

-           Максимальный размер пакета.

Это непосредственно определяет число пакетов и, следовательно, время, требуемое для завершения транзакции. В приведенной ниже таблице представлена информация о длине пакета в различных областях применения.

Таблица 1.3.

Практически все системы, даже такие дорогостоящие как системы освещения или разрозненные производственные системы с большим количеством цифровых датчиков, содержат аналоговые или сложные (analog/complex) датчики и активаторы (приводы). И эти датчики требуют поддержки пакетов размером 4-25 бит для обычных данных и несколько более длинных пакетов для передачи калибровочных данных. Более того, чем устройство интеллектуальней, тем длина пакета больше. Уже на сегодняшний день характерный размер передаваемых данных составляет 30 байт, а в ближайшие несколько лет обещает вырасти до 50 и более байт.

В общем, можно выделить два основных требования:

-           как можно больший максимальный размер пакета;

-           возможность варьировать длину пакета от нуля до максимального.

На следующих двух рисунках проиллюстрировано отличие между единой сетью, поддерживающей передачу пакетов разной длины (рисунок 1.1.), и объединением нескольких сетей, каждая из которых поддерживает передачу пакетов только фиксированной длины (рисунок 1.2.). Метод передачи больших пакетов путем разбивки в несколько маленьких (фрагментация) лучше использовать как вспомогательный, хотя он позволяет повысить производительность. Совершенно очевидно, что единая сеть, поддерживающая пакеты разной длины без использования фрагментации, наиболее предпочтительна.

Рисунок 1.1. Единая сеть, поддерживающая передачу пакетов разной длины.

Рисунок 1.2. Объединение нескольких сетей, каждая из которых поддерживает передачу пакетов только фиксированной длины.

-           По-событийное обновление показаний датчиков.

Режим сканирования или опроса изменений наиболее соответствует естественному поведению датчиков, производящих измерения только при свершении некоторого события, а не в строго определенные моменты времени. Более того, процесс измерения (например, в аналого-цифровом преобразователе) должен быть завершен как можно быстрее, и система, при которой моменты завершения измерений происходят в строго определенные периодические моменты времени, не самая оптимальная. По-событийная система требует наличия по-событийного планировщика на оконечных устройствах, одноуровневого доступа к сети и существования принимающего узла, который имеет коммуникационные и вычислительные ресурсы для обработки поступающих значений, если таковое требуется. Это влечет за собой соответствующие изменения архитектуры каждого элемента управляющей цепи.

-           Одноуровневая архитектура.

Такая архитектура позволяет связываться устройствам прямо через сеть управления. Это делает ненужным центральный контроллер, являющийся узким местом всей системы. Как было замечено ранее, центральный контроллер – просто исторический артефакт тех времен, когда вычислительные мощности были сосредоточены в больших центральных машинах. С приходом недорогих СБИС с достаточными вычислительными ресурсами, такая архитектура стала полностью вымирающей и ненужной. Независимо от демократического одноуровневого доступа к среде передачи и по-событийного обновления показаний датчиков, одноуровневая система также требует достаточной интеллектуальности для датчиков и активаторов (особенно для активаторов) для обеспечения прямого выполнения управляющего алгоритма (и производства необходимых действий) вместо ожидания управляющей команды от центрального котроллера, вырабатываемой на основе обработки данных от датчиков.

-           Выделенный прикладной процессор.

Многократно повторяющиеся прерывания прикладного процессора на обработку приходящих пакетов или других коммуникационных задач отрицательно влияют на производительность в обоих случаях. Они также влияют на надежность узла и системы в целом. Пусть занятый канал послал десять пакетов с интервалом 100 микросекунд при размере пакета 100 бит и скорости 1 мегабит в секунду и ждет подтверждения приема каждого пакета. На обработку прерывания, возникающего при приеме пакета, процессор тратит не менее 25 микросекунд и в итоге приложению может не хватить времени на сортировку приходящих пакетов, осуществление процесса ввода/вывода, выполнения локальных вычислений и генерацию пакетов с ответом. Таким образом, на приемном конце пакеты могут быть потеряны. Потерянные пакеты приведут к срыву завершения транзакции и могут вызвать остановку работы сети в целом.

-           Задержки при прохождении роутеров (маршрутизаторов) и шлюзов.

Роутеры, соединяющие подсети, должны работать на уровне приложений модели OSI/ISO, если реализация сетевого уровня протокола не предполагает маршрутизации на своем уровне. Для иллюстрации отличия между маршрутизацией прикладного и системного уровня, приведем аналогию с почтовой службой. Письмо. Посылаемое из города А в город Б, может быть отсортировано прямо по адресу города и доставлено (маршрутизация сетевого уровня). Во втором случае, клерк на почте не читает адрес города, а только фамилии адресата и отправителя и должен помнить, что мистер Джонс из города А всегда пишет мистеру Грину в город Б (маршрутизация прикладного уровня). Такая система требует больше ресурсов и работает медленнее. Читатель может сам сделать выводы о производительности, масштабируемости, восстанавливаемости и гибкости на основании приведенного примера.

-           Прогнозируемость.

Прогнозируемость (Determinism) иногда упоминается как фактор, влияющий на производительность без уточнения почему. Однако тот детерминизм, который упоминается везде и всюду, есть прогнозируемость системного уровня и означает, что цикл измерения завершится в течении строго определенного временного интервала, начиная с возникновения события или условия, заставившего датчик сработать. Такая прогнозируемость невозможна в реальном мире за исключением традиционных однопоточных систем полностью контролируемых центральным устройством, подобным PLC (Programmable Logical Controller), выполняющим постоянное сканирование в строго определенные моменты времени, использующим централизованно управляемую шину типа точка-точка или шину с множественным доступом и временным разделением. Схема с прослушиванием несущей и контролем коллизий не гарантирует прогнозируемости уровня соединений (link level determinism). Такие технологии как предупреждение коллизий, разрешение коллизий, определение коллизий, система приоритетов и их комбинации, будучи применяемы в рамках CSMA схемы доступа (carrier-sense multiple access), могут увеличить прогнозируемость системы. Должна существовать возможность включать и выключать эти дополнительные подпротоколы избирательно для канала, узла или параметров узла без остановки всей системы.

Решающим фактором, обеспечивающим максимум прогнозируемости системного уровня, является существование выделенного приложения и коммуникационных ресурсов на каждом узле. Большинство процессоров узлов в управляющих системах фактически работают по стохастическому расписанию, поскольку они работают не в режиме фиксированных интервалов измерений полностью независимом от прерываний. События в виде сигналов от локальных датчиков или в виде пакетов, приходящих по сети от удаленных датчиков, стохастичны по своей природе. Они происходят не в фиксированные моменты времени, а как бог на душу положит. Узел, управляемый прерываниями недетерминирован от рождения. К примеру, сканирование проходящего трафика в занятом канале и сортировка приходящих пакетов иногда может приостановить на длительное время выполнение прикладных задач, таких как опрос датчиков и генерация выходных событий.

Суммируя все вышесказанное можно заключить, что прогнозируемость уровня соединений может быть максимизирована для всех узлов путем выбора таких дополнительных механизмов, как предотвращение коллизий, разрешение коллизий, выявление коллизий, система приоритетов доступа. Прогнозируемость уровня приложений может быть улучшена путем введения выделенных приложений и коммуникационных ресурсов, которые не прерывают друг друга. Все факторы, влияющие на прогнозируемость конкретной управляющей цепи, должны быть оптимизированы для эффективной работы.

Однако, прогнозируемость, как объективная реальность, более похожа на требования к “реально быстрым” системам, нежели на требования к системам “реального времени”. Цель первых иллюзорна и препятствует выработке любого реального решения. Второе требует системного подхода и предполагает оптимизационные решения для системных требований реального времени.

-           Системная интеграция.

Системная интеграция - это ключевая область, в которой требуется глубокое понимание реализации системной архитектуры, сервисных протоколов, средств разработки и инструментария. Легкость системной интеграции имеет прямое влияние на стоимость установки и текущей эксплуатации. В бытовых условиях это означает, что даже десятилетние дети и пожилые родители могут изменять конфигурацию системы безопасности без вызова специалиста. В случае офисного здания разница стоимости установки системы может достигать 20%, что может составлять от сотен тысяч до нескольких миллионов долларов и достаточна, чтобы возбудить дискуссию с покупателем. На производственном предприятии экономия может составлять до 40%.

Наиболее важным из вышеперечисленных факторов является качество реализации стека протоколов передачи данных. Обзор наиболее качественных решений выделяет различия в целесообразности их применимости. Компьютерный мир предоставляет нам очень поучительный урок. Мир ОС UNIX, содержащий максимально совместимые решения, вынужден сейчас развиваться в сторону DOS, несмотря на неоспоримое техническое превосходство. Даже во время второго раунда, когда UNIX все еще мог предложить большие возможности, нежели Windows NT, последний был более популярен. Мир PC страдает от многочисленных ошибок несовместимости, добиваясь жизнеспособности. 98% компаний, ориентированных на PC выходят из бизнеса, поскольку их продукты вызывают слишком много побочных эффектов для других приложений.

Пользователи, купившие свои PC, мучаются каждый день от необъяснимых аномалий операционной системы. Разработчики программного и аппаратного обеспечения PC хорошо помнят кошмары тестирования системного уровня своего продукта на совместимость с огромным числом других программ. В мире множественных реализаций любого сложного стандарта (операционная система, сетевой протокол) немного решений проходят проверку временем с точки зрения Plug&Play совместимости. Понятие правильной реализации теста обречено быть ограниченным в своей практической годности, поскольку реальные тесты всегда не полны, и не дают полной верификации. Более того, все реализации, точные или нет, являются предметом для личных интерпретаций.

Таблица 1.4.

-           Установка системы, эксплуатация и диагностика.

Возможно, одним из наиболее неоспоримых и легко понимаемых из вышеперечисленных факторов, является соотношение цены к длине проложенной линии. Прокладывать кабель по существующим коммуникациям может стоить несколько долларов за метр, в то время как раскапывать прилегающий к историческому зданию двор, оживленный перекресток или завод без остановки выпуска продукции – гораздо дороже. Стоимость установки системы может достигать 80% от стоимости контракта. Поэтому вопрос возможности выбора правильной среды передачи очень важен. Основываясь на особенностях индустрии, таблица 1.6. классифицирует требования к среде передачи. Возможность разнородной среды передачи в одной и той же сети предпочтительна для всех видов промышленности, поскольку позволяет провести глобальную оптимизацию путем оптимального локального выбора. Легкость установки является основным фактором выбора среды передачи для любого применения. Однако, многие другие факторы также имеют серьезное влияние, среди них не восприимчивость к EMI, электрическая изоляция, компактность и другие.

Таблица 1.5.

Таблица 1.6.

-           Стоимость эксплуатации и окупаемость.

В среднем по промышленным предприятиям необходимый срок окупаемости нового оборудования снижается. Период переоснастки производственных линий фабрик снизился с 6-10 лет до 3-4 лет. В полупроводниковом производстве линии обновляются каждые 2-3 года. Ресурс вагонеток составляет 5-10 лет. Системы автоматизации зданий могут служить больше, но нуждаются в периодических доработках и модификациях.

Таблица 1.7.

Похожие работы

Дистанционные технологии в образовании

Скачать

277842

1

5

... современным компьютерам, должна стать мощным усилителем мыслительных процессов в образовании. И здесь особая роль отводится преподавателям, которые являются носителями технологии образования и которые должны творчески переосмыслить накопленный интеллектуальный багаж в соответствии с новыми технологическими возможностями. До настоящего времени в российском обществе отсутствует четкое понимание ...

Цифровой мир производства и интеллектуальные здания

Скачать

41703

4

2

... системы. СКС вместе с силовой электросетью здания (объединенная кабельная система) обеспечивает передачу и распределение электроэнергии и информации, а также мониторинг и управление системами "интеллектуального здания".   10. Принцип построения В вышеперечисленные системы входит периферийное оборудование, состоящее из различных датчиков, реагирующих на те или иные изменения, абонентское ...

СМ ЭВМ. Детальный обзор

Скачать

9865

0

0

... (СМ 1600), М 6000/7000 (СМ-1, СМ-2, СМ 1210, СМ 1634), "МиР" (СМ 1410); построение систем с разделением функций, использующих универсальные и специализированные процессоры СМ ЭВМ; широкое применение микропрограммного управления для реализации основных функций процессоров и контроллеров; применение программируемых контроллеров периферийного оборудования; общая для ряда моделей номенклатура ...

Управление затратами

Скачать

178614

23

6

... и информационную подсистемы. Экономико-правовую подсистему правомерно определить как совокупность экономико-правовых методик, правил, рекомендаций, принципов, обусловливающих организацию и управление затратами, взаимоотношения управленческих и производственных служб предприятия, их права и обязанности. Организационно-техническую подсистему образует совокупность технических средств и структур ( ...