Знакомство с libuniset — библиотекой для создания АСУ

в 17:47, , рубрики: c++, open source, асу тп, разработка, метки: ,

В данной статье речь пойдёт об открытой библиотеке для построения распределённых систем управления — libuniset, написанной на языке C++ под ОС Linux. Будет дан общий обзор основных понятий, элементов и концепций, используемых в библиотеке.

Основной целью библиотеки libuniset является предоставление готовых «кубиков» для построения распределённых автоматизированных систем управления (АСУ). В любой АСУ можно выделить такие основные направления как:

  • ввод/вывод;
  • сетевой обмен;
  • процессы управления (алгоритмы);
  • хранение данных;
  • работа с БД.

В libuniset сделана попытка создать готовые для использования, согласованные и взаимодействующие между собой компоненты для всех указанных направлений, и при этом создать достаточно универсальную и легко расширяемую библиотеку.

Типичным проектом с использованием данной библиотеки является проект, состоящий из порядка 20-25 узлов, реализующих управление и контроль состояния, а также операторских станций (обычно не меньше двух резервирующих друг друга) отображающих информацию и, помимо этого, реализующих журналирование всех событий, происходящих в системе (то есть заполняющих базу данных). В общем случае число узлов системы не ограничено.

Небольшая историческая справка

Библиотека libuniset развивалась (и развивается сейчас) как и положено — постепенно. В ходе работы над различными проектами систем управления из них выделялись какие-то общие для всех систем свойства, механизмы или компоненты, и эти общие части вносились в библиотеку для дальнейшего повторного использования. На данный момент текущей версией является версия 1.6, которая представляет из себя уже достаточно зрелую библиотеку с установившимся API, которая позволяет легко (и быстро) создавать и разворачивать системы управления.

На данный момент библиотека и все её вспомогательные утилиты собираются под дистрибутив ALT Linux,
а так же дополнительно, при помощи системы Korinf, библиотека собирается под:

Что такое libuniset

libuniset

На рисунке сделана попытка графически представить, что из себя представляет libuniset.

В основу положена технология CORBA, на ней построено всё взаимодействие «компонентов» системы между собой. При этом следует заметить, что API библиотеки «маскирует» взаимодействие, основанное на CORBA и при необходимости взаимодействие может быть переписано с использованием других механизмов, не затрагивая интерфейсы, предназначенные для использования в проектах. Можно видеть, что libuniset по возможности задействует сторонние библиотеки (стараясь избегать изобретения велосипедов). Методы использования библиотеки могут быть различны: начиная от написания необходимой функциональности путём наследования от классов библиотеки и заканчивая использованием уже готовых компонентов без какой-либо модификации, а лишь настраивая их под свои задачи.

Основные понятия

Основной информационной единицей в библиотеке является датчик. По сути, датчик — это некая переменная, хранящая состояние. Практически любая информация (о событиях, о состоянии того или иного процесса, объекта, сообщение оператору и т.п.) передаётся через состояние «датчика». В библиотеке предусмотрено четыре типа датчиков:

  • DI — дискретный вход (DigitalInput)
  • DO — дискретный выход (DigitalOutput)
  • AI — аналоговый вход (AnalogInput)
  • AO — аналоговый выход (AnalogOutput)

Исходно данные типы используются непосредственно процессами ввода/вывода. «Выходы» (DO, AO) — это команды «от системы управления», «Входы» (DI, AI) — это информация от объекта «в систему управления». Помимо этого, датчики не обязательно должны быть «живыми» входами или выходами — при помощи этих четырёх типов можно кодировать любую информацию. Например, можно передавать сообщения оператору, заранее создавая для каждого сообщения свой «датчик» и в случае необходимости послать сообщение выставлять его в «1». Удобство и универсальность числовых датчиков позволяет использовать для передачи данных большое число различных протоколов, рассчитанных на передачу только цифровой информации. Например: CAN, ModbusRTU, ModbusTCP и т.п.
Вторым важным понятием является объект. Под объектом подразумевается некая сущность, способная принимать сообщения. Объекты создаются, инициализируются и запускаются в работу специальным активатором.
Дополнительно можно ещё ввести понятие процесс. Под процессом подразумевается системный процесс (запущенная программа), выполняющий те или иные функции управления и обменивающийся для этого с другими процессами сообщениями или удалённо вызывающий функции других объектов. Чаще всего понятия процесс и объект совпадают. В некоторых случаях процесс может содержать несколько взаимодействующих объектов. Все процессы в системе — многопоточные, так как для взаимодействия с другими объектами (процессами) в обязательном порядке создаются потоки для CORBA, а также у каждого объекта создаётся свой поток обработки сообщений (если его специально не отключить).

Взаимодействие процессов на узле

В ходе развития проекта опытным путём сформировалась следующая схема взаимодействие процессов на узле:
libuniset-node
Центральным элементом системы является SharedMemory (SM) — это процесс, осуществляющий хранение состояния всех датчиков. Всё взаимодействие между процессами осуществляется через него. При этом не следует путать это название с понятием «разделяемая память», относящимся к механизмам взаимодействия в UNIX-системах. В данном случае процесс SharedMemory просто выполняет функцию разделяемого хранилища и поэтому получил такое название. Помимо этого SharedMemory осуществляет рассылку уведомлений другим процессам об изменении состояния того или иного датчика.
Все процессы условно можно разделить на два типа: «активные» и «пассивные».
Пассивные процессы — это процессы, которые большую часть времени «спят», ожидая сообщений об изменении того или иного датчика. В основном к таким процессам относятся процессы управления.
Активные процессы — это процессы, которые постоянно выполняют какую-то работу. К таким процессам относятся:

  • процессы обмена по сети (в данном случае CAN);
  • процессы работы с картами ввода/вывода (IOControl);
  • процессы обмена с какими-то внешними устройствами (RS485 или ModbusTCP).

Так как активные процессы тесно взаимодействуют с SharedMemory, то для оптимизации работы (исключения удалённых вызовов процедур через CORBA) все активные процессы запускаются в одном адресном пространстве с SharedMemory (каждый процесс в отдельном потоке), и работают с SM напрямую, через указатели. Этот «объединённый» процесс по историческим причинам называется SharedMemory2.
Отдельно можно выделить группу «вспомогательных» процессов. На данном рисунке к таким относится DBServer, обычно запускаемый на операторских станциях, где ведётся БД. Его задача — получать уведомления от SM по изменении любого датчика и сохранять эти события в БД. По умолчанию в libuniset реализована поддержка MySQL и SQLite, но при необходимости можно реализовать взаимодействие с любой СУБД, разработав соответствующий DBServer.

Распределённое взаимодействие (сетевое)

На рисунке представлена типичная схема сетевого взаимодействия на основе libuniset.
libuniset-network

Для обеспечения «прозрачности сети» на каждом узле запускается своя копия SharedMemory(SM). «Прозрачность» при этом обеспечивают процессы обмена между узлами по соответствующему протоколу (на рисунке это CAN и UNET). Узлы постоянно обмениваются между собой датчиками обеспечивая «одинаковость» хранимой в SM информации. Каждый процесс обмена получает от других узлов информацию о находящихся у них датчиков, и в свою очередь посылает другим узлам информацию о датчиках находящихся у него на узле.
Так же через SM функционирует и процесс ввода/вывода (IOControl). Всё, что считывается с каналов ввода, сохраняется в SM, а состояние «выходов» читается из SM и выводится в каналы вывода.
Из рисунка можно видеть, что взаимодействие может быть построено практически на основе любого интерфейса (Ethernet, CAN, RS, MIL-STD и т. п.). Для этого достаточно написать процесс обмена, реализующий соответствующий интерфейс и взаимодействующий с SM. При этом вся остальная система не потребует модификации.

Краткое описание готовых компонентов, входящих в libuniset

Готовые компоненты представляют из себя уже законченные программы (процессы), которые «умеют» взаимодействовать с SharedMemory и позволяют легко «развёртывать» распределённые системы. В библиотеке libuniset имеются следующие готовые компоненты:

  • SharedMemory — хранение «переменных»;
  • IOControl — работа с картами ввода/вывода;
  • ModbusMaster — реализация Modbus TCP/RTU master режима;
  • ModbusSlave — реализация Modbus TCP/RTU slave режима;
  • UNetExchange — взаимодействие по протоколу UDP;
  • LogicProcessor — компонент, позволяющий описывать алгоритмы на основе логических схем (записываемых в xml-файле);
  • DBServer_MySQL — сервер для взаимодействия с БД MySQL;
  • DBServer_SQLite — сервер для работы с SQLite.

Утилиты, входящие в состав libuniset

По мере работы над проектами и развитием возможностей библиотеки, в неё стали включаться различные вспомогательные утилиты, позволяющие вести наладку проектов, созданных с её использованием. Вот список основных утилит с кратким описанием:

Группа утилит для работы с датчиками:

  • uniset-admin — многофункциональная консольная утилита, позволяющая писать/читать состояние датчиков, а таки же имеющая различные вспомогательные функции;
  • uniset-simitator — имитатор линейного изменения аналоговых датчиков;
  • uniset-sviewer-text — просмотр состояния всех датчиков;
  • uniset-smviewer — просмотр состояния всех датчиков;
  • uniset-smonit — мониторинг изменения состояния датчика (или группы датчиков).

Утилиты работы с сетевыми протоколами:

  • uniset-mbtcpserver-echo — имитатор Modbus TCP Slave устройства;
  • uniset-mbtcptest — Консольная утилита, позволяющая опрашивать (проверять) устройства по протоколу Modbus TCP (режим Master);
  • uniset-mbrtuslave-echo — имитатор Modbu RTU Slave устройства;
  • uniset-mbrtutest — Консольная утилита, позволяющая опрашивать (проверять) устройства по протоколу Modbus RTU (режим Master);
  • uniset-unet-udp-tester — работа с протоколом UnetUDP.

Различные дополнительные утилиты:

  • uniset-iotest — тестирование работы с картами ввода-вывода;
  • uniset-iocalibr — калибровка аналоговых датчиков;
  • uniset-codegen — генератор скелета процесса управления.

Дополнительные проекты

Программный интерфейс (API) библиотеки libuniset стабилизировался уже давно, и постепенно в дополнение к ней возникли различные вспомогательные программы. Поскольку целью данной статьи является общее знакомство именно с libuniset, ограничимся только перечислением таких дополнений:

  • uniset-configurator— графическая утилита, позволяющая производить настройку различных параметров системы (карт ввода/вывода, каналов ввода/вывода, сетевое взаимодействие и т. п. (http://git.etersoft.ru/projects/asu/uniset-configurator.git).
  • uniset-testsuite — набор утилит (отдельный проект) для создания специальных тестовых сценариев позволяющих проводить автоматические (регрессионные и не только) тесты работы системы построенной на основе libuniset (http://git.etersoft.ru/people/pv/packages/uniset-testsuite.git).
  • uniwidgets — библиотека для построения графических интерфейсов на основе gtkmm, взаимодействующая с использованием libuniset (http://git.etersoft.ru/projects/asu/uniwidgets.git).

Заключение

Библиотека libuniset позволяет довольно быстро создавать «сложные» системы. В чём-то она похожа по идеологии на SCADA-системы, но следует иметь ввиду, что это только поверхностное сходство: пользователю в данном случае представлен полный контроль над работой системы, возможность программировать любые алгоритмы (на языке C++). Хотя следует заметить, что система, построенная на libuniset, может быть легко интегрирована в какую-либо существующую систему (на основе SCADA) — просто выступая, например, в качестве Modbus Slave узла. Или же наоборот, может взаимодействовать с любой сторонней SCADA-системой, просто используя процесс обмена Modbus Master (готовый компонент).
Имеется положительный опыт применения её в ответственных проектах, где она проявила себя как надёжно работающая система (24x7x365).

Ссылки по теме

Автор: PavelVainerman

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js