Об основных фазах проектирования систем управления. Структурное проектирование программного обеспечения систем автоматизации

Описание системы программ АСУ обычно подразделяют на два этапа. На первом — описывают внешний алгоритм работы системы. На этом этапе инженеры-технологи, специалисты в той области, для которой разрабатывается АСУ, должны сформулировать свои требования, а разработчики программного обеспечения должны их понять. После выполнения первого этапа приступают ко второму — разрабатывают внутренний алгоритм работы системы, т. е. описание системы программ.

При описании внешнего алгоритма автоматизированных систем необходимо:

1. сформулировать цели функционирования системы и критерий ка­чества; описать необходимую выходную и входную информацию системы;
2. определить характеристики аппаратуры (выяснить необходимые ап­паратурные ресурсы);
3. составить список и описание подсистем (иногда удобно считать, что каждая функция системы реализуется своей подсистемой);
4. подробно описать входную и выходную информацию АСУ и указать устройства, с которых она поступает и на которые выдается (должны быть указаны: частота поступления информации, формы документов, типы датчиков, частота опроса, точность измерения, частота выдачи управляющих воздействий и т. п.);
5. подробно описать информацию, хранимую в программируемых логических контроллерах (ПЛК);
6. определить характеристики системы на основе описания подсистем;

Описание внешнего алгоритма систем управления технологическими процессами является исходным заданием на программирование автоматизированных систем.

Проектирование макроструктуры систем управления технологическими процессами методом нисходящего проектирования ведется в следующей последовательности:

• проектирование ситуационной модели объекта управления;
• проектирование информационно-логической схемы-графа специального программного обеспечения, состоящего из процессов, реализующих функции системы управления;
• расчленение процессов на задачи-компоненты, реализующие фазы приема, обработки информации, принятия решений и выдачи управляющих воздействий;
• поиск существующих алгоритмов автоматизированных систем, проверка на соответствие поставленной задачи;
• разработка специальных программ;
• выбор структур данных;
• синхронизация процессов по времени и согласование их по информации.

Проектирование микроструктуры автоматизированных систем включает в себя следующие элементы:

• модуляризация; расчленение алгоритмов на содержательную часть и интерфейсы;
• разработка структурной схемы — отражение организации; выделение стандартных процедур;
• разработка структурной схемы — обеспеченно четкости и читаемости использование правил структурного программирования); проектирование отладки.

Приемы построений модульных программ систем управления технологическими процессами:

1. Выделение функционального характера отдельных модулей, заключающиеся в стремлении придать каждой подпрограмме определенное назначение, не зависящее от других подпрограмм, и разбить программу на малые независимые подпрограммы. Выбор стандартного размера часто опирается на ощущение, что лишь для такого модуля, размер которого не превышает страницы листинга, можно обеспечить читаемость и понимаемость.
2. Использование таблиц решений, базирующееся на построении истин- костных таблиц, в которых задаются все комбинации входных условий. Для каждой из 2ⁿ комбинаций (n — число условий) определяется реакция программы, каждая из реакций реализуется своим модулем.
3. Использование символьных параметров, предусматривающее возможность простого изменения параметров, обычно являющихся константами данной программы, в том числе: размеров таблиц; относительных адресов элементов таблиц; констант.
4. Отделение действий по вводу-выводу от вычислительных операций, в том числе разделы, содержащие физические характеристики устройств ввода-вывода; правила инициирования ввода-вывода, выделение блоков и бу­феров; способы исправления ошибок; наборы символов, записанных в конкретных кодах.
5. Выделение обращений к операционной системе.
6. Выделение элементов связи с общей рабочей памятью.

Использование стандартных подпрограмм — один из способов построе­ния модульных программ. Стандартные подпрограммы экономят время про­граммирования, память ПЛК, их использование повышает корректность ПО программируемых логических контроллеров (ПЛК), защищая от ошибок программирования. Однако широкое использование стандартных подпрограмм имеет недостатки:

• подходящую готовую стандартную подпрограмму бывает трудно найти (из-за плохо оформленной документации);
• найденная подпрограмма может не удовлетворять принятым в конкрет­ной разработке правилам программирования (отличный способ пересылки параметров, отсутствие свойств реентерабельности и т. п.);
• стандартные подпрограммы в силу универсальности и функциональной полноты могут требовать значительного времени центрального процессора в памяти.

Общепринятым считается оформление в виде стандартных подпрограмм следующих операций: форматных преобразований (переводы из одних пред­ставлений в другие); арифметических операций; вычислений элементарных функций; операций над типами и структурами данных; ввода-вывода; отла­дочных программ.

Структурное программирование автоматизированных систем. Хорошо структурированная програм­ма — это программа, характеризующаяся наличием следующих признаков:

• вложенность — этот признак означает, что управляющая структура программы изоморфна плоскому сводимому графу, состоящему из вложен­ных комбинаций трех определенных образцов, каждый с одним входом и од­ним выходом;
• функциональный подход — акцент при разработке программ делается на функции, а не на алгоритмы;
• иерархичность связей — очевидное расширение двух предыдущих свойств; небольшой размер модулей; документация, отражающая функциональные и структурные свойства программы;
• отсутствие определенных «плохих» управляющих структур;
• отсутствие неясной, ошибочной, запутанной документации.

Следует отметить, что отсутствие в программе операторов GO ТО еще не позволяет назвать ее структурной. То же относится и к использованию иерархичности областей определения переменных, использованию метода проектирования «сверху—вниз» и бригадного метода.

Структурное программирование представляет собой использование определенных принципов написания программ в соответствии с набором жестких правил и имеет целью облегчение тестирования, повышение производительности труда программистов и улучшение читаемости результирующей программы.

К методам структурного программирования относится отказ от оператора GO ТО и использование вполне определенных структурированных oператоров передачи управления в сочетании с идеями нисходящего проектирования ПО программируемых логических контроллеров (ПЛК).

Классы управляющих структур систем управления технологическими процессами. Первый базовый класс составляют D-структуры — любая программа, составленная из следующих примитивов с одним входом и выходом:

• основных действий-функций (операторы назначения, вызовы процедур, операторы ввода-вывода);
• композиций двух D-структур; условных конструкций формы, основанных на предикате (не имеющем побочных эффектов) и двух D-структурах;
• циклов форм, где Р — предикат (не имеющий побочных эффектов), S — любая D-структура.

Второй класс автоматизированных систем составляют D-структуры. Класс D-структур дал рост некоторым естественным структурам, один из них — D'-структуры. Кроме D-структур второй класс включает в себя следующие структуры с одним входом в одним выходом:

операторы с одной ветвью; циклы типа repeat—until; операторы case с n-ветвями.

За исключением оператора GO ТО этот класс составляет набор управляющих структур языка PASCAL.

Следующие классы являются обобщением рассмотренных выше структур. Они связаны с наличием многих входов и выходов, возникают из записей операторов возврата, выходов из цикла, обусловленных исключительными условиями, и повторных вызовов цикла изнутри цикла.

Третий класс систем управления технологическими процессами составляют ВIп-структуры. ВIп-структура составлена из основных действий, композиций, структур if — then — else (т. е. D-структур) и одновходовых-одновыходовых структур содержит К последовательных предикатов и действий с К выходами, по одному на каждый из К предикатов.

В состав четвертого класса входят RE_n-, REC_n-, DRE_n-, DREC_n-структуры, RE_n-структура составлена из основных действий, композиций, структур if— then — else, команд выхода формы exit (t), где i — положительная целая константа:

Пятый класс систем управления технологическими процессами составляют GP_n- и L-структуры. GP_n-структура определяется как любая структура, такая что все подструктуры с одним входом и одним выходом имеют не более п различных предикатов. L-структура определяется как любая структура без ограничений на число или конфигурацию предикатов и действий и передач управления.