उत्पादन में x86: उच्च अंत औद्योगिक नियंत्रकों, पास्कल और वायरस

इस तरह के एक बहुत ही सही शब्द नहीं है: पीसी आधारित औद्योगिक स्वचालन। मुझे लगता है कि यह पूरी तरह से सही नहीं है, क्योंकि कोई भी, ज़ाहिर है, मशीन को एक साधारण व्यक्तिगत कंप्यूटर से जोड़ता है। और फिर यह अचानक जमा देता है, और मशीन कुछ अनावश्यक काट देती है । लेकिन इस शब्द में एक तर्कसंगत अनाज है - कई वर्षों से औद्योगिक स्वचालन नियंत्रण उपकरणों के बीच पीसी के समान उपकरण हैं।

याद दिलाना, ज़ाहिर है, बाहरी रूप से नहीं।

आपके लैपटॉप की तरह, नियंत्रक में कोर i5 प्रोसेसर, साधारण DRAM (केवल आमतौर पर ECC के साथ), एक SSD ड्राइव, नियमित ईथरनेट हो सकता है। बूट प्रक्रिया भी अलग नहीं है - BIOS ओएस को लोड करता है। एक नियम के रूप में, OSes - RTOS। हालाँकि, कभी-कभी विंडोज भी होता है। इसके अलावा, यह हमेशा विंडोज एंबेडेड कॉम्पैक्ट (पूर्व सीई) नहीं है। यहां तक ​​कि विंडोज एंबेडेड 7 का उपयोग किया जाता है, और यह एक पूर्ण सात है। (लिनक्स भी होता है)


उत्पादन लाइन के संचालन के दौरान हल की जाने वाली कम्प्यूटेशनल समस्याओं के मुख्य वर्ग सीएनसी और स्काडा हैं ।

CAD और SCADA के मामले में, क्या x86 का प्रदर्शन आवश्यक है और क्या यह एक विश्वसनीय प्लेटफॉर्म है, के सवाल अब खड़े नहीं होते हैं।

सीएनसी थोड़ा अधिक जटिल है। कई औद्योगिक उपकरणों को नियंत्रित करने के लिए, आपको एक शक्तिशाली नंबर कोल्हू की आवश्यकता नहीं है, लेकिन विश्वसनीयता और गारंटीकृत प्रतिक्रिया समय की आवश्यकताएं x86 की क्षमताओं से अधिक हो सकती हैं। एक माइक्रोकंट्रोलर या सरलतम पीएलसी पर्याप्त है।

जी-कोड का उपयोग आमतौर पर प्रोग्रामिंग सीएनसी के लिए किया जाता है, इसके लिए x86 कंप्यूटिंग पावर की आवश्यकता नहीं होती है। यदि मशीन अधिक जटिल है, तो पीएलसी का उपयोग किया जाता है। पीएलसी कैसे प्रोग्राम किया जाता है? एक IEC61131-3 मानक है। यह प्रोग्रामिंग विधियों को परिभाषित करता है: आईएल-टाइप "असेंबलर", साथ ही पेट्री नेट, ब्लॉक सर्किट या रिले लॉजिक पर आधारित ग्राफिक आरेख।

बेशक, रिले लॉजिक, एसीएम, या पेट्री नेट पर इस तरह के एक जटिल कार्यक्रम को लिखना बहुत मुश्किल है कि माइक्रोकंट्रोलर की प्रसंस्करण शक्ति इसके निष्पादन के लिए पर्याप्त नहीं है। लेकिन यहाँ पास्कल बचाव के लिए आता है ! IEC61131-3 में परिभाषित एक और पीएलसी कोड प्रतिनिधित्व।
यहाँ इस छोटी सी भाषा में कोड दिया गया है:

 वीएआर
                 arr1: ARRAY [1..4,1..4] वास्तविक; 
                 arr2: ARRAY [1..4,1..4] वास्तविक;
                 arr3: ARRAY [1..4,1..4] वास्तविक;
                 i: INT;
                 j: INT;
                 k: INT;
 END_VAR
 I के लिए: = 1 TO 4 DO
                 J के लिए: = 1 TO 4 DO
                                 arr3 [i, j]: = 0.0;
                                 K के लिए: = 1 TO 4 DO
                                                 arr3 [i, j]: = arr3 [i, j] + arr1 [i, k] * arr2 [k, j];
                                 END_FOR
                 END_FOR
 END_FOR

क्या कुछ भी समान नहीं है? मैं पहले से ही 20 साल पहले स्कूल में कंप्यूटर विज्ञान के पाठों में देख चुका था कि यदि कोई प्रोग्रामर पास्कल और संरचनात्मक प्रोग्रामिंग से लैस है, तो प्रोसेसर की गति बहुत तेज नहीं होती है।

कुछ मामलों में, तेजी से पीएलसी प्रोसेसर, बेहतर: ऐसे अनुप्रयोग हैं जहां दर्जनों सेंसरों से माप के परिणाम एक जटिल गणना के लिए इनपुट डेटा के रूप में उपयोग किए जाते हैं, और डेटा किलोहर्ट्ज़ की दसियों आवृत्ति के साथ आता है। यही है, दसियों microseconds के लिए उन्हें लिया जाना चाहिए, एक जटिल फ़्लोटिंग-पॉइंट एल्गोरिथ्म के माध्यम से चलाएं, और कमांड दें। यहां, केवल नवीनतम पीढ़ी x86 प्रोसेसर आंतरिक गीगाफ्लॉप्स का एक गुच्छा संभाल सकता है।

इसके अलावा, यह सुविधाजनक है यदि HMI (यानी, सामान्य में अनुवाद में GUI) PLC प्रोग्राम के समान हार्डवेयर पर स्पिन करेगा। खैर, जब से हमने इस तरह के वर्कलोड समेकन की शुरुआत की है, भले ही फील्डबस पर संचार भी उसी लोहे के टुकड़े द्वारा नियंत्रित किया जाता है, जो पहले से ही है! सौभाग्य से, अब एक प्रोसेसर में कई कोर हैं, बहु-थ्रेडेड रीयल-टाइम एप्लिकेशन बनाना मुश्किल है, और वर्चुअलाइजेशन अच्छा अलगाव प्रदान करता है (यदि आप एक सामान्य कैश और मेमोरी कंट्रोलर से जुड़ी बारीकियों के बारे में नहीं भूलते हैं)

पिछले पैराग्राफ में, मैंने एक नया शब्द इस्तेमाल किया - फील्डबस । उत्पादन डेटा ट्रांसमिशन सिस्टम का विकास भी एक अच्छा उदाहरण है कि कैसे आईटी से प्रौद्योगिकी विशेष डायनासोर बाहर भीड़ कर रही है। आधुनिक फील्डबस नेटवर्क प्रॉफनेट, एथरकट, सर्कोस III ईथरनेट पर आधारित हैं, और इंटेल द्वारा निर्मित साधारण नेटवर्क कार्ड और, शायद, अन्य विक्रेताओं के साथ काम करते हैं।

X86 में पूर्ण संक्रमण को क्या रोकता है? परमाणु शक्ति संयंत्र से विस्फोट की आशंका वाले सतर्क सांसदों को महत्वपूर्ण स्थानों में कुछ सुरक्षा मानकों को पूरा करने के लिए ब्लूस्क्रीन की आवश्यकता होती है। इन मानकों को पूरा करने वाले ओएस हैं - उदाहरण के लिए, VxWorks, QNX, आदि। यहां तक ​​कि एक आभासी मशीन भी है - विंडरवर हाइपरवाइजर भी SIL3 / SIL4 प्रमाणित है।

प्रश्न लोहे के प्रमाणीकरण में है। बेशक, संबंधित प्रमाण पत्र एक सरल माइक्रोकंट्रोलर के लिए प्राप्त करना आसान है, जो कि वर्षों से अपरिवर्तित रहा है, एक जटिल x86 प्रोसेसर और चिपसेट की तुलना में, जिनकी पीढ़ी हर साल बदलती है। लेकिन यह इंटेल प्रोसेसर को विभिन्न निर्माताओं से कई लोकप्रिय पीएलसी में उपयोग करने से नहीं रोकता है।

लेकिन वास्तविक समय का क्या? हमें कठिन वास्तविक समय की आवश्यकता है, नरम वास्तविक समय काम नहीं करेगा, ऐसा क्यों: भले ही 99.99999% मामलों में हम समय सीमा में आते हैं, शेष 0.00001% औसत दिन में कई बार विफलता हो सकती है। बेशक, हमारे पास इस मामले के लिए एक सुरक्षा फ़ंक्शन होना चाहिए, जो सब कुछ को डी-एनर्जेट करेगा, लेकिन ऐसा करने के लिए अक्सर किसी तरह मज़ेदार नहीं होता है। कई बार मैंने यह राय सुनी कि एक जटिल OOO प्रोसेसर और रियल टाइम असंगत अवधारणाएं हैं। आखिरकार, आप माइक्रोकंट्रोलर पर कोड को देख सकते हैं और जान सकते हैं, मारपीट तक, इसे निष्पादित करने में कितना समय लगेगा।

तो? तो, लेकिन ऐसा नहीं है। अपने हाथ देखो! उदाहरण के लिए, हमारे पास 100 माइक्रोसेकंड का एक चक्र है। इसे एक रुकावट के साथ शुरू करें। नियंत्रण 8 माइक्रोसेकंड के बाद 2, या हो सकता है (सबसे खराब स्थिति में) के बाद बाधित हैंडलर तक पहुंच सकता है। प्राप्त सूचनाओं को पढ़ने के लिए एक और 10-15 माइक्रोसेकंड खर्च करें। और फिर एक और 50-75 माइक्रोसेकंड संसाधित किया जाएगा (आखिरकार, हमारे पास बहुत अप्रत्याशित अप्रत्याशित प्रोसेसर है, और भी अधिक अप्रत्याशित कैश के साथ!)। 62 से 98 माइक्रोसेकंड तक कुल खर्च। भयानक घबराना; डरावना, कठिन वास्तविक समय x86 के लिए अनुकूलित नहीं! लेकिन सबसे खराब स्थिति में (जो 10 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति के साथ कई घंटों के संचालन में एक बार होता है), हम अभी भी 100 माइक्रोसेकंड तक सफाई करते हैं।

लेकिन कोर i3 पर प्राप्त डेटा को संसाधित करने के 50 माइक्रोसेकंड क्या है? यह 100,000 घड़ी चक्र है, या पूरी तरह से उत्कृष्ट IPC = 1.2 के साथ लगभग 120,000 निर्देश हैं। आइए हमारे पास एक बहुत ही कुशल पीएलसी संकलक नहीं है, जो प्रत्येक IL निर्देश के लिए औसत 5 x86 निर्देश देता है। यही है, एक चक्र में, हमने 24,000 IEC61131-3 IL निर्देश पूरे किए हैं।

और अगर आप एक ही चीज़ पर बहुत तेज़ कल्पना करते हैं, लेकिन x86 पीएलसी नहीं? डेटा पढ़ते समय बाधित होने की कोई घबराहट नहीं है, और आप पहले से बता सकते हैं कि 24,000 आईएल निर्देशों को निष्पादित करने में कितना समय लगेगा। आइए बिग थ्री (एबी, सीमेंस, मित्सुबिशी ऑटोमेशन) से पीएलसी निर्माता के दस्तावेज देखें। एक आईएल अनुदेश कब तक निष्पादित होता है? 9.5 नैनोसेकंड। 228 माइक्रोसेकंड में 24,000 निर्देशों का निष्पादन किया जाएगा। QED

अगर मुझे लगता है कि प्रति चक्र 24,000 प्रसंस्करण निर्देश बहुत अधिक हैं, तो मैं जवाब दूंगा:
तुम मेरे लिए हो, या भालू के लिए? । ग्राहकों ने आधुनिक मशीनों के बारे में बात की, जिसका नियंत्रक प्रत्येक चक्र दर्जनों सेंसरों के भौतिक मॉडल की गणना करता है, जो दर्जनों सेंसर की रीडिंग के आधार पर होता है। यही है, हर कदम पर समीकरणों की प्रणाली के संख्यात्मक समाधान में लगे हुए हैं, जिसमें अधिक से अधिक एफपी प्रदर्शन की आवश्यकता होती है।

उपरोक्त सभी एकल कोर के प्रदर्शन से संबंधित हैं। लेकिन अब हमारे पास उनमें से बहुत कुछ है। और हम उन्हें एक डिवाइस पर कई फ़ंक्शन या पीएलसी को समेकित करने के लिए या नियंत्रण कार्यक्रम को समानांतर करने के लिए उपयोग कर सकते हैं। नवीनतम आरटीओएस संस्करण जैसे VxWorks, Twincat, आदि। मल्टीथ्रेडिंग द्वारा समर्थित कठिन वास्तविक समय की गारंटी रखें। लेकिन यह ओएस, हाइपरविजर और पुस्तकालयों के मुख्य स्तर पर है। और आवेदन स्तर पर, आंतरिक सिंक्रनाइज़ेशन के सामान्य आदिम का उपयोग करके, वास्तविक समय को तोड़ना बहुत आसान है। दुर्भाग्य से, इस समस्या से निपटने का सामान्य नुस्खा मेरे लिए अज्ञात है।

मैंने उस मल्टी-थ्रेडेड प्रोग्रामिंग के ऊपर लिखा और वर्चुअलाइजेशन का उपयोग उद्योग में लोकप्रिय हो रहा है। यानी आईटी के पीछे कई साल हैं। शायद कुछ वर्षों में वे एक निजी बादल की तरह कुछ को लागू करना शुरू कर देंगे? और फिर, स्टक्सनेट के अलावा, जिसके बारे में सभी ने सुना, लेकिन किसी ने नहीं देखा, क्या आपको मैलवेयर से निपटना होगा जो औद्योगिक रोबोटों को तोड़ सकते हैं और स्वचालित रासायनिक संयंत्रों को सही लोगों के बजाय दिलचस्प पदार्थों को संश्लेषित करने के लिए मजबूर कर सकते हैं?