Проект среды программирования системы OpenSCADA.

Автор: Роман Савоченко

Contents

1 Введение

2 Назначение

3 Требования

3.1 Архитектурные требования к среде программирования

3.2 Общие требования

3.3 Требования к разрабатываемому языку программирования высокого уровня

3.4 Требования к разрабатываемому языку блочного программирования

4 Проектирование

4.1 Постановка задачи

4.2 Объект функции, как ключевой элемент среды программирования

4.3 Выбор языка высокого уровня для реализации вычислителя на этом языке

4.4 Проектирование грамматики синтаксического анализатора. Выбор инструмента для создания синтаксического и лексического анализаторов

4.4.1 Элементы языка

4.4.2 Операции

4.4.3 Встроенные функции языка

4.4.4 Операторы языка

4.4.5 Примеры программы на Java-подобном языке

4.5 Разработка внутренней виртуальной машины

4.6 Разработка языка блочного программирования

4.7 Проектирование архитектуры

4.7.1 Архитектура вычислителя на Java-подобном языке

4.7.2 Архитектура вычислителя на языке блоков

4.7.3 Стандартная архитектура библиотек статических функций

5. Реализация

ПРИЛОЖЕНИЕ A. Команды внутренней виртуальной машины

Ссылки

1 Введение

Открытая SCADA система OpenSCADA принадлежит к классу SCADA(Supervisory Control and Data Aquisition) систем. Системы данного класса используются как элемент систем автоматизации технологических процессов(АСУ-ТП).

В отдельных случаях SCADA системы могут использоваться на уровне контроллеров, при этом совмещая функции контролера с функциями SCADA системы.

Для организации пользовательских вычислений в среде промышленных контроллеров и SCADA систем используются различные языки программирования. В случае с контроллерами в качестве таких языков чаще всего используются языки низкого уровня (ассемблеры), однако в последнее время всё чаще используются языки высокого уровня (C, Pascal и другие), а также формальные языки (блочные схемы, релейные схемы, логические схемы и другие). В случае с SCADA системами вычисления чаще обеспечиваются языками программирования высокого уровня и формальными языками.

Предоставление среды пользовательского программирования любой программной системой вообще является важным показателем качества и развитости системы.

Данный проект предназначен для разработки среды программирования системы OpenSCADA.

2 Назначение

Функционально разработка предназначена для создания в системе OpenSCADA компонентов среды программирования, с помощью которых можно реализовывать различные вычисления и управляющие алгоритмы внутри системы OpenSCADA.
Эксплуатационным назначением разработки является:

• расширение сферы применения системы OpenSCADA за счёт увеличения гибкости среды программирования;
• сокращения затрат труда на создание математических моделей технологических процессов;
• возможность создания крупных моделей с использованием наработок предыдущих моделей.

3 Требования

3.1 Архитектурные требования к среде программирования

Под архитектурными требованиями подразумевается то, какой структуре должна следовать разработка.
Особенность архитектуры системы OpenSCADA накладывает соответствующие требования к архитектуре разработки. Так, учитывая модульность, гибкость и масштабируемость системы OpenSCADA, нужно обеспечить такими же характеристиками данную разработку.

С такой целью среду программирования архитектурно можно разделить на три части:

• декларирующие объекты в ядре системы OpenSCADA;
• библиотеки объектов функций (API объектной модели OpenSCADA);
• вычислительные контроллеры и другие вычислительные узлы системы.

Объекты функций должны содержать только структуру параметров функций и алгоритм вычисления. Реальные значения объектам функций должны передаваться в виде кадра значений различными вычислительными контролерам и узлами.

Декларирующие объекты должны содержаться в ядре системы OpenSCADA для предоставления доступа всем компонентам среды программирования.

Кадры значений, которые передаются объектам функций в процессе вычислений, должны храниться в узлах, требующих вычислений. Такими узлами могут быть:

• вычислительные контроллеры;
• среда визуализации;
• логический уровень параметров;
• другие вычислительные узлы.

3.2 Общие требования

Сформулируем требования к среде программирования, исходя из архитектурных требований, которые требуют разделения среды программирования на три части.

Ядро системы OpenSCADA должно обеспечить:

• хранение декларирующих структур: объектов функций, параметров функций и кадра значений функций;
• связывание кадра значений с функцией;
• поддержку параметров стандартных типов системы OpenSCADA: целые, вещественные, логические и строчные;
• возможность тестирования функций для указанных входных данных;

В рамках проекта нужно реализовать следующие библиотеки функций и вычислительные контролеры:

• модуль(и) статических библиотек функций;
• модуль вычислителя на языке программирования высокого уровня и модуль библиотек функций на языке высокого уровня (по совместительству);
• модуль вычислителя на языке блоков.

Модуль(и) статических библиотек функций должны обеспечить:

• формирование библиотеки стандартных математических функций;
• формирование библиотеки функций совместимости с SCADA Complex1 фирмы НІП “ДІЯ”;
• обслуживание системных команд запуска и остановки модуля с целью обеспечения поддержки автоматического обновления модуля библиотек.

Модуль вычислителя на языке программирования высокого уровня и модуль библиотек функций на этом языке по совместительству должны обеспечить:

• конфигурацию контролеров данного типа с возможностью установки периода вычисления и количества вычислений в одном цикле;
• простые типы параметров для доступа к данным вычислителя из системы;
  • создание параметров вычислительной функции контролера подсистемы "DAQ" (таблицы данных);
  • создание программы вычисления для контролера подсистемы "DAQ";
  • поддержку обращений к атрибутам параметров контролера подсистемы "DAQ" из программы вычисления;
• формирование библиотек функций пользователя;
  • формирование функций пользователем;
  • редактирование параметров функций с упреждением пользователей функций (кадры значений) про смену структуры, то есть без прерывания вычислений и блокирования возможности модификации;
  • создание программы функции.

Модуль вычислителя на языке блоков должен обеспечить:

• конфигурацию контролеров данного типа с возможностью установки периода вычислений и количества вычислений в одном цикле;
• простые типы параметров контролера подсистемы "DAQ" для доступа к данным вычислителя из системы;
• формирование блоков блочной схемы;
• связывание блоков один с другим и с атрибутами параметров.

3.3 Требования к разрабатываемому языку программирования высокого уровня

Для реализации модуля вычислителя на языке программирования высокого уровня и модуля библиотек функций на этом же языке нужно использовать грамматику одного из известных языков программирования высокого уровня.
Программа на выбранном языке должна компилироваться в код внутренней виртуальной машины. Главными требованиями к виртуальной машине являются: высокая надёжность и производительность. Для удовлетворения требований высокой надёжности виртуальная машина должна содержать механизмы учёта и ограничения времени обсчёта.

В обязательном порядке нужно реализовать следующие возможности языка программирования:

• поддержка основных операций;
• поддержка сложных выражений с приоритетами операций;
• поддержка скобок для отделения высокоприоритетных участков;
• поддержка основных типов данных системы OpenSCADA: целый, вещественный, логический и строковый;
• поддержка облегчённой схемы приведения типов;
• поддержка условных операторов, в их числе: if, for, while;
• поддержка скобок для группирования выражений;
• поддержка вызова функций, в их числе встроенные и внешние (из объектной модели ОМ).

3.4 Требования к разрабатываемому языку блочного программирования

Язык блочных схем может строиться на основе функций доступных библиотек функций объектной модели OpenSCADA. Каждый блок может ассоциироваться с функцией и формировать структуру значений в соответствии со структурой функции. Каждый блок должен обеспечивать включение и исключение из процесса обработки, не останавливая вычисления всей схемы.
Для связывания блоков один с другим нужно обеспечить поддержку следующих типов связей:

• межблочные - подключение входа блока к выходу другого блока, а также входа одного блока к входу другого;
• дальние межблочные – объединение блоков разных контроллеров данного модуля;
• коэффициент – преобразование входа в константу, все входы/выходы по умолчанию инициируются как константы;
• внешний атрибут параметра.

Связи должны поддерживать их "горячую", в процессе вычисления, установку.

4 Проектирование

4.1 Постановка задачи

Любой сложный программный комплекс должен содержать среду программирования. Наличие такой среды значительно расширяет гибкость системы и, как следствие, сферу её применения. Среда программирования, которая используется в таких программных комплексах, может основываться на различных языках программирования. Однако чаще всего используются языки, наделённые высоким уровнем формализма, например, языки блоков (блочные схемы, логичные схемы, релейные схемы и другие). Однако, на уровне с ними часто используются языки высокого уровня типа С и С++ в своей упрощённой реинкарнации: Java и JavaScript. Не в последнюю очередь также используются языки логического вывода: Prolog и Lisp.

Система OpenSCADA разрабатывается как гибкая и высоко-масштабируемая SCADA система, поэтому создание собственной среды программирования является важной задачей. Главной целью создания среды пользовательского программирования является предоставление в систему OpenSCADA гибкого и мощного механизма программирования.

Кроме того, среда программирования предназначена для предоставления возможности создания:

• алгоритмов управления технологическими процессами;
• моделей технологических, химических, физических и других процессов, а также для реализации адаптивных механизмов управления по моделям;
• программ пользователя для управления внутренними функциями системы OpenSCADA и её подсистемами и модулями;
• гибкого формирования структур параметров на уровне пользователя (логический уровень);
• дополнительных вычислений.

4.2 Объект функции, как ключевой элемент среды программирования

Ключевым элементом среды программирования в роли объекта выбрана функция, где функция определена как контейнер, который содержит структуры данных (параметры) и алгоритм их вычисления. При этом параметры могут быть как входами, так и выходами. Такая, несколько упрощённая объектная структура, совмещает объект с механизмом, тем самым упрощая начальное восприятие и создание среды программирования. Кроме того, такой выбор не исключает возможности создания полноценной объектной модели (ОМ) в будущем.

То есть, имеем элементарный модуль рис.1.



Где:

Как видно, такой модуль не содержит состояний, потому как не хранит значений ни входов ни выходов. Добавление состояния, как текущий контекст, модуль получает в так называемых вычислителях. Такая схема позволяет один модуль функции использовать в разных модулях вычислителей (рис. 2).

4.3 Выбор языка высокого уровня для реализации вычислителя на этом языке

Для реализации языка программирования высокого уровня нужно определиться с языком, который будет взят за основу. Исходя из принципа, что язык должен быть достаточно известным и, по возможности, использоваться другими проектами в качестве внутреннего языка вычислений, остановимся на следующих языках: С, Java, JavaScript и Phyton. Поскольку языки С, Java и JavaScript практически вышли из языка C, то ограничим круг до языков Java и JavaScript. Язык C++ является несколько сложным, поскольку содержит механизмы работы с адресами и указателями. Эти возможности являются избыточными для задач среды пользовательского программирования.

Остановимся на языках Java и JavaScript, грамматика которых упрощена. Сначала реализуем общую грамматику для языков Java и JavaScript с последующим уклоном к языку JavaScript, поскольку он часто используется внутри других проектов (Web-браузеры, KDE).

4.4 Проектирование грамматики синтаксического анализатора. Выбор инструмента для создания синтаксического и лексического анализаторов

Известно, что для построения компилятора или интерпретатора нужно создать лексический анализатор, синтаксический анализатор и генератор кода или интерпретатор.

Лексический анализатор строится достаточно просто.

Синтаксический анализатор основывается на таком понятии, как формальные грамматики и его создание - задание нетривиальное. Поэтому существуют готовые инструменты для построения синтаксических анализаторов по указанной грамматике. Из них можно отметить генератор синтаксических анализаторов Yacc (AT&T и Berkeley). На основе этого известного генератора синтаксических анализаторов создано множество других, например Bison и Zubr. Все они совместимы и могут заменять один другого.

Для разработки языка программирования был выбран генератор синтаксических анализаторов Bison, поскольку он свободно распространяется практически со всеми современными дистрибутивами ОС Linux, развивается и является многоплатформенным.

Любую формальную грамматику можно записать в виде:
G = <A, N, г, P>
где :

Запишем терминальный и нетерминальный алфавиты:
A = {ERR, IF, ELSE, =, ADDEQ, SUBEQ, MULEQ, DIVEQ, FUNC, B_FUNC, B_FUNC1, B_FUNC2, VAR, CONST, ?, :, OR, AND, |, &, ^, >, <, GE, LE, EQ, NE, +, -, *, /, %, UN_MINUS, !, , ',', (, ), '{', '}', ; }
N = {root, solver, solve,assign, expr, prmlst, if, if_expr, end }

Описание терминального алфавита приведено в таблице 1. Описание нетерминального алфавита приведено в таблице 2. Правила P грамматики приведены в таблице 3. В качестве аксиомы грамматики определено: г = root;

Таблица 1: Терминальный алфавит Java-подобного языка (A)

Терминал	Описание
ERR	Ошибка. Вставляется лексическим анализатором в случае ошибки в нём.
error	Ошибка. Прерывает работу синтаксического анализатора.
IF	Ключевое слово условия - “if”.
ELSE	Ключевое слово условия - “else”.
=	Операция – присвоить.
ADDEQ	Операция - “+=”
SUBEQ	Операция - “-=”
MULEQ	Операция - “*=”
DIVEQ	Операция - “/=”
FUNC	Внешняя функция.
B_FUNC	Встроенная функция без параметров.
B_FUNC1	Встроенная функция с одним параметром.
B_FUNC2	Встроенная функция с двумя параметрами.
VAR	Переменная, автоматическая переменная, атрибут системного параметра или параметр функции.
CONST	Константа.
?	Первый символ операции “?:”
:	Второй символ операции “?:”
OR	Логическая операция - “||”
AND	Логическая операция - “&&”
|	Операция – побитовое “ИЛИ”
&	Операция – побитовое “И”
^	Операция – исключающее “ИЛИ”
>	Операция – больше.
<	Операция – меньше.
GE	Операция – больше или равно.
LE	Операция – меньше или равно.
EQ	Операция – эквивалентно.
NE	Операция – неэквивалентно.
+	Операция – сложение.
-	Операция – вычитание.
*	Операция – умножение.
/	Операция – деление.
%	Операция – остаток от целочисленного деления.
UN_MINUS	Операция – унарный минус.
!	Операция – инверсия.
~	Операция – побитовая инверсия.
,	Разделитель (отделяет параметры в функциях).
(	Выделение приоритета в выражениях и параметров в функциях.
)	Выделение приоритета в выражениях и параметров в функциях.
{	Выделение блока выражений.
}	Выделение блока выражений.
;	Завершение выражения.

Таблица 2: Нетерминальный алфавит Java-подобного языка (N)

Нетерминал	Описание
root	Корень. Все выражения должны сворачиваться в него.
solver	Решение.
solve	Елемент решения.
assign	Присвоение.
expr	Выражение.
prmlst	Список параметров функции.
if	Условие.
if_expr	Выражение условия.
end	Конец условия или программы.

Таблица 3: Грамматика Java-подобного языка

Правило	Описание
root: solver end | error	разрешение и окончание программы; ошибка.
solver: /*empty*/ | solver solve	пустое решение; рекурсия решения.
solve: assign ';' | IF '(' expr ')' if solve end | IF '(' expr ')' if solve end ELSE solve end | FUNC '(' prmlst ')' ';' | '{' solver '}'	присвоение; глобальное короткое условие; глобальное полное условие; процедурный вызов внешней функции; блоки кода в скобках “{“ “}”.
assign: VAR '=' expr | VAR ADDEQ expr | VAR SUBEQ expr | VAR MULEQ expr | VAR DIVEQ expr	простое присвоение; присвоение с добавлением; присвоение с вычитанием; присвоение с умножением; присвоение с делением.
expr: CONST | VAR | VAR '=' expr | B_FUNC '(' ')' | B_FUNC1 '(' expr ')' | B_FUNC2 '(' expr ',' expr ')' | FUNC '(' prmlst ')' | expr '+' expr | expr '-' expr | expr '*' expr | expr '/' expr | expr '%' expr | expr '|' expr | expr '&' expr | expr '^' expr | '(' expr ')' | expr OR expr | expr AND expr | expr '<' expr | expr '>' expr | expr GE expr | expr LE expr | expr EQ expr | expr NE expr | '!' expr | '~' expr | '-' expr | expr if_expr expr end ':' expr end	константа; переменная; присвоение переменной внутри выражения; встроенная функция без параметров; встроенная функция с одним параметром; встроенная функция с двумя параметрами; внешняя функция; добавление; вычитание; умножение; деление; остаток от целочисленного деления; побитовое “ИЛИ”; побитовое “И”; побитовое исключающее “ИЛИ”; скобки в выражении; логическое “ИЛИ”; логическое “И”; меньше; больше; больше и равно; меньше и равно; равно; не равно; логическое отрицание; побитовая инверсия; унарный минус; условие внутри выражения;
prmlst: /*empty*/ | expr | prmlst ',' prmlst	пустой список параметров; выражение как параметр; перечень параметров через “,”.
if: /*empty*/	Старт условия (для создания кода условия).
if_expr: '?'	Старт условия внутри выражения.
end: /*empty*/	Конец программы или условия.

На основе этих правил можно построить синтаксический анализатор. Однако, для работы синтаксического анализатора нужен лексический анализатор, который должен выполнять анализ потока входной программы, выделять лексемы и предоставлять их синтаксическому анализатору.

Реализуем лексический анализатор, который должен выполнять следующие функции:

• определять позицию символа во входном потоке и передавать её синтаксическому анализатору для сообщения позиции ошибок;
• обрабатывать комментарии;
• контролировать конец потока программы;
• выделять цифры четырёх типов: десятичное, восьмеричное, шестнадцатеричное и вещественное;
• выделять строки;
• выделять символы по приоритетному списку:
  • ключевые слова;
  • константы;
  • встроенные функции;
  • внешние функции;
  • уже зарегистрированные символы переменных;
  • новые атрибуты системных параметров;
  • новые параметры функции;
  • новая автоматическая переменная.
• выделять многосимвольные лексемы, исходя из терминального алфавита.

Для упрощения языка будем использовать неявное определение локальных переменных, которое предполагает определение новых переменных во время присвоения ей первого значения. Кроме того, тип локальной переменной должен устанавливаться в соответствии с типом значения, которое впервые было ей присвоено. Например, выражение <Qr=Q0*Pi+0.01;> должно определить переменную Qr типом переменной Q0.

В работе с различными типами данных используем механизм автоматического приведения типов, в местах где такое приведение имеет смысл.

Для комментирования участков кода предусмотрим символы «//». Всё, что идёт после данных символов до конца строки, должно игнорироваться компилятором (лексическим анализатором).

Предусмотрим, чтоб в процессе генерации кода виртуальной машины компилятор выполнял оптимизацию по константам и приведение типов констант к нужному типу.

Под оптимизацией по константам подразумевается выполнение вычислений над двумя константами в процессе построения кода и последующая вставка результата в код. Например, выражение <y=pi*10;> должно свернуться к простому присваиванию <y=31.4159;>.

Под приведением типов констант к необходимому типу подразумевается формирование в коде константы, которая исключает приведение типа в процессе исполнения. Например, выражение <y=x*10> в случае вещественного типа переменной <x>, должно преобразоваться в <y=x*10.0>.

4.4.1 Элементы языка

В результате разработки реализуем следующие элементы языка программирования:
Ключевые слова: if, else, true, false.
Постоянные:

• десятичные -- цифры 0–9 (12,111, 678);
• восьмеричные -- цифры 0–7 ( 012, 011, 076);
• шестнадцатеричные -- цифры 0–9, буквы a-f или A-F (0x12, 0XAB);
• вещественные -- 345.23, 2.1e5, 3.4E-5, 3e6;
• логические -- true, false;
• строковые -- “hello”.

Типы переменных:

• целые -- -2³¹...2³¹;
• вещественные -- 3.4 * 10³⁰⁸;
• логические -- false, true;
• строка -- длина до 256 символов без перехода на другую строку.

Встроенные константы: pi = 3.14159265, e = 2.71828182.
Атрибуты параметров системы OpenSCADA.
Функции объектной модели системы OpenSCADA.

4.4.2 Операции

Операции, поддержку которых языком программирования мы получим, представлены в таблице 4. Приоритет операций уменьшается сверху вниз. Операции с одинаковым приоритетом входят в одну цветовую группу.

Таблица 4. Операции Java-подобного языка

Символ	Описание
()	Вызов функции.
{}	Программные блоки.
-	Унарный минус.
!	Логическое отрицание.
~	Побитовое отрицание.
*	Умножение.
/	Деление.
%	Остаток от целочисленного деления.
+	Сложение
-	Вычитание
>	Больше
>=	Больше или равно
<	Меньше
<=	Меньше или равно
==	Равно
!=	Неравно
|	Поразрядное «ИЛИ»
&	Поразрядное «И»
^	Поразрядное «Исключающее ИЛИ»
&&	Логический «И»
||	Логический «ИЛИ»
?:	Условная операция (i=(i<0)?0:i;)
=	Присваивание.
+=	Присваивание с сложением.
-=	Присваивание с вычитанием.
*=	Присваивание с умножением.
/=	Присваивание с делением.

4.4.3 Встроенные функции языка

Для обеспечения высокой скорости работы в математических вычислениях модуль предоставляет встроенные математические функции, которые вызываются на уровне команд виртуальной машины. Встроенные математические функции:

• sin(x) - синус x;
• cos(x) - косинус x;
• tan(x) - тангенс x;
• sinh(x) - синус гиперболический от x;
• cosh(x) - косинус гиперболический от x;
• tanh(x) - тангенс гиперболический от x;
• asin(x) - арксинус от x;
• acos(x) - арккосинус от x;
• atan(x) - арктангенс от x;
• rand(x) - случайное число от 0 до x;
• lg(x) - десятичный логарифм от x;
• ln(x) - натуральный логарифм от x;
• exp(x) - экспонента от x;
• pow(x,y) - возведение x в степень y;
• sqrt(x) - корень квадратный от x;
• abs(x) - абсолютное значение от x;
• sign(x) - знак числа x;
• ceil(x) - округление числа x до большего целого;
• floor(x) - округление числа x до меньшего целого.

4.4.4 Операторы языка

Языком поддерживаются два типа условных операторов. Первый - это условный оператор для использования внутри выражения, второй - глобальный.

Условный оператор для использования внутри выражения строится на операциях «?» и «:». В качестве примера можно записать следующее практическое выражение <st_open=(pos>=100)?true:false;>, что читается, как «Если переменная <pos> больше или равна 100, то переменной <st_open> присваивается значение "true", иначе "false".

Глобальное условие строится на основе ключевых слов "if" и "else". В качестве примера можно привести то же выражение, но другим способом <if(pos>100) st_open=true; else st_open=false;>. Как видно, выражение записано по-другому, но читается также.

4.4.5 Примеры программы на Java-подобном языке

Приведём несколько примеров программ на разработанном Java-подобном языке:

4.5 Разработка внутренней виртуальной машины

Результатом работы синтаксического анализатора вместе с лексическим может быть или непосредственно интерпретация(выполнение программы), или генерация кода внутренней виртуальной машины.

Интерпретация не требует дополнительных усилий на разработку виртуальной машины и является хорошим решением в случае не сильно требовательных вычислений.

Виртуальная машина позволяет реализовывать высоко производительные вычисления за счёт оптимизации кода и исключения лишнего анализа лексического и синтаксического анализаторов, однако требует значительных усилий на её разработку.

Поскольку в условиях разработки есть пункт, требующий обеспечения высокопроизводительных и надёжных вычислений, то остановимся на разработке виртуальной машины.

Существует множество способов построения виртуальной машины, из них можно отметить:

• стековые машины;
• код на основе четверок.

Стековые машины являются удобным способом построения виртуальной машины. Особенностью стековой виртуальной машины является:

• операнды любой операции размещаются в стеке;
• операция вынимает операнды из стека, выполняет действие и кладёт результат в стек;
• выбирается следующая команда и цикл повторяется.

Недостатком стековых машин является то, что стек является динамической структурой, на работу с которой затрачивается относительно много времени, кроме того, для реализации памяти на статические даные отдельного вычислительного сеанса нужно предусматривать отдельную структуру данных.

Другим классом виртуальных машин являются виртуальные машины, основанные на так называемых четверках. Суть четвёрок состоит в том, что команда состоит из: <код> <результат> <операнд1> <операнд2>

Где результат и операнды являются ссылками на регистры памяти или структуры. Код виртуальной машины такого класса получается несколько больше, но структура памяти является статичной и может совмещать функции хранения статических и динамических данных вычисления. Поэтому, для построения виртуальной машины выберем схему, основанную на четверках.

Все даные нашей виртуальной машины будем размещать в регистрах. Регистр виртуальной машины должен представлять структуру, которая может сохранять следующие данные:

• значения логического типа;
• значения целого типа;
• значения вещественного типа;
• значения строкового типа;
• ссылки на параметр функции;
• ссылки на атрибуты параметров подсистемы "DAQ".

Команды построенной виртуальной машины приведено в приложении A. Механизм работы виртуальной машины будет следующим:
Синтаксический анализатор выделяет команды и генерирует код в семантических процедурах Bison. Во время генерации кода виртуальной машины формируется перечень регистров. Регистры, которые содержат ссылки на параметры данной функции, атрибуты параметров подсистемы "DAQ" и внутренние переменные, будут инициализироваться во время генерации кода и больше не использоваться на другие цели. Другие регистры (динамические даные промежуточных вычислений) должны резервироваться и использоваться на временные цели. Такие регистры инициируются конкретными значениями во время выполнения программы в виртуальной машине. Полученная конфигурация регистров (структура памяти) и код программы виртуальной машины используются в режиме вычисления виртуальной машины. При этом конфигурация регистров не меняется, что позволяет использовать быстрые механизмы для доступа к регистрам и первичной инициализации кадра регистров.

Для адресации регистров использован один байт, что обеспечивает поддержку до 255 параметров функции (в сумме с внутренними переменными).

4.6 Разработка языка блочного программирования

Языки блочного программирования основываются на понятии блочных схем. При чем, в зависимости от сущности блока блочные схемы могут быть: логическими схемами, схемами релейной логики, модель технологического процесса и другое. Суть блочной схемы состоит в том, что она содержит список блоков и связи между ними.

С формальной точки зрения блок - это элемент, который имеет входы, выходы и алгоритм вычисления. Исходя из концепции среды программирования и его основы (рис. 2), блок - это кадр значений параметров, ассоциированный с объектом функции.

Разумеется входы и выходы блоков нужно соединять для получения цельной блочной схемы. Предусмотрим следующие типы связей:

• межблочные - подключение входа одного блока к выходу другого, а такоже входа одного блока к входу другого;
• дальние межблочные - соединение блоков контроллеров данного модуля;
• коэффициенты - преобразование входа в константу, все входы/выходы по умолчанию инициированы как константы;
• внешний атрибут параметра.

Условно соединения блоков можно изобразить как связи между блоками в целом (рис. 3) или детализация связей (рис. 4). В процессе связывания параметров блоков не будем придерживаться строгого соответствия типам параметров. Это означает, что параметры разных типов смогут легко связываться один с другим. Причем в процессе вычисления будет выполняться автоматическое приведение типов.

Поскольку блочный вычислитель основан на объектах функций объектной модели системы OpenSCADA, то и типы параметров блоков будут такими же, то есть: целое, вещественное, логичное и строка.

4.7 Проектирование архитектуры

Исходя из модульной архитектуры системы OpenSCADA и размышлений, приведенных в разделах выше, была разработана архитектура среды программирования (рис.5).



Как можно видеть, архитектура среды программирования состоит из трёх частей:

• API объектной модели системы OpenSCADA с декларацией основных объектов;
• библиотеки функций;
• вычислительные контроллеры.

Такая архитектура среды программирования позволяет распределить процесс создания и использования. То есть, алгоритмы вычислений в виде объектов функций предоставляются одними компонентами, а используются для вычислений другими.

При такой схеме должна существовать прослойка, которая объединяет компоненты, предоставляющие алгоритмы с компонентами, которые их используют, особенно это важно в свете того, что эти компоненты могут быть отделены от системы, то есть являться модулями. Этим слоем и должен выступать API объектной модели системы OpenSCADA.

Исходя из структуры среды программирования, создадим классы объектов. Статическую диаграмму классов с отделением каждого компонента среды программирования приведено на рис.6. Описание классов приведено в таблице 5.



Таблица 5. Классы среды программирования

Класс	Ответственность	Связи
TFunction	Класс функции. Содержит описание параметров (IO). В предке должен содержать реализацию алгоритма функции.	Используется вычислителями для связывания с кадром значений. Является абстрактным, наследуется компонентами, которые предоставляют собственные библиотеки функций.
TValFunc	Класс значений функции. Содержит значения функции в соответствии с составом параметров (IO) класса TFunction.	Агрегируется с объектом функции TFunction для совместных вычислений. Может наследоваться классами вычислителя. Экземпляр класса TValFunc передаётся классу TFunction во время вычисления для выполнения алгоритма в TFunction над значениями в TValFunc.
IO	Класс параметра функции. Содержит описание параметра, его тип и атрибуты.	Используется классом значений TValFunc для определения значений параметров.
UserLib	Класс библиотеки пользователя.	Может предоставлять инструмент создания функций пользователя.
UserFunc	Класс функции пользователя. Предоставляет параметры функции и алгоритм вычисления.	Наследует класс функции TFunction.
Block	Пользовательский класс вычислителя. Содержит ассоциированный с функцией TFunction кадр значений TValFunc. Вызывает процесс вычисления	Наследует класс кадра значений.

4.7.1 Архитектура вычислителя на Java-подобном языке

Исходя из структуры среды программирования (рис.5) и её диаграммы классов (рис.6), создадим классы вычислителя на Java-подобном языке (рис.7). Описание классов приведено в таблице 6.



Таблица 6. Классы модуля JavaLikeCalc

Класс	Ответственность	Связи
TipContr	Коренной класс модуля, главным назначением которого является точка входа в модуль.	Наследует класс интерфейса модулей подсистемы «Источников данных» TTypeDAQ для интеграции в систему OpenSCADA. Содержит: библиотеки функций предоставляемые этим модулем; объекты классов (Bfunc) встроенных в язык функций; объекты классов (NConst) именованных констант языка.
Contr	Класс реализации контроллера. Содержит механизм периодических вычислений над алгоритмом функции этого модуля.	Наследует класс интерфейса контроллера TController. Наследует класс кадра значений функции вычисления TValFunc.
Prm	Класс реализации параметра. Содержит механизм отображения таблицы данных контроллера на структуру параметра системы OpenSCADA.	Наследует класс интерфейса параметра TParamСontr. Содержит ссылки на таблицу данных контроллера.
Lib	Класс библиотеки функций данного модуля. Содержит механизм создания функций на Java-подобном языке.	Содержит функции Func данной библиотеки.
Func	Класс реализации функции. Содержит механизм создания параметров функции и программы вычисления. Также содержит механизм вычисления в виде виртуальной машины и компилятор для построения программы виртуальной машины.	Наследует класс интерфейса функции TFunction. Содержит: рабочие регистры; регистры вычисления; ссылки на использованные внешние функции.
BFunc	Класс встроенной функции. Содержит описание и количество параметров функции.	Содержится в классе TTipContr. Используется компилятором и виртуальной машиной в TFunc.
NConst	Класс именованной константы. Содержит описание и значение константы.	Содержиться в классе TTipContr. Используется компилятором и виртуальной машиной в TFunc.
Reg	Класс регистра виртуальной машины. Содержит информацию про тип регистра, его содержимое и другую информацию, необходимую для построения программы виртуальной машины.	Содержится в классе функции Func. Используется компилятором и виртуальной машиной.
RegW	Класс рабочего регистра виртуальной машины. Содержит только данные про тип и значение регистра, которых достаточно для работы виртуальной машины.	Содержится в классе функции Func. Используется виртуальной машиной во время вычисления.
UFunc	Класс внешней функции, который используется программой виртуальной машины.	Содержится в классе функции Func. Используется виртуальной машиной во время вычисления.

Для непосредственного вычисления нужно обеспечить создание и связывание контроллера с функцией этого же модуля. Для связывания с функцией в контроллере создаётся кадр значений TValFunc, над которым и производятся периодические вычисления.

Для экспорта полученных значений из контроллера в систему OpenSCADA и для импорта значений из системы в контроллер нужно использовать параметры контроллера подсистемы "DAQ". Параметры контроллера связываются с параметром вычислительной функции (полем таблицы данных) и должны выполнять отражение значений.

4.7.2 Архитектура вычислителя на языке блоков

Исходя из структуры среды программирования (рис.5) и её диаграммы классов (рис.6), создадим классы вычислителя на языке блоков (рис.8). Описание классов приведено в таблице 7.



Таблица 6. Классы модуля BlockCalc

Класс	Ответственность	Связи
TipContr	Коренной класс модуля, главным назначением которого является точка входа в модуль.	Наследует класс интерфейса модулей подсистемы «Источников данных» TTypeDAQ для интеграции в систему OpenSCADA.
Contr	Класс реализации контроллера. Содержит механизм периодических вычислений над алгоритмом блочной схемы.	Наследует класс интерфейса контроллера TController. Содержит блоки блочной схемы.
Prm	Класс реализации параметра подсистемы "DAQ". Содержит механизм отражения параметров блоков блочной схемы на структуру параметра подсистемы "DAQ" системы OpenSCADA.	Наследует класс интерфейса параметра TParamСontr. Содержит ссылки на параметр блока блочной схемы.
Block	Класс блока. Содержит кадр значений в соответствии с ассоциированной функцией. Содержит механизм связей.	Наследует класс интерфейса кадра значений TValFunc. На него ссылается объект класса параметра (Prm). Экземпляры класса этого типа могут содержать связи один на другого.

Каждый контроллер этого модуля содержит блочную схему, которую он должен вычислять в соответствии с указанной периодичностью.

Сами блоки при этом не содержат структуры входов/выходов(IO), а только содержат значения, исходя из структуры параметров связанной функции. Для соединения с блоком могут использоваться любые функции объектной модели (ОМ) системы OpenSCADA.

Для предоставления возможности экспортирования значений из блочной схемы в систему OpenSCADA предусмотрим возможность отображения атрибутов блоков на параметры контролера системы OpenSCADA. Таким же образом значения из системы OpenSCADA могут попасть в блочную схему контроллера.

4.7.3 Стандартная архитектура библиотек статических функций

Исходя из структуры среды программирования (рис.5) и её диаграммы классов (рис.6), создадим архитектуру классов для библиотек статических функций (рис.9). Описание классов приведено в таблице 8.



Таблица 7. Классы статической библиотеки функций

Класс	Ответственность	Связи
Lib	Коренной класс модуля, главным назначением которого является точка доступа в модуль. Выполняет функцию библиотеки, а значит содержит объекты статических функций.	Наследует класс интерфейса модулей подсистемы «Специальные» TSpecial для интеграции в систему OpenSCADA. Содержит объекты функций.
Func	Класc функции. Содержит структуру параметров и алгоритм их вычисления.	Наследует класс интерфейса функции TFunction.

На основе данной архитектуры построены следующие статические библиотеки функций:

• FLibComplex1 - библиотека функций совместимости с SCADA Complex1 (таблица 8);
• FLibMath - библиотека стандартных математических функций (таблица 9);
• FLibTime - библиотека функций для работы с временем (таблице 10);

Таблица 8. Функции библиотеки Complex1

Id	Имя	Описание функции. Формулы вычислений функций
alarm	Сигнал	Сигнал по шкале параметра: out = if(val>max || val<min) then true; else false;
cond <	Условие '<'	Условие '<' по формуле: out=if(in1<(in2_1*in2_2*in2_3*in2_4))  then in3_1*in3_2*in3_3*in3_4; else in4_1*in4_2*in4_3*in4_4;
cond >	Условие '>'	Условие '>' по формуле: out=if(in1>(in2_1*in2_2*in2_3*in2_4))  then in3_1*in3_2*in3_3*in3_4; else in4_1*in4_2*in4_3*in4_4;
cond_full	Полное условие	Полное условие по формуле: out = if(in1<(in2_1*in2_2*in2_3*in2_4)) then in3_1*in3_2*in3_3*in3_4; else if( in1>(in4_1*in4_2*in4_3*in4_4)    then in5_1*in5_2*in5_3*in5_4;   else in6_1*in6_2*in6_3*in6_4;
digitBlock	Дискретный блок	Сборка дискретных сигналов.
div	Делитель	Делитель по формуле: out = (in1_1*in1_2*in1_3*in1_4*in1_5 + in2_1*in2_2*in2_3*in2_4*in2_5 + in3) / (in4_1*in4_2*in4_3*in4_4*in4_5 + in5_1*in5_2*in5_3*in5_4*in5_5 + in6);
exp	Экспонента	Экспонента по формуле: out=exp (in1_1*in1_2*in1_3*in1_4*in1_5 + (in2_1*in2_2*in2_3*in2_4*in2_5+in3) / (in4_1*in4_2*in4_3*in4_4*in4_5+in
flow	Расход	Расчёт расхода по формуле: f = K1*((K3+K4*x)^K2);
increment	Итератор	Итератор по формуле: out = if( in1 > in2 ) then in2 + in3*(in1-in2);  else in2 - in4*(in2-in1);
lag	Задержка	Задержка по формуле: y = y - Klag*( y - x );
mult	Простое умножение	Простое умножение по формуле: out=(in1_1*in1_2*in1_3*in1_4*in1_5*in1_6)/ (in2_1*in2_2*in2_3*in2_4);
multDiv	Умножение+деление	Умножение+деление по формуле: out=in1_1*in1_2*in1_3*in1_4*in1_5* (in2_1*in2_2*in2_3*in2_4*in2_5+(in3_1*in3_2*in3_3*in3_4*in3_5)/ (in4_1*in4_2*in4_3*in4_4*in4_5));
pid	ПИД регулятор	ПИД регулятор
pow	Степень	Степень по формуле: out=(in1_1*in1_2*in1_3*in1_4*in1_5)^ (in2_1*in2_2*in2_3*in2_4*in2_5 + (in3_1*in3_2*in3_3*in3_4*in3_5)/ (in4_1*in4_2*in4_3*in4_4*in4_5));
select	Выбор	Вибор по формуле: out = if( sel = 1 ) then in1_1*in1_2*in1_3*in1_4; if( sel = 2 ) then in2_1*in2_2*in2_3*in2_4; if( sel = 3 ) then in3_1*in3_2*in3_3*in3_4; if( sel = 4 ) then in4_1*in4_2*in4_3*in4_4;
sum	Простой сумматор	Простой сумматор по формуле: out=in1_1*in1_2+in2_1*in2_2+in3_1*in3_2+in4_1*in4_2 + in5_1*in5_2+in6_1*in6_2+in7_1*in7_2+in8_1*in8_2;
sum_div	Сумма с делением	Сумма с делением по формуле: out = in1_1*in1_2*(in1_3+in1_4/in1_5) +  in2_1*in2_2*(in2_3+in2_4/in2_5) + in4_1*in4_2*(in4_3+in4_4/in4_5) +  in5_1*in5_2*(in5_3+in5_4/in5_5);
sum_mult	Сумма с умножением	Сумма с умножением по формуле: out = in1_1*in1_2*(in1_3*in1_4+in1_5) +  in2_1*in2_2*(in2_3*in2_4+in2_5) + in4_1*in4_2*(in4_3*in4_4+in4_5) +  in5_1*in5_2*(in5_3*in5_4+in5_5);

Таблица 9. Стандартные математические функции

Id	Имя	Описание
abs	Модуль	Мат. функция - модуль от числа.
acos	Арккосинус	Мат. функция - арккосинус.
asin	Арксинус	Мат. функция - арксинус.
atan	Арктангенс	Мат. функция - арктангенс.
ceil	Округл. до большего	Мат. функция - округления до большего целого.
cos	Косинус	Мат. функция - косинус.
cosh	Косинус гиперболический	Мат. функция - косинус гиперболический.
exp	Экспонента	Мат. функция - экспонента.
floor	Округл. до меньшего	Мат. функция - округления до меньшего целого
if	Условие Если	Функция - условие "Если".
lg	Десятичный логарифм	Мат. функция - десятичный логарифм.
ln	Натуральный логарифм	Мат. функция - натуральный лагорифм.
pow	Степень	Мат. функция - возведение в степень.
rand	Случ. число	Мат. функция - генератор случайных чисел.
sin	Синус	Мат. функция - синус.
sinh	Синус гиперболический	Мат. функция - синус гипербалический.
sqrt	Корень квадратный	Мат. функция - корень квадратный.
tan	Тангенс	Мат. функция - тангенс.
tanh	Тангенс гиперболический	Мат. функция - тангенс гиперболический.

Таблица 10. Функции времени

Id	Имя	Описание
date	Полная дата	Возвращает полную дату в составе: секунда, минута, час, день месяца, месяц, год, день недели, день в году.
time	Полное время (с 01.01.1970)	Возвращает полное время в виде числа секунд от начала эпохи
ctime	Полное время в виде строки	Возвращает строку полного времени вида "Wed Jun 30 21:49:08 1993".

5. Реализация

Начальную реализацию среды программирования в коде было выполнено с помощью полученной UML-модели путём генерации C++ кода в программе Umbrello. В результате был разработан интерфейс объектной модели (API) и компоненты в виде модулей к системе OpenSCADA:

• модуль “JavaLikeCalc” подсистемы “DAQ”;
• модуль “BlockCalc” подсистемы “DAQ”;
• модуль “FLibComplex1” подсистемы “Специальные”;
• модуль “FLibMath” подсистемы “Специальные”;
• модуль “FLibTime” подсистемы “Специальные”.

Общую структуру всех этих компонентов и API приведено на рис.10.

ПРИЛОЖЕНИЕ A. Команды внутренней виртуальной машины

Таблица. Команды внутренней виртуальной машины модуля “JavaLikeCalc”

Команда	Код	Описание
End	01	Окончание программы или условной команды.
MviB	02 R V	Загрузка логического признака [V] в регистр [R]. Производится инициализация регистра.
MviI	03 R V V V V	Загрузка целого числа [V V V V] в регистр [R]. Производится инициализация регистра.
MviR	04 R V V V V V V	Загрузка вещественного числа [V V V V V V] в регистр [R]. Производится инициализация регистра.
MviS	05 R N S . .	Загрузка строки [S . .] длиной [N] в регистр [R]. Производится инициализация регистра.
AssB	06 R0 R1	Присвоение логического признака из регистра [R1] регистру [R0].
AssI	07 R0 R1	Присвоение целого из регистра [R1] регистру [R0].
AssR	08 R0 R1	Присвоение вещественного из регистра [R1] регистру [R0].
AssS	09 R0 R1	Присвоение строки из регистра [R1] регистру [R0].
MovB	0A R0 R1	Перемещение логического признака из регистра [R1] в регистр [R0]. Производится инициализация регистра.
MovI	0B R0 R1	Перемещение целого из регистра [R1] в регистр [R0]. Производится инициализация регистра.
MovR	0C R0 R1	Перемещение вещественного из регистра [R1] в регистр [R0]. Производится инициализация регистра.
MovS	0D R0 R1	Перемещение строки из регистра [R1] в регистр [R0]. Производится инициализация регистра.
AddI	OE R0 R1 R2	Сложение целых: R0 = R1 + R2.
AddR	OF R0 R1 R2	Сложение вещественных: R0 = R1 + R2.
AddS	1O R0 R1 R2	Сложение строк: R0 = R1 + R2.
SubI	11 R0 R1 R2	Вычитание целых: R0 = R1 - R2.
SubR	12 R0 R1 R2	Вычитание вещественных: R0 = R1 - R2.
MultI	13 R0 R1 R2	Перемножение целых: R0 = R1 * R2.
MultR	14 R0 R1 R2	Перемножение вещественных: R0 = R1 * R2.
DivI	15 R0 R1 R2	Деление целых: R0 = R1 / R2.
DivR	16 R0 R1 R2	Деление вещественных: R0 = R1 / R2.
RstI	17 R0 R1 R2	Остаток от целочисленного деления: R0 = R1 % R2.
BitOr	18 R0 R1 R2	Побитовое “ИЛИ”: R0 = R1 | R2.
BitAnd	19 R0 R1 R2	Побитовое “И”: R0 = R1 & R2.
BitXor	1A R0 R1 R2	Побитовое исключающее “ИЛИ”: R0 = R1 ^ R2.
LOr	1B R0 R1 R2	Логическое “ИЛИ”: R0 = R1 || R2.
LAnd	1C R0 R1 R2	Логическое “И”: R0 = R1 && R2.
LTI	1D R0 R1 R2	Целое меньше: R0 = R1 < R2.
LTR	1E R0 R1 R2	Вещественое меньше: R0 = R1 < R2.
GTI	1F R0 R1 R2	Целое больше: R0 = R1 > R2.
GTR	20 R0 R1 R2	Вещественное больше: R0 = R1 > R2.
LEI	21 R0 R1 R2	Целое меньше или равно: R0 = R1 <= R2.
LER	22 R0 R1 R2	Вещественное меньше или равно: R0 = R1 <= R2.
GEI	23 R0 R1 R2	Целое больше или равно: R0 = R1 >= R2.
GER	24 R0 R1 R2	Вещественное больше или равно: R0 = R1 >= R2.
EQI	25 R0 R1 R2	Целое равно: R0 = R1 == R2.
EQR	26 R0 R1 R2	Вещественное равно: R0 = R1 == R2.
EQS	27 R0 R1 R2	Строка равно: R0 = R1 == R2.
NEI	28 R0 R1 R2	Целое не равно: R0 = R1 != R2.
NER	29 R0 R1 R2	Вещественное не равно: R0 = R1 != R2.
NES	2A R0 R1 R2	Строка не рано: R0 = R1 != R2.
Not	2B R0 R1	Отрицание: R0 = !R1.
BitNot	2С R0 R1	Побитовая инверсия: R0 = ~R1.
NegI	2D R0 R1	Инверсия целого: R0 = -R1.
NegR	2E R0 R1	Инверсия вещественного: R0 = -R1.
If	2F R E E N N	Условие, если [R] действительно, то исполняются команды после этой операции и по завершению выполняется переход по относительному адресу [N N]; иначе выполняются команды по относительному адресу [EE] и по завершению выполняется переход по относительному адресу [N N].
FSin	30 R0 R1	Функция синус: R0 = sin(R1).
FCos	31 R0 R1	Функция косинус: R0 = cos(R1).
FTan	32 R0 R1	Функция тангенс: R0 = tan(R1).
FSinh	33 R0 R1	Функция гиперболический синус: R0 = sinh(R1).
FCosh	34 R0 R1	Функция гиперболический косинус: R0 = cosh(R1).
FTanh	35 R0 R1	Функция гиперболический тангенс: R0 = tanh(R1).
FAsin	36 R0 R1	Функция арксинус: R0 = asin(R1).
FAcos	37 R0 R1	Функция арккосинус: R0 = acos(R1).
FAtan	38 R0 R1	Функция арктангенс: R0 = atan(R1).
FRand	39 R0 R1	Случайное число: R0 = rand(R1).
FLg	3A R0 R1	Десятичный логарифм: R0 = lg(R1).
FLn	3B R0 R1	Натуральный логарифм: R0 = ln(R1).
FExp	3С R0 R1	Экспонента: R0 = exp(R1).
FPow	3D R0 R1 R2	Возведение в степень: R0 = pow(R1,R2).
FSqrt	3E R0 R1	Корень квадратный: R0 = sqrt(R1).
FAbs	3F R0 R1	Абсолютное значение: R0 = |R1|.
FSign	40 R0 R1	Знак: R0 = sign(R1).
FCeil	41 R0 R1	Округление до большего: R0 = ceil(R1).
FFloor	42 R0 R1	Округление до меньшего: R0 = floor(R1).
CProc	43 F N R P P . .	Процедурный вызов внешней функции [F], с параметрами [P P . .], в количестве [N]. [R] - не используется.
CFunc	44 F N R P P . .	Вызов внешней функции [F], с параметрами [P P . .], в количестве [N]. Результат функции помещается в [R].

Ссылки

Referring pages:

Doc
Doc/LogicLevParam
Doc/VCA/part6/part1
HomePageUk/Doc
Works/ChangeLog/part2006