Часть 2. Общие характеристики распределенных систем.

13.1. Распределенные системы автоматизации

Распределенная система управления (РСУ, DCS - Distributed Control System)- множество территориально разнесенных средств программного управления (СПУ) и средств в-в, объединенных информационными сетями. Структура РСУ подобна структуре самого объекта автоматизации (ОА), а функции сбора, обработки данных, управления и вычисления оказываются распределенными среди множества РСУ. Каждое СПУ работает со своей группой средств в-в и обслуживает определенную часть ОА. Часто технологическое оборудование выпускается с уже встроенными РСУ. Тенденция децентрализации управления и приближения СПУ к объектам управления является общей для всех СА и отчасти навеяна успехами объектно-ориентированного программирования (ООП).

РСУ - система, состоящая из множества независимых устройств ПА, разнесенных в пространстве, информационно взаимодействующих для выполнения общей задачи.

Максимальные преимущества РСУ достигаются, когда СПУ работают автономно, а обмен информацией между ними сведен до минимума.

Характеристики РСУ, отличающие ее от сосредоточенных систем:

· большее быстродействие благодаря распределению задач между параллельно работающими СПУ;

· повышенная надежность (отказ одного СПУ не влияет на работоспособность других);

· большая устойчивость к сбоям;

· более простое наращивание или реконфигурирование системы;

· упрощенная процедура модернизации;

· большая простота проектирования, настройки, диагностики и обслуживания благодаря соответствию архитектуры системы архитектуре объекта управления, а также относительной простоте каждого из средств системы;

· улучшенная помехоустойчивость и точность благодаря уменьшению длины линий передачи аналоговых сигналов от датчиков к устройствам ввода;

· меньший объем кабельной продукции, пониженные требования к кабелю и более низкая его стоимость;

· меньшие расходы на монтаж и обслуживание кабельного хозяйства.

РСУ смягчает также требования к ОС РВ, поскольку задачи распределены между параллельно работающими СПУ, на каждом из которых установлена отдельная ОС.

В РСУ для связи с удаленными модулями в-в широко используется интерфейс RS-485, обеспечивающий помехоустойчивую связь на расстоянии до 1.2км без повторителя. К СОМ – порту (с RS-232) и USB-порту компьютера проводники такой связи подключаются через соответствующие автоматические преобразователи интерфейсов. При необходимости число портов ПК увеличивают используя разветвители интерфейсов USB (USB- хабы).

Внешние устройства, не имеющие гальванически изолированного порта, обычно подключают к компьютеру через изолирующие преобразователи интерфейсов, защищающие компьютер от случайного попадания высокого напряжения в случае аварии или небрежного обращения. Примером может служить оптический изолятор OI-232-1000 [НИЛ АП] с напряжением изоляции 1000В.

Все более широкое распространение приобретают оптоволоконные линии связи и соответствующие преобразователи интерфейсов

Простейший пример локальной (1-компьютерной) РСУ показан на рис.11.1:

Рис.13.1.простейший пример 1-компьютерной РСУ

Пример архитектуры распределенной системы сбора данных и управления с общей шиной показан на рис.13.2

Рис.13.2.Пример архитектуры распределенной системы сбора данных и управления с общей шиной на модулях RealLab![НИЛ АП]

Локальные РСУ

Для эффективности РСУ необходимы строгие методы их описания, обеспечение совместимости и взаимозаменяемости всех устройств, входящих в систему. Для этих целей утвержден международный стандарт МЭК 61499. Он определяет 3 уровня иерархии моделей при разработке распределенных систем:

1) системы;

2) физические устройства;

3) функциональные блоки (ФБ).

Все модели представляются в виде ФБ, описывающих процесс передачи и обработки информации в системе. Их особенность - учитывают не только традиционное инициирование выполнения алгоритма с помощью тактирования или временного расписания, но и обеспечивают событийное управление (по признаку наступления некоторых событий). Событийное управление является более общим, а тактирование можно рассматривать как его частный случай периодического появления одного и того же события (сигнала тактирования).

Валидация (термин ИСО 9001) - подтверждение соответствия системы требованиям ее назначения. Выполняется с участием потребителя.

Верификация - доказательство достоверности характеристик системы.

ФБ могут быть использованы для поддержания всего жизненного цикла системы, включая проектирование, изготовление, функционирование, валидацию и обслуживание.

Модель распределенной СА в соответствии с МЭК 61499 может быть представлена как набор физических устройств (например, СПУ), взаимодействующих между собой через одну или нескольких промышленных сетей (рис.10.1). Сети могут иметь иерархическую структуру.

Функции, СА моделируются с помощью программного приложения, которое может располагаться в одном устройстве

13.2. Применение Интернет-технологий

В последние годы большой интерес вызывало использование Интернет - технологий в задачах управления технологическим оборудованием. Для этих целей используются web-серверы, которые могут быть расположены как на обычных ПК, так и непосредственно в контроллерах или модулях в-в (так называемые микро-web-серверы). С помощью любого web-браузера (например, Internet Explorer) можно управлять ТП, открыв на микро-web-cepвepe Интернет-страничку с мнемосхемой ТП.

WAN (Wide Spread Area Network ) - технология построения сетей передачи информации на значительные расстояния с использованием коммутируемых и выделенных линий, специальных каналов связи и Интернета.

Когда часть компонентов СА выходит за границы локальной сети и переходит на уровень глобальной сети WAN, стоимость каналов связи резко возрастает вследствие высоких тарифов на дальнюю телефонную связь. В этих условиях наиболее экономически выгодным оказывается применение Интернета:

1) стоимость оказывается на порядки ниже благодаря коммутации пакетов, а не каналов, что позволяет существенно улучшить эффективность использования пропускной способности сети связи;

2) возможность использования на компьютере диспетчера любого веб-браузера (например, Internet Explorer), независимо от его производителя, типа аппаратной платформы или ОС (например, компьютер диспетчера может работать под Windows, Linux, Unix, QNX, Windows СЕ и др.).

Управление и мониторинг через Интернет привлекательны еще тем, что могут осуществляться из любой точки земного шара с помощью компьютера или мобильного телефона (коммуникатора). Такая возможность особенно важна для корпораций, имеющих подразделения в разных городах или странах.

Другие достоинства АС с Интернет - связью:

1) снижение стоимости функционирования АСУ ТП вследствие удаленного управления (отсутствует необходимость присутствия человека на трудно доступном объекте);

2) снижение стоимости обслуживания благодаря удаленной диагностике, отладке и обновлению ПО через Интернет - уменьшаются затраты на командировки;

3) возможность контроля состояния ТП или управления им через мобильный телефон;

4) возможность автоматического вызова аварийной службы в случае срабатывания датчиков газа, дыма, пламени, затопления и пр.;

5) широкий выбор готовых технических решений, аппаратных и программных продуктов для работы с Интернетом.

Этот же подход может использоваться и в интранете.

Интранет - локальная сеть, содержащая веб-сервер и работающая по тем же протоколам, что и Интернет.

При коммутации пакетов в Интернете, необходима промежуточная буферизация данных, которая вносит в процесс доставки сообщений задержку неопределенной величины, а при переполнении промежуточных буферов возможны потери данных. Интернет имеет также низкую надежность связи и плохую защищенность от несанкционированного доступа.

В настоящее время активно разрабатываются методы обеспечения качества обслуживания QoS (Quality of Service), призванные ослабить остроту перечисленных проблем. Тем не менее неопределенность времени доставки сообщений и наличие задержки являются основными недостатками связи через Интернет. Частичным решением этой проблемы в системах мониторинга является посылка данных вместе с метками времени. Синхронизировать метки можно с помощью системы GPS (Global Positioning System). Однако это не решает проблемы в задачах с РВ (например, когда Интернет-канал входит в контур обратной связи).

Существует достаточно много областей, где указанные ограничения не являются существенными. Кроме того, в правильно спроектированной РСУ интенсивность информационного обмена между ее компонентами уменьшается по мере удаления компонентов друг от друга, достигая минимума для случая удаленного обмена через Интернет. Обратные связи в такой системе являются только локальными, за исключением контура управления с диспетчером, где время доставки сообщений сравнимо со временем реакции человека.

Примером задачи управления, в которой не требуется гарантированное время доставки сообщений, является дистанционное управление системами вентиляции, кондиционирования и обогрева зданий. В системе устанавливают датчики температуры наружного воздуха, температуры в комнатах, датчики тока ИсУ, датчики влажности, света, а также ИсУ подачи электроэнергии в здание, для вкл/выкл вентиляторов, обогревателей, кондиционеров, осушителей, увлажнителей, приточной вентиляции, вентиляции внутри помещения.

Наиболее безопасным применением Интернета являются системы мониторинга (например, публикация на веб-страничке информации о параметрах ТП, действиях оператора, а также сводных отчетов и графиков). Такая Интернет-система может быть полностью автономной, поскольку перечисленные данные могут быть взяты непосредственно из БД АСУ ТП без воздействия на сам ТП. Возможность работы с БД поддерживается всеми современными веб-серверами.

Основные понятия Интернет- технологий

Основными компонентами Интернета являются веб-серверы и веб-клиенты (браузеры). На жестком диске сервера может находиться множество веб - сайтов или FTP (File Transfer Protocol) каталогов с уникальными адресами URL (Universal Resource Locator). Данные между клиентом и сервером передаются с помощью протокола HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) или FTP. Маршрутизация (передача в нужном направлении) данных в Интернете осуществляется с помощью 32-битной IP (Internet Protocol) адресации.

Веб-страницы создаются с помощью языка разметки документа HTML (Hyper Text Markup Language) или его расширенной версии XML (extensible Markup Language), а также WML (Wireless Markup Language), который используется для мобильных телефонов, смартфонов, записных книжек PDA (Personal Digital Assistant), работающих с Интернетом по протоколу WAP (Wireless Applications Protocol).

Связь между клиентами и серверами Интернета выполняется по телефонным каналам связи, которые могут быть проводными, оптоволоконными или радио (в том числе сотовыми). Аналоговые каналы связи обычно имеют скорость передачи информации не более 56кбит/с, поэтому часто используют цифровую связь ISDN (Integrated System Digital Network) со скоростью передачи до 128 кбит/с и DSL (Digital Subscriber Lines) со скоростью передачи до 8Мбит/с. Разновидностями DSL являются асимметричный цифровой канал ADSL (Asymmetric DSL), в котором данные в одном направлении (абоненту) передаются со скоростью до 8Мбит/с, а в обратном направлении - до 1 Мбит/с. Другими модификациями DSL являются ADSL2+, SHDSL, RDSL, VDSL, предоставляющие различные возможности абонентам. Общим обозначением модификаций DSL каналов является xDSL.

Беспроводной доступ в Интернет можно обеспечить с помощью сотовых GSM (Global System for Mobile communications) модемов, беспроводного Ethernet, называемого еще WLAN (Wireless LAN), или Wi-Fi (Wireless Fidelity), оборудования Bluetooth, ZigBee, WiMax, инфракрасного порта компьютера или спутниковой связи.

Спутниковый Интернет обеспечивает 1-стороннюю связь (прием информации от спутника) с очень высокой скоростью (до 48Мбит/с). При этом передача информации обеспечивается любыми другими видами связи.

Доступ по каналам сотовой связи выполняется с помощью системы пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service), обеспечивающей скорость передачи в среднем около 20кбит/с (теоретический предел 171.2кбит/с) и оптимально приспособлена для прерывистого трафика, характерного для сетей Интернет/интранет. Она обеспечивает пакетную коммутацию на всем протяжении канала связи, существенно снижая стоимость связи в сетях стандарта GSM. Соединение в системе GPRS устанавливается практически мгновенно, и она поддерживает все самые распространенные сетевые протоколы передачи данных, в том числе Интернет-протокол IP. Важным преимуществом GPRS по сравнению с голосовыми каналами сотовой связи - плата берется не за время соединения, а за объем переданной информации. В сотовых телефонах основной сферой GPRS является просмотр WAP-страниц. Также возможна отсылка SMS (Short Message Service) через сеть GPRS. При подключении GSM модема в режиме GPRS к компьютеру можно выходить в Интернет, при этом Интернет-провайдером является оператор сотовой связи.

Усовершенствованием GPRS является система EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution), позволяющая обеспечить передачу данных со скоростью до 474кбит/с. Реально достижимая средняя скорость передачи данных составляет 100...120кбит/с, с пиковыми значениями до 230кбит/с.