CC BY
466
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
УДК 658.512 (470)
АНАЛИЗ КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ СЕТЕЙ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА
А.С. Крутолапов, Д.А. Сычев
Предложен анализ методов построения сетей информационного обмена с использованием полевых шин, показаны преимущества распределенных систем управления, показаны основные показатели их работоспособности.
Ключевые слова: сеть, передача данных, автоматизированная система, диспетчерское управление, сообщение, информация, качество обслуживания.
Развитие систем автоматизации. В последнее время складывается тенденция к применению компьютеров в автоматизации различных процессов. Такие системы реализуются для управления химическими, технологическими процессами, системами пожарной и охранной сигнализации, управления подачей электроэнергии и системой водоснабжения [1].
Во исполнение Федерального Закона “О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера” от 21 декабря 1994 г. № 68-ФЗ соответствующие органы управления, силы и средства объединяет единая государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС).
В “Положении о единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций”, утверждённом постановлением Правительства Российской Федерации от 30 декабря 2003 г. №794, подчёркнуто, что управление РСЧС осуществляется с использованием средств связи и оповещения (п.21), а её информационное обеспечение - с использованием автоматизированной информаци-онно-управляющей системы (АИУС) РСЧС (п.22).
В начале 90х годов была разработана совершенно новая концепция построения АИУС. Это системы распределенного контроля и управления на основе полевых шин. Объединяя датчики и исполнительные механизмы, используя единый протокол связи по одной последовательной шине данных, такие системы используют интеллектуальные узлы-контроллеры для децентрализованной обработки данных [2 - 7].
Концепция промышленных шин родилась в Европе и развивалась в течение многих лет. В настоящее время в самых разных специализированных прикладных областях используется более 50 про-
Крутолапов Александр Сергеевич - заместитель начальника института дополнительного профессионального образования по учебно-методической работе Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected];
Сычев Дмитрий Александрович - адъюнктЗ курса очного обучения Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, e-mail: [email protected].
мышленных шин. Вместе с тем (по мере их распространения в США) количество широко поддерживаемых шин не превышает половины десятка. Применение технологии промышленных шин знаменует собой совершенно новую эпоху в управлении. Одна из важнейших примет этой эпохи - смещение интеллекта на нижние уровни иерархии систем автоматизации. Растущие масштабы активного применения промышленных шин позволят вынести несложные задачи контроля за рамки централизованной системы управления на уровень конкретного объекта. Распределенные интеллектуальные средства, исполняющие эти задачи, смогут также одновременно собирать информацию реального времени и передавать ее узлам более высокого иерархического уровня.
По мере того, как этот "интеллект" становился всё более распределенным, всё очевиднее проявлялась потребность в общем стандартном средстве связи, как между отдельными интеллектуальными устройствами, так и между ними и остальным миром, что позволило бы упростить визуализацию и управление контролируемым объектом. В результате появилось нескольких стандартов промышленных шин, применяемых в качестве средств связи различных устройств на уровне конкретного объекта.
В результате объем информации на уровне объекта, собираемой в реальном масштабе времени, значительно возрастет. Только для сохранения, анализа и вывода результатов в реальном времени понадобится повысить производительность и расширить функциональные возможности используемых рабочих станций. Благодаря подобному подходу к "рассредоточению" интеллекта, операторы получат возможность контролировать, настраивать и даже менять параметры управления непосредственно с рабочего места.
Основная цель построения распределенных систем автоматизации - упрощение технологий производства и эксплуатации системы автоматизации за счет обеспечения сквозного сетевого доступа: от мощных супервизорных компьютеров и многофункциональных контроллеров до интеллектуальных пассивных элементов (датчики, регуляторы и т. п.). Такая связь должна удовлетворять всем совре-
менным требованиям по функциональности, надежности и открытости.
Исследования показали, что переход от централизованного управления к распределенным архитектурам на базе промышленных шин позволяет достичь экономии оборудования до 40 процентов [3,
4].
Прежде были широко распространены такие системы автоматизации, которые были созданы для конкретных узких целей. Это не позволяло наиболее полно использовать оборудование и объединять несколько систем автоматизации в одну. Более того, создание нового типа оборудования приводило к необходимости полной замены старой или создания новой автоматизированной системы.
Данная ситуация дала толчок к появлению микропроцессорных систем автоматизированного управления с использованием fieldbus-сетей, или сетей на основе полевых шин, объединяющих интеллектуальные контроллеры, датчики и исполнительные механизмы.
Fieldbus-сети сегодня используются, в основном, как коммуникационные системы для обмена информацией между системой автоматизации и распределенными устройствами. При этом считается, что устройства распределены в поле (от английского field), что и определило термин fieldbus (полевая шина, или промышленная сеть). Тысячи успешных внедрений обеспечивают внушительное впечатление, а кроме того fieldbus технология позволяет сократить до 40% затрат на прокладку кабелей, накладных расходов и расходов на техническое обслуживание по сравнению с обычными технологиями. Только два провода необходимо для передачи трафика (входных и выходных данных, параметров, диагностических данных и т.д.).
Полевые шины - это, во-первых, некий физический способ объединения устройств (например, интерфейс RS-485 или оптоволокно) и, во-вторых, программно-логический протокол их взаимодействия. Причем “весовой коэффициент” программнологических протоколов по отношению к физической среде, в общем понимании такого термина, как fieldbus, составляет не менее 95% [4].
Системы АИУС на основе полевых шин характеризуются уходом от концепции иерархического построения управляющих сетей к полной или частичной децентрализации управления более мощными средствами и механизмами, заложенными в их основу, строгой стандартизацией на уровне центральных межгосударственных организаций, богатыми возможностями совместного использования систем, работающих согласно различным протоколам [8].
Пользователи постепенно отходят от практики применения собственных систем и централизованных систем управления и начинают обращать внимание на системы с распределенным интеллектом. В результате фирменные и централизованные архитектуры понемногу сдают свои позиции на рынке, в то время как открытые распределенные системы
начинают его завоевывать. Одна из причин этого кроется в том, что прокладка кабелей и развертывание системы с использованием промышленных шин обходится значительно дешевле. Системы с централизованным управлением обычно требуют, чтобы каждый датчик или группа датчиков подключалась к центральному контроллеру отдельным (и довольно дорогим) высококачественным кабелем. Напротив, в системе на основе полевых шин рядом с каждым кластером датчиков располагается один интеллектуальный узел, преобразующий сигналы датчиков в цифровую последовательность и передающий их в этом виде в систему управления и мониторинга.
По оценкам западноевропейских аналитиков, информационно-управленческие сети на основе полевых шин занимают на данный момент ведущее положение в сфере автоматизации и управления, начиная от крупных производств и заканчивая домашним хозяйством. Им безоговорочно отводится будущее автоматизации. Их идеологической основой является децентрализация управления или распределение функций управления по сети. Это означает, что задача управления распределяется между компонентами сети управления (микропроцессорными устройствами), каждому из которых отводится определенное задание и которые общаются по определенному протоколу. Следует также отметить, что устройства некоторых fieldbus-систем отличает довольно высокий уровень "интеллекта", реализованный аппаратно, что сводит к минимуму усилия, необходимые для конфигурации, инсталляции и сопровождения сети [36].
Системы управления на основе полевых шин являются распределенными в пространстве, т. е. обработка информации производится в географически удаленных местах. Компонент, который в состоянии обрабатывать данные, принято называть интеллектуальным. Обмен данными между интеллектуальными компонентами производится посредством шин и сетей [8].
Несмотря на то, что fieldbus-технологии появились уже более десяти лет назад, абсолютно доминирующими в управлении технологическими процессами они еще не стали. Основная причина этого - отсутствие единого международного стандарта на протокол промышленной сети, который мог бы гарантировать полную взаимозаменяемость и совместимость изделий различных производителей.
В 1984 г. Международная электротехническая комиссия (МЭК, IEC) начала разработку единого универсального стандарта промышленной сети. Европейское сообщество потребителей и производителей fieldbus-систем пошло по пути создания единого европейского стандарта. По ряду критериев была определена группа “претендентов”, и 15 марта 1996 г. в Брюсселе были подведены итоги проведенного накануне голосования по одобрению проекта EN50170 в качестве европейского стандарта промышленной сети (European Fieldbus Standard). EN50170 включил в себя (без изменений) три на-
циональных стандарта в области промышленных сетей: PROFIBUS (Германия), FIP (Франция) и P-NET (Дания). Эти решения подтверждены соответствующими национальными стандартами.
CAN, LON, PROFIBUS, Interbus-S, FIP, EIB, DeviceNET, SDS, ASI, HART, ControlNet и еще несколько десятков протоколов - это сегодняшняя ситуация на рынке промышленных сетей. Они имеют свои особенности и области применения, а единый международный стандарт промышленной сети отсутствует.
Это приводит к тому, что каждая технология развивается самостоятельно в условиях неизбежной конкуренции. Вполне естественно, что со временем определится ведущая, например, пятерка технологий, на которой будет сосредоточено основное внимание пользователей и бизнес независимых производителей. Таким центром кристаллизации де-факто можно считать сегодня европейский стандарт EN50170. Со стороны Европейского комитета по стандартизации CENELEC поступили предложения по расширению EN50170 за счет промышленных сетей Foundation Fieldbus и ControlNet. Если такое предложение будет принято, тогда EN50170 реально превратится в международный стандарт, каждая отдельная часть которого будет определять отдельную технологию полевых шин.
Иерархия сетей информационного обмена. Промышленная шина - это коммуникационная сеть, объединяющая несколько промышленных систем и функционирующая практически так же, как и локальная сеть в учреждении. Однако для поддержания режима реального времени промышленная шина должна быть детерминированной - качество, отсутствующее в локальных офисных сетях. Именно поэтому ни Ethernet, ни другие аналогичные сети не применяются в чисто промышленных системах. Отвечая требованиям различных прикладных сфер, промышленные шины обладают соответствующими характеристиками: детерминированностью; под-
держкой больших расстояний между узлами; защита от электромагнитных наводок; упрочненной механической конструкцией.
Многие промышленные шины опираются на стандарт двухпроводного интерфейса RS-485, обеспечивающего взаимосвязь нескольких устройств на расстояниях до нескольких сотен метров. В промышленных условиях оперативность и предсказуемость времени передачи информации - характеристики более важные, чем способность передавать большие объемы данных. Скорости передачи по промышленным шинам колеблются от 50 Кбит/с до 4 Мбит/с (с одним замечательным исключением -шина PROFIBUS имеет пропускную способность до 12 Мбит/с).
В распределенных промышленных системах объединяются сетевые узлы самых разных типов, с самыми разными скоростями, расстояниями передачи информации и типами данных. Например:
- вентиль может постоянно сообщать о своем состоянии (закрыт/открыт) единственным битом;
- датчик температуры может передавать соответствующий параметр каждые 5 минут;
- датчик быстродействующей системы регулирования должен сообщать о произошедшем отказе в течение нескольких микросекунд;
- для обновления изображения на дисплее оператора в большой системе управления может понадобиться передача нескольких мегабайт информации.
По функциям и областям применения различают следующие системы шин и сетей:
1. SAN (Small Area Networks) - малые сети. К ним принадлежат:
- системная шина, которая непосредственно объединяет компоненты компьютера друг с другом. Если в распределенной системе отдельные интеллектуальные компоненты общаются друг с другом посредством системной шины, то при высокой скорости передачи расстояние между ними относительно невелико (в Multibus II, например, от 2 до 3 метров);
- периферийная шина, которая представляет собой параллельное или последовательное соединение компьютерных систем, которые подключаются к устройствам ввода/вывода. В качестве примера можно назвать SCSI-Bus (Small Computer System Interface: ANSI).
2. LAN (Local Area Network) - последовательная система коммуникации между компонентами компьютера, которая принадлежит, как правило, одному владельцу (например, сеть Ethernet).
3. MAN (Metropolitan Area Network) - передающая среда для расстояний от 25 до 200 км.
4. WAN (Wide Area Network) - общественная передающая среда, которая предлагает удаленное соединение компьютеров свыше 100 км. Самые известные WAN базируются на протоколе Х.25.
5. GAN (Global Area Network) - глобальные компьютерные сети с применением спутников связи.
Представляется возможным разместить сети на основе полевых шин между LAN и MAN сетями. С учетом этого FAN (Fieldbus Area Network) - полевые шины, которые связывают друг с другом комплексные компоненты управления [5].
Промышленные сети на основе полевых шин занимают низкий уровень в иерархии сетей, образуя так называемый уровень поля.
Преимущества распределенных систем управления. Проанализировав источники [8, 9 -12], можно определить основные преимущества распределенных систем управления на основе полевых шин по отношению к централизованным:
Во-первых, стоимость проводников и расходы на их прокладку значительно ниже, так как требуется проложить всего одну линию связи, а в отдельных случаях можно обойтись уже существующей (Рис. 1).
Кроме того, сокращается количество необходимого оборудования (Рис. 2). А также, благодаря совместимости устройств изготовителей друг с дру-
гом, резко увеличивается возможность выбора поставщиков оборудования, что позволяет выбрать
приемлемый по цене вариант системы.
Сеть управления
Контроллер
1.8.
ИеШЪш
Традиционная схема: одна развязка по питанию и одна линия для каждого устройства
Одна развязка по питанию - одна линия
Рис. 1. Сокращение количества проводников [10]
Рис. 2. Сокращение количества программного обеспечения [10]
Во-вторых, распределенная система предлагает повышенную помехоустойчивость, так как большое количество компонентов может продолжать работать, если выйдет из строя одна из частей. Функции одного устройства может взять на себя другое. Централизованная же система прекращает работать, если не функционирует центральное устройство.
В-третьих, гибкость системы, способность к интеграции. Прежде были распространены системы управления, которые создавались для конкретных узких целей, что ограничивало возможности использования оборудования и не позволяло объединять несколько систем автоматизации в одну. Более того, создание нового типа оборудования приводило к необходимости полной замены старой или создания новой автоматизированной системы. С приходом систем полевых шин положение резко изменилось. Использование стандартизированных прото-
колов связи обеспечивает совместимость устройств различных фирм-производителей друг с другом.
В-четвертых, при проектировании централизованной системы разработчику необходимо ориентироваться на централизованное и комплексное применение алгоритмов. Децентрализованная система реализует во многих случаях простые алгоритмы и приемлемые по цене конфигурации системы, а решение задач возлагается на периферию. В большинстве случаев фирмы-производители предлагают уже готовые решения для каждого конкретного типа узлов. Снижается нагрузка на помещения контроля и управления. Количество оборудования, устанавливаемого в них, сокращается.
В-пятых, возможность передачи по одной линии большого количества переменных позволяет получать больше информации за определенный интервал времени (Рис. 3).
Контроллер
Подсистема
ввода-вывода
■д
Контроллер
1.8. РіеіаЬш
ЬІ 4 /
Контролируем только систему ввода-вывода Контролируем датчики и устройства управления
Рис. 3. Передача данных по одной линии [10]
В-шестых, преимущества полностью цифровой связи обеспечивают поступление большего количества доступной информации не только о состоянии
объекта управления, но и о состоянии самой системы (например, датчиков в агрессивной среде) (Рис. 4).
Сеть управления
Контроллер
ж
Подсистема
ввода-вывода
Одна переменная - одна связь
Сеть управления
Контроллер
А
V
1.8.
РіеШЬш
Много переменных по одной линии
Рис. 4. Расширенное видение процесса управления
В-седьмых, децентрализованная система управления представляет собой параллельную систему, в которой основная обработка информации происходит на местах, а верхние ее уровни получают только данные о качественных состояниях объекта управления.
В-восьмых, этапы установки, сопровождения и диагностики системы занимают гораздо меньше времени ввиду большей гибкости системы и наличия развитых средств ее отладки и диагностики. Узлы полевой шины обладают возможностями интеллекта, реализованного аппаратно, что сводит к минимуму усилия, необходимые для конфигурации, установки и сопровождения сети [13].
Вместе с тем следует назвать и проблемы, которые возникают при объединении в сеть: электронные компоненты устанавливаются вблизи технологических процессов, где встречается достаточно много помех [8]. Более того, интеллектуальные компоненты должны обеспечиваться энергией, что снижает уровень безопасности. Эти трудности преодолевают с помощью введения стандартов на взрывозащищенное и искробезопасное оборудование, которые устанавливают строго определенный
предел уровня помех и потребляемой мощности устройств [9].
Основные требования к сетям информационного обмена. Автоматизация информационноуправленческих процессов - задача сложная, и необходимо учитывать следующие требования:
1. Автоматизация должна выполняться в условиях реального времени, т.е. замеры параметров и выдача управляющих сигналов должны выполняться своевременно, при поступлении сигнала. Своевременно должна осуществляться и выдача данных пользователю.
2. Реализация конкретной системы должна быть ориентирована на выполнение строго определенной задачи, следовательно, необходимо применять технические средства, соответствующие стандарту области применения системы.
3. Система должна быть гибкой и легко модернизируемой, поэтому в ней должно использоваться децентрализованное управление. Этим обеспечивается возможность добавления элементов в уже существующую систему. При построении АИУС к ним предъявляются следующие требования, которые необходимо учитывать на этапе их проектирования и реализации: работа в режиме реального
времени; применение стандартных интерфейсов передачи данных; децентрализованное управление.
Характер этих требований различен для конкретных информационно-управленческих процессов, но все они имеют общие особенности, которые обуславливаются их природой. Это связано с тем, что для реализации АИУС необходимо использовать строго определенную технологию, которая бы обеспечивала выполнение этих требований.
Работа в режиме реального времени. Одним из требований при реализации развернутых АИУС является измерение параметров в условиях реального времени. При построении системы этот фактор определяет скорость реакции исполнительного механизма сразу после поступления информации с датчика.
Любая система на основе данных, поступающих от датчиков, вырабатывает определенные команды для исполнительных механизмов. При этом необходимо, чтобы время, прошедшее с момента измерения, до начала работы исполнительного механизма согласно поступившей на него команде было настолько мало, чтобы величина, измеряемая датчиком, не успела значительно измениться. Это время складывается из времени измерения датчиком требуемой величины, времени передачи данных прикладной программе, времени обработки данных прикладной программой, времени передачи данных исполнительному механизму и времени срабатывания исполнительного механизма. В результате, необходимо учитывать факторы, которые влияют на время реакции исполнительного механизма. Если общее время больше времени изменения величины датчика, и известно каждое слагаемое этой величины, то можно учесть это в программе и тем самым улучшить динамику системы. Это необходимо учитывать при выборе элементной базы.
Более критическим, чем общее время, фактором являются фазовые флуктуации - непредсказуемое варьирование времени передачи данных, которое заметно мешает управлению. Чаще всего их причиной являются прикладная программа и передача данных, реже - датчики и исполнительные механизмы. Фазовые флуктуации, возникающие при передаче данных, могут иметь самую различную природу. Маркерным методам доступа характерны фазовые флуктуации, зависящие от конкретного протокола и загруженности шины. Фазовые флуктуации, зависящие от нагрузки на шину, возникают и при использовании метода множественного доступа (Carrier Sense Multiple Access (CSMA)) или из-за появления коллизий (в обоих случаях причиной является высокая нагрузка на шину). Фазовые флуктуации, возникающие при высокой нагрузке, зависят от времени занятия шины отдельными устройствами. Это время зависит от длины сообщения и скорости передачи данных. Практически все протоколы, реализованные как аппаратно, так и программно, порождают зависящие от конкретной реализации фазовые флуктуации. Их можно избежать только при централизованном управлении доступом к среде
передачи данных, но в этом случае увеличивается среднее время задержки. Особенно это заметно при небольшой нагрузке на шину [4].
Факторами, влияющими на скорость передачи данных, являются общее время реакции и фазовые флуктуации. Для обеспечения возможности работы в режиме реального времени необходимо при проектировании системы учитывать следующие особенности:
Вид передающей среды. В зависимости от задачи и конкретной ее реализации можно использовать различные передающие среды. Передающая среда определяет такие параметры, как скорость передачи данных, расстояние, на которое эти данные можно передавать. Выбор передающей среды должен быть ориентирован на указанные параметры. При изменении этих параметров структура системы не должна изменяться. Если структура системы изменяется, то возникают дополнительные затраты на создание новой. Также система должна обеспечивать возможность изменения передающей среды при ее функционировании. Эта характеристика должна быть учтена при выборе новой элементной базы.
Используемые устройства обработки информации. При реализации крупных систем устройства обработки информации должны удовлетворять параметру реального времени. Устройство должно обрабатывать сигналы с необходимой скоростью, для выдачи управляющего воздействия. Также устройство обработки данных должно обеспечивать выполнение функций и решение задач, реализуемых в этом узле.
Протокол передачи данных. Протокол передачи данных определяет способ доступа к среде передачи данных и отвечает за пересылку пакетов между узлами системы. В зависимости от используемого протокола в сети могут возникать задержки по передаче данных. При реализации системы это также необходимо учитывать. Модель системы должна быть универсальной, чтобы была возможна ее реализация с помощью любого протокола передачи данных. Изменение протокола передачи данных не должно влиять на работоспособность и функционирование системы. Особенно этот фактор не должен влиять на пользователей системы. Вне зависимости от протокола передачи данных система должна работать стабильно.
Способы доступа к шине. Способ доступа к шине определяет работу каждого узла в сети. При его выборе должны учитываться следующие факторы: время доступа к шине и скорость изменения параметров. При этом необходимо, чтобы этот фактор не влиял на все остальные. Только при учете данных особенностей можно обеспечить выполнение требования реального времени. Преимущество использования стандартных интерфейсов заключается в том, что все необходимые характеристики известны, и можно определить, подходит ли выбранный интерфейс для реализации системы. При разработке собственного интерфейса передачи дан-
ных эти факторы должны быть выявлены при тестировании системы на основе данных об элементной базе.
Применение стандартных интерфейсов передачи данных. При построении распределенной АИУС требуется, чтобы она обладала небольшой стоимостью. В АИУС на основе полевых шин это достигается использованием простых интеллектуальных узлов. Под каждую конкретную реализацию используются только минимально необходимые аппаратные средства.
Исторически сложилось, что в России для АИУС применяются микро-РС [1, 14]. Микро-РС представляет собой полноценный промышленный компьютер, выполненный в прочном к удару и взрывобезопасном исполнении [15]. Применение данной аппаратной базы обусловлено тем, что для нашей страны эта технология является стандартным решением, и существует множество разработок таких систем. Реалии сегодняшнего дня таковы, что дальнейшее использование микро-РС становится уже не эффективным. Возникают дополнительные затраты на модернизацию систем, изменение параметров и настроек в уже реализованных системах. Это особенно влияет на распределенные системы. В этом случае объект автоматизации располагается на большой площади и применение микро-РС становится просто нерентабельным. При автоматизации с применением микро-РС разработчики сталкиваются со следующими проблемами:
1. Нерентабельность крупных проектов. Применение микро-РС для работы с небольшим количеством датчиков увеличивает стоимость системы.
2. Неэффективное использование аппаратного обеспечения. Изначально заложенная мощность устройств не позволяет использовать их эффективно.
3. Излишняя универсальность Микро-РС. При проектировании распределенных систем необходимо использовать устройства, имеющие ограниченный и строго определенный спектр функций, необходимых для реализации отдельных функций узла.
4. Сложность разработки программного обеспечения. Для каждого конкретного случая системы автоматизации с применением микро-РС необходимо создавать свое собственное программное обеспечение. В большинстве случаев не существует программного обеспечения для конкретной реализации системы.
5. Малая мощность системы. Для того, чтобы максимально эффективно использовать ресурсы вычислительной системы, все устройства в ней необходимо объединить в сеть. При реализации систем на микро-РС возникает проблема управления всеми датчиками с помощью одного узла. В результате, вычислительная нагрузка на каждом уровне автоматизации возрастает в геометрической прогрессии. Если на программном уровне управление осуществляется небольшим количеством компонентов, и реализация системы не сложна, то на уровне датчиков и исполнительных механизмов сложность
возрастает в десятки раз. А при использовании интеллектуальных узлов сетей на основе полевых шин, функции управления распределяются равномерно по всем узлам. В результате общая мощность работы приложения при одинаковых затратах на реализацию системы, с использованием микро-РС меньше, чем в распределенных системах.
6. Большая вычислительная нагрузка. При использовании микро-РС вычислительная нагрузка всей сети возлагается на отдельный узел системы. В такой системе датчики не обладают интеллектом и поэтому не могут реализовывать функции управления, поэтому при выходе из строя управляющего элемента, система полностью парализуется. При использовании датчиков, обладающих интеллектом, функции управления возлагаются на вычислительную сеть. У каждого узла строго определены функции и задачи, которые он должен выполнять, и он в этом случае не зависит от остальных элементов системы. В результате, при отключении такого устройства, работа системы не прекращается. Обмен информацией в этом случае выполняется с использованием специальных средств, и в обмене информацией участвует только необходимое количество датчиков.
Если при проектировании автоматизированной системы не учесть эти факторы, то при ее эксплуатации могут возникнуть трудности с поддержанием ее в рабочем состоянии. Реализация АИУС с применением стандартных интерфейсов передачи данных позволяет использовать технологии с применением интеллектуальных датчиков. Эта проблема является на данный момент актуальной только в пределах России. В странах Европы проектирование систем осуществляется с применением стандартных интерфейсов, для которых определены способы передачи данных в условиях автоматизированной системы
[5].
Требование децентрализованного управления. Существующие разработки АСУТП можно разделить на две категории: Системы, использующие централизованное управление; системы, использующие интеллектуальные датчики и узлы управления.
На данный момент в России в большинстве случаев используются системы, принадлежащие к первой категории. Эта особенность обусловлена тем, что в автоматизированных системах применяются микро-РС, и реализовать децентрализованное управление на этом уровне достаточно сложно [5].
Для создания эффективной АИУС необходимо использовать полевые шины, базирующиеся на существующих стандартах по интерфейсам передачи данных, как европейских, так и российских.
Проблемы функционирования сетей информационного обмена. Постоянный рост числа информационно-управляющих сетей и увеличение сложности устанавливаемых систем, требуют все более сложных инструментов диагностики сетей для получения качественного сервиса, предоставляемого этими сетями. Таким инструментом может стать
программно-аппаратный комплекс оптимизации ресурсов сетей АИУС. Основой его является анализатор протокола или средство мониторинга сети. Подобно тому, как отладчик контролирует выполнение программы в процессоре и помогает программисту на этапе проектирования, анализатор протокола отслеживает трафики в канале связи и помогает системным интеграторам и администраторам сети обозревать, анализировать и диагностировать поведение сети.
Увеличение времени ответа. Проблемы такого рода для информационно-управляющей системы, использующей в качестве среды для передачи сигналов управления сети на основе полевых шин, выражаются в несоблюдении параметров процесса с течением времени. Эти проблемы могут быть связаны с неправильной конфигурацией узлов сети и
ошибками программного обеспечения, на них функционирующего. Не существует четкого и однозначного решения проблем подобного типа. Пользуясь анализатором протокола необходимо исследовать время реакции узлов при выполнении тех или иных операций. Следует сравнить этот показатель с конкретными тактовыми интервалами данной системы и точно вычислить фактическое время реакции.
Некоторые анализаторы протоколов способны анализировать события сети и регистрировать соответствующие им интервалы времени. Анализатор протокола - средство, позволяющее "выхватить" событие целиком и определить узкое место в работе сети (Рис. 5). После локализации неисправности аналитик может исследовать конфигурацию сети и внести соответствующие коррективы.
Сеть
Рис. 5. Анализатор протокола [12]
Неэффективность программного обеспечения узлов сети. Эта проблема возникает в том случае, если программное обеспечение сетевого устройства написано неграмотно или содержит ошибки. Очень большое значение имеет реализация операции с плавающей точкой, так как многие из контроллеров не содержат средств поддержки таких операций. Анализатор протокола может определить, действительно ли программное обеспечение узла работает так, как это указано в паспорте разработчика.
Реализация аппаратных и программных технологий. Многие узлы сети используют лишь половину паспортной мощности и производительности. Большинство из них имеет некоторую совокупность конфигурационных параметров, которые можно изменять. Но единственный способ выяснить, действительно ли они хорошо работают в сети, заключается в проверке эффективности обмена информацией с конкретными устройствами. Анализатор протокола способен установить, справляется ли узел со своими задачами.
Несовместимость устройств в сети. Необходимо всегда обеспечивать возможность совместной работы всех устройств, включенных в инфраструктуру сети. Часто трудно выявить несовместимую рабочую версию программы или конкретный драйвер сети, для чего требуется анализатор протокола.
Тогда следует провести наращивание версии или реконфигурацию программного обеспечения с целью устранения сетевой ошибки и повышения степени взаимодействия между аппаратными платформами.
Изменение размеров блоков и пакетов. Размер блока является характеристикой различных типов пакетов, используемых протоколом при передаче в сети. Размер блока связан с объемом данных, который приложение или процесс помещает в пакет при передаче. С помощью анализатора протокола при передаче и приеме можно выявить пакеты, исходящие от различных устройств сети. Размеры блока могут считаться неэффективными в зависимости от инфраструктуры сети и используемого типа передачи.
Применение средств анализа и диагностики сетей является необходимым и актуальным. Возможности использования такого инструмента для отладки и тестирования сетей достаточно велики.
Литература
1. Артемов С. П. Проблемы автоматизации зданий и производственных процессов. // В кн.: Информационные управляющие системы // Межвузовский сборник научных трудов. - Пермь: ПТГУ, НИИУМС, 1999.
2. Башарин Г. П. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета / Г. П. Башарин, П. П. Бочаров, Я. А. Коган - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. - 336 с.
3. Башарин Г. П. Локальные сети программируемых контроллеров для гибких производственных систем./ Г. П. Башарин, В. А. Ефимушкин, А. Б. Черпаков - М., Изд-во УДН, 1987, 380 с.
4. Белковский С. В. Программно-аппаратный комплекс повышения производительности сетей промышленной автоматизации на основе анализа протокола: дис. канд. техн. наук: 05.13.07: защищена 24.05.2000: утв.
3.10.2000 / Белковский Сергей Викторович. - Пермь, 2000.
- 176 с. - Библиогр.: С. 161-166.
5. Белковский С. В. Программно-аппаратный комплекс повышения производительности сетей промышленной автоматизации на основе анализа протокола: дис. канд. техн. наук: 05.13.07: защищена 24.05.2000: утв.
3.10.2000 / Белковский Сергей Викторович. - Пермь, 2000.
- 176 с. - Библиогр.: С. 161-166.
6. Злотников Ю. С. Протоколы информационного обмена в цифровых сетях связи с интеграцией служб / Ю. С. Злотников // Зарубежная радиоэлектроника, 1990. - №
10. - С. 46-65.
7. Gaffney J. E. A Genera Economics Model of Software Reuse / J. E. Gaffney, Jr. and R. D. Cruickshank. - Association for Computing Machinery, Australia. - May 1992. - Р. 22-32.
8. Принципы построения промышленных микрокон-троллерных сетей в стандартах Profibus и P-NET / Артемов Н. И., Низамутдинов О.Б., Гордеев М.В. и др. -Пермь: ПГТУ, НИИУМС. - 1996.
9. Gaffney J. E. Software Reuse Key to Enhanced Production; Some Quantitative Models / J. E. Gaffney, Jr. and T. Durek. - Software Productivity Consortium, SPC-TR-88-015.
- George Mason University, Center for Software and System Engineering. - Herndon, vA. - April 1988. - Р. 42-52.
10. Gavin. Modeling and Analising of Security Protocols / Gavin [and a.]. - Addison Wesley. - 2000. - 352 p.
11. Hoare C. A. R. Formal Methods in Computer System Design / C. A. R. Hoare. - CERN School of Computing, Oxford, UK, 15-26. - CERN Sci. Rept. 6, 1989. - Р. 1-7.
12. OSF/MOTIF, Open Software Foundation, MOTIF Release 1.2. - 43 р.
13. Белковский С. В. Концепция полевых шин в распределенных системах управления. // Информационные управляющие системы: Межвузовский сборник научных трудов./ Пермский ТГУ. - Пермь, НИИУМС, 1999. Вып. 42, С 116-128.
14. Белковский С. В. Анализ протокола в системах полевых шин/ С. В. Белковский // Теоретические и прикладные аспекты информационных технологий: Сб. науч. тр. / Пермский ТГУ. - Пермь, НИИУМС, 1999, Вып. 48, С 136-138.
15. Надежность и эффективность в технике: Справочник в 10 т. Т. 3. Эффективность технических систем / Под общ. ред. Ф. В. Уткина, Ю. В. Крючкова. - М.: Машиностроение, 1988. - 328 с.
Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России ANALYSIS OF THE CONCEPT CREATION OF NETWORKS OF INFORMATION EXCHANGE
A.S. Krutolapov, D.A.Sychev
Offers an analysis of methods of creation of networks of information exchange with use offield tires, advantages of the distributed control systems are shown, the main indicators of their working capacity are shown.
Keywords: network, data transmission, automated system, dispatching management, message, information, quality of service.
