Абдулин С.Ф. Системы автоматики предприятий стройиндустрии

Подождите немного. Документ загружается.

и топологической децентрализации объекта управления.

Рис. 2.8. Типовая структура АСУ ТП с супервизорным режимом работы УВМ

Функционально-целевая децентрализация - это разделение сложного

процесса или системы на меньшие части - подпроцессы или подсистемы -

по функциональному признаку (например, переделы технологического

процесса, режимы работы агрегатов и т. д.), имеющие самостоятельные

цели функционирования.

Топологическая децентрализация означает возможность

территориального (пространственного) разделения процесса на функцио-

нально-целевые подпроцессы. При оптимальной топологической де-

централизации число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так,

чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе

с локальными подсистемами управления сетевую структуру.

Технической основой современных распределенных систем уп-

равления, обусловившей возможность реализации таких систем, являются

микропроцессоры и микропроцессорные системы.

Микропроцессорной системой (МП-системой) будем называть любую

вычислительную, информационно-управляющую или управляющую систему,

устройством обработки информации которой является микропроцессор

(МП).

Микропроцессорная система выполняет функции сбора данных

(коммутация сигналов, их унификация, фильтрация, преобразование в

цифровую форму, ввод в базу данных и др.), регулирования и управления,

визуализации всей информации базы данных, изменения уставок,

Устройство связи

с оператором

УВМ ЛПР

У С О

ЛР

ИУ ТОУ Д

РУ

ЛР

ИУ ТОУ Д

РУ

Подсистема

параметров алгоритмов и самих алгоритмов, оптимизации и т. д.

Использование МП, МПС (в том числе микроЭВМ) для решения

перечисленных задач дает возможность достичь следующих целей:

1) заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где

переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет

функциональные возможности и увеличивает гибкость систем

управления;

2) заменить технические средства с жесткой логикой на

программируемые (с возможностью изменения программы)

устройства, или контроллеры ;

3) заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ,

когда необходимо обеспечить децентрализованное управление

производством или технологическим процессом с повышенной на-

дежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ пол-

ностью не используются.

Микропроцессорные системы могут выполнять в подсистемах

распределенной АСУ ТП все типовые функции контроля, измерения,

регулирования, управления, представления информации оператору. Так как

распределенная система содержит минимум две функционально связанные

подсистемы, то в техническом плане образуется либо многомашинная, либо

многопроцессорная система.

Многомашинная система - это вычислительная система, содержащая

более одной машины. Операционная система не является общей, и для

каждой машины операционная система своя.

Многопроцессорная система - это система, состоящая из двух (или

более) процессоров, которые имеют доступ к общей центральной памяти;

имеют общий доступ по крайней мере к части устройств ввода и вывода;

управляются одной общей операционной системой. Использование

микропроцессоров приводит к мультимикропроцессорным системам.

Так как в распределенных АСУ ТП подсистемы функционально

связаны и их совместная работа подчинена общей цели, то между машинами

(мини-ЭВМ и микроЭВМ) или процессорами в многомашинной или

мультимикропроцессорной системах возникает помимо аппаратной связи

программный обмен, обеспечивающий как решение функциональных задач

АСУ ТП, так и организацию самого программного обмена. Программный

обмен между управляющими ЭВМ или микропроцессорными системами

локальных подсистем распределенной АСУ ТП осуществляется при помощи

каналов связи. С точки зрения обработки данных распределенная АСУ ТП

представляет собой объединение при помощи каналов и устройств связи

разнообразных мини- и микроЭВМ, МПС («узлов-абонентов»), которое

принято называть локальной вычислительной сетью (ЛВС) [9,10] .

Определим локальную вычислительную сеть как многомашинную

систему, работающую в единой операционной среде (ОС), являющуюся

расширением операционных систем ЭВМ - узлов ЛВС. Если ЛВС

используется для технической реализации систем управления, то такую сеть

будем называть локальной управляющей вычислительной сетью (ЛУВС).

Особенности ЛУВС будут рассмотрены ниже [11].

Топология распределенных АСУ ТП. В распределенных АСУ ТП

приняты в основном три топологические структуры взаимодействия

подсистем: звездообразная (радиальная), кольцевая (петлевая), шинная

(магистральная) или их комбинации. Организация связи с датчиками и

исполнительными устройствами носит индивидуальный и преимущественно

радиальный характер. На рис. 2.9 изображены варианты топологий рас-

пределенных АСУ ТП.

Радиальная структура взаимодействия подсистем (рис. 2.9, а)

отражает традиционно применявшийся способ соединения устройств с

выделенными линиями связи и характеризуется следующими

особенностями:

1. Существуют отдельные, не связанные между собой линии,

объединяющие центральную подсистему (ЦП) с локальными системами

автоматики ЛА

2. Технически просто реализуются устройства сопряжения УС

-УС

локальной автоматики. Центральное устройство связи УСЦ представляет

собой набор модулей типа УС, по числу линий либо достаточно сложное

устройство мультиплексирования каналов передачи информации.

3. Обеспечиваются максимальные скорости обмена по отдельным

линиям при достаточно высокой производительности вычислительных

устройств на уровне ЦП.

4. Надежность подсистемы связи в значительной степени зависит от

надежности и живучести технических средств ЦП. Выход из строя ЦП

практически разрушает подсистему обмена, так как все потоки

информации замыкаются через верхний уровень.

Распределенная система с радиальной структурой является

двухуровневой системой, где на нижнем уровне в подсистемах реализуются

необходимые функции контроля, регулирования, управления, а на втором - в

ЦП координирующая микроЭВМ (или мини-ЭВМ) кроме координации

работы микроЭВМ-сателлитов осуществляет оптимизацию задач управления

ТОУ, распределение энергии, управляет технологическим процессом в

целом, вычисляет технико-экономические показатели и т. п.

Вся база данных в распределенной системе с радиальной структурой

должна быть доступной координирующей микроЭВМ для прикладных

программ управления на верхнем уровне. Вследствие этого

координирующая микроЭВМ работает в реальном времени и должна

обладать языками высокого уровня.

На рис. 2.9, б, в изображены кольцевая и шинная топологии

взаимодействия уровней. Эти структуры имеют ряд достоинств по

сравнению с радиальной:

Рис. 2.9. Типовые структуры распределенных АСУ ТП: а - радиальная; б - магистральная;

в - кольцевая

1. Работоспособность подсистемы связи, включающей в себя канал и

устройства связи, не зависит от исправности технических средств на

уровнях автоматизации.

2. Имеются возможности подключения дополнительных устройств и

контроля всей подсистемы с помощью специальных средств.

3. Необходимы значительно меньшие затраты кабельной продукции.

За счет обмена информацией между ЛА через канал связи и УС

(«каждый-с-каждым») появляется дополнительная возможность

динамического перераспределения функций координации совместной

работы подсистем ЛА по нижним уровням в случае выхода из строя ЦП.

Шинная (в меньшей степени кольцевая) структура обеспечивает

широковещательный режим обмена между подсистемами, что является

важным преимуществом при реализации групповых команд управления.

Вместе с тем шинная и кольцевая архитектуры предъявляют уже

значительно более высокие требования к «интеллекту» устройств

сопряжения, а следовательно, повышенные единовременные затраты на

реализацию базовой сети.

Сравнивая кольцевую и шинную топологии подсистемы связи,

необходимо отметить, что организация кольцевой структуры менее

дорогостоящая и требует более дешевых средств связи, чем шинная. Однако

надежность всей подсистемы с кольцевой системой связи определяется

надежностью каждого устройства сопряжения и каждого отрезка линий

связи. Для повышения живучести необходимо применение двойных колец

или дополнительных линий связи с обходными путями. Работоспособность

физического канала передачи для шинной архитектуры с

трансформаторной развязкой не зависит от исправности устройств

сопряжения, однако, как и для кольца, выход из строя любого устройства

сопряжения в наихудшем случае приводит к полностью автономной работе

отказавшего узла подсистемы, т. е. к потере функции управления от уровня

ЦП автоматикой отказавшего узла.

Явным методом повышения живучести всей системы автоматики в

случае отказа устройств согласования в подсистеме связи является

дублирование устройств согласования в узлах подсистемы. В кольцевой

структуре такой подход уже подразумевается при организации двойных

колец и обходных путей. Если надежность непрерывного физического

канала для нижней топологии не вызывает сомнений, то возможно

дублирование только устройств сопряжения без применения резервного

магистрального кабеля.

Более дешевым способом повышения надежности подсистемы связи

является использование комбинированных структур, сочетающих в себе

достоинства радиальных и кольцевых (магистральных) топологий. Для

кольца число радиальных связей может быть ограничено двумя-тремя

линиями, реализация которых, например в стандарте ИРПС СМ ЭВМ, дает

простое и дешевое решение.

Оценка таких показателей рассмотренных структур распределенных

АСУ ТП, как экономические (затраты на кабельную продукцию,

трассировку кабеля, на разработку или приобретение сетевых средств, в том

числе устройства связи и т. п.), функциональные (использование групповых

операций передачи, интенсивность обмена, возможность обмена «каждый-с-

каждым»), а также показатели унификации и возможности эволюции сети

(возможность простого включения дополнительных узлов-абонентов,

тенденции к применению в АСУ ТП) и показатели надежности сети (отказ

канала связи и устройств связи или сопряжения), позволяет сделать

следующие выводы: 1) наиболее перспективной в смысле развития и

использования является магистральная организация подсистемы связи; 2)

функциональные возможности магистральной топологии не уступают

возможностям кольцевой и радиальной; 3) надежностные показатели

магистральной структуры достаточно удовлетворительные; 4)

магистральная топология распределенной АСУ ТП требует больших

единовременных затрат на создание и внедрение канала связи и устройств

сопряжения.

Во многом благодаря этим особенностям магистральной структуры и

модульной организации аппаратных и программных средств в современных

АСУ ТП магистрально-модульный принцип построения технического

обеспечения нашел преимущественное распространение. Использование

магистральной системы передачи и обработки данных в распределенных

АСУ ТП приводит к проблемам организации ЛУВС на базе

микропроцессорных вычислительных средств, поэтому необходимо хотя бы

кратко рассмотреть технические характеристики ЛУВС с магистральной

топологией, отослав читателя к специальной литературе по более общим

вопросам организации локальных вычислительных систем, например к

[9,10,12] .

2.5. Средства построения ЛУВС с магистральной

структурой

Различают следующие компоненты ЛУВС: топологию сети (типы

которой были описаны выше), физическую среду передачи, метод доступа к

физической среде и программное обеспечение сети.

Физическая среда передачи ЛУВС с магистральной структурой

образована коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом,

обеспечивающим скорость передачи данных до 10 М бит/с. Большую

скорость (150 м бит/с и более) может обеспечить оптоволоконный кабель,

однако стоимость такого кабеля выше и от него сложнее осуществить

отводы для подключения абонентов.

Для подключения узлов-абонентов используются приемопередатчики,

представляющие собой узел сбора данных и управления вводом-выводом

данных от подсистем в магистраль, и включают в себя адаптеры,

интерфейсные схемы канала связи и сетевые интерфейсы. Функции сбора

данных и управления реализуются модулями, связанными друг с другом

через шину узла и управляемыми контроллером узла. Упрощенная

структура ЛУВС с удаленными и неудаленными абонентами

(подсистемами) с топологией шины, иллюстрирующая основной состав

физических средств приема -передачи данных, изображена на рис. 2.10 [9].

Абоненты - подсистемы управления АСУ ТП - подключаются к общему

каналу (магистрали) с помощью адаптеров связи (станций, блоков доступа).

При незначительном удалении от общего канала связи (менее 100 м)

абоненты 1, 2, ..., m подключаются к магистрали через адаптеры канала

связи А

KC1

, А

KC m

. При большем удалении абоненты m+1, ..., n связываются

с общим каналом через адаптеры канала связи А

КС1

, А

КС m

, каналы передачи

и адаптеры канала связи А

KC m+1

, А

КС n

. Адаптеры канальной связи имеют бу-

ферную память достаточной емкости, необходимую для согласования

различных скоростей передачи сигналов абонентами 1, 2, ..., m, m+1, ..., n со

скоростью ввода сигналов в общий канал, которая одинакова в точках а-f

интерфейса канала связи И

. Функциональный состав и характеристики

адаптеров А

и А

изменяются в зависимости от внешних интерфейсов И

абонентов.

На рис. 2.10 изображена блок-схема интерфейсного узла ЛУВС с

магистральной структурой:1 - основная и резервная магистрали данных; 2 -

интерфейсы связи с резервной магистралью данных; 3 - внутренняя

магистраль узла; 4 - модули ввода-вывода; 5 - функциональные модули

(контроллеры, средства отображения данных, ЗУ с произвольной выборкой,

...); 6 - ТОУ. Все модули интерфейсного узла подсистемы связаны один с

другим посредством внутренней магистрали узла, а с верхним уровнем

системы управления (на рис. 2.11 не показан) - через интерфейс связи 2 и

магистрали данных. Внутренняя магистраль реализуется часто как

параллельный интерфейс, поскольку территориальная сосредоточенность

модулей и технологического объекта в подсистеме делает возможной работу

при принятых для параллельного интерфейса скоростях, хотя каждый из

модулей может работать с различными скоростями.

Все виды связи с другими подсистемами, в том числе связь с опе-

ратором, координирующим работу подсистем, осуществляются через

интерфейсы, подключаемые к модулям подсистем через внутреннюю

магистраль. В то же время носителем форматов и связи по сообщениям

являются резервные магистрали данных. Резервные магистрали данных на

рис. 2.11 позволяют осуществить обмен сообщениями между подсистемами и

УВМ верхнего уровня, между подсистемами (каждая-с-каждой) и между

оператором и подсистемами, которые не должны утрачиваться из-за

неисправности какой-либо одной магистрали данных.

Методы доступа к физической среде ЛУВС объединяют в два класса:

случайный и детерминированный (централизованный и

децентрализованный). Методы доступа зависят от выбранной топологии

сети. В табл. 2.1 приведены топологии, классы и методы доступа к

физической среде ЛУВС.

Рис. 2.10. Упрощенная структура ЛУВС с магистральной структурой

В магистральных ЛУВС обычно применяется метод множественного

доступа с контролем несущей и с обнаружением конфликта [в табл. 2.2 -

МДКН/ОК (CSMA/CD), селекторный опрос и явления (адресуемая)

передача права].

Программное обеспечение ЛУВС обеспечивает взаимодействие

между i-м и j-м узлами-абонентами сети или, иначе, взаимодействие между

локальными подсистемами распределённой АСУ ТП путем передачи друг

другу массивов данных. Эта задача решается с помощью специальных

управляющих программ и правил (протоколов). В соответствии с

рекомендацией Международной организации стандартов (ISO)

программное обеспечение содержит семь уровней (рис. 2.11), из которых к

настоящему времени полностью стандартизированы два нижних

(физические и канальные уровни) и частично сетевой.

Протоками называют правила взаимодействия одновременных

уровней (слоёв) программного обеспечения сети. На рис. 2.12 и 2.13

изображены примеры протоколов соединения близкого и удаленного

абонентов ЛУВС, где видно, каким образом реализуются уровни

программного обеспечения ЛУВС (см. также рис. 2.10).

Рис. 2.11. Блок-схема интерфейсного узла

Таблица 2.2

Доступ к физической среде ЛУВС

Класс метода доступа

Топология ЛУВС

радиальная «шина» «кольцо»

Случайный МДКН/ОК МДКН/ОК Заполнение

регистра

Детерми-

нированный

Централи-

зованный

Коммутация

физического или

логического

соединения

Селекторный

опрос

Групповой

опрос

Децентрали-

зованный

_____ Явная

(адресуемая)

передача права

Неявная

(адресуемая)

передача

права

Кратко дадим характеристику задач и функций, выполняемых

уровнями программного обеспечения ЛУВС.

Уровень 7 - прикладной (программы пользователей) - выдает

данные пользователя, которые нужно передать по каналу связи. В

4 4

ВыходыВходы