Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-77

• справочная служба WHOIS;

• информационные ресурсы Mailbase и TRICKLE и др.

Сетевые службы и протоколы основаны на модели клиент-сервер. В этой

модели клиентом обозначают процесс или программу, отправляющую запрос на

сервер, а сервером – процесс или программу, принимающую запрос, обрабаты-

вающую его и возвращающую результат клиенту. В реальном приложении, ис-

пользующем архитектуру клиент

-сервер, происходит некоторая обработка ин-

формации как на стороне клиента, так и на стороне сервера.

Клиент-серверная обработка имеет преимущества перед приложениями

на стороне узла или сервера. Во-первых, поскольку сервер выполняет основную

обработку запроса и возвращает только результаты, количество передаваемой по

сети информации сведено к минимуму. Во-вторых, поскольку

клиент и сервер

должны поддерживать соответствующие протоколы, то тип операционной сис-

темы или аппаратной платформы перестает иметь значение. Сам протокол ста-

новится средой общения между клиентом и сервером. Любое программное обес-

печение для клиента, например FTP, работающее на любой платформе, может

взаимодействовать с любым FTP-сервером, работающим как на той же, так и

на

совершенно другой аппаратной платформе.

Самой популярной информационной службой Internet является WWW, в

сетях Intrаnet широко используется и служба FTP, поэтому кратко охарактеризу-

ем их возможности.

Всемирная информационная сеть WWW (World Wide Web)

Две основные особенности отличают сеть WWW:

• использование гипертекста;

• возможность клиентов взаимодействовать с другими приложениями

Internet.

Название сети WWW (World Wide Web) переводится как "всемирная

паутина", под

ней принято обозначать совокупность документов во всем мире,

которые имеют гипертекстовые ссылки, т.е. ссылки на другие документы, в том

числе и на других серверах. Гипертекстовая технология заключается в том, что

текст представляется как многомерный, т.е. с иерархической структурой типа

сети. Материал текста делится на фрагменты. Каждый видимый на экране

ком-

пьютера фрагмент, дополненный многочисленными связями с другими фрагмен-

тами, позволяет уточнить информацию об изучаемом объекте и двигаться в од-

ном или нескольких направлениях по выбранной связи. При установлении свя-

зей можно опираться на различные основания (ключи), но в любом случае речь

идет о смысловой, семантической близости связываемых фрагментов. Следуя

указанным связям, можно читать или осваивать материал в любом порядке. Объ-

екты не обязательно должны быть текстовыми, они могут быть графическими,

музыкальными, с использованием средств мультипликации и т.п.

Работать с гипертекстами предпочтительнее на рабочей станции клиен-

та, подключенной к одному из Web (WWW)-серверов. Информация на Web-

серверах обычно оформлена аналогично страницам "бумажного

документа", по-

этому принято говорить, что в сети представляется "страница информации".

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-78

Отображенный на экране гипертекст представляет собой сочетание алфавитно-

цифровой информации в различных форматах и стилях и некоторые графиче-

ские изображения – картинки.

Для того чтобы пользователь, работающий на компьютере любого типа,

видел документ, отформатированный надлежащим образом, разработан универ-

сальный формат HyperText Markup Language (HTML) – язык разметки гипертек-

ста. HTML – язык, предназначенный для создания форматированного текста, ко

торый насыщен изображениями, звуком, анимацией и гипертекстовыми ссылка-

ми на другие документы, разбросанные по всему Web-пространству. HTML-

документы представляют собой текстовые поля, в которые встроены специаль-

ные команды [56].

Для просмотра страниц HTML-документа необходимы специальные

программы – броузеры (WWW browser). WWW browser предназначены для того,

чтобы соединяться по Internet с удаленными компьютерами, запрашивать опре-

деленные документы, а затем

формировать полученные документы для просмот-

ра на локальном компьютере.

Как работают броузеры? Броузеры отправляют запросы и получают

информацию, необходимую для того, чтобы изобразить страницу HTML на ва-

шем экране. Полученная информация содержит сам файл HTML, а также все

графические, звуковые и видеофайлы, упомянутые в данном файле HTML. Как

только данные получены, броузер форматирует текст

в соответствии с команда-

ми HTML и изображает его на экране вместе с графикой. В тот момент, когда вы

щелкаете кнопкой мыши на гипертекстовой ссылке, по каналам Internet отправ-

ляется новый запрос на получение другого файла.

Большинство броузеров предоставляют доступ к другим сервисам

Internet, в частности FTP-доступа. Это дает возможность считать WWW инте-

гральной

службой Internet.

Одной из целей проекта WWW была реализация удобного способа дос-

тупа к документам, размещенным на удаленных компьютерах. Для передачи в

сети документов, стандартной формой представления которых является гипер-

текст, был разработан протокол, названный HTTP – HyperText Transfer Protocol

(протокол передачи гипертекстов). HTTP – это довольно простой коммуникаци-

онный протокол, который учитывает, что передаваемые документы включают

гипертекстовые ссылки

, т.е. содержат информацию об адресах, по которым мо-

гут быть отправлены последние запросы. Заметим, что для просмотра WWW-

документов совершенно не обязательно знать что-либо о протоколе HTTP.

HTTP основан на принципе сеансной связи. Каждый сеанс происходит в

четыре шага (рис. 4.40):

1) клиент устанавливает ТСР-соединение с сервером;

2) клиент отправляет

запрос серверу;

3) сервер обрабатывает запрос и возвращает запрашиваемую информа-

цию либо сообщение, что он не может ответить на запрос;

4) сервер или клиент закрывает ТСР-соединение.

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-79

Сетевые системы передачи информации (копирование и передача

файлов по протоколу FTP – File Transfer Protocol)

Для пересылки файлов многих вполне устраивает использование броузе-

ра, а не специального приложения – клиента FTP. Можно воспользоваться при-

ложениями – WWW-навигаторами, такими как Windows Internet Explorer,

Netscape Navigator. Однако они представляют лишь ограниченные функциональ-

ные возможности.

Рис. 4.40. Четыре фазы сеанса HTTP

Сервис FTP специально разработан для того, чтобы позволить вам уста-

новить

соединение с компьютером в Internet (Intrаnet), просмотреть файлы, дос-

тупные на нем, и скопировать те, которые вам необходимы. На компьютерах, ко-

торые используются как серверы FTP, устанавливается специальное программ-

ное обеспечение. Оно управляет основными операциями, необходимыми для пе-

редачи файлов к пользователю и от него. К таким операциям относятся переме-

щение, удаление

и переименование файлов или каталогов, а также определение,

кому именно разрешен доступ к серверу.

Пользователи подключаются к серверу с помощью программ, которые

называются клиентами FTP. Такие программы-клиенты позволяют использовать

команды FTP, с помощью которых управляют операциями, выполняемыми сер-

вером, например загрузкой файлов на компьютер пользователя или пересылкой

файлов от пользователя на

сервер FTP.

На рис. 4.41 показано взаимодействие между клиентом и сервером FTP.

Такие программы, как Cuete FTP или WS FTP для компьютеров с операционной

системой Windows 95/98/2000, позволяют осуществлять любые операции, начи-

Рис. 4.41. Взаимодействие между клиентом и сервером FTP

Глава 4. Информационные сетевые технологии

4-80

ная с загрузки или отправки файлов и заканчивая пересылкой целых каталогов.

Отметим в заключение, что большинство FTP-серверов в сетях Internet работает

под управлением операционной системы UNIX.

4.12. Контрольные вопросы

1. Что называется компьютерной сетью? Перечислите ее главные компоненты.

На какие классы подразделяются компьютерные сети?

2. Какие схемы адресации компьютеров в сети вы знаете? На каких этапах пе-

редачи данных используется та или иная схема?

3. В чем заключаются особенности эксплуатации основных типов локальных

компьютерных сетей?

4. Перечислите и кратко охарактеризуйте

базовые топологии построения ком-

пьютерных сетей. Какие топологии используются в локальных и глобальных

сетях?

5. С помощью каких физических средств передается информация в компьютер-

ных сетях?

6. Что такое эталонная модель взаимодействия открытых систем (OSI) и какие

функции она выполняет? Перечислите основные уровни модели OSI.

7. Для каких целей используют протоколы в

компьютерных сетях? Перечислите

наиболее распространенные протоколы и задачи, которые они выполняют.

8. С какой целью производится деление данных на пакеты при передаче в ком-

пьютерных сетях?

9. Чем отличается асинхронная передача данных от синхронной?

10. Какие методы доступа используются при управлении обменом в сетях типа

«звезда», «шина» и «кольцо»?

11.

Что называется «стандартной сетевой технологией» и какие их виды наибо-

лее распространены?

12. В чем заключаются особенности работы сетевых операционных систем?

13. Какие средства используют для объединения локальных компьютерных се-

тей?

14. С помощью каких средств осуществляется защита информации в глобальных

компьютерных сетях?

15. Что такое цифровой IP-адрес и на какие

классы они подразделяются?

16.

Как осуществляется поиск адреса компьютера по доменному имени?

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-1

ГЛАВА 5. АРХИТЕКТУРА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 5-2

5.1.

ОБОБЩЕННАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ

СИСТЕМЫ

5-2

5.1.1. Нижний уровень 5-3

5.1.2. Средний уровень 5-8

5.1.3. Верхний уровень 5-9

5.2.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЕЙ 5-10

5.3.

ПРИМЕРЫ КОМПЛЕКТОВАНИЯ НИЖНИХ УРОВНЕЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ

СИСТЕМЫ

5-23

5.3.1. Программируемые логические контроллеры серии Smart

фирмы «PEP Modular Computers» 5-23

5.3.2. Модули серии ADAM 4000 фирмы «Advantech» 5-27

5.3.3. Комплекс технических средств МИК и программных

средств MIK$Sys 5-31

5.3.4. Программируемые логические контроллеры SIMATIC

фирмы SIEMENS 5-33

5.4.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 5-37

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-2

Глава 5. АРХИТЕКТУРА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Архитектура современных информационных систем (систем компьютер-

ной автоматизации) технологических процессов представляет собой многоуров-

невую систему и строится на основе открытых технологий с использованием

стандартных модулей, объединенных в сеть помехозащищенным интерфейсом.

Архитектура этих систем строится на принципах:

• стандартности;

• модульности;

• распределенности;

• открытости;

• обеспечения требуемыми метрологическими характеристиками изме-

рительных каналов во всем диапазоне внешних воздействий окру-

жающей среды;

• способности работать в широком диапазоне температур, вибраций,

электромагнитных электрических и сетевых помех;

• обеспечения высокой надежности (время наработки на отказ более

100000 часов);

• наличия набора измерительных средств, сопрягаемых с обширным

парком датчиков и

исполнительных механизмов.

Выбор конкретной структурной схемы информационной системы зави-

сит от множества факторов, в частности от сложности системы, количества дат-

чиков и исполнительных механизмов, скорости обновления информации, требо-

ваний к надежности, резервированию, противоаварийной защите и т.д. Так, сис-

темы, имеющие менее 600–1000 входов-выходов, можно считать малыми, от 600

до 3000 – средними, более

2000–3000 – большими. Очевидно, что такая класси-

фикация достаточно условна. В связи с этим дать какой-либо единый рецепт по

созданию структурной схемы информационной системы не представляется воз-

можным. В то же время можно представить обобщенную структурную схему со-

временной информационной системы технологических процессов.

5.1. Обобщенная схема автоматизированной информационной

системы

Обобщенная схема

информационной системы представлена на рис. 5.1.

Это трехуровневая, иерархическая система управления. Для каждого из уровней

предполагает индивидуальный подход к разработке программного обеспечения,

зависящий от решаемых задач. Заметим, что при выборе базовых программно-

технических компонентов необходимо обеспечить, с одной стороны, простоту

реализации отдельных составных частей и комплекса системы в целом, а с

дру-

гой – технологичность сопровождения, модернизации и развития комплекса в

процессе эксплуатации.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-3

5.1.1. Нижний уровень

Основным функциональным назначением этого уровня является ввод

электрических сигналов от датчиков, их первичная обработка, программная реа-

лизация законов автоматического регулирования, вывод сигналов управления

исполнительными механизмами и информационное взаимодействие со средним

(промежуточным) уровнем.

Операторские станции

SQL Server

В корпоративную сеть

предприятия

Операторские станции

SQL Server

реального времени

Micro-SCADA

Контроллеры

(VME, IUC, SMART I/O,

ABB, Siemens и др.)

Сеть E t hern et T CP / I P

Промышенная сеть (Fiel dbus)

Верхний уровень

Средний уровень

Нижний уровень

Коммуникационный сервер

Интеллектуальный

контроллер, РС

. . . .

. .

PLC

. . . .

. .

PLC

I/OI/O

HOST компьютер

Рис. 5.1. Обобщенная схема информационной системы технологического процесса

Заметим, что для реализации этих задач в промышленных системах су-

ществуют, в принципе, два конкурирующих

направления в технике: индустри-

альные (промышленные) компьютеры PC и программируемые логические кон-

троллеры PLC.

Индустриальные (промышленные) компьютеры (PC), как правило,

программно совместимы с обычными офисными РС, но адаптированы для жест-

ких условий промышленной эксплуатации. Они должны работать круглосуточ-

но, подвергаясь воздействию окружающей среды, влаги, пыли, вибрации. В ка-

честве устройств сопряжения с объектом

управления данные системы комплек-

туются дополнительными платами (адаптерами) расширения, которые на рынке

представлены в большом разнообразии. В качестве операционной системы в

промышленных РС, чаще всего, применяется Windows 95/98/NT/2000, в том

числе различные расширения реального времени, специально разработанные для

этой операционной системы Windows NT.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-4

Промышленные контроллеры (PLC – Programmable Logic Controller)

представляют собой специализированные вычислительные устройства, предна-

значенные для управления процессом (объектом) в реальном времени.

В роли управляющих электронно-вычислительных машин традиционные

универсальные РС малопригодны по следующим причинам:

• недостаточным спектром периферийного оборудования и устройств;

• время решения задач в системах управления должно быть строго ограничено,

реальным временем, что

в настоящее время сложно реализуемо для многих

задач на РС;

• работа в необслуживаемом круглосуточном режиме РС невозможна;

• как правило, РС не обладают возможностью обеспечить их высокую техноло-

гичность ремонта и обслуживания, что необходимо в АСУ ТП;

• гибкость и необходимость модернизации в процессе эксплуатации, наращи-

вание каналов ввода/вывода

, без потерь быстродействия на РС проблематич-

ны;

• принцип распределенности систем на РС реализовать достаточно сложно;

• в универсальных РС большое количество ресурсов тратится на пользователь-

ский интерфейс, который в системах АСУ ТП не всегда необходим;

• в управляющих электронно-вычислительных машинах необходимо специали-

зированное программное обеспечение: ОС и прикладные

программы, т.к. це-

лью информационной среды является обеспечение заданной реакции на воз-

действия, ОС реального времени;

• сменяемость универсальных РС быстрая, а управляющие электронно-

вычислительные машины мало меняются, преемственность достигается тем,

что в состав магистральных шин закладывается заведомая избыточность.

Промышленные контроллеры имеют вычислительное ядро и модули

ввода-вывода, принимающие информацию

(сигналы) с датчиков, переключате-

лей, преобразователей, других устройств и контроллеров и осуществляющие

управление процессом или объектом выдачей управляющих сигналов на приво-

ды, клапаны, переключатели и другие исполнительные устройства. Современные

PLC часто объединяются в сеть, а программные средства, разрабатываемые для

них, позволяют в удобной для оператора форме программировать и управлять

ими через

Host-компьютер, находящийся на более высоком уровне.

Много материалов и исследований по промышленной автоматизации по-

священо конкуренции двух направлений.

Основная тенденция в создании современных автоматизированных ин-

формационных систем заключается в следующем: там, где требуется повы-

шенная надежность и управление в реальном масштабе времени, применяют

PLC, которые по сравнению с РС общего назначения

более устойчивы к зависа-

ниям, обладают детерминированностью поведения, детерминированными ре-

акциями на события реального времени и не подвержены атакам программ-

вирусов.

PLC являются ответственными компонентами и, в значительной степени,

определяют свойства всей информационной системы: открытость, модульность,

наращиваемость, гибкость, надежность функционирования.

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-5

Исследования рынка PLC показывают, что наиболее развитой архитекту-

рой, программным обеспечением и функциональными возможностями обладают

контроллеры Siemens, Allen-Bradley, Fanuc Automation, Mitsubishi, SMART, IUC

9300, VME-9300, Omron, МИК, МФК, ТЕКОН и др.

Заметим, однако, что реализация системы на основе оборудования и про-

граммных средств, поставляемых "под ключ" приборостроительными фирмами-

гигантами, которые применяют собственную уникальную архитектуру измери-

тельно-вычислительных комплексов (Siemens, Allen-Bradley и ряд других

), а в

дальнейшем монополизируют ее сопровождение, ремонт и модернизацию, не

всегда рациональна. Использование закрытых внутрифирменных стандартов, от-

сутствие исчерпывающей документации на нее и программные средства навсе-

гда привязывают заказчика к фирме-поставщику и, в конечном счете, требуют

существенно больших, чем в любом другом варианте, суммарных затрат на соз-

дание и

эксплуатацию информационных систем.

К аппаратно-программным средствам этого уровня обычно предъявля-

ются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные

устройства, датчики и т.д. Работоспособность указанных устройств в промыш-

ленности должна обеспечиваться в относительно жестких условиях эксплуата-

ции (например, повышенные температуры, сильная загрязненность помещений,

токопроводящая пыль, наличие агрессивных газов) при

непрерывном круглосу-

точном режиме работы.

Для обеспечения надежности работы аппаратуры этого уровня обычно

применяются специальные технологические решения. В частности, в ней долж-

ны отсутствовать механические элементы – вращающиеся диски, вентиляторы и

т.п., ухудшающие надежность работы аппаратуры. Для охлаждения элементов

используются пассивные системы охлаждения – радиаторы естественной кон-

векции, а ПЗУ реализовано

на флэш (Flash)-дисках. Что такое флэш-ПЗУ, реали-

зованное на флэш-дисках? Функциональное назначение флэш-дисков ничем не

отличается от всех остальных «дисков» в компьютерном смысле этого слова –

устройство для долговременного энергонезависимого хранения информации с

возможностью многократной перезаписи. Их самое главное отличие от триви-

альных винчестеров и флоппи-дисков заключается в

отсутствии каких-либо под-

вижных механических деталей конструкций. Для хранения информации во

флэш-дисках используются специальные микросхемы памяти.

В отличие от любого винчестера, флэш-диск практически невосприим-

чив к ударам и вибрациям, он выдерживает удары до 1000g. Диапазон рабочих

температур флэш-дисков может составлять от –40 °С до +85 °С, что является

просто

недостижимым для традиционных механических дисков. Они все-таки

вертятся, а на морозе или жаре это не так-то просто. Кроме того, при изменении

температуры механические части конструкции подвергаются сжатию и расши-

рению. Причем для различных материалов в различной степени. Все это приво-

дит к тому, что типичный рабочий диапазон температур для

механических дис-

ковых накопителей составляет +5 °С...+40 °С. Флэш-диски, в отличие от меха-

нических, не затрачивают времени на позиционирование считывающей головки

над необходимым цилиндром или сектором вращающегося магнитного диска. С

этой точки зрения доступ к любым данным на флэш-диске происходит практи-

Глава 5. Архитектура информационной системы технологических процессов

5-6

чески мгновенно. В настоящее время за пальму лидерства в разработке и произ-

водстве флэш-дисков борются две фирмы: SanDisk (США), M-Systems (Изра-

иль), которые разрабатывают микросхемы флэш-памяти емкостью до 3,5 Гбайт.

Выбор операционной системы (ОС) этого уровня зависит от жесткости

требований реального времени. Так, для достаточно большого спектра задач

можно использовать ОС О

S-9, QNX, VxWorks и другие, а также расширение ре-

ального времени для Windows NT – RTX (Real Time Extention) (см. главу 2).

Прикладное программное обеспечение современных PLC, имеющих

встроенную операционную систему, может быть разработано как с использова-

нием традиционных инструментальных средств (компиляторы языков С, С++,

Паскаль, Фортран и т.д.), так и на основе специализированных языковых

средств. Традиционная технология требует от разработчика

знаний не только в

области использования языков программирования, но и особенностей операци-

онной системы, а также аппаратных возможностей данного контроллера и орга-

низации системы ввода-вывода. При этом разработанное программное обеспече-

ние будет привязано только к данному типу контроллера и не может быть пере-

несено на другую аппаратно-программную платформу.

Потребность в специальных платформо-независимых языках программи-

рования возникла давно. Она послужила причиной объединения усилий ведущих

производителей контроллеров по разработке под эгидой Международной Элек-

тротехнической Комиссии (IEC, МЭК) стандарта на такие языки программиро-

вания PLC. В результате появился стандарт МЭК 61131-3, специфицирующий

синтаксис и мнемонику языков программирования, которые могут применяться

для любого логического контроллера

Стандартом МЭК 61131-3 определяется пять языков: три графических

(SFC, FBD, LD) и два текстовых (ST, IL).

SFC (Sequential Function Charts) – графический язык последовательных

функциональных схем. Язык SFC предназначен для использования на этапе про-

ектирования программного обеспечения и позволяет описать "скелет" програм-

мы – логику ее работы на уровне последовательных шагов и условий переходов

(транзакций). Это, по своей сути, аналог

блок-схем программ.

FBD (Function Block Diagram) – графический язык функциональных бло-

ковых диаграмм. Язык FBD применяется для построения комплексных проце-

дур, состоящих из различных функциональных библиотечных блоков – арифме-

тических, регуляторов, тригонометрических и т.д.). Аналог – принципиальные

схемы электронной аппаратуры.

LD (Ladder Diagrams) – графический язык релейной логики. Язык LD

применяется для описания логических выражений различного уровня сложно-

сти. Позволяет

моделировать различные схемы релейной логики.

ST (Structured Text) – язык структурированного текста. Это язык высо-

кого уровня, по мнемонике похож на Паскаль и применяется для разработки

процедур со сложной логикой, обработки данных.

IL (Instruction List) – язык инструкций. Это язык низкого уровня класса

ассемблера и применяется для программирования эффективных, оптимизиро-

ванных процедур.