Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист

УДК 621.396.218.08 К64

Рецензенты:

канд. техн. наук, С.В. Березняков (ОАО «СТАР», г. Пермь);

д-р техн. наук, профессор А.А. Южаков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Кон, Е.Л.

К64 Передача информации в распределенных информаци- онно-управляющих системах : учеб. пособие / Е.Л. Кон, М.М. Кулагина. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн.

ун-та, 2015. – 168 с.

ISBN 978-5-398-01506-5

Рассмотрены основы системного подхода к проектированию распределенных информационно-управляющих систем. Проанализированы способы организации данных систем на различных типах физической среды (металлический кабель, оптоволокно, радиоэфир). Освещены вопросы построения систем на базе «полевых технологий». Приведены методы оценки показателей надежности и основных эксплуатационно-технических характеристик сетей связи. Приведены контрольные вопросы и задания для самостоятельного изучения.

Предназначено для студентов направления подготовки 11.04.02 (220400) «Управление в технических системах», магистерской программы 11.04.02.54 (22020051.68) «Распределенные компьютерные информационно-управляющие системы».

УДК 621.396.218.08

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Передача информации в распределенных ин- формационно-управляющих системах» относится к вариативной части цикла профессиональных дисциплин сетевой магистерской программы 11.04.02.54 (21070054.68) «Распределенные компьютерные информационно-управляющие системы» и является обязательной для изучения.

Цель дисциплины – освоение дисциплинарных компетенций по применению методов, моделей, технологий и инструментальной среды для планирования, проектирования и эксплуатации современных распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) и их компонентов, в том числе многофункциональных систем телемеханики.

Задачи дисциплины:

•изучение общих принципов построения и технической эксплуатации РИУС;

•формирование умений применять методы расчета технических характеристик РИУС;

•овладение навыками проектирования РИУС на основе полевых технологий и эксплуатации РИУС.

Предметом освоения дисциплины являются: системный подход и современная концепция эксплуатации РИУС; подходы

ктехнической эксплуатации РИУС с учетом специфики используемой физической среды передачи; способы организации технической эксплуатации РИУС; методики определения показателей надежности и эксплуатационно-технических характеристик современных РИУС.

В процессе изучения дисциплины студент осваивает следующие дисциплинарные компетенции:

– способен понимать основные проблемы в области планирования, проектирования, эксплуатации РИУС, выбирать методы и средства их решения (ПК-3-3);

5

–способен использовать современные технологии обработки информации, современные технические средства управления, ВТ, компьютерных сетей и телекоммуникаций при проектировании распределенных систем автоматизации и управления (ПК-11-2);

–способен применять современные методы и инструментарий для разработки технического, информационного и алгорит-

мического обеспечения распределенных систем автоматизации

иуправления (ПК-21-2).

Врезультате освоения дисциплины обучающийся должен

знать:

–основные проблемы на этапах планирования, проектирования, эксплуатации РИУС, выбирать методы и средства их реше-

ния (ПК-3-3);

–современные технологии, принципы построения и модели инфокоммуникационных (ИКС) и информационно-управляющих (РИУС) сетей, алгоритмы помехоустойчивой передачи и обработки информации, современные технические средства управления ресурсами РИУС, основные протоколы доступа канального и прикладного уровней КСП и их использование при проектировании РИУС (ПК-11-2);

–современные методы и аппаратурно-программные средства анализа, моделирования и разработки технического, информационного и алгоритмического обеспечения РИУС (ПК-21-2);

уметь:

–применять знание основных проблем, возникающих на этапах планирования, проектирования, эксплуатации и сопровождения РИУС, для постановки и решения задач по их устранению; выбирать методы и средства решения указанного класса задач (ПК-3-3);

–применять современные технологии, принципы построения

имодели инфокоммуникационных (ИКС) и информационноуправляющих (РИУС) сетей, алгоритмы помехоустойчивой передачи и обработки информации, принципы построения и архитектуры МСТМ и АСДУ, современные базисные программные и аппаратные средства, модули, при проектировании и исследовании РИУС (ПК-11-2);

6

–применять современные методы и аппаратурно-программ- ные средства анализа, моделирования и разработки технического, информационного и алгоритмического обеспечения РИУС, удовлетворяющие заданными системными характеристиками (ПК-21-2);

владеть:

–навыками обоснованного выбора и использования типовых информационных систем и аппаратно-программных средств на этапе планирования МСТМ (ПК-3-3);

–навыками самостоятельного построения, проектирования, отладки модулей, подсистем и интегрированной МСТМ с заданными системными характеристиками в различных современных базисах и технологиях, в т.ч. полевых технологиях, на примере

LonWorks-технологии (ПК-11-2);

–навыками самостоятельной работы в типовых пакетах проектирования, и моделирования (MatLab, LabView),навыками практической отладки синтезированных системных модулей, на примере построения АСДУ с технологией LonWorks и инструмен-

тальной среды фирмы Echelon (LonMaker, LonBuilder) (ПК-21-2).

Теоретический материал, изложенный в учебном пособии, находит дальнейшее развитие, углубление и практическую проработку в процессе выполняемых заданий, практических занятий, индивидуальных заданий по различным видам самостоятельной работы.

Структура учебного пособия организована по модульному принципу. Глава учебного пособия соответствует разделу дисциплины, темы раскрываются в соответствующих параграфах.

В учебном пособии представлены современные подходы к построению и реализации эффективных систем технической эксплуатации городских инфокоммуникационных сетей, основанные на использовании современных программно-аппаратных средств, которые позволяют реализовать сетевой характер изучаемой дисциплины через дистанционные формы обучения.

Приведены примеры, контрольные вопросы и задания, которые позволяют студентам самостоятельно оценить уровень освоения теоретического материала, подготовиться к практическим занятиям и к выполнению индивидуальных заданий в рамках самостоятельной работы по дисциплине.

7

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И АРХИТЕКТУРА ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ И ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ (РИУС И ИКС)

Классификация сетей общего и специального применения (РИУС, АСДУ, ИКС)

Предметом изучения дисциплины являются компьютерные сети общего и специального применения (распределенные ин- формационно-управляющие системы, инфокоммуникационные системы, автоматизированные сети диспетчерского управления и инфокоммуникационные системы).

Внастоящее время широкое применение нашли различные варианты компьютерных сетей. Для классификации компьютерных сетей используются разные признаки, выбор которых заключается в том, чтобы выделить из существующего многообразия такие, которые позволили бы обеспечить данной классификационной схеме обязательные качества: возможность классификации всех, как существующих, так и перспективных, КС; дифференциация существенно разных сетей; однозначность классификации любой компьютерной сети; наглядность, простота и практическая целесообразность классификационной схемы.

Восновном КС классифицируют по признакам структурной

ифункциональной организации:

а) по назначению сетей:

–широкого назначения или универсального применения:

информационно-вычислительные сети и системы

(ИВС);

инфокоммуникационные сети и системы (ИКС);

телекоммуникационные сети (ТКС) и др.;

8

–специального назначения:

автоматизированные сети управления технологическими процессами (АСУТП) с развитой топологией;

информационно-управляющие системы (ИУС), в том числе распределенные информационно-управляющие системы (РИУС), системы типа «Умный дом»;

многофункциональные системы телемеханики (МСТМ), в том числе АСДУ, SCADA, DSC, промышленные информационные сети (ISC);

ИСУМ (интегрированные системы управления и мониторинга, объединяющие СУМ различного типа) и др.

Для каждого типа сетей и систем существуют свои многоуровневые модели, протоколы и технологии;

б) по пространственному расположению сетей:

–локальные сети (LAN);

–региональные сети (MAN);

–глобальные сети (WAN).

в) по топологии линий связи:

–шина;

–кольцо;

–звезда;

–дерево;

–неполноили полносвязный граф;

г) по способу организации логических каналов взаимодействия узлов (конечных пользователей) сети:

–сети с коммутацией каналов (СКК);

–сети с коммутацией пакетов (СКП);

–сети с коммутацией сообщений (СКС).

Инфокоммуникационные сети

Промышленные ИУС (МСТМ, АСДУ, SCADA, DCS, ICS) реализуют процессы сбора, распределения, хранения, достоверной передачи (обмена), обработки, регистрации и отображения технологической информации для мониторинга и управления произ-

9

водственно-технологическими процессами в промышленности

иразличных сферах экономики

Всвязи с успешным развитием интегрального базиса (появление СБИС, МПС, ПЛИС), инструментальных сред ОСРВ появи-

лись экономичные информационные промышленные сети и технологии (так называемые «полевые», или fieldbus-техноло- гии), объединяющие в децентрализованное (сетевое) взаимодействие интеллектуальные (smart) узлы (датчики, исполнительные механизмы, ПЛК (программируемые логические контроллеры – PLC). Это привело к расширению традиционной сферы применения телемеханических систем. Расширенный класс распределенных информационных промышленных систем получил название РИУС (распределенные информационно-управляющие сети). Теперь область применения РИУС включает все сферы экономики и промышленности, а также ЖКХ (в том числе объекты критической инфраструктуры)

РИУС обычно строится с участием ИКС.

Модель NGN – это сеть следующего поколения (Next Generation Network), т.е. концепция построения сетей связи, обеспечивающих предоставление неограниченного набора услуг с гибкими возможностями по их управлению, персонализации и созданию новых услуг за счет унификации сетевых решений.

Основная задача сетей нового поколения заключается в обеспечении взаимодействия существующих и новых телекоммуникационных сетей, поддерживаемых единой инфраструктурой для передачи любых видов информации (голоса, данных, видео).

В концепции NGN заложена идея конвергенции (т.е. процесса постепенного сближения различных технологий и служб связи с целью унификации оборудования и расширения функциональных возможностей) существующих (традиционных) сетей и технологий (как правило, это сети с коммутацией каналов) и разработок последних лет – мультисервисные сети с коммутацией пакетов (ССОП, сети мобильной связи и IP-сети).

10