Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист

Простые источники – отдельные узлы в составе телемеханических трактов: измерительные датчики (Д) в трактах ТИ, блокконтакты объектов производственных процессов либо блокконтакты охранных систем в трактах ТС, исполнительные механизмы (ИМ) в трактах ТУ, регуляторы (Рег) в трактах ТР, источники производственных данных либо настроечных файлов и др.

Сложные источники – совокупность простых источников (узлов) однотипных либо разных типов (видов) в составе КП. Таким образом, сложными источниками являются КП (ИП), интеллектуальные датчики ТИ или ТС, PLC и др.

Отметим, что в распределенных АСУ ТП (МСТМ), как правило, обслуживаются (присутствуют, встречаются) и простые,

исложные источники одновременно.

Вобщем случае дисциплины обслуживания сложных источников отличаются от дисциплин обслуживания простых источников в составе КП (ИП).

5.1.2. Обобщенные многоуровневые структуры: МСТМ (SCADA, АСДУ, РИУС)

Низовой уровень современных МСТМ, как правило, реализуется на основе «полевой шины» (Fieldbus) c ограничениями, присущими промышленным (LON) сетям. В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей на основе «поле-

вой шины» (Fieldbus): (Modbus, Profibus, DeviceNet, CANopen, LonWorks, ControlNet, SDS, Seriplex, ArcNet, BACnet, FDDI, FIP, FF, ASI, Ethernet, WorldFIP, Foundation Fieldbus, Interbus, BitBus и

др.). Однако широко распространенными являются только часть из них. В России подавляющее большинство АСУ ТП используют сети Modbus , Profibus. В последние годы возрос интерес к сетям на основе LоnWorks,CANopen и DeviceNet.

5.1.3. Сетевые характеристики МСТМ

Основными параметрами промышленных сетей являются производительность и надежность.

151

Производительность сети характеризуется временем реакции и пропускной способностью.

Время реакции сети определяется как интервал времени между запросом ведущего устройства и ответом ведомого при условии, что ведомое устройство имеет пренебрежимо малую задержку выработки ответа на запрос (запрос – это команда, посылаемая для того, чтобы получить ответ, примером может быть запрос серверу, который выдает на него ответ.).

Пропускная способность сети определяет количество информации, переносимой сетью в единицу времени. Измеряется в битах за секунду и зависит от быстродействия сетевых приемопередатчиков и среды передачи.

Важной комплексной характеристикой промышленных сетей является надежность доставки данных.

Надежность как комплексная характеристика характеризуется коэффициентом готовности, вероятностью доставки данных, предсказуемостью времени доставки, безопасностью, отказоустойчивостью .

Коэффициент готовности равен отношению времени наработки до отказа к сумме времени наработки до отказа и времени восстановления после отказа.

Вероятность доставки данных определяется помехоустойчивостью канала передачи и детерминированностью доступа к каналу.

В беспроводных сетях вероятность потери пакетов при передаче гораздо выше, чем в проводных. В сетях со случайным методом доступа к каналу существует вероятность того, что данные никогда не будут доставлены абоненту.

Время доставки данных в офисных сетях Ethernet является случайной величиной, однако в промышленном Ethernet эта проблема решена с помощью коммутаторов.

Безопасность – это способность сети защитить передаваемые данные от несанкционированного доступа.

Отказоустойчивость – это способность сети продолжать функционирование при отказе некоторых элементов. При этом

152

характеристики системы могут ухудшиться, но она не теряет работоспособности.

В последнее время появился термин «качество обслуживания» (QoS – Quality of Service). QoS определяет вероятность того, что сеть будет передавать заданный поток данных между двумя узлами в соответствии с потребностями приложения (оказывать востребованную услугу с заданным качеством).

5.2. Дисциплины обслуживания (ДО), применяемые в МСТМ

Характеристика ЦДО, АДО, АЦДО, ДОВ. Характеристика ДО канального и прикладного уровней. Анализ средней задержки (производительность), временные диаграммы, форматы сообщений. МСТМ для сосредоточенных и распределенных объектов.

Для простых источников выделим следующие ДО источни-

ков:

Циклическая ДО (ЦДО);

Асинхронная ДО (АДО);

Асинхронно-циклическая ДО (АЦДО);

ДО по Вызову (ДОВ) и ее разновидности – выборочный, групповой (списочный) виды опросов.

Для сложных источников (ПУ, КП) либо независимых простых узлов (не в составе сложных) могут быть реализованы следующие ДО:

ЦДО;

АДО;

ДОВ-1 и ее разновидности – выборочный, групповой (списочный), приоритетный либо распределенный (типа «распределенный маркер» или «эстафета») виды опросов;

ДОВ-2.

Кратко охарактеризуем названные ДО.

1. Циклическая дисциплина обслуживания (ЦДО). При ЦДО инициатива связи (обмена информацией) принадлежит ПУ (ДП) (как правило, канальному уровню; обслуживающим устройством является канал связи. В случае простых источников (или задач

153

прикладного уровня) в составе КП (сложного источника) инициатива принадлежит устройству (программе) управления (контролеру или диспетчеру задач; обслуживающим устройством является КСП). В дальнейшем иллюстрируем все ДО на примере взаимодействия ПУ и КП (ИП).

Рассмотрим варианты форматов сигналов при ЦДО сложных и простых источников.

Одноуровневая МСТМ для рассредоточенных КП (сложный источник) с централизованным обменом.

Формат сигналов представлен на рис. 5.13, где приняты следующие обозначения: НКП – номер КП; УП – управляющее поле; ФА – функциональный адрес; КО – код операции (при управлении, «запрос», «вызов» и т.д.) или информация о состоянии источника; И – информация о состоянии источника (по запросу).

Сх НКП УП ФА КО (И )

t

Рис. 5.13. Формат сигналов при ЦДО

Протокол обмена уровня ПУ-КП представлен на рис.5.14.

Рис. 5.14. Протокол обмена уровня ПУ-КП

Среднее время задержки СТМ определяется задержкой обслуживания источников КП, числом КП и методом ПХУ передачи (среднее время запроса КП включено в среднее время его обслуживания):

154

TзадСТМ Nкп Tзадкп,

где Тзадкп Тпи Nи (включает Тзапр (вызова)).

Протокол обслуживания простых источников в составе КП представлен на рис. 5.15.

Рис. 5.15. Протокол обслуживания простых источников в составе КП: кДО – код ДО (операции); Nи – число источников в КП; Тпи – время передачи информации одного источника

Возможен опрос всех источников в КП за один или несколько циклов.

Таким образом, при ЦДО последовательно опрашиваются все КП, которые передают информацию о своем состоянии. При ЦДО реализуется режим подчинения (M-S).

Подобная ДО КП используется практически во всех МСТМ как «циркулярный режим передачи» для начальной (и периодической) синхронизации отображаемых состояний объектов ТС устройствами регистрации ПУ и фактическим состоянием объектов ТС в составе КП.

2. Асинхронная дисциплина обслуживания (АДО) или обслу-

живание «по событию» (event repоrt). При АДО инициатива на связь (обслуживание, «захват» ресурсов) принадлежит активному источнику, то есть источнику, у которого изменилось состояние либо произошло какое-либо иное «событие».

155

При АДО все взаимодействующие субъекты при равноприоритетности являются равноранговыми. В случае необходимости реализации предпочтений источников (простых или сложных) осуществляется приоритетное обслуживание. Например, в трактах МСТМ приоритеты распределяются следующим образом: ТС, ТИ, ТУ, ПД. В зависимости от особенностей протокола приоритеты могут быть абсолютными или относительными.

Для АДО наиболее характерным является протокол (режим) соперничества.

Например, на канальном уровне это МДКН/ОК (ПК) [CSMA/CD (AC), где CSMA-Carry Sense Мultiple Access (множе-

ственный доступ с контролем несущей); CD – Collision Detection (обнаружение коллизий, столкновений или конфликтов); AC – Avoidance Collision (предотвращение коллизий).

АДО характерна для трактов ТУ, ТИ, ответственных объектов ТС.

Втрактах ТИ при централизованном и сетевом обменах АДО реализуется на канальном и прикладном уровнях КП (источников КП), при этом «событие» наблюдается в случае превышения текущим значением ТИ величины заранее определенного порога или интервала (например, при ТИ с использованием способов адаптивной дискретизации).

Втрактах ТС «событие» наступает при включении/отклюючении задвижек, агрегатов, двигателей, контакторов и другой силовой аппаратуры либо срабатывании сигнальных контактов или датчиков охранных и аварийно-противопожарных систем.

Рассмотрим протоколы АДО для простых и сложных узлов МСТМ.

Протокол обслуживания простых источников в составе КП представлен на рис. 5.16.

Отметим, что рассматриваемое множество простых источников может принадлежать как одному КП, так и всей совокупности КП и, кроме того, может рассматриваться как множество независимых (вне КП) источников. Среднее время задержки СТМ

Tзадкп Tоч Тп.

156

Среднее время задержки СТМ

среднее время задержки КП для дисциплины обслуживания АДО каждого источника; Nакп – среднее число активных КП.

АДО широко используется как в МСТМ с ЦО, так и в телемеханических сетях c сетевым обменом. При количественной

157

оценке средней величины задержки от момента появления «события » на КП и до его регистрации на ДП необходимо учитывать все виды приоритетов – трактов, КП в составе тракта и источников в составе КП.

3. Асинхронно-циклическая дисциплина обслуживания (АЦДО).

При АЦДО инициатива связи (обмена информацией), так же как и в случае АДО, принадлежит активному узлу (источнику), но в отличие от АДО на ДП передается информация о состоянии не одного источника КП, а группы источников КП, среди которых находится активный источник.

Таким образом, особенность АЦДО заключается в следующем:

–применяется в основном в трактах ТС для передачи состояний простых источниковвсоставеКПпринаступлении«события»;

–применяется в СТМ для сосредоточенных и рассредоточенных объектов телемеханизации предпочтительно с ЦО;

–преимущество АЦДО перед АДО в том, что за один цикл обмена передается информация о состоянии не одного, а нескольких (группы) объектов;

–при АЦДО уменьшается интенсивность трафика, т.е. загрузка системы, хотя при этом увеличивается задержка передачи информации об активном объекте, вносимая системой.

Протокол обмена с АЦДО простых источников одного КП представлен на рис. 5.18.

Все источники Nи в КП могут быть разбиты на Nгр.

Оценим задержку, вносимую системой при АЦДО простых источников в составе КП:

Tзадкп Tоч Tnи nгри ,

Tоч Nгра nгри ,

где Nгра – среднее число активных групп; nгри – среднее число источниковвактивнойгруппе(какправило, nгри i nгри дляi = 1…Nгр).

158

Рис. 5.18. Протокол обмена с АЦДО простых источников одного КП:

В общем случае среднее время задержки

Tзадкп Точ Тпер,

где Тпер – среднее время передачи сообщений о состоянии всех активных групп.

Протокол обмена с АДОКП и АЦДОИ в КП представлен на рис. 5.19.

Рис. 5.19. Протокол обмена с АДОКП и АЦДОИ в КП

nгр.а – информация о состоянии источников всех активных групп ν-го КП. Среднее время задержки

159

4.Дисциплина обслуживания по вызову (ДОВ). Различаем две разновидности ДОВ: ДОВ-1 и ДОВ-2. При ДОВ-1 инициатива связи (обмена информацией) принадлежит ДП (ПУ) при ЦО или медиатору (групповому контролеру или ОРС-серверу) при сетевом обмене. Вызывается (передается «запрос») для обмена один или группа источников. Могут применяться иные разновидности ДОВ-1.

ДОВ-1 применяется в трактах ТС, ТИ, ПД, то есть в трактах обмена известительной (контрольной) информацией.

При ДОВ-2 инициатива на взаимодействие (передача известительной информации) принадлежит активному источнику (простому или сложному). Далее диспетчерский пункт системы (ДП) переходит к поиску активного КП, передавая последовательно, как при ЦДО, сообщения «вызова» всем КП. При этом пассивные КП отвечают коротким сообщением об отсутствии «события» (отсутствии изменения состояний простых источников в составе КП), а активные КП, инициирующие начало обмена и цикла опроса (поиска активных КП) передают полные сообщения, формат

исодержание которых обусловлены дисциплиной обслуживания источников активного КП (АДО или АЦДО).

4.1.Протокол обмена с ДОВ-1 источников. При данном про-

токоле вызываться для обмена могут как простые источники, так

исложные (КП или группа источников в КП).

ДОВ-1 может использоваться как при централизованном (ЦО), так и значительно реже, при сетевом (децентрализованном) видах обмена. Это одна из распространенных ДО в МСТМ.

В частности, централизованный обмен, реализуется и в сетях при передачах технологической (рабочей) и административной информации, реализуемых SCADA-пакетом, например: распорядительная информация ДП, регистрируемых текущих и интегральных значений телеизмеряемых параметров и состояний объектов ТС, а также передача конфигурационных файлов на узлы или запросы идентификаторов узлов, текущих конфигураций настроечных параметров и др.

160