Автоматизированные системы управления тепловых электростанций. Учебное пособие

информации о них в цифровой форме. Принципы цифровой связи

были заимствованы из телемеханики . Цифровая передача данных между отдельными устройствами благодаря ее высокой помехоустойчивости делает вычислительную сеть основой построения современных АСУ ТП.

АСУ ТП с архитектурой, предусматривающей цифровую связь между отдельными устройствами обработки данных, получили назва-

ние децентрализованных или распределенных [19]. Контроллеры, ра-

бочие станции и сервер АСУ ТП, связанные локальной вычислительной сетью и имеющие общую цель функционирования, представляют собой распределенную вычислительную систему. Программнотехническую базу распределенных АСУ ТП можно рассматривать как особый класс локальных вычислительных сетей.

Сети базируются на аппаратных средствах и программном обеспечении. Сетевые аппаратные средства обеспечивают физические связи между различными узлами сети и обычно содержат [4, 18]:

сетевые интерфейсные платы, одну на каждую ЭВМ;

сетевые устройства (концентраторы, мосты, маршрутизаторы, переключатели и т. д.). Предназначены для того, чтобы подключать различные сегменты сети и гарантировать, что пакеты информации посылают предназначенному адресату;

сетевые кабели, которые соединяют каждую сетевую карту с концентратором или переключателем.

Сетевые карты (адаптеры) используются, чтобы подключить ЭВМ (контроллер, персональный компьютер) к сети, и обеспечивают физическую связь между сетевой средой и внутренней шиной компьютера (модель открытых систем – уровни 1 и 2 в таблице). Большинство сетевых адаптеров разработано для специфического типа сети, протокола и носителей, хотя некоторые могут обслуживать различные сети.

Особенности распределенных АСУ ТП по сравнению с другими локальными вычислительными сетями обусловлены требованиями

Телемеханика – область электротехники (и оптоэлектроники), охватывающая методы и технические средства для передачи на расстояние сигналов контроля и управления. Средства телемеханики дают возможность оперативно управлять протяженным технологическим объектом (исторически наиболее ранний объект телемеханизации – железнодорожный транспорт).

63

к их быстродействию, надежной и безошибочной работе. От распределенных АСУ ТП требуется решать прикладные задачи в реальном времени, иногда в весьма ограниченные сроки; со значительной долей функций, инициируемых объектом управления и выводящих управляющие воздействия на объект. Отсюда следует требование не только гарантированной надежности и безошибочности решения прикладной задачи, но и решения ее в пределах практически допу-

стимого времени.

Распределяя по вычислительному процессу или по АСУ функции автоматического управления, стремятся управление процессом со стороны человека максимально централизовать, чтобы сократить число оперативного персонала и повысить ответственность за управление. Высокая степень автоматизации управления локальными средствами в распределенных АСУ ТП способствует решению задачи централизации управления ТП в смысле принятия решений по управлению объектом в целом.

Организующей основой структуры вычислительной сети АСУ ТП ТЭС служат архитектурные уровни, внутри которых разрешается принимать независимые решения.

Современные АСУ ТП построены на базе имеющихся наборов аппаратуры и программ с заложенными в них готовыми решениями по способу организации связи между процессорами и стандартными прикладными программами. На основе такого набора средств проектируют и реализуют конфигурацию, подходящую под особенности конкретного технологического процесса. Существующие на сегодняшний день программно-технические средства доступны для конфигурирования пользователем, причем оперативно в процессе эксплуатации, т. е. имеется возможность развития функций АСУ добавлением аппаратуры и программ в процессе эксплуатации.

Главное преимущество применения распределенных АСУ ТП – это повышение их надежности. Один из факторов, повышающих надежность распределенных АСУ ТП – возможность обработки данных в месте их возникновения и потребления без передачи их на вышестоящие уровни АСУ. Надежность распределенных АСУ ТП повышают, используя принципиально заложенные в них возможности резервирования, обнаружения и исправления ошибок, самодиагностики аппаратуры. Этот комплекс мер удается реализовывать благодаря деше-

64

визне и быстродействию современных средств обработки и передачи данных.

Практика эксплуатации уже давно [19] подтвердила принципиальные преимущества распределенных АСУ ТП, прежде всего их повышенную надежность (живучесть), обусловленную возможностью взаимного резервирования элементов распределенной вычислительной сети.

Основной недостаток распределенных АСУ ТП – это неудобство обслуживания, вызванное рассредоточением аппаратуры АСУ.

Основное требование к программному обеспечению АСУ ТП заключается в том, что АСУ производством должна быть системой реального времени, т. е. гарантированно и надежно решать прикладные задачи за временной интервал не более заданного.

5.1. АРХИТЕКТУРНЫЙ ПОДХОД ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ АСУ ТП

Распределенная АСУ ТП представляет собой структурно сложную систему. При создании таких систем применяется так называемый архитектурный подход, возникший первоначально при разработке вычислительных сетей [19].

Под архитектурой вычислительной сети понимают функциональные, логические и физические принципы ее организации. При создании вычислительных сетей для АСУ ТП стремятся применять унифицированные архитектурные решения. Практика разработки вычислительных сетей привела их создателей к введению стандарта на декомпозицию функций – разделению функций вычислительных сетей на слои, или

уровни.

Функционально распределенные АСУ ТП организуются по большей части как взаимодействующие между собой по определенным принципам слои (уровни). Физическая структура определяет соединение компонентов сети передачи данных распределенной АСУ ТП. Логическая структура устанавливает правила взаимодействия между функциональными уровнями и объектами внутри одного уровня и оформляется в виде межуровневых интерфейсов и внутриуровневых протоколов.

65

Уровни функциональной структуры условно располагаются один над другим, причем только верхний выполняет прикладные функции, т. е. те, ради которых создана система. Остальные уровни выполняют внутренние (служебные) функции системы, с помощью которых реализуются прикладные функции.

Архитектурные уровни функциональной структуры разделяются интерфейсами, через которые происходит обмен пакетами информации по правилам, устанавливаемым интерфейсами.

5.2. ВАРИАНТЫ ТОПОЛОГИИ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Топология локальной вычислительной сети определяет способ, которым организованы сетевые устройства. Существуют четыре основные топологии локальных сетей:

шинная (магистральная) топология – линейная архитектура локальной сети, в которой узлы соединены с шиной и могут устанавливать связь со всеми другими узлами на этом сегменте кабеля (см. рисунок, а). Обрыв где-нибудь в магистрали (кабеле) означает полный выход сегмента из строя до тех пор, пока связь не восстановлена;

звездообразная топология – архитектура, в которой оконечные узлы сети связаны с общим центральным концентратором или переключателем выделенными связями (см. рисунок, б). Сети 10BaseT Ethernet используют звездообразную топологию. Основное преимущество этого типа сети – надежность: если один из «двухточечных» сегментов имеет разрыв, это затронет только узлы на этой связи; другие пользователи в сети продолжают работать, как будто этот сегмент существует (в данной архитектуре используется протокол RS 232, реализующий связь «точка–точка»);

кольцевая топология – архитектура локальной сети, в которой все устройства связаны друг с другом петлей, так чтобы каждое устройство было связано непосредственно с двумя соседними (см. рисунок, в). Данная топология используется в сетях Token Ring/IEEE 802.5 и FDDI;

топология дерева – архитектура локальной сети, которая идентична шинной топологии, за исключением того, что в этом случае возможны ветви с множественными узлами (см. рисунок, г).

66

5.3. ЭТАЛОННАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Задача согласованного взаимодействия различных ресурсов сети (центрального контроллера и периферийных устройств, являющихся источниками и приемниками данных) решается с помощью системы

специальных процедур, называемых протоколами [1].

Поскольку информационный обмен – процесс многофункциональный, протоколы подразделяются на уровни. К каждому уровню относится группа родственных функций. Для правильного взаимодействия узлов различных вычислительных сетей их архитектура должна быть открытой. Этим целям служат унификация и стандартизация в области телекоммуникаций и вычислительных сетей.

Наибольшее распространение в настоящее время получила эталонная модель обмена информацией открытой системы OSI (Open System Interchange). Под термином открытая система в данном случае понимается незамкнутая в себе система, имеющая возможность взаимодействовать с какими-то другими системами (в отличие от закрытой системы).

Модель OSI была предложена в 1984 г. Международной организа-

цией стандартов ISO (International Standards Organization). Как и любая универсальная модель, OSI довольно громоздка, избыточна и не слишком гибка, поэтому реальные сетевые средства, предлагаемые различными фирмами, не обязательно придерживаются разделения функций, принятого в эталонной модели.

Архитектура соединения открытых систем предусматривает расслоение функциональной, а следовательно, и программной структуры вычислительной сети на семь уровней. Все сетевые функции в модели разделены на семь уровней (см. таблицу). При этом вышестоящие уровни выполняют более сложные, глобальные задачи, для чего используют в своих целях нижестоящие уровни, а также управляют ими. Цель нижестоящего уровня – предоставление услуг вышестоящему уровню, причем вышестоящему уровню не важны детали выполнения

Протокол – это совокупность соглашений относительно способа предоставления данных, обеспечивающего их передачу в нужных направлениях и правильную интерпретацию данных всеми участниками информационного обмена.

68

этих услуг. Нижестоящие уровни выполняют более простые, более конкретные функции. В идеале каждый уровень взаимодействует только с теми, которые находятся рядом с ним (выше или ниже его). Верхний уровень соответствует прикладной задаче, работающему в данный момент приложению, нижний – непосредственной передаче сигналов по каналу связи.

Уровни эталонной модели взаимодействия открытых систем

5.4. НАИБОЛЕЕ РАСПРОСТРАНЕННЫЕ СТАНДАРТЫ ЛОКАЛЬНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ

Из трех наиболее распространенных типов локальной сети шинную топологию используют сети стандарта Ethernet/IEEE 802.3, кольцевую –

Fibre Distributed Data Interface (FDDI) и Token Ring/IEEE 802.5 [4].

FDDI. Оптоволоконный интерфейс к распределенным данным. FDDI был разработан комитетом стандартов Американского национального института стандартов (ASNI). Стандарт определяет двойную кольцевую локальную сеть с эстафетным доступом на 100 Мбит/с, использующую волоконно-оптический кабель. FDDI занял свою нишу как надежная, высокоскоростная магистраль для сетей критического назначения с высоким потоком данных.

69

FDDI использует двойную кольцевую топологию, которая включает два противовращающихся кольца. В процессе нормального функционирования первичное кольцо используется для передачи данных, а вторичное кольцо простаивает. Наличие двойного кольца обеспечивает высокую надежность и устойчивость к ошибкам. Последовательность, в которой станции получают доступ к среде, предопределена протоколом сети. Станция генерирует специальную сигнальную последовательность, названную маркером (Token), которая определяет право передачи. Этот маркер непрерывно передают вокруг сети от одного узла к другому. Когда станция собирается послать сообщение, она задерживает маркер, формирует информацию в определенный пакет FDDI, затем отпускает маркер. Заголовок такого кадра включает адрес станции (станций), которая будет его получателем. Каждая станция читает пакет, поскольку он передается вдоль кольца, чтобы определить, является ли она адресатом. Если это так, то она извлекает данные, передавая пакет далее по кольцу. Когда пакет возвращается к станции возникновения, он ликвидируется. Схема эстафетного управления доступом позволяет всем станциям совместно использовать сетевую полосу пропускания в упорядоченном и эффективном режиме.

Token Ring (эстафетное кольцо). Этот стандарт предложен фирмой IBM в 1984 г. В качестве передающей среды применяется витая пара или оптоволоконные кабели. Скорость передачи данных – 4 или 16 Мбит/с. Компьютеры подключаются в сеть по топологии «звезда» или «кольцо». Все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер). Маркер передают по кольцу, минуя каждую рабочую станцию в сети. Рабочая станция, располагающая информацией, которую необходимо передать, может добавить к маркеру пакет данных. При отсутствии данных она просто передает маркер следующей станции. В любой момент таким правом обладает только одна станция сети.

Ethernet. Международное общество инженеров-электриков и электроников (IEEE) выпустило официальный стандарт Ethernet в 1983 г., который был назван IEEE 802.3. Протокол коллективного доступа Ethernet – множественный доступ с опросом носителя (проводной связи) и разрешением конфликтов, а также и протокол управления

70