Передача информации в распределенных информационно-управляющих сист
..pdfПростые 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.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
К-р |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i=1,N ... |
||||
|
|
НКПИi |
ФА |
|
|
|
|
|
НКПИ |
ФА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i+1 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КПi |
|
|
|
|
|
НКПИi |
ФА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
КПi+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НКПИi+1 ФА |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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.
К-р |
|
|
ФА |
кДО |
Иi |
ФА |
кДО |
И1 |
И2 |
... |
ИN |
t |
|
|
|
|
|
|
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
ФА кДО |
НИ1 а Иа |
|
|
|
|
Иi |
|
|
|
|
|
Иj |
|
ФА кДО |
НИ1 j |
Иj |
t |
|
|
|
|
||
Иµ |
|
ФА кДО ... |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.16. Протокол обслуживания простых источников в составе КП: |
|
||||
|
НИа; Иа – номер и состояние активного источника |
|
|
||
АДО |
КП для сложных узлов (источников) |
представлен |
|||
на рис. 5.17. |
|
|
|
|
|
КПi |
НКПi |
ФА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
КП j |
|
НКПj ФА |
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
КПµ |
|
НКПµ ФА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5.17. АДО КП (сложные узлы (источники)) |
|
|
Среднее время задержки СТМ
|
|
|
|
|
|
задСТМ Tочкп N |
акп T |
задкп АДОи , |
|
||
|
|
|
|
T |
|
||||||
где |
|
|
кп |
|
|
кп |
– |
||||
T |
– среднее время пребывания КП в очереди; T |
||||||||||
|
|
оч |
|
|
|
|
|
зад АДОи |
|
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
НКП |
ФА 1 2 ... nигр |
|
1гр |
1 |
|
|
НКП ФА 1 2 ... nгри |
|
2гр |
2 |
t |
|
||
j гр |
|
НКП ФА 1 2 .. nгри j |
Рис. 5.18. Протокол обмена с АЦДО простых источников одного КП:
nи |
– число источников в j-й активной группе из Nгр |
грj |
|
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.
|
НКПi ФА {nгрa } |
|
|
КПi |
|
|
|
|
НКПj |
ФА {nгрa } |
t |
КПj |
|
||
|
|
||
КП |
НКПµ ФА {naгр} |
|
|
µ |
|
|
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
|
|
задСТМ Т |
очкп N |
акп Т |
задкп |
|
|
. |
Т |
АЦДО |
и |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
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