книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

систем в пределах одной организации. Примером масштабируемых программных систем являются современные SCADA-пакеты TraceMode и MasterSCADA, которые продаются как единый пакет, имеющий градацию в зависимости от количества тегов.

До появления открытых систем обеспечение масштабируемости достигалось путем проектирования системы с большим запасом по габаритам, количеству слотов, интерфейсов. Наращиваемость открытой системы подразумевает иной путь, не требующий запаса ресурсов (и связанных с ним избыточных финансовых вложений). В частности, система, обладающая свойствами платформенной независимости и интероперабельности, уже является расширяемой, поскольку она позволяет добавлять новое оборудование или заменять старое новыми модификациями, в том числе оборудованием других производителей.

Стандартность пользовательского интерфейса – свойство открытых систем, связанное с возможностью интеграции с другими системами (в данном случае под другой системой понимается человек). Стандартизация пользовательского интерфейса исключает необходимость обучения операторов при переходе от одной открытой системы к другой.

Для обеспечения возможности построения открытых систем рынок должен быть наполнен программными и аппаратными средствами, которые являются взаимозаменяемыми, производятся независимыми предприятиями и удовлетворяют требованиям общепринятых стандартов. Ниже кратко опишем такие продукты.

СА и протоколы. Наиболее распространенными в России являются сети Modbus, Profibus, CAN, Ethernet. Оборудование, со-

вместимое с ними, выпускается сотнями конкурирующих предприятий в разных странах мира, что обеспечивает отсутствие монопольных цен.

Интерфейсы. Наибольшая часть средств СА, представленных на российском рынке, имеет интерфейсы RS-232, RS-485, CAN, Ethernet, USB. Большое значение для повышения степени открытости имеют преобразователи интерфейсов и межсетевые шлюзы, ко-

51

торые позволяют объединять в единую систему несовместимое по интерфейсам и протоколам оборудование.

Программные интерфейсы. Для взаимодействия открытых систем на программном уровне наибольшее распространение получила DCOM-технология фирмы MS, воплощенная в промышленный стандарт OPC, который пришел на смену устаревшей технологии DDE. Стандарт ОРС обеспечил возможность применения оборудования различных производителей практически с любыми SCADA, имеющимися на рынке, поскольку большинство из них поддерживает стандарт OPC.

Интерфейс пользователя. Интерфейс между SCADA и

пользователем в настоящее время выполняется примерно одними и теми же визуальными средствами, которые стали стандартом дефакто: кнопки пуск/стоп, цифровое табло, линейный или радиальный индикатор уровня, цветовая сигнализация, окна с текстовыми сообщениями, окна ввода данных, графики и т.п. Такой интерфейс легко осваивается операторами CA.

Программирование контроллеров поддерживается тремя международными стандартами: МЭК 61131-3 (на языки программирования), МЭК 61499 и МЭК 61804 (на функциональные блоки). Стандарты поддерживаются большинством производителей ПО. Примером могут быть системы ISaGRAF фирмы ICS Triplex и CoDeSys фирмы 3S. Поддержку открытости обеспечивают также конверторы блоков UML в функциональные блоки стандарта IEC 61499, а также

UML в XML.

В последние годы появилось много SCADA-систем, которые поддерживают веб-технологию, когда пользовательский интерфейс SCADA выполняется в виде веб-страницы и располагается на сервере локальной сети. При этом любой пользователь, обладающий достаточными правами доступа, с помощью стандартного веб-браузера (например, Internet Explorer) может управлять технологическим процессом. Такой подход является значительным прогрессом в направлении открытости SCADA-пакетов, поскольку предоставляет пользователю широкий выбор хорошо валидированных веб-браузеров по

52

достаточно низкой цене и обеспечивает применение практически любой аппаратно-программной платформы для общения со SCADA.

Программная совместимость. Важным достоинством SCADA-

пакетов, повышающим степень их открытости, является связь с программами MS Office (Word, Excel, Access), которая снижает затраты на обучение персонала и расширяет возможности представления и обработкирезультатовизмерений.

Совместимость БД со SCADA обеспечивает широкораспространенный язык запросов SQL, соответствующий международному стандарту и поддерживаемый несколькими СУБД (например, Informix, Sybase, Ingres, MS SQL Server). Интерфейс ODBC позволяет подключать к одной и той же SCADA различные СУБД, что повышает степень ее открытости.

Обеспечение в некоторых SCADA-пакетах возможности программирования на языке Visual Basic, а также возможности встраивания ActiveX и объектов сторонних производителей позволяет адаптировать SCADA к аппаратуре, не поддерживающей стандарт ОРС, а также применить принцип повторного использования программного кода, написанного для других приложений.

Основным преимуществом систем с открытой архитектурой является низкая стоимость их жизненного цикла, состоящего из следующих фаз:

♦разработка концепции и эскизное проектирование;

♦проектирование и изготовление системы;

♦монтаж и пусконаладка;

♦эксплуатация системы;

♦обслуживание;

♦реконфигурация, модернизация, разборка, утилизация. Выгода от применения открытых систем заключается в сле-

дующем:

♦ пониженные вложения на проектирование системы и предпроектные изыскания благодаря наличию на рынке большого выбора готовых компонентов открытых систем (особенно большой экономи-

53

ческий эффект достигается при создании крупных систем в единичных экземплярах, в этом случае экономия пропорциональна размеру системы);

♦упрощение процесса интеграции: открытость подразумевает возможность простой интеграции разнородных систем;

♦экономия финансовых средств благодаря низкой стоимости жизненного цикла (в основном вследствие конкуренции независимых производителей и отсутствия установки монопольных цен поставщиком);

♦увеличенное время безотказной работы благодаря выбору наиболее надежных модулей из имеющихся на рынке;

♦минимизированное время вынужденного простоя благодаря большому выбору взаимозаменяемых модулей (всегда можно найти поставщика, имеющего нужные модули на складе);

♦минимальные усилия на ввод в действие как аппаратуры, так

иПО благодаря устранению времени на дополнительное обучение как монтажной организации, так и эксплуатирующего персонала;

♦простое изменение конфигурации системы для работы с новыми технологическими процессами (вытекает из свойств модульности и расширяемости открытых систем);

♦минимальный объем дополнительного обучения персонала и, как следствие, простота обслуживания;

♦применение новейших технологий и технических решений благодаря широкому выбору лучших решений и специализации производителей;

♦увеличение времени жизни системы благодаря взаимозаменяемости отработавшего ресурс и нового оборудования, а также возможности наращивания функциональных возможностей.

Недостатки открытых систем видны не сразу, и все же они имеются:

1. При создании АСУ на базе открытых решений ответственность за работоспособность системы в целом ложится на системного интегратора, а не на производителя системы, поэтому при появ-

54

лении в системе невоспроизводимых отказов некому предъявить претензии, поскольку поставщиков много, а системный интегратор отвечает только за монтаж и пусконаладку системы.

2.Универсальность всегда находится в противоречии с простотой. Универсальные протоколы, интерфейсы, сети и ПО, чтобы быть универсальными, должны быть достаточно сложными, следовательно, дорогими и ненадежными, хотя снижение надежности, вызванное сложностью, компенсируется повышением надежности благодаря большому тиражу и продолжением отладки после начала продаж.

3.Эффект снижения надежности ПО, части которого пишутся разными производителями. Когда ПО пишется внутри одной фирмы, можно предвидеть почти все ситуации, которые могут возникнуть на границе между ПО и пользователем или аппаратурой. Если же в этом участвуют несколько разных команд в разных фирмах, между которыми нет взаимодействия, то становится непонятно, кто отвечает за надежность всего комплекса. Кроме того, с ростом числа программистов, участвующих в создании ПО, по законам статистики увеличивается вероятность того, что появится хотя бы один программист, не умеющий писать надежные программы, а этого достаточно, чтобы сделать всю систему ненадежной. Надежность и безопасность открытых систем остаются темами, требующими решения.

4.Иногда к признакам открытости относят открытость исходных кодов, однако наличие открытых кодов снижает надежность программной системы, поскольку нарушается принцип инкапсуляции, необходимость которого обоснована в идеологии объектноориентированного программирования.

5.Как и любая стандартизация, открытость накладывает ограничения на диапазон возможных технических решений, затрудняя творчество и снижая вероятность появления новых и плодотворных технических решений.

Отметим, что проблема надежности относится не ко всем ком-

понентам открытых систем. Например, такие компоненты, как базы данных, компьютеры или сети Ethernet, обладают высокой надежно-

55

стью благодаря огромному тиражу и, как следствие, качественной валидации этих компонентов и оптимизации процессов изготовления. Кроме того, выше перечислены только факторы, снижающие надежность открытых систем. Однако одновременно имеются и те, которые ее повышают (это увеличенный тираж модулей открытых систем по сравнению с низким тиражом полностью заказных систем). В связи с этим вывод о надежности открытой системы может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от конкретного состава ее элементов.

В данном учебном пособии будут рассматриваться компоненты только открытых сетей и систем.

1.4. МОДЕЛЬ ВЗАИМОСВЯЗИ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

Поскольку основной функцией сети является соединение между собой различного оборудования, проблема открытости, в частности стандартизации, для сетей приобретает особое значение. В связи с этим в начале 1980-х годов ISO совместно с рядом других организаций была сформулирована и принята модель взаимодейст-

вия открытых систем – OSI (Open System Interconnection), которая играет до сих пор важную роль в развитии сетей.

Полное описание модели OSI занимает более 1000 страниц печатного текста. Это связано с тем, что сетевое взаимодействие устройств является сложной задачей. Для ее решения обычно используется декомпозиция сложной задачи на более простые, которая выполняется таким образом, чтобы количество и сложность связей, а также поток данных между подзадачами были минимальными. В модели OSI было использовано 7 подзадач (уровней), причем декомпозиция была выполнена таким образом, что взаимодействие осуществляется только между соседними уровнями (табл. 1.11).

На практике большинство СА ограничивается только тремя из них, а именно физическим, канальным и прикладным уровнями.

56

Наиболее продвинутые сети решают основную часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на седьмом уровне. Дешевые сети (например, Modbus) зачастую используют на физическом уровне RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным путем.

Таблица 1 . 1 1

Модель взаимодействия открытых систем

Такой подход обеспечил возможность решения задачи взаимодействия систем для каждого уровня отдельно, в том числе неза-

57

висимыми группами разработчиков. В частности, для сетевого взаимодействия устройств необходимо согласовать между собой электрические уровни сигналов, задержки и длительности импульсов, типы соединителей, способы кодирования информации, способы обеспечения достоверности передачи, формы и форматы адресации, форматы данных, способы доступа к сети, способы буферизации данных, способы деления их на пакеты и восстановления целостности сообщений и др.

Модель OSI не включает средства взаимодействия приложений, расположенных на разных компьютерах сети, таких как, например, DDE, OPC или CORBA, между собой, а описывает только средства, реализуемые ОС, системными утилитами и аппаратурой, поэтому прикладной уровень нельзя путать с уровнем взаимодействия приложений, который в модель OSI не входит.

Если приложение обращается с запросом к прикладному уровню, то на основании этого запроса ПО прикладного уровня формирует сообщение, состоящее из заголовка и поля данных, и передает его вниз, на уровень представления. Протокол представительного уровня выполняет требуемые действия, содержащиеся в заголовке прикладного уровня и добавляет к сообщению свою служебную информацию – заголовок представительного уровня, в котором содержатся инструкции для соответствующего уровня получателя сообщения. Сформированное таким образом сообщение с уже двумя заголовками передается вниз, на сеансовый уровень, который также добавляет к нему свой заголовок. Таким образом, дойдя до физического уровня, сообщение обрастает семью заголовками, после чего оно передается по сети адресату. Когда сообщение достигнет адресата, оно проходит весь стек протоколов в обратном порядке, от физического уровня до прикладного. На каждом уровне выполняются соответствующие функции, содержащиеся в заголовке каждого уровня.

Большинство уровней модели OSI имеют смысл только в сетях с коммутацией пакетов (а не каналов). Тем не менее отдельные ее уровни и термины используются практически во всех сетях.

58

Сеансовый уровень и уровень представления на практике используются редко, а сетевой и канальный – практически всегда сильно перегружены.

На физическом уровне основная функция – обеспечить прием логической единицы или нуля на стороне получателя в том случае, если на стороне отправителя переданы единица или нуль. Используются такие понятия, как длительность импульса и паузы, длительность фронтов импульсов, количество проводов и цоколевки разъемов, помехозащищенность, волновое сопротивление, полоса пропускания, кодирование информации, синхронизация, модуляция, определение начала кадра, уровень логической единицы и логического нуля.

На канальном уровне через передатчик реализуется доступ к каналу передачи. Передаваемые данные разбиваются на кадры. Приемник выполняет функции обнаружения и коррекции ошибок с помощью контрольной суммы, помещаемой в начало или конец каждого кадра. Кадр считается полученным, если контрольная сумма, вычисленная на стороне получателя, совпадает с контрольной суммой, приписанной к переданному кадру. При обнаружении ошибки канальный уровень может выполнить повторную передачу поврежденного кадра. Функция исправления ошибок не является обязательным требованием стандарта.

Основное назначение сетевого уровня – определение маршрутов пересылки пакетов от источника к приемнику сообщений. Маршруты могут быть жестко заданы или меняться динамически в зависимости от текущей загруженности сети. Сетевой уровень отвечает также за объединение нескольких разных сетей в единую транспортную систему, причем эти сети могут использовать различные принципы передачи сообщений, методы адресации и обладать произвольной структурой связей.

Транспортный уровень обеспечивает доставку сообщений с требуемым уровнем качества (надежности). В модели OSI выделяют на выбор пользователя пять классов сервиса, которые отличаются срочностью доставки сообщений, возможностью восстановления прерванной связи, наличием средств мультиплексирования

59

нескольких соединений между различными прикладными протоколами через общий транспортный протокол, способностью к обнаружению и исправлению ошибок передачи (таких как искажение, потеря или дублирование пакетов).

На транспортном уровне происходят разбивка сообщений сеансового уровня на пакеты, их нумерация, буферизация принимаемых пакетов, упорядочивание прибывающих пакетов, управление потоками.

Сеансовый уровень управляет диалогом (сеансом связи): отслеживает очередность передачи сообщений участниками сети; вставляет метки в длинные сообщения, чтобы в случае потери связи выполнить повторную передачу только утерянной части сообщения; устанавливает способ обмена (дуплексный или полудуплексный). Функции данного уровня иногда объединяются с функциями прикладного уровня.

Уровень представления оперирует формой представления передаваемой по сети информации, не изменяя ее содержания. На этом уровне может задаваться тип кодирования символов (например, ASCII или ANSI), изменяться синтаксис передаваемых сообщений, задаваться тип шифрования и дешифрования данных для обеспечения их секретности. Примером такого протокола является Secure Socket Layer (SSL), обеспечивающий секретность сообщений для протокола TCP/IP.

Прикладной уровень представляет собой набор популярных протоколов, с помощью которых осуществляется доступ к файлам (например, с помощью протокола FTP) или веб-страницам (с помощью HTTP), к электронной почте (SMTP).

У модели OSI есть недостатки. Часто используются только два илитриуровняэтоймодели. Существуютпричины, объясняющие это:

1. Модель OSI появилась слишком поздно, когда начали появляться и быстро завоевали популярность протоколы TCP/IP, которые объединяли функции 5, 6 и 7-го уровней этой модели. Большинство СА, возникшихранее, поддерживали1, 2 и7-йуровнимоделиOSI.

60