Архитектура распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами. Функционально-программная структура

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Архитектура распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами. Функционально-программная структура

План

1. Архитектура распределения АСУ

2. Функционально программная структура

3. Прикладные функции АСУ

вычислительный сеть автоматизированный архитектура

1. Архитектура распределения АСУ

Распределенная АСУ представляет собой структурно сложную систему. При построении таких систем в последние годы применяется так называемый архитектурный подход, возникший первоначально при разработке вычислительных сетей.

Под архитектурой вычислительной сети понимают функциональные, логические и физические принципы организации сети. При создании этих сетей, состоящих из большого числа компонентов зачастую различного происхождения, уже на весьма ранних стадиях проявилась необходимость в унифицированных архитектурных решениях. Одни из таких унифицированных решений распространяются на все классы вычислительных сетей, другие применяют только в локальных вычислительных сетях; наконец, отдельные архитектурные решения принимают как унифицированные лишь в распределенных АСУ.

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

2. Функционально-программная структура

Практика разработки вычислительных сетей привела их создателей к введению некоторой стандартной декомпозиции функций - разделению их на архитектурные слои, или уровни.

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 кадрами информации по правилам, устанавливаемым интерфейсами.

В целях упрощения анализа, синтеза, эксплуатации и развития уровни функциональной структуры вычислительной сети выделяются по определенным принципам, оправдывающим принятое расслоение структуры.

Один из принципов заключается в иерархичности расслоения. Каждый уровень пользуется в осуществлении своих функций средствами (наряду с собственными) только соседнего с ним нижнего уровня; к средствам нижних уровней, отделенных от него другими уровнями, данный уровень может обращаться только через соседний с ним нижний уровень. К средствам верхних уровней данный уровень обращаться не может.

Другой принцип требует максимальной независимости решений, принимаемых на каждом уровне, относительно решений на остальных уровнях архитектуры и в первую очередь, очевидно, в соседних (сверху и снизу) уровнях. Независимость решений на каждом уровне достигается таким расслоением, которое по возможности сводит к минимуму их взаимодействие.

Еще один принцип расслоения на уровни требует прозрачности средств каждого данного уровня относительно содержания информации, поступающей с верхнего уровня. При каждой передаче кадра информации с верхнего уровня на нижний они сопровождаются «упаковочной» информацией, описывающей те особенности кадра, которые представляют интерес для нижнего уровня, такие, как размер кадра или адрес его назначения. Эта «упаковочная» информация, которую удобно назвать конвертом, в общем случае делится на две части: первая, предваряющая кадр, называется заголовком, вторая, его замыкающая, - концевиком. Каждый уровень «читает» только надпись на предназначенном ему конверте, сохраняя прозрачность относительно самих данных, в состав которых могут входить и конверты более высоких уровней.

Выделение архитектурных уровней, сообщающее широкую независимость решениям внутри каждого уровня, значительно облегчает создание и развитие вычислительных сетей. Исторически каждый разработчик сети выделял архитектурные уровни по-своему, однако их принципы оказались в основном сходными, и на этой основе Международной организацией по стандартизации (МОС, по-английски ISO) была разработана архитектура связи вычислительной сети, получившая название архитектуры соединения открытых систем (АСОС, по-английски OSIA).

Архитектура, соединения открытых систем предусматривает расслоение функциональной, а, следовательно, и программной структуры вычислительной сети на семь уровней, представленных на рис.1,а.

а) б)

Рис. 1. Архитектурные уровни вычислительной сети: а - архитектура соединения открытых систем; б - архитектура Proway

Нижний уровень - физический - охватывает управление процессами в каналах передачи данных: генерирование импульсов определенной формы в определенные моменты времени. Второй снизу уровень - канальный - управляет логикой канала передачи данных: здесь устанавливается и прекращается взаимодействие абонентов, определяются форматы передаваемых кадров информации, размещение данных в кадре и описание кадра, проверяется достоверность принятых данных. К третьему снизу уровню, называемому сетевым, относятся функции, с помощью которых из отдельных каналов передачи данных между соседними узлами организуется сквозной канал между узлами сети; это -.виртуальный канал, который вовсе не обязательно должен существовать физически.

Четвертый, транспортный уровень АСОС связывает сквозным виртуальным каналом терминалы: вся сеть для соответствующей пары терминалов представляется как некий «транспортный ящик», внутренний механизм действия которого терминалам безразличен.

В то время как четыре нижних уровня относятся к функциям сети передачи данных, верхние три уровня - надсетевые - охватывают функции, которые обеспечивают совместную работу нескольких вычислительных процессов, независимо от того, требуется ли для этого пользоваться сетью передачи данных. Иными словами, программное обеспечение надсетевых уровней нужно в любой АСУ.

К пятому уровню (нижнему из трех надсетевых) относятся функции управления сеансами обмена данными между взаимодействующими процессами (задачами). Шестой уровень служит для представления кадров, которыми обмениваются процессы, процессу-получателю: здесь вырабатывается описание кадров для процесса-получателя и выполняется их преобразование в подходящую для него форму. Наконец, функции самого верхнего, седьмого уровня - прикладного - выполняют содержательную обработку данных.

Соблюдение стандартизированных АСОС архитектурных уровней при построении вычислительных сетей означает разделение программ, реализующих функции каждого уровня. На практике это требование не всегда удобно или целесообразно выполнять, особенно в локальных сетях и АСУ, где сетевой или транспортный уровень может оказаться вырожденным. Что же касается трех верхних, надсетевых уровней, то, пожалуй, ни в одной из реализованных АСУ такое разделение программ не осуществлено.

Для АСУ в настоящее время унифицируется в международном масштабе магистраль передачи данных Proway, рекомендации по которой подготовлены подкомитетом 65А Международной электротехнической комиссии. Рекомендации относятся к, нижним уровням функциональной структуры и не касаются трех верхних уровней АСОС. Однако расслоение функциональной структуры Proway (рис.1,б) не совпадает полностью с расслоением на нижних уровнях АСИС.

Магистраль как физическая структура, получающая преобладающее распространение в распределенных АСУ, представляет собой особый вид сети: ее особенность заключается в том, что в каждый данный момент в ней может существовать только один информационный канал. Поэтому проблемы управления сетью в магистрали сводятся к управлению доступом станций к магистрали.

Задачи, относящиеся в АСОС к сетевому уровню, возникают при образовании сети из нескольких магистралей, и это обстоятельство отражается введением в Proway сетевого уровня, лежащего над магистральным. К сетевому же уровню относятся в стандарте Proway те функции, которые в АСОС возлагаются на транспортный уровень, а именно: сопряжения прикладных процессов с сетью - образования пакетов и получения их из сети.

Различие в расслоении означает не просто разный методологический подход к анализу и описанию систем, но и разное исполнение аппаратуры и программ, так как рекомендации Proway, как и АСОС, требуют независимости реализационных решений на каждом уровне.

В то время как в архитектурном аспекте функциональная структура распределенной АСУ определяется применяемыми программными средствами, конкретное назначение АСУ задает в первую очередь структуру ее прикладного уровня.

Структура прикладного уровня АСУ может быть представлена ориентированным графом, в котором вершины соответствуют источникам и получателям информации, а дуги - процессам передачи информации. Назовем этот орграф функциональным графом. Каждому внешнему источнику и получателю информации соответствует терминальная вершина. В терминальные вершины источников не входит ни одна дуга и ни одна дуга не исходит из терминальных вершин получателей, между тем как с каждой внутренней вершиной функционального графа, представляющей прикладную задачу, обязательно связана по крайней мере одна входящая в нее и одна исходящая из нее дуга. В дальнейшем из-за многозначности и общности понятия задачи, а также из-за близости понятий задачи и функции будем называть прикладные задачи прикладными операциями.

Понятие прикладной операции весьма неопределенно, поскольку степень дробления действий, выполняемых АСУ, произвольна и зависит от цели, которую ставит перед собой проектант или исследователь. Принцип выделения операций может заключаться в недопустимости объединения в одной операции действий, выполняемых с разной периодичностью, но если речь идет о нерегулярных действиях, то этим принципом трудно воспользоваться. Во всяком случае, целесообразно выделять в качестве прикладной операции некоторую вычислительную программу, выполняемую каждый раз над одними и теми же именами данных из одних и тех же источников и направляющую результаты с одними и теми же именами одним и тем же потребителям. Выделенные таким образом прикладные операции можно отождествить с прикладными вычислительными процессами - понятием, широко применяемым в современной вычислительной технике.

Здесь уместно связать с функциональным графом понятие прикладной функции, или функции АСУ, которое будем использовать впоследствии при анализе эффективности распределенной АСУ. Функция АСУ требует для своей реализации выполнения одной или нескольких прикладных операций по данным, получаемым АСУ извне, и вывода результата на ТП или человеку-оператору. Если при выполнении некоторой операции вычисляется несколько выходных переменных, имеющих самостоятельный прикладной смысл, то каждой такой переменной ставится в соответствие отдельная функция и выполнение одной операции обеспечивает реализацию нескольких функций АСУ. Если же прикладной смысл имеет только набор выходных переменных, то одна функция АСУ связывается с такой векторной переменной.

В АСУ все источники и приемники информации могут быть отнесены к одному из следующих классов: объекту управления; человеку-оператору; ЭВМ вышестоящего уровня; архиву (последний - только приемник). Это деление можно положить в основу классификации прикладных функций АСУ. Выделим следующие классы функций:

автоматическое регулирование и управление (объект - объект);

измерение и контроль (объект - оператор);

ручное управление (оператор - объект);

автоматическая регистрация процессов и событий на объекте и действий оператора (объект - архив и оператор - архив).

Отсутствие однозначного соответствия между выделенными классами прикладных функций и классами источников и приемников информации объясняется прежде всего тем, что в прикладной функции АСУ источники информации могут принадлежать более чем к одному классу, тогда как в классификации прикладных функций указан только один класс - источника, который можно считать основным. Так, автоматическое регулирование (класс объект - объект) обычно выполняется по заданию, вводимому оператором или вышестоящей ЭВМ. Измерение или регистрация может производиться автоматически (в функции времени или по внутренним тактам системы либо при совершении события, связанного с состоянием объекта) или же по вызову оператора.

ЭВМ верхнего уровня обычно не воздействует непосредственно на технологический процесс, а лишь вводит задание в операцию по прикладной функции класса объект - объект. Сообщения оператору АСУ из ЭВМ верхнего уровня применяют весьма редко, поэтому здесь не выделен соответствующий класс прикладных функций. Архив, сохраняемый на случай необходимости дальнейшего анализа, может накапливаться как на носителях, так и в долговременной памяти ЭВМ АСУ или вышестоящего уровня, например на магнитных дисках. Рассмотрим в качестве иллюстративного примера чрезвычайно упрощенную распределенную АСУ, представленную на рис.2. Автоматическая система управления служит для управления двумя взаимосвязанными установками.

Рис.2. Упрощенный пример АСУ: П, П2 - операторские пункты; У1, У2 - Технологические установки

Рис. 3. Функциональный граф АСУ, представленной на рис.2

На первой установке У1 измеряются переменные А и В на второй У2 - Е и F. Управляющие воздействия: на У! - С Р, У2 - Установка У2 снабжена местным пультом управления П2, с которого оператор по показателям Н и I ВЫВОДИМЫМ на дисплеи, может дистанционно вводить управляющее воздействие G. Кроме того имеется центральный пункт управления П, общий для обеих установок. Оператор центрального пункта вводит уставки регулирования J и K с воздействиями С, D и G и контролирует ход процессом логических переменных Н, 1, выводимым на дисплей и измерений техно в установках по результатам обработки печатающее устройство.

3. Прикладные функции АСУ

АСУ выполняет следующие прикладные функции:

1 - измерение переменной А с коррекцией по переменной В; результат измерения Н представляется на экране дисплея, установленного в центральном пункте П;

2 - то же измерение с представлением результата функции 1 на печатающем устройстве центрального пункта П;

3 - регулирование переменной с управляющим воздействием С по значению переменной А, скорректированной по В; уставка J вводится оператором (человеком) с клавиатуры дисплея на пункте П;

4 - регулирование переменной с управляющим воздействием D по тем же исходным данным, что и переменной с управляющим воздействием С;

5 - регулирование переменной с воздействием G по измерению переменных Е и F, а также уставке К, вводимой оператором с клавиатуры дисплея на пункте П.

6 - представление результата измерения Р переменной F на дисплее местного пункта П2;

7 - вычисление показателя L по измерениям переменных А(с коррекцией по В), Е и F и представление результата на дисплее центрального пункта П;

8 - вычисление показателя М, зависящего от уставки J,вводимой оператором, и показателя вычисляемого по функции 7, с представлением результата на дисплее местного пункта П2;

9- вывод на экран дисплея на местном пункте П2 показателя N, определяемого по измерению переменной и уставки К, вводимой с клавиатуры на пункте П.

Для реализации перечисленных прикладных функций должны выполняться следующие операции вычисления:

I - коррекции переменной А и В;

II- управляющих воздействий С и D;

III - управляющего воздействия G;

IV - показателя L;

V - показателя М;

VI - показателя N .

Функциональный граф АСУ приведен на рис.3, где арабскими цифрами обозначены прикладные функции у соответствующих терминальных вершин, помеченных буквами технологических переменных, а римскими - операции.

Перейдем к уровню представления. На этом уровне в рассматриваемой АСУ нужно выполнить ряд операций преобразования формы представлений данных. Наряду с представлением данных при передаче их от одной прикладной операции к другой для АСУ ТП характерно преобразование данных при вводе их в АСУ из процесса, при ручном вводе, при выводе оператору и при выводе на процесс.

При вводе переменных в датчиках производится первичное преобразование данных. Если выходом датчика служит аналоговый сигнал, то последний преобразуется в цифровую форму, а затем, чаще всего программным путем, масштабируется и линеаризуется для приведения к стандартной шкале. Далее определяется адрес назначения вводимых данных.

Представление данных при ручном вводе заключается преимущественно в переходе от функционального шифра, под которым вводятся данные, к адресу в памяти, по которому эти данные должны быть направлены.

При выводе управляющего воздействия на процесс определяется физический адрес устройства вывода, а если требуется вывод в аналоговой форме, то производится цифро-аналоговое преобразование.

Наконец, при выводе данных оператору наряду с определением физического адреса устройства вывода производится преобразование выводимых данных в форму, удобную для чтения и приспособленную к используемому устройству вывода - дисплею, печатающему устройству, графопостроителю, цифровому индикатору и т. д.

Поскольку представление данных в общем случае требуется при каждом обмене между вычислительными процессами, а также между вычислительными процессами, с одной стороны, и внешними источниками и приемниками информации, с другой, каждой дуге в функциональном графе соответствует по крайней мере одна операция представления, содержание которой зависит от прикладных операций, соответствующих вершинам дуги.

Переходя к уровню сеансов, заметим, что каждая дуга функционального графа задает требование об организации сеансов обмена, т. е. операции передачи данных. Эта передача в зависимости от физической структуры АСУ может происходить внутри одного устройства, между несколькими устройствами внутри одного узла, между соседними или удаленными узлами сети. Следовательно, программа управления сеансом существенно определяется физической структурой АСУ ТП.

В операциях передачи данных внутри устройств и внутри узла не используются каналы связи сети. Кроме того, что особенно характерно для АСУ непрерывными процессами, по значительному количеству линий терминальной сети АСУ передаются аналоговые сигналы, передача которых идет непрерывно по линии, выделенной для сигнала данной переменной. Обе эти операции передачи данных обходятся без участия нижних уровней функциональной структуры сети передачи данных.

Операция представления данных в каждом звене информационной связи (дуге функционального графа) может выполняться либо до, либо после передачи, а в ряде случаев оказывается целесообразным разбить операцию представления на две, выполняя часть программы представления до передачи, а часть - после нее. Решение о порядке выполнения операций представления и передачи данных следует принимать уже после определения физической структуры АСУ и размещения прикладных операций в узлах.

В заключение отметим, что в конкретных распределенных АСУ или комплексах средств, выпускаемых для построения распределенных АСУ, уровни функциональной структуры могут существенно отличаться от охарактеризованных здесь стандартных уровней или даже вовсе отсутствовать. Так, например, в [7] описана архитектура локальной сети АСУ производством со следующими уровнями: физический канал, обработка пакетов, управление подключением, логический канал, системный процесс, процесс пользователя. Однако развитие техники распределенных АСУ демонстрирует неуклонное стремление к стандартному выделению уровней функциональной структуры, а следовательно, стандартной структуризации операционных систем, а в ряде случаев и используемой в АСУ аппаратуры.

Размещено на Allbest.ru