книги / Микропроцессорные средства автоматизации энергетических систем. Сети автоматизации

Сейчас есть возможность использования на компьютере диспетчера любого веб-браузера независимо от его производителя, типа аппаратной платформы или ОС. Например, компьютер диспетчера может работать под управлением операционных систем Windows,

Linux, Unix, QNX, WindowsCE и др.

Управление и мониторинг через Internet могут осуществляться из любой точки земного шара с помощью компьютера или мобильного телефона (коммуникатора). Такая возможность особенно важна для высшего руководства, которое часто бывает в командировках, а также для корпораций, имеющих подразделения в разных городах или странах.

ДругимидостоинствамиАСУ, использующихInternet, являются:

♦снижение стоимости функционирования АСУ вследствие удаленного управления (отсутствует необходимость присутствия человека на труднодоступном объекте);

♦снижение стоимости обслуживания благодаря удаленной диагностике, отладке и обновлению программного обеспечения (ПО) через Internet, уменьшаются затраты на командировки;

♦возможность контроля состояния производственного или технологического процесса или управления им через мобильный телефон;

♦ возможность автоматического вызова аварийной службы

вслучаесрабатываниядатчиковгаза, дыма, пламени, затопленияипр.;

♦широкий выбор готовых (имеющихся в продаже) технических решений, аппаратных и программных продуктов для работы

сInternet.

Этот же подход может использоваться и в Intranet. При коммутации пакетов, используемых в Internet, необходима промежуточная буферизация данных, которая вносит в процесс доставки сообщений задержку неопределенной продолжительности, а при переполнении промежуточных буферов возможны потери данных. Internet имеет также низкую надежность связи и плохую защищенность от несанкционированного доступа. В настоящее время активно разрабатываются методы обеспечения качества обслуживания (QoS),

11

призванные ослабить остроту перечисленных проблем. Тем не менее неопределенность времени доставки сообщений и наличие задержки являются основными недостатками связи через Internet. Частичным решением этой проблемы в системах мониторинга является посылка данных вместе с метками времени. Синхронизировать метки можно с помощью протоколов NTP или систем GPS. Однако это не решает проблему в задачах с реальным временем, например, когда Internet-канал входит в контур обратной связи.

Существует достаточно много областей, где указанные ограничения не являются существенными. Кроме того, в правильно спроектированной распределенной системе управления (РСУ) интенсивность информационного обмена между ее компонентами спадает по мере удаления компонентов друг от друга, достигая минимума для случая удаленного обмена через Internet. Обратные связи в такой системе являются только локальными, за исключением контура управления с диспетчером, где время доставки сообщений сравнимо со временем реакции человека.

Примером задачи управления, в которой не требуется гарантированное время доставки сообщений, является дистанционное управление системами вентиляции, кондиционирования и обогрева зданий. В системе устанавливают датчики температуры наружного воздуха, температуры в комнатах, тока исполнительных устройств, влажности, света, а также исполнительные устройства для подачи электроэнергии в здание, включения/выключения вентиляторов, обогревателей, кондиционеров, осушителей, увлажнителей, приточной вентиляции, вентиляции внутри помещения.

Наиболее безопасным применением Internet являются системы мониторинга (например, публикация на веб-страничке информации опараметрах технологического процесса, действиях оператора, а также сводных отчетов и графиков). Такая Internet-система может быть полностью автономной, поскольку перечисленные данные могут быть взяты непосредственно из базы данных АСУ без воздействия на сам технологический процесс. Возможность работы с базами данных поддерживается всеми современными веб-серверами.

12

Основными компонентами Internet являются веб-серверы и веб-клиенты (браузеры). На жестком диске сервера может находиться множество веб-сайтов или FTP-каталогов с уникальными адресами – URL. Данные между клиентом и сервером передаются с помощью протоколов HTTP (HTTPS) или FTP. Маршрутизация данных в Internet осуществляется с помощью 32-битной (или 48-битной) IP-адресации. Веб-страницы создаются с помощью языка разметки документа HTML и/или его расширений XML, а также WML, который используется для мобильных телефонов, смартфонов, записных книжек, PDA, работающих с Internet по протоколу WAP.

Связь между клиентами и серверами Internet выполняется по каналам связи, которые могут быть проводными, оптоволоконными или радиоканалами (в том числе сотовыми). Телефонные каналы связи при использовании аналоговых модемов обычно обеспечивают скорость передачи информации не более 56 кбит/с, поэтому используют цифровую связь ISDN и хDSL. Разновидностями хDSL являются ADSL, ADSL2+, SHDSL, VDSL, которые предоставляют различные возможности абонентам. Беспроводной доступ в Internet можно обеспечить с помощью сотовых GSM-модемов, беспроводных сетей (WLAN) Wi-Fi, оборудования WiMax или спутниковой связи.

Спутниковый Internet обеспечивает одностороннюю связь (прием информации от спутника – Download) с высокой скоростью (до 48 Мбит/с). При этом доставка информации (Upload) обеспечивается любыми другими видами связи.

Доступ по каналам сотовой связи выполняется с помощью системы пакетной передачи данных GPRS. Система GPRS обеспечивает скорость передачи в среднем около 20 кбит/с (теоретический предел составляет 171,2 кбит/с) и оптимально приспособлена для прерывистого трафика, характерного для сетей Internet. Она обеспечивает пакетную коммутацию на всем протяжении канала связи, существенно снижая стоимость связи в сетях стандарта GSM. Соединение в системе GPRS устанавливается практически мгновенно и оно поддерживает все самые распространенные сетевые протоколы передачи данных, в том числе Internet-протокол. В сотовых телефонах основной

13

сферой применения GPRS является просмотр WAP-страниц. Возможна также отправка SMS через сеть GPRS. При подключении GSM-модема в режиме GPRS к компьютеру можно выходить в Internet, при этом Internet-провайдером является оператор сотовой связи.

Усовершенствованием GPRS является система EDGE, позволяющая обеспечить передачу данных со скоростью до 474 кбит/с. Реально достижимая средняя скорость передачи данных составляет 100–120 кбит/с, с пиковыми значениями до 230 кбит/с.

Существуют два способа управления через Internet, на основе которых построен ряд коммерческих продуктов: способ удаленного терминала и способ деления SCADA-системы на серверную и клиентскую части.

Удаленный терминал можно представить как удлинение проводов мыши, клавиатуры и монитора с помощью Internet, при этом визуализация выполняется в окне веб-браузера, а на управляющий компьютер через Internet передаются только сигналы от мыши

иклавиатуры. Управляемая программа исполняется на удаленном от пользователя компьютере, на котором устанавливается специализированный веб-сервер. Прямо из веб-браузера можно работать с запущенными на веб-сервере программами, файловой системой

иреестром сервера, запускать программы, контролировать выпол-

няющиеся приложения и службы, устанавливать права доступа к системе, получать информацию о загрузке процессора и оперативной памяти.

Удаленный терминал можно использовать для управления любой программой, в том числе SCADA. Его недостатком является требование большой пропускной способности Internet-канала, поскольку через Internet передается весь экран удаленного компьютера.

Второй способ удаленного управления через Internet основан на деленииSCADA-пакетанасервернуюиклиентскуючасти. Клиентская часть представляет собой веб-браузер, который просматривает специализированную веб-страницу, находящуюся на веб-сервере. На этой странице создается специализированный интерфейс с графикой и анимацией. Анимация выполняется с помощью JScript, VBScript, Java-

14

апплетов, Flash и анимированных GIF-файлов. Поскольку основная часть визуальной динамики пользовательского интерфейса исполняется на клиентском компьютере, а с сервера передаются только данные об объекте автоматизации, существенно снижаются требования к про- пускнойспособностиInternet-канала.

JavaScript или VBScript применяются в таких системах для создания динамических веб-страниц (с вращающимися лопастями вентилятора, движением жидкости в трубах и т.п.), оперативной проверки правильности действий пользователя при заполнении форм до передачи страницы на сервер, взаимодействия с пользователем при решении таких задач, которые не требуют обращения к серверу.

Веб-страница может воспринимать действия пользователя (например, нажатие кнопок, заполнение форм) и передавать их серверу. Сервер в ответ формирует новую веб-страницу с элементами, измененными в соответствии с действиями пользователя. Фирма MS предложила технологию ASP.NET, которая позволяет создавать вебстраницы, находящиеся на сервере и содержащие код сценариев VBScript или C#. Результаты выполнения сценариев VBScript передаются от сервера клиенту. Технологию ASP.NET можно использовать на сервере IIS. Система управления навигацией по сайту выполнена спомощью VisualBasic.NET. Данная технология позволяет использовать стандартный ОРС-сервер для взаимодействия с устройствами ввода-вывода. Отметим, что JScript и VBScript, ActiveX, Flash и ани-

мированные GIF исполняются только на стороне клиента, без взаимодействия с сервером, в то время как объекты ASP.NET – на стороне веб-сервера, и именно они извлекают данные из OPC-сервера или базы данныхSCADA-системы, чтобыотослатьихклиенту.

Данные между клиентом и сервером могут пересылаться в виде сообщений SOAP, которые используют транспортный протокол HTTP. Сообщения SOAP используют гибкую грамматику языка XML. SOAP активизирует два процесса, которые могут находиться на разных компьютерах, но взаимодействуют друг с другом независимо от программныхиаппаратныхплатформ, накоторыхониреализованы.

15

Взаимодействие между клиентской и серверной частями SCADA выглядит следующим образом. Когда пользователь хочет получить данные от контроллера через Internet, он нажимает некоторую командную кнопку в окне веб-браузера. Этот запрос посылается серверу через Интернет в формате SOAP-сообщения. Когда вебсервер получает SOAP-сообщение через TCP-порт 80, запрос направляется обработчику скрипта ASP.NET, который также располагается на веб-сервере. Веб-сервис создает запрашиваемые данные или передает управление программе (например, на языке VB.NET), которая общается с контроллером через ОРС-сервер. Полученные таким образом данные выкладываются на веб-страницу, которую видит пользователь с помощью веб-браузера. При входе на веб-сервер ОС производит идентификацию пользователя и предоставляет доступ к информации в соответствии с его правами.

В случае удаленного управления на основе WAP пользователь получает доступ к управляемой системе через мобильный телефон (GSM-модем). WAP поддерживается стандартами GSM, TDMA, CDMA, GPRS.

Веб-серверы для Интернета обычно располагаются на мощных компьютерах и содержат жесткие диски большой емкости. Однако для удаленного управления в СА часто достаточно иметь на сервере всего одну несложную веб-страницу. Для этой цели используют микровеб-серверы (встраиваемые веб-серверы, Embedded Web Server), выполненные в виде микросхемы, которая располагается на печатной плате ПЛК или интеллектуального датчика в холодильнике, кондиционере, офисном оборудовании и др. Каждый микровебсервер доступен по своему Internet-адресу.

В предыдущие годы проблемой технической реализации мик- ровеб-серверов была необходимость большой вычислительной мощности для реализации протокола TCP/IP. В настоящее время появились дешевые однокристальные микроконтроллеры фирм Crystal Semiconductor, Winbond, Realtek, SeikoInstruments, младшие модели микроконтроллеров фирм Microchip (PIC12C509), Atmel (микроконтроллеры линейки Tiny AVR), Fairchild (ACE1101) со встроенной

16

PNRPU

реализацией протокола TCP/IP. Это позволило применять веб-сер- веры даже внутри датчика. Технологию применения микровебсерверов называют встроенным Интернетом (Embedded Internet).

Встает вопрос: какой должна быть архитектура АСУ для конкретного случая? Архитектуру создает архитектор. Основным требованием к архитектору является знание предметной области (принципов функционирования объекта автоматизации) и технических характеристик аппаратных и программных средств, используемых для построения системы. Элементами архитектуры являются модели (абстракции) датчиков, устройств ввода-вывода, измерительных преобразователей, ПЛК, компьютеров, интерфейсов, протоколов, промышленных сетей, исполнительных устройств, драйверов, каналов передачи информации и т.д.

При построении архитектуры должны быть заложены следующие свойства будущей АСУ:

–слабая связанность элементов архитектуры между собой (т.е. декомпозицию системы на части следует производить так, чтобы поток информации через связи был минимален и через них не замыкались контуры автоматического регулирования);

–тестируемость (возможность установления факта правильного функционирования);

–диагностируемость (возможность нахождения неисправной части системы);

–ремонтопригодность (возможность восстановления работоспособности за минимальное время при экономически оправданной стоимости ремонта);

–надежность (например, путем резервирования);

–простота обслуживания и эксплуатации (минимальные требования к квалификации и дополнительному обучению эксплуатирующего персонала);

–безопасность (соответствие требованиям промышленной безопасности и технике безопасности);

–защищенность системы от вандалов и неквалифицированных пользователей;

17

–экономичность (экономическая эффективность в процессе функционирования);

–модифицируемость (возможность перенастройки для работы с другими технологическими процессами);

–функциональная расширяемость (возможность ввода в систему дополнительных функциональных возможностей, не предусмотренных в техническом задании);

–наращиваемость (возможность увеличения размера автоматизированной системыприувеличении размераобъектаавтоматизации);

–открытость (см. гл. 1.3);

–возможность переконфигурирования системы для работы

сновыми технологическими процессами;

–максимальная длительность жизненного цикла системы без существенного морального старения, достигаемая путем периодического обновления аппаратных и программных компонентов, а также путем выбора долгоживущих промышленных стандартов;

–минимальное время на монтаж и пусконаладку (развертывание) системы.

Архитектура системы может быть различной в зависимости от решаемой задачи автоматизации, например:

–мониторинг (продолжительные измерение и контроль с архивированием полученной информации);

–автоматическое управление (с обратной связью или без нее);

–диспетчерское управление (управление с помощью челове- ка-диспетчера, который взаимодействует с системой через НМI);

–обеспечение безопасности.

Любая из перечисленных задач может выполняться дистанционно.

Построение любой системы начинается с ее декомпозиции (деления на части) на подсистемы. Декомпозиция может быть функциональной (алгоритмической) или объектной.

При объектной декомпозиции используются распределенные системы управления, когда каждый объект автоматизации оборудуется локальным технологическим контроллером, решающим задачи в пределах этого объекта. При функциональной декомпозиции АСУ

18

делят на части, группируя сходные функции, и для каждой группы функций используют отдельный контроллер. Оба вида декомпозиции могут быть использованы совместно. Выбор способов декомпозиции является творческим процессом и во многом определяет эффективность будущей АСУ.

Объектная декомпозиция объекта автоматизации используется в современных SCADA-пакетах. Она аналогична объектной декомпозиции, используемой в объектно-ориентированном программировании (ООП), основными признаками которой являются абстрагирование, инкапсуляция, модульность, иерархическая организация. Классам ООП соответствуют контроллеры, объектам – контроллеры с заданными свойствами (параметрами), инкапсуляция соответствует сокрытию конкретной реализации (например, с помощью функциональных блоков языка IEC 61131-3). Благодаря инкапсуляции существенно упрощается структура системы с точки зрения системного интегратора и, таким образом, уменьшается количество возможных ошибок. Модульность обеспечивается модульностью аппаратного обеспечения системы, иерархичность естественным путем вытекает из требований заказчика.

Независимо от метода декомпозиции, основным ее результатом должно быть представление АСУ в виде набора слабосвязанных частей. Слабая связь между частями системы означает отсутствие между ними обратных связей или малость модуля петлевого усиления при наличии таких связей, а также отсутствие интенсивного обмена информацией.

Программные модули, реализующие отдельные функции в разных контроллерах, могут взаимодействовать между собой по СА. Для разработки заказного ПО РСУ используют специальную среду разработки систем РВ или стандартное ПО на основе технологии DCOM фирмы MS. Удобен способ построения архитектуры системы на основе ячеек автоматизации, при котором на разных уровнях иерархии используются одни и те же ячейки с одним и тем же ПО, что делает систему однородной, снижается трудоемкость ее проектирования и обслуживания.

19

ГЛАВА 1 ПОНЯТИЕ О СЕТЯХ АВТОМАТИЗАЦИИ

1.1. НЕОБХОДИМОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ СЕТЕЙ АВТОМАТИЗАЦИИ

В 70-х годах XX века технология приборной связи 0,4–20 мА стала стандартом де-факто. В результате производители контрольноизмерительной аппаратуры получили стандарт, на основе которого их продукты можно было интегрировать в большие АСУ без особого труда. В 1990-х годах, прежде всего в промышленности, начали применяться на полевом уровне цифровые технологии, появились стандарты так называемых промышленных шин. Это относится, например, к первому уровню АСУТП – к полевому уровню Fildbus. В дальнейшем сети автоматизации стали применяться на верхних уровнях: в телекоммутационных сетях (прежде всего Ethernet и Internet), системах «умный» дом, «умные» сети, системах электроэнергетики и т.д. В связи с этим понятия «промышленная шина», «полевая шина Fildbus», «сеть автоматизации» будем считать близкими, отражающими этапы развития СА.

Fieldbus – это не определенный протокол передачи данных и не тип сетевой архитектуры, этот термин не принадлежит ни одной отдельно взятой компании и обозначает, скорее, сферу применения, чем какую-либо конкретную сетевую технологию. СА – это сегмент рынка, где сталкиваются интересы крупнейших корпораций, создаются и внедряются самые передовые технологии, ведется война стандартов, появляются новые участники и стараются удержаться старые. СА – это среда передачи данных, которая должна отвечать множеству разнообразных, а зачастую противоречивых требований. СА – это набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющих связать воедино оборудование различных про-

20