1.3. Структуры информационно-управляющих систем и тенденции их развития

Несмотря на особенности, ШИУС во многом сходны с общепромышленными информационно - управляющими и повторяют их путь развития. Исторически можно выделить несколько поколений промышленных информационно - управляющих систем (рис.1.1).

а) б)

в) г)

Рис.1.1. Структуры информационно – управляющих систем

Для систем первого поколения (рис.1.1, а) было характерно использование единственного вычислительного устройства или устройства обработки информации, непосредственно к которому подключались все источники и приемники информации.

Системы второго поколения (рис.1.1, б) строились на основе программируемых логических контроллеров (PLC), которые имели связь с центральным компьютером и не имели связи друг с другом. При этом центральный компьютер был "ведущим", а PLC - "ведомыми", связи между ними осуществлялась по модели "ведущий/ведомый".

Системы третьего поколения (рис.1.1, в) объединялись в единую информационную среду, физически реализованную в виде цифровой системы передачи данных, PLC, первичные источники и конечные приемники информации. При этом источники и приемники информации являются носителями "интеллекта" и могут передавать сообщения друг другу, минуя центральный компьютер. Широкое распространение получил вариант систем третьего поколения, в которых отдельные PLC могут обслуживать несколько источников и приемников информации, группируя в себе их общий "интеллект".

Системы четвертого поколения (рис.1.1, г) характеризуются "интеллектом", который равномерно распределен между всеми элементами системы, которые являются равноправными, а их ресурсы - общими. Доведенной до логического завершения реализацией концептуальных идей систем четвертого поколения являются структура, в основой которой служат датчики, контроллеры и исполнительные механизмы, являющиеся WWW-узлами в сети Интернет или Интранет-сети предприятия. Каждый датчик, контроллер и исполнительный механизм имеет собственный IP-адрес и программное обеспечение для работы с протоколом TCP/IP. Использование протокола TCP/IP и технических средств его реализующих позволяет создавать исключительно живучие сети передачи разнородной информации от данных о контролируемых параметров до цифрового аудио и видео.

Таким образом, общие тенденции развития промышленных информационно - управляющих систем заключаются в следующем:

1) Происходит пространственное перераспределение вычислительных мощностей (обработка информации и выработка управляющих воздействий), заключающееся в их приближении к источникам и приемникам информации вплоть до их полной локализации в них. При этом, с одной стороны, повышается функциональная надежность системы, определяемая, в частности, скоростью выработки управляющих воздействий и вероятностью функционального отказа системы из-за выхода из строя линий связи. С другой стороны, излишняя информация не передается на более высокие уровни обработки информации и принятия решений, снижая загруженность сети.

2) Перераспределение вычислительных мощностей позволяет говорить об исключении центрального вычислительного устройства, выполняющего роль системного супервизора и контроллера сети. Однако в системах обычно присутствует мощное вычислительное устройство, используемое для долговременного хранения информации или для связи с внешними информационными системами.

3) Перераспределение вычислительных мощностей и уменьшение загрузки сети на передачу излишней информации, т.к. управляющие решения принимаются "на месте", позволяет использовать освободившиеся ресурсы сети для организации взаимодействия вычислительных устройств, составляющих основу источников и приемников информации и контроллеров, по модели "каждый с каждым". При этом, с одной стороны, обеспечивается возможность получения любой информации и выработки управляющих воздействий на любом устройстве сети, с другой - повышаются требования к средствам защиты информации, скоростям передачи, что принципиально меняет требования к используемому системному программному обеспечению.

4) Системное программное обеспечение промышленных компьютерных систем третьего и четвертого поколения должно базироваться на операционных системах, которые отличаются работой в реальном времени, развитыми сетевыми возможностями и масштабируемостью. Что позволяет использовать единую операционную среду от встраиваемых систем, - это "интеллектуальные" датчики и исполнительные механизмы, участковые вычислительные устройства и т.д., до систем управления предприятием, объединением и др.

5) Все современные промышленные компьютерные информационно – управляющие системы строятся как многофункциональные и универсальные. При этом их конкретное назначение системы определяется совокупностью датчиков, исполнительных устройств, алгоритмическим, программным, организационно - методическим и правовым обеспечением.

Исследования различных отечественных и зарубежных ШИУС (МАЙНОС (British Coal Corporation, Великобритания), СТТ-63/40Up, CMM-20m, CTT2 (институт "Сершар", фирма "Олдам", Франция), CH597CS (фирма "Дрегер", ФРГ), CGA/1 (фирма "Олдам" Франция), MCO-060 (ДИСАМ, Чехословакии), ТРАНСМИТТОН (фирма TRANSMITTON, Великобритания), ВЕНТУРОН (фирма Venturon, Великобритания), МИКОН (фирма Micon, Польша), KI1, KI2 (КНР), CCD (фирма EMAG, Польша), ПРОМОС (фирма Promos Elektronik GmbH, Германия), Симдас (фирма Siemens, Германия), МЕТАН, КГК (СССР)) позволяют провести условное разделение уровней сбора, обработки информации, выработки управляющих воздействий и принятия решений (рис.1.2), которое соответствует территориальному, функциональному и должностному разделению функций контроля и управления.

Рис.1.2. Уровни сбора, обработки информации, выработки управляющих воздействий и принятия решений

В настоящее время можно выделить несколько типовых структур шахтных информационно - управляющих систем. Наибольшее распространение получила структура ШИУС (рис.1.3, а), которая предусматривает использование для объекта контроля (очистная лава, подготовительный забой, конвейерный штрек и т.п.) одного или нескольких устройства обработки и управления, которые выполняет функции концентраторов сигналов и могут быть реализованы как на аналоговой, так и на микропроцессорной технике. К таким устройствам подключаются все источники (датчики технических и технологических параметров) и приемники информации (исполнительные механизмы и устройства, устройства сигнализации). Типовое подземное вычислительное устройство оборудовано дисплеем, клавиатурой, имеет от 6 до 14 искробезопасных релейных выходов, от 8 до 16 аналоговых и от 16 до 32 дискретных входов. В состав ШИУС, кроме датчиков и источников питания, входят световые и звуковые устройства сигнализации и промежуточные реле, позволяющие с помощью искробезопасных релейных выходов управлять искроопасными цепями. Такая структура ШИУС минимизирует состав оборудования, но требует использования большого количества линий связи, предполагает значительные затраты при их монтаже и обслуживании и оказывается неоптимальной при организации контроля в протяженных горных выработках.

а)

б)

Рис.1.3. Типовые структуры ШИУС

На рис.1.3, б показана структура ШИУС, которая свободна от перечисленных недостатков и которая объединяет в себе черты промышленных компьютерных систем второго и третьего поколений. В ней мощные подземные вычислительные устройства, к которым могут подключаться приемники и источники информации, формируют и поддерживают работу полевых шин. К полевым шинам могут подключаться "интеллектуальные" источники и приемники информации и маломощные вычислительные устройства, к которым подключаются источники и приемники информации, лишенные "интеллекта". Маломощные источники информации, имеющие до 8 аналоговых и дискретных входов и до 4 искробезопасных релейных выходов и при необходимости дисплей и клавиатуру, используются для первичной обработки информации, выработки и осуществления локальных управляющих воздействий.

Такие устройства обычно имеют модульное исполнение, позволяющее оптимизировать набор технических средств (входы, выходы, отображение и т.д.) для реализации необходимого перечня функций и, следовательно, минимизировать их стоимость. Мощные подземные вычислительные устройства, которые также могут быть оборудованы аналоговыми и дискретными входами и релейными выходами, предназначены для связи с наземными вычислительными средствами и для управления не отдельными агрегатами и установками, но целыми участками. Такие ШИУС, объединяя средства автоматизации, реализованные на аналоговой и микропроцессорной технике, являются технически оправданным и целесообразным компромиссом при переходе от ШИУС второго поколения к третьему. Следует отметить, что уже в подобных структурах разработчики вынуждены использовать специализированные кабельные линии связи, соединители и технологию монтажа, что свидетельствует о сложности реализации высокоэффективных полевых шин для шахтных условий.

Реализация и внедрение ШИУС третьего и четвертого поколения вызывает значительные технические сложности, связанные с необходимостью повышения скорости обмена данными в подземной сети на 1...3 порядка, и в настоящее время представляется экономически нецелесообразным.

Следует отметить, что структура и состав ШИУС зависят от перечня выполняемых функций и возможных и доступных технических решений следующих задач:

- обеспечение искробезопасности;

- обеспечение электропитания подземных элементов ШИУС;

- распределение вычислительных мощностей между различными уровнями обработки информации;

- передача информации.

Анализ современных ШИУС показал, что для обеспечении взрывобезопасности наибольшее распространение получил способ "искробезопасная электрическая цепь", применением взрывонепроницаемых оболочек для кабельных вводов и общепромышленных защитных оболочек со "специальным видом защиты" (компаундирование).

Выбор способов взрывозащиты непосредственно связан с потребляемой мощностью аппаратуры ШИУС и способами электропитания ее подземных элементов. Электропитание с поверхности от наземных блоков искробезопасного питания с буферными аккумуляторами у потребителей энергии позволяет при сохранении целостности объединенных линий питания/связи получать информацию от датчиков в аварийных ситуациях, т.е. при отсутствии электроэнергии в горных выработках. Питание от подземных аппаратов электроснабжения с накоплением энергии в аккумуляторных батареях, обеспечивающих работу ШИУС в течение 24 и более часов, также позволяет решить проблему аварийного питания. Таким образом, рассматриваемые способы можно считать равноценными. Однако питание с поверхности накладывает жесткие ограничения на потребляемую мощность подземными элементами ШИУС, т.к. КПД линий передачи энергии составляет от 25 до 75 %, что делает невозможным создание многофункциональных ЩИУС, осуществляющих газовый контроль, защиту и автоматическое управление с быстродействием 0,5 с.

Решающее влияние на структуру ШИУС оказывает используемая технология передачи информации. До настоящего времени используются две основные структуры сети передачи: "звезда" и "моноканал".

"Звезда" обеспечивает высокую живучесть системы связи, при которой отказ одного сегмента не приводит к потере связи с остальными узлами сети, однако при прокладке линий связи по шахтному стволу обычно используется единственный кабель, при этом маловероятны единичные обрывы в различных сегментах. Кроме этого такая топология характеризуется значительными затратами на кабельную технику. При использовании "моноканала" отказ одного сегмента сети может привести к потере связи с многими узлами, однако такой топологии свойственны малые затраты на кабельную технику. Разумным компромиссом является использование смешанных топологий: "множественные моноканалы", при этом каждый луч "звезды" является моноканалом, на котором расположены несколько узлов, или "звезда", каждый узел которой является контроллером полевой шины. Также следует отметить, что специфика контролируемого пространства (подземные горные выработки) и финансовое положение предприятий не позволяет использовать ШИУС с множественными и независимыми каналами связи.

На структуру и состав влияют электрические параметры интерфейсов управления основного и вспомогательного технологического оборудования, аппаратами электроснабжения.

Также на структуру ШИУС влияют частотные характеристики контролируемых сигналов и необходимая точность их локализации во времени. Так для информационных систем, использующих ресурсоемкое математическое обеспечении (Фурье- и Гильберт - преобразование, частотный и авторегрессионый анализ и т.д.) и сигналы от сейсмических датчиков и датчиков акустической и электромагнитной эмиссии, применяется структура, соответствующая первому поколению промышленных компьютерных систем, для которой характерно использование для каждого сигнала собственного специального канала связи. Именно такая структура позволяет собирать данные от многих "высокочастотных" источников информации и синхронно их обрабатывать на мощном вычислительном устройстве. До настоящего времени такие вычислительные устройства могли быть реализованы только на базе наземных компьютерных рабочих станций. И хотя сейчас появилась реальная техническая возможность использовать подземные устройства цифровой обработки сигналов, включая их в состав ШИУС на уровне полевой шины, эти функции не реализованы ни в одной из известных шахтных информационно – управляющих систем.