НАЗНАЧЕНИЕ ЦЕЛИ И ФУНКЦИИ АСУ ТП В соответствии с ГОСТ 20

Работа добавлена на сайт samzan.net:

32

ГЛАВА 1 ТИПОВЫЕ СТРУКТУРЫ И СРЕДСТВА АСУ ТП

В главе кратко рассматриваются назначение, функции и цели АСУ ТП, основные структуры и функциональный состав АСУ ТП и вытекающий отсюда типовой состав комплекса технических средств современных АСУ ТП.

§ 1.1. НАЗНАЧЕНИЕ, ЦЕЛИ И ФУНКЦИИ АСУ ТП

В соответствии с ГОСТ 20.003–84 автоматизированные системы управления технологическими процессами предназначены для выработки и реализации управляющих воздействий на технологический объект управления и представляют собой человеко-машинные системы, обеспечивающие автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием.

Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства. В зависимости от уровня АСУ ТП в качестве ТОУ можно рассматривать: технологические агрегаты и установки, группы станков, отдельные производства (цехи, участки), реализующие самостоятельный технологический процесс; производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление им заключается в рациональном выборе и согласовании режимов работы агрегатов, участков и производств.

Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУ ТП образуют автоматизированный технологический комплекс (АТК).

АСУ ТП являются частным видом систем управления, которые представляют, в свою очередь, особый класс систем, характеризующихся наличием самостоятельных функций и целей управления и необходимой для реализации этого специальной системной организацией. Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью критерия управления. Критерием может быть технико-экономический показатель, например себестоимость выходного продукта при заданном качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта, технологические показатели – параметры процесса, характеристики выходного продукта и т. п.

Отметим, что определение АСУ ТП как системы отличается от классического определения системы управления из теории автоматического управления, согласно которому система автоматического управления – это совокупность объекта управления и регулятора. d этом смысле понятие АТК подпадает под классическое определение системы управления, где в роли объекта выступает ТОУ, а в роли регулятора – АСУ ТП. Обобщенная блок-схема АСУ ТП изображена на рис. 1.1.

Сформулированное выше определение подчеркивает, во-первых, наличие в составе АСУ ТП современных автоматических средств сбора и переработки информации, в первую очередь средств вычислительной техники; во-вторых, роль человека в системе как субъекта труда, принимающего содержательное участие в выработке решений по управлению; в-третьих, что АСУ ТП — это система, осуществляющая переработку технологической и технико-экономической информации.

Еще один важный признак АСУ ТП —это осуществление управления в темпе протекания технологического процесса, т. е. в реальном масштабе времени.

АСУ ТП как компонент общей системы управления промышленным предприятием (АСУП) предназначена для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией. АСУ ТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют низовой уровень автоматизированных систем управления производством.

При наличии на предприятии автоматизированных систем технической и технологической подготовки производства (АСТПП) должно быть обеспечено взаимодействие АСУ ТП с этими системами. АСУ ТП получают от них необходимую технологическую и другую информацию для обеспечения заданного процесса и направляют к АСТПП фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования, в том числе для корректировки технологических процессов.

Перечень, форма представления и режим обмена информацией между АСУ ТП и другими взаимосвязанными с ней системами управления определяется в каждом конкретном случае в зависимости от специфики производства, его организации и структуры управления им.

Реализация целей в конкретных АСУ ТП достигается выполнением в них определенной последовательности операций и вычислительных процедур, в значительной степени типовых по своему составу и потому объединяемых в комплекс типовых функций АСУ ТП.

Функции АСУ ТП подразделяются на управляющие, информационные и вспомогательные.

Управляющие функции АСУ ТП — это функции, результатами которых является выработка и реализация управляющих воздействий на объект управления. К управляющим функциям АСУ ТП относятся: регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных; одно тактное логическое управление операциями или аппаратами; программное логическое управление группой оборудования; оптимальное управление установившимися или переходными режимами или отдельными стадиями процесса; адаптивное управление объектом в целом, например управление участком станков с ЧПУ.

Информационные функции АСУ ТП — это функции системы, содержанием которых является сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУ ТП относятся: централизованный контроль и измерение технологических параметров; косвенное измерение; вычисление параметров процесса (технико-экономических, внутренних переменных); формирование и выдача данных оперативному персоналу АСУ ТП или АТК; подготовка и передача информации в смежные системы управления; обобщенная оценка и проверка состояния АТК и его оборудования.

Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУ ТП — их направленность на конкретного потребителя (объект управления, оперативный персонал, смежные системы управления).

Вспомогательные функции АСУ ТП состоят в обеспечении контроля за состоянием функционирования технических и программных средств системы.

§ 1.2. СИСТЕМЫ И СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

В сфере промышленного производства для настоящего времени практический интерес представляют системы управления трех классов: локальные системы контроля, регулирования и управления (ЛСКРиУ), централизованные системы контроля, регулирования и управления (СЦКРиУ) и АСУ ТП.

Локальные системы контроля, регулирования и управления (рис. 1.2) эффективны при автоматизации технологически независимых объектов с компактным расположением основного оборудования и несложными целями управления (стабилизация, программное управление) при хорошо отработанной технологии и стационарных условиях эксплуатации. Локальные

регуляторы (ЛР) могут быть аналоговыми, цифровыми, одно- или многоканальными. Наличие человека-оператора (лица, принимающего решение, — ЛПР) в системе позволяет использовать эту структуру на объектах с невысоким уровнем механизации и надежности технологического оборудования, осуществлять общий контроль за ходом технологического процесса и ручное управление (РУ). Структура ЛСКРиУ соответствует классической структуре систем управления: содержит датчики измеряемых переменных (Д) на выходе ТОУ, автоматические регуляторы, исполнительные устройства (ИУ), передающие команды управления (в том числе и от ЛПР в режиме ручного управления) на регулирующие органы ТОУ. Устройство связи с оператором состоит, как правило, из измерительных, сигнализирующих и регистрирующих приборов.

Централизованные системы контроля, регулирования и управления. Автоматические или автоматизированные СЦКРиУ предназначены для сбора и обработки данных об объекте управления и выработки на основе их анализа в соответствии с целями системы управляющих воздействий. Появление этого класса систем управления связано с увеличением числа контролируемых и регулируемых параметров, с территориальной рассредоточенностью ТОУ. Структура СЦКРиУ изображена на рис. 1.3*.

*Здесь и далее двойные линии при изображении функциональных блоков означают число реальных блоков более чем один; двойные стрелки — число связей более одной («векторные» связи).

Для СЦКРиУ характерны ди- станционный контроль, регулирование и управление, что позволило территориально отделить наблюдение и управление за технологическим процессом от ТОУ. Наряду с этим изменился и состав функций: кроме функций, свойственных ЛСКРиУ, появились функции дистанционного управления (ДУ), логико-командного управления (через ЛК.У). ВСЦКРиУ появляются центральный пульт контроля иуправления со средствамипредставления измерительной [от датчиков(Д), вторичных преобразователей (ВП) и командной информации от задающих устройств (ЗУ), исполнительных устройств и механизмов (ИУ, ИМ)] в виде мнемосхем, цифровых табло, приборов сигнализации, вызывного контроля, регистрации.

Первоначально в СЦКРиУ на центральном пульте управления концентрировались одноточечные измерительные и регистрирующие приборы и одноканальные регуляторы. В дальнейшем для сокращения числа необходимого оборудования и уменьшения эксплуатационных расходов в СЦКРиУ стали применять многоканальные средства контроля и регулирования (рис. 1.4). В многоканальных системах контроля и управления некоторые функциональные устройства являются общими Для всех каналов системы и с помощью коммутаторов и распределителей каналов (КК, РК) подключаются к индивидуальным устройствам канала, образуя замкнутый контур управления.В системах управления технологическими процессами, как правило, используют многоканальные вторичные преобразователи (МВП), автоматические контрольно-измерительные и регистрирующие приборы (МКИП), многоканальные регулирующие устройства (МРУ), многоканальное устройства логико-командного управления (МЛКУ). Функции оператора-технолога (ЛПР) остаются прежними: оценка функциони-рования СЦКРиУ и формирование оптимального управления путем изменения уставок в ЗУ.

Автоматизированные системы управления  технологическими процессами. Развитие экономико-математических методов управле- ния с ши-

роким использованием современной вычислительной техники позволило существенно облегчить работу оператора при управлении сложными технологическими объектами. В результате появились человеко-машинные системы управления технологическими процессами, в которых обработка информации и

формирование оптимальных управлений осуществляются человеком с помощью управляющей вычислительной машины (УВМ). УВМ в этом случае является многоканальным информационно-управляющим устройством в системе автоматизированного управления технологическим процессом.

В зависимости от распределения информационных и управляющих функций между человеком и УВМ, между УВМ и средствами контроля и регулирования возможны различные принципы построения АСУ ТП. Наибольшее распространение в промышленной практике нашли три принципа построения АСУ ТП: централизованные АСУ ТП, АСУ ТП с супервизорным управлением и децентрализованные распределенные АСУ ТП.

Типовая структура централизованной АСУ ТП (рис. 1.5) включает в себя устройство связи с объектом (УСО) и УВМ, осуствляющую централизованное управление одним или несколькими технологическими процессами. Надежность всего комплекса определяется в этом случае надежностью УСО и УВМ, и при выходе их из строя нормальное функционирование технологического оборудования невозможно.

Характерным примером централизованной АСУ ТП является система, УВМ которой непосредственно вырабатывает оптимальные регулирующие воздействия и с помощью соответствующих преобразователей передает команды управления на исполнительные устройства (механизмы). Централизованные АСУ ТП, УВМ которых работают в таком режиме, называются системами с непосредственным или прямым цифровым управлением (ПЦУ).

Принцип действия системы с ПЦУ иллюстрирует рис. 1.6, где часть функций регулирования и логико-командного управления выполняют локальные средства контроля, регулирования и управления (ЛР и ЛКУ), а остальную часть их выполняет УВМ в режиме ПЦУ. Сигналы от источника информации  – датчиков (Д), вторичных преобразователей(ВП)  – через распределитель каналов (РК) поступают на входы устройства ввода (УВв) и оттуда в цифровой форме вводятся в УВМ. Черездругое устройство вводав УВМ поступают сигналы задания из центрального пульта через коммутатор каналов (КК). ВУВМ формируются управляющие воздействияна регулирующие органыТОУ (через РК к ИУ илиИМ), определяются оптимальные настройки дляЛР, вырабатываются данные и команды для визуализации технологической информации, передаваемые от УВМ черезустройства вывода (УВыв) и коммутатор каналов (КК).

В АСУ ТП с ПЦУ оператор должен иметь возможность изменять уставки, контролировать избранные переменные, варьировать диапазоны допустимого изменения переменных, изменять параметры настройки и иметь доступ к управляющей программе. Для обеспечения этих функций необходимо иметь сопряжение (человек  – машина) в виде пульта оператора и средств отображения информации.

Применение УВМ в режиме ПЦУ позволяет строить программным путем системы регулирования по возмущению, комбинированные системы каскадного и многосвязного регулирования, учитывающие связи между отдельными частями объекта управления. ПЦУ позволяет также реализовать не только оптимизирующие Функции, но и адаптацию к изменению внешней среды и переменным параметрам объекта. В систьмах с ПЦУ упрощается реализация режимов пуска и остановки процессов, переключение с ручного Управления на автоматическое, операции переключения исполнительных механизмов основного и вспомогательного оборудования.

Главный недостаток систем с ПЦУ заключается в том, что при отказе в работе УВМ объект теряет управление. Несмотря на высокую надежность всех средств системы, отказы в УВМ возможны, и это обстоятельство необходимо особо учитывать при построении АСУ ТП с ПЦУ. В показанной на рис. 1.6 структуре АСУ ТП для каналов регулирования и управления повышенной надежности используются локальные средства контроля, регулирования и управления (одно- или многоканальные).

Более широкими возможностями и лучшей надежностью обладают АСУ ТП, в которых непосредственное регулирование объектами ТП осуществляют ЛР, а УВМ выполняет функции «советчика» в так называемом супервизорном режиме. Типовая структура супервизорной АСУ ТП изображена на рис. 1.7. По

данным, поступающим от датчиков (Д) локальных подсистем через УСО, УВМ вырабатывает значение уставок в виде сигналов, поступающих непосредственно на входы систем автоматического регулирования. Основная задача супервизорного управления  – автоматическое поддержание процесса вблизи оптимальной рабочей точки. Кроме того, супервизорное управление позволяет оператору-технологу использовать плохо формализуемую информацию о ходе технологического процесса,   вводя   через   УВМ

коррекцию уставок, параметров алгоритмов регулирования в локальные контуры. Например, оператор вводит необходимые изменения в управление процессом при изменении сырья и состава вырабатываемой продукции.  Это  требует  определения  новых  значений

коэффициентов уравнений математической модели объекта управления, что может выполняться любой другой внешней ЭВМ или самой УВМ, если она не загружена.

Работа информационно-измерительной части системы супервизорного управления практически не отличается от рассмотренной выше системы. Функции оператора в этом случае сводятся лишь к наблюдению, а его вмешательство необходимо только в аварийных ситуациях.

Достоинство системы супервизорного управления состоит в том, что УВМ в ней не только автоматически контролирует процесс, но и автоматически управляет им вблизи оптимальной рабочей точки. Рассматриваемая система управления технологическим процессом является многоканальной как в информационной части, так и на уровне оптимизации.

Развитие АСУ ТП на современном этапе связано с широким использованием для управления микропроцессоров и микроЭВМ [2, 12, 14, 15, 19, 24, 25 –27, 32, 35, 40], стоимость которых с каждым годом становится все более низкой по сравнению с1 общими затратами на создание систем управления. До появления микропроцессоров эволюция систем управления технологическими процессами сопровождалась увеличением степени централизации. Однако возможности централизованных систем теперь уже оказываются ограниченными и не отвечают современным требованиям по надежности, гибкости, стоимости систем связи и программного обеспечения. Переход от централизованных систем управления к децентрализованным вызван также возрастанием мощности отдельных технологических агрегатов, их усложнением, повышением требований по быстродействию и точности к их работе. Централизация "систем управления экономически оправдана при сравнительно небольшой информационной мощности (число каналов контроля и регулирования) ТОУ и его территориальной сосредоточенности. При большом числе каналов контроля, регулирования и управления, большой длине линий связи в АСУ ТП децентрализация структуры системы управления становится принципиальным методом повышения живучести АСУ ТП, снижения стоимости и эксплуатационных расходов [15, 24, 27, 40].

Наиболее перспективным направлением децентрализации АСУ ТП следует признать автоматизированное управление процессами с распределенной архитектурой, базирующееся на функционально-целевой и топологической децентрализации объекта управления.

Функционально-целевая децентрализация  – это разделение сложного процесса или системы на меньшие части  – подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку (например, переделы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т. д.), имеющие самостоятельные цели функционирования.

Топологическая децентрализация означает возможность территориального (пространственного) разделения процесса на функционально-целевые подпроцессы. При оптимальной топологической децентрализации число подсистем распределенной АСУ ТП выбирается так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сетевую структуру.

Технической основой современных распределенных систем управления, обусловившей возможность реализации таких систем, являются микропроцессоры и микропроцессорные системы (см. гл.6).

Микропроцессорной системой (МП-системой) будем называть любую вычислительную, информационно-управляющую или управляющую систему, устройством обработки информации которой является микропроцессор (МП).

Микропроцессорная система выполняет функции сбора данных (коммутация сигналов, их унификация, фильтрация, преобразование в цифровую форму, ввод в базу данных и др.), регулирования и управления, визуализации всей информации базы данных, изменения уставок, параметров алгоритмов и самих алгоритмов, оптимизации и т. д. Использование МП, МПС (в том числе микроЭВМ) для решения перечисленных задач дает возможность достичь следующих целей:

1.  заменить аналоговые технические средства на цифровые там,где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяетфункциональные возможности и увеличивает гибкость систем управления;
2.  заменить технические средства  с жесткой  логикой  на программируемые (с возможностью изменения программы) устройства,или контроллеры (см. § 8.4);
3.  заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ,когда необходимо обеспечить децентрализованное управлениепроизводством или технологическим процессом с повышенной надежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ полностью не используются.

Микропроцессорные системы могут выполнять в подсистемах распределенной АСУ ТП все типовые функции контроля, измерения, регулирования, управления, представления информации оператору. Так как распределенная система содержит минимум две функционально связанные подсистемы, то в техническом плане образуется либо многомашинная, либо многопроцессорная система.

Многомашинная система  – это вычислительная система, содержащая более одной машины. Операционная система не является общей, и для каждой машины операционная система своя. Связь между машинами чисто аппаратная (многомашинный комплекс на базе системы АСВТ ПС рассматривается в § 7.3; см. также [28]).

Многопроцессорная система  – это система, состоящая из двух (или более) процессоров, которые имеют доступ к общей центральной памяти; имеют общий доступ по крайней мере к части устройств ввода и вывода; управляются одной общей операционной системой. Использование микропроцессоров приводит к мультимик-ропроцессорным системам.

Так как в распределенных АСУ ТП подсистемы функционально связаны и их совместная работа подчинена общей цели, то между машинами (мини- и микроЭВМ) или процессорами в многомашинной или мультимикропроцессорной системах возникает помимо аппаратной связи программный обмен, обеспечивающий как решение функциональных задач АСУ ТП, так и организацию самого программного обмена. Программный обмен между управляющими ЭВМ или микропроцессорными системами локальных подсистем распределенной АСУ ТП осуществляется при помощи каналов связи. С точки зрения обработки данных распределенная АСУ ТП представляет собой объединение при помощи каналов и устройств связи разнообразных мини- и микро-ЭВМ, МПС («узлов-абонентов»), которое принято называть локальной вычислительной сетью (ЛВС) [24, 41].

Определим локальную вычислительную сеть как многомашинную систему, работающую в единой операционной среде (ОС), являющуюся расширением операционных систем ЭВМ  –узлов ЛВС. Если ЛВС используется для технической реализации систем управления, то такую сеть будем называть локальной управляющей вычислительной сетью (ЛУВС). Особенности ЛУВС будут рассмотрены ниже.

Топология распределенных АСУ ТП. В распределенных АСУ ТП приняты в основном три топологические структуры взаимодействия подсистем [24, 40]: звездообразная (радиальная); кольцевая (петлевая); шинная (магистральная) или их комбинации. Организация связи с датчиками и исполнительными устройствами носит индивидуальный и преимущественно радиальный характер. На рис. 1.8 изображены варианты топологий распределенных АСУ ТП. 

Радиальная структура взаимодействия подсистем (рис. 1.8, а) отражает традиционно применявшийся способ соединения устройств с выделенными линиями связи и характеризуется следующими особенностями:

1.  Существуют отдельные, не связанные между собой линии, объединяющие центральную подсистему (ЦП) с локальными системами автоматики ЛА.
2.  Технически просто реализуются устройства сопряжения УС1 –УСm локальной автоматики. Центральное устройство связиУСЦ представляет собой

набор модулей типа УС, по числу линийлибо достаточно сложное устройство мультиплексирования каналов передачи информации.

1.  Обеспечиваются максимальные скорости обмена по отдельным линиям при достаточно высокой производительности вычислительных устройств на уровне ЦП.
2.  Надежность подсистемы связи в значительной степени зависит от надежности и живучести технических средств ЦП. Выходиз строя ЦП практически разрушает  подсистему обмена, так каквсе потоки информации замыкаются через верхний уровень.

Распределенная система с радиальной структурой является двухуровневой системой, где на нижнем уровне в подсистемах реализуются необходимые функции контроля, регулирования, управления, а на втором  – в ЦП координирующая микроЭВМ (или мини-ЭВМ) кроме координации работы микроЭВМ-сателлитов осуществляет оптимизацию задач управления ТОУ, распределение энергии, управляет технологическим процессом в целом, вычисляет технико-экономические показатели и т. п. Вся база данных в распределенной системе с радиальной структурой должна быть доступной координирующей микроЭВМ для прикладных программ управления на верхнем уровне. Вследствие этого координирующая микроЭВМ работает в реальном времени и должна обладать языками высокого уровня.

На рис. 1.8, б, в изображены кольцевая и шинная топологии взаимодействия уровней. Эти структуры имеют ряд достоинств по сравнению с радиальной:

1.  Работоспособность подсистемы связи, включающей в себяканал и устройства связи, не зависит от исправности техническихсредств на уровнях автоматизации.
2.  Имеются возможности подключения  дополнительных устройств и контроля всей  подсистемы  с  помощью  специальныхсредств.
3.  Необходимы значительно меньшие затраты кабельной продукции. За счет обмена информацией между ЛА,- через канал связи и УС  («каждый с каждым») появляется дополнительная возможность динамического перераспределения функций координации совместной работы подсистем ЛА по нижним уровням в случаевыхода из строя ЦП. Шинная  (в меньшей степени кольцевая) структура обеспечивает широковещательный режим обмена междуподсистемами, что является важным преимуществом при реализации групповых команд управления. Вместе с тем шинная и кольцевая архитектура предъявляет уже значительно более высокиетребования к «интеллекту» устройств сопряжения, а следовательно, повышенные единовременные затраты на реализацию базовой сети.

Сравнивая кольцевую и шинную топологии подсистемы связи, необходимо отметить, что организация кольцевой структуры менее дорогостоящая и требует более дешевых средств связи, чем шинная. Однако надежность всей подсистемы с кольцевой системой связи определяется надежностью каждого устройства сопряжения и каждого отрезка линий связи. Для повышения живучести необходимо применение двойных колец или дополнительных линий связи с обходными путями [40, 41]. Работоспособность физического канала передачи для шинной архитектуры с трансформаторной развязкой не зависит от исправности устройств сопряжения, однако, как и для кольца, выход из строя любого устройства сопряжения в наихудшем случае приводит к полностью автономной работе отказавшего узла подсистемы, т. е. к потере функции управления от уровня ЦП автоматикой отказавшего узла.

Явным методом повышения живучести всей системы автоматики в случае отказа устройств согласования в подсистеме связи является дублирование устройств согласования в узлах подсистемы. В кольцевой структуре такой подход уже подразумевается при организации двойных колец и обходных путей. Если надежность непрерывного физического канала для нижней топологии не вызывает сомнений, то возможно дублирование только устройств сопряжения без применения резервного магистрального кабеля.

Более дешевым способом повышения надежности подсистемы связи является использование комбинированных структур, сочетающих в себе достоинства радиальных и кольцевых (магистральных) топологий. Для кольца число радиальных связей может быть ограничено двумя-тремя линиями, реализация которых, например, в стандарте ИРПС СМ ЭВМ дает простое и дешевое решение [21].

Оценка таких показателей рассмотренных структур распределенных АСУ ТП, как экономические (затраты на кабельную продукцию, трассировку кабеля, на разработку или приобретание сетевых средств, в том числе устройства связи и т. п.), функциональные (использование групповых операций передачи, интенсивность обмена, возможность обмена «каждый с каждым»), а также показатели унификации и возможности эволюции сети (возможность простого включения дополнительных узлов-абонентов, тенденции к применению в АСУ ТП) и показатели надежности сети (отказ канала связи и устройств связи или сопряжения), позволяет сделать следующие выводы [4, 27, 40, 41]: 1) наиболее перспективной в смысле развития и использования является магистральная организация подсистемы связи; 2) функциональные возможности магистральной топологии не уступают возможностям кольцевой и радиальной; 3) надежностные показатели магистральной структуры достаточно Удовлетворительные; 4) магистральная топология распределенной АСУ ТП требует больших единовременных затрат на создание и внедрение канала связи и устройств сопряжения.

Во многом благодаря этим особенностям магистральной структуры и модульной организации аппаратных и программных средств в современных АСУ ТП магистрально-модульный принцип построения технического обеспечения нашел преимущественное распространение. Использование магистральной системы передачи и обработки данных в распределенных АСУ ТП приводит к проблемам организации ЛУВС на базе микропроцессорных вычислительных средств, поэтому необходимо хотя бы кратко рассмотреть технические характеристики ЛУВС с магистральной топологией, отослав читателя к специальной литературе по более общим вопросам организации локальных вычислительных систем, например к [4, 24, 41].

§ 1.3. СРЕДСТВА ПОСТРОЕНИЯ ЛУВС С МАГИСТРАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ

Различают следующие компоненты ЛУВС: топологию сети (типы которой были описаны выше), физическую среду передачи, метод доступа к физической среде и программное обеспечение сети [4, 27, 41].

Физическая среда передачи ЛУВС с магистральной структурой образована коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 75 Ом, обеспечивающим скорость передачи данных до 10 Мбит/с. Большую скорость (150 Мбит/с и более) может обеспечить оптоволоконный кабель, однако стоимость такого кабеля выше и от него сложнее осуществить отводы для подключения абонентов.

Для подключения узлов-абонентов используются приемопередатчики, представляющие собой узел сбора данных и управления вводом  – выводом данных от подсистем в магистраль, и включают в себя адаптеры, интерфейсные схемы канала связи и сетевые интерфейсы. Функции сбора данных и управления реализуются модулями, связанными друг с другом через шину узла и управляемыми контроллером узла. Упрощенная структура ЛУВС с удаленными и неудаленными абонентами (подсистемами) с топологией шины, иллюстрирующая основной состав физических средств приема –передачи данных, изображена на рис. 1.9 [24]. Абоненты  – подсистемы управления АСУ ТП  – подключаются к общему каналу (магистрали) с помощью адаптеров связи (станций, блоков доступа). При незначительном удалении от общего канала связи (менее 100 м) абоненты 1, 2, ..., m подключаются к магистрали через адаптеры канала связи Лкс1 Аксm. При большем удалении абоненты m+1, ..., n связываются с общим каналом через адаптеры канала связи Acm+1, … , Асn, каналы передачи и адаптеры канала связи Aксm+1 ..., Aксn. Адаптеры канальной связи имеют буферную память достаточной емкости, необходимую для согласования различных скоростей передачи сигналов абонентами 1, 2, ..., m, m+1, ..., n со скоростью ввода сигналов в общий канал, которая одинакова в точках а – f интерфейса канала связи Икс. Функциональный состав и характеристики адаптеров Акс и Ас изменяются в зависимости от внешних интерфейсов Иа абонентов.

На рис. 1.10 изображена блок-схема интерфейсного узла ЛУВС с магистральной структурой: 1 – основная и резервная магистрали данных; 2 – интерфейсы связи с резервной магистралью данных; 3 – внутренняя магистраль узла; 4 – модули ввода – вывода; 5 – функциональные модули (контроллеры, средства отображения данных, ЗУ с произвольной выборкой, ...); 6 – ТОУ. Все модули интерфейсного узла подсистемы связаны один с другим посредством внутренней магистрали узла, а с верхним уровнем системы управления (на рис. 1.10 не показан) –через интерфейс связи 2 и магистрали данных. Внутренняя магистраль реализуется часто как параллельный интерфейс, поскольку территориальная сосредоточенность модулей и технологического объекта в подсистеме делает возможной работу при принятых для параллельного интерфейса скоростях, хотя каждый из модулей может работать с различными скоростями.

Все виды связи с другими подсистемами, в том числе связь с оператором, координирующим работу подсистем, осуществляются через интерфейсы, подключаемые к модулям подсистем через внутреннюю магистраль. В то же время носителем форматов и связи по сообщениям являются резервные магистрали

данных.Резервные магистрали данных на рис. 1.10 позволяют осуществить обмен ообщениями между подсистемами и УВМ верхнего уровня, между одсистемами (каждая с каждой) и между оператором и подсистемами, которые не должны утрачиваться из-за неисправности какой-либо одной магистрали данных.

Методы доступа к физической среде ЛУВС объединяют в два класса: случайный и детерминированный (централизованный и децентрализованный). Методы доступа зависят от выбранной топологии сети. В табл. 1.1 приведены топологии, классы и методы доступа к физической среде ЛУВС [27].

В магистральных ЛУВС обычно применяется метод множественного доступа с контролем несущей и с обнаружением конфликта [в табл. 1.1  – МДКН/ОК (CSMA/CD), селекторный опрос и явная (адресуемая) передача права].

Программное обеспечение ЛУВС обеспечивает взаимодействие между 1-м и j-м узлами-абонентами сети или, иначе, взаимодействие между локальными подсистемами распределенной АСУ ТП путем передачи друг другу массивов данных. Эта задача решается с помощью специальных управляющих программ и правил (протоколов). В соответствии с рекомендацией Международной организации стандартов (ISO) программное обеспечение содержит семь уровней (рис. 1.11) [4, 24, 41], из которых к настоящему времени полностью стандартизированы два нижних (физический и канальные уровни) и частично сетевой. Протоколами называют правила взаимодействия одноименных уровней (слоев) программного обеспечения сети. На рис. 1.12 и 1.13 изображены примеры протоколов соединения близкого и удаленного абонентов ЛУВС, где видно, каким образом реализуются уровни программного обеспечения ЛУВС (см. также рис. 1.9) [24, 41].

Кратко дадим характеристику задач и функций,  выполняемых уровнями программного  обеспечения ЛУВС.

Уровень 7 – прикладной (программы пользователей)  – выдает данные пользователя, которые нужно передать по каналу связи. В функции этого уров

ня входят логическое преобразование данных, вычислительные, информационно-поисковые работы. Уровень 6 – представительный (управление представлением) – осуществляет представление данных в необходимой форме. В функции уровня 6 входят генерация и интерпретация команд взаимодействия программы пользователя и представления данных этой программе. Уровень 5 – сеансовый – осуществляет обеспечение сеансов связи, в том числе осуществление программного интерфейса с транспортным уровнем (организация, поддержание и окончание сеанса связи). Уровень 4 – транспортный –осуществляет управление логическим каналом. В функцию уровня входит организация постоянных или временных логических каналов между процессами  i и j сети (процессом называют совокупность трех верхних уровней 7 6 и 5).

Уровень 3 – сетевой (управление сетью) – осуществляет маршрутизацию пакетов управления коммутационными ресурсами при связи i-ого процесса с несколькими другими процессами j, k, … .

Уровень 2 – канальный (управление  информационным каналом) – осуществляет распознавание кадров, адресованных принимающей станции, их синхронизацию, обнаружение и  исправление ошибок в кадрах, преобразование кодов из параллельного в последовательный и обратно.

Уровень 1 – физический – осуществляет сопряжение с каналом связи. В его функции входят кодирование информации, установление временных характеристик передачи и приема информации, способов генерирования и детектирования синхронизирующих импульсов и т.д.

Более подробно изучение программного обеспечения ЛУВС требует обращения к специальной литературе, например к [4, 41]. Следует отметить, что архитектура программного обеспечения и топология ЛУВС составляют то общее, что характеризует структуру и взаимодействие подсистем в распределенных АСУ ТП. Отсюда вытекает важность стандартизации в области ЛУВС, установление стандартных протоколов всех уровней. В связи с этим кратко охарактеризуем существующие стандарты на локальные вычислительные сети для распределенных АСУ ТП. Стандарты

на магистральные ЛУВС. В СССР практически действуют две спецификации магистралей для распределенных АСУ ТП:

ГОСТ 26139 –84 налокальную вычислительную сеть  для автоматизированных систем управления рассредоточенными объектами;

стандарт СЭВИЛПС (интерфейс линейный последовательный)[21], где доступ к магистрали осуществляется по протоколу с передачей маркера под управлениемцентральной станции илибез централизованногоуправления.

В странах Западной Европы, США, Японии насчитывается несколько десятков различных типов магистральных систем передачи данных. Однако, согласно литературным источникам [4, 24, 41], перспективу принятия в качестве стандартов среди однополосных магистральных систем для АСУ ТП имеют две спецификации: ПРОВЭЙ и IEEE 802.

В 1980 г. Институт инженеров-электротехников и инженеров по электронике (США) сформировал комитет «Проект 802», который начал работу над стандартами локальных вычислительных сетей. Комитет рассмотрел два нижних уровня магистральных сетей со следующими методами доступа: с контролем несущей и разрешением столкновений (802.3), с передачей маркера по магистрали (802.4) и с передачей маркера по кольцу (802.5). Из них только 802.4 пригоден для применения в АСУ ТП.

Для АСУ ТП в настоящее время унифицируется в международном масштабе магистраль передачи данных ПРОВЭЙ, рекомендации по которой подготовлены подкомитетом 65А Международной электротехнической комиссии (МЭК). Рекомендации относятся к нижним уровням функциональной структуры и не касаются трех верхних уровней так называемой «архитектуры взаимодействия открытых систем», предложенной Международной организацией стандартов (ISO). Однако расслоение функциональной структуры не совпадает полностью с расслоением на нижних уровнях архитектуры открытых систем.

Указанные выше стандарты ИЛПС, ГОСТ 26139 –84, ПРОВЭЙ и IEEE 802.4 специфицируют в соответствии с «архитектурой открытых систем» [21] физический, канальный и частично сетевой уровни.

Во всех интерфейсах магистрали устанавливаются характеристики сопряжения между физическими и канальными, между канальными и сетевыми уровнями, а также протоколы канального и сетевого уровней. Протоколы сетевого и транспортного уровня для сетей АСУ ТП еще далеки от стандартизации. Транспортный протокол в большинстве распределенных АСУ ТП совмещается с сетевым.

§ 1.4. ТИПОВОЙ СОСТАВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АСУ ТП

Обобщение в аппаратурном плане типовых структур многоуровневых систем Управления технологическими процессами можно проиллюстрировать схемой взаимодействия уровней (рис. 1.14), в которой используются передача и распределенная обработка данных посредством общих шин [15, 32]. В соответствии со схемой на рис. 1.14 к общей шине 1-го уровня подключаются аппаратные и программно-аппаратные средства, к общей шине 2-го уровня  – программные (на базе микроЭВМ) и общесистемные средства и на 3-м уровне к общей шине подключаются программные средства (СМ ЭВМ, ЕС ЭВМ)..Связь по вертикали (межуровневая связь) осуществляется посредством канала связи типа «моноканал» (коаксиальный или

оптоволоконный кабель).

Состав технических средств такой многоуровневой АСУ ТП включает в себя аппаратные, программно-аппаратные и общесистемные средства, а также УВМ верхнего уровня (семейство СМ ЭВМ). Типовой состав средств перечисленных групп и некоторые технические характеристики приведены ниже [32]:

Состав перечисленных средств в значительной мере можно считать типовым, так как он обусловлен рядом требований, предъявляемых к техническому обеспечению АСУ ТП и составленных на основе накопленного опыта их проектирования, внедрения и эксплуатации [36].

1. 94Укря7 С 69 Рецензенти- О
2. Формирование научного мировоззрения у школьников
3. Изучить техникоэкономические характеристики судов табл.html
4. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ’ 4.html
5. увлечение другим словом не имею права
6. тема Sttus Каркас- Алюминиевый профиль сечением 9535 мм с полимерным порошковым покрытием цвет ~ се
7. Он используется в дебатах по проблемам управления в сфере многостороннего сотрудничества
8. Руїна започаткував Самійло Величко.
9. тема защиты работающих граждан и находящихся на их иждивении членов семей от потери трудового дохода при нас
10. А путем слияния ранее существовавших Европейской организации космических исследований ЭСРО и Европейской
11. Менталитет русской культуры
12. Че Гевара
13. Петербург ул. Литейная д
14. АМАмпер основоположник электродинамики
15.  Концептуальная
16. 51OS000048 в 17 часов 57 минут 30
17. Рождение здорового ребенка
18. 2013 ~ Правоведение Кочерга С
19. Статья Подготовка детей к олимпиаде по окружающему миру Подготовила учитель начальных классов Г
20. 05.1992 займається кікбоксингом з 2008 р

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе