Понятие открытых систем

ПОНЯТИЕ ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ

     Одна из важнейших проблем,  возникающих в АСУ ТП, при автоматизации  измерений и в других областях, заключается в резком увеличении  стоимости системы с ростом  ее сложности. Объективная причина  этого явления состоит в том,  что сложные системы часто  изготавливаются в единичных  экземплярах, а это не позволяет  сделать их дешевыми.

     Распространенный метод решения  указанной проблемы состоит в  делении системы на модули таким образом, чтобы каждый из них становился коммерчески эффективным изделием и мог изготавливаться несколькими конкурирующими производителями в больших количествах. Однако при этом возникает проблема аппаратной и программной совместимости модулей. Для достижения совместимости интерфейс, конструктив и выполняемые функции таких модулей должны быть стандартизованы.

     Открытой называется модульная система, которая допускает замену любого модуля на аналогичный модуль другого производителя, имеющийся в свободной продаже по конкурентоспособным ценам, а интеграция системы с другими системами (в том числе с пользователем) выполняется без преодоления чрезмерных проблем.

     Открытость можно рассматривать  на разных уровнях иерархии  программного и аппаратного обеспечения  системы или ее составных частей. Открытыми, например, могут быть:

• физические интерфейсы, протоколы обмена, методы контроля ошибок, системы адресации, форматы данных, типы организации сети, интерфейсы между программами, диапазоны изменения аналоговых сигналов;
• пользовательские интерфейсы, языки программирования контроллеров, управляющие команды модулей ввода-вывода, языки управления базами данных, операционные системы, средства связи аппаратуры с программным обеспечением;
• конструкционные элементы (шкафы, стойки, корпуса, разъемы, крепежные элементы);
• системы, включающие в себя перечисленные выше элементы.

     Под открытостью системы иногда  понимают ее соответствие современным  промышленным стандартам, которое  обеспечивает возможность интеграции  с другими открытыми системами.  Однако понятие открытости нужно  трактовать шире: оно должно подразумевать,  что система не только удовлетворяет  стандартам, но стандарт является  общепризнанным, а в свободной продаже имеются аналогичные системы других производителей по конкурентоспособным ценам.

     Как следует из определения,  необходимыми условиями открытости  являются:

• модульность;
• соответствие стандартам (необязательно официальным, но обязательно общепринятым и легко доступным по цене, компенсирующей только затраты на его разработку, поддержку и распространение);
• наличие в свободной продаже аналогичных систем других производителей (подсистем, модулей) по конкурентоспособным ценам.

     Требование модульности вытекает  из требования возможности замены  части системы аналогичными изделиями  других производителей. Для этого  система должна состоять из  модулей. Соответствие стандартам  необходимо для обеспечения совместимости.  Наличие в свободной продаже  и конкурентоспособность цен  являются требованиями, вытекающими  из практического аспекта: без  выполнения этого условия открытая  система может существовать только "на бумаге".

     Понятие открытости достаточно  многогранно и не стандартизовано.  Поэтому практически можно говорить  только о степени открытости системы, указывая, что именно понимается под открытостью в каждом конкретном случае. Степень открытости можно оценить количеством реализованных признаков открытости.

     Для SCADA системы признаками открытости являются совместимость со стандартом ОРС, совместимость с широко доступными компьютерами с различными операционными системами (желательно), совместимость с ActiveX, COM и DLL компонентами других производителей, поддержка языков стандарта МЭК 61131-3, наличие встроенного стандартного алгоритмического языка (например, Visual Basic) для реализации функций, которые невозможно реализовать другими средствами SCADA-пакета, возможность работы как с малым, так и большим количеством тегов без необходимости переобучения обслуживающего персонала, возможность применения веб-браузера в качестве пользовательского интерфейса для увеличения количества подключаемых рабочих станций, наличие пользовательского интерфейса, аналогичного интерфейсам других производителей, совместимость со стандартными базами данных и другими приложениями (например, Microsoft Office), расположенными на любых компьютерах сети.

     Идеальным примером открытой  системы является современный  офисный компьютер. Огромное число  производителей в разных странах  изготавливают множество аппаратных  и программных компонентов, которые  можно собрать в единую систему,  заменить один компонент на  другой, нарастить функциональные  возможности. Любой компонент  можно найти по достаточно  низкой цене; отсутствуют производители,  которые могли бы диктовать  монопольные цены.

     Понятие открытости не подразумевает  открытость программного кода, как, например, в ОС Linux, хотя открытость кода позволяет добавлять в систему модули других производителей, что является признаком открытости. Однако открытость исходного кода существенно снижает надежность системы вследствие потенциальной возможности появления в ней дополнительных ошибок, внесенных во время модификации и компиляции. Поэтому открытость программного кода является спорным признаком открытости системы.

     Разновидностью и предельным  случаем открытых систем являются  системы, удовлетворяющие идеологии  "Plug&Play" ("вставил - и заиграло"), когда вообще не требуется усилий для конфигурирования или настройки модулей после их подключения или замены на модули других производителей. Идеология "Plug&Play" существенно снижает требования к квалификации системных интеграторов, сокращает срок ввода системы в эксплуатацию, а также издержки потребителей на техническую поддержку и эксплуатацию.

     Открытые системы обладают следующими положительными свойствами благодаря которым системные интеграторы проявляют к ним большой интерес:

• модульность;
• платформенная независимость;
• взаимозаменяемость с компонентами других производителей;
• интероперабельность (возможность совместной работы) с компонентами других производителей;
• масштабируемость.

     К системам с открытой архитектурой предъявляют также общепринятые требования: экономичности, безопасности, надежности, грубости (робастности), простоты обслуживания и соответствия условиям эксплуатации, способности к самодиагностике и наличию рекомендаций по ремонту. Система должна обеспечивать максимальное время работы без сбоя и отказа, а также минимальное время, необходимое для выполнения технического обслуживания или ремонта.

     Модульность - это способность аппаратного или программного обеспечения к модификации путем добавления, удаления или замены отдельных модулей (компонентов системы) без воздействия на оставшуюся ее часть. Модульность обеспечивается при проектировании системы на архитектурном уровне. Базой для построения модульного программного обеспечения является объектно-ориентированное программирование.

     Возможность выполнения программ на разных аппаратно-программных платформах обеспечивает независимость от поставщика этих платформ и дает следующие преимущества:

• расширение выбора оборудования путем увеличения числа поставщиков;
• независимость от поставщика аппаратного и программного обеспечения.

     Отсутствие этих свойств приводит к тому, что система, зависящая от одного производителя, прекращает свое развитие в случаях, когда фирма-производитель внезапно уходит с рынка, увеличивает стоимость продукта или снимает его с производства.

     Применение ОС Windows является одним из путей повышения открытости систем, поскольку эта операционная система может быть установлена на максимальное число типов производимых компьютеров. В данном случае монополия фирмы Microsoft компенсируется ее размерами и стабильностью.

     Важным шагом на пути обеспечения платформенной независимости явилось применение интранет-технологий в автоматизации, когда передача информации к рабочей станции осуществляется с помощью языка xml, а ее представление пользователю выполняется с помощью любого веб-браузера. Веб-браузер позволяет в качестве рабочей станции АСУ ТП использовать компьютер и операционную систему любого производителя из имеющихся в свободной продаже.

     Взаимозаменяемость - это возможность замены любого модуля (компонента) системы на аналогичный компонент другого производителя, имеющийся в свободной продаже, и возможность обратной замены. Это свойство позволяет ускорить замену отказавшего модуля, улучшить качество уже работающей системы, исключить ценовую зависимость от поставщика.

     Интероперабельность - это способность открытых систем использовать программы, выполняющиеся одновременно на различных платформах в общей сети, с возможностью обмена информацией между ними. Иначе говоря, программные компоненты системы, расположенные на разных аппаратных платформах в общей сети, должны быть способны работать как часть единой системы. Интероперабельность трудно достижима, но она обеспечивает возможность выбора аппаратных и программных средств из огромного разнообразия, представленного на рынке, вместо ограниченного выбора компонентов монопольного производителя закрытой системы.

     Масштабируемость - это возможность применения одного и того же аппаратного и программного обеспечения (баз данных, пользовательских интерфейсов, средств коммуникации) для систем разного размера (больших и малых). Для обеспечения масштабируемости достаточно, чтобы программное обеспечение больших и малых систем было совместимо по операторскому интерфейсу, языкам программирования, а также интерфейсу с аппаратными средствами и не требовало дополнительного обучения персонала. Масштабируемая система должна обеспечивать возможность простого наращивания функциональных возможностей и размеров путем включения новых компонентов как в аппаратную, так и программную часть системы без модификации старых, опробованных программных и аппаратных модулей.

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

     Открытые системы должны иметь стандартный пользовательский интерфейс, чтобы выполнить требование о возможности интеграции с другими системами. Стандартизация пользовательского интерфейса снимает необходимость обучения операторов при переходе от одной открытой системы к другой.

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

     Основным преимуществом систем с открытой архитектурой является низкая стоимость их жизненного цикла. Жизненный цикл АСУ ТП состоит из следующих фаз:

• разработка концепции и эскизное проектирование;
• проектирование и изготовление системы;
• монтаж и пуско-наладка;
• эксплуатация системы;
• обслуживание;
• реконфигурация, модернизация, разборка, утилизация.

Выгодой от применения открытых систем являются:

• пониженные вложения на проектирование системы и предпроектные изыскания - благодаря наличию на рынке большого выбора готовых компонентов открытых систем. Особенно большой экономический эффект достигается при создании крупных систем в единичных экземплярах. В этом случае экономия пропорциональна размеру системы;
• упрощение процесса интеграции - открытость подразумевает возможность простой интеграции разнородных систем;
• экономия финансовых средств - благодаря низкой стоимости жизненного цикла (в основном вследствие конкуренции независимых производителей и отсутствия диктата цен монопольным поставщиком);
• увеличенное время безотказной работы - благодаря выбору наиболее надежных модулей из имеющихся на рынке;
• минимизированное время вынужденного простоя - благодаря большому выбору взаимозаменяемых модулей всегда можно найти поставщика, имеющего нужные модули на складе;
• минимальные усилия на ввод в действие как аппаратуры, так и программного обеспечения - благодаря устранению времени на дополнительное обучение как монтажной организации, так и эксплуатирующего персонала;
• простое изменение конфигурации системы для работы с новыми технологическими процессами - вытекает из свойств модульности и расширяемости открытых систем;
• минимальный объем дополнительного обучения персонала и, как следствие, простота обслуживания;
• применение новейших технологий и технических решений - благодаря широкому выбору наилучших решений и специализации производителей;
• увеличение времени жизни системы - благодаря взаимозаменяемости отработавшего ресурс и нового оборудования, а также возможности наращивания функциональных возможностей.