Методы и модели контроля работоспособности распределенных автоматизированных систем управления производством

    Технологическая сеть представляет собой распределенную систему, в которой имеется сервер и набор пользователей или  рабочих станций, объединенных различными линиями связи. Одна из важнейших задач – коммутация различных сообщений, выполняемая сервером для передачи данных из внешней сети в технологическую сеть и обратно и внутри сети.

    Рассмотрим  пример современной вычислительной сети (рис. 3).

    На  рис. 3 сегменты А являются низшими звеньями, к которым подключены рабочие станции. Средними звеньями можно назвать сегменты B – подключения концентраторов низшего звена к серверу либо к концентраторам с большими пропускными способностями для крупных предприятий (подключение потоков B1 и B2 к 3 концентратору). В настоящий момент соединения выполняются на кабелях на витой паре. Однако при больших размерах зданий длина линий уровней B может достигать нескольких сотен метров, что может привести к существенному снижению уровня сигнала и передаваемых скоростей. 

    

    Рис. 3. Примерная структура топологии современной ЛВС. 

    Связи на уровне С представляют собой соединения между серверами сети и серверами провайдера услуг связи. На данном звене необходимо обеспечить высокие скорости обмена, да и расстояния между серверами могут достигать нескольких километров. В качестве физических линий связи могут использоваться оптоволоконные линии.

    Рассматриваемые АСУП представляют собой сложные многоуровневые системы, которые включают в себя большое количество разнородных объектов, объединенных с помощью разветвленных взаимно переплетающихся связей с целью реализации планово-производственных задач, а также различных алгоритмов автоматического контроля, управления и регулирования.

    Организация процесса обработки информации, циркулирующей в подобных системах, выработка на их основе рациональных команд управления в интересах достижения поставленной цели, выбор наилучших режимов функционирования всех элементов и системы в целом может быть реализована только с помощью современных ЭВМ с развитым математическим обеспечением, объединенных в локальную вычислительную систему.

    Распределенная  АСУП в общем случае является многоуровневым промышленным производством, построенным на основе иерархической структуры и системного подхода. В структуре построения АСУП необходимо выделять три и более уровней, которые отличаются производственными задачами и методами организации сетей. Первый низший уровень – устройства жизнеобеспечения всех управленческих, промышленных и производственных зданий и сооружений.

    Второй  уровень - это различные автоматизированные производства с машинами и механизмами, с управляющими вычислительными комплексами (УВК), промышленными контроллерами (ПК), оборудованием, складами и транспортными средствами.

    Третий  уровень предназначен для создания технологических и управленческих структур, способных обеспечить оптимизацию производства и его надёжность.

    Четвертый уровень – это планирование производства, доставка сырья и материалов и автоматизированное управление строительным производством в целом.

    Рассмотрение  существующих в настоящее время  структур АСУП распределенного типа показывает, что в целях повышения надежности необходимо включить в состав их задач централизованный контроль систем жизнеобеспечения. Задачи разработки таких систем исследованы на примере распределенного автоматизированного строительного производства.

    Целесообразно использовать многоуровневую распределенную структуру АСУП: на верхних уровнях обеспечиваются задачи планирования и организации производства; на нижних уровнях решаются задачи АСУТП.

    Представлены  предлагаемые структурные схемы  распределенных АСУП, в которых информационные и управляющие связи верхних  уровней реализованы в стандартных корпоративных сетях, в том числе и связь с ЭВМ АСУТП. На нижних уровня системы организуется распределенная АСУТП, в которой процессы обмена информацией в системе и реализация алгоритмов управления и производства обеспечиваются ЭВМ АСУТП через микропроцессорные системы управления и специальную технологическую сеть.

    На  основе исследования разработанных  распределенных структур сформулированы требования к системам контроля работоспособности и диагностики при выполнении пусконаладочных работ АСУП, а также в процессе эксплуатации.

    В главе второй рассматривается организация связи в многоуровневой АСУП.

    В соответствии с требованиями к структуре  АСУП рассмотренными в первой главе  примем за основу многоуровневую организацию, условно представленную на рис. 4. 

    

    Рис 4. Многоуровневая структура АСУП

    Как следует из рис. 4 на верхнем уровне системы располагаются объекты, связанные посредством корпоративной сети и решающие задачи АСУП.  

    

    Рис 5. Подключение групп промышленных зданий и сооружений к корпоративной сети

    На  рис. 5 представлена структура распределенной корпоративной сети, за основу которой принят стандарт Ethernet. При этом множество зданий и промышленных сооружений, входящих в состав распределенной АСУП, разделяются на достаточно большие сегменты, которые объединяются по территориальному принципу. Каждый такой сегмент объединяется внутри некоторой локальной подсетью и через машрутизаторы присоединяется в единую корпоративную сеть. Функция маршрутизаторов состоит в формировании трафика при передаче информации между сегментами корпоративной сети.

    При рассмотрении общей организации сетей на уровне АСУТП на нижних уровнях реализуются основные задачи АСУТП и создается технологическая сеть. В технологическую сеть с верхнего уровня АСУП поступают плановые и производственные задания, на основе которых организуется функционирование системы, которая объединяется специальной технологической сетью (ТС). В соответствие с планами и производственными заданиями формируются характеристики для реализации различных производственных процессов. Для обеспечения управленческих и контрольных связей при передаче информации в технологической сети используются разнообразные сетевые протоколы.

    Системы жизнеобеспечения до настоящего времени  управлялись с помощью местных средств регулирования и контроля, в том числе и вручную. Для автоматизации процесса необходимо включить в технологическую сеть задачи контроля работоспособности и управления системами жизнеобеспечения всех зданий и производственных сооружений, входящих в состав АСУП и АСУТП.

    Организация технологической сети отличается тем, что она должна разделяться на подсети, каждая из которых обслуживает территориально удаленные производственные, строительные объекты, склады строительных материалов и т. д. В связи с этим необходимо использовать сетевые протоколы, которые позволили бы организовать сеть с разделенной структурой. Рассмотрим существующие типы сетей, которые позволили бы организовать распределенную технологическую сеть с множеством подсетей. Каждая подсеть обслуживает определенный строительный объект с принадлежащими ему производственными установками, строящимися зданиями, складами строительных материалов и т. д.

    Для логической разбивки сетей появился стандарт Vlan. VLAN (Virtual Local Area Network) — группа устройств, имеющих возможность взаимодействовать между собой напрямую на канальном уровне, хотя физически при этом они могут быть подключены к разным сетевым коммутаторам. И наоборот, устройства, находящиеся в разных VLAN, невидимы друг для друга на канальном уровне, даже если они подключены к одному коммутатору, и связь между этими устройствами возможна только на сетевом и более высоких уровнях. В современных сетях VLAN — главный механизм для создания логической топологии сети, не зависящей от её физической топологии. Использование логических сетей этого типа приводит к сокращению широковещательного трафика, уменьшению количества абонентов и повышению безопасности сети.

    Кроме того, в связи с повсеместной глобализацией появилась задача подключения к сети абонентов, которые через глобальную сеть Интернет попадали бы к любому объекту многоуровневой сети. Для этого был создан стандарт VPN (Virtual Private Network) - виртуальная частная сеть, обобщённое название технологий, позволяющих обеспечить одно или несколько сетевых соединений (логическую сеть) поверх другой сети (например, Интернет). Несмотря на осуществление коммуникации по сетям с меньшим и неизвестным уровнем доверия, уровень доверия к построенной логической сети не зависит от уровня доверия к базовым сетям благодаря использованию средств криптографии (шифрования, аутентификации, инфраструктуры открытых ключей, средств для защиты от повторов и изменений передаваемых по логической сети сообщений). В зависимости от применяемых протоколов и назначения, VPN может обеспечивать соединения трёх видов: узел-узел, узел-сеть и сеть-сеть.

    Протокол связи технологической сети SNMP.

    Рассмотренные выше различные типы сетей обслуживаются  с помощью специального протокола  для диагностики и управления сетями передачи данных. В частности, был разработан протокол простого управления сетями — SNMP.

    Архитектура SNMP представляет собой систему управляющих  станций и сетевых агентов. На управляющих станциях выполняются  приложения, осуществляющие мониторинг сетевых агентов. В качестве сетевых  агентов могут быть использованы инженерные устройства (различные датчики, исполнительные механизмы, индикаторы).

    Сетевые агенты - это устройства, отвечающие на запросы управляющих станций и оснащенные необходимыми для этого средствами. Протокол SNMP осуществляет передачу управляющей информации между описанными сетевыми агентами.

    В качестве агента рассмотрим устройство, к которому подключен ряд агрегатов, генерирующих информацию и получающих параметры управления. Устройство имеет программное обеспечение, сохраняющее преобразованную в определённый код информацию с датчиков, а также программное обеспечение, осуществляющее работу протокола SNMP. Мониторинг и управление данным агентом можно свести к следующим основным процедурам:

• Мониторинг. Агент формирует пакет информирования и отсылает управляющей станции параметры, либо управляющая станция запрашивает параметры и агент передаёт их.
• Управление. Управляющая станция передаёт агенту параметры и их значения, агент обновляет значения, откуда данные параметры поступают к агрегатам (для работы узла в соответствие с текущими потребностями).

    

Программный анализатор протоколов

 

    

    Рис. 6. Анализатор протокола SNMP 

    Анализатор  протоколов представляет собой, как  правило, выделенный компьютер, содержащий систему контроля процессов обмена (сетевой адаптер), память, программный анализатор, декодирующий сообщения, и процессор для управления.

    Как следует из рисунка 6 на основе анализа  протоколов сообщение, поступившее с верхнего уровня системы от ЭВМ АСУП, направляется либо на технологические установки и далее к исполнительным механизмам, или на систему жизнеобеспечения.

    Программный анализатор выполняет анализ сообщений  в процессе обмена и может обнаруживать некоторые стандартные ошибки.

    Как показывает опыт, после окончания  пуско-наладочных работ остается некоторое количество неисправностей, носящих случайный характер, причем некоторые сбои могут возникать достаточно редко, что создает существенные трудности для их поиска и дальнейшего исправления программного обеспечения, т.к. зачастую система, находящаяся в коммерческой эксплуатации, сложно диагностируема, то исправления делаются вручную при остановке системы.

    Регулирование технологических процессов. 

    

    Рис 7. Схема регулирования на нижнем уровне ТС. 

    На  рис. 7 изображена детализированная структура  нижнего уровня системы мониторинга и контроля. Основным устройством является микропроцессорный контроллер, который подключен к технологической сети АСУП, передает информацию о состоянии устройств жизнеобеспечения, а также может выполнять по командам с верхнего уровня различные процедуры контроля и управления. На рисунке представлены датчики технологических параметров и аналого-цифровые преобразователи, цифровые регуляторы.

    Поскольку технологическая информация в сети является цифровой, то в системе  используются только многоканальные цифровые регуляторы. Функционирование регуляторов описывается формулой, представляющей собой зависимость управляющего воздействия по некоторому i-тому каналу по ПИ-закону регулирования. Реализация многоканального цифрового регулирования осуществляется в МП-контроллере (рис. 7).

     при nT < t < (n+1)T,