Курс АСУ ТП непрерывных производств. Конспект лекций

Станислав Львович Горобченко, 2021

Этот курс о том, что такое АСУ ТП, как профессионально строятся системы АСУ ТП, как работают системы, и что нужно знать, чтобы работать с ними, включая выбор и применение технических средств автоматизации в непрерывных производствах, в особенности целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике.Курс предназначен для начинающих специалистов и студентов дистанционных курсов "Автоматизированные системы управления технологическими процессами". Задачей модуля является предоставление Вам цельного видения материала на основе конспекта лекций, прочитанных автором по дисциплине "Автоматизированные системы управления технологическими процессами". В пособии Вы увидите системно сжатые материалы, которые помогут в освоении знаний. Это особенно важно, когда Вы уже прошли обучение и теперь Вам нужно подняться над простым знанием того или иного предмета до его полноценного обобщения. Модуль построен на основе технологии сжатия данных, знаниевых материалов и системных (когнитивных) карт памяти.

3. Построение АСУ ТП на базе концепции открытых систем

Общая схема построения АСУ ТП представлена в концепт-карте.

Рис.3.1. Концепт-карта Построение АСУ ТП

3.1. Особенности АСУ ТП

Еще Фридрих Энгельс выделял два рода управления:

— управление вещами (орудиями производства и различными производственными процессами)

— управление людьми

В этом состоит первая особенность АСУ ТП.

Вторая особенность АСУ ТП заключается в том, что она непосредственно соприкасается с технологическим процессом, т.е. является системой самого низкого уровня управления.

Управление технологическим процессом может осуществляться на уровне агрегата, участка, цеха, корпуса производства предприятия, т.е. АСУ ТП могут охватывать различные части технологического процесса. Такое свойство диапазонности является третьей особенностью АСУ ТП.

Четвертой особенностью АСУ ТП является отсутствие жесткой связи АСУ с организационной структурой.

Рис.3.2. Концепт-карта Особенности АСУ ТП

АСУ ТП как сложная система

АСУ ТП относятся к классу сложных систем, которым присущи следующие черты:

— целенаправленность и управляемость системы, т.е. наличие у всех ее элементов общей цели;

— системный характер реализуемых алгоритмов обмена, требующий совместной обработки информации от разных источников;

— сложная иерархическая организация, предусматривающая сочетание централизованного управления сраспределенностью и автономностью функциональных подсистем;

— наличие различных способов обработки информации, самоорганизации и адаптации;

— целостность и сложность поведения отдельных подсистем;

— большое число входящих в систему функциональных подсистем;

— наличие информационных связей между функциональными элементами в подсистемах, а также внешних связей с другими функциональными подсистемами, и широкого спектра дестабилизирующих воздействий, помех и т.п.

Открытая ЛВС и ее свойства

Аппаратно-программную базу АСУ ТП можно рассматривать как особый класс локальных вычислительных систем (ЛВС).

Важнейшими свойствами открытой ЛВС будут:

— мобильность прикладных программ — возможность переноса программ с одной аппаратной платформы на другую с минимальными доработками или даже без них;

— мобильность персонала, т.е. возможность подготовки персонала для работы с системой с минимальнымивременными и трудозатратами;

— четкие условия взаимодействия частей системы и сетей с использованием открытых спецификаций.

3.2. Концепция открытых систем

"Открытая система — это система, которая состоит из компонентов, взаимодействующих друг с другом через стандартные интерфейсы".

"Исчерпывающий и согласованный набор международных стандартов информационных технологий и профилей функциональных стандартов, которые описывают интерфейсы, службы и поддерживающие форматы, чтобы обеспечить интероперабельность и мобильность приложений, данных и персонала". Это определение, данное специалистами IЕЕЕ, подчеркивает аспект среды, которую предоставляет открытая система для ее использования (внешнее описание открытой системы)

Общие свойства открытых систем

Общие свойства открытых систем обычно формируются следующим образом:

— расширяемость (масштабируемость),

— мобильность (переносимость),

— интероперабельность (способность к взаимодействию с другими системами),

— дружественность к пользователю, в т.ч. — легкая управляемость.

Эти свойства, взятые по отдельности, были свойственны и предыдущим поколениям информационных систем и средств вычислительной техники. Новый взгляд на открытые системы определяется тем, что эти черты рассматриваются в совокупности, как взаимосвязанные, и реализуются в комплексе.

Основной принцип открытых систем

состоит в создании среды, включающей программные и аппаратные средства, службы связи, интерфейсы, форматы данных и протоколы, которая в своей основе имеет развивающиеся, доступные и общепризнанные стандарты и обеспечивает переносимость, взаимодействие и масштабируемость приложений и данных.

При их построении применяется архитектурный подход. Под архитектурой будем понимать функциональные, логические, физические принципы организации сети, использующие архитектуру открытых систем (OSI — OpenSystemsInterconnection).

3.3. Работа сети

Работа сети заключается в передаче данных от одного компьютера к другому.

Рис.3.3. Работа сети

Задачи:

-распознавание данных;

— разбиение данных на управляемые блоки;

— добавление информации к каждому блоку, чтобы указать местонахождение данных и получателя;

— добавление информации для синхронизации и проверки ошибок;

— размещение данных в сети и отправка их по заданному адресу.

Сетевые операционные системы

Сетевые операционные системы (ОС) при выполнении всех задач следуют строгому набору процедур.

Процедуры называются протоколами или правилами поведения.

Протоколы регламентируют каждую сетевую операцию.

Протоколы

Процедуры, которым следует операционная система, называются протоколами или правилами поведения. Они позволяют программному и аппаратному обеспечению различных производителей нормально функционировать. Протоколы регламентируют каждую сетевую операцию.

Стандартные протоколы

Стандартные протоколы позволяют программному и аппаратному обеспечению различных производителей нормально функционировать.

Существует два главных набора стандартов:

— OSI

— Project 802

Пример использования протоколов

Рис.3.4. Использование протоколов

История создания протоколов

В феврале 1980 Project 802 установил стандарты для физических компонентов сети — интерфейсных плат и кабельной системы, — с которыми имеют дело Физический и Канальный уровни модели OSI.

В 1984 г. ISO (международная организация стандартов) выпустила эталонную модель взаимодействия открытых систем (OpenSystemInterconnection). Эта версия стала международным стандартом: именно ее спецификации используют производители при разработке сетевых продуктов, именно ее придерживаются при построении сетей.

3.4. Модель OSI

Рис.3.5. Схема модели OSI

Уровни Модели OSI

Уровни отделяются друг от друга границами — интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс. Каждый уровень использует услуги нижележащего уровня.

— На каждом уровне выполняются определенные сетевые функции, которые взаимодействуют с функциями соседних уровней.

— Каждый уровень представляет несколько услуг (операций), подготавливающих данные для доставки по сети на другой компьютер.

— Уровни отделяются друг от друга границами — интерфейсами. Все запросы от одного уровня к другому передаются через интерфейс.

— Каждый уровень использует услуги нижележащего уровня.

Семиуровневая модель взаимодействия OSI (OpenSystemsInterconnection)

Рис.3.6. Семиуровневая модель взаимодействия OSI

Взаимодействие уровней модели OSI

Сетевая модель OSI — OpenSystemsInterconnection модель взаимодействие открытых систем

ISO — InternationalStandardsOrganization

— Модель OSI-ISO справедлива для сетевых решений любых операционных систем.

— Модель OSI — это не программный продукт.

— Модель OSI не участвует в коммуникационном процессе.

Правила, определяемые моделью OSI

— Способ соединения сетевых устройств друг с другом и, если они используют разные языки, способ обмена информацией

— Способы информирования сетевого устройства о том, в какие периоды оно может посылать данные

— Методы, позволяющие убедиться, что переданные по сети данные получены предполагаемым адресатом и получены без искажений

— Топология соединения физических средств передачи сигналов

— Методы, позволяющие убедиться, что сетевые устройства поддерживают корректную скорость передачи данных

— Способ представления данных в сетевом носителе

3.5. Взаимодействие уровней модели OSI

7 уровней модели ISO-OSI

— Уровень приложений (уровень 7);

— Уровень представления данных;

— Сеансовый уровень;

— Транспортный уровень;

— Сетевой уровень;

— Канальный уровень;

— Физический уровень (уровень 1).

Стеки протоколов

— Если для реализации взаимодействия требуется больше одного протокола, протоколы объединяются в стек.

— Стек — это группа организованных по вертикали протоколов, которая осуществляет весь коммуникационный процесс.

— С каждым уровнем модели OSI связан свой протокол.

— Уровень N обслуживается уровнем, находящимся под ним (N-1), и обслуживает уровень, находящийся над ним (N+1).

— Для осуществления связи между двумя компьютерами на них должны стоять одинаковые стеки протоколов.

Взаимодействие стеков протоколов

Каждый уровень стека протоколов на одном компьютере сообщается с подобным уровнем (или партнером) на другом. Взаимодействовать могут даже компьютеры с разными операционными системами, если они используют одинаковые стеки протоколов.

Рис. 3.7. Каждый уровень сообщается со своим аналогом на другом узле сети

Рис. 3.8. Когда пакеты проходят вверх и вниз по стекам, каждый уровень добавляет или удаляет соответствующую управляющую информацию

Когда сообщение спускается вниз по первому стеку, на каждом уровне этого стека (кроме канального уровня) добавляется заголовок. Заголовки содержат управляющую информацию, которая считывается и обрабатывается соответствующим уровнем стека получателя. При переходе вверх по стеку принимающего компьютера добавленные заголовки удаляются соответствующими уровнями, которые используют полученную информацию, чтобы определить, как поступить с содержимым сообщения

Физический уровень

Физический уровень отвечает за все элементы фактического соединения между компьютером и сетевым носителем, в том числе:

— Типы сетевых соединений, включая многоточечные и двухточечные

— Физическую топологию сети (например, шинную, звездообразную или кольцевую)

— Методы аналоговой и цифровой передачи сигналов, используемые для кодирования данных в аналоговых и цифровых сигналах

— Синхронизацию бит, благодаря которой отправитель и получатель синхронизируются во время чтения и записи данных

— Мультиплексирование, т.е. процесс объединения нескольких каналов данных в один

— Согласование нагрузки линии, которое предотвращает отражение сигналов по кабелю, приводящее к искажению сигналов и пакетов.

Рис. 3.9. Физический уровень создает физическую цепь для передачи электрических, оптических или радиосигналов

Канальный уровень

Канальный уровень обеспечивает передачу потока данных по одному физическому каналу от одного устройства к другому. Он принимает пакеты от сетевого уровня и упаковывает эту информацию в единицы данных, называемые кадрами; кадры направляются на физический уровень для передачи. Канальный уровень добавляет передаваемым данным управляющую информацию, а именно: тип кадра, сведения о маршрутизации и сегментации. Канальный уровень отвечает также за устранение ошибок во время передачи кадров от одного компьютера к другому, выявляет потерю кадров и может запросить их повторную отправку.

Рис. 3.10. Уровень канала передачи данных устанавливает соединение между двумя устройствами, обеспечивая передачу данных без ошибок

Сетевой уровень

Сетевой уровень отвечает за перемещение пакетов между устройствами, находящимися на расстоянии, превышающем одно прямое соединение. Он определяет маршрут и направляет пакеты так, чтобы они дошли до предполагаемого получателя. Сетевой уровень позволяет транспортному и более высоким уровням отправлять пакеты, не заботясь о том, находится ли оконечная система на том же кабеле или на другом конце глобальной сети.

Рис. 3.11. Сетевой уровень перемещает пакеты по каналам и получателям

Транспортный уровень

Транспортный уровень отвечает за безошибочную передачу данных в нужной последовательности, без потерь и повторов. Кроме того, этот уровень разбивает большие сообщения, поступающие с сеансового уровня, на меньшие пакеты для отправки к получателю и собирает пакеты в сообщения, предоставляемые с сетевого уровня. Обычно транспортный уровень посылает отправителю подтверждение о получении сообщений.

Рис.3.12. Транспортный уровень обеспечивает сквозную передачу с гарантированной целостностью данных и производительностью.

Наиболее распространенные протоколы транспортного уровня:

— TCP — протокол управления передачей

— NCP — NetwareCoreProtocol

— SPX — упорядоченный обмен пакетами

— TP4 — протокол передачи класса 4

Сеансовый уровень

Сеансовый уровень разрешает приложениям на разных компьютерах совместно использовать соединение, называемое сеансом. Этот уровень предоставляет такие услуги, как просмотр имен и защиту, чтобы две программы могли найти друг друга и установить соединение. Сеансовый уровень обеспечивает также синхронизацию данных и сохранение состояния процесса в контрольных точках, чтобы при сбое сети в повторной отправке нуждались только те данные, которые были посланы после сбоя. Кроме того, этот уровень управляет диалогом между двумя процессами и определяет, кто может передавать (или принимать) данные в конкретный момент.

Рис.3.13. Сеансовый уровень

Уровень представления данных

Уровень представления данных преобразует данные из формата сети в формат, который ожидает пользовательская программа. Этот уровень осуществляет: преобразование протоколов; преобразование данных, уплотнение и шифрование; преобразование наборов символов и интерпретацию команд графики.

Прикладной уровень

На прикладном уровне работают приложения, использующие нижние уровни для реализации своих задач.

Рис. 3.14. Прикладной уровень

Именно на прикладном уровне работают приложения, использующие нижние уровни для реализации своих задач

Рис.3.15. Привязка архитектур

Привязка позволяет с достаточной гибкостью настраивать сеть, то есть сочетать протоколы и платы сетевых адаптеров, как того требует ситуация. Например, два стека протоколов IPX/SPX могут быть привязаны к одной плате СА. Если на компьютере более одной платы СА, то стек протоколов (СП) может быть привязан как к одной, так и нескольким платам СА. Порядок привязки определяет очередность, с которой ОС выполняет протоколы. Если с одной платой СА связано несколько протоколов, то порядок привязки определяет очередность, с которой будут использоваться протоколы при попытках установить соединение. Обычно привязку выполняют при установке ОС или протокола. Например, если TCP/IP первый протокол в списке привязки, то именно он будет использоваться, при попытке установить связь. Если попытка неудачна, компьютер попытается установить соединение, используя следующий по порядку протокол в списке привязки.

Рис. 3.16. Схема работы протоколов