Конфигурации АСУ ТП

Основные конфигурации, в которых реализуются АСУ ТП, следующие: Основные конфигурации, в которых реализуются АСУ ТП, следующие: 1. Централизованная; 2. Функционально-распределенная; 3. Пространственно-распределенная. 4. Распределенная на основе локальных управляющих вычислительных сетей (ЛУВС); Рассмотрим их подробнее. Рассмотрим их подробнее.

Централизованная конфигурация Централизованная система – система, в которой все устройства и все функции, выполняемые этой системой, сосредоточены в одном узле и могут выполняться только до тех пор, пока центральный элемент находится в рабочем состоянии. Централизованная система – система, в которой все устройства и все функции, выполняемые этой системой, сосредоточены в одном узле и могут выполняться только до тех пор, пока центральный элемент находится в рабочем состоянии. Конструктивная централизация – все элементы объединены в одном корпусе. Конструктивная централизация – все элементы объединены в одном корпусе. На рисунке УОИ – устройство отображения информации; УУ – устройство управления, возможно, УВМ (семейство СМ); УСО – устройство сопряжения с объектом. На рисунке УОИ – устройство отображения информации; УУ – устройство управления, возможно, УВМ (семейство СМ); УСО – устройство сопряжения с объектом.

Централизованная конфигурация

Функциональные возможности системы определяются на этапе заказа путем выделения в каталоге или указания необходимых в последующем функций, на этапе параметрирования путем активации различных программных параметров, блоков и схем. Функциональные возможности системы определяются на этапе заказа путем выделения в каталоге или указания необходимых в последующем функций, на этапе параметрирования путем активации различных программных параметров, блоков и схем. Важным фактором централизованной системы является протяженность линий связи: соединительные каналы могут быть до нескольких сотен км, соответственно, стоимость соединительных каналов будет составлять более 60 %. Важным фактором централизованной системы является протяженность линий связи: соединительные каналы могут быть до нескольких сотен км, соответственно, стоимость соединительных каналов будет составлять более 60 %. Может использоваться для объекта с небольшим количеством сигналов. Может использоваться для объекта с небольшим количеством сигналов.

Централизованная конфигурация Существуют ограничения на использование централизованной системы: Существуют ограничения на использование централизованной системы: - по количеству внешних сигналов; - по количеству внешних сигналов; - по быстродействию; - по быстродействию; - по объему памяти; - по объему памяти; - по количеству функций; - по количеству функций; - по удаленности от ТП. - по удаленности от ТП. Недостатки: протяженность соединительных линий; низкая надежность; высокие цены; низкое быстродействие. Недостатки: протяженность соединительных линий; низкая надежность; высокие цены; низкое быстродействие.

Функционально-распределенная конфигурация Функционально-распределенная система – система, в которой все технические средства построены по централизованному принципу (конструктивно располагаются в одном месте), а выполняемые системой функции распределены внутри устройства управления между автономными модулями. Каждый модуль имеет собственные средства для программирования и для выполнения задач, на которых специализируются данные модули. Функционально-распределенная система – система, в которой все технические средства построены по централизованному принципу (конструктивно располагаются в одном месте), а выполняемые системой функции распределены внутри устройства управления между автономными модулями. Каждый модуль имеет собственные средства для программирования и для выполнения задач, на которых специализируются данные модули. На рисунке: ЛУ – логическое управление; О – отображение; К – коммуникация; Д – диагностика и др. На рисунке: ЛУ – логическое управление; О – отображение; К – коммуникация; Д – диагностика и др.

Функционально-распределенная конфигурация

По такой схеме развивались программные логические контроллеры (ПЛК). По такой схеме развивались программные логические контроллеры (ПЛК). Есть возможность подключить к контроллеру всевозможные устройства, предназначенные для выполнения различных функций Есть возможность подключить к контроллеру всевозможные устройства, предназначенные для выполнения различных функций Коммуникационный процессор – устройство, которое обеспечивает обмен информацией между ЦПУ и внешними устройствами. Коммуникационный процессор – устройство, которое обеспечивает обмен информацией между ЦПУ и внешними устройствами. Модули интеллектуальной периферии – специализируются на самостоятельном, автономном выполнении часто встречающихся задач управления и обработки сигналов. Модули интеллектуальной периферии – специализируются на самостоятельном, автономном выполнении часто встречающихся задач управления и обработки сигналов.

Функционально-распределенная конфигурация Наиболее распространены модули регулирования, которые имеют специальные входы/выходы для ввода/вывода аналоговых сигналов; модули обработки сигналов – для управления двигателями; модули быстрой обработки сигналов – для обработки сигналов АЦП; модули расширения – модули, позволяющие подключить к основному устройству дополнительные конструктивы, содержащие только набор периферийных устройств. Наиболее распространены модули регулирования, которые имеют специальные входы/выходы для ввода/вывода аналоговых сигналов; модули обработки сигналов – для управления двигателями; модули быстрой обработки сигналов – для обработки сигналов АЦП; модули расширения – модули, позволяющие подключить к основному устройству дополнительные конструктивы, содержащие только набор периферийных устройств. Отметим схожесть с централизованными системами: все устройства конструктивно находятся в одном и том же месте. Отметим схожесть с централизованными системами: все устройства конструктивно находятся в одном и том же месте.

Пространственно-распределенная конфигурация Пространственно распределенная система – система, которая предназначена для сокращения соединительных линий между местом расположения датчиков и используемых органов и местом расположения периферийных устройств. Это такая система, в которой все функции выполняются централизованно, а сбор информации или связь технологических процессов осуществляется при помощи удаленных периферийных устройств, расположенных в непосредственной близости от датчиков и исполнительных механизмов. Пространственно распределенная система – система, которая предназначена для сокращения соединительных линий между местом расположения датчиков и используемых органов и местом расположения периферийных устройств. Это такая система, в которой все функции выполняются централизованно, а сбор информации или связь технологических процессов осуществляется при помощи удаленных периферийных устройств, расположенных в непосредственной близости от датчиков и исполнительных механизмов.

Пространственно-распределенная конфигурация На рисунке: УУСО - удаленное УСО, имеет только периферийные модули ввода/вывода информации о части ТП (ЧТП). Все функции управления выполняются ЦУУ – центр управления устройством. На рисунке: УУСО - удаленное УСО, имеет только периферийные модули ввода/вывода информации о части ТП (ЧТП). Все функции управления выполняются ЦУУ – центр управления устройством. Отметим схожесть с функционально- распределенными системами: все функции выполняются в одном и том же месте. Отметим схожесть с функционально- распределенными системами: все функции выполняются в одном и том же месте.

Пространственно-распределенная конфигурация

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Локальная управляющая вычислительная сеть (ЛУВС) – это среда для подключения небольшого количества участников, в которой: Локальная управляющая вычислительная сеть (ЛУВС) – это среда для подключения небольшого количества участников, в которой: не требуется высокая скорость передачи данных, не требуется высокая скорость передачи данных, объем передаваемых данных невелик, объем передаваемых данных невелик, время актуализации данных невелико, время актуализации данных невелико, мал пространственный охват, и мал пространственный охват, и содержатся устройства одного производителя, содержащие весь необходимый набор средств для подключения к сети и организации обмена данными. содержатся устройства одного производителя, содержащие весь необходимый набор средств для подключения к сети и организации обмена данными.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Вспомним кратко разновидности сред передачи данных, виды топологий сетей, методы доступа к сети и способы передачи данных. Вспомним кратко разновидности сред передачи данных, виды топологий сетей, методы доступа к сети и способы передачи данных. Среды передачи данных Среды передачи данных Витая пара. Двужильная, обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит/с, дальность передачи данных – до 1 км, но скорость при такой дальности не превысит 100 кБит/с. Весьма подвержена помехам. Витая пара. Двужильная, обеспечивает скорость передачи данных до 1 Мбит/с, дальность передачи данных – до 1 км, но скорость при такой дальности не превысит 100 кБит/с. Весьма подвержена помехам. Коаксиальный кабель. Одножильный, с экраном в виде оплетки. Скорость передачи данных – до 10 Мбит/с, дальность – та же, при отсутствии спаек, помехозащищенность много выше. Для подключения устройств к сети требуются специальные коннекторы. Коаксиальный кабель. Одножильный, с экраном в виде оплетки. Скорость передачи данных – до 10 Мбит/с, дальность – та же, при отсутствии спаек, помехозащищенность много выше. Для подключения устройств к сети требуются специальные коннекторы.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Экранированная витая пара. Восьмижильная, скорость передачи данных – до 1 Гбит/с при дальности не более 100 м и хорошем качестве монтажа. Для подключения устройств к сети - коннекторы RJ45. Экранированная витая пара. Восьмижильная, скорость передачи данных – до 1 Гбит/с при дальности не более 100 м и хорошем качестве монтажа. Для подключения устройств к сети - коннекторы RJ45. Оптоволокно. Одно- и многомодовое оптоволокно может выполняться из стекла и пластика. Мода - возможность передачи по нескольким каналам с разной длиной волны, скорость передачи данных – до 10 Гбит/с, дальность - до 100 км. Высочайшая помехозащищенность, но чувствительность к давлению. Полная гальваническая развязка, отсутствие возможности прослушивания. Большая стоимость и сложность монтажа (требуются специальные сварочные аппараты), специальные устройства для разветвления и подключения. Имеются ограничения по топологии. Оптоволокно. Одно- и многомодовое оптоволокно может выполняться из стекла и пластика. Мода - возможность передачи по нескольким каналам с разной длиной волны, скорость передачи данных – до 10 Гбит/с, дальность - до 100 км. Высочайшая помехозащищенность, но чувствительность к давлению. Полная гальваническая развязка, отсутствие возможности прослушивания. Большая стоимость и сложность монтажа (требуются специальные сварочные аппараты), специальные устройства для разветвления и подключения. Имеются ограничения по топологии.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Радиоканал. Для передачи сигнала используется УКВ (МГц) и СВЧ (ГГц) диапазоны, обеспечивающие передачу данных на расстояние прямой видимости со скоростью до 25Мбит/с. Не путать с GSM (GPRS)- сетями, использующими сотовую связь. Радиоканал. Для передачи сигнала используется УКВ (МГц) и СВЧ (ГГц) диапазоны, обеспечивающие передачу данных на расстояние прямой видимости со скоростью до 25Мбит/с. Не путать с GSM (GPRS)- сетями, использующими сотовую связь. Виды топологий сетей Виды топологий сетей Точка-точка Точка-точка Звезда Звезда Общая шина Общая шина Комбинированные топологии. Комбинированные топологии.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Методы доступа к сети Методы доступа к сети Централизованный. Имеется устройство, постоянно выполняющее роль мастера (fixed master), остальные устройства играют роль подчиненных. Задача мастера – управление сеансами передачи данных. У каждого подчиненного имеется буфер, в который он заносит информацию и указывает, для кого эта информация предназначена. Мастер производит поочередный опрос подчиненных, в соответствии со списком опроса. Процедура однократного опроса называется циклом. Длительность цикла определяет время, в течение которого каждый участник получает доступ к шине. Централизованный. Имеется устройство, постоянно выполняющее роль мастера (fixed master), остальные устройства играют роль подчиненных. Задача мастера – управление сеансами передачи данных. У каждого подчиненного имеется буфер, в который он заносит информацию и указывает, для кого эта информация предназначена. Мастер производит поочередный опрос подчиненных, в соответствии со списком опроса. Процедура однократного опроса называется циклом. Длительность цикла определяет время, в течение которого каждый участник получает доступ к шине. Достоинства: простота реализации. Достоинства: простота реализации.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Недостатки: в случае неполадок с мастером вся сеть неработоспособна, количество участников ограничено (как правило, не более 32), низкая скорость передачи данных (19-30 кБод), средняя длительность цикла опроса порядка 400 мс. Недостатки: в случае неполадок с мастером вся сеть неработоспособна, количество участников ограничено (как правило, не более 32), низкая скорость передачи данных (19-30 кБод), средняя длительность цикла опроса порядка 400 мс. Децентрализованные. Децентрализованные. Метод случайного доступа. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). Это технология (802.3) множественного доступа к общей передающей среде в локальной компьютерной сети с контролем коллизий. Используется в обычных сетях Ethernet и в высокоскоростных (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet). Метод случайного доступа. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий). Это технология (802.3) множественного доступа к общей передающей среде в локальной компьютерной сети с контролем коллизий. Используется в обычных сетях Ethernet и в высокоскоростных (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet).

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Метод эстафетной палочки (Метод передачи маркера). Этот метод широко используется в сетях с магистральной (шинной), звездообразной и кольцевой топологией. Право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой уникальную последовательность бит (4-5) информации (уникальный кадр). Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа "маркерная шина", а кольцевые сети – сетями типа "маркерное кольцо". Метод эстафетной палочки (Метод передачи маркера). Этот метод широко используется в сетях с магистральной (шинной), звездообразной и кольцевой топологией. Право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой уникальную последовательность бит (4-5) информации (уникальный кадр). Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа "маркерная шина", а кольцевые сети – сетями типа "маркерное кольцо".

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. В сетях типа "маркерная шина" доступ к каналу обеспечивается таким образом, как если бы канал был физическим кольцом, причем допускается использование канала некольцевого типа (шинного, звездообразного). В сетях типа "маркерная шина" доступ к каналу обеспечивается таким образом, как если бы канал был физическим кольцом, причем допускается использование канала некольцевого типа (шинного, звездообразного). Право пользования каналом передается организованным путем. Маркер (управляющий кадр) содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу. Право пользования каналом передается организованным путем. Маркер (управляющий кадр) содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. После передачи кадра станция отправляет маркер другой станции, которая является очередной по установленному порядку владения правом на передачу. Каждой станции известен идентификатор следующей станции. Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физической шине формируется так называемое логическое кольцо. Все станции "слушают" канал, но захватить канал для передачи данных может только та станция, которая указана в адресном поле маркера. После передачи кадра станция отправляет маркер другой станции, которая является очередной по установленному порядку владения правом на передачу. Каждой станции известен идентификатор следующей станции. Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физической шине формируется так называемое логическое кольцо. Все станции "слушают" канал, но захватить канал для передачи данных может только та станция, которая указана в адресном поле маркера.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Работая в режиме прослушивания канала, принять переданный кадр может только та станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра. Работая в режиме прослушивания канала, принять переданный кадр может только та станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра. В сетях типа "маркерная шина", помимо передачи маркера, решается проблема потери маркера из-за повреждения одного из узлов сети и реконфигурации логического кольца, когда в кольцо добавляется или из него удаляется один из узлов. В сетях типа "маркерная шина", помимо передачи маркера, решается проблема потери маркера из-за повреждения одного из узлов сети и реконфигурации логического кольца, когда в кольцо добавляется или из него удаляется один из узлов. Преимущества такого метода доступа: Преимущества такого метода доступа:

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. 1. не требуется физического упорядочения подключенных к шине станций, т.к. с помощью механизма логической конфигурации может быть обеспечен любой порядок передачи маркера станции, т.е. с помощью этого механизма осуществляется упорядочение использования канала станциями; 2. имеется возможность использования в загруженных сетях; 3. возможна передача кадров произвольной длины.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. В сетях типа "маркерное кольцо" (сети с кольцевой топологией) сигналы распространяются через однонаправленные двухточечные пути между узлами. Узлы и однонаправленные звенья соединяются последовательно, образуя физическое кольцо. В отличие от сетей с шинной структурой, где узлы действуют только как передатчики или приемники и отказ узла или удаление его из сети не влияет на передачу сигнала к другим узлам, здесь при распространении сигнала все узлы играют активную роль, участвуя в ретрансляции, усилении, анализе и модификации приходящих сигналов. В сетях типа "маркерное кольцо" (сети с кольцевой топологией) сигналы распространяются через однонаправленные двухточечные пути между узлами. Узлы и однонаправленные звенья соединяются последовательно, образуя физическое кольцо. В отличие от сетей с шинной структурой, где узлы действуют только как передатчики или приемники и отказ узла или удаление его из сети не влияет на передачу сигнала к другим узлам, здесь при распространении сигнала все узлы играют активную роль, участвуя в ретрансляции, усилении, анализе и модификации приходящих сигналов.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. В качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Однако маркер не имеет адреса. Он снабжается полем занятости, в котором записывается один из кодов, обозначающих состояние маркера - свободное или занятое. Если ни один из узлов сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу, совершая однонаправленное (обычно против часовой стрелки) перемещение. В каждом узле маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. В выполнении этих функций задействованы кольцевые интерфейсные устройства. В качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Однако маркер не имеет адреса. Он снабжается полем занятости, в котором записывается один из кодов, обозначающих состояние маркера - свободное или занятое. Если ни один из узлов сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу, совершая однонаправленное (обычно против часовой стрелки) перемещение. В каждом узле маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. В выполнении этих функций задействованы кольцевые интерфейсные устройства.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Свободный маркер означает, что кольцевой канал свободен и что любая станция, имеющая данные для передачи, может его использовать. Получив свободный маркер, станция, готовая к передаче кадра с данными, меняет состояние маркера на "занятый", передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр. Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станции-отправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера снова на свободное может тот узел, который изменил его на занятое. Свободный маркер означает, что кольцевой канал свободен и что любая станция, имеющая данные для передачи, может его использовать. Получив свободный маркер, станция, готовая к передаче кадра с данными, меняет состояние маркера на "занятый", передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр. Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станции-отправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера снова на свободное может тот узел, который изменил его на занятое.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. По возвращении занятого маркера с кадром данных к станции-отправителю кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на свободное, после чего любой узел может захватить маркер и начать передачу данных. С целью предотвращения монополизации канала станция-отправитель не может повторно использовать возвращенный к ней маркер для передачи другого кадра данных. Если после передачи свободного маркера в кольцо он, совершив полный оборот, возвращается к станции- отправителю в таком же состоянии ()это означает, что все другие станции сети не нуждаются в передаче данных), станция может совершить передачу другого кадра. По возвращении занятого маркера с кадром данных к станции-отправителю кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на свободное, после чего любой узел может захватить маркер и начать передачу данных. С целью предотвращения монополизации канала станция-отправитель не может повторно использовать возвращенный к ней маркер для передачи другого кадра данных. Если после передачи свободного маркера в кольцо он, совершив полный оборот, возвращается к станции- отправителю в таком же состоянии ()это означает, что все другие станции сети не нуждаются в передаче данных), станция может совершить передачу другого кадра.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. В кольцевой сети в передачей маркера также решается проблема потери маркера в результате ошибок при передаче или при сбоях в узле. Отсутствие передач в сети означает потерю маркера. Функции восстановления кольца в таких случаях выполняет сетевой мониторный узел. В кольцевой сети в передачей маркера также решается проблема потери маркера в результате ошибок при передаче или при сбоях в узле. Отсутствие передач в сети означает потерю маркера. Функции восстановления кольца в таких случаях выполняет сетевой мониторный узел. Основные преимущества сетей типа "маркерное кольцо": Основные преимущества сетей типа "маркерное кольцо": имеется возможность проверки ошибок при передаче данных: станция-отправитель. получив свой кадр от станции-получателя, сверяет его с исходным вариантом кадра. В случае наличия ошибки кадр передается повторно; имеется возможность проверки ошибок при передаче данных: станция-отправитель. получив свой кадр от станции-получателя, сверяет его с исходным вариантом кадра. В случае наличия ошибки кадр передается повторно;

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. канал используется полностью, его простои отсутствуют; канал используется полностью, его простои отсутствуют; метод может быть реализован в загруженных сетях; метод может быть реализован в загруженных сетях; имеется принципиальная возможность (и в некоторых сетях она реализована) осуществлять одновременную передачу несколькими станциями сети. имеется принципиальная возможность (и в некоторых сетях она реализована) осуществлять одновременную передачу несколькими станциями сети. Недостатки такого подхода: Недостатки такого подхода: невозможность передачи кадров произвольной длины; невозможность передачи кадров произвольной длины; в простейшем исполнении не предусматривается использование приоритетов, вследствие чего станция, имеющая для передачи важную информацию, вынуждена ждать освобождения маркера, что сопряжено с опасностью несвоевременной доставки данных адресату; в простейшем исполнении не предусматривается использование приоритетов, вследствие чего станция, имеющая для передачи важную информацию, вынуждена ждать освобождения маркера, что сопряжено с опасностью несвоевременной доставки данных адресату;

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. протокол целесообразно использовать только в локальных сетях с относительно небольшим количеством узлов (до 128), т.к. в противном случае время на передачу данных может оказаться неприемлемо большим. Скорость передачи данных – до 10 Мбит/с. протокол целесообразно использовать только в локальных сетях с относительно небольшим количеством узлов (до 128), т.к. в противном случае время на передачу данных может оказаться неприемлемо большим. Скорость передачи данных – до 10 Мбит/с. Способы передачи данных Способы передачи данных Явные. Это способы, которые реализуются под полным контролем и управлением со стороны управляющей программы, именно она определяет момент, когда нужно переслать данные и формирует блок данных для передачи. Явные. Это способы, которые реализуются под полным контролем и управлением со стороны управляющей программы, именно она определяет момент, когда нужно переслать данные и формирует блок данных для передачи.

Распределенная конфигурация на основе ЛУВС. Неявные. Это способы, которые реализуются автоматически операционной системой или коммуникационным процессором так, что задачи управляющей программы сводятся к обработке передаваемых и получаемых данных. Неявные. Это способы, которые реализуются автоматически операционной системой или коммуникационным процессором так, что задачи управляющей программы сводятся к обработке передаваемых и получаемых данных.