2598

программное обеспечение содержит семь уровней (рис. 2.11), из которых к настоящему времени полностью стандартизированы два нижних (физические и канальные уровни) и частично сетевой.

Протоками называют правила взаимодействия одновременных уровней (слоёв) программного обеспечения сети. На рис. 2.12 и 2.13 изображены примеры протоколов соединения близкого и удаленного абонентов ЛУВС, где видно, каким образом реализуются уровни программного обеспечения ЛУВС (см. также рис. 2.10).

2

2

4

4

4

5

5

6

Входы

Выходы

Рис. 2.11. Блок-схема интерфейсного узла

Доступ к физической среде ЛУВС

Таблица 2.2

Класс метода доступа

Топология ЛУВС

радиальная

«шина»

«кольцо»

Случайный

МДКН/ОК

МДКН/ОК

Заполнение

регистра

Детерми-

Централи-

Коммутация

Селекторный

Групповой

нированный

зованный

физического или

опрос

опрос

логического

соединения

Децентрали-

_____

Явная

Неявная

зованный

(адресуемая)

(адресуемая)

передача права

передача

права

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

630

функции этого уровня 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.

Транспортный	канал	Информац

Прикладной уровень (программы пользователей)

7

Представительный уровень (управление представлением) 6

Сеансовый уровень (управление сеансами)

5

	Транспортный уровень (управление подачей)		4
		Сетевой уровень (управление сетью)	3
		Канальный уровень (управление	2
		информационным каналом)
	Физический уровень (управление физическим		1
		каналом)
ионный канал		Физический канал

Процесс

Порты

Транспортная сеть

Рис. 2.12. Семиуровневое программное обеспечение локальной вычислительной сети

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 1-го процесса с несколькими другими процессами i, r.

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

631

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.

	7	Управление прикладными
		процессами (пользовательский		Реализуется	УВМв
			уровень)
	6	Управление представлением
	5	Управление сеансами
	2	Управление каналом УВМ
	1	Сопряжение с каналом УВМ
			Канал (магистраль) УВМ
	1	Сопряжение с каналом УВМ		Реализуется адаптерев канала	Акссвязи
	2	Управление каналом УВМ
	4	Управление транспортом
	3	Управление сетью
	2	Управление каналом
	1	Сопряжение с каналом

Канал (магистраль)

Реализуется в абонентском комплексе

Рис. 2.13. Протоколы близко расположенных соединений абонентского комплекса

Стандарты на магистральные ЛУВС. В СССР практически действовала спецификация магистралей для распределенных АСУ ТП: ГОСТ 26139 84 на локальную вычислительную сеть для автоматизированных систем управления рассредоточенными объектами.

В странах Западной Европы, США, Японии насчитывается несколько десятков различных типов магистральных систем передачи данных. Однако, согласно литературным источникам, перспективу принятия в

632

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.

	7	Управление прикладными
		процессами (пользовательский				Реализуется	УВМв
			уровень)
	6	Управление представлением
	5	Управление сеансами
	2	Управление каналом УВМ
	1	Сопряжение с каналом УВМ
			Канал (магистраль) УВМ
	1	Сопряжение с каналом УВМ		Реализуется	адаптерев	илиУВМв	сетевом Асадаптее
	2	Управление каналом УВМ
	4	Управление транспортом
	3	Управление сетью
	2	Управление каналом передачи
			данных
	1	Сопряжение с каналом передачи
			данных
			Канал передачи данных
	4	Сопряжение с каналом передачи		Реализуется	адаптерев	канала	связиАкс
		Управление транспортом
			данных
	2	Управление каналом передачи
			данных
	3	Управление сетью
	2	Управление каналом
	1	Сопряжение с каналом

Реализуется в абонентском комплексе

633

Магистраль

Рис. 2.14. Протоколы соединений удаленного абонентского комплекса

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 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.

2.6. Типовой состав технических средств АСУ ТП

Обобщение в аппаратурном плане типовых структур многоуровневых систем управления технологическими процессами можно проиллюстрировать схемой взаимодействия уровней (рис. 2.15), в которой используются передача и распределенная обработка данных посредством общих шин [13, 14]. В соответствии со схемой на рис. 2.15 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

634

перечисленных групп и некоторые технические характеристики приведены в табл. 2.3.

		Типовой состав многоуровневой АСУ ТП					Таблица 2.3
Наименование модуля, блока,				Основные характеристики
	устройства
	1				2
					Продолжение табл. 2.3
	1				2
Датчики				См. ГОСТ 26,010-81; 26,004-85
Исполнительные устройства				См. ГОСТ 3926-82; ГОСТ 7192-80
(механизмы)
Модуль		одноконтурного		Длина слова 8-10 двоичных разрядов,
(цифрового,		аналогового)		количество входов-выходов 1-8, емкость
регулирования				памяти 0,5-5 К байт, время цикла 5 мс
Блок	программно-задающего			Длина слова 8-10 двоичных разрядов,
устройства				количество	входов-выходов			1-8,
				количество	реализуемых			участков
				программдо 256, время цикла 5 мс
Модуль	логико-командного			Длина слова 8-10 двоичных разрядов,
управления				количество	входов-выходов			1-8,
				количество реализуемых функций 16-
				256, время цикла 5 мс
Модуль	сбора	предварительной		Длина слова 8-10 двоичных разрядов,
обработки	данных	и	контроля	количество	входов-выходов			1-8,
функционирования				количество реализуемых функций 16-
				256, время цикла 5 мс
Модуль	гальванической		развязки,	То же
нормализации и фильтрации
Модули	представления		данных,
индикации, регистрации, выработки и
выдачи управляющих воздействий
Буфер памяти
Дуплекс-канал связи
Программируемый многорежимный
таймер
Устройство		для	решения
специализированных задач, в том числе
вычисление	тригонометрических,
логарифмических и других функций
		Програмно-аппаратные средства
Блок		многоконтурного		Длина	слова	16	двоичных
регулирования(цифрового,			аналого-	разрядов, время цикла до 50 мс, число
цифрового)				входов-выходов до 1024/128

635

Блок многосвязного программно-					То же
логического управления
Блок	многоканального			сбора,
обработки	данных	и	контроля
функционирования
Программируемые					Длина	слова	16	двоичных
микропроцессорные контроллеры					разрядов, время цикла до 50 мс, число
					входов-выходов до 128, время цикла до
					50 мс
						Окончание табл. 2.3
	1					2
Общесистемные средства
Адаптеры связи
Блок	подключения			шин
(контроллеры связи)
Блок общей памяти
Устройство		общесистемной
диагностики и определения аварийных
ситуаций
Процессор прямого доступа для
накопления текущей информации
Пульт оператора-технолога

636

	ЕС ЭВМ
СМ ЭВМ	Другие ЭВМ
3-й
уровень

Общесистемные средства МикроЭВМ

2-й

уровень

	Аппаратные	Программно-
		аппаратные
	средства
		средства

1-й

уровень

Рис. 2.15. Схема взаимодействия аппаратных, программно-аппаратных и общесистемных средств в многоуровневой распределенной АСУ ТП

2.7. Основные понятия и определения типизации, унификации и агрегатирования технических средств и КТС

Прежде чем определить принципы построения КТС для автоматизации технологических процессов на основе системного подхода, остановимся на содержании используемых в технической литературе терминов «типизация», «унификация», «параметризация» и других, которые будут использоваться ниже.

Типизацию определим как «обоснованное сведение многообразия избранных типов конструкций машин, оборудования, приборов, ... к небольшому числу» наилучших с какой-либо точки зрения образцов, обладающих существенными качественными признаками. Например, типизация технологических процессов заключается в выборе для внедрения из всей массы действующих технологий только наиболее производительных и рентабельных. В процессе типизации разрабатываются и устанавливаются типовые конструкции, содержащие общие для ряда изделий (или их составных частей) базовые элементы и

637

конструктивные параметры, в том числе перспективные, учитывающие последние достижения науки и техники. Процесс типизации эквивалентен группированию, классификации некоторого исходного, заданного множества элементов в ограниченный ряд типов с учетом реально действующих ограничений, целей типизации; другими словами, типизация является оптимизационной задачей с ограничениями.

Типизация предшествует унификации «приведению различных видов продукции и средств ее производства к рациональному минимуму типоразмеров, марок, форм, свойств и т. п.». Унификация вносит единообразие в основные параметры типовых решений технических средств, необходимое для их совместного использования в АСУ ТП, и устраняет неоправданное многообразие средств одинакового назначения и разнотипность их частей.

Одинаковые или разные по своему функциональному назначению устройства, их блоки, модули, но являющиеся производными от одной базовой конструкции, образуют унифицированный ряд. Унификация позволяет за счет применения общих и типовых конструктивных решений использовать принцип агрегатирования, создавать на одной основе различные модификации изделий, выпускать технические средства одинакового назначения, но с различными техническими характеристиками, удовлетворяющими потребностям того или иного производства, технологии. Такие изделия одного типа, но с различными техническими параметрами образуют параметрический ряд.

Агрегатирование предусматривает разработку и использование ограниченной номенклатуры типовых унифицированных модулей, блоков, устройств и унифицированных типовых конструкций (УТК) для построения множества проблемно-ориентированных установок и комплексов, технические параметры которых в значительной степени удовлетворяют потребительским целям. Типизация, унификация и агрегатирование являются основополагающими принципами построения ГСП [7, 16, 28] и обеспечивают возможность эффективного ее использования при комплексной автоматизации производства и, в частности, при проектировании и внедрении АСУ технологическими объектами и агрегатами.

Применение микропроцессоров и микроЭВМ позволяет эффективно и экономно реализовать принцип функциональной и топологической децентрализации АСУ ТП. Тем самым можно значительно повысить надежность и живучесть системы, сократить дорогостоящие линии связи, обеспечить гибкость функционирования и расширить область применения в народном хозяйстве комплексов технических средств, основным элементом которых является микроЭВМ или микропроцессор. В таких распределенных системах управления большое значение приобретает

638

стандартизация интерфейсов, т. е. установление и применение единых норм, требований и правил, гарантирующих информационное объединение изделий КТС в типовых структурах АСУ ТП.

Из определения унификации вытекает, что главной задачей этого процесса следует считать выработку и реализацию единых требований к «внешним» характеристикам типовых решений, определяющим их взаимную совместимость в рамках АСУ ТП, и единых терминологий, форм и состава документации. При разработке типовых структур АСУ ТП, образуемых совокупностью однотипных связей между компонентами системы, обычно принимают и отражают в документации шесть структур: функциональную (ФС), алгоритмическую (АС), программную (ПС), техническую (ТС), информационную (ИС) и организационную (ОС).

Функциональная и алгоритмическая структуры, компонентами которых являются функции АСУ ТП и ее элементов, и алгоритмы, реализующие эти функции, характеризуют систему в целом и определяют все остальные структуры АСУ ТП, в том числе и ТС (техническое обеспечение). В свою очередь, ФС, АС, а также ИС определяются составом и функциями ТОУ. Поэтому формирование типового КТС (ТС АСУ ТП), выявление его компонентов и их взаимосвязи (предметный аспект системного подхода) должны, очевидно, опираться на исследования классов ТОУ и функциональные, алгоритмические, информационные структуры типовых АСУ ТП (в первую очередь).

Можно сформулировать ряд принципов типизации КТС, базирующейся на изучении разнообразных ТОУ и принципов организации АСУ ТП [8, 14 19].

1.Принцип проблемной ориентации, в соответствии с которым определяются типовые решения на основе анализа многократно встречающихся проблем при автоматизации различных отраслевых технологических процессов. Типовые решения касаются математического, программного и информационного обеспечения (ТР-математика), технического (ТР-техника) и методического обеспечения (ТР-методика).

2.Принцип системной ориентации на конкретный класс ТОУ. Минимальное число признаков ТОУ включает в себя:

уровень управления: верхний (цехи, производство) и нижний (технологические установки, агрегаты);

характер протекания технологического процесса (непрерывный, непрерывно-дискретный, дискретный);

условная информационная мощность (малая – до 256 параметров контроля и управления, средняя – от 256 до 600, повышенная – от 600 до 1600 и большая – свыше 1600 параметров).

Всоответствии с принципом системной ориентации для класса ТОУ из совокупности существующих ТР формируется конкретная система

639