Издательство Томского политехнического университета

Вид материала

Содержание

Применение Интернет-технологий.
Проблемы и их решение
1.2.3. Принципы управления через Интернет
Удаленный терминал
Второй способ
1.3. Понятие открытой системы
Для SCADA-системы признаками открытости являются

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7

Применение Интернет-технологий.

Когда часть компонентов системы автоматизации выходит за границы локальной сети и переходит на уровень глобальной сети WAN, стоимость каналов связи резко возрастает вследствие высоких тарифов на дальнюю телефонную связь. В этих условиях наиболее экономически выгодным оказывается применение Интернета. Преимущества:

1.Стоимость его оказывается на порядки ниже благодаря коммутации пакетов, а не каналов, что позволяет существенно улучшить эффективность использования пропускной способности сети связи.

2.Возможность использования на компьютере диспетчера любого веб-браузера независимо от его производителя, типа аппаратной платформы или операционной системы. Например, компьютер диспетчера может работать под Windows, Linux, Unix, QNX, Windows СЕ и др.

3.Управление и мониторинг могут осуществляться из любой точки земного шара с помощью компьютера или мобильного телефона (коммуникатора). Такая возможность особенно важна для высшего руководства, которое часто бывает в командировках, а также для корпораций, имеющих подразделения в разных городах или странах.

4.Снижение стоимости функционирования АСУ ТП вследствие удаленного управления (отсутствует необходимость присутствия человека на труднодоступном объекте);

5.Снижение стоимости обслуживания благодаря удаленной диагностике, отладке и обновлению программного обеспечения через Интернет — уменьшаются затраты на командировки;

6.Возможность контроля состояния производственного или технологического процесса или управления им через мобильный телефон;

7.Возможность автоматического вызова аварийной службы в случае срабатывания датчиков газа, дыма, пламени, затопления и пр.;

8.Широкий выбор готовых (имеющихся в продаже) технических решений, аппаратных и программных продуктов для работы с Интернетом.

Этот же подход может использоваться и в интранете (интранет — это локальная сеть, которая содержит веб-сервер и работает по тем же протоколам, что и Интернет).

Проблемы и их решение

1.При коммутации пакетов, используемой в Интернете, необходима промежуточная буферизация данных, которая вносит в процесс доставки сообщений задержку неопределенной величины, а при переполнении промежуточных буферов возможны потери данных.

2.Интернет имеет также низкую надежность связи и плохую защищенность от несанкционированного доступа.

В настоящее время активно разрабатываются методы обеспечения качества обслуживания QoS (Quality of Service), призванные ослабить остроту перечисленных проблем. Тем не менее неопределенность времени доставки сообщений и наличие задержки являются основными недостатками связи через Интернет. Частичным решением этой проблемы в системах мониторинга является посылка данных вместе с метками времени. Синхронизировать метки можно с помощью системы GPS (Global Positioning System). Однако это не решает проблемы в задачах с реальным временем, например, когда Интернет-канал входит в контур обратной связи.

Существует достаточно много областей, где указанные ограничения не являются существенными. Кроме того, в правильно спроектированной распределенной системе управления интенсивность информационного обмена между ее компонентами спадает по мере удаления компонентов друг от друга, достигая минимума для случая удаленного обмена через Интернет. Обратные связи в такой системе являются только локальными, за исключением контура управления с диспетчером, где время доставки сообщений сравнимо со временем реакции человека.

Примером задачи управления, в которой не требуется гарантированное время доставки сообщений, является дистанционное управление системами вентиляции, кондиционирования и обогрева зданий [29]. В системе устанавливают датчики температуры наружного воздуха, температуры в комнатах, датчики тока исполнительных устройств, датчики влажности, датчики света, а также исполнительные устройства для подачи электроэнергии в здание, для включения/выключения вентиляторов, обогревателей, кондиционеров, осушителей, увлажнителей, приточной вентиляции, вентиляции внутри помещения.

Наиболее безопасным применением Интернета являются системы мониторинга, например публикация на веб-страничке информации о параметрах технологического процесса, действиях оператора, а также сводных отчетов и графиков. Такая Интернет-система может быть полностью автономной, поскольку перечисленные данные могут быть взяты непосредственно из базы данных АСУ ТП без воздействия на сам технологический процесс.

1.2.2. Основные понятия технологии Интернета

Основными компонентами Интернета являются веб-серверы и веб-клиенты (браузеры). На жестком диске сервера может находиться множество вебсайтов или FTP (File Transfer Protocol) каталогов с уникальными адресами URL (Universal Resource Locator). Данные между клиентом и сервером передаются с помощью протокола HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) или FTP. Маршрутизация (передача в нужном направлении) данных в Интернете осуществляется с помощью 32-битной IP (Internet Protocol) адресации. Веб-страницы создаются с помощью языка разметки документа HTML (Hyper Text Markup Language) или его расширенной версии XML (extensible Markup Language), а также WML (Wireless Markup Language), который используется для мобильных телефонов, смартфонов, записных книжек PDA (Personal Digital Assistant), работающих с Интернетом по протоколу WAP (Wireless Applications Protocol).

Связь между клиентами и серверами Интернета выполняется по каналам связи, которые могут быть проводными, оптоволоконными или радио (в том числе сотовыми). Аналоговые каналы связи обычно имеют скорость передачи информации не более 56 кбит/с, поэтому используют цифровую связь ISDN (Integrated System Digital Network) со скоростью передачи до 128 кбит/с и DSL (Digital Subscriber Lines) со скоростью передачи до 8 Мбит/с. Разновидностями DSL являются асимметричный цифровой канал ADSL (Asymmetric DSL), в котором данные в одном направлении (абоненту) передаются со скоростью до 8 Мбит/с, а в обратном направлении — до 1 Мбит/с. Другими модификациями DSL являются ADSL2+, SHDSL, RDSL, VDSL, предоставляющие различные возможности абонентам. Общим обозначением различных модификаций DSL каналов является xDSL.

Беспроводной доступ в Интернет можно обеспечить с помощью сотовых GSM (Global System for Mobile communications) модемов, беспроводного Ethernet, называемого еще WLAN (Wireless LAN), или Wi-Fi (Wireless Fidelity), оборудования Bluetooth, ZigBee, WiMax, инфракрасного порта компьютера или спутниковой связи.

Спутниковый Интернет обеспечивает одностороннюю связь (прием информации от спутника) с очень высокой скоростью (до 48 Мбит/с). При этом передача информации обеспечивается любыми другими видами связи.

Доступ по каналам сотовой связи выполняется с помощью системы пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service). Система GPRS обеспечивает скорость передачи в среднем около 20 кбит/с (теоретический предел составляет 171,2 кбит/с) и оптимально приспособлена для прерывистого трафика, характерного для сетей Интернет/интранет. Она обеспечивает пакетную коммутацию на всем протяжении канала связи, существенно снижая стоимость связи в сетях стандарта GSM. Соединение в системе GPRS устанавливается практически мгновенно, и она поддерживает все самые распространенные сетевые протоколы передачи данных, в том числе Интернет-протокол IP. Важным преимуществом GPRS по сравнению с голосовыми каналами сотовой связи является то, что плата берется не за время соединения, а за объем переданной информации. В сотовых телефонах основной сферой применения GPRS является просмотр WAP-страниц. Также возможна отсылка SMS (Short Message Service) через сеть GPRS. При подключении GSM модема в режиме GPRS к компьютеру можно выходить в Интернет, при этом Интернет-провайдером является оператор сотовой связи.

Усовершенствованием GPRS является система EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution), позволяющая обеспечить передачу данных со скоростью до 474 кбит/с. Реально достижимая средняя скорость передачи данных составляет 100...120 кбит/с, с пиковыми значениями до 230 кбит/с.

Дальнейшее развитие - 3G (от англ. third generation — «третье поколение»), технологии мобильной связи 3 поколения — набор услуг, который объединяет как высокоскоростной мобильный доступ с услугами сети Интернет, так и технологию радиосвязи, которая создаёт канал передачи данных.

1.2.3. Принципы управления через Интернет

Существует два различных способа управления через Интернет, на основе которых построен ряд коммерческих продуктов: 1. способ удаленного терминала и 2. способ деления SCADA-пакета на серверную и клиентскую части.

Удаленный терминал можно представить себе как удлинение проводов мыши, клавиатуры и монитора с помощью Интернета, при этом визуализация выполняется в окне веб-браузера, а на компьютер через Интернет передаются только сигналы от мыши и клавиатуры. Управляемая программа исполняется на удаленном от пользователя компьютере, на котором устанавливается специализированный веб-сервер. Прямо из веб-браузера можно работать с запущенными на веб-сервере программами, с файловой системой и реестром сервера, запускать программы, контролировать выполняющиеся приложения и службы, устанавливать права доступа к системе, получать информацию о загрузке процессора и оперативной памяти.

Примерами таких программ могут служить пакеты Remotely Anywhere фирм GoToMyPC и SpyAnywhere.

Удаленный терминал можно использовать для управления любой программой, в том числе SCADA. Его недостатком является требование большой пропускной способности Интернет-канала, поскольку через Интернет передается вся информация, отображаемая на экране удаленного компьютера.

Второй способ удаленного управления через Интернет основан на делении SCADA-пакета на серверную и клиентскую части. Клиентская часть представляет собой веб-браузер, который просматривает специализированную веб-страницу, находящуюся на веб-сервере. На этой странице создается специализированный интерфейс с графикой и анимацией. Анимация выполняется с помощью JScript, VBScript, Java-апплетов, Flash и анимированных GIF-файлов. Поскольку основная часть визуальной динамики пользовательского интерфейса исполняется на клиентском компьютере, а с сервера передаются только данные об объекте автоматизации, существенно снижаются требования к пропускной способности Интернет-канала.

" onclick="return false">
Веб-страница может воспринимать действия пользователя, например нажатие кнопок, заполнение форм, и передавать их серверу. Сервер в ответ формирует новую веб-страницу с элементами, измененными в соответствии с действиями пользователя. Выполняется это с помощью CGI-сценария (Common Gateway Interface), который пишется обычно на языке Perl и располагается на сервере. Название «сценарий» или «скрипт» связано с тем, что программа не транслируется в исполняемый код, а выполняется непосредственно, с помощью интерпретатора языка. Язык Perl используется только на серверах, работающих под операционной системой Unix, поэтому программистам, работающим с Windows, он обычно незнаком.

Для среды Windows фирма Microsoft предложила технологию ASP.NET (Active Server Pages), которая позволяет создавать веб-страницы, находящиеся на сервере и содержащие код сценариев VBScript. Результаты выполнения сценариев VBScript передаются от сервера клиенту. Технологию ASP.NET можно использовать на Internet Information Server (IIS), который работает под управлением Microsoft Windows Server.

Отметим, что JScript и VBScript, ActiveX, Flash и анимированные GIF исполняются только на стороне клиента без взаимодействия с сервером, в то время как CGI и ASP.NET исполняются на стороне веб-сервера и именно они извлекают данные из ОРС сервера или базы данных SCADA-системы, чтобы отослать их клиенту.

Данные между клиентом и сервером могут пересылаться в виде сообщений SOAP (Simple Object Access Protocol), которые используют транспортный протокол HTTP. Сообщения SOAP используют гибкую грамматику языка XML. SOAP активизирует два процесса, которые могут находиться на разных компьютерах, но взаимодействуют друг с другом независимо от программных и аппаратных платформ, на которых они реализованы.

Взаимодействие между клиентской и серверной частью SCADA (рис. 1.10) выглядит следующим образом. Когда пользователь хочет получить данные от контроллера через Интернет, он нажимает некоторую командную кнопку в окне веб-браузера. Этот запрос посылается серверу через Интернет в формате SOAP-сообщения. Когда веб-сервер получает SOAP-сообщение через ТСР-порт

80, запрос направляется обработчику скрипта ASP.NET, который также располагается на веб-сервере. Веб-сервис (Web service) создает запрашиваемые данные или передает управление программе (например, на языке VB.NET), которая общается с контроллером через ОРС-сервер. Полученные таким образом данные выкладываются на веб-страницу, которую видит пользователь с помощью веб-браузера. При входе на веб-сервер операционная система (Windows или Linux) производит идентификацию пользователя и предоставляет доступ к информации в соответствии с его правами.

В случае удаленного управления на основе WAP пользователь получает доступ к управляемой системе через мобильный телефон (GSM-модем). WAP поддерживается стандартами GSM, TDMA, CDMA, GPRS.

1.2.4. Микро-веб-серверы

Веб-серверы для Интернета обычно располагаются на мощных компьютерах и содержат жесткие диски большой емкости. Однако для удаленного управления в АСУ ТП часто достаточно иметь на сервере всего одну несложную

веб-страницу. Для этой цели используют микро-веб-серверы (встраиваемые веб-серверы, Embedded Web Server), выполненные в виде микросхемы, которая располагается на печатной плате ПЛК или интеллектуального датчика. Каждый микро-веб сервер доступен по своему Интернет-адресу.

В предыдущие годы проблемой технической реализации микро веб-серверов была необходимость большой вычислительной мощности для реализации протокола TCP/IP. В настоящее время появились дешевые однокристальные микроконтроллеры фирм Crystal Semiconductor, Winbond, Realtek, Seiko Instruments, младшие модели микроконтроллеров фирм Microchip (PIC12C509), Atmel (микроконтроллеры линейки Tiny AVR), Fairchild (ACE1101) со встроенной реализацией протокола TCP/IP. Это позволило применять веб-серверы даже внутри датчика. Технологию применения микро-веб-серверов называют «встроенным Интернетом» (Embedded Internet).

1.3. Понятие открытой системы

Одна из важнейших проблем, возникающих в АСУ ТП 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.

Требование модульности вытекает из требования возможности замены части системы (т.е. модуля) 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,

совместимость с ActiveX, СОМ 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.

Для промышленных сетей открытость означает наличие в свободной продаже сетевой аппаратуры от разных производителей по конкурентоспособным ценам, совместимой с открытыми стандартами.

Примером открытых систем являются системы, которые имеют стандартный протокол Modbus RTU, стандартный интерфейс RS-485, стандартный конструктив (крепление на ДИН-рейку, разъемные клеммники), стандартные диапазоны аналоговых сигналов и стандартные уровни дискретных сигналов, стандартный ОРС сервер, позволяющий использовать модули с любой стандартной SCADA. 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.

В отличие от открытых, закрытые системы разрабатываются по внутренним стандартам отдельных предприятий. Части (модули) закрытых систем не могут быть заменены аналогичными изделиями других производителей, а заказчик, однажды применив закрытую систему, навсегда оказывается привязанным к ее разработчику.

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.

Blog

Содержание