Конфигурации АСУ ТП

Конфигурации
АСУ ТП
Конфигурации АСУ ТП

1.
2.
3.
4.

Основные конфигурации, в которых
реализуются АСУ ТП, следующие:
Централизованная;
Функционально-распределенная;
Пространственно-распределенная.
Распределенная на основе локальных
управляющих
вычислительных
сетей
(ЛУВС);
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.
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.
Централизованная конфигурация
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.
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.
Централизованная конфигурация







Существуют
ограничения
на
использование
централизованной системы:
- по количеству внешних сигналов;
- по быстродействию;
- по объему памяти;
- по количеству функций;
- по удаленности от ТП.
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.
На рисунке: ЛУ – логическое управление; О – отображение;
К – коммуникация; Д – диагностика и др.
Функционально-распределенная
конфигурация
Функционально-распределенная
конфигурация




По такой схеме развивались программные логические
контроллеры (ПЛК).
Есть возможность подключить к контроллеру
всевозможные устройства, предназначенные для
выполнения различных функций
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.
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.
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
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.
Отметим
схожесть
с
функциональнораспределенными
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:
не требуется высокая скорость передачи данных,
объем передаваемых данных невелик,
время актуализации данных невелико,
мал пространственный охват, и
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.
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.
 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.
 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.
Виды топологий сетей
 Точка-точка
 Звезда
 Общая шина
 Комбинированные топологии.
Распределенная конфигурация на
основе ЛУВС.

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.
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.
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).
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".
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).
 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.
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.
 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:

Распределенная конфигурация на
основе ЛУВС.
1.
2.
3.
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;
имеется
возможность
использования
в
загруженных сетях;
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.
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.
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.
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 станцииотправителю 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.
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;
Распределенная конфигурация на
основе ЛУВС.




канал используется полностью, его простои отсутствуют;
метод может быть реализован в загруженных сетях;
имеется принципиальная возможность (и в некоторых
сетях она реализована) осуществлять одновременную
передачу несколькими станциями сети.
Недостатки такого подхода:


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;
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.
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.
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.