Архитектура построения систем управления и сбора данных

УДК 681.51

АРХИТЕКТУРА ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И СБОРА ДАННЫХ

А.В. Ковалёв, студент, ХНАДУ

Аннотация. Рассмотрены существующие в настоящее время архитектуры построения систем управления и сбора данных и изучены их сравнительные достоинства и недостатки. На основании изученных данных обоснован выбор того или иного типа архитектуры в зависимости от объекта автоматизации.

Ключевые слова: система управления и сбора данных, распределенная архитектура, централизованная архитектура, управляющий компьютер, интерфейсные модули.

Введение

Процессы управления технологическими объектами и процессами, как правило, связаны со сложными и трудоемкими процедурами сбора данных, обработки и анализа полученной информации, а также своевременной выдачей необходимых управляющих воздействий. Для обеспечения пользователей информацией об изменении свойств анализируемых потоков данных в реальном масштабе времени необходимы быстродействующие вычислительные платформы, специальные архитектурные решения на основе базовых микропроцессорных средств и цифровых процессоров сигналов, а также эффективное программное обеспечение. Перспективным является построение таких информационных систем на базе типовых вычислительных платформ, что обеспечит тиражируемость полученных решений, а также хорошие метрологические характеристики. В последние годы доминирующей тенденцией при проектировании автоматизированных систем анализа сигналов стало объединение микропроцессорных средств, аппаратуры сбора данных и цифровой обработки в единую информационную систему.

Анализ публикаций

Проведем анализ существующих архитектур построения систем управления и сбора данных.

По способу организации системы управления и сбора данных (в дальнейшем - СУСД) принято различать на сосредоточенные (централизованные), распределённые и смешанные (универсальные) [1, 3]. Централизованные СУСД являются комплексами, как правило, занимающими единое ограниченное производственное пространство с централизованной подсистемой обеспечения электропитанием и магистралями для обмена ин-

формационными потоками. Распределенные СУСД строятся на базе объектов, расположенных на различных, отчасти далеко расположенных, закрытых и открытых площадках. Именно эта особенность накладывает определенные структурные требования при проектировании распределенных АСУ ТП.

Централизованная архитектура [1]. В системах данного класса используются мощные центральные управляющие компьютеры, осуществляющие процесс управления с использованием специализированных удаленных интерфейсных модулей. В крупной распределенной СУСД, особенно при значительном удалении отдельных объектов друг от друга, каждый из них должен иметь свой центральный управляющий компьютер. Это обеспечивает автономное функционирование систем каждого объекта в случае нарушения связи между отдельными объектами. При нарушении связи контроллера с компьютером, система работает в автономном режиме. Другими словами, централизованная система - это жесткая властная вертикаль или пирамида (рис. 1.).

Рис. 1. Централизованная архитектура построения СУСД

Распределенная архитектура [1, 2]. Отличительная особенность СУСД с распределенной архитектурой состоит в том, что база данных иденти-

фикаторов (и событий в системе) содержится не в одном, а в нескольких контроллерах. Они, как правило, выполняют функции управления внешними устройствами через реле и входы, расположенные непосредственно на плате самого контроллера. Ввиду невозможности удаленной установки от объекта управления данные контроллеры, как правило, устанавливаются непосредственно внутри контролируемых объектов (рис. 2).

Управляющий компьютер 2

А

Рис. 2. Распределенная архитектура построения СУСД

Это не способствует снижению вероятности нежелательных воздействий на контроллер, но имеет свои плюсы - при таком подходе менее критично нарушение связи между контроллером и интерфейсным модулем (как в обычной централизованной системе). В случае выхода контроллера из строя или обрыва линии связи между контроллерами и компьютером система продолжает выполнять основные функции по управлению процессом доступа в автономном режиме. Выведение из строя одного контроллера не повлияет на работу остальных.

Смешанная архитектура [1, 2]. Обычно такие системы получаются из СУСД с централизованной архитектурой путем добавления специализированных считывателей или интерфейсных модулей с собственным буфером памяти идентификаторов и событий - «интеллектуальных интерфейсных модулей».

Можно сказать, что каждый такой модуль является небольшим контроллером СУСД, сравнимым с контроллером в распределенной системе. Благодаря использованию данного технического решения достигается избыточное резервирование функций, резко повышающее степень надёжности системы. Суммируя сказанное, можно сделать вывод, что смешанная система - это властная вертикаль, или пирамида с возможностью передачи части функций управления на более низкий уровень в случае наступления экстренной ситуации (рис. 3).

Главный управляющий компьютер

Сеть упрввления

Компьютер, управляющий подобъектом автоматизации

Рис. 3. Смешанная архитектура построения СУСД

Цель и постановка задачи

Рассмотрим задачу определения достоинств и недостатков существующих типов архитектур СУСД и обоснования выбора того или иного типа архитектуры для конкретной области применения.

Основными критериями определения достоинств и недостатков архитектур являются сложность построения системы, стоимость построения, надежность системы, удобство контроля системы и работы с ней.

К различным областям применения предъявляются различные требования, и в соответствии с этими требованиями необходимо выбрать подходящую архитектуру построения СУСД.

Рассмотрение преимуществ различных типов архитектур

Контроллеры централизованных СУСД являются чисто логическими устройствами и, как правило, не обладают возможностью управлять контролируемым объектом. Функции управления внешними устройствами выполняют внешние интерфейсные модули (ИМ) и релейные блоки. Они, как правило, устанавливаются недалеко от объектов управления. Для обмена информацией между контроллером и интерфейсными модулями наиболее часто используется интерфейс RS-485, однако уже появились системы, в которых возможно подключение интерфейсных модулей по LAN. Разделение функции принятия решений и непосредственно управления как такового повышает степень безопасности и надёжности СУСД, так как сам контроллер хорошо защищен и установлен на значительном удалении от управляемого им объекта. Кроме того, такой подход помогает снизить стоимость крупных систем, поскольку

Компьютер, управляющий подобъектом автоматизации

Компьютер, управляющий подобъектом автоматизации

цена контроллера «растворяется» в общей стоимости системы. Следует отметить, что сами контроллеры способны объединяться в сети, позволяя тем самым создавать СУСД значительного масштаба.

Как следует из определения централизованной архитектуры, основными достоинствами систем с такой архитектурой являются простота построения, легкость контроля, а также низкая стоимость (при количестве контролируемых объектов < 50). Недостатками, вытекающими из структуры таких систем, являются чувствительность к неполадкам на сервере, меньшие возможности по администрированию, замедление реакции при большом количестве оборудования. Исходя из этих данных, можно рекомендовать централизованную архитектуру для построения СУСД комплексов, занимающих единое ограниченное производственное пространство с централизованной подсистемой обеспечения электропитанием и магистралями для обмена информационными потоками.

При использовании СУСД с распределенной архитектурой на крупных распределенных объектах следует помнить, что каждый отдельный объект, скорее всего, будет оснащаться своей подсистемой, состоящей из группы контроллеров со своим управляющим компьютером. Такая особенность связана с ограничением длины наиболее часто используемых в таких системах интерфейсов: RS-485 и 20-мА токовая петля. Прокладка линий связи между удаленными объектами потребует применения усилителей интерфейса, а это не всегда удобно и несколько снижает надежность, поэтому можно рассматривать систему в целом как совокупность подсистем нескольких объектов. Они самостоятельно анализируют и хранят часть информации о функционировании своей небольшой части системы.

В отличие от систем с централизованной архитектурой построений, системы с распределенной архитектурой имеют следующие достоинства: простота подключения; возможность создания крупных систем; низкая стоимость (при количестве контролируемых объектов > 100); повышенная скорость работы; большая по сравнению с централизованной архитектурой надежность; возможность обработки большого количества данных. Поскольку распределенная архитектура является более сложной, чем централизованная, то ее логичными недостатками являются необходимость систематического контроля состояния распределенных модулей и необходимость наличия обученного персонала. Таким образом, распределенная архитектура подходит для СУСД крупных объектов, имеющих значительные территории с большим количеством отдельно стоящих зданий и сооружений.

Поскольку контроллер в СУСД с централизованной архитектурой управляет значительным количеством объектов, повреждение линии связи между ним и интерфейсными модулями управления оконечными устройствами способно привести к выходу из строя значительной части или даже всей системы. Локальный считыватель или промежуточный интерфейсный блок, обладающий встроенным буфером памяти, в этом случае переходит в автономный режим управления объектом (на своем участке). Системы, построенные с использованием данных модулей, обладают наивысшей степенью надежности функционирования. Для крупных распределенных СУСД со смешанной аппаратной архитектурой важно, что некоторые производители имеют в номенклатуре интерфейсные модули с возможностью подключения к центральному контроллеру по LAN-интерфейсу. При наличии развитых сетевых коммуникаций на территории объекта подобные модули устанавливаются в удаленных зданиях.

Смешанная архитектура сочетает в себе достоинства централизованной и распределенной архитектур, а ее основным недостатком является высокая стоимость реализации такой системы. Соответственно данный тип архитектуры целесообразно применять для построения СУСД объектов с повышенными требованиями по быстродействию и надежности.

Выводы

При решении задач автоматизации производств или технологических процессов необходимо выбрать используемую архитектуру систем управления и сбора данных, исходя из списка требуемых задач и зачастую противоречивых требований по надёжности системы, её быстродействию и стоимости программно-аппаратного комплекса. В данной статье рассмотрены существующие на сегодня архитектуры построения СУСД и представлены их преимущества и недостатки применительно к различным областям применения.

Литература

1. Гинце А.А. Особенности систем доступа круп-

ных распределенных объектов // www.security-bridge.com

2. Громов В.С., Покутный А.В., Вишнепольс

кий Р.Л., Тимофеев В.Н. Особенности проектирования распределенных АСУ ТП // Мир компьютерной автоматизации. - 2001. - №3- C. 43-48.

3. Бурцев А. Типовые аппаратные решения по-

строения систем сбора данных // www.mka.ru

Рецензент: Л.И. Нефедов, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 18 мая 2006 г.