РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
Область техники
Настоящая полезная модель относится к распределенной системе управления. Более конкретно, полезная модель относится к связи между соседними модулями или модулями в одном стойко-месте или корпусе распределенной системы управления.
Предшествующий уровень техники
Распределенная система управления в типичном варианте подразумевает управление устройством, производственным процессом или электростанцией посредством наблюдения за их характеристиками. Современные распределенные системы управления в типичном варианте применяют автоматизированное устройство, такое как процессор цифровых данных, чтобы наблюдать за системой, такой как станция, и автоматически регулировать ее рабочие параметры.
В дополнение к автоматизированному устройству, современные распределенные системы управления также содержат человеко-машинный интерфейс. С этой целью, распределенная система управления отслеживает изменения системы и отображает аварийные сигналы или другие указания своего состояния, своей работоспособности и другие характеристики. Человеко-машинный интерфейс предоставляет возможность более высокоуровневого управления системой в целом. Интерфейс предоставляет возможность оператору взаимодействовать с распределенной системой управления и регулировать рабочие параметры системы, когда требуется.
Распределенная система управления в типичном варианте состоит из полевых устройств и контроллеров. Функции этих модулей могут быть объединены, или они могут перекрываться. Полевые устройства включают в себя устройства датчикового типа и приводного типа. Полевые устройства датчикового типа измеряют характеристики, такие как давление, температура или массовый расход. Полевые устройства также предусматривают приводы, такие как клапаны и устройства позиционирования, которые гидравлическим, пневматическим, магнитным образом или иначе выполняют желаемое управление.
Контроллеры формируют настройки для полевых устройств приводного типа на основе измерений, полученных посредством полевого устройства датчикового типа. С этой целью, в контроллере реализуется алгоритм управления. Пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) управление является хорошо известным примером алгоритма управления. Нейронные сети и нечеткая логика являются более усовершенствованными примерами алгоритмов управления. Алгоритм управления поддерживает систему на желаемом уровне или приводит ее к этому уровню. Он выполняет это посредством минимизации различий между характеристиками, измеренными полевыми устройствами датчикового типа, и предварительно определенным заданным значением.
Распределенная система управления может использоваться, в качестве неограничивающего примера, для достижения лучшей производительности, наивысшей доступности и максимальной надежности станции. В частности, распределенная система управления может применяться, чтобы улучшать КПД генерации электроэнергии электростанции. Другие использования распределенных систем управления содержат управление процессом в производстве, электрических сетях, а также в жилых и общественных обстановках, где поддерживается множество характеристик окружения.
Полевые устройства, контроллеры и человеко-машинный интерфейс связываются либо по гальванически соединенным линиям связи, либо по негальваническим линиям связи. Гальванически соединенные линии связи в типичном варианте выполняются из электрических кабелей, которые идут от одного модуля к другому. Связь осуществляется посредством переноса электрических зарядов по кабелю. Негальванические линии связи включают в себя, но не только, оптические линии связи на основе инфракрасного света или лазеров, электрические линии связи, такие как магнитные или электрические волны, акустические линии связи, такие как ультразвуковые, электромеханические, например, пьезоэлектрические. Негальванические линии не основаны на непосредственном переносе электрических зарядов по кабелям (могут быть звуковыми, трансформаторными, конденсаторными, световыми как у оптопар). По этой причине, воздух или другая атмосфера, непроводящие барьеры/каналы/направляющие/трубки, оптические волокна или оптические направляющие или направляющие звука считаются негальванической изоляцией в контексте этого описания.
Линии связи между полевыми устройствами, контроллерами и человеко-машинным интерфейсом должны удовлетворять ряду противоречащих технических требований: В возмущенных окружающих средах любое число гальванически соединенных линий связи между связывающимися модулями минимизируется. Кратковременное электрическое перенапряжение может, в противном случае, передаваться от одного модуля ко второму модулю через кабель. Передаваемое кратковременное перенапряжение может тогда повреждать второй модуль или вносить возмущения в него или влиять на характер его работы, что в особенности неприемлемо в системе предохранительных модулей.
Механически жесткие окружающие условия или легкость технического обслуживания посредством горячей замены модуля могут также требовать минимизации числа механических соединений между модулями. Эти требования применяются, в частности, к линиям связи, подразумевающим механические соединения. Типичным примером такого окружения была бы распределенная система управления, применяемая в производственном процессе. Механические линии связи, такие как коаксиальные провода, могут, например, быть повреждены вилочным погрузчиком.
Негальванические линии связи дальнего радиуса действия между модулями распределенных систем управления создают потенциал для проникновения. Если негальваническая линия связи была, например, установлена через беспроводную локальную вычислительную сеть (WLAN), злоумышленник мог бы попытаться и скомпрометировать систему, используя стандартный портативный компьютер. Атака в отношении распределенной системы управления была бы тогда осуществима из любого места в диапазоне действия WLAN. Зона действия фактически может составлять несколько сотен метров. Опасность этой атаки дополнительно усугубляется, поскольку многие из приборов распределенных систем управления, таких как (электро)станции, являются неотъемлемыми элементами (электрической) инфраструктуры. Следовательно, существует необходимость в том, чтобы полагаться, предпочтительно, на негальванические линии связи с малым радиусом действия в распределенных системах управления.
Кроме того, злоумышленнику будет невозможно перехватывать линию связи, когда нет передачи данных, поскольку линия связи неактивна (незанята) или дематериализована или локализована (инфракрасный свет, ультразвук, точность воспроизведения света Li-Fi, …). Линии связи между полевыми устройствами и между контроллерами, таким образом, должны быть незаняты во всех возможных случаях.
В качестве ближайшего технического решения рассматривается универсальное устройство, раскрытое ЕР 1571510 A2.
Универсальное устройство ввода/вывода предназначено для промышленной автоматической системы управления и включает в себя корпус, источник питания для подключения к источнику напряжения, входную/выходную цепь для связи с технологическим процессом, а также сетевой адаптер для передачи данных к и от сети передачи данных. Устройство также включает в себя схему связи объединительной платы для передачи данных объединительной платы вверх и вниз вдоль объединительной платы и схему устройства управления установкой. Схема устройства управления установкой выполняет процесс инициализации, чтобы сконфигурировать упомянутое устройство в качестве одного из: (I) дублера вдоль блока устройства ввода/вывода; (II) сетевого адаптера модуля модульного устройства ввода/вывода; или (III) модуля ввода/вывода модульного устройства ввода/вывода. Способ конфигурации является автоматическим и основан на данных, поступающих в устройство.
Указанному устройству присущи недостатки известных устройств, указанные выше. Механические линии связи, такие как коаксиальные провода, могут, например, быть повреждены вилочным погрузчиком. При этом негальванические линии связи дальнего радиуса действия между модулями распределенных систем управления создают потенциал для проникновения из любого места в диапазоне действия WLAN. Зона действия фактически может составлять несколько сотен метров. Следовательно, существует необходимость в том, чтобы полагаться, предпочтительно, на негальванические линии связи с малым радиусом действия в распределенных системах управления.
Кроме того, целесообразно передачу данных через линию связи осуществлять в зашифрованном виде, при этом линию связи сконфигурировать так, чтобы обеспечивалась возможность переключения в режим ожидания.
Краткое изложение сущности полезной модели
Настоящая полезная модель касается улучшенных распределенных систем управления. Для того, чтобы прийти к распределенной системе управления, которая, по существу, является безопасной и реализует резервирование, группа контроллеров или полевых устройств размещается в стойко-месте, предпочтительно в 19-дюймовом или в 23-дюймовом стойко-месте. Модули внутри этой стойки связываются через негальваническую линию связи, таким образом, не существует гальваническое соединение через линию связи, также будет механическая независимость между модулями.
Негальваническая линия связи с малым радиусом действия применяется для того, чтобы дополнительно защищать распределенную систему управления. Расстояние, охваченное линией связи с малым радиусом действия, в типичном варианте ограничивается физическими расстояниями между контроллерами, размещенными внутри стойко-места. Т.е., контроллеры могут надежно отправлять и принимать сигналы в стойко-месте.
Негальваническая линия связи с малым радиусом действия может быть установлена, в качестве неограничивающего примера, через изолированную среду, такую как воздух или другая атмосфера/барьеры/каналы/трубки/направляющие/оптическое волокно посредством инфракрасного, лазерного или Li-Fi решения, посредством ультразвука или посредством короткодиапазонной радиочастотной связи, такой как сверхширокая полоса пропускания (UWB), посредством трансформатора или емкостной связи или посредством электромеханического соединения.
Негальваническая линия связи может не передавать информацию о состоянии в режиме ожидания. Тогда становится невозможным подслушивать или перехватывать негальваническую связь между парой модулей. Безопасность распределенной системы управления дополнительно повышается посредством переключения негальванической линии связи в режим ожидания во всех возможных случаях.
Даже если подслушивающий ухитряется перехватить связь между двумя модулями, потенциальное использование шифрования или собственного протокола помешает получить ему читаемые текстовые (нешифрованные) данные. Шифрование реализуется, в качестве неограничивающего примера, посредством общепризнанных алгоритмов шифрования, таких как улучшенный стандарт шифрования (AES), стандарт шифрования данных (DES), код Рона 4 (RC4), или blowfish. Негальваническая линия связи может также полагаться на собственные протоколы с или без шифрования для того, чтобы дополнительно затруднять перехват связи между двумя модулями.
Таким образом, представляется объединение вышеупомянутых технологий, чтобы дополнительно улучшать безопасность распределенной системы управления.
Техническая избыточность достигается посредством обмена состоянием, данными или взаимоблокировками между модулями. Модули, раскрытые в данном документе, допускают обмен информацией о состоянии, а также диагностическими данными, друг между другом. Они также допускают синхронизацию. Синхронизация, а также обмен информацией о состоянии и диагностическими данными, осуществляется через негальваническую линию связи. Пара аналоговых модулей, каждый, могут, например, содержать блок наблюдения и инвертор для оптической связи. Инверторы аналоговых модулей могут обмениваться данными через оптическую линию связи.
Этот тип линии связи особенно полезен, когда один модуль нуждается в замене, в то время как распределенная система управления находится в эксплуатации. Благодаря обмену информацией о состоянии между парой модулей, два модуля могут иметь идентичное состояние. В случае отказа одного из двух модулей другой модуль может принимать на себя роль первого модуля и заменять его функцию в распределенной системе управления. Таким образом, отказавший модуль может быть заменен без ухудшения работы распределенной системы управления.
Также становится возможным добавлять в существующую распределенную систему управления модуль, который синхронизирует себя с модулем, который уже является частью системы. Дополнительно, возможно отключать отказавший модуль и заменять его новым модулем. Новый модуль будет затем синхронизировать себя с уже существующим модулем и станет частью распределенной системы управления. Негальваническая линия связи может также поддерживать обмен данными между модулями. Оптические решения (а именно, Li-Fi с недавно улучшенной пропускной способностью) могут даже предоставить возможность реализации оптической шины между несколькими модулями стойки для обмена данными (например, между CPU и I/O-модулями). Полезная модель также охватывает резервную или не резервную двухстороннюю шину (адрес + данные + управляющие сигналы, включающие в себя сигналы синхронизации). Полезная модель также охватывает последовательные типы шин (с одной двусторонней негальванической линией связи) и/или параллельные типы шин (с несколькими двусторонними негальваническими линиями связи).
Краткое описание чертежей
Вышеозначенные объекты и многие из сопутствующих преимуществ должны стать более понятными посредством ссылки на последующее подробное описание, рассматриваемое вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг. 1 предоставляет трехмерный вид спереди стойко-места 1;
Фиг. 2 это схема с подробностями связи между соседними модулями m и n;
Фиг. 3 схематично показывает группу из девяти 10-модулей, синхронизируемых посредством общего источника. Этот источник может быть технически избыточным;
Фиг. 4 схематично показывает десять модулей 10а, 10b, 10с, 10d, 10е, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j, которые должны быть синхронизированы и/или обмениваться данными.
Описание предпочтительных вариантов осуществления полезной модели
Фиг. 1 предоставляет трехмерный вид спереди стойко-места 1. В предпочтительном варианте осуществления стойко-место 1 является 19-дюймовым или 23-дюймовым стойко-местом. Эти блоки имеют 48,26 см или 58,42 см в ширину, соответственно.
Стойко-место 1 предусматривает корпус 2. Корпус 2 вмещает множество модулей 3а, 3b, 3с, 3d, 3е, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j. Модули 3а, 3b, 3с, 3d, 3е, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j размещаются бок о бок. Каждый модуль может быть закреплен посредством монтажного отверстия 4 и винта. Корпус 2 может также предусматривать направляющие вдоль которых модули 3а, 3b, 3с, 3d, 3е, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j могут задвигаться в корпус 2.
Каждый модуль 3а, 3b, 3с, 3d, 3е, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j внутри корпуса 2 может предоставлять одну или несколько визуальных индикаций 5, чтобы предоставлять информацию оператору. В предпочтительном варианте осуществления, визуальными индикациями являются светоизлучающие диоды (LED).
Стойко-место 1 может также содержать выключатель 6 электропитания. Выключатель 6 электропитания соединяет или отсоединяет питающую сеть для модулей 3а, 3b, 3с, 3d, 3е, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j стойко-места 1. Предпочтительно, указание относительно состояния (включен или выключен) выключателя 6 электропитания также предоставляется.
Фиг. 2 - это схема с подробностями связи между соседними модулями m и n. Фиг. 2 показывает два аналоговых модуля, причем каждый модуль содержит множество блоков. Модули m и n, показанные на фиг. 2, каждый, содержат блоки, обозначенные как управление АО-модулем, обозначенные как FPGA (программируемая вентильная матрица), обозначенные как согласование выходного сигнала, обозначенные как наблюдение за связанным модулем, и обозначенные как инвертор с оптической связью. АО означает аналоговый вывод и является примером, и полезная модель может использовать любой вид модуля, чтобы реализовать избыточность.
Программируемая вентильная матрица (FPGA). FPGA будет в типичном варианте обрабатывать данные и перенаправлять инструкции полевому устройству приводного типа. Эти инструкции, однако, должны быть согласованы; таким образом, инструкции могут быть переданы полевому устройству приводного типа. Фиг. 2 показывает, что каждый модуль содержит блок, отвечающий за согласование выходного сигнала. Согласование выходного сигнала выполняет этап преобразования выходного сигнала FPGA в формат, который предоставляет возможность передачи полевому устройству приводного типа.
Блок, обозначенный как наблюдающий за связанным модулем, показанный на фиг. 2, отслеживает изменения модуля и собирает указания его состояния, его работоспособности и другие характеристики. Каждый из двух модулей, показанных на фиг. 2, содержит блок, обозначенный как наблюдающий за связанным модулем, и блок, обозначенный как инвертор или переключатель выводов с оптической связью. Последние блоки согласуют цифровые или аналоговые сигналы от блока, обозначенного как наблюдающий за связанным модулем, посредством преобразования их в оптические сигналы. Модули тип аналогового вывода связываются друг с другом через свои блоки, обозначенные как инвертор с оптической связью. Для этого, двум блокам, обозначенным как инвертор с оптической связью, необходимо быть связанными друг с другом. Это соединение указывается на фиг. 2 пунктирными стрелками. Предпочтительно, негальваническая линия связи используется, чтобы связывать два блока, обозначенных как инвертор с оптической связью. Поскольку модули m и n аналогового вывода размещаются друг за другом, негальваническая линия связи может и фактически должна быть с малым радиусом действия. Соединение предпочтительно является двусторонним. Две пунктирные стрелки, указывающие двустороннее соединение, показаны на фиг. 2.
Поскольку модули m и n аналогового вывода связываются друг с другом, они могут обмениваться информацией о состоянии, а также диагностическими данными. Модули аналогового вывода будут тогда иметь идентичное состояние. В случае отказа одного из модулей m аналогового вывода, другой модуль n аналогового вывода будет работать, как если бы он был модулем m аналогового вывода. Другими словами, техническая избыточность достигается посредством использования негальванической линии связи с малым радиусом действия.
Фиг. 3 схематично показывает группу из девяти 10-модулей (модулей ввода-вывода) 7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f, 7g, 7h, 7i. Каждый из 10-модулей стека связан с преобразователем 8а, 8b, 8с, 8d, 8е, 8f, 8g, 8h, 8i. Модули аналогового вывода и инверторы с оптической связью на фиг. 2 являются специальными примерами IO-модулей и преобразователей на фиг. 3. Соседние IO-модули могут связываться друг с другом через негальванические линии связи с малым радиусом действия. Стрелка 9 указывает этот тип линии связи между преобразователями 8f и 8g. Эта реализация модулей является только примером и полезная модель может применяться ко всем типам связанных модулей и стойко-мест.
Негальваническая линия связи с малым радиусом действия между модулями может также быть полезной для взаимоблокировки. Двери лифта, например, требуют взаимоблокировки, таким образом, дверь не откроется, пока лифт не будет на том же этаже. Модуль взаимоблокировки в этом случае будет считывать положение лифта с полевого устройства датчикового типа. Этот модуль взаимоблокировки будет формировать сигнал взаимоблокировки, который должен быть отправлен модулям управления для дверей лифта на каждом этаже. Модуль взаимоблокировки будет отправлять этот сигнал всем модулям управления для дверей лифта, которые не должны открываться. Связь между модулем взаимоблокировки и модулями для дверей лифта может быть установлена через негальваническую линию связи с малым радиусом действия. В идеальном случае используется двухсторонняя линия связи, таким образом, модули управления для дверей лифта периодически проверяют, является ли модуль взаимоблокировки действующим.
Фиг. 4 схематично показывает десять модулей 10а, 10b, 10с, 10d, 10е, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j, которые должны быть синхронизированы. Каждый модуль содержит блок преобразователя, даже если блоки преобразователей не показаны на фиг. 4. Фиг. 4 также показывает импульсный излучатель 11. Импульсный излучатель, предпочтительно, размещается вместе с модулями 10а, 10b, 10с, 10d, 10е, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j в одном и том же корпусе 2 одного и того же стойко-места 1. Импульсный излучатель 11 также будет в типичном варианте применять ту же негальваническую линию связи с малым радиусом действия для излучения, в качестве неограничивающего примера, радиочастотных, оптических или акустических импульсов. В типичном варианте задержка между последовательными импульсами будет составлять пять секунд.
Путь прохождения сигнала для импульсов указывается пунктирными стрелками на фиг. 4. Блоки преобразователей модулей 10а, 10b, 10с, 10d, 10е, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j принимают эти импульсы и используют их, чтобы синхронизировать их внутренние тактовые генераторы. Соответственно, внутренний тактовый генератор каждого модуля синхронизируется с одним и тем же источником. Синхронизация между модулями через негальваническую линию связи с малым радиусом действия может быть особенно полезной, когда любая другая шина между модулями не реализует синхронизацию или не предусматривает свободные пути прохождения сигналов для синхронизации.
Та же схема может также применяться к обмену информацией и может быть основой для оптической двухсторонней шины между модулями и CPU, например (на основе, например, Li-Fi). Путь прохождения сигнала может быть материализован посредством изолированной среды, такой как воздух или другая атмосфера/барьеры/каналы/трубки/оптические или звуковые направляющие/оптическое волокно. Путь прохождения сигнала может быть односторонним или двусторонним, последовательным и/или параллельным, одинарным или избыточным.
Хотя настоящая полезная модель была полностью описана в связи с предпочтительными вариантами осуществления, очевидно, что модификации могут быть введены в его рамках, не рассматривая применение, как ограниченное этими вариантами осуществления, а содержимым последующей формулы.
Ссылочные номера
1 стойко-место
2 корпус
3а, 3b, 3с, 3d, 3е, 3f, 3g, 3h, 3i, 3j модули
4 монтажное отверстие
5 визуальная индикация
6 выключатель электропитания
7а, 7b, 7с, 7d, 7е, 7f, 7g, 7h, 7i модули ввода-вывода
8а, 8b, 8с, 8d, 8е, 8f, 8g, 8h, 8i преобразователи
9 негальваническая линия связи между двумя преобразователями
10а, 10b, 10с, 10d, 10е, 10f, 10g, 10h, 10i, 10j модули
11 импульсный излучатель