Типовые решения в архитектурном синтезе АСУ ТП

Если основной задачей системотехнического синтеза является нахождение средств решения прикладной КЗУ, то для архитектурного синтеза — нахождение такой организации ПТК, при какой прикладная КЗУ решалась бы наиболее эффективно. Таким образом, архитектурный синтез играет по отношению к системотехническому обслуживающую роль, однако в отличие от последнего не имеет сейчас ни основы для начала процедуры синтеза [подобной структуре КЗУ (12)], ни четкой схемы, ни регламентированных процедур. Переплетение нескольких разнородных аспектов (системных, функциональных, логических и физических) организации ПТК затрудняет структуризацию задачи архитектурного синтеза и декомпозицию соответствующего DF-отображения. Поэтому удобнее использовать эмпирический подход, рассматривая важнейшие архитектурные ТР и соответствующие им адекватные пары. Естественно, при этом трудно избежать субъективизма даже в самом перечислении ТР.

Важнейшим при построении современных систем управления производством является принцип децентрализованной обработки оперативной информации реализуемой в распределенных АСУТП. Основу таких систем составляют управляющие вычислительные сети (УВС) в виде конечного множества станций, каждая из которых имеет в сети свой адрес и предназначена для решения некоторой группы задач, входящих в КЗУ (12) или носящих обслуживающий характер, которая образует некоторую локальную комплексную задачу (ЛКЗ) З₁,. Группировка задач для l-й станции УВС осуществляется с учетом ряда факторов: топологических, функциональных, полноты формализации и др. Так, задачи оперативного контроля и управления из множества полностью формализованных задач, относящихся к одному (крупному) или группе (компактно расположенных) технологических агрегатов, образуют одну или более ЛКЗ, решаемых автоматически на локальных технологических станциях (ЛТС); задачи из множеств, реализуются ОП на операторских технологических станциях (ОТС);задачи координации работы технологического оборудования, входящие в КЗУ (12) или появляющиеся при декомпозиции прикладных оптимизационных задач большой размерности, решаются на ОТС или диспетчерских станциях и т. д. Таким образом, первое типовое архитектурное решение можно записать в виде модели УВС.

.

где Яс, — семейство отношений на множестве станций УВС, при этом унарные отношения соответствуют классификации станций сети по функционально-целевому назначению (ЛТС, ОТС и др.), месту в организационно-производственной структуре, приоритетности доступа к физической среде передачи данных и т. д., а бинарные — линиям связи между станциями, определяющим топологическую структуру сети.

Из известных топологии в УВС получила широкое распространение магистральная, когда доступ станций к единому физическому каналу связи осуществляется в режиме разделения времени. Такое ТР можно записать как.

(15) ,.

где Ст_l, — единственная передающая станция (указывается первой) для данного не пересекающегося с другими отрезка времени Т_l, передачи;

— множество принимающих станций, состоящее либо из одной станции (при адресной — передаче), либо из остальных станций сети (при безадреснойпередаче);

стрелка показывает информационную связь и направление передачи.

Следует отметить, что современные агрегатные комплексы технических средств КТС для распределенных АСУТП [например, ТДС-3000 и SCAN-3000 фирмы Honeywell (США). «Teleperm» фирмы Siemens (Германия), САУ-600/16 концерна «Научный центр» (РФ) и др.] рассчитаны на использование нескольких магистралей, соединяемых при необходимости в сеть с помощью ретрансляционных станций. Таким образом, в реальных АСУТП применяется агрегатное объединение нескольких ТР [соотношение (15)], расширяющее функциональные возможности АСУ, поскольку в пределах каждой из магистралей сети может осуществляться одновременная и независимая передача данных.

Среди архитектурных ТР повышения надежности магистральных УВС следует отметить различного рода дублирование, в частности использование параллельных магистралей, при этом обе магистрали могут работать одновременно (например, а агрегатном КТС «Contronic P») или одна из них может быть резервной (например, в агрегатном КТС ТДС-3000).

Повсеместное применение принципа открытости, позволяющего расширять и модифицировать АСУТП без изменения существующего ПТК, интегрировать производственные АСУ, обусловило разработку под эгидой Международной организации по стандартизации (МОС) эталонной модели взаимодействия открытых систем (ЭМ ВОС/МОС). В ней предусмотрена стандартная декомпозиция функций УВС на семь уровней, и лишь на седьмом (прикладном) уровне проводится программное решение прикладной КЗУ (12), а остальные уровни выполняют служебные функции, связанные с передачей данных между станциями сети (организации доступа к каналу связи, адресации данных, выявления ошибок передачи, маршрутизации в сети сложной конфигурации, кодирования и декодирования и др.). Хотя число уровней ЭМ ВОС/МОС избыточно для построения реальных распределенных АСУТП (в этой связи по рекомендациям МЭК разработана иная, пятиуровнсвая модель Proway магистральных УВС для производства), однако стандартизованные аппаратно-программные решения служебных функций на первых трех уровнях следует отнести к типовым.

Такие ТР с уменьшенным числом уровней широко используют на практике, в частности при построении сетей MAP/TOP для интегрированных АСУТП, где для реализации АСУТП используются только первый, второй и седьмой уровни ЭМ ВОС/МОС на базе готовых конструктивных блоков, выпускаемых серийно ведущими фирмами [10]. Такие ТР можно представить моделью.

.

где П. ПТ, Т — соответственно программные, программно-технические и технические средства ПТК для решения прикладных задач;(З_l, З_n -для l— й и n-й станций) и служебных задач (р_i , р_i' - при передаче и приеме данных на i-м уровне);

T₀ -физический канал связи (нулевой уровень); стрелки показывают направления передачи данных и квитирующих сигналов с использованием стандартизованных межуровневых интерфейсов — программных или технических;

^*i — стандартизованный протокол i-го уровня.

Необходимость решения прикладных задач управления в реальном времени, когда время решения Т_k любой такой k-й задачи, входящей в структуру (12), ограничено некоторой предельно допустимой величиной Т⁺_k

(16).

приводит к аналогичному условию доступа к физическому каналу связи в пределах гарантированного времени — ф⁺_l:

(17) ,.

где — время доступа i-й станции к физическому каналу по запросу на решение k-й задачи, если ее решение относится к компетенции l-й станции и требует исходных данных, находящихся на другой станции (обычно — на специальном файл-сервере); это время зависит от характера задачи З_k и текущей ситуации S_t, на объекте управления и в УВС.

Поскольку время ввода-вывода исходных данных и результатов решения включается в величину T_k для обеспечения быстрого доступа к магистрали в современных УВС используется в качестве ТР маркерный метод доступа с детерминированной дисциплиной передачи маркера.

.

при которой гарантируется выполнение условий (16), (17).

Анализ рассмотренных ТР показывает, что их использование связано, с одной стороны, с требованиями повышения надежности АСУТП (обеспечиваются с помощью TP₁), снижения стоимости ПТК (TP₁, TP₂), открытости ПТК и унификации связей (TP₃), обеспечения условий решения КЗУ в реальном времени (TP₁, TP₄), а с другой, ~ с такими особенностями реальных задач управления в АСУТП, как комплексный характер этих задач и их высокая размерность, локализация задач управления по группам технологического оборудования, территориальное рассредоточение ТОУ. Требования более частного характера приводят и к более частным ТР, перечень которых можно продолжить.

Задача архитектурного синтеза АСУТП сегодня имеет ряд ТР, удовлетворяющих важнейшим требованиям к системам и учитывающих основные особенности задач комплексной автоматизации технологических процессов. Адаптация таких решений к реальным условиям, как правило, не вызывает принципиальных трудностей в отличие от задачи системотехнического синтеза, где получение важнейшей структурыфункциональной (12), на основе которой синтезируются остальные, до сих пор слабо разработаны.