СomputerServiceParts – компьютерные комплектующие и программное обеспечение

Протокол модели OSI представляет набор правил, определяющих начало, сам процесс связи и его окончание между одноранговыми объектами.

Перед передачей на нижеследующий уровень к сообщению добавляется управляющая информация – заголовок уровня (#N) в соответствии с протоколом, принятым на данном уровне. Уровням модели OSI соответствуют стандарты 1ЕЕЕ 802.x. В рамках 1ЕЕЕ в 1980 г. был образован комитет 802 по стандартизации сетей. В комитете 802 были утверждены подкомитеты 802.1-802.9. Подкомитет 802.1 разрабатывает архитектуру управления сетями и стандарты управления сетевыми устройствами на аппаратном уровне; 802.2 – протоколы для подуровня 2.2 (LLС); 802.3-802.5 разрабатывают стандарты для подуровня 2.1 (МАС) и физического уровня. 802.6 разрабатывает стандарты на городские сети; 802.7 и 802.8 – технические консультативные подкомитеты, разрабатывают методики передачи данных в широком диапазоне частот, в том числе по оптоволокну; 802.9 разрабатывает стандарты для интегрированных сетей (передача речи и данных).

В стандарте IEEE 802.2 уровень 2 разделен на два подуровня: подуровень управления доступом к среде – МАС (Medium Access Control) и подуровень управления логическим каналом – LLС (Logical Link Control).

Стандарты, описывающие физический уровень и МАС-подуровень

Стандарт IEEE 802.3 на физическом уровне представляет собой стандарт сети Ethernet, основанный на множественном доступе с прослушиванием несущей и обнаружением коллизий, – CSMAСD. Сюда также относятся Fast Ethernet (стандарт 802,3u) и Gigabit Ethernet (стандарты 802.3z и 802.3ab – Gigabit Ethernet на витой паре категории 5).

Большинство промышленных сетей поддерживают 1, 2 и 7-й уровни ОSI-модели – физический, уровень передачи данных и прикладной уровень.

Установление и поддержка физического соединения

Физический уровень обеспечивает необходимые механические, функциональные и электрические характеристики для установления, поддержания и размыкания физического соединения (стандарт Х.21 1ССТТ – Международный консультативный комитет по телефонии и телеграфии). Канальный уровень гарантирует передачу данных между устройствами. Этот уровень управляет не только сетевым доступом, но также механизмами защиты и восстановления данных в случае ошибок при передаче.

Сетевой уровень определяет функции маршрутизации «пакета» через несколько логических каналов по одной или нескольким сетям. Принадлежностью пакета является сетевой адрес. Транспортный уровень решает задачи прокладки маршрута в сети и продвижения пакета данных по маршруту. Используется механизм «окна» с подтверждением получения данных от отправителя (стандарт Европейской организации производителей ЭВМ- ЕСМА-72). Сеансовый уровень определяет синхронизацию информационного взаимодействия прикладных процессов обмена данными, т. е. поддержание диалога между процессами определенного типа. Уровень представления данных обеспечивает представление данных в требуемом формате. Хранение и обработка данных осуществляются СУБД.

Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных (реализуются функции «объект-объект», «объект-оператор», «оператор-объект», «объект-архив»).

При проектировании корпоративных сетей следует учитывать способ организации передачи данных. Сети могут быть основаны на выделенных (т.е. арендуемых) каналах, на коммутации каналов и коммутации пакетов. В сетях, основанных на коммутации каналов, определенное время тратится на передачу пакетов. Наибольшее применение находят сети с коммутацией пакетов (сети Х.25, SMDS, ATM, Frame Relay и др.). Основное внимание уделено локальным вычислительным сетям, используемым в промышленной автоматизации. Отметим лишь, что к городским сетям (MAN) относятся сети Frame Relay, FDDI, DQDB, АТМ, SMDS и некоторые др. Скорость передачи в этих сетях различна, но наибольшая – около 45 Мбитс (Frame Relay и SMDS). Глобальные сети (WAN), к которым относятся сети АТМ, B-ISDN и др., используют высокоскоростные технологии передачи данных. Так, скорость передачи в сетях АТМ составляет порядка 155 Мбит с.

Любая производственная технология представляет собой ряд шагов от обработки сырья до организации системы хранения продукции, и все эти операции должны быть связаны информационными сетями. Сети, обеспечивающие информационные потоки между контроллерами, датчиками сигналов и разнообразными исполнительными механизмами, объединяются общим названием промышленные сети (FieldBus, или полевая шина).

Промышленная сеть должна решать две основные задачи:

• обеспечивать совместимость на уровне сети приборов от разных производителей;
• обеспечивать выход в коммерческие системы обработки данных, например МАР или ТОР.

Стандартной промышленной сети сейчас не существует, так как эта область развивалась благодаря усилиям отдельных компаний или их групп. В 1978 г. Международной организацией по стандартизации (ISО) с целью разрешения проблемы взаимодействия сетевых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (OSI-модель, ISООSI Model или семиуровневая модель).

На каждом уровне технологического процесса происходит обработка специфических наборов данных. Такие требования, как скорость передачи данных, протоколы передачи, физические интерфейсы и т.д., управляют выбором того или иного сетевого решения при построении сложных распределенных систем. Гарантия совместной работы отдельных частей системы возможна лишь при использовании соответствующих стандартов связи между этими частями.

Административный уровень системы управления производством сегодня представлен целым рядом протоколов, среди которых наиболее известны следующие:

• Протокол автоматизации производства МАР 3.0 (Manufacturing Automation Protocol) фирмы General Motors. Протокол использует все семь уровней модели OSI. На физическом уровне для передачи выделены три частотных диапазона в полосе 12 МГц со скоростью передачи 10 Мбитс в каждом из диапазонов. В случае концепции полностью автоматизированного производства для каждого из уровней модели OSI разработаны стандарты ISO (для 1-го уровня – ISO 88024, для 2-го – ISO 88022, для 3-го – ISO 8473 и т.д.). На 7-м используются производственные сообщения MMS по стандарту ISO 9506.
• Протокол деятельности учреждения ТОР 3.0 (Technical Office Protocol) фирмы Boeing. Отличие от МАР 3.0 только на 1, 2 и 7-м уровнях. На физическом уровне скорость передачи составляет 4 Мбитс по витой паре с топологией «кольцо» или 10 Мбитс по коаксиальному кабелю с топологией «шина» (стандарты ISO 88023 и 88025 соответственно). На 7-м уровне обеспечивается обмен электронной почтой, обработка учрежденческих документов, служба виртуального терминала (обмен программами ЭВМ) и др.

В 70-х гг. XX в. технология аналоговой приборной связи стала стандартной, в результате чего производители контрольно-измерительной аппаратуры получили средство коммуникации, на основе которого их продукты можно было интегрировать в единые системы управления. С развитием цифровой технологии ситуация в этой области изменилась. Благодаря таким преимуществам, как экономичность решений, информативность, надежность и безопасность, наблюдается бурный переход от аналоговой технологии к цифровой.

В 80-х гг. цифровая технология проникла на все уровни промышленного производства, начиная с офисов и кончая датчиками. При разработке стандартного цифрового протокола были поставлены следующие требования:

• возможность подключения нескольких приборов к одной полевой шине;
• возможность совместного функционирования приборов разных производителей;
• равноправная связь между интеллектуальными приборами, подключенными к полевой шине;
• расширение возможностей передачи данных по сравнению с аналоговой связью (увеличение производительности и скорости передачи).

В 1994 г. организацией Fieldbus Foundation, объединяющей более 125 компаний, по согласованию с европейскими компаниями был введен стандарт Fielbus (1ЕС-61158-2), включающий восемь подстандартов на сети Foundation Fieldbus, Control Net, Profibus, P-Net, Interbus и др.

Естественно, возникла задача обмена данными между всеми уровнями технологического процесса. Таким образом, появились следующие понятия:

• С1М (Computer Integrated Manufacturing);
• CIP (Computer Integrated Proccesing).

Эти понятия, сформулированные в конце 80-х гг., формируют все технологические и организационные требования, необходимые для получения нового качества изделий. Самым существенным компонентом модели С1МС1Р является организация связи, а это, прежде всего, гарантия надежной регистрации событий, получения и обработки данных, своевременной выдачи управляющих воздействий.

Промышленная сеть – это среда передачи данных, которая должна отвечать множеству разнообразных, зачастую противоречивых требований, набор стандартных протоколов обмена данными, позволяющими связать воедино оборудование различных производителей, а также обеспечить взаимодействие нижнего и верхнего уровней системы управления предприятием.

Основные требования, предъявляемые к промышленной сети:

• Высокая производительность.
• Предсказуемость времени доставки информации.
• Помехоустойчивость.
• Доступность и простота организации физического канала передачи данных.
• Максимально широкий сервис для приложений верхнего уровня.
• Минимальная стоимость устройств аппаратурной реализации, особенно на уровне контроллеров.
• Максимальный доступ к каналу с минимальным временем ожидания в очереди.
• Возможность резервирования сети и сетевых устройств.

Различают следующие типы сетей:

• локальные сети LAN (Local Area Networks) – сети, расположенные на ограниченной территории;
• городские сети MAN (Metropolitan Area Networks) – сети, предназначенные для обслуживания территории крупных городов (мегаполисов). Эти сети связывают локальные сети в масштабах города и обеспечивают их выход в глобальные сети;
• глобальные сети WAN (Wide Area Networks) – сети, объединяющие территориально удаленных пользователей на большой территории (за пределами городов).

К промышленным сетям вполне применимы результаты теоретических разработок в области коммуникационных сетей общего назначения, поэтому становятся вполне понятными ссылки на модель взаимодействия открытых систем OSI, принятую Международной организацией по стандартизации ISO.

Разработчик АСУ ТП при выборе SCADA-системы, контроллеров и др. аппаратуры, поддерживающих технологию , может рассчитывать на взаимопонимание компонентов системы. К сожалению, при наличии в системе аппаратных средств др. фирм, интерфейсы которых не поддерживают -взаимодействие, использование их в сетевом обмене данными затруднено. В этом случае требуется разработка специализированных Серверов, обладающих свойствами открытости. При этом разработчик (пользователь) должен написать динамическую библиотеку (DLL), содержащую полный код, необходимый для управления конкретным устройством, либо обеспечить связь с соответствующей DLL, поставляемой производителем этого устройства.

Специализированный Сервер разрабатывается на основе программной заготовки, созданной некоторыми фирмами. Так, фирма Iconics, изначально спроектировавшая SCADA-систему Genesis32 на основе -технологии, предлагает ToolWorX, оформленный в виде дополнительного мастера в Wizard, который встроен в среду разработки Visual C++. Мастер генерирует проект, в котором требуется выполнить модификацию фрагментов кода, связанных со спецификой обслуживаемого устройства нижнего уровня. Так, на базе Iconics ToolWorX создан универсальный Сервер фирмы Fastwel – Universal Server. Этот Сервер предусматривает подключение динамической библиотеки (DLL), написанной пользователем для конкретного устройства. Недостатком Сервера служит то, что клиент получает данные из внутреннего буфера DLL, а не непосредственно от устройства ввода, что служит причиной некоторой временной задержки обмена данными. Эти недостатки устраняются в предлагаемых структурах Серверов.

Для разработки Сервера в АСУ ТП, использующей SCADA-систему FIX dynamics, целесообразно использовать пакет для разработки приложений фирмы Intellution.

На верхней ступени иерархии находится сам Server-объект. Для подключения Сервера к реальному объекту Item-объекты содержат ссылки на созданные Сервером теги. Пример полного имени тега: Контроллер_1. Модуль_2. Аналоговый вход_1.

Обмен данными между клиентом и Сервером может быть в трех режимах:

• синхронный режим чтения-записи данных,
• асинхронный режим чтения-записи данных,
• режим подписки (только чтение данных).

При синхронном режиме Клиент запрашивает у Сервера интересующие его переменные и находится в режиме ожидания. После выполнения запроса Клиент считывает значения переменных.

При асинхронном режиме обмена Клиент запрашивает у Сервера значения переменных с заданной частотой обновления данных, определенной при создании Group, и продолжает работать. После выполнения запроса Сервер сам оповещает об этом Клиента. Этот режим является наиболее распространенным в силу экономии вычислительных ресурсов и времени.

Режим подписки аналогичен асинхронному режиму с той лишь разницей, что Сервер посылает Клиенту уведомление лишь в случае изменения значений переменных. Передача этих данных осуществляется единым блоком с целью снижения временных затрат, что особенно важно при обмене по сети.

Типовая структура Сервера с открытой архитектурой.

Открытая архитектура Сервера предусматривает возможность его работы (после небольшой доработки) с любым аппаратным или программным средством, поддерживающим технологию . Чтение данных с устройств ввода или прямо из кэш-памяти данных осуществляется с помощью функции Read. В свою очередь функция ReadFromDevices опрашивает устройство ввода и передает данные Клиенту. Функция Write служит для записи данных Клиента на устройство вывода иили в кэш-память данных. Функции обновления устройства ввода, кэш-памяти данных и Клиентов осуществляются с частотой, заданной клиентом при формировании Group.

Одной из основных характеристик Сервера является его производительность. Известны три вида Серверов в зависимости от их местонахождения:

• Внутризадачный Сервер (InProcess Server), находящийся в адресном пространстве Клиента. Оформлен, как динамическая библиотека (DLL), а не как самостоятельная программа.
• Локальный Сервер (Local Server) – сервер работает в отдельной самостоятельной программе того же компьютера, в котором расположен Клиент.
• Удаленный Сервер (Remote Server) – сервер расположен на другом (удаленном по сети) компьютере.

Естественно, производительность внутризадачного сервера выше локального, а последнего – выше, чем удаленного. Однако другим важным фактором, влияющим на производительность Сервера, является возможность группировки данных, отправляемых Клиентам.

Так, по данным Web-узла Foundation предельная пропускная способность внутризадачного сервера (процессор Pentium 233 МГц) составляет до 1 млн элементов в секунду, что является вполне достаточным для подавляющего числа процессов. Пропускная способность локального Сервера составляет от 3000 до 60000 элементов в секунду. Для удаленного Сервера по сети Ethernet 10 Base-Т пропускная способность колеблется от 330 до 7000 элементов в секунду.

Один из параметров технологического процесса, имеющий значение (Data Value), время последнего обновления (Time Stamp) и признак качества (достоверности) значения (Quality).

Следующим вверх по иерархии является понятие группы элементов (Group-объект). Создается Сервером по требованию клиента, который задает частоту обновления данных этой группы. Для каждого клиента сервером создается своя группа. Элементы в группе имеют имена, являющиеся, по сути, именами реальных переменных (тегов). Имена тегов клиентом запрашиваются по специальному интерфейсу BrowseServerAdressSpace.