1-Мавзу: Ахборот тизимларининг инструментал воситаларига кириш. Режа

Бошланғич нолинчи даража  датчиклар ва бажарувчи қурилмаларни (актуаторлар) ўз ичига олади: ҳаво ҳароратини ўлчаш датчиклари, босим, дискретли датчиклар, контакторлар, электромагнитли клапанлар, электр ўлчагичлар ва бошқалар. Датчиклар AS-интерфейс (ASI), 1-Wire или CAN, HART ва бошқа типли интерфейсларни ўз ичига олади.
4...20 мА, 0...20 мА, 0...5 В аналогли интерфейслар нолинчи даражанинг эскирган интерфейслари ҳисобланади. Ҳозирги вақтда интеллектуал датчиклар яратилган бўлиб, уларда сонли интерфейс, ўзида мужассам бўлган контроллерлар ва ўзининг хотираси мавжуд.
Биринчи даража саноат тармоқларида ахборот алмашинишга мўлжалланган дастурлаштириладиган мантиқий контроллерлар, аналог-рақамли ва дискретли киртиш-чиқариш модулларидан ташкил топган. Уларга мисол қилиб Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus турдаги контроллерларни айтишимиз мумкин.
Иккинчи (назоратчи) даража  инсон-машина интерфейсли ишчи компьютерлардан ташкил топган. Энг кенг тарқалган бошқарувчи дастур воситаси бу инсон-машина интерфейсли SCADA-пакетларидир.
Назоратчи компьютер технологик жараённинг боришини кузатади ёки компьютер экранидаги мнемосхемалар ёрдамида уни бошқаради. Назоратчи компьютер шу билан биргаликда, йиғилган маълумотларни архивлайди, оператор ҳаракатини ёзади, аварияли ва технологик сигналларни таҳлил қилади, аварияга қарши ҳимоя сигналларини ишлаб чиқади ва технологик жараёнларни бошқаришнинг бошқа кичик қисмларини бажаради. Назоратчи компьютерлар тармоққа уланганлиги туфайли, уларни ихтиёрий биридан туриб жараёнларни кузатиш, бошқариш ва келиб чиқан муаммоларни бартараф этиш мумкин. Иккинчи даражанинг яна бир муҳим қисми реал вақтдаги маълумотлар базасининг мавжудлигидадир. У учинчи даражадаги иерархик бошқарув тизими билан алоқа алмашинуви воситаси ҳисобланади.
Учинчи даража (цехни бошқарувчи даража) технологик жараёнларни автоматлаштирилган бошқариш тизими билан корхона бошқарувининг автоматлаштирилган тизими интеграциясини таъминлайди. Корхона бошқарувининг автоматлаштирилган тизими ўзидаги корпорациялар сонининг кўплигига қараб, янада юқори бўлган тўртинчи даражани ўз ичига олиши ва ер юзининг турли мамлакатларида жойлашган ўзидан юқори бошқарувчи бўлган тизимлар билан интеграция қилиши мумкин.
Автоматлаштирилган бошқариш тизимининг даражалари сони корхонанинг катталигига боғлиқ равишда ўзгариб туриши мумкин.
Корхона бошқарувининг автоматлаштирилган тизими даражасида қуйидаги вазифалар ечилади:

• 
  ERP (Enterprise Resource Planning) – корхона ресурсларини режалаштириш;
  
• 
  MRP (Manufacturing Resource Planning) – корхонанинг технологик бўлимлари ресурсларини режалаштириш;
  
• 
  MES (Manufacturing Execution Systems) – ишлаб чиқариладиган ресурсларни бошқариш;
  
• 
  HRM (Human Resource Management) – инсон ресурсларини бошқариш;
  
• 
  EAM (Enterprise Asset Management) -  асосий фондларни, техник хизмат кўрсатиш ва тузатишларни бошқариш.
  

Охирги йилларда бошқарув масалаларини ҳал этишда интернет-технологияларини ишлатиш катта қизиқиш ўйғотмоқда. Уни фақат корпоратив бошқарув даражасида эмас, балки технологик қурилмаларни бошқариш даражасида ҳам қўллаш мумкин. Бу мақсадни амалга ошириш учун оддий компьютерларда жойлаштириладиган web-серверларни контроллерлар ёки киритиш-чиқариш модулларига микро web-серверлар сифатида жойлаштирамиз ва ишлатамиз. Ихтиёрий web-браузерлар ёрдамида, масалан Internet Explorer, технологик жараёнларни бошқариш мумкин бўлади. Бунинг учун технологик жараён мнемосхемасининг интернет-саҳифаси микро-веб-серверларда очилади.
1.2. Применение интернет-технологий
Когда часть компонентов системы автоматизации выходит за границы локальной сети и переходит на уровень глобальной сети WAN, стоимость каналов связи резко возрастает вследствие высоких тарифов на дальнюю телефонную связь. В этих условиях наиболее экономически выгодным оказывается применение интернета [Wang- Branch]. Стоимость его оказывается на порядки ниже благодаря коммутации пакетов, а не каналов, что позволяет существенно улучшить эффективность использования пропускной способности сети связи.
Вторым существенным преимуществом применения интернет-технологий в АСУ ТП является возможность использования на компьютере диспетчера любого веб-браузера (например, Internet Explorer), независимо от его производителя, типа аппаратной платформы или операционной системы. Например, компьютер диспетчера может работать под Windows, Linux, Unix, QNX, Windows CE и др.
Управление и мониторинг (наблюдение) через интернет привлекательны еще тем, что могут осуществляться из любой точки земного шара с помощью компьютера или мобильного телефона (коммуникатора). Такая возможность особенно важна для высшего руководства, которое часто бывает в командировках, а также для корпораций, имеющих подразделения в разных городах или странах.
Другими достоинствами автоматизированных систем, использующих интернет, являются:

• 
  снижение стоимости функционирования АСУ ТП вследствие удаленного управления (отсутствует необходимость присутствия человека на трудно доступном объекте);
  
• 
  снижение стоимости обслуживания благодаря удаленной диагностике, отладке и обновлению программного обеспечения через интернет - уменьшаются затраты на командировки;
  
• 
  возможность контроля состояния производственного или технологического процесса или управления им через мобильный телефон;
  
• 
  возможность автоматического вызова аварийной службы в случае срабатывания датчиков газа, дыма, пламени, затопления и пр.;
  
• 
  широкий выбор готовых (имеющихся в продаже) технических решений, аппаратных и программных продуктов для работы с интернетом.
  

Этот же подход может использоваться и в интранете (интранет - это локальная сеть, которая содержит веб-сервер и работает по тем же протоколам, что и интернет).
1.2.1. Проблемы и их решение
При коммутации пакетов, используемой в интернете, необходима промежуточная буферизация данных, которая вносит в процесс доставки сообщений задержку неопределенной величины, а при переполнении промежуточных буферов возможны потери данных. Интернет имеет также низкую надежность связи и плохую защищенность от несанкционированного доступа.
В настоящее время активно разрабатываются методы обеспечения качества обслуживания QoS (Quality of Service), призванные ослабить остроту перечисленных проблем. Тем не менее, неопределенность времени доставкисообщений и наличие задержки являются основными недостатками связи через интернет. Частичным решением этой проблемы в системах мониторинга является посылка данных вместе с метками времени [Liu]. Синхронизировать метки можно с помощью системы GPS (Global Positioning System). Однако это не решает проблемы в задачах с реальным временем, например, когда интернет-канал входит в контур обратной связи.
Существует достаточно много областей, где указанные ограничения не являются существенными. Кроме того, в правильно спроектированной распределенной системе управления интенсивность информационного обмена между ее компонентами спадает по мере удаления компонентов друг от друга, достигая минимума для случая удаленного обмена через интернет. Обратные связи в такой системе являются только локальными, за исключением контура управления с диспетчером, где время доставки сообщений сравнимо со временем реакции человека.
Примером задачи управления, в которой не требуется гарантированное время доставки сообщений, является дистанционное управление системами вентиляции, кондиционирования и обогрева зданий [Lin]. В системе устанавливают датчики температуры наружного воздуха, температуры в комнатах, датчики тока исполнительных устройств, датчики влажности, датчики света, а также исполнительные устройства для подачи электроэнергии в здание, для включения/выключения вентиляторов, обогревателей, кондиционеров, осушителей, увлажнителей, приточной вентиляции, вентиляции внутри помещения.
Наиболее безопасным применением интернета являются системы мониторинга, например, публикация на вэб-страничке информации о параметрах технологического процесса, действиях оператора, а также сводных отчетов и графиков. Такая интернет-система может быть полностью автономной, поскольку перечисленные данные могут быть взяты непосредственно из базы данных АСУ ТП без воздействия на сам технологический процесс. Возможность работы с базами данных поддерживается всеми современными веб-серверами.
1.2.2. Основные понятия технологии интернета
Основными компонентами интернета являются веб-серверы и веб-клиенты (браузеры). На жестком диске сервера может находиться множество веб-сайтов или FTP (File Transfer Protocol) каталогов с уникальными адресами URL (Universal Resource Locator). Данные между клиентом и сервером передаются с помощью протоколаHTTP (Hyper Text Transfer Protocol) или FTP. Маршрутизация (передача в нужном направлении) данных в интернете осуществляется с помощью 32-битной IP (Internet Protocol) адресации. Веб-страницы создаются с помощью языка разметки документа HTML (Hyper Text Markup Language) или его расширенной версии XML(eXtensible Markup Language), а также WML (Wireless Markup Language), который используется для мобильных телефонов, смартфонов, записных книжек PDA (Personal Digital Assistant), работающих с интернетом по протоколуWAP (Wireless Applications Protocol).
Связь между клиентами и серверами интернета выполняется по телефонным каналам связи, которые могут быть проводными, оптоволоконными или радио (в том числе сотовыми). Аналоговые каналы связи обычно имеют скорость передачи информации не более 56 кбит/с, поэтому используют цифровую связь ISDN (Integrated System Digital Network) со скоростью передачи до 128 кбит/с и DSL (Digital Subscriber Lines) со скоростью передачи до 8 Мбит/с. Разновидностями DSL являются асимметричный цифровой канал ADSL (Asymmetric DSL), в котором данные в одном направлении (абоненту) передаются со скоростью до 8 Мбит/с, а в обратном направлении - до 1 Мбит/с. Другими модификациями DSL являются ADSL2+, SHDSL, RDSL, VDSL, предоставляющие различные возможности абонентам. Общим обозначением различных модификаций DSL каналов является xDSL.
Беспроводной доступ в интернет можно обеспечить с помощью сотовых GSM (Global System for Mobile communications) модемов, беспроводного Ethernet, называемого еще WLAN - Wireless LAN, или Wi-Fi - Wireless Fidelity, оборудования  Bluetooth, ZigBee, WiMax, инфракрасного порта компьютера или спутниковой связи.
Спутниковый интернет обеспечивает одностороннюю связь (прием информации от спутника) с очень высокой скоростью (до 48 Мбит/с). При этом передача информации обеспечивается любыми другими видами связи.
Доступ по каналам сотовой связи выполняется с помощью системы пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service). Система GPRS обеспечивает скорость передачи в среднем около 20 Кбит/с (теоретический предел составляет 171,2 кбит/с) и оптимально приспособлена для прерывистого трафика, характерного для сетей Интернет/Интранет. Она обеспечивает пакетную коммутацию на всем протяжении канала связи, существенно снижая стоимость связи в сетях стандарта GSM. Соединение в системе GPRS устанавливается практически мгновенно и она поддерживает все самые распространенные сетевые протоколы передачи данных, в том числе интернет-протокол IP (Internet Protocol). Важным преимуществом GPRS по сравнению с голосовыми каналами сотовой связи является то, что плата берется не за время соединения, а за объем переданной информации. В сотовых телефонах основной сферой применения GPRS является просмотр WAP-страниц. Также возможна отсылка SMS (Short Message Service) через сеть GPRS. При подключении GSM модема в режиме GPRS к компьютеру можно выходить в интернет, при этом интернет-провайдером является оператор сотовой связи.
Усовершенствованием GPRS является система EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution), позволяющая обеспечить передачу данных со скоростью до 474 кбит/с. Реально достижимая средняя скорость передачи данных составляет 100–120 кбит/с, с пиковыми значениями до 230 кбит/с.
1.2.3. Принципы управления через интернет
Существует два различных способа управления через интернет, на основе которых построен ряд коммерческих продуктов: способ удаленного терминала и способ деления SCADA пакета на серверную и клиентскую части.
Удаленный терминал можно представить себе как удлинение проводов мыши, клавиатуры и монитора с помощью интернета, при этом визуализация выполняется в окне веб-браузера, а на компьютер через интернет передаются только сигналы от мыши и клавиатуры. Управляемая программа исполняется на удаленном от пользователя компьютере, на котором устанавливается специализированный веб-сервер. Прямо из веб-браузера можно работать с запущенными на веб-сервере программами, с файловой системой и реестром сервера, запускать программы, контролировать выполняющиеся приложения и службы, устанавливать права доступа к системе, получать информацию о загрузке процессора и оперативной памяти.
Примерами таких программ могут служить пакеты фирмы LogMeIn RemotelyAnywhere (www.remotelyanywhere.com), GoToMyPC (www.gotomypc.com) и SpyAnywhere (www.spyanywhere.com).
Удаленный терминал можно использовать для управления любой программой, в том числе SCADA. Его недостатком является требование большой пропускной способности интернет-канала, поскольку через интернет передается весь экран удаленного компьютера.
Второй способ удаленного управления через интернет основан на делении SCADA пакета на серверную и клиентскую части. Клиентская часть представляет собой веб-браузер, который просматривает специализированную веб-страницу, находящуюся на веб-сервере. На этой странице создается специализированный интерфейс с графикой и анимацией. Анимация выполняется с помощью JScript, VBScript, Java апплетов, Flash и анимированных GIF-файлов. Поскольку основная часть визуальной динамики пользовательского интерфейса исполняется на клиентском компьютере, а с сервера передаются только данные об объекте автоматизации, существенно снижаются требования к пропускной способности интернет-канала.
JavaScript или VBScript применяются в таких системах для создания динамических веб-страниц (с вращающимися лопастями вентиляторов, с движением жидкости в трубах и т. п.), для оперативной проверки правильности действий пользователя при заполнении форм до передачи страницы на сервер, для взаимодействия с пользователем при решении таких задач, которые не требуют обращения к серверу.
Веб-страница может воспринимать действия пользователя, например, нажатие кнопок, заполнение форм и передавать их серверу. Сервер в ответ формирует новую веб-страницу с элементами, измененными в соответствии с действиями пользователя. Выполняется это с помощью CGI-сценария (Common Gateway Interface), который пишется обычно на языке Perl и располагается на сервере (подробнее см. в книге [Матросов]). Название "сценарий" или "скрипт" связано с тем, что программа не транслируется в исполняемый код, а выполняется непосредственно, с помощью интерпретатора языка [Матросов]. Язык Perl используется только на серверах, работающих под операционной системой Unix, поэтому программистам, работающим с Windows, он обычно незнаком.
Для среды Windows фирма Microsoft предложила технологию ASP.NET (Active Server Pages) [Макдональд], которая позволяет создавать веб-страницы, находящиеся на сервере и содержащие код сценариев VBScript или C#. Результаты выполнения сценариев VBScript передаются от сервера клиенту. Технологию ASP.NET можно использовать на сервере Internet Information Server (IIS), который работает под управлением Microsoft Windows Server. В частности, вебсайт, на котором Вы сейчас находитесь, разработан на основе ASP.NET и IIS. Система управления навигацией по сайту выполнена с помощью VisualBasic.NET, который позволяет использовать стандартный ОРС сервер для взаимодействия с устройствами ввода-вывода, как это описано в разделе"Программное обеспечение".
Отметим, что JScript и VBScript, ActiveX, Flash и анимированные GIF исполняются только на стороне клиента без взаимодействия с сервером, в то время как CGI и ASP.NET исполняются на стороне веб-сервера и именно они извлекают данные из OPC сервера или базы данных SCADA системы, чтобы отослать их клиенту.
Данные между клиентом и сервером могут пересылаться в виде сообщений SOAP (Simple Object Access Protocol) [Макдональд], которые используют транспортный протокол HTTP. Сообщения SOAP используют гибкую грамматику языка XML. SOAP активизирует два процесса, которые могут находиться на разных компьютерах, но взаимодействуют друг с другом независимо от программных и аппаратных платформ, на которых они реализованы.
Взаимодействие между клиентской и серверной частью SCADA (см. рис. 1.10) выглядит следующим образом [Radwan]. Когда пользователь хочет получить данные от контроллера через интернет, он нажимает некоторую командную кнопку в окне веб-браузера. Этот запрос посылается серверу через интернет в формате SOAPсообщения. Когда веб-сервер получает SOAP-сообщение через TCP порт 80, запрос направляется обработчику скрипта ASP.NET, который также располагается на веб-сервере. Веб-сервис (Web service) [Макдональд] создает запрашиваемые данные или передает управление программе (например, на языке VB.NET), которая общается с контроллером через ОРС сервер. Полученные таким образом данные выкладываются на веб-страницу, которую видит пользователь с помощью веб-браузера. При входе на веб-сервер операционная система (Windows илиLinux) производит идентификацию пользователя и предоставляет доступ к информации в соответствии с его правами.
В случае удаленного управления на основе WAP пользователь получает доступ к управляемой системе через мобильный телефон (GSM-модем). WAP поддерживается стандартами GSM, TDMA, CDMA, GPRS.

Рис. 1.10. Архитектура автоматизированной системы, использующей интернет

1.2.4. Микро веб-серверы
Веб-серверы для интернета обычно располагаются на мощных компьютерах и содержат жесткие диски большой емкости. Однако для удаленного управления в АСУ ТП часто достаточно иметь на сервере всего одну несложную веб-страницу. Для этой цели используют микро веб-серверы [Jiao,Liu] (встраиваемые веб-серверы,Embedded Web Server), выполненные в виде микросхемы, которая располагается на печатной плате ПЛК или интеллектуального датчика [Liu], в холодильнике, кондиционере, в офисном оборудовании и др. Каждый микро-веб сервер доступен по своему интернет-адресу.
В предыдущие годы проблемой технической реализации микро веб-серверов была необходимость большой вычислительной мощности для реализации протокола TCP/IP. В настоящее время появились дешевые однокристальные микроконтроллеры фирм Crystal Semiconductor, Winbond, Realtek, Seiko Instruments, младшие модели микроконтроллеров фирм Microchip (PIC12C509), Atmel (микроконтроллеры линейки Tiny AVR), Fairchild (ACE1101) со встроенной реализацией протоколаTCP/IP. Это позволило применять вэб-серверы даже внутри датчика. Технологию применения микро веб-серверов называют "встроенным интернетом" (Embedded Internet).
1.2.5. Примеры применения
В литературе описано множество примеров применения интернета для удаленного управления и мониторинга [Overstreet- Malek]. В работе [Overstreet] описана виртуальная лаборатория в ВУЗе, доступ к которой студенты могут осуществить, не выходя из общежития. Дистанционно можно задать исходные параметры для проведения эксперимента, включить экспериментальную установку и получить результат. Экспериментальная установка подключается к интернету с помощью веб-сервера, который взаимодействует с управляющим контроллером. Студенты могут дистанционно загружать в контроллер исполняемый код программы для автоматического выполнения эксперимента.
При дистанционной работе с микроскопом [Weaver] удаленный пользователь через интернет может наблюдать изображение, передвигать камеру микроскопа, изменять увеличения, подстраивать фокус.
В работе [Liu] описана система управления катером через интернет. Управляемыми параметрами являются: положение руля, скорость, состояние включено/выключено прожектора и гудка. Положение катера находится с помощью GPS (Global Positioning System). Контроллер с беспроводным Ethernet интерфейсом, установленный на катере, и беспроводная Ethernet видеокамера обмениваются информацией по беспроводному Ethernet радиоканалу с веб-сервером, установленным неподалеку на персональном компьютере. Управление катером может осуществляться из любой точки земного шара с помощью обычного Internet Explorer.
Калифорнийский университет в Беркли (США) разработал систему автоматизированного проектирования и изготовления металлических деталей [Renton], которая позволяет из заготовки вырезать тела произвольной формы с помощью стандартных операций обработки металла. Все операции выполняются удаленно (например, с другого континента), через интернет. Система включает в себя подсистему моделирования технологических процессов для оптимизации технологических режимов обработки, которая также доступна через интернет. Дистанционно доступны методы оптимизации режимов для фрезеровки, сверления, нарезания резьбы, проектирования арматуры и оценки качества смазки. Входными данными являются геометрия резки, средство резки и материал, режимы работы машины и типы смазки, выходными величинами являются силы, моменты, мощность, упругая деформация инструмента, динамика процесса и шероховатость поверхности. С помощью видеокамеры можно наблюдать процесс изготовления детали и управлять им. Доступ к производственным возможностям через интернет исключает необходимость иметь собственное дорогостоящее экспериментальное оборудование.
В настоящее время большинство коммерческих SCADA-пакетов имеют средства построения web-интерфейса.