Основные типы децентрализованных структур

Функционально-целевая децентрализация – это разделение сложного процесса или системы на меньшие части – подпроцессы или подсистемы по функциональному признаку (например, переде­лы технологического процесса, режимы работы агрегатов и т.д.), имеющие самостоятельные цели функционирования.

Топологическая децентрализация означает возможность территориального (пространственного) разделения процесса на функцио­нально-целевые подпроцессы. При оптимальной топологической де­централизации число подсистем распределенной АСУ ТП выбира­ется так, чтобы минимизировать суммарную длину линий связи, образующих вместе с локальными подсистемами управления сете­вую структуру.

Технической основой современных распределенных систем уп­равления, обусловившей возможность реализации таких систем, являются микропроцессоры и микропроцессорные системы.

Микропроцессорная система выполняет функции сбора данных, регулирования и управления, визуализации всей информации базы данных, изме­нения уставок, параметров алгоритмов и самих алгоритмов, опти­мизации и т.д. Использование микропроцессоров (в том числе микроЭВМ) для решения перечисленных задач дает возможность достичь сле­дующих целей:

а) заменить аналоговые технические средства на цифровые там, где переход к цифровым средствам повышает точность, расширяет функциональные возможности и увеличивает гибкость систем уп­равления;

б) заменить технические средства с жесткой логикой на программируемые (с возможностью изменения программы) устройства, или микроконтроллеры;

в) заменить одну мини-ЭВМ системой из нескольких микроЭВМ, когда необходимо обеспечить децентрализованное управление производством или технологическим процессом с повышенной на­дежностью и живучестью или когда возможности мини-ЭВМ пол­ностью не используются.

Микропроцессорные системы могут выполнять в подсистемах распределенной АСУ ТП все типовые функции контроля, измере­ния, регулирования, управления, представления информации опе­ратору.

В распределенных АСУ ТП приняты в основном три топологические структуры взаимодействия подсистем: звездообразная (радиаль­ная); кольцевая (петлевая); шинная (магистральная) или их комбинации. Организация связи с датчиками и исполнительны­ми устройствами носит индивидуальный и преимущественно ради­альный характер.

На рис.2.1 изображены варианты топологий рас­пределенных АСУ ТП.

Радиальная структура взаимодействия подсистем (рис.2.1,а) отражает традиционно применявшийся способ соединения уст­ройств с выделенными линиями связи и характеризуется следую­щими особенностями:

а) существуют отдельные, не связанные между собой линии, объединяющие центральную подсистему (ЦП) с локальными системами автоматики ЛА_i;

б) технически просто реализуются устройства сопряжения УС₁—УС_m локальной автоматики. Центральное устройство связи УСЦ представляет собой набор модулей типа УС_i по числу линий либо достаточно сложное устройство мультиплексирования кана­лов передачи информации;

в) обеспечиваются максимальные скорости обмена по отдель­ным линиям при достаточно высокой производительности вычисли­тельных устройств на уровне ЦП;

г) надежность подсистемы связи в значительной степени зави­сит от надежности и живучести технических средств ЦП. Выход из строя ЦП практически разрушает подсистему обмена, так как все потоки информации замыкаются через верхний уровень.

Рисунок 2.1 – Типовые структуры распределенных АСУ ТП: а — радиальная, б — магистральная, в — кольцевая

Распределенная система с радиальной структурой является двухуровневой системой, где на нижнем уровне в подсистемах реа­лизуются необходимые функции контроля, регулирования, управле­ния, а на втором — в ЦП координирующая микроЭВМ (или мини-ЭВМ) кроме координации работы микроЭВМ-сателлитов осущест­вляет оптимизацию задач управления ТОУ, распределение энергии, управляет технологическим процессом в целом, вычисляет технико-экономические показатели и т.п. Вся база данных в распределен­ной системе с радиальной структурой должна быть доступной координирующей микроЭВМ для прикладных программ управле­ния на верхнем уровне. Вследствие этого координирующая микроЭВМ работает в режиме реального времени и должна управляться с помощью язы­ков высокого уровня.

На рис.2.1 (б, в) изображены кольцевая и шинная топологии взаимодействия уровней. Эти структуры имеют ряд достоинств по сравнению с радиальной:

а) работоспособность подсистемы связи, включающей в себя канал и устройства связи, не зависит от исправности технических средств на уровнях автоматизации;

б) имеются возможности подключения дополнительных уст­ройств и контроля всей подсистемы с помощью специальных средств;

в) необходимы значительно меньшие затраты кабельной продукции.

За счет обмена информацией между ЛА_i через канал свя­зи и УС («каждый с каждым») появляется дополнительная воз­можность динамического перераспределения функций координа­ции совместной работы подсистем ЛА по нижним уровням в случае выхода из строя ЦП. Шинная (в меньшей степени кольцевая) структура обеспечивает широковещательный режим обмена между подсистемами, что является важным преимуществом при реализа­ции групповых команд управления. Вместе с тем шинная и кольце­вая архитектура предъявляет уже значительно более высокие требования к «интеллекту» устройств сопряжения, а следовательно, повышенные единовременные затраты на реализацию базовой сети.

Сравнивая кольцевую и шинную топологии подсистемы связи, следует отметить, что организация кольцевой структуры менее дорогостоящая, чем шинная. Однако надежность всей подсистемы с кольцевой системой связи определяется надежностью каждого устройства сопряжения и каж­дого отрезка линий связи. Для повышения живучести необходимо применение двойных колец или дополнительных линий связи с об­ходными путями. Работоспособность физического канала передачи для шинной архитектуры с трансформаторной развязкой не зависит от исправности устройств сопряжения, однако, как и для кольца, выход из строя любого устройства сопряжения в наи­худшем случае приводит к полностью автономной работе отказав­шего узла подсистемы, т. е. к потере функции управления от уров­ня ЦП автоматикой отказавшего узла.

Явным методом повышения живучести всей системы автомати­ки в случае отказа устройств согласования в подсистеме связи является дублирование устройств согласования в узлах подсисте­мы. В кольцевой структуре такой подход уже подразумевается при организации двойных колец и обходных путей. Если надеж­ность непрерывного физического канала для нижней топологии не вызывает сомнений, то возможно дублирование только устройств сопряжения без применения резервного магистрального кабеля.

Более дешевым способом повышения надежности подсистемы связи является использование комбинированных структур, сочетаю­щих в себе достоинства радиальных и кольцевых (магистральных) топологий. Для кольца число радиальных связей может быть огра­ничено двумя-тремя линиями, реализация которых дает простое и недорогое решение.

Оценка таких показателей распреде­ленных АСУ ТП, как экономические (затраты на кабельную про­дукцию, трассировку кабеля, на разработку или приобретание сете­вых средств, в том числе устройства связи и т. п.), функциональные (использование групповых операций передачи, интенсивность обме­на, возможность обмена «каждый с каждым»), а также показатели унификации и возможности эволюции сети (возможность простого включения дополнительных узлов-абонентов, тенденции к примене­нию в АСУ ТП) и показатели надежности сети (отказ канала связи и устройств связи или сопряжения), позволяет сделать следующие выводы:

а) наиболее перспективной в смысле разви­тия и использования является магистральная организация подси­стемы связи;

б) функциональные возможности магистральной топо­логии не уступают возможностям кольцевой и радиальной;

в) на­дежностные показатели магистральной структуры достаточно удовлетворительные;

г) магистральная топология распределенной АСУ ТП требует больших единовременных затрат на создание и внедрение канала связи и устройств сопряжения.

Во многом благодаря этим особенностям магистральной струк­туры и модульной организации аппаратных и программных средств в современных АСУ ТП магистрально-модульный принцип построе­ния технического обеспечения нашел преимущественное распрост­ранение.

Применение микропроцессоров и микроЭВМ позволяет эффек­тивно и экономно реализовать принцип функциональной и топо­логической децентрализации АСУ ТП. Тем самым можно значи­тельно повысить надежность и живучесть системы, сократить до­рогостоящие линии связи, обеспечить гибкость функционирования и расширить область применения в народном хозяйстве комплек­сов технических средств, основным элементом которых является микроЭВМ или микропроцессор. В таких распределенных систе­мах управления большое значение приобретает стандартизация интерфейсов, т.е. установление и применение единых норм, тре­бований и правил, гарантирующих информационное объединение технических средств в типовых структурах АСУ ТП.