Исследование и разработка универсального сервера с открытой архитектурой для информационной интеграции систем управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Чыонг Динь Тяу

• Чыонг Динь Тяу
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чыонг Динь Тяу

Список обозначений и сокращений.

Введение.

В.1. Актуальность темы.

В.2. Цель работы.

В.З. Методы исследования и используемые инструментальные средства.

В.4. Научная новизна.

В.5. Практическая ценность.

В.6. Реализация и внедрение результатов.

В.7. Апробация и публикации.

В.8. Основные положения, выносимые на защиту.

В.9. Структура и объем диссертации.

Глава 1. Анализ компонентов промышленной автоматизации и ОРСсерверов доступа к данным реального времени.

Ф 1.1. SCADA-система и ее взаимодействие с устройствами сбора данных и управления.

1.2. ОРС-серверы доступа к данным реального времени.

1.2.1. Общие характеристики ОРС-серверов.

1.2.2. Сущность ОРС и архитектура СОМ-серверов.

1.2.3. Обобщенная структура ОРС-серверов.

1.3. Выводы.

Глава 2. Теоретическое обоснование и разработка структуры сервера

УСОА и его универсальной части.

2.1. Нотация для описания объектов, компонентов, уровней и взаимодействия между ними.

2.2. Обобщенная архитектура сервера УСОА. Критерии декомпозиции.

2.3. Развернутая иерархическая структура сервера УСОА.

2.4. Модели базовых объектов сервера и модель их взаимодействия.

2.4.1. Классификация объектов сервера УСОА.

2.4.2. Модель объекта-элемента.

2.4.3. Модель объекта-диспетчера и алгоритм рабочего потока.

2.4.4. Модель объекта-интерфейса.

2.4.5. Модель поведения и взаимодействия объектов в системе.

2.5. Компоненты сервера УСОА.

2.5.1. Компонент У СО.

2.5.2. Компонент ЦМД.

2.5.3. Компонент ОРС.

2.6. Модель трехуровневого кэша сервера УСОА и организация обмена данными между ОРС-клиентами и сервером.

2.6.1. Синхронный обмен данными.

2.6.2. Асинхронный обмен данными.

2.6.3. Режим подписки.

2.6.5. Планирование выполнения задач в иерархических уровнях сервера УСОА.

2.7. Этапы разработки компонентов сервера УСОА.

2.8. Выводы. Преимущества сервера УСОА — взгляд изнутри.

Глава 3. Исседование и разработка специализированной части сервера

УСОА. Синтез контура сбора данных и управления.

3.1. Анализ существующих ОРС-инструментов и требования к разработке компонентов УСО.

3.2. Характеристика универсальности ОРС-инструмента и синтез структуры компонента УСО.

3.2.1. Основные понятия и терминология.

3.2.2. Анализ аспектов универсальности в серверах, разработанных с помощью существующих ОРС-инструментов.

3.2.3. Синтез структуры компонента УСО с помощью нового ОРС-инструмента.

3.3. Подготовка к синтезу компонента УСО.

3.3.1. Декомпозиция компонента УСО.

3.3.2. Тэг в системе управления: новые типы и модификация существующих типов.

3.4. Синтез компонента УСО.

3.4.1. Анализ и методика разработки реального тэга компонента УСО

3.4.2. Анализ и методика разработки реального устройства компонента УСО. Язык общения между ОРС-сервером и компонентом УСО (интерфейсы).

3.5. Организация сбора данных и управления в компонентах УСО.

3.5.1. Способы организации сбора данных.

3.5.2. Планирование работы задач сбора данных и управления.

3.6. Выводы. Преимущества сервера УСОА - взгляд со стороны.

Глава 4. Практические применения сервера УСОА.

4.1. Методика подключения УСО к серверу УСОА.

4.2. Примеры разработки компонентов УСО.

4.2.1. Разработка компонента УСО для эмулятора сигналов.

4.2.2. Разработка компонента для нестандартного УСО.

4.2.3. Разработка компонента УСО для промышленного контроллера и модулей ввода/вывода.

4.3. Интеграция системы автоматического управления рентгенолюминесцентными сепараторами и SCADA-систем.

4.4. Интеграция учебных лабораторий АСУ ТП.

4.4.1. Недостатки ОРС-стандарта и новое интеграционное решение.

4.4.2. Программные средства, используемые для интеграции лабораторий

4.4.3. Связывание ЛВС лабораторий.

4.4.4 Интеграция по управлению и информационное объединение лабораторий.

4.4.5. Расчет запаздывания передачи данных между серверами У СО А, расположенными в разных ЛВС.

4.5. Исследование производительности сервера УСОА.

4.6. Выводы. Преимущества сервера УСОА - взгляд из практики.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка универсального сервера с открытой архитектурой для информационной интеграции систем управления»

В настоящее время информационная автоматизированная система управления (АСУ) промышленным предприятием (ПП) имеет иерархическую структуру (рис. В. I), включающую следующие неотъемлемые уровни [2, 6, 27, 40, 56, 67, 68,71,76].

Рис. В. I. Архитектура информационной автоматизированной системы управления промышленным предприятием

Контроллерный уровень, представляющий собой устройства сбора данных и управления (далее устройства связи с объектом — УСО): датчики, механизмы, локальные контроллеры и т.д. 11оток информации от контроллерного уровня должен быть предоставлен устройствам вышележащего уровня, пользователям или приложениям, использующим их посредством цифровых коммуникационных протоколов связи. [ 1ри этом в системе не должно возникать проблем несовместимости.

Уровень контроллеров верхнего уровня. Информация с локальных контроллеров может направляться в приложения вышележащего уровня непосредственно, а также через контроллеры верхнего уровня. Контроллеры верхнего уровня реализуют различные функции, например, сбор данных с локальных контроллеров, вторичную обработку данных, поддержание единого времени в системе, обмен информацией между локальными контроллерами и приложением следующего уровня и др. При этом в системе также не должно возникать проблем несовместимости.

Операторский уровень - уровень работы систем типа SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) для сбора данных и диспетчерского управления технологическими процессами (ТП) на производстве. Этот уровень обеспечивает вторичную обработку данных, которые получены с нижнего уровня - визуализацию, интерфейс с оператором, сохранение истории процесса и доступность данных и результатов их обработки приложениям и пользователям верхнего уровня.

Уровень приложений управления ресурсами предприятия. Информация с уровня SCADA-систем должна быть доступной для этого уровня, т.е. доступ к данной информации из прикладных программ не должен вызывать проблем.

Для обеспечения совместимости между уровнями и создания эффективной интегрированной системы управления (СУ) предприятием системный интегратор или разработчик АСУ ТП должен обеспечить извлечение данных ТП в реальном масштабе времени (РМВ) с самого нижнего уровня и построить "прозрачный" путь получаемым данным к самым верхним уровням. Чтобы получить систему, отвечающую всем потребностям заказчика, системному интегратору или разработчику необходимо использовать инструментальные средства управления различных уровней - SCADA-пакеты, базы данных, электронные таблицы. Ключ к этому - открытая и эффективная коммуникационная архитектура взаимодействия между приложениями, которую предлагает стандарт OLE for Process Control - OPC.

OPC - стандарт [17, 66, 69, 71], основанный на технологии COM/DCOM (Component Object Model/Distributed COM) фирмы Microsoft [18, 19, 32, 60] для СУ в промышленной автоматизации (ПА) и предназначенный для обеспечения универсального механизма обмена данными (ОД) между датчиками, исполнительными механизмами, контроллерами и системами представления технологической информации, оперативного диспетчерского управления, а также СУ базами данных.

ОРС-стандарт создан консорциумом ОРС Foundation [69], в котором участвуют практически все мировые ведущие производители аппаратного оборудования и программного обеспечения (ПО) для ПА. На сегодняшний день ОРС-стандарт в определенной степени реализован и продолжает развиваться. Консорциум ОРС Foundation пытается охватить все аспекты, связанные с взаимодействием между компонентами ПО, между ПО и между системами типа SCADA и технологическим оборудованием. В настоящее время насчитывается порядка десяти ОРС-спецификаций - Data Access (доступ к данным реального времени) [67, 68], Alarms & Events (обработка тревог и событий) [65], Historical Data Access (доступ к историческим данным) [71] и т.д. Поэтому ОРС можно определить как стандарт взаимодействия между программными компонентами сбора данных и управления (СДУ). Через ОРС-интерфейсы одни приложения могут читать или записывать данные в другие приложения, обмениваться информацией о событиях, оповещать друг друга о нештатных ситуациях, осуществлять доступ к данным, зарегистрированным в архивах. Указанные приложения могут располагаться как на одном компьютере, так и быть распределенными в сети. При этом независимо от фирмы поставщика, ОРС-стандарт, признанный и поддерживаемый всеми ведущими фирмами-производителями SCADA-систем и оборудования, обеспечит их совместное функционирование [35].

Популярный класс ОРС-приложений представляют собой специализированные ОРС-серверы конкретных аппаратных устройств или ОРС-серверы доступа к данным РВ [53, 63, 67, 68, 73, 74], обеспечивающие предоставление информации о состоянии параметров ТП от УСО ОРС-клиентам на локальном компьютере или в компьютерной сети. Современные SCADA-системы поддерживают ОРС-спецификации доступа к данным РВ, являясь ОРС-клиентами. В этом смысле зачастую специализированные ОРС-серверы разрабатывают фирмы-производители УСО. ОРС-спецификация доступа к данным РВ поддерживается во многих современных SCADA-системах. В настоящее время, консорциум OPC Foundation набирает силу в разработке открытых промышленных стандартов на основе ОРС-стандарта на базе операционных систем (ОС) фирмы Microsoft. Сейчас в состав консорциума входят более 350 членов [69, 73], среди которых практически все мировые ведущие производители технологического оборудования, систем автоматизированного управления и ПО. Членами консорциума являются, например, фирмы Iconics (США), Wonderware (США), Adastra (Россия), Siemens (Германия), Rockwell Software (США), Intellution (США), Ci Technologies (Австралия), Indusoft Russia (Россия), Fastwel (Россия), ABB Automation (США), Fieldbus Foundation (США), Toshiba (Япония), Hitachi (Япония), National Instruments (США), и др. [9, 36, 37]. Ведущие производители, с учетом своего опыта, стараются предоставить абсолютно всё необходимое тому, кто будет использовать ОРС. Этот факт показывает большой авторитет ОРС-стандарта, который является перспективным и для использования в АСУ. В табл. В.1 перечислены некоторые из популярных на мировом и российском рынках SCADA-систем, которые поддерживают ОРС.

Табл. В. 1. Популярные на мировом и российском рынках SCADA-системы, поддерживающие ОРС

SCADA-система Фирма-изготовитель Страна

InTouch Wonderware США

GenieDAQ Advantech США

Genesis32 Iconics США

Trace Mode AdAstra Россия

Vijeo Look Schneider Electric Франция

Citect Ci Technologies Австралия

Factory Link United States DATA Co. США

RSView Rockwell Software Inc. США

Lookout National Instruments США iFIX Intellution США

Master SCADA InSAT Россия

COMPLICITY GE Fanuc США

Контур Объединение ЮГ Украина

Wizcon Axeda США

Kpyr-2000 НПФ "Круг" Россия

Elipse SCADA Elipse Software США

В настоящее время существуют много ОРС-серверов, которые поставляются вместе с продуктами ведущих производителей УСО, разработанных самими производителями [73]. Такими производителями являются, например,

Advantech, ABB, Alen-Bradley, Ci Technologies, Fisher-Rosemount Systems, Siemens, Omrom, Schneider Electric, ICP-DAS, Fastwel [6, 38, 46, 73] и т.д. Большинство из существующих ОРС-серверов разрабатывается производителями только для модулей или группы модулей ввода/вывода, т.е. только для пассивных устройств. В имеющихся ОРС-серверах поддерживается фиксированное количество тэгов, определяющихся физическими каналами ввода/вывода этих модулей. При этом ОРС-серверы собирают данные в РМВ и предоставляют полученные данные SCADA-системам. В подобных случаях в SCADA-системе работают алгоритмы мониторинга и управления с большой нагрузкой для обработки сырых данных, получаемых от ОРС-серверов и распределенная система управления (РСУ) выглядит не лучше, чем ранняя централизованная СУ [13], т.к. при выключении SCADA-станций система перестает функционировать. Для построения эффективной интегрированной СУ в данном случае требуется в системе предусмотреть дополнительный уровень работы SCADA-системы, называемой мини SCADA-системой. Обе указанные SCADA-системы предоставляются одним поставщиком для обеспечения их совместимости. Это объясняет, почему в СУ ПП используются монолитные средства из одной ведущей компании. Конечно, при этом и предприятия-потребители целиком зависят от ведущей компании (финансовые и технические факторы).

На нижнем (контроллерном) уровне АСУ ТП предприятий часто используются У СО разных производителей. Из-за ограниченных аппаратных ресурсов предприятий указанные устройства зачастую соединяются общим интерфейсом (кабелем). Например, устройства соединяются интерфейсом RS-485 и затем с помощью конвертора RS-232/RS-485 устройства могут подключаться к одному СОМ-порту компьютера, на котором работают ОРС-серверы (далее host-компьютер), снабжающие эти устройства. Однако данное решение не приемлемо из-за конфликта между ОРС-серверами при обращении к общему СОМ-порту [16].

Для стандартизации своих продуктов (устройств) производители оборудования автоматизации разрабатывают ОРС-серверы для этих устройств. Многие фирмы-производители УСО в корпоративных целях сознательно разрабатывают ОРС-серверы так, чтобы максимально продвинуть на рынок свою аппаратуру. Например, разрабатываются ОРС-серверы для специализированных контроллеров сбора данных, для плат сбора данных, для контрольно-измерительных приборов и т.д. Однако разработка ОРС-серверов является далеко не тривиальной задачей [25]. Производители оборудования должны получать нужную ОРС-спецификацию доступа к данным РВ и прилагаемые программные компоненты. Затем они должны изучить СОМ-интерфейсы СОМ-объектов, используемых в ОРС-спецификации доступа к данным РВ. И, наконец, они должны привлечь к разработке ОРС-сервера опытного программиста, способного реализовать требуемые интерфейсы, а значит и ОРС-сервер. Уместно еще раз подчеркнуть, что сами ОРС-объекты и их ОРС-интерфейсы достаточно сложны и громоздки [19, 32]. В частности, при разработке ОРС-сервера возникают вопросы ОД, управления памятью, многозадачности, синхронизации и т.п.

Наряду с последними по времени разработки устройствами, снабженными ОРС-серверами, существует значительная часть устройств более ранней разработки, которые не снабжены ОРС-серверами. Такими устройствами могут быть, например, нестандартные платы ввода/вывода, АДП/ЦАП [39], контрольно-измерительные приборы (насосы-дозаторы, преобразователи частоты, и т.д.), генераторы случайных чисел и т.д. В качестве примера можно назвать российские фирмы L-card [7], РИУС [29], которые занимаются производством нестандартных плат ввода/вывода. До сих пор устройства этих фирм еще не снабжаются ОРС-серверами.

В настоящее время существует часть 1111, в том числе в России, которые еще не применяют SCADA-системы для автоматизации своих СУ. Что же должны сделать предприятия, если они задались целью модернизации своих СУ? Они должны обратиться к крупному ведущему поставщику современных средств ПА и получить от этого поставщика предложение на комплексную модернизацию СУ с заменой как всех аппаратных, так и всех программных компонентов, которые уже много лет активно использовались на предприятиях. Но подобное решение затруднительно или даже неприемлемо по следующим причинам. Во-первых, подобная модернизация невыгодна с финансовой точки зрения. Во-вторых, иногда устройства предприятий затруднительно или вообще нельзя заменить другими из-за проблемы, связанной с уникальностью этих устройств или по соображениям информационной безопасности. Хорошим выходом из подобной ситуации является исследование и разработка универсального ОРС-сервера с открытой архитектурой (далее сервер УСОА), позволяющего интегрировать в СУ любое оборудование при минимальных затратах финансовых и временных ресурсов).

С целью снижения затрат финансовых и временных ресурсов можно избежать разработки ОРС-серверов с нуля, если воспользоваться так называемыми ОРС-инструментами. До сих пор существуют фирмы, которые реализацию ОРС-спецификаций избрали своим бизнесом [5, 34, 39, 57, 72, 75, 77, 80]. Они в той или иной степени уже "наступили на все грабли" и предлагают средства, позволяющие более или менее безопасно и легко создавать ОРС-серверы [25]. В табл. В.2 приведены ОРС-инструменты, популярные на российском и мировом рыках. Однако разработка ОРС-серверов с использованием таких инструментов имеет ряд недостатков.

Табл. В.2. Популярные инструменты для разработки ОРС-серверов доступа к данным РВ

ОРС-инструмент Фирма-изготовитель Страна

Универсальный ОРС-сервер Fastwel Россия

OPC Toolbox Softing Германия

OPC Server Development Toolkit WIN PASO США

Light OPC Server Lab34 Россия

OPC Server Toolkit Intel lution США Стоимость ОРС-инструментов высока. Например, данные стоимости, полученные из OPC Programmers' connection [72], показывают, что для ОРС-инструмента, позволяющего генерировать полуоткрытый код ОРС-сервера стоимость составляет $1250, а при генерации полностью открытого кода $4500. ОД между ОРС-сервером (закрытая часть) и частью, написанной программистом, производится по принципу "из бутылки в бутылку" (рис. В.2), что приводит к ограничению методов доступа к УСО из ОРС-сервера (например, ОРС-инструменты фирмы Fastwel [9, 34, 39], Softing [75]).

Закрытая часть (ОРС-сервер) Открытая часть Устройство написана сбора пользователем данных и

ОРС-инструмента) управления

Рис. В.2. Проблемный принцип "из бутылки в бутылку" в существующих ОРС-инструментах

Программный код, реализованный программистом для получения конечного ОРС-сервера, занимает большую часть (например, ОРС-инструменты фирм Lab34 [5, 57], WINPASO [39, 80]).

Пользователю открывается незначительная часть кода ОРС-сервера (Softing, Fastwel).

Обеспечивается подключение узкой номенклатуры УСО ПА (Fastwel).

Разработанный с использованием указанных инструментов ОРС-сервер чрезмерно перегружен фирменными чертами, т.е. разрабатывается не сервер как таковой, а фирменный драйвер, открытый остальному миру через ОРС-интерфейсы [35] (ОРС-инструмент фирмы Intellution).

Большинство ОРС-инструментов обеспечивает пользователям возможность структурного программирования. При этом программирование с помощью объектно-ориентированного подхода обеспечило бы создание более гибких и легко измененяемых ОРС-серверов, сократило бы риск разработки, лучше бы воспринималось человеческим сознанием [8].

Основными областями исследований в диссертационной работе являются следующие.

Теоретические основы, формализация, постановка задач и методы обработки и предоставления информации для информационной интеграции компонентов ПА, функциональных задач ОРС-приложений и их алгоритмизация.

Методы эффективной организации специализированного информационного и ПО ОРС-приложений.

Разработка критериев и анализ на их основе существующих ОРС-инструментов, включая разработку нового ОРС-инструмента.

В.2. Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка высокопроизводительного универсального ОРС-сервера с открытой архитектурой, позволяющего информационно интегрировать УСО любого вида, АСУ ТП и SCADA-системы при небольших финансовых и временных затратах.

Цель работы достигается решением следующих задач.

Обзор и анализ компонентов ПА, COM/DCOM-технологий, ОРС-стандарта, ОРС-серверов и ОРС-клиентов, исследование методов обмена данными между ОРС-приложениями с целью их использования при исследовании и разработке сервера УСОА.

Анализ и синтез структуры сервера УСОА и его частей. Разработка теоретических положений для обоснования принятых решений по выделению общей и специализированной частей, иерархической декомпозиции сервера, моделям базовых объектов, взаимодействию между ними и разработка сервера в целом.

Экспериментальная проверка характеристик сервера УСОА.

Разработка ОРС-серверов доступа к данным РВ на базе сервера УСОА для: программного эмулятора сигналов; нестандартного УСО фирмы ТезоРИУС, Санкт-Петербург; промышленной сети программируемого логического контроллера (ПЛК) и модулей ввода/вывода тайванской фирмы ICP DAS; системы рентгенолюминесцентных сепараторов (РЛС) - промышленных установок для обогащения алмазосодержащей руды научно-производственного предприятия (HI 111) "Буревестник", Россия. Интеграция учебных лабораторий АСУ ТП Санкт-Петербургского государственного технического университета (СПбГПУ).

В.З. Методы исследования и используемые инструментальные средства

В диссертации применяются методы системного анализа и принятия решений для ОРС-приложений (принципы системности, иерархичности, формализма; критерии синтеза, выбор на их основе наилучших решений), методы теорий распределенных и параллельных вычислений, автоматического управления и передачи данных.

Использованы подходы и технологии получения, обработки информации и программирования (технологии COM/DCOM, ОРС-спецификации и ОРС-стандарты, объектно-ориентированный подход к анализу, проектированию и программированию, SCADA-система GeniDAQ, диагностический ОРС-клиент, спроектированный автором, диагностический ОРС-клиент американской фирмы TechnoSoftware, SCADA-система Intouch американской фирмы Wonderware, SCADA-система Genesis32 американской фирмы Iconics, SCADA-система RSView американской фирмы Rockwell Software.

В.4. Научная новизна Научная новизна работы состоит в следующем: 1. Предложена и обоснована структура сервера УСОА, содержащая универсальную подсистему (собственно ОРС-сервер) и специализированные компоненты для подключения УСО (далее компоненты УСО). Универсальная подсистема - ОРС-сервер - разрабатывается однократно и реализует наиболее объемные, сложные и ответственные функции сервера, инвариантные к используемым на нижнем уровне УСО. Компоненты УСО дорабатываются программистом в соответствии с конкретными разновидностями применяемых на нижнем уровне УСО.

2. Предложена и обоснована иерархическая организация сервера УСОА, дополненная новым уровнем иерархии. Для всей совокупности полученных уровней иерархии в результате декомпозиции предложен и разработан общий набор моделей базовых объектов (МБО) - объекта-элемента, объекта-диспетчера, объекта-интерфейса - и модель взаимодействия между ними. Для повышения быстродействия сервера УСОА в соответствии с полученной иерархической структурой предложена и использована модель трехуровневого кэша (МТК), применяемого для получения, обработки и хранения данных компонентов УСОА. Разработана методика построения компонентов сервера УСОА и алгоритмы их взаимодействия.

3. Предложен и обоснован показатель универсальности ОРС-инструментов, используемых при разработке компонентов УСО. Поставлена задача оптимального выбора ОРС-инструмента по значению показателя универсальности. Предложен и разработан новый ОРС-инструмент, обеспечивающий организацию СДУ с учетом технологических условий СУ и повышение эффективности работы за счет более полного использования ресурсов УСО и сервера УСОА. Для компонентов УСО предложены и разработаны новые типы тэгов, а известные тэги модифицированы в сторону расширения их возможностей.

4. Предложена новая нотация описания моделей объектов, компонентов, уровней и взаимодействия между ними, учитывающая особенности предметной области и снижающая трудоемкость разработки.

Совокупность вышеперечисленных признаков научной новизны обеспечивает возможность подключения к серверу УСОА любых УСО при небольших материальных и временных затратах, а также повышение производительности и надежности сервера.

В.5. Практическая ценность

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Разработан сервер УСОА, использование которого обеспечивает подключение любого оборудования ПА к SCADA-системам (широкая возможность выбора оптимальных компонентов для СУ) при существенном снижении материальных, временных затрат и повышении производительности и надежности работы сервера. Использование сервера облегчает процесс модернизации систем управления ПП и информационной интеграции их подсистем.

2. Применение сервера УСОА позволяет заменить ПЛК компонентами УСО, что экономически эффективнее.

В.6. Реализация и внедрение результатов Результаты работы реализованы в виде ПО и использованы при выполнении следующих работ:

1. Интеграция РСУ PJIC - промышленными установками для обогащения алмазосодержащей руды, выпускаемыми НПП "Буревестник", г. Санкт-Петербург, и SCADA-системами.

2. Опрос и управление параметрами насосов-дозаторов масла немецкой фирмы Ismatec в клиент/серверной архитектуре РСУ промышленной установкой СПУТ-1000 для получения пироуглеродной ткани.

3. В лаборатории кафедры "Автоматики и вычислительной техники (АВТ)" СПбГПУ с 2003-2004 учебного года в учебном процессе студентами специальности 21.01 "Информатика и управление в технических системах" при изучении курса "Проектирование компьютерных систем управления" успешно используется сервер УСОА. Используемый ОРС-сервер обеспечивает в учебной лаборатории информационную интеграцию различных типов контроллеров (специализированный, полуспециализированный и промышленный) со SCADA-системами.

4. Сервер УСОА является важным программным компонентом в работе межкафедральной (факультетской) учебной лаборатории, возможности которой являются объединением возможностей учебных лабораторий АСУ ТП кафедры АВТ и кафедры "Системы автоматического управления (САУ)" СПбГПУ, находящихся в отдельных локальных вычислительных сетях (ЛВС) факультета технической кибернетики СПбГПУ.

В.7. Апробация и публикации

Основные результаты и положения обсужданы на научно-технических советах (НТС) и ряде конференций:

1. НТС НЛП "Буревестник" (Санкт-Петербург, 18 ноября 2002 г.).

2. Научной конференции студентов и аспирантов "XXXI Неделя науки СПбГПУ" (Санкт-Петербург, 25 - 30 ноября 2002 г.).

3. Научно-практической конференции и школе-семинаре "Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий" (Санкт-Петербург, 14-16 июня 2003 г.).

4. Международной научно-практической конференции "Системный анализ в проектировании и управлении" (Санкт-Петербург, 27 июня - 4 июля 2003 г.).

5. Научно-практической конференции и школе-семинаре "Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий" (Санкт-Петербург, 17 - 20 июня 2004 г.).

По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них - 5 статей в центральных журналах, одно учебное пособие, тезисы доклада, 4 статьи в сборниках материалов научно-практических конференций.

В.8. Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся:

1. Критерий синтеза и разработанная на его основе структура сервера УСОА, содержащая универсальную, неизменяемую часть - собственно ОРС-сервер - и специализированную, изменяемую часть - компоненты УСО.

2. Иерархическая организация сервера УСОА, дополненная новым уровнем иерархии. Общий для полученных уровней иерархии набор МБО: объекта-элемента, объекта-диспетчера, объекта-интерфейса, модель взаимодействия между ними и алгоритм разработки объектов. МТК, обеспечивающая повышение быстродействия и надежности сервера УСОА. Нотация описания моделей объектов, компонентов, уровней и взаимодействия между ними, учитывающая особенности предметной области.

3. Критерий оптимального выбора ОРС-инструмента, используемого при разработке компонентов УСО. Более эффективный ОРС-инструмент. Способы эффективной организации СДУ, выбираемые в зависимости от технологических условий СУ и позволяющие максимально использовать ресурсы УСО и сервера УСОА.

4. Новые типы тэгов, модификация известных тэгов в сторону расширения их возможностей и способ их разработки для использования в компонентах УСО.

5. Методика разработки компонентов УСО, включая практическую реализацию.

В.9. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений, списка литературы из 80 наименований.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Чыонг Динь Тяу

Заключение

В диссертационной работе выполнено исследование и разработка универсального ОРС-сервера с открытой архитектурой, являющегося важным компонентом информационной интеграции СУ ПА.

Получены следующие основные результаты:

1. Рассмотрены компоненты СУ в ПА и взаимодействие между ними. Выполнен обзор ОРС-стандарта и рассмотрена обобщенная структура ОРС-сервера доступа к данным РВ, соответствующая ОРС-стандарту.

2. Исследован и разработан универсальный ОРС-сервер с открытой архитектурой, для чего были выполнены перечисленные далее работы, в процессе которых получены новые результаты.

Предложена и обоснована структура сервера УСОА, содержащая универсальную часть (собственно ОРС-сервер) и специализированную часть (компоненты УСО). ОРС-сервер (универсальная часть) разрабатывается однократно и реализует наиболее объемные, сложные и ответственные функции сервера, инвариантные к используемым на нижнем уровне УСО. Компоненты УСО дорабатываются в соответствии с конкретными разновидностями применяемых на нижнем уровне УСО. ОРС-сервер разработан в рамках диссертационной работы и реализован в форме ПО.

Предложена и обоснована иерархическая организация сервера УСОА, дополненная новым уровнем иерархии - уровнем ЦМД.

Для всех уровней иерархии предложен и разработан общий набор МБО - объекта-элемента, объекта-диспетчера, объекта-интерфейса - и модель взаимодействия между ними, на основе которых были построены компоненты сервера УСОА.

Предложенные модель трехуровневого кэша и разработанные алгоритм работы рабочего потока объекта-диспетчера, динамического планирования выполнения потоков и способ планирования задач в объектах-диспетчерах сервера УСОА, обеспечили повышение производительности и надежности работы сервера УСОА. Разработано математическое описание методов (функций) объектов сервера УСОА и способ организации ОД между ОРС-клиентами и сервером УСОА.

Разработана методика построения компонентов сервера УСОА и алгоритмы их взаимодействия.

Введена нотация описания моделей объектов, компонентов, уровней и взаимодействия между ними, учитывающая особенности предметной области и снижающая трудоемкость разработки.

3. Синтезирована структура компонента УСО, предложен технологический цикл разработки компонента УСО и синтезирован метод организации контура СДУ ТП.

Выполнен анализ ОРС-инструментов для разработки ОРС-серверов, существующих на рынках ПА. С этой целью предложена и обоснована характеристика универсальности ОРС-инструментов, используемых при разработке компонентов УСО. На ее основе сформулирован критерий и поставлена задача оптимального выбора ОРС-инструмента. Предложен и разработан новый ОРС-инструмент.

Для использования при синтезе компоненты УСО предложены и разработаны новые типы тэгов, а известные тэги модифицированы в сторону расширения их возможностей. Описаны способы организации СДУ, которые по-зволлили полно использовать ресурсы УСО и сервера УСОА. Спланирована работа задач сбора данных и предложен алгоритм автоматической корректировки периода запуска задачи сбора данных от УСО в зависимости от нагрузки сервера.

4. Предложена методика разработки компоненты УСО для информационной интеграции УСО в систему управления. Предложенная методика успешно апробирована путем проектирования и использования сервера УСОА для следующего представительного ряда применений:

ОРС-серверы для программного эмулятора сигналов, нестандартного

УСО, промышленного контролера и модулей ввода/вывода; интеграция системы РСУ PJIC и SCADA-системы; интеграция учебных лабораторий АСУ ТП с помощью сервера УСОА.

5. Продолжение диссертационной работы возможно и актуально в следующих направлениях.

Разработка и пополнение расширяемой библиотеки классов, используемой при проектировании компонентов УСО для конкретных УСО.

Исследование и разработка системы автоматизированного проектирования специализированной части сервера УСОА (компонентов УСО).

Исследование и разработка архивного сервера.

Исследование и разработка сервера тревог и событий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Чыонг Динь Тяу, 2004 год

1. Авдеев С.Е., Владимиров Е.Н, Морозов В.Г., Романовская Т.Е. Автоматизация рентгенолюминесцентных сепараторов // Современные технологии автоматизации. 2001. №3. С. 44-50.

2. Анашкин А.С., Кадыров Э.Д., Харазов В.Г. Техническое и программное обеспечение распределенных систем управления. СПб.: Изд-во «П-2», 2004. 400 с.

3. Андреева Е.Б., Куцевич Н.А. SCADA-система взгляд изнутри. URL: http://www.scada.rn/publication/book/.

4. АОЗТ "РИУС". Программно-аппаратный комплекс МАИС-К2: Система сбора данных и управления, Руководство системного программиста, МАИС 7.3 Д9.0. Санкт-Петербург, 1995. 28 с.

5. Бондаренко Т. Руководство по программированию LightOPC. Лаборатория сетевых информационных систем, 2003. URL: http://www.ipi.ac.ru/lab43/lopc/frame-man-ru.html.

6. Буткевич В., Невзоров В. Изделия L-CARD: отечественные платы АЦП/ЦАП с сигнальным процессором // Электроника НТБ. 1999. №3. С. 32-33.

7. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд. / Пер. с англ. М.: «Издательство Бином», СПб.: «Невский диалект», 1999. 560 с.

8. Ю.Владимиров Е. Н, Волк Е. Б., Давыдов В. Г., Морозов В.Г., Таткин JI. 3., Чы-онг Д.Т. Интеграция системы автоматического управления рентгенолюми-несцентными сепараторами и SCADA-систем // Автоматизация в промышленности. 2004. №9. С. 19-23.

9. Григорьев А.Б. Взаимодействие с ОРС-серверами через Интернет // Мир компьютерной автоматизации. 2002. №5. С. 50-52.

10. Густав Олссон, Джангуидо Пиани. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский Диалект, 2001. 557 с.

11. Гэри А. Минтчелл. Информационный обмен и программные стандарты // Мир компьютерной автоматизации. 2002. №1. С. 46-50.

12. Давыдов В.Г., Чыонг Д.Т. ОРС-серверы с открытой архитектурой средства взаимодействия компонентов в промышленной автоматизации // Автоматизация в промышленности. 2003. №7. С. 10-15.

13. Давыдов В.Г., Чыонг Д.Т. Непосредственный обмен данными между несколькими клиентами и общей аппаратурой // Сборник научных трудов аспирантов и молодых ученых факультета технической кибернетики СПбГПУ. СПб.: СПбГПУ, 2004. С. 88-95.

14. Давыдов В.Г., Чыонг Д.Т. Проектирование компьютерных систем управления на основе SCADA-систем: Учеб. пособие. СПб.: СПбГПУ, 2004. 102 с.

15. Джон Пьюполо. OLE: создание элементов управления. / Пер. с англ. К.: Издательская группа BHV, 1997. 432 с.

16. Дональд Бокс. Сущность технологии СОМ. Библиотека программиста. СПб.: Питер, 2001. 400 с.

17. Контур SCADA системы в АСУТП и диспетчеризации зданий, URL: http://contour.com.ua.

18. Корнеев В.В. Параллельные вычислительные системы. М.: «Нолидж», 1999. 320 с.

19. Крикун Е.С., Щербина А.Н. Разработка человеко-машинного интерфейса комплексной автоматизации технологического процесса // Материалы межвузовской конференции "XXXI недели науки СПбГПУ". СПб.: СПбГПУ, 2003. С. 143-144.

20. Кузнецов А. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть. // Современные технологии автоматизации. 1996. №1. С. 32-35.

21. Куцевич И.В., Григорьев А.Б. Стандарт ОРС путь к интеграции разнородных систем // Мир компьютерной автоматизации. 2001. №1. С. 46-52.

22. Куцевич Н.А. SCADA-системы, или муки выбора // Мир компьютерной автоматизации. 1999. №1. С. 72-78.

23. Куцевич Н.А., Жданов А.А. Программное обеспечение систем контроля и управления и Windows-технологии. // Мир компьютерной автоматизации. 1999. №3. С. 9-17.

24. Лекарев М.Ф., Давыдов В.Г. Разработка Windows-приложений: Учеб. пособие. СПб.: СПбГПУ, 2002. 222 с.29,Описания и технические характеристики модулей. Риус, 2004. URL: http://www.oll.spb.ru/pro/rius/product/prfr.htm.

25. Орлов С. Технология разработки программного обеспечения: Учебник. СПб.: Питер, 2002. 464 с.

26. Рихтер Дж. Windows для профессионалов: создание эффективных Win32приложений с учетом специфики 64-разрядной версии Windows / Пер. с англ. 4-е изд. СПб.: Питер; М.: Издательско-торговый дом «Русская редакция», 2001. 752 с.

27. Роджерсон Д. Основы СОМ / Пер. с англ. М.: Издательский отдел «Русская редакция», 1997. 376 с.

28. Руководство пользователя Genie 3.0. Prosoft Ltd., 1998.

29. Руководство пользователя универсального ОРС-сервера. Версия 1.0. Fastwel, Inc., 2001.

30. Теркель Д. OLE for Process Control —свобода выбора. // Современные технологии автоматизации. Москва. 1999. №3. С. 28-32.

31. Харазов В.Г. Выставка "Автоматизация 2003" и "Радиоэлектроника и приборостроение" // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. №3. С. 67-69.

32. Харазов В.Г. Осенний смотр средств автоматизации в Санкт-Петербурге // Автоматизация в промышленности. 2003. №2. С. 57-61.

33. Харазов В.Г., Рудакова И.В., Севергин М.В., Фокин A.JI. Экономичная АСУ ТП на базе промышленного контроллера фирмы Matsushita // Промышленные АСУ и контроллеры. 2001. №7. С. 11-13.

34. Чыног Д.Т., Давыдов В.Г. Метод подключения нестандартных контроллеров к современным SCADA-системам // Материалы межвузовской конференции "XXXI недели науки СПбГПУ". СПб.: СПбГПУ, 2003. С. 87-88.

35. Чыонг Д.Т. Взаимодействие открытых систем промышленной автоматизации состояние и проблемы // Информационно-управляющие системы. 2003. №2-3. С. 52-57.

36. Чыонг Д.Т. Интеграция учебных лабораторий АСУ ТП // Материалы науч.-практ. конф. "Формирование технической политики инновационных наукоемких технологий". СПб.: СПбГПУ, 2004. С. 376-382.

37. Чыонг Д.Т., Давыдов В.Г. ОРС-сервер и организация обмена данными между ОРС-приложениями // Научно-технические ведомости СПбГПУ, 2004. №1. С. 194-202.

38. Чыонг Д.Т., Давыдов В.Г. ОРС-серверы средства организации взаимодействия между компонентами в промышленной автоматизации // Труды VII Междунар. науч.-техн. конф. "Системный анализ в проектировании". СПб.: СПбГПУ, 2003. С. 548-557.

39. Чыонг Д.Т., Давыдов В.Г. Организация обмена данными между ОРС-приложениями // Автоматизация в промышленности. 2003. №10. С. 23-27.46.0РС-сервер для контроллеров ROC. Технический проект ОРС-серверов ROC. Fisher-Rosemount Systems Inc., 2000.

40. Advantech GeniDAQ User's Manual. Advantech Co. 2000.

41. Chen D., Мок A.K., Nixon M. Providing real-time support through component object model. // Microprocessor and Microsystems. 1999. №23. P. 145-154.

42. Clemens Szyperski. Emerging component software technologies a strategic comparison // Software - Concepts & Tools. 1998. №19. P. 2-10.

43. Courtois, P. On time and space decomposition of complex structures // Communication of the ACM. 1985. Vol. 28, №6. P 596.

44. David A. Rehbein. OLE for Process Control (OPC) Primer. Fisher-Rosemount System, Inc. Austin, 2000.

45. DCOM, OPC and Performance Issues, Intellution Inc., 1998. URL: http://www.opcfoundation.org/07download/performance.doc.

46. Frank Iwanittz, Jtirgen Lange. OPC: fundamentals, implementation, and application/ Sotting. Heidelberg: Huthig. 2002. 221 p.

47. Klaus Feldmann, Thomas Stockel, Bernd Haberstumpf. Conception and implementation of an object request broker for integration of the process level in manufacturing systems // Journal of systems architecture. 2001. №10. P. 169-180.

48. LightOPC Architecture. Networking Systems Laboratory, 2003. URL: http ://www. ipi.ac.ru/lab43/lopc/architecture.html.

49. M. Pendleton, G. Desai, @Bench Test Report: Performance and Scalability of Windows 2000, Doculabs, 2000. URL: http://www.duculabs.com.5 9. Mark Russinovich. Win2K Quantums. Sysinternal. 1997. URL: http://www.sysinternals.com/ntw2k/info/nt5.shtml.

50. Microsoft, DCOM, URL: http://www.microsoft.com/com/.

51. Mike Santory. OPC: OLE for Process Control // Real-Time Magazine. 1997. №4. P. 78-81.

52. Modicon Modbus Protocol Reference Guide. MODICON Inc., Industrial Automation Systems, 2000. URL: http://www.modicon.com/techpubs/toc7.html.

53. Nikkan Kogyo Shimbun. ABC's OPC Applications. OPC Council Japan, 2001. 150 p.

54. One Guy Coding. Automachron 5.001, 2003. URL: http://www.oneguycod-ing.com/automachron.

55. OPC Alarms and Events Custom Interface Standard Version 1.02. OPC Foundation. Austin, Texas, November 1999.

56. OPC Common Definitions and Interfaces Version 1.0. OPC Foundation. Austin, Texas, October 1998.

57. OPC Data Access Custom Interface Standard Version 2.05. OPC Foundation. Austin, Texas, December 2001.

58. OPC Overview Version 1.0. OPC Foundation. Austin, Texas, October 1998.

59. OPC programmers' connection. URL: http://www.opcconnect.com.

60. OPC Servers, OPC Clients, Drivers. Matrikon Inc., 2004. URL: http ://www.matrikon.com/dri vers.74.0PC Specification Version 1.0. OPC Foundation. Austin, Texas, September 1998.

61. OPC Toolbox. Version 3.1. Softing AG, 2002. URL: http://softing.com.

62. Shengwei Wang, Junlong Xie. Integrating building Management system and facilities management on the Internet // Automation in Construction. 2002. №11. P. 707-715.

63. Software solution for OPC server, client and Diagnostic tools. URL: www.opctoolkit.com.

64. The Component Object Model Specification. Microsoft Corp. URL: http://www.microsoft.com/com/resources/comdocs.asp.

65. Txomin Nieva, Alain Wegmann. A conceptual model for remote data acquisition system// Computers in industry. 2002. №47. P. 215-237.

66. WinTECH Software design. WINPASO Inc, 2000. URL: http://www.win-tech.com.