Архитектура АС

Единый центр оперативного управления, оснащенный автоматизированной системой диспетчерского управления (SCADA-системой), должен осуществлять решение таких задач, как

-оперативный мониторинг производственного и технологического
процессов, осуществляемый в реальном масштабе времени;

-получение и обработка технологических, производственной информации
и указаний (заданий) от верхнего (стратегического) звена управления
предприятием;

-оперативное корректирующее управление материальными и
энергетическими потоками в соответствии с изменениями производственной
ситуации и указаниями вышестоящего уровня управления;

-оперативное корректирующее управление запасами и
производственными ресурсами;

- мониторинг и управление качеством производства;

контроль и, при необходимости, корректирующее воздействие по управлению отдельными, наиболее важными технологическими установками (рабочими центрами);

- прогностический анализ возникновения сбоев, отказов и аварийных ситуаций и формирование демпфирующих корректирующих управлений;

- автоматизированное накопление и хранение производственного опыта в

информационном хранилище и т.п. Решение этих задач должно поддерживаться продуманной на стадии проектирования архитектурой интегрированной информационной системой.

Архитектура информационной системы (в том числе и автоматизированной, далее АС) характеризует ее общую логическую организацию, программно-аппаратное обеспечение, описывает методы кодирования и определяет интерфейс пользователя с системой.

Стандарт ISO 15704 определяет архитектуру отдельной информационной системы как "описание (модель) основного взаиморасположения и взаимосвязей частей системы (будь то физический или концептуальный объект/ сущность) ".

Стандарт выделяет следующий тип архитектуры информационной системы, ответственной за интеграцию предприятия.

Архитектура системы (тип 1), должна быть ответственна за конструирование некоторой системы, в частности, компьютерной системы контроля и управления, как части интегрированной системы предприятия в целом. При разработке архитектуры АС следует выделять точки зрения (взгляд) заказчика (совокупность архитектурных представлений) на проект и взгляд исполнителя. Центральной частью таких представлений у исполнителя является разработка пользовательского интерфейса.

При разработке архитектуры пользовательского интерфейса проекта АС следует описать ее IT - профиль (ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 10000-3-99 «Информационная технология. Основы и таксономия международных стандартизованных профилей. Часть 3: Принципы и таксономия профилей среды открытых систем (эталонная модель среды открытых систем OSE/RM)»). Профиль это набор стандартов, ориентированных на выполнение конкретной задачи (АС). Основными целями применения профилей являются снижение трудоемкости проектов АС; повышение качества компонентов АС; обеспечение расширяемости АС по набору прикладных функций и масштабируемости; обеспечение возможности функциональной интеграции задач, которые раньше решались раздельно; обеспечение переносимости прикладного программного обеспечения. Выбор стандартов и документов для формирования профилей АС зависит от того, какие из этих целей определены приоритетными. На стадиях жизненного цикла АС выбираются и затем применяются следующие основные функциональные профили:

профиль прикладного программного обеспечения;

профиль среды АС;

профиль защиты информации в АС;

профиль инструментальных средств, встроенных в АС. Основными целями применения профилей при создании и применении АС являются:

• снижение трудоемкости, длительности, стоимости и улучшение других технико-экономических показателей проектов АС;

• повышение качества разрабатываемых или применяемых покупных компонентов и АС в целом при их разработке, приобретении, развитии и модернизации;

• обеспечение расширяемости АС по набору прикладных функций и масштабируемости в зависимости от размерности решаемых задач;

• обеспечение возможности функциональной интеграции в АС задач, ранее решавшихся раздельно;

• обеспечение переносимости прикладного программного обеспечения между разными аппаратно-программными платформами.

Функциональные профили АС должны включать в себя гармонизированные базовые стандарты. При использовании функциональных профилей АС следует иметь в виду также согласование (гармонизацию) этих профилей между собой. Необходимость такого согласования возникает, в частности, при использовании стандартизованных API-интерфейсов, в том числе интерфейсов приложений со средой их функционирования, интерфейсов приложений со средствами защиты информации.

Нормативные документы, регламентирующие жизненный цикл АС и ее профилей, либо задаются директивно заказчиком, либо выбираются разработчиком в зависимости от характеристик проекта. Эти нормативные документы, адаптированные и конкретизированные с учетом характеристик проекта и условий разработки, составляют профиль жизненного цикла проектируемой АС. В этом профиле должен быть учтен набор этапов, частных работ и операций, связанных с разработкой и применением профилей АС, специфицирующих ее проектные решения. При этом надо иметь в виду итерационный характер формирования и ведения профилей конкретной АС в течение ее жизненного цикла, связанный, как с итерациями самих процессов проектирования, так и с сопровождением системы в процессе эксплуатации.

Концептуальная модель архитектуры OSE/RM предусматривает
разбиение ПО АС на приложения (прикладные программные комплексы),
реализующие заданные функции АС, и среду взаимодействия,

обеспечивающую подготовку и выполнение приложений. Между ними
определяются стандартизованные интерфейсы прикладного

программирования (API) (рис.1).

Кроме того, определяются стандартизованные интерфейсы взаимодействия данной АС с внешней для нее средой - другими информационными системами и сетью Интернет и/или корпоративными сетями, другими ИС и Internet и/или корпоративными сетями.

Наиболее актуальными прикладными программными системами АС являются открытые распределенные АС с архитектурой клиент-сервер. Именно такими являются практически все современные SCADA системы, использующие стандарты ОРС.

Стандарты ОРС - это стандарты подключаемости компонентов АС. Они разработаны с целью сокращения затрат на создание и сопровождение

приложений промышленной автоматизации. Их применение при проектировании архитектуры АС решает вопросы обмена данными с

Рис. 1 Концептуальная OSE/RM модель ПО АС

устройствами разных производителей или по разным протоколам обмена данными.

Девиз OPC: открытые коммуникации по открытым протоколам. OPC -это набор спецификаций стандартов. Каждый стандарт описывает набор функций определенного назначения. Текущие стандарты:

• OPC DA (Data Access) описывает набор функций обмена данными в реальном времени с ПЛК и другими устройствами;

• OPC AE (Alarms & Events) предоставляет функции уведомления по требованию о различных событиях: аварийные ситуации, действия оператора, информационные сообщения и другие;

• OPC DX (Data eXchange) предоставляет функции организации обмена данными между OPC-серверами через сеть Ethernet. Основное назначение - создание шлюзов для обмена данными между устройствами и программами разных производителей;

• OPC HDA (Historical Data Access) предоставляет доступ к уже сохраненным данным;

• OPC Security определяет функции организации прав доступа клиентов к данным системы управления через OPC-сервер;

• OPC XML-DA (XML-Data Access) предоставляет гибкий, управляемый правилами формат обмена данными через интранет среду.

Рис.2 Структура ОРС взаимодействий

Суть OPC проста – предоставить разработчикам промышленных программ универсальный фиксированный интерфейс (то есть набор функций) обмена данными с любыми устройствами АС. В свою очередь разработчики устройств ввода-вывода данных дополняют последние специальной программой, реализующей этот интерфейс (набор функций). Полезность применения OPC с точки зрения интеграции вытекает из самой сути OPC. Первое преимущество – если заменяется какой-нибудь компонент АС, то нет нужды корректировать другое ПО, так как при замене драйвера поверх него будет работать инсталлированный OPC. Это значит, что при включении в АС нового компонента необходимо будет лишь правильно его сконфигурировать на программном уровне. Второе – если в систему добавить новые программы, нет необходимости предусматривать разработку для них драйверов или интерфейсов связи, кроме как конфигурирования OPC-клиента. Это позволяет разработчику АС сконцентрировать свое внимание на проектных решениях АС.

На данный момент используется OPC версии 3.0, однако более распространенной версией пока является 2.1. Недавно разработанный стандарт OPC UA (Unified Architecture) унифицирует набор функций для обмена данными, регистрации событий, хранения данных, обеспечения безопасности данных.

На рис.2 показана структура ОРС взаимодействий SCADA автоматизированной газораспределительной станции (АГРС), реализуемая опциональными программными компонентами ф. Rockwell Automation.

На рисунке показаны:

ИБП- источник бесперебойного питания, который посредством SNMP связан со SCADA приложениями.

SNMP (англ. Simple Network Management Protocol — простой протокол управления сетью) — это протокол управления сетями связи на основе архитектуры TCP/IP. Этот менеджер предназначен для мониторинга состояния сети АС и управления сетевыми устройствами, в частности, в случае несанкционированного выключения энергии. Используя решения на базе SNMPc, удается контролировать всю сетевую инфраструктуру, управляя сетевым оборудованием различных типов, наблюдать за работой служб OSE/RM и анализировать отчеты по их работе за заданный период.

Информационный обмен данными в АС строится с использованием стандарта ODBC (Open DataBase Connectivity).

В соответствии с проектным решением, представленном на этом рисунке, управление технологическим процессом на АГРС со стороны диспетчеров происходит с использованием ключевых команд и только от одного диспетчера одновременно. Работу с тремя автоматизированными системами осуществляет ОРС-сервер. С ним же работают клиенты: ОРС-клиент SCADA-системы ClearSCADA, ОРС-клиент SCADA-системы PSI (программы для мгновенного обмена сообщениями посредством сети Интернет). В реализованной Системе ОРС-клиент ClearSCADA установлен на одной машине с ОРС-сервером, а ОРС-клиент PSI установлен за несколько сотен километров от них. Интранет клиенты SCADA-сервера ViewX и WebX используются диспетчерами на самой АГРС и удалённо по защищённому Internet (протокол https).

ODBC– это программный интерфейс (API) доступа к базам данных (открытая связь с базами данных). Он позволяет единообразно оперировать с разными источниками данных, отвлекаясь от особенностей взаимодействия в каждом конкретном случае.

Анализ проектных решений комплексной автоматизации показывает, что предприятия тратят около 35–40 % своего бюджета, отводимого на поддержку информационных технологий, на работы по организации обмена данными между приложениями и СУБД. Столь высокий процент затрат объясняется несовместимостью форматов данных между унаследованными приложениями и стандартами применяемых СУБД «островной автоматизации». Вот почему необходимо использовать единый стандарт управления базами данных. В начале 1990 г. существовало несколько поставщиков баз данных, каждый из которых имел собственный интерфейс. Если приложению было необходимо общаться с несколькими источниками данных, для взаимодействия с каждой из баз данных было необходимо написать свой код. Для решения возникшей проблемы Microsoft и ряд других компаний создали стандартный интерфейс для получения и отправки данных источникам данных различных типов. C помощью ODBC прикладные программисты могут разрабатывать приложения для использования одного интерфейса доступа к данным, не беспокоясь о тонкостях взаимодействия с несколькими источниками.

Это достигается благодаря тому, что поставщики различных баз данных создают драйверы, реализующие конкретное наполнение стандартных

функций из ODBC с учетом особенностей их продукта. Приложения используют эти функции, реализованные в соответствующем конкретному источнику данных драйвере, для унифицированного доступа к различным источникам данных. SQL – это язык структурированных запросов – универсальный компьютерный язык, применяемый для создания, модификации и управления данными в реляционных базах данных. Структурированный язык запросов основан на реляционной алгебре. Это язык манипулирования данными, который позволяет описывать условия поиска информации, не задавая для этого последовательность действий, нужных для получения ответа. SQL является стандартным средством доступа к серверу баз данных. Стандарт SQL содержит компоненты, как для определения, изменения, проверки, так и защиты данных.

Профиль среды распределенной АС должен включать стандарты протоколов транспортного уровня (по ISO OSI или стандарту де-факто протокола TCP/IP), стандарты локальных сетей (например стандарт Ethernet IEEE 802.3 или стандарт Fast Ethernet IEEE 802.3 u), а также стандарты средств сопряжения проектируемой АС с сетями передачи данных общего назначения (в частности, RS-485, сети CAN, ProfiBus и др.).

Стандарт PROFINET (IEC 61158) предназначен для коммуникационной части систем промышленной автоматизации. Он обеспечивает доступ к устройствам полевого уровня (датчикам, машинным контроллерам, исполнительным устройствам) со всех уровней управления предприятием. Стандарт позволяет выполнять широкий обмен данными, поддерживает проектирование ИКСУ в масштабах предприятия и использует IT стандарты вплоть до полевого уровня. Он поддерживает практически все существующие сети полевого уровня (PROFIBUS, Ethernet, AS-I, CAN, LonWorks и др.). Все они могут быть интегрированы в PROFINET без модификации установленной аппаратуры.

PROFINET базируется на стандарте Industrial Ethernet и использует стандарт TCP/IP (транспортный протокол/ Internet протокол) для выполнения операций настройки параметров, конфигурирования и диагностики. Обмен данными в реальном масштабе времени выполняется через стандартные каналы связи Ethernet параллельно со стандартными вариантами обмена данными в сети Ethernet.

Выбор аппаратных платформ АС связан с определением их параметров: вычислительной мощности серверов и рабочих станций в соответствии с проектными решениями по разделению функций между клиентами и серверами; степени масштабируемости аппаратных платформ; надежности.

Профиль защиты информации в АС должен обеспечивать реализацию политики информационной безопасности, разрабатываемой в соответствии с требуемой категорией безопасности и критериями безопасности, заданными в ТЗ на систему. Построение профиля защиты информации в распределенных системах клиент-сервер методически связано с точным определением компонентов системы, ответственных за те или иные функции, сервисы и услуги, и средств защиты информации, встроенных в эти компоненты.

Функциональная область защиты информации включает в себя функции защиты, реализуемые разными компонентами АС:

• функции защиты, реализуемые операционной системой;

• функции защиты от несанкционированного доступа, реализуемые на уровне программного обеспечения промежуточного слоя;

• функции управления данными, реализуемые СУБД;

• функции защиты программных средств, включая средства защиты от вирусов;

• функции защиты информации при обмене данными в распределенных системах;

• функции администрирования средств безопасности.
Основополагающим документом в области защиты информации в

распределенных системах являются рекомендации X.800, принятые МККТТ в 1991 г. (сейчас ITU-T). Подмножество указанных рекомендаций и составляет профиль защиты информации в АС с учетом распределения функций защиты информации по уровням концептуальной модели АС и взаимосвязи функций и применяемых механизмов защиты информации.

Профиль инструментальных средств, встроенных в АС, отражает решения по выбору методологии и технологии создания, сопровождения и развития конкретной АС. В этом профиле должна быть указана ссылка на описание выбранных методологии и технологии, выполненное на стадии эскизного проектирования АС. Состав инструментальных средств, встроенных в АС, определяется на основании решений и нормативных документов об организации сопровождения и развития АС. При этом должны быть учтены правила и порядок, регламентирующие внесение изменений в действующие системы. Функциональная область профиля инструментальных средств, встроенных в АС, охватывает функции централизованного управления и администрирования, связанные с:

• контролем производительности и корректности функционирования системы в целом;

• управлением конфигурацией прикладного программного обеспечения, тиражированием версий;

• управлением доступом пользователей к ресурсам системы и конфигурацией ресурсов;

• перенастройкой приложений в связи с изменениями прикладных функций АС;

• настройкой пользовательских интерфейсов (генерация экранных форм и отчетов);

• ведением баз данных системы;

• восстановлением работоспособности системы после сбоев и аварий.

Дополнительные ресурсы, необходимые для функционирования встроенных инструментальных средств (минимальный и рекомендуемый объем оперативной памяти, размеры требуемого пространства на дисковых

накопителях и т. д.), должны быть учтены в разделе проекта, относящемся к среде АС. Выбор инструментальных средств, встроенных в АС, производится в соответствии с требованиями профиля среды АС. Ссылки на соответствующие стандарты, входящие в профиль среды, должны быть указаны и в профиле инструментальных средств, встроенных в АС. В этом профиле должны быть также предусмотрены ссылки на требования к средствам тестирования, которые необходимы для процессов сопровождения и развития системы и должны быть в нее встроены. В число встроенных в АС средств тестирования должны входить средства функционального тестирования приложений, тестирования интерфейсов, системного тестирования и тестирования серверов/клиентов при максимальной нагрузке.

К основным задачам, решаемым инструментальными средствами, является разработка, отладка и исполнение программ контроллерами, которая осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения. Это, прежде всего, многочисленные пакеты программ для программирования контроллеров, предлагаемые производителями аппаратных средств. К этому же классу инструментального ПО относятся и пакеты ISaGRAF (CJ International France), InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Intellution, USA), имеющие открытую архитектуру и широко распространенные на рынке..

Определившись с набором стандартов, которым должна удовлетворять АС, можно приступать к проектированию ее отдельных компонентов.

Дата добавления: 2014-01-05