книги / Проектирование и эксплуатация автоматизированных систем диспетчерского управления объектами критической инфраструктуры современного города

3

4

5

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время не вызывает сомнений актуальность вопросов, связанных с интеграцией информационных технологий в процессы проектирования и эксплуатации современных объектов промышленного и гражданского строительства. Наличие в проекте здания или сооружения современных автоматизированных подсистем значительно повышает его привлекательность в глазах инвесторов, а складывающаяся в последнее время рыночная конъюнктура в условиях высокой конкуренции делает «неинтеллектуальные» предложения вовсе неконкурентоспособными.

Тем не менее, к большому сожалению, количество специалистов, имеющих необходимые знания как в области строительства, так и в области специализированныхинформационныхтехнологий, досихпоркрайнемало.

Процесс подготовки квалифицированных специалистов, обучающихся по программе подготовки магистров 27100051.68 – «Информационные технологии и системы в промышленном и гражданском строительстве», принципиально невозможен без создания у обучаемого целостного представления о существующих в настоящее время технологиях, протоколах и их сочетаниях, успешно применяемых в мировой практике. Другой неотъемлемой частью подготовки является формирование соответствующих навыков применения современных аппаратных и программных средств на всех этапах жизненного цикла автоматизированных систем ОКИ. Авторы пособия считают, что получение дополнительных знаний в этой области позволит специалистам, работающим с информационными технологиями, успешноподходитькрешениюуказанныхзадачнакачественноновомуровне.

Учебное пособие состоит из шести глав. Первая глава пособия носит обзорный характер и содержит материал, освещающий основные применяемые технологии и протоколы. Вторая и последующие главы посвящены вопросам, связанным с этапами планирования, проектирования и эксплуатации автоматизированных систем диспетчерского управления объектов критической инфраструктуры, а также технической диагностики указанных объектов. Последняя, шестая глава отражает аспекты, связанные собеспечением информационной безопасности подобных систем.

Авторы считают, что данное учебное пособие также может быть полезно магистрантам и аспирантам, специализирующимся в области создания и эксплуатации автоматизированных систем диспетчерского управления в различных отраслях промышленности.

6

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АСДУ ОБЪЕКТОВ КРИТИЧЕСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ

На волне развития технологий автоматизации производственных процессов (АСУ ТП и т.д.), которое происходит в настоящее время

восновном за счет внедрения в эту область IT-технологий, все большую популярность стало получать смежное направление – построение автоматизированных систем управления объектами критической инфраструктуры, сокращенно АСДУ ОКИ.

Как видно из названия, объектом автоматизации здесь является объект критической инфраструктуры, в частности, здание, а точнее, инженерные системы этого здания, такие как энергоснабжение, отопление, освещение, вентиляция, водоснабжение и канализация, пожарная и охранная сигнализация, контроль микроклимата и др. Иногда эти системы называют системами жизнеобеспечения здания. Традиционно все они функционируют независимо друг от друга, что зачастую приводит как к нерациональному использованию энергоресурсов, так и снижению безопасности здания; например, при возникновении пожара необходимо отключать систему вентиляции, а так как пожарная сигнализация и вентиляция не связаны друг с другом, то делать это придется вручную, возможно, с большим запаздыванием. В связи с этим одной из задач при построении АСДУ ОКИ является объединение всех инженерных систем

винтегрированный комплекс, что позволяет достичь основных целей, для которых производится автоматизация, – повышение энергоэффективности, безопасности и комфортабельности эксплуатации здания.

Наиболее удобной технологической платформой для осуществления данной задачи в настоящий момент являются так называемые field- bus-технологии (или «полевые» технологии) – прямые наследники компьютерных сетей и традиционных систем автоматизации, таких как МСТМ и пр. Fieldbus-сети объединяют в единую сеть множество контроллеров, а иногда и датчиков, и исполнительных механизмов, если они оснащены «интеллектом», в так называемое «поле» (отсюда и название – полевые технологии) и обеспечивают их взаимодействие по стандартным или специально разработанным коммуникационным протоколам. Преимуществами таких систем являются их большая универ-

7

сальность, возможность масштабирования и модернизации, более низкая по сравнению с традиционными АСУ ТП стоимость разработки и поддержки, а также преимущества, которые дает использование коммуникационных протоколов – распределенное управление, более удобный ввод в эксплуатацию и др.

Другим важным достоинством fieldbus-сетей является то, что будучи специально разработанными для автоматизации потенциально опасных промышленных объектов, они обеспечивают повышенную надежность функционирования и выполняют требования работы в реальном масштабе времени. Последнее означает, что при возникновении какоголибо события (как внешнего, так и внутреннего по отношению к системе) она отреагирует на него в достаточно жесткие, заранее заданные временные рамки, что является ключевым фактором при автоматизации объектов критической инфраструктуры. Несмотря на то, что при автоматизации зданий такая задача, как правило, не возникает (исключением может быть лишь система пожарной или иной сигнализации, где время реакции системы должно гарантироваться с высокой степенью вероятности и при этом быть, как можно меньше), тот факт, что эта возможность в принципе имеется, служит дополнительным плюсом при выборе технологии.

Целью настоящей главы является ознакомление с архитектурными основами построения высокоинтегрированных автоматизированных информационно-управляющих систем, неотъемлемой частью которых являются системы управления зданиями и сооружениями, а также основными технологиями fieldbus-сетей, применяемыми в рассматриваемой предметной области.

1.1. ОБЩАЯАРХИТЕКТУРАИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХСИСТЕМ. ШЕСТИУРОВНЕВАЯМОДЕЛЬИУС

Архитектура информационно-управляющей системы (ИУС) – это абстрактное ее представление, включающее в себя идеализированные модели компонентов системы и модели их взаимодействий. Эти компоненты находятся во взаимосвязи и, взаимодействуя, образуют ИУС и решают задачи управления на архитектурном уровне. Выбор технической реализации этих идеализированных компонентов системы может быть различным для каждой конкретной системы, построенной по одной архитектуре [3].

8

Компонентами архитектуры являются модели датчиков, исполнительных механизмов, устройств ввода/вывода, контроллеров, сетевого оборудования, промышленных и персональных ПК, коммуникаций (телефонной, компьютерной и промышленной сети и других каналов передачи информации), протоколов, интерфейсов, программного обеспечения и пр.

Модели взаимодействия компонентов, следовательно, типы архитектур сети постоянно менялись вслед за развитием технологий. Одними из первых появились и стали популярны АИУС, построенные по централизованному принципу, называемому теперь «традиционным». Основу такой системы представляет контроллер или ПК (их может быть несколько), к которому по различным схемам или топологиям подключается технологическое оборудование: датчики, исполнительные механизмы, другие контроллеры и др. Основной контроллер координирует работу всей системы и реализует общий алгоритм функционирования системы. В случае выхода этого контроллера из строя вся сеть оказывается нерабочей. Несмотря на преимущества (управление всей сетью может осуществляться централизованно, структура сети более проста, меньшие затраты на создание прикладного ПО, поскольку требуется разработать всего одну сетевую программу), такая модель взаимодействия была слишком ненадежной и требовала от контроллера большой вычислительной мощности и повышенной надежности, так как от его работы зависела вся система. Кроме того, по мере приближения к центральному контроллеру требуется большая пропускная способность каналов связи, поскольку потоки информации по мере повышения уровня в иерархии становятся больше.

На смену традиционному подходу стали приходить распределенные системы автоматизации, лишенные вышеперечисленных недостатков. В таких системах нет центрального контроллера, а сеть проектируется таким образом, чтобы максимально снизить потоки информации, циркулирующие между «высокоуровневыми» компонентами сети, такими как контроллеры, активное сетевое оборудование или ПК. Одним из примеров технологий, использующих принцип построения распределенных систем управления, является технология LONWorks, которой посвящена данная работа.

Между этими двумя противоположными подходами к реализации архитектур располагается множество промежуточных, сочетающих черты и традиционных, и распределенных систем управления.

9

Несмотря на все многообразие архитектур, их все можно систематизировать в единую обобщенную модель, которая учитывает множество технологий реализации ИУС и различные масштабы, и сложность таких систем. Эта модель получила название «обобщенной модели транспортной инфраструктуры современных промышленных управляющих систем». Она изображена на рис. 1.1.

Данная инфраструктура построена по иерархическому принципу и охватывает все уровни промышленных управляющих систем любой сложности. Нижний уровень иерархии TL0 – уровень датчиков и исполнительных механизмов – присутствует в любой промышленной системе управления. Это базовые элементы системы управления, обеспечивающие связь с объектом автоматизации: получение информации о ходе технологического процесса и передача управляющих воздействий. Систем автоматизации, состоящих только из устройств уровня TL0, как правило, не бывает, хотя в настоящее время наметилась тенденция усложнения устройств этого уровня, оснащение датчиков цифровыми интерфейсами и микроконтроллерами. Однако пока что основная цель такой «интеллектуализации» в основном состоит в компенсации погрешностей измерений и нелинейности характеристик датчиков.

К устройствам контроллерного уровня TL1 относятся модули ввода/вывода, промышленные ПК, контроллеры, сетевое оборудование (для сетей, построенных на основе Ethernet) и другие устройства, обладающие значительными вычислительными мощностями и способные выполнять функции управления. Часто устройства этого уровня обладают встроенным веб-интерфейсом для настройки, или реализации функций локального человеко-машинного интерфейса (HMI). Как видно из рис. 1.1, уровень TL1 может быть реализован на основе четырех разных принципов:

–на основе fieldbus-технологии (например, LONWorks) (TL1.1);

–на основе проводного Ethernet, адаптированного под промышленное применение (TL1.2);

–на основе беспроводного Ethernet (стандарта 802.11) (TL1.3);

–на основе семейства беспроводных технологий xBee (стандарт

802.15) (TL1.4).

Независимо от технологии реализации, устройства контроллерного уровня выполняют в целом одни и те же функции: функции подсистем сбора и распределения информации, функции управления. Благодаря тому, что устройства уровня TL1 способны выполнять функции

10