1.3. Понятие открытой системы
Одна из важнейших проблем, возникающих в АСУ ТП, при автоматизации измерений и в других областях, заключается в резком увеличении стоимости системы с ростом ее сложности. Объективная причина этого явления состоит в том, что сложные системы часто изготавливаются в единичных экземплярах, а это не позволяет сделать их дешевыми.
Распространенный метод решения указанной проблемы состоит в делении системы на модули таким образом, чтобы каждый из них становился коммерчески эффективным изделием и мог изготавливаться несколькими конкурирующими производителями в больших количествах. Однако при этом возникает проблема аппаратной и программной совместимости модулей. Для достижения совместимости интерфейс, конструктив и выполняемые функции таких модулей должны быть стандартизованы.
Открытой называется модульная система, которая допускает замену любого модуля на аналогичный модуль другого производителя, имеющийся в свободной продаже по конкурентоспособным ценам, а интеграция системы с другими системами (в том числе с пользователем) выполняется без преодоления чрезмерных проблем. Понятие открытости обсуждается на веб-сайтах OMAC (Open Modular Architecture Controls, www.omac.org), и в работах [Helei, Business - Wang].
Открытость можно рассматривать на разных уровнях иерархии программного и аппаратного обеспечения системы или ее составных частей. Открытыми, например, могут быть:
- физические интерфейсы, протоколы обмена, методы контроля ошибок, системы адресации, форматы данных, типы организации сети, интерфейсы между программами, диапазоны изменения аналоговых сигналов;
- пользовательские интерфейсы, языки программирования контроллеров, управляющие команды модулей ввода-вывода, языки управления базами данных, операционные системы, средства связи аппаратуры с программным обеспечением;
- конструкционные элементы (шкафы, стойки, корпуса, разъемы, крепежные элементы);
- системы, включающие в себя перечисленные выше элементы.
Под открытостью системы иногда понимают ее соответствие современным промышленным стандартам, которое обеспечивает возможность интеграции с другими открытыми системами [Lewis, Azevedo]. Однако понятие открытости нужно трактовать шире: оно должно подразумевать, что система не только удовлетворяет стандартам, но стандарт является общепризнанным, а в свободной продаже имеются аналогичные системы других производителей по конкурентоспособным ценам.
Как следует из определения, необходимыми условиями открытости являются:
- модульность;
- соответствие стандартам [Azevedo] (необязательно официальным, но обязательно общепринятым и легко доступным по цене, компенсирующей только затраты на его разработку, поддержку и распространение);
- наличие в свободной продаже аналогичных систем других производителей (подсистем, модулей) по конкурентоспособным ценам.
Требование модульности вытекает из требования возможности замены части системы (т. е. модуля) аналогичными изделиями других производителей. Для этого система должна состоять из модулей.
Соответствие стандартам необходимо для обеспечения совместимости.
Наличие в свободной продаже и конкурентоспособность цен являются требованиями, вытекающими из практического аспекта: без выполнения этого условия открытая система может существовать только "на бумаге".
Понятие открытости достаточно многогранно и не стандартизовано. Поэтому практически можно говорить только о степени открытости системы, указывая, что именно понимается под открытостью в каждом конкретном случае. Степень открытости можно оценить количеством реализованных признаков открытости.
Для SCADA системы признаками открытости являются совместимость со стандартом ОРС [Iwanitz], совместимость с широко доступными компьютерами с различными операционными системами (желательно), совместимость с ActiveX, COM и DLL компонентами других производителей, поддержка языков стандарта МЭК 61131-3, наличие встроенного стандартного алгоритмического языка (например, Visual Basic) для реализации функций, которые невозможно реализовать другими средствами SCADA-пакета, возможность работы как с малым, так и большим количеством тегов без необходимости переобучения обслуживающего персонала, возможность применения веб-браузера в качестве пользовательского интерфейса для увеличения количества подключаемых рабочих станций, наличие пользовательского интерфейса, аналогичного интерфейсам других производителей, совместимость со стандартными базами данных и другими приложениями (например, Microsoft Office), расположенными на любых компьютерах сети.
Для промышленных сетей открытость означает наличие в свободной продаже сетевой аппаратуры от разных производителей по конкурентоспособным ценам, совместимой с открытыми стандартами.
Примером открытых систем являются системы, построенные на модулях и контроллерах RealLab! фирмы RealLab!, которые имеют стандартный протокол Modbus RTU или стандартный де-факто протокол DECON, стандартный интерфейс RS-485, стандартный конструктив (крепление на ДИН-рейку, разъемные клеммники), стандартные диапазоны аналоговых сигналов и стандартные уровни дискретных сигналов, стандартный OPC сервер, позволяющий использовать модули с любой стандартной SCADA. Любой модуль в такой системе может быть заменен на модули других производителей, которых в настоящее время насчитывается около десятка.
Идеальным примером открытой системы является современный офисный компьютер. Огромное число производителей в разных странах изготавливают множество аппаратных и программных компонентов, которые можно собрать в единую систему, заменить один компонент на другой, нарастить функциональные возможности. Любой компонент можно найти по достаточно низкой цене; отсутствуют производители, которые могли бы диктовать монопольные цены.
Понятие открытости не подразумевает открытость программного кода, как, например, в ОС Linux, хотя открытость кода позволяет добавлять в систему модули других производителей, что является признаком открытости. Однако открытость исходного кода существенно снижает надежность системы вследствие потенциальной возможности появления в ней дополнительных ошибок, внесенных во время модификации и компиляции. Поэтому открытость программного кода является спорным признаком открытости системы.
В отличие от открытых, закрытые системы разрабатываются по внутренним стандартам отдельных предприятий. Части (модули) закрытых систем не могут быть заменены аналогичными изделиями других производителей, а заказчик, однажды применив закрытую систему, навсегда оказывается привязанным к ее разработчику.
Наиболее подробное и ясное изложение требований к контроллерам с открытой архитектурой изложено в документе международной организации ISA под названием "Requirements of Open, Modular Architecture Controllers for Applications in the Automotive Industry" - "Требования к контроллерам с открытой модульной архитектурой для приложений в автомобильной индустрии". Во время написания этого документа в 1994 году были распространены частно-фирменные решения. Это приводило к тому, что потребитель средств автоматизации, однажды купив изделие одной фирмы, попадал в ценовую зависимость от нее, поскольку интерфейсы средств автоматизации разных фирм были различными и их сопряжение резко увеличивало общую стоимость системы. Расширение такой системы было дорогим, а обслуживающий персонал должен был проходить дополнительное обучение работе с нестандартным оборудованием.
Разновидностью и предельным случаем открытых систем являются системы, удовлетворяющие идеологии "Plug&Play" ("вставил - и заиграло"), когда вообще не требуется усилий для конфигурирования или настройки модулей после их подключения или замены на модули других производителей [Jammes]. Идеология "Plug&Play" существенно снижает требования к квалификации системных интеграторов, сокращает срок ввода системы в эксплуатацию, а также издержки потребителей на техническую поддержку и эксплуатацию.
1.3.1. Свойства открытых систем
Открытые системы обладают следующими положительными свойствами [Business, Feldmann, Wang], благодаря которым системные интеграторы проявляют к ним большой интерес:
- модульность;
- платформенная независимость;
- взаимозаменяемость с компонентами других производителей;
- интероперабельность (возможность совместной работы) с компонентами других производителей;
- масштабируемость.
Отметим, что закрытые системы тоже могут быть модульными, интероперабельными, масштабируемыми. Отличие открытых систем состоит в том, что все перечисленные свойства должны выполняться для компонентов, изготовленных разными производителями и имеющихся в свободной продаже.
К системам с открытой архитектурой предъявляют также общепринятые требования: экономичности, безопасности, надежности, грубости (робастности), простоты обслуживания и соответствия условиям эксплуатации, способности к самодиагностике и наличию рекомендаций по ремонту. Система должна обеспечивать максимальное время работы без сбоя и отказа, а также минимальное время, необходимое для выполнения технического обслуживания или ремонта.
Модульность
Модульность - это способность аппаратного или программного обеспечения к модификации путем добавления, удаления или замены отдельных модулей (компонентов системы) без воздействия на оставшуюся ее часть.
Модульность обеспечивается при проектировании системы на архитектурном уровне. Базой для построения модульного программного обеспечения является объектно-ориентированное программирование. Главным достижением в направлении развития модульности программного обеспечения АСУ ТП является выделение в нем независимых подсистем: программы в ПЛК, OPC сервера, баз данных, операторского интерфейса и алгоритмической части, реализуемой на языках стандарта IEC 61131-3, а также деление SCADA на серверную и клиентскую части.
Платформенная независимость
Возможность выполнения программ на разных аппаратно-программных платформах обеспечивает независимость от поставщика этих платформ и дает следующие преимущества:
- расширение выбора оборудования путем увеличения числа поставщиков;
- независимость от поставщика аппаратного и программного обеспечения.
Отсутствие этих свойств приводит к тому, что система, зависящая от одного производителя, прекращает свое развитие в случаях, когда фирма-производитель внезапно уходит с рынка, увеличивает стоимость продукта или снимает его с производства.
Применение ОС Windows является одним из путей повышения открытости систем, поскольку эта операционная система может быть установлена на максимальное число типов производимых компьютеров. В данном случае монополия фирмы Microsoft компенсируется ее размерами и стабильностью.
Платформенную независимость программных средств и, как следствие, повышение открытости обеспечивает также язык Java, хотя он и уступает С++ по быстродействию приложений.
Для улучшения открытости при компиляции исполняемых модулей программ важно избегать "улучшений" компилятора, применения плагинов, надстроек, скачанных "откуда-то из интернета", поскольку они могут сделать невозможным выполнение программы на других платформах.
Важным шагом на пути обеспечения платформенной независимости явилось применение интранет-технологий в автоматизации, когда передача информации к рабочей станции осуществляется с помощью языка xml, а ее представление пользователю выполняется с помощью любого веб-браузера. Веб-браузер позволяет в качестве рабочей станции АСУ ТП использовать компьютер и операционную систему любого производителя из имеющихся в свободной продаже.
Платформенной независимостью обладает также база данных с языком запросов SQL (Structured Query Language), если исключить из него по возможности все нестандартные расширения. Доступ к базе данных с помощью SQL осуществим независимо от программно-аппаратной платформы, на которой она находятся.
Взаимозаменяемость
Взаимозаменяемость - это возможность замены любого модуля (компонента) системы на аналогичный компонент другого производителя, имеющийся в свободной продаже, и возможность обратной замены. Это свойство позволяет ускорить замену отказавшего модуля, улучшить качество уже работающей системы, исключить ценовую зависимость от поставщика.
Интероперабельность (аппаратно-программная совместимость)
Интероперабельность - это способность открытых систем использовать программы, выполняющиеся одновременно на различных платформах в общей сети, с возможностью обмена информацией между ними. Иначе говоря, программные компоненты системы, расположенные на разных аппаратных платформах в общей сети, должны быть способны работать как часть единой системы.
Интероперабельность трудно достижима, но она обеспечивает возможность выбора аппаратных и программных средств из огромного разнообразия, представленного на рынке, вместо ограниченного выбора компонентов монопольного производителя закрытой системы.
Открытая интероперабельная система должна обладать способностью коммуникации и с другими уровнями АСУ предприятия, обеспечивая одновременно безопасность поступающей извне информации.
Одним из методов обеспечения интероперабельности Windows и Unix платформ может быть применение стандарта CORBA (Common Object Request Broker Architecture) [Aleksy].
Масштабируемость (наращиваемость)
Масштабируемость - это возможность применения одного и того же аппаратного и программного обеспечения (баз данных, пользовательских интерфейсов, средств коммуникации) для систем разного размера (больших и малых). Для обеспечения масштабируемости достаточно, чтобы программное обеспечение больших и малых систем было совместимо по операторскому интерфейсу, языкам программирования, а также интерфейсу с аппаратными средствами и не требовало дополнительного обучения персонала. Масштабируемая система должна обеспечивать возможность простого наращивания функциональных возможностей и размеров путем включения новых компонентов как в аппаратную, так и программную часть системы без модификации старых, опробованных программных и аппаратных модулей [Azevedo].
Масштабируемость позволяет применять одни и те же аппаратные и программные средства как для больших, так и для малых систем в пределах одной организации. Примером масштабируемых программных систем являются современные SCADA-пакеты TraceMode и MasterSCADA, которые продаются как единый пакет, но имеющий градации в зависимости от количества тегов.
До появления открытых систем обеспечение масштабируемости достигалось путем проектирования системы с большим запасом по габаритам, количеству слотов, интерфейсов. Наращиваемость открытой системы подразумевает иной путь, не требующий запаса ресурсов (и связанных с ним избыточных финансовых вложений). В частности, система, обладающая свойством платформенной независимости и интероперабельности, уже является расширяемой, поскольку она позволяет добавлять новое оборудование или заменять старое новыми модификациями, в том числе оборудованием других производителей.
Стандартность пользовательского интерфейса
Открытые системы должны иметь стандартный пользовательский интерфейс, чтобы выполнить требование о возможности интеграции с другими системами (в данном случае под "другой системой" понимается человек). Стандартизация пользовательского интерфейса снимает необходимость обучения операторов при переходе от одной открытой системы к другой.
1.3.2. Средства достижения открытости
Для обеспечения возможности построения открытых систем рынок должен быть наполнен программными и аппаратными средствами, которые являются взаимозаменяемыми, производятся независимыми предприятиями и удовлетворяют требованиям общепринятых стандартов. Ниже мы кратко опишем такие продукты.
Промышленные сети и протоколы
Наиболее распространенными в России являются сети Modbus, Profibus, CAN, Ethernet. Оборудование, совместимое с ними, выпускается сотнями конкурирующих предприятий в разных странах мира, что обеспечивает отсутствие монопольных цен.
Интерфейсы
Наибольшая часть средств промышленной автоматизации, представленных на Российском рынке, имеет интерфейсы RS-232, RS-485, RS-422, CAN, Ethernet, USB. Большое значение для повышения степени открытости имеют преобразователи интерфейсов и межсетевые шлюзы, которые позволяют объединять в единую систему несовместимое по интерфейсам и протоколам оборудование.
Программные интерфейсы
Для взаимодействия открытых систем на программном уровне наибольшее распространение получила DCOM-технология фирмы Microsoft, воплощенная в промышленный стандарт OPC (OLE for Process Control) [Iwanitz], который пришел на смену устаревшей технологии DDE (Dynamic Data Exchange). Стандарт ОРС обеспечил возможность применения оборудования различных производителей практически с любыми SCADA, имеющимися на рынке, поскольку большинство из них поддерживает стандарт OPC.
Аналогичная задача может быть решена также с помощью технологии Jini фирмы SUN и CORBA фирмы OMG [Feldmann], однако воплощение в международный стандарт OPC получила только технология DCOM, ориентированная на Windows-платформы (подробнее см. "OPC-сервер").
Интерфейс пользователя
Интерфейс между SCADA и пользователем в настоящее время выполняется примерно одними и теми же визуальными средствами, которые стали стандартом де-факто: кнопки пуск/стоп, цифровое табло, линейный или радиальный индикатор уровня, цветовая сигнализация, окна с текстовыми сообщениями, окна ввода данных, графики и т.п. Такой интерфейс легко осваивается операторами АСУ ТП.
Программирование контроллеров поддерживается тремя международными стандартами: стандартом МЭК 61131-3 [Lewis] на языки программирования и стандартами МЭК 61499 [International, Гулько] и МЭК 61804 на функциональные блоки. Стандарты поддерживаются большинством производителей программного обеспечения. Примером могут быть системы ISaGRAF фирмы ICS Triplex и CoDeSys фирмы 3S. Поддержку открытости обеспечивают также конверторы блоков UML (Unifid Modeling Language [Буч]) в функциональные блоки стандарта IEC 61499, а также UML в XML (eXtended Markup Language).
В последние годы появилось много SCADA систем, которые поддерживают веб-технологию, когда пользовательский интерфейс SCADA выполняется в виде веб-страницы и располагается на сервере локальной сети. При этом любой пользователь, обладающий достаточными правами доступа, с помощью стандартного веб-браузера (например, Internet Explorer) может управлять технологическим процессом. Такой подход является значительным прогрессом в направлении открытости SCADA пакетов, поскольку предоставляет пользователю широкий выбор хорошо валидированных веб-браузеров по достаточно низкой цене и обеспечивает применение практически любой аппаратно-программной платформы для общения со SCADA.
Программная совместимость
Важным достоинством SCADA пакетов, повышающим степень их открытости, является связь с программами Microsoft Office (Word, Excel, Access), которая снижает затраты на обучение персонала и расширяет возможности представления и обработки результатов измерений.
Совместимость баз данных со SCADA обеспечивает широко распространенный язык запросов SQL, соответствующий международному стандарту и поддерживаемый несколькими СУБД (системами управления базами данных), например, Informix, Sybase, Ingres, MS SQL Server. Интерфейс ODBC (Open Data Base Connectivity) позволяет подключать к одной и той же SCADA различные СУБД, что повышает степень ее открытости.
Обеспечение в некоторых SCADA пакетах возможности программирования на языке Visual Basic, а также возможность встраивания ActiveX и COM объектов сторонних производителей позволяет адаптировать SCADA к аппаратуре, не поддерживающей стандарт ОРС, а также применить принцип повторного использования программного кода, написанного для других приложений.
1.3.3. Достоинства и недостатки
Основным преимуществом систем с открытой архитектурой является низкая стоимость их жизненного цикла [Business]. Жизненный цикл АСУ ТП состоит из следующих фаз:
- разработка концепции и эскизное проектирование;
- проектирование и изготовление системы;
- монтаж и пуско-наладка;
- эксплуатация системы;
- обслуживание;
- реконфигурация, модернизация, разборка, утилизация.
В работе [Business] подробно рассмотрена стоимость каждого из перечисленных этапов.
Выгодой от применения открытых систем являются:
- пониженные вложения на проектирование системы и предпроектные изыскания - благодаря наличию на рынке большого выбора готовых компонентов открытых систем. Особенно большой экономический эффект достигается при создании крупных систем в единичных экземплярах. В этом случае экономия пропорциональна размеру системы;
- упрощение процесса интеграции - открытость подразумевает возможность простой интеграции разнородных систем;
- экономия финансовых средств - благодаря низкой стоимости жизненного цикла (в основном вследствие конкуренции независимых производителей и отсутствия диктата цен монопольным поставщиком);
- увеличенное время безотказной работы - благодаря выбору наиболее надежных модулей из имеющихся на рынке;
- минимизированное время вынужденного простоя - благодаря большому выбору взаимозаменяемых модулей всегда можно найти поставщика, имеющего нужные модули на складе;
- минимальные усилия на ввод в действие как аппаратуры, так и программного обеспечения - благодаря устранению времени на дополнительное обучение как монтажной организации, так и эксплуатирующего персонала;
- простое изменение конфигурации системы для работы с новыми технологическими процессами - вытекает из свойств модульности и расширяемости открытых систем;
- минимальный объем дополнительного обучения персонала и, как следствие, простота обслуживания;
- применение новейших технологий и технических решений - благодаря широкому выбору наилучших решений и специализации производителей;
- увеличение времени жизни системы - благодаря взаимозаменяемости отработавшего ресурс и нового оборудования, а также возможности наращивания функциональных возможностей.
В работе [Pizzica] описаны конкретные преимущества, полученные при создании открытой системы для тестирования военного авиационного оборудования:
- снижение стоимости разработки и изготовления системы. Экономия при этом сопоставима с экономией в серийном производстве;
- уменьшение сроков создания системы благодаря применению имеющихся в продаже компонентов;
- уменьшение риска получения системы, не удовлетворяющей техническому заданию, поскольку большой выбор совместимых между собой изделий, имеющихся в продаже, всегда позволяет подобрать компоненты с нужными характеристиками.
До появления компонентов открытых систем создание такого оборудования требовало разработки специализированных печатных плат, что было чрезмерно дорого и долго. Кроме того, некоторые необходимые функции при этом не могли быть реализованы никогда из-за жестких ограничений на сроки создания системы.
Недостатки открытых систем видны не сразу. И все же они имеются:
- при создании автоматизированной системы на базе открытых решений ответственность за работоспособность системы в целом ложится на системного интегратора, а не на производителя системы. Поэтому при появлении в системе невоспроизводимых отказов некому предъявить претензии, поскольку поставщиков много, а системный интегратор отвечает только за монтаж и пусконаладку системы;
- универсальность всегда находится в противоречии с простотой. Универсальные протоколы, интерфейсы, сети и программное обеспечение, чтобы быть универсальными, должны быть достаточно сложными, следовательно, дорогими и ненадежными. Хотя снижение надежности, вызванное сложностью, компенсируется повышением надежности благодаря большому тиражу и, следовательно, продолжением отладки после начала продаж;
- эффект снижения надежности программного обеспечения, части которого пишутся разными производителями. Когда ПО пишется внутри одной фирмы, можно предвидеть почти все ситуации, которые могут возникнуть на границе между ПО и пользователем или аппаратурой. Если же в этом участвуют несколько разных команд в разных фирмах, между которыми нет взаимодействия, то становится непонятно, кто отвечает за надежность всего комплекса. Кроме того, с ростом числа программистов, участвующих в создании ПО, по законам статистики увеличивается вероятность того, что появится хотя бы один программист, не умеющий писать надежные программы. А этого достаточно, чтобы сделать всю систему ненадежной. Надежность и безопасность открытых систем остаются темами, требующими решения [Wang];
- иногда к признакам открытости относят открытость исходных кодов. Однако наличие открытых кодов снижает надежность программной системы, поскольку нарушается принцип инкапсуляции, необходимость которого обоснована в идеологии объектно-ориентированного программирования;
- как и любая стандартизация, открытость накладывает ограничения на диапазон возможных технических решений, затрудняя творчество и снижая вероятность появления новых и плодотворных технических решений.
Отметим, что проблема надежности относится не ко всем компонентам открытых систем. Например, такие компоненты, как базы данных, компьютеры или сети Ethernet, обладают высокой надежностью благодаря огромному тиражу и, как следствие, качественной валидации* этих компонентов и оптимизации процессов изготовления. Кроме того, выше перечислены только факторы, понижающие надежность открытых систем. Однако одновременно имеются факторы, которые ее повышают - это увеличенный тираж модулей открытых систем по сравнению с низким тиражом полностью заказных систем. Поэтому вывод о надежности открытой системы может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от конкретного состава ее элементов.
*Валидация - это верификация с участием потребителя (терминология стандарта ИСО 9001)
|
|
