В борьбе единства противоположностей

Современные идеолого-технические средства АСУТП приемлют оба возможных подхода к проблеме управления ТП: иерархическое управление из единого центра и популярное распределенное, в английской терминологии DCS (Distributed Control Systems). Первый подход предусматривает обслуживание всего контура управления одним логическим ядром-вычислителем вне зависимости от числа процессоров и схемы их взаимодействия. Второй предусматривает расчленение единого алгоритма на пространственно и функционально разделенные блоки, связанные цифровыми коммуникациями.

Успехи микроэлектроники и телекоммуникационных технологий дали резкий толчок развитию методов распределенного управления, отличающихся большей интегральной живучестью, хотя и меньшей оперативностью, чем иерархические системы. Устройства, которые хотелось бы представить сегодня, удачно совмещают оба принципа.

Терминальная стадия

Развитие распределенных систем прямо связано с прогрессом коммуникаций. Активно используется техника удаленных датчиков и преобразователей. Интеллектуальность удаленных устройств обеспечивается встроенным контроллером, отвечающим за отработку своей части общего алгоритма и связь, а равно обмен данными и командами с другими узлами и головной машиной. Нервными волокнами DCS служат любые цифровые коммуникации, от примитивных последовательных RS-232 или RS-485 в телефонной "лапше" или витой паре до мульти-сервисных полевых шин FieldBus и доминирующего Ethernet с TCP/IP 10:1000 Мбит в обрамлении высоких протоколов межзадачного обмена.

Средой передачи технологической информации служит все мировое киберпространство, пресловутое инфо-облако, все известные традиционные и беспроводные методы доставки. Совокупность центральных и локальных узловых вычислительных ресурсов, объединенных цифровыми коммуникациями любого типа, решают задачу исполнения алгоритма управления, и остается последний, он же терминальный вопрос.

Несмотря на свое безысходно финальное звучание, проблема отражает комплекс мер предотвращения неприемлемых в своей необратимости терминальных последствий потери управляемости. Невольный каламбур свидетельствует о несовершенстве нашего познания мира. Ни одна математическая модель и ни один алгоритм на ее базе не учитывают многообразия факторов процесса, равно как ни одна цифровая система не застрахована от фатального сбоя.

"Бесчеловечный" замкнутый цикл управления немыслим в системах, чреватых дорогостоящими или людскими потерями. Гарантом функционирования сложной системы в зоне неведомого остается человек-оператор ТП, а залогом его адекватности — качество технических и программных средств ЧМИ, визуализации и ввода команд.

Сколько стоит далеко

Современные аппаратные средства визуализации и роскошный инструментарий программных оболочек SCADA дают технологам возможность рассматривать процесс не только в РВ, но и во всем графическом разноцветии, гибко меняя ракурс и степень детализации в зависимости от текущих потребностей. Наиболее показательны в этом аспекте современные эргономичные панели управления воздушных лайнеров в сравнении с невообразимой мешаниной приборов, индикаторов и тумблеров "прошлого века".

Несколько плоских дисплеев с сенсорными панелями под управлением нескольких бортовых компьютеров освободили не только интерьер кабины, но и существенно разгрузили внимание пилотов, что абсолютно сказывается на улучшении управляемости и, в конце концов, безопасности — основного критерия работы летчиков.

Для промышленных терминалов практически решены все "видимые" проблемы, современные жидко-кристаллические (ЖК) и плазменные панели уверенно "выжили" мониторы с ЭЛТ изо всех ответственных и критичных задач по всем параметрам, равно как сенсорные панели "вывели" из игры всех промышленных мутантов компьютерных мышей. Проблемы локальных терминалов визуализации и управления в пультовых помещениях решаются вполне стандартными разнообразными путями без особых изысков.

Проблема обеспечения исчерпывающей информации "по месту" — есть проблема удаленного терминала во всем многообразии. Узловые контроллеры не располагают ресурсами высокой графики и весьма ограничены в средствах отображения максимум индикаторными панельками. Концентраторы технологической информации, головные компьютеры расположены в пультовых помещениях или даже выше, но места, где терминалы необходимы, могут быть удалены на сотни метров, располагаться в произвольных условиях вплоть до уличных.

Популярные решения от простого к сложному выглядят следующим образом:

1. графический терминал на стандартных коммуникациях, видео, клавиатуры и мыши. Незамысловатое и весьма дорогостоящее решение. На значительном удалении стоимость коммуникационного оборудования легко может превысить стоимость самого терминального даже самого дорогого исполнения;
2. алфавитно-цифровой терминал на последовательной линии связи. Существенно дешевле первого варианта, хотя объем и графические возможности ограничены малой производительностью интерфейса в несколько десятков Кбит;
3. терминальная станция — фактически интерфейсный компьютер или интеллектуальный терминал. Связь с головной машиной — информационная сеть Ethernet. Данное решение связано с работой ПО визуализации на терминале и взаимодействием с аналогичным ПО на головной машине. До недавнего времени этот метод обеспечивал оптимальное сочетание эксплуатационных качеств и стоимости.

"Тонкий" оператор-технолог

Дальнейшее развитие концепции удаленного интеллектуального терминала визуализации и управления в АСУТП связано с бурно развивающейся технологией "Тонкого клиента" (Thin Client). Принцип функционирования терминала Thin Client заключается в исполнении рабочего кода процессором терминального сервера, в нашем случае сервера визуализации процесса. "Тонкий" терминал получает по сети только рабочие окна, воспроизводит их на своем дисплее и на этом ограничивается его соучастие в процессе визуализации.

От терминала на сервер уходят команды клавиатурного ввода и позиционирования курсора, не создающие перегрузки сетевого трафика. Представленная выше схема клиент-серверного взаимодействия загружает ресурсы интеллектуального терминала обменом информации, ее подготовкой, обработкой и визуализацией. "Тонкий" терминал, успешно "симулируя" производительность сервера, нисколько не рискует своей собственной и даже не нуждается в ней.

Процесс, запущенный терминалом на сервере, функционирует как виртуальная машина с производительностью, отвечающей серверу. Многозадачный многопоточный режим обеспечивает прохождение задач терминалов без задержек, выбирая все возможные паузы операторского ввода и вывода для работы других задач. В то же время межзадачный обмен происходит на максимальных скоростях в пределах одного сервера. По источникам, например, сайт проекта Терм-ОС www.termos.ru, для нормального функционирования терминального клиента достаточно производительности забытого уровня 80286 — 12 МГц и рабочего трафика магистрали не ниже 30 Кбит.

Там же можно почерпнуть массу интересной информации о программных преимуществах "тонких клиентов", на чем сейчас останавливаться не будем. Механизм PXE удаленной загрузки образа ОС в "тонкий" терминал полностью освобождает устройство от дисковых накопителей, резко повышая его интегральную надежность и, естественно, снижая стоимость. Новые экономичные и мощные процессоры архитектуры х86 такие как STM серии STPC, ZF Micro, NS Media GX, Transmeta Crusoe, VIA серии C3 и Intel серии ULP-ULV не нуждаются в принудительном охлаждении и дорогостоящих подсистемах питания.

Максимальная надежность и неприхотливость промышленных одноплатных компьютеров новой волны допускает их применение в компактных всепогодных герметичных корпусах, равно как и на батарейном основном или резервном питании.

Новое поколение промышленных терминалов на базе "тонких клиентов", уже заслужившее признание и термин "тонкий промышленный" клиент (Thin Industrial Client), встречается достаточно часто как одна из важных сфер применения новых разработок в области встраиваемых промышленных вычислительных систем.

Следующую стадию прогресса "Тонких промышленных терминалов" обеспечили ОС новой генерации, Windows CE и Linux. Поддержка терминального доступа клиентов этого типа открыла дорогу мощнейшим и сверхэкономичным процессорам архитектуры RISC. Таким образом "Тонкие промышленные терминалы" на RISC процессорах не только подняли на максимум планку надежности, экономичности и живучести устройств, но и способствовали их "мобилизации", фактическому появлению класса "мобильных интеллектуальных промышленных терминалов" с беспроводным сетевым соединением и полносменным батарейным ресурсом.

"Оторванный" от провода мобильный оператор-технолог имеет предусмотренный для него доступ к процессу даже из курилки. Все, что для этого нужно, — беспроводный сетевой или модемный доступ на радиочастотах или инфракрасной связи.

В заключение приведем несколько примеров конкретных серийных промышленных устройств класса ЧМИ, готовых к работе в качестве удаленного "тонкого клиента" в доказательство факта активного использования новейшей концепции удаленного, вплоть до мобильности, интеллектуального промышленного терминала.

Серия DisplayPAC-ARM от компании Computer Dynamics (США) — классический промышленный встраиваемый интеллектуальный операторский терминал, созданный на базе одноплатного компьютера на RISC процессоре Intel StrongARM Sa-1110 200 МГц, поставляемый с предустановленной Windows CE и рядом активно-матричных ЖК экранов размером 6,4:18,1" по диагонали. Модуль рассчитан на стационарное и бортовое (транспортное) применение. Как большинство встраиваемых изделий, DP-ARM лишен корпуса и собран на стальной штампованной раме. На выбор пользователя предлагается несколько вариантов сенсорных экранов, сетевой порт Ethernet, 7 портов RS-232 и 2 — USB, весьма внушительная коммуникационная мощь.
• Автономная сетевая версия "тонкого" терминала для стационарного и мобильного применения с 15" дисплеем — DisplayPAC-TC (Thin Client) на базе NS GX-1 300 МГц.
• PAC-NFP-15 — усиленная версия предыдущего изделия водостойкого исполнения.

Деревяго Евгений Валентинович,
Директор по развитию бизнеса Flex Engineering