12. Автоматизированные системы управления на производстве

Редькин Ю.В.

Морская государственная академия им.адм. Ф.Ф. Ушакова, г. Новороссийск

Повышение достоверности передачи данных
в сети технологических контроллеров

Компьютерные системы сбора данных в современных промышленных системах зачастую обслуживают части этих систем, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. В таких условиях становится актуальной проблема помехоустойчивой передачи данных по линиям связи между разнесенными объектами этой системы, находящимися, как правило, под воздействием мощных промышленных электромагнитных помех.

Рассмотрим, какие меры повышения достоверности передачи данных можно использовать в системах сбора данных и оперативного диспетчерского управления, работающих в условиях сильных промышленных помех.

Классическим вариантом построения такой SCADA-системы (Supervisory Control And Data Acquisition System), является двухуровневая система. Верхним уровнем системы является диспетчерский пункт (ДП), а нижним – технологические контроллеры (ТК). Контроллеры и диспетчерский пункт оборудованы приемо-передатчиками, обеспечивающими связь между уровнями системы по линиям связи того или иного вида.

Диспетчерский пункт, как правило, включает в себя компьютер диспетчера, сервер баз данных и сетевой принтер, объединенные в локальную сеть предприятия. Для связи с технологическими контроллерами компьютер диспетчера снабжен контроллером интерфейса SCADA-системы.

Технологические контроллеры объектов выполнены на основе промышленных компьютеров (или микроконтроллеров), оснащенного модулями ввода-вывода сигналов и панелями индикации. Сеть технологических контроллеров обеспечивает съем и передачу на компьютер диспетчера аналоговых и дискретных сигналов с датчиков, установленных на объектах, а также осуществляет управление механизмами (двигателями, задвижками, вентиляторами) объектов системы. Для связи с диспетчерским пунктом контроллеры снабжены интерфейсами линии связи. Протокол обеспечивает независимый обмен данными между компьютером диспетчера и контроллерами объектов.

Линии связи диспетчерского пункта и технологических контроллеров находятся под воздействием импульсных помех от работающего на объектах контроля промышленного оборудования. Источником этих помех являются электрические двигатели различного назначения (насосы, вентиляторы и т.п.), а также электромагнитные реле (заслонки, задвижки и т.п.). Все эти устройства создают в линиях связи SCADA-системы широкополосные помехи, уровень которых особенно сильно возрастает при управлении этими устройствами. Таким образом, в критически важные моменты управления оборудованием объекта уровень помех в линии связи оказывается максимальным. В таких условиях при использовании классических интерфейсов связи, таких как RS-422/485 и, тем более RS-232, связь с объектами контроля становится невозможной.

Для обеспечения связи с объектами управления в условиях сильных импульсных помех необходимо применять помехоустойчивые протоколы, использующие кодированные методы передачи данных. Так, для увеличения надежности передачи данных в сети разработан специальный пакетный режим передачи. В этом режиме достоверность передачи по линии связи обеспечивается помехоустойчивым кодированием данных в контроллере перед их передачей.

В пакетном режиме данные, предназначенные для передачи по линиям связи, предварительно (с помощью контроллера интерфейса SCADA-системы) разбиваются на части, обрабатываются и группируются в пакеты. Формат типового пакета данных представлен на рис.1. С помощью таких пакетов осуществляется передача данных о состоянии аналоговых и дискретных датчиков с объектов контроля системы.

Рис.1. Формат пакета данных

Пакет данных состоит из маркера, адреса (кода технологического контроллера), данных и кода CRC.

Маркер пакета – это краткая последовательность бит (кодовое слово), служащая для индикации начала пакета. Приемник знает кодовое слово и постоянно ищет его в потоке поступающих данных, например, используя для этого коррелятор на согласованных фильтрах. Обнаружение кодового слова укажет на начало информационного пакета. Преимуществом подобной системы является высокая надежность достигаемой синхронизации. Принято считать [1], что хорошим синхронизирующим кодовым словом является то, которое имеет минимальное значение уровня боковых максимумов корреляции – значение корреляции кодового слова с собственной смещенной версией. Наиболее привлекательны, с этой точки зрения, последовательности или коды Баркера, у которых боковой максимум равен 1. Из известных уникальных кодов Баркера в качестве маркеров лучшими (с точки зрения минимума относительного уровня боковых максимумов корреляции) являются последовательности, имеющие максимальную длину, то есть 7, 11 и 13 символов.

Адрес – уникальный код технологического контроллера, которому адресован пакет данных.

Поскольку передача данных по линии связи происходит в условиях высокого уровня электромагнитных помех, то при формировании пакета передаваемые данные предварительно обрабатываются с целью повышения надежности передачи. Основными методами обработки передаваемых данных с целью увеличения помехоустойчивости являются:

– разбиение пакета на отдельные блоки и вычисление контрольной суммы для каждого блока;

– помехоустойчивое кодирование (добавление избыточности).

Для увеличения помехоустойчивости передаваемые данные разбиваются на блоки. Затем для каждого блока вычисляется контрольная сумма, которая передается после блока информационных данных. Применение контрольной суммы обеспечивает обнаружение одиночных пакетов ошибок.

Для уменьшения числа повторных передач информационных пакетов и, следовательно, для увеличения пропускной способности канала, а также для более надежной передачи данных можно применять прямое исправление ошибок путем использования способов помехоустойчивого кодирования (FEC). Обычно с этой целью используют коды Рида-Соломона (RS) различного вида или код Хэмминга (НАМ). Отметим, что использование FEC приводит к снижению “информационной” скорости передачи данных. Несмотря на указанное снижение скорости, использование FEC оправдано в сложной помеховой обстановке, поскольку уменьшает количество повторных передач пакетов и, таким образом, снижая общее время, требуемое для достоверной передачи данных.

Аварийные ситуации, возникающие при работе контролируемого объекта (выход показаний контролируемого датчика за установки или срабатывание датчика аварийной сигнализации), обрабатываются на уровне технологического контроллера с отправкой короткого сообщения, содержащего код аварии на диспетчерский пункт. Формат пакета аварийного сообщения представлен на рис.2.

Рис.2. Формат пакета аварийного сообщения

Пакет аварийного сообщения состоит из маркера, адреса, кода ТК, кода аварии и кода CRC.

В пакете сообщения об аварии в качестве адресата выступает контроллер диспетчерского пункта, а коды ТК и аварии – это коды объектового контроллера и зафиксированной им аварии.

Для управления работой механизмов и устройств на объектах контроля и регулирования в линиях связи SCADA-системы целесообразно использовать специализированные пакеты передачи данных, называемые пакетами управления. Формат пакета управления представлен на рис.3.

Рис.3. Формат пакета управления

Пакет управления состоит из маркера, адреса (кода ТК), команды и кода CRC. Отличие от стандартного пакета данных состоит в использовании специализированного поля “команда”, содержащего управляющую информацию для механизмов объекта контроля и регулирования. Полученные данные могут, как непосредственно быть использованы для включения/выключения каких-либо механизмов объекта, так и сохранены во FLASH-ПЗУ контроллера в качестве новых параметров регулирования, например, для управления процессами фильтрации аналоговых сигналов (порядок ЦФНЧ, вид ЧХ, частота среза фильтра) и ПИД-регулирования.

Описанные выше приемы помехоустойчивого кодирования данных, передаваемых по линиям связи, были успешно применены при разработке SCADA-системы крупного теплопункта, г.Туапсе.

Как показал опыт разработки системы, при построении систем удаленного контроля и управления на основе технических контроллеров необходимо учитывать влияние на каналы связи мощных электромагнитных помех от работающих механизмов, существенно влияющих на достоверность передачи данных. Решение проблемы помехоустойчивой передачи данных – в использовании комплекса мер, направленного на повышения надежности передачи данных по линиям связи, из которых наиболее действенны следующие: разбиение пакета данных на блоки и вычисление контрольной суммы для каждого блока, а также прямое исправление ошибок путем использования способов помехоустойчивого кодирования.

Литература:

1. Кодирование информации (двоичные коды) / Н. Т. Березюк, А. Г. Андрущенко, С. С. Мощицкий [и др.]. – Харьков: Вища школа, 1978. – 252 с.: ил.