протокол прикладной программы

протокол управления простой сетью
Протокол, управляющий сетью, сетевыми устройствами и их функциями.
[Е.С.Алексеев, А.А.Мячев. Англо-русский толковый словарь по системотехнике ЭВМ. Москва 1993]

простой протокол сетевого управления
Прикладной протокол (L7) управления сетевыми устройствами. Основное предназначение состоит в получении подробной информации о состоянии устройства и изменении его конфигурации в автоматическом режиме. Помимо периодического считывания SNMP-сервером информации с устройства, возможна активная сигнализация самим устройством о произошедших событиях.
[ http://www.morepc.ru/dict/]

простой протокол управления сетью
Протокол группы IETF по управлению сетью. Основной протокол администрирования сетей TCP/IP, обеспечивающий мониторинг и контроль сетевых устройств, обслуживание их конфигураций, сбор статистических данных, замеры производительности и проверку безопасности (МСЭ-Т Х.805; МСЭ-Т J.116).
[ http://www.iks-media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324]

Вопросы сетевого управления традиционно входят в число основных как для производителей программ и оборудования, так и для организаций, занимающихся разработкой стандартов. Невероятно высокий темп развития сетей на базе протокола TCP/IP (и Internet в частности) и движение в сторону создания единой информационной магистрали обусловили необходимость разработки стандартного протокола управления устройствами по сети и множества высокоуровневых продуктов, которые его используют.

Протокол управления сетями определяет стандартный метод контроля какого-либо устройства со станции управления с целью определения его состояния, настроек и иной информации, а также ее модификации. Основным протоколом управления, используемым в семействе TCP/IP, является протокол SNMP (Simple Network Management Protocol простой протокол управления сетью). Сам протокол очень прост: он определяет только иерархическое пространство имен объектов управления и способ чтения (или записи) данных этих объектов на каждом узле. Основное преимущество этого протокола заключается в том, что он позволяет единообразным образом управлять всеми типами аппаратных средств, независимо от их назначения и особенностей. Все они говорят на одном языке и могут опрашиваться и конфигурироваться с центральной станции.

Однако, SNMP не более чем протокол, поддерживающий диалог двух сторон. Для его использования необходимы две составляющие: программа-агент, работающая на сетевом устройстве, и программа-менеджер, позволяющая дистанционно отслеживать и управлять сетевыми устройствами. Способ ведения диалога между агентом и менеджером показан на рис.1.

Рис. 1 Работа протокола SNMP в рамках модели OSI

Протокол SNMP традиционно используется для управления телекоммуникационным оборудованием. Для управления обычно применяются так называемые платформы сетевого управления, позволяющие осуществлять обнаружение устройств в сети, объединять модули управления оборудованием разных производителей, выполнять общие функции управления и оповещения. В число наиболее известных платформ сетевого управления входят HP OpenView (Hewlett-Packard), Solstice Domain Manager (Sun Microsystems), Tivoli NetView (Tivoli Systems), SNMPc (Castle Rock). Вместе с тем, управление с использованием SNMP может быть применено и для решения других задач в том числе для систем промышленного управления. Проиллюстрируем такой подход на реальном примере.

В ходе выполнения одного из экспортных контрактов корпорацией Стинс Коман была разработана, произведена и установлена на ТЭС Фалай (Вьетнам) система управления электрофильтром. Логически система была разделена на два уровня: нижний монтируемый в непосредственной близости от электрофильтра, и верхний осуществляющий сбор статистической информации и представляющий графически состояние всего объекта. От использования существующих SCADA-систем мы отказались из-за высокой стоимости пакета разработки и модулей времени выполнения, а также большого времени, необходимого на обучение разработчиков. Было решено пойти по пути собственной разработки. Связь между подсистемами верхнего и нижнего уровней была осуществлена традиционными для задач АСУ ТП методами. Из огромного количества используемых полевых протоколов был выбран один, наиболее подходящий по быстродействию и простоте реализации. Учитывая особенности этого протокола, был разработан программный комплекс, осуществляющий сбор информации, анализирующий статистику и графически представляющий состояние управляемого устройства.

Приступив к аналогичным работам по следующему контракту, мы постарались учесть уроки предыдущей разработки и при создании системы управления технологическими процессами воспользоваться нашим опытом проектирования больших сетевых комплексов. В новом варианте системы связь между уровнями осуществлялась по протоколу SNMP. В качестве программы верхнего уровня использовался описанный ниже универсальный SNMP-менеджер.

Использование принципов сетевого управления при создании систем управления технологическими процессами позволило избежать проблем, связанных с интеграцией различных уровней системы. Появился единый универсальный способ управления любым оборудованием, начиная от сетевого маршрутизатора и заканчивая электрофильтром. Для того чтобы появилась возможность управлять устройствами, которые ранее в принципе не подключались к сети, был разработан универсальный программно-аппаратный SNMP-агент eSCape. Это устройство построено на основе однокристального RISC-контроллера и для подключения к сети (локальной или территориально-распределенной) использует Ethernet или PPP. Оно обладает малым весом и невысокой стоимостью и предоставляет широкий выбор вариантов сопряжения с управляемым объектом.

При разработке системы промышленного управления, реализованной в виде SNMP-менеджера, изначально были сформулированы следующие требования:

• новый программный продукт должен обеспечивать сбор и хранение статистических данных, которые должны легко импортироваться в другие программы; 
• новый программный продукт должен работать как под управлением ОС MS Windows 9x/NT/2000, так и под управлением ОС Linux;
• новый программный продукт должен обеспечивать достаточное быстродействие на машинах бюджетного класса;
• для разработки программ рекомендуется использовать свободно распространяемые продукты с открытым исходным кодом.

В результате был разработан программный комплекс EscView, архитектура которого приведена на рис.2.

Рис.2 Программный комплекс, осуществляющий сбор информации, анализ статистики и графическое представление состояния управляемого устройства

Каждому управляемому устройству соответствует SNMP-агент, который может быть встроенным или внешним. SNMP-агенты, подключенные к сети протокола TCP/IP, периодически опрашиваются программой-монитором, которая написана на языке Perl. Периодичность и частота опроса, а также перечень интересующих SNMP-агентов записаны в базе данных, построенной на пакете программ MySQL. Все переменные, считанные в процессе опроса, сохраняются в базе данных. SNMP-агент может также сам проинформировать систему управления о том или ином изменении своего состояния. Для подачи команд устройствам необходимо изменить соответствующие поля базы данных. Все изменения, произошедшие в базе данных, адресно передаются SNMP-агентам.

Рис.3 Пример диалога с пользователем в формате HTML-страницы

Для реализации графического интерфейса пользователя используется HTTP-сервер Apache. Программа, написанная на языке Perl, поддерживает диалоги с пользователем и при помощи базы данных динамически формирует ответ в формате HTML-страницы или в формате WML-страницы.

Страницы HTML предназначены для пользователей, работающих с любым Internet-браузером (например, MS Internet Explorer или Netscape Navigator). Пример реального диалога представлен на рис.3. Страницы WML предназначены для мобильных устройств, поддерживающих протокол WAP (таким устройством может быть сотовый телефон). Для поддержки WAP-клиентов никаких специальных аппаратных доработок производить не надо: в качестве шлюза выступают ресурсы, штатно предоставляемые сотовыми операторами. Соединение между сотовым шлюзом и SNMP-менеджером осуществляется через Internet.

Данное решение может функционировать как под управлением ОС MS Windows 9x/NT/2000, так и под управлением ОС UNIX/Linux. Все программные продукты, используемые при разработке, распространяются свободно.

Описываемое решение уже используется для обслуживания мощных источников бесперебойного питания. В настоящее время на базе этого решения разрабатывается комплекс программ, предназначенных для управления электрофильтром. Оно, в частности, может использоваться для создания интеллектуальных зданий, для распределенного сбора информации с датчиков, а также для реализации заданного промышленного управления через типовые объединённые сети.

[ http://www.mka.ru/?p=40138]

Тематики

• сети вычислительные

Действия

• простой протокол сетевого управления

Синонимы

• простой протокол сетевого управления

EN

• Simple Network Management Protocol
• SNMP

человеко-машинный интерфейс (ЧМИ)
Технические средства, предназначенные для обеспечения непосредственного взаимодействия между оператором и оборудованием и дающие возможность оператору управлять оборудованием и контролировать его функционирование.
Примечание
Такие средства могут включать приводимые в действие вручную органы управления, контрольные устройства, дисплеи.
[ ГОСТ Р МЭК 60447-2000]

человекомашинный интерфейс (ЧМИ)
Технические средства контроля и управления, являющиеся частью оборудования, предназначенные для обеспечения непосредственного взаимодействия между оператором и оборудованием и дающие возможность оператору управлять оборудованием и контролировать его функционирование (ГОСТ Р МЭК 60447).
Примечание
Такие средства могут включать приводимые в действие вручную органы управления, контрольные устройства и дисплеи.
[ ГОСТ Р МЭК 60073-2000]

человеко-машинный интерфейс
Средства обеспечения двусторонней связи "оператор - технологическое оборудование" (АСУ ТП). Название класса средств, в который входят подклассы:
SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) - Операторское управление и сбор данных от технологического оборудования.
DCS (Distributed Control Systems) - Распределенная система управления технологическим оборудованием.
[ http://www.morepc.ru/dict/]

Параллельные тексты EN-RU

MotorSys™ iPMCC solutions can integrate a dedicated human-machine interface (HMI) or communicate via a personal computer directly on the motor starters.
[Schneider Electric]

Интеллектуальный центр распределения электроэнергии и управления электродвигателями MotorSys™ может иметь в своем составе специальный человеко-машинный интерфейс (ЧМИ). В качестве альтернативы используется обмен данным между персональным компьютером и пускателями.
[Перевод Интент]

HMI на базе операторских станций

Самое, пожалуй, главное в системе управления - это организация взаимодействия между человеком и программно-аппаратным комплексом. Обеспечение такого взаимодействия и есть задача человеко-машинного интерфейса (HMI, human machine interface).

На мой взгляд, в аббревиатуре “АСУ ТП” ключевым является слово “автоматизированная”, что подразумевает непосредственное участие человека в процессе реализации системой определенных задач. Очевидно, что чем лучше организован HMI, тем эффективнее человек сможет решать поставленные задачи.

Как же организован HMI в современных АСУ ТП?
Существует, как минимум, два подхода реализации функционала HMI:

1. На базе специализированных рабочих станций оператора, устанавливаемых в центральной диспетчерской;
2. На базе панелей локального управления, устанавливаемых непосредственно в цеху по близости с контролируемым технологическим объектам.

Иногда эти два варианта комбинируют, чтобы достичь наибольшей гибкости управления. В данной статье речь пойдет о первом варианте организации операторского уровня.

Аппаратно рабочая станция оператора (OS, operator station) представляет собой ни что иное как персональный компьютер. Как правило, станция снабжается несколькими широкоэкранными мониторами, функциональной клавиатурой и необходимыми сетевыми адаптерами для подключения к сетям верхнего уровня (например, на базе Industrial Ethernet). Станция оператора несколько отличается от привычных для нас офисных компьютеров, прежде всего, своим исполнением и эксплуатационными характеристиками (а также ценой 4000 - 10 000 долларов).
На рисунке 1 изображена рабочая станция оператора системы SIMATIC PCS7 производства Siemens, обладающая следующими техническими характеристиками:

Процессор: Intel Pentium 4, 3.4 ГГц;
Память: DDR2 SDRAM до 4 ГБ;
Материнская плата: ChipSet Intel 945G;
Жесткий диск: SATA-RAID 1/2 x 120 ГБ;
Слоты: 4 x PCI, 2 x PCI E x 1, 1 x PCI E x 16;
Степень защиты: IP 31;
Температура при эксплуатации: 5 – 45 C;
Влажность: 5 – 95 % (без образования конденсата);
Операционная система: Windows XP Professional/2003 Server.

Рис. 1. Пример промышленной рабочей станции оператора.

Системный блок может быть как настольного исполнения ( desktop), так и для монтажа в 19” стойку ( rack-mounted). Чаще применяется второй вариант: системный блок монтируется в запираемую стойку для лучшей защищенности и предотвращения несанкционированного доступа.

Какое программное обеспечение используется?
На станции оператора устанавливается программный пакет визуализации технологического процесса (часто называемый SCADA). Большинство пакетов визуализации работают под управлением операционных систем семейства Windows (Windows NT 4.0, Windows 2000/XP, Windows 2003 Server), что, на мой взгляд, является большим минусом.
Программное обеспечение визуализации призвано выполнять следующие задачи:

1. Отображение технологической информации в удобной для человека графической форме (как правило, в виде интерактивных мнемосхем) – Process Visualization;
2. Отображение аварийных сигнализаций технологического процесса – Alarm Visualization;
3. Архивирование технологических данных (сбор истории процесса) – Historical Archiving;
4. Предоставление оператору возможности манипулировать (управлять) объектами управления – Operator Control.
5. Контроль доступа и протоколирование действий оператора – Access Control and Operator’s Actions Archiving.
6. Автоматизированное составление отчетов за произвольный интервал времени (посменные отчеты, еженедельные, ежемесячные и т.д.) – Automated Reporting.

Как правило, SCADA состоит из двух частей:

1. Среды разработки, где инженер рисует и программирует технологические мнемосхемы;
2. Среды исполнения, необходимой для выполнения сконфигурированных мнемосхем в режиме runtime. Фактически это режим повседневной эксплуатации.

Существует две схемы подключения операторских станций к системе управления, а точнее уровню управления. В рамках первой схемы каждая операторская станция подключается к контроллерам уровня управления напрямую или с помощью промежуточного коммутатора (см. рисунок 2). Подключенная таким образом операторская станция работает независимо от других станций сети, и поэтому часто называется одиночной (пусть Вас не смущает такое название, на самом деле таких станций в сети может быть несколько).

Рис. 2. Схема подключения одиночных операторских станций к уровню управления.

Есть и другой вариант. Часто операторские станции подключают к серверу или резервированной паре серверов, а серверы в свою очередь подключаются к промышленным контроллерам. Таким образом, сервер, являясь неким буфером, постоянно считывает данные с контроллера и предоставляет их по запросу рабочим станциям. Станции, подключенные по такой схеме, часто называют клиентами (см. рисунок 3).

Рис. 3. Клиент-серверная архитектура операторского уровня.

Рис. 4. Схема взаимодействия программных модулей при использовании одиночных станций.

 

Рис. 5. Схема взаимодействия программных модулей при использовании клиент-серверной архитектуры.
Как выглядит SCADA?
Разберем простой пример. На рисунке 6 приведена абстрактная схема технологического процесса, хотя полноценным процессом это назвать трудно.

Рис. 6. Пример операторской мнемосхемы.
На рисунке 6 изображен очень упрощенный вариант операторской мнемосхемы для управления тех. процессом. Как видно, резервуар (емкость) наполняется водой. Задача системы - нагреть эту воду до определенной температуры. Для нагрева воды используется газовая горелка. Интенсивность горения регулируется клапаном подачи газа. Также должен быть насос для закачки воды в резервуар и клапан для спуска воды.

На мнемосхеме отображаются основные технологические параметры, такие как: температура воды; уровень воды в резервуаре; работа насосов; состояние клапанов и т.д. Эти данные обновляются на экране с заданной частотой. Если какой-либо параметр достигает аварийного значения, соответствующее поле начинает мигать, привлекая внимание оператора.

Сигналы ввода/вывода и исполнительные механизмы отображаются на мнемосхемах в виде интерактивных графических символов (иконок). Каждому типу сигналов и исполнительных механизмов присваивается свой символ: для дискретного сигнала это может быть переключатель, кнопка или лампочка; для аналогового – ползунок, диаграмма или текстовое поле; для двигателей и насосов – более сложные фейсплейты ( faceplates). Каждый символ, как правило, представляет собой отдельный ActiveX компонент. Вообще технология ActiveX широко используется в SCADA-пакетах, так как позволяет разработчику подгружать дополнительные символы, не входящие в стандартную библиотеку, а также разрабатывать свои собственные графические элементы, используя высокоуровневые языки программирования.

Допустим, оператор хочет включить насос. Для этого он щелкает по его иконке и вызывает панель управления ( faceplate). На этой панели он может выполнить определенные манипуляции: включить или выключить насос, подтвердить аварийную сигнализацию, перевести его в режим “техобслуживания” и т.д. (см. рисунок 7).  

Рис. 7. Пример фейсплейта для управления насосом.

  Оператор также может посмотреть график изменения интересующего его технологического параметра, например, за прошедшую неделю. Для этого ему надо вызвать тренд ( trend) и выбрать соответствующий параметр для отображения. Пример тренда реального времени показан на рисунке 8.
 

Рис. 8. Пример отображения двух параметров на тренде реального времени.
Для более детального обзора сообщений и аварийных сигнализаций оператор может воспользоваться специальной панелью ( alarm panel), пример которой изображен на рисунке 9. Это отсортированный список сигнализаций (alarms), представленный в удобной для восприятия форме. Оператор может подтвердить ту или иную аварийную сигнализацию, применить фильтр или просто ее скрыть.

Рис. 9. Панель сообщений и аварийных сигнализаций.
Говоря о SCADA, инженеры часто оперируют таким важным понятием как “тэг” ( tag). Тэг является по существу некой переменной программы визуализации и может быть использован как для локального хранения данных внутри программы, так и в качестве ссылки на внешний параметр процесса. Тэги могут быть разных типов, начиная от обычных числовых данных и кончая структурой с множеством полей. Например, один визуализируемый параметр ввода/вывода – это тэг, или функциональный блок PID-регулятора, выполняемый внутри контроллера, - это тоже тэг. Ниже представлена сильно упрощенная структура тэга, соответствующего простому PID-регулятору:

Tag Name = “MyPID”;
Tag Type = PID;

Fields (список параметров):

MyPID.OP
MyPID.SP
MyPID.PV
MyPID.PR
MyPID.TI
MyPID.DI
MyPID.Mode
MyPID.RemoteSP
MyPID.Alarms и т.д.

В комплексной прикладной программе может быть несколько тысяч тэгов. Производители SCADA-пакетов это знают и поэтому применяют политику лицензирования на основе количества используемых тэгов. Каждая купленная лицензия жестко ограничивает суммарное количество тэгов, которые можно использовать в программе. Очевидно, чем больше тегов поддерживает лицензия, тем дороже она стоит; так, например, лицензия на 60 000 тэгов может обойтись в 5000 тыс. долларов или даже дороже. В дополнение к этому многие производители SCADA формируют весьма существенную разницу в цене между “голой” средой исполнения и полноценной средой разработки; естественно, последняя с таким же количеством тэгов будет стоить заметно дороже.

Сегодня на рынке представлено большое количество различных SCADA-пакетов, наиболее популярные из которых представлены ниже:

1.    Wonderware Intouch;
2.    Simatic WinCC;
3.    Iconics Genesis32;
4.    Citect;
5.    Adastra Trace Mode

Лидирующие позиции занимают Wonderware Intouch (производства Invensys) и Simatic WinCC (разработки Siemens) с суммарным количеством инсталляций более 80 тыс. в мире. Пакет визуализации технологического процесса может поставляться как в составе комплексной системы управления, так и в виде отдельного программного продукта. В последнем случае SCADA комплектуется набором драйверов ввода/вывода для коммуникации с контроллерами различных производителей.   [ http://kazanets.narod.ru/HMI_PART1.htm]

Тематики

• автоматизация, основные понятия
• автоматизированные системы

Синонимы

• ЧМИ

EN

• CHI
• computer human interface
• HMI
• human interface
• human interface device
• human-computer interface
• human-machine interface
• man-machine communication
• man-machine interface
• MMI
• operator-machine communication

Русско-английский словарь нормативно-технической терминологии > человеко-машинный интерфейс