Podręcznik

Integracja sieci komputerowych z systemami pomiarowymi daje możliwość tworzenia wielopoziomowych i rozbudowanych struktur informacyjno-pomiarowych. Systemy takie, dzięki rozwiniętym standardom protokołów i interfejsów sieciowych, charakteryzują się dużą skalowalnością i otwartością. Najważniejszą ich zaletą jest jednak to, że dzięki technologiom sieci lokalnych, intranetowym i internetowym, można budować systemy, które pozwalają na monitorowanie, nadzór oraz koordynację rozproszonych terytorialnie procesów produkcyjnych i badawczych. Na rys. 5.1 przedstawiona jest architektura nowoczesnego systemu, który jest rozproszony nie tylko w sensie terytorialnym, ale również w sensie zarządzania, sterowania i kontroli.

Rys. 5.1 Architektura rozproszonego w sieci systemu pomiarowo-kontrolnego

W systemie takim można wyróżnić cztery warstwy. Najniższe z nich, czyli warstwy sterowania i czujników, zawierają klasyczne systemy pomiarowe. Podsystemy te są zarządzane przez autonomiczne, programowalne kontrolery np. sterowniki PLC (ang. Programmable Logic Controller - PLC) lub komputery ogólnego przeznaczenia (w tym osobiste) z odpowiednimi kartami interfejsowymi. Każdy z podsystemów może zawierać własny interfejs komunikacyjny (RS-488, IEC-625.2, Profibus, Ethernet itp.), który oferuje najlepsze właściwości do badania danego obiektu. Wybrane informacje z poszczególnych podsystemów przekazywane są do warstwy trzeciej.

Warstwa trzecia, tzw. systemowa, zbudowana jest w oparciu o sieć komputerową. Znajdują się w niej serwery aplikacji, serwery baz danych oraz stanowiska do kontroli i serwisu całego systemu. Głównym zadaniem sprzętu i oprogramowania, znajdującego się na tym poziomie jest skoordynowanie działań całej struktury, odpowiednie przetworzenie danych (np. algorytmami CPS), współdzielenie zasobów do przetwarzania rozproszonego, reakcja na typowe zdarzenia awaryjne i umożliwienie pełnej kontroli nad systemem warstwie zarządzania i planowania.

Kontrolery warstwy drugiej podłączone są do sieci komputerowej, która pełni rolę ośrodka integrującego cały system, bezpośrednio lub za pomocą specjalnych urządzeń, spełniających funkcje bram (ang. gateway). Technologie sprzętowo-programowe połączeń z siecią komputerową są związane z protokołami komunikacyjnymi poszczególnych podsystemów. Oznacza to dużą różnorodność rozwiązań, co ma wpływ na skalowalność i otwartość struktury. Jednak występują już na rynku kompleksowe rozwiązania sieciowych systemów komunikacyjnych, umożliwiające efektywną i prostą integrację całego środowiska. Do najbardziej zaawansowanych technologii należą rozwiązania firm: Hewlett-Packard (Industrial Ethernet), Hirschmann (Industrial Networking), National Instruments (DataSocket) i Sun Microsystems (Java, Jini).

Obecnie, najbardziej rozpowszechnioną technologią lokalnej sieci komputerowej (LAN: Local Area Network) jest Ethernet. Sieci tego typu charakteryzują się dużą szybkością transmisji, prostą konstrukcją, dużą niezawodnością i niską ceną. Ethernet nie został zaprojektowany do komunikacji w systemach pracujących w czasie rzeczywistym, dlatego wykorzystanie jego standardowej wersji jako interfejsu układu pomiarowego budzi czasami kontrowersje. Jest to spowodowane głównie sposobem arbitrażu przy transmisji. Stosowane jest w nim wykrywanie fali nośnej i detekcja kolizji tzw. CSMA/CD (ang. Carrier Sense with Multiple Access / Collision Detection). Sposób ten nie gwarantuje determinizmu czasowego. Jednak zmiany w specyfikacji IEEE-802, dotyczącej Ethernetu spowodowały, że technologia ta może być z powodzeniem wykorzystywana w strukturach rozproszonych systemów pomiarowych na poziomie systemowym i w niektórych przypadkach na poziomie sterowania. Standard ten gwarantuje, że efektywny czas dostarczenia wiadomości nie przekracza czterech milisekund. Przy oferowanej obecnie przez Ethernet szybkości 100 megabitów na sekundę (Mbps) można powiedzieć, iż jest to rozwiązanie konkurencyjne dla wielu dedykowanych interfejsów przemysłowych.

Wykorzystanie sieci komputerowych w rozproszonych systemach pomiarowych zostało szeroko przebadane zarówno na uczelniach, jak i w przemyśle. Zauważalnym obecnie trendem w takich systemach jest przejście od wyspecjalizowanych, centralnie zarządzanych układów do bardziej elastycznych, otwartych i skalowalnych, mających zdecentralizowane sterowanie i przetwarzanie. Coraz częściej wykorzystywane są w nich zorientowane obiektowo platformy i języki wysokiego poziomu. Wykorzystuje się w nich nie tylko sieci lokalne, ale również technologie intranetowe i internetowe.