Podręcznik

Pierwszym ograniczeniem w projektowaniu złożonych komputerowych systemów pomiarowych, w rozumieniu tradycyjnym, jest liczba i różnorodność mierzonych sygnałów. Gdy procedura pomiarowa wymaga identyfikacji bardzo wielu różnorodnych sygnałów, architektura systemu na pojedynczym komputerze okazuje się niewystarczająca (np. do pomieszczenia wielu kart zbierania danych). Użycie wirtualnych przyrządów pomiarowych i osadzenie ich w sieciowych podsystemach zbierania danych pozwala na znaczne rozszerzenie tych możliwości.

Drugim ograniczeniem jest obszar, jaki może być „obsłużony” przez pojedynczy komputer. I tak, aby zapewnić odpowiednią jakość (w szczególności poziom) sygnałów doprowadzanych do kart zbierania danych, czujniki i układy kondycjonowania nie mogą być zbyt oddalone od źródeł sygnałów. Jeśli sygnały muszą być pobierane z oddalonych czujników, rozproszenie podsystemów zbierania danych także w tym przypadku może być bardzo pomocne.

Kolejne ograniczenie związane jest ze złożonością obliczeniową algorytmów przetwarzania danych pomiarowych. Im proces jest bardziej złożony tym moc obliczeniowa musi być większa, a przez to droższa - aby wykonać zadania stawiane przez aplikacje (w szczególności, gdy chodzi o spełnienie warunku czasu rzeczywistego). Jak już wspomniano przy okazji omawiania konfiguracji wirtualnych przyrządów pomiarowych, w celu wspomożenia głównego procesora, instaluje się procesory DSP. W przypadku zaś, gdy proces przetwarzania staje się jeszcze bardziej wymagający, pojedynczy, szybki komputer może okazać się niewystarczający lub zbyt kosztowny. Rozdział mocy obliczeniowej na kilka niezależnych komputerów połączonych siecią lokalną może okazać się jedynym efektywnym rozwiązaniem. Oczywiście, trzeba zadbać o spełnienie takich warunków współpracy, które gwarantują równoległość i ciągłość procesów. Rozproszenie systemu w sieci lokalnej umożliwia stosunkowo łatwe spełnienie wymogu ciągłości komunikacji. Obciążenie sieci wynikłe z tytułu obsługi przyrządów wirtualnych lub złożonych z nich podsystemów, nawet w tanich sieciach komercyjnych (Ethernet) jest zwykle bardzo małe i nie powoduje opóźnień w komunikacji. W przypadku, gdy czas pomiarów ma znaczenie krytyczne, w całym procesie pomiaru, to dane mogą zostać uzupełnione informacją o czasie ich pobrania. Na szczęście zegary komputerów mogą być zsynchronizowane łatwo i precyzyjnie. Pełna lokalizacja w czasie pobranych danych oraz krótki czas odpowiedzi sprawia, że systemy rozproszone w sieci lokalnej są odpowiednie do monitorowania i nadzoru procesów również w czasie rzeczywistym. W efekcie można odnieść wrażenie, że dane pochodzą z pojedynczego przyrządu wirtualnego.

Pewne problemy mogą pojawić się dopiero w przypadku bardzo dużych firm jak np. zakłady chemiczne lub rafinerie naftowe. Nawet użycie przeznaczonej wyłącznie do tego celu sieci komputerowej może nie być wystarczające do zminimalizowania opóźnień przesyłu danych jak również do zapewnienia pełnej synchronizacji procesów. Wtedy ogólna „spójność” obsługi procesu produkcyjnego może być spełniona jedynie dla procesu o małej dynamice. Alternatywę stanowi podzielenie obszaru produkcji na „komórki” przetwarzania danych i kontrolowanie każdej komórki przez dedykowany podsystem. Współpraca podsystemów i koordynacja całego procesu może doprowadzić do uzyskania wspomnianej spójności. W tym przypadku indywidualne “komórki” przetwarzające dane pracują w czasie rzeczywistym, podczas gdy protokół połączeń między komórkami zapewnia całościową koordynację na wyższym poziomie.

Kolejny krok to znaczące rozproszenie systemu pomiarowo-kontrolnego w sensie terytorialnym. Może to dotyczyć np. systemu stacji meteorologicznych. Do tego celu należy użyć sieciowego systemu pomiarowo-kontrolnego dołączonego do sieci globalnej, Internetu. Proces rozproszony terytorialnie, podzielony jest na komórki obsługiwane przez pojedynczy komputer lub grupę komputerów połączonych w sieć lokalną. Poszczególne jednostki łączone są w sieć rozległą - tworząc rozproszony w sieci globalnej system pomiarowo-kontrolny. W tym przypadku przerwy w komunikacji mogą być niezwykle uciążliwe. W konsekwencji tylko lokalny nadzór staje się gwarantem poprawności operacji w czasie rzeczywistym. Połączenia internetowe istotnie mogą służyć globalnej kontroli i obserwacji procesu – ale raczej nie w czasie rzeczywistym. W globalnym monitorowaniu procesu użytkownik musi być świadom ewentualnego braku synchronizmu danych, przychodzących z rozproszonych jednostek przetwarzania.

Celem zapewnienia poprawnej pracy systemu, podczas projektowania systemów rozproszonych w sieci globalnej, trzeba wziąć pod rozwagę wszystkie wymienione wyżej ograniczenia, a w szczególności problemy wynikające z ewentualnej konieczności obsługi procesu w czasie rzeczywistym. Coraz bardziej powszechne i prawdopodobne staje się stwierdzenie, że operacje w czasie rzeczywistym możliwe są do realizacji nawet w sieci globalnej. Jest to prawdziwe dopiero po spełnieniu pewnych trudnych, restrykcyjnych warunków. Sygnały próbkowane pochodzące z różnych systemów, które nie mają wspólnego zegara synchronizującego, nie są pobierane w tym samym czasie. W algorytmach przetwarzających te dane trzeba uwzględnić („zanotowany”) dokładny czas pobrania próbki.

Reasumując należy stwierdzić, że rozwój systemów pomiarowo-kontrolnych zawierających wirtualne przyrządów pomiarowe i zaawansowane algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów umożliwił stosunkowo łatwe ich usytuowanie w lokalnej i globalnej sieci komputerowej. Dalszy rozwój tych systemów, jak zwykle, stymulowany jest ciągłym powiększaniem szybkości i mocy obliczeniowej procesorów, pojemności pamięci, a także uproszczeniami procesu projektowania algorytmów pomiarowych, interfejsu użytkownika i protokołów komunikacyjnych. Decydujące znaczenia ma jednak postęp w zakresie projektowania, osadzonych w sieci systemów czasu rzeczywistego. Wszystko to oznacza, że postęp w dziedzinie rozproszonych systemów pomiarowo-kontrolnych związany jest z rozwojem techniki komputerowej oraz technologii informacyjnej. Coraz bardziej adekwatna staje się nazwa sieciowe systemy kontrolno-pomiarowe, czy wręcz systemy informacyjno-pomiarowe.

Przyjazny sposób podsumowania powyższych rozważań stanowi rysunek 4.2, łączący ideę systemu rozproszonego z wirtualnym przyrządem pomiarowym w ujęciu modernistycznym. Aplikacje pomiarowo-kontrolne nie są „uwięzione” w pojedynczym komputerze. Uprzednio rozdzielone funkcje zbierania, analizy i przetwarzania danych rozproszone są w obrębie lokalnej sieci komputerowej, wewnętrznej sieci intranet, a nawet sieci globalnej, Internet. Każda z tych funkcji również nie musi być ograniczona do pojedynczego komputera. Z punktu widzenia metrologa najbardziej istotne jest to, że ma on teraz bezpośredni dostęp do danych kolegi, może wysłać i pobrać dane pomiarowe z bazy danych lub pozyskać z całkiem innej aplikacji.

Rys.4.2  Rozproszony system pomiarowy (wirtualny przyrząd pomiarowy) w sieci LAN

 

Przykładowa architektura systemu rozproszonego

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. 4.3 przedstawiona jest architektura nowoczesnego systemu, który jest rozproszony nie tylko w sensie terytorialnym, ale również w sensie zarządzania, sterowania i kontroli. 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.

 

Rys.4.3  Architektura rozproszonego w sieci systemu pomiarowo-kontrolnego

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 (ang. application specific). 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 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.