 |
|
|
|
Архитектура распределенной системы управления на основе реконфигурируемой многоконвейерной вычислительной среды L-Net
Архитектура распределенной системы управления Одной из актуальных задач в области систем управления является разработка программного обеспечения для распределенных отказоустойчивых систем управления. Существующие в этой области на сегодняшний день решения являются проприетарными, как следствие, дорогостоящими и не всегда эффективными Эти решения не предусматривают эффективного использования ресурсов резервирующих баз, технической и программной, что негативно сказывается как на отказоустойчивости, так и на масштабируемости таких решений. При нарушении архитектуры сети отсутствует возможность динамического реконфигурирования как процессов обработки информации, так и передачи потоков данных (как управляющих, так и информационных). Использование специфических микроконтроллеров, применение DCS/SCADA усложняет разработку и поддержку систем, расширение их функционала. Архитектура распределенной системы управления Обобщенная типовая архитектура распределенной системы управления (РСУ) включает в себя три иерархически связанных уровня: операторский уровень, уровень управления и уровень ввода-вывода (см. рис.1) [1].
Рисунок 1. Обобщенная типовая архитектура распределенной системы управления (РСУ) Основной задачей операторского уровня является предоставление человеко-машинного интерфейса (ЧМИ) для обеспечения настройки и контроля функционирования всей системы. Уровень управления отвечает за получение и обработку данных с датчиков, передачу данных на операторский уровень и выработку управляющих воздействий на исполнительные устройства. Уровень ввода-вывода представляет собой датчики и исполнительные устройства, непосредственно связанные с объектом управления. Задача программного обеспечения, в рамках обобщенной архитектуры РСУ, состоит в обеспечении функционирования операторского уровня и его связи с уровнем управления системы. Следовательно, основополагающим уровнем при проектировании ПО и решении вопросов его взаимодействия с аппаратным обеспечением является операторский. Программное обеспечение должно максимально эффективно использовать доступные аппаратные ресурсы системы и при этом обладать максимальной независимостью от внутренней архитектуры аппаратного обеспечения. Аппаратное обеспечение предоставляет вычислительные ресурсы, память и среды передачи данных между узлами в системе. При проектировании общей архитектуры системы не рассматриваются конкретные узлы уровня ввода-вывода, которые будут к ней подключены при конкретной ее реализации, следовательно, в обобщенной архитектуре рассматриваются операторский уровень и уровень управления. Аппаратное обеспечение должно быть распространенным, соответствовать современным стандартам, иметь все необходимые для реализации архитектуры свойства и возможности. Требования к РСУ Требования к РСУ относятся не только к системе в целом, но и к ее аппаратной и программной составляющим по отдельности, так как конкретные подходы к удовлетворению данных требований для этих составляющих могут принципиально различаться. РСУ должна быть в первую очередь отказоустойчивой. Простейшим методом повышения отказоустойчивости является резервирование (дублирование) функциональных узлов или их совокупности. Вторым важным свойством является масштабируемость. Масштабируемость основывается на реализации специальных алгоритмов в ПО и аппаратной возможности замены и добавления новых узлов или их составных частей. При этом система должна оставаться простой для ее эксплуатации, разработки новых узлов или модулей и модификации ее архитектуры. Обзор архитектур РСУ Для проведения обзора архитектур РСУ были выбраны РСУ Siemens SIMATIC PCS 7 как одна из самых востребованных на рынке и RTS S3 как РСУ, реализованная на базе ОСРВ QNX. Siemens SIMATIC PCS 7 Архитектура системы имеет все свойства обобщенной архитектуры РСУ [2]. В качестве операторских станций выступают компьютеры на базе процессорной архитектуры x86 с ОС Windows и пакетом Siemens WinCC, предоставляющим ЧМИ. Имеются серверы с базами данных. Станции операторов, инженерные станции и серверы связаны локальной сетью на основе Ethernet. Операторский уровень связан с уровнем управления зарезервированной сетью Industrial Ethernet. На уровне управления находятся программируемые логические контроллеры (ПЛК) с возможностью резервирования за счет дублирования функционала. Имеется возможность подключаться к внешним системам и сетям и организовать удаленный доступ к системе. RTS S3 Данная архитектура аналогично состоит из уровней обобщенной структуры РСУ [3]. Операторские станции основаны на той же аппаратной платформе, что и в РСУ SIMATIC, но могут находиться под управлением как ОС Windows, так и Linux. Инженерные станции объединены с операторскими. Системой предоставляется единая среда разработки приложений. Сеть Ethernet соединяет узлы внутри операторского уровня и сам операторский уровень с уровнем управления с использованием стека протоколов TCP/IP. На уровне управления находятся промышленные компьютеры под управлением ОС QNX с собственной базой данных и возможностью резервирования путем дублирования функционала узла. Недостатки описанных систем В описанных выше системах для операторского уровня и уровня управления используется разная аппаратно-программная платформа. В пределах операторского уровня возможно использование только одной процессорной архитектуры, а для настройки и разработки уровня управления требуется специальная инженерная станция. Данные РСУ предлагают в качестве способа повышения отказоустойчивости только аппаратное резервирование с дублированием функционала резервируемого узла, что является нерациональным использованием резервирующего аппаратного обеспечения. Характеристики и функциональные особенности системы L-Net При разработке системы L-Net ставилась задача создать такую систему управления, которая будет обладать нижеперечисленными характеристиками:
Для построения системы с вышеописанными характеристиками требуется операционная система, предназначенная преимущественно для создания систем управления и встраиваемых систем. Анализ существующих операционных систем показал, что наиболее подходящей операционной системой является ОС QNX 6 (Neutrino), которая обладает весьма эффективными ресурсораспределяющими и сетевыми возможностями [4]. Широкие сетевые возможности обеспечиваются сетевым протоколом Qnet. Он решает задачу надежности и динамической балансировки нагрузки каналов связи, но при этом не решаются проблемы отказоустойчивости системы в целом [5]. В результате была разработана инновационная система управления, основанная на распределенной реконфигурируемой многоконвейерной вычислительной среде. Разработанная система имеет одноранговую архитектуру, включающую три логических блока: блок ввода-вывода, блок коммутаторов общего назначения и блок реконфигурируемой вычислительной среды (РВС) (см. рис.2).
Рисунок 2. Архитектура распределенной системы управления на основе реконфигурируемой многоконвейерной вычислительной среды L-Net Основными преимуществами данной архитектуры являются:
Функциональные особенности данной архитектуры:
На первом уровне архитектуры находится блок ввода-вывода (I/O), включающий в себя: узлы ввода-вывода, коммутатор узлов ввода-вывода, интерфейс ввода-вывода, датчики и исполнительные устройства. Блок отвечает за базовые механизмы формирования управляющих воздействий на основании данных с локальных датчиков и данных, полученных от других уровней системы управления. Поставленные задачи распределяются между работоспособными узлами ввода-вывода на основании их текущей относительной производительности или вручную оператором. Датчики и исполнительные устройства подключены с помощью шины ко всем узлам ввода-вывода в блоке, что позволяет любому узлу опрашивать любой датчик или вырабатывать воздействие на любое исполнительное устройство. Коммутатор узлов ввода-вывода обеспечивает связь между всеми узлами ввода-вывода для обмена данными между ними и другими уровнями архитектуры системы для получения управляющих и информационных данных. При наличии соответствующих аппаратных возможностей узлы связываются между собой и с узлами и коммутаторами на других уровнях системы непосредственно, что уменьшает время реакции в сети. Прямая связь между узлами и определенная загруженность узлов в текущем режиме работы блока ввода-вывода позволяет организовывать в блоке конвейерные вычисления, необходимые для функционирования этого блока без обращения к внешним вычислительным мощностям системы управления (РВС), что позволяет эффективно использовать свободные ресурсы, предоставленные для резервирования узлов блока ввода-вывода на момент отказа. Блок коммутаторов общего назначения, находящийся на втором уровне архитектуры, организовывает линии связи между блоками ввода-вывода и РВС и внешними системами. Каждый коммутатор может соединять между собой различные узы и коммутаторы во всей системе управления. Количество линий связи определяется аппаратными возможностями входящих в состав блоков узлов и коммутаторов. Так как сеть Qnet позволяет динамически распределять потоки передачи данных, масштабирование этого блока осуществляется простым подключением новых устройств и не требует настройки, а при выходе из строя одного из коммутаторов передача данных между узлами не будет прервана, если другой коммутатор обеспечивает аналогичную связь между узлами или они связаны напрямую. При этом необходимо позаботиться о достаточной пропускной способности сети, необходимой для резервирования вышедшего из строя коммутатора. Блок реконфигурируемой вычислительной сети (РВС), находящийся на третьем уровне архитектуры, обеспечивает систему управления высокими вычислительными мощностями для решения сложных задач обработки информации, принятия решений, распознавания и т.д. Блок отвечает за инициализацию всей системы управления: проверка работоспособности коммутаторов и узлов, целостности сети, построение графов сети всей системы, установка стартовых параметров работы блоков ввода-вывода. Узлы этого блока предусматривают архивирование как собственных данных, так и данных с блоков ввода-вывода. Каждый узел этого блока может исполнять роль машины оператора, предназначенной для мониторинга работы системы и внесения корректировок в программы работы как этого узла, так и всех узлов системы, выполнения реконфигурации по запросу. Распределение нагрузки Одной из основных задач системы L-Net является распределение вычислительной нагрузки на узлах сети. Решение данной задачи основывается на построении вычислительных конвейеров. Для построения вычислительного конвейера предварительно строится граф задачи – схема обмена потоками данных от источника к получателю. В качестве источника выступают датчики, а в качестве получателя – исполнительные механизмы. Сам вычислительный конвейер представляет собой отображение графа задачи (см. рис.3) на граф вычислительной сети (см. рис.4) с учетом требований задачи к вычислительным ресурсам системы и текущему ее состоянию.
Рисунок 3. Граф задачи
Рисунок 4. Граф сети Решением является использование сервиса, предоставляющего получателю исчерпывающую информацию о текущем аппаратном обеспечении, его состоянии и доступных источниках данных, выполняющего работу с графами сети и задачи. В результате повышается быстродействие за счет конвейеризации вычислений и организуется рациональное использование всех доступных системе вычислительных ресурсов. Отказоустойчивость Основной проблемой функционирования подобной системы является полное нарушение работоспособности вычислительных конвейеров при отказе любого узла этого конвейера или при нарушении передачи данных между ними. Базовыми средствами протокола Qnet достигается восстановление связей между узлами при частичном их нарушении за счет резервных линий, предусмотренных архитектурой. Система L-Net решает проблему восстановления работоспособности при полном отказе хоста вычислительной системы путем динамической реконфигурации вычислительного конвейера, т.е. использованием рабочих ресурсов для замещения сбойного блока. Система предусматривает три сценария восстановления (реконфигурации), отличающихся временем реакции на факт отказа, временем восстановления и используемыми аппаратными ресурсами: по факту отказа, с пассивной готовностью, с активной готовностью.
В результате обеспечивается гибкая готовность системы к сбоям как на программном, так и на аппаратном уровнях, возможность изменять конфигурацию узлов без остановки работы и потери производительности при независимости от реализации сети, вычислительного конвейера и узла. Заключение Разработанная система L-Net в отличие от существующих аналогов предполагает использование широкого спектра аппаратных характеристик узлов РСУ при полной их программной совместимости. При работе узлов под управлением одной операционной системы (QNX Neutrino) обеспечивается возможность их построения на различных процессорных архитектурах (x86, ARM, MIPS и т.д.) с разнообразными наборами интерфейсов и периферийных устройств. Реализация узлов возможна в виде настольных, промышленных ПК, носимых ПК и одноплатных компьютеров. Все составляющие комплекса программного обеспечения разрабатываемой РСУ могут быть запущены на любом ее узле с ОС QNX, при этом остается возможность использования узлов с другой операционной системой. Такой подход позволяет использовать каждый узел для решения задач как операторского уровня, так и уровня управления. Следовательно, имеется гибкая система взаимодействия между одноранговыми узлами без жесткой иерархии уровней, присущей обобщенной архитектуре РСУ и системам использующих данную архитектуру как базовую. Одноранговость сети упрощает процессы развертывания, эксплуатации, масштабирования и отладки системы. Для реализации вычислительного потенциала резервирующего аппаратного обеспечения в разрабатываемой системе предлагаются алгоритмы динамического конфигурирования и реконфигурирования, основанные на сетевом протоколе Qnet и программном обеспечении сети L-Net. Алгоритм динамического конфигурирования основан на распределении вычислительной нагрузки по всем узлам путем конвейеризации и распараллеливания задач и динамической балансировки нагрузки на каналы передачи данных между узлами. Алгоритм реконфигурации системы предполагает наличие трех сценариев восстановления работоспособности при отказе в зависимости от имеющегося аппаратного обеспечения, приоритетов и задач, возложенных на систему: по факту отказа, с пассивной готовностью (выделение ресурсов) и с активной готовностью (использование ресурсов). Алгоритмы динамического конфигурирования и реконфигурирования позволяют повысить производительность и надежность за счет имеющихся в системе аппаратных резервов. Немаловажным преимуществом системы является максимальная прозрачность применяемых в ней как аппаратных, так и программных технологий, что позволяет серьезно упростить техническое сопровождение системы и разработку к ней новых модулей. Вывод Разработанные архитектурные решения позволяют повысить такие показатели распределенных систем управления, как надежность, производительность, стоимость, масштабируемость и простота за счет возможности использования широкого набора аппаратного обеспечения, реализации алгоритмов динамической конфигурации и рационального использования ресурсов системы.
Ключевые слова: распределенная система управления, информационное обеспечение систем управления, распределенные реконфигурируемые системы. Architecture of a distributed control system based on reconfigurable multi-pipeline computing environment L-Net Sergey Yu. Potomskiy, Assistant Professor of National Research University «Higher School of Economics». Nikita A. Poloyko, Fifth-year student of National Research University «Higher School of Economics». Study assistant. Programmer. Field of training: «Control and informatics in the technical systems». Abstract. The article is devoted to a distributed control system based on reconfigurable multi-pipeline computing environment. The architecture of the system is given. Also, the basic characteristics and functional properties of the system are given too. The article presents a rationale for the choice of the operating system. The basic advantages of the system in comparison with existing similar developments are shown in the article. Keywords: distributed control system, systems software support, distributed reconfigurable. |
ПОТОМСКИЙ С.Ю., доцент МИЭМ НИУ ВШЭ, к.т.н., 
Комментарии отсутствуют
| Добавить комментарий |
|
Комментарии могут оставлять только зарегистрированные пользователи |
|
