Открытые технологии и промышленные АСУ

Промышленные АСУ и контроллеры. – № 1. – 2003.
Егоров А.А.

Опубликовано в журнале "Промышленные АСУ и контроллеры", № 1, 2003.

Сегодня любой специалист в области ИТ может говорить об открытых системах очень долго. Сейчас мы постоянно слышим такие слова, как "открытое общество", "открытая система", "открытая архитектура" и подобные, но как же всё это реально применить к программам, ПТК, БД, передаче информации, промышленным контроллерам и другим объектам АСУ? Рассмотрим два полярных примера. В качестве первого – контроллер для современной бытовой техники (например, с использованием принципов "нечеткой логики"). Я думаю, что найдется мало пользователей, которые попытаются модернизировать его в процессе эксплуатации. За 10 лет эксплуатации подобной техники мне, специалисту в области промышленных контроллеров, такая мысль даже не пришла в голову. Технические требования к такому контроллеру практически не изменились за 10 лет её эксплуатации, они стационарны. Поэтому с точки зрения пользователя строить подобную систему с использованием принципов открытых систем практически нецелесообразно. Может быть, с точки зрения проектировщиков бытовой техники применение отдельных принципов открытых систем позволит им в процессе всего жизненного цикла изделия чаще выпускать его новые модификации, необходимые для реализации маркетинговой политики предприятия – производителя бытовой техники. Но, скорее всего, это будет уже их "know-how" и, следовательно, открытость будет внутрифирменная. Другой пример – АСУ огневыми испытаниями жидкостного ракетного двигателя (ЖРД). Технические требования к программе испытаний нестационарные, т. е. непрерывно изменяются во времени в процессе всего жизненного цикла системы: меняется тип испытываемых двигателей, цели и задачи испытаний, а, следовательно, набор измерительных и управляющих параметров, циклограммы испытаний и их число, условия их запуска, алгоритмы обработки и т. п. [1, 2]. Система практически разрабатывалась для индивидуального использования заказчиком, поскольку подобных испытательных стендов в России считанные единицы. Таким образом, требование к построению АСУ на основе широкого использования принципов открытых систем и открытых технологий исходило от пользователей системы – высококвалифицированных специалистов в области проведения автоматизированных испытаний ЖРД. Система управления режимами ЖРД, разработанная в соответствии с принципами открытых технологий, эксплуатируется уже более четырех лет в НПО "Энергомаш", и с её помощью проведены огневые испытания всех ЖРД РД-180 и не только они! Практика показала, что технические требования к проведению испытаний непрерывно изменялись, и только аппаратно-программный комплекс АСУ испытаниями, реализованный на принципах открытых технологий, позволил эффективно решать все возникающие новые задачи. Определим понятие системы применительно к нашей проблематике. Система, в широком значении термина, это образующая единое целое совокупность материальных и/или нематериальных объектов, объединенная некоторыми общими признаками, свойствами, назначением или условиями существования, жизнедеятельности, функционирования и т. п. (единство определяется целью функционирования системы). По отношению к техническим системам, в том числе и АСУ, это взаимосвязанная общим управлением, назначением или условиями функционирования совокупность различных объектов (методических, аппаратных и программных средств) и отношений между ними, образующая единое целое в смысле решения целевой задачи. Сложным системам вообще, а АСУТП в частности, присущи общие черты, среди которых можно выделить следующие:

  • целенаправленность и управляемость системы, т. е. наличие у всех её элементов общей цели;
  • системный характер реализуемых алгоритмов обмена, требующий совместной обработки информации от разных источников;
  • сложная иерархическая организация, предусматривающая сочетание централизованного управления с распределенностью и автономностью функциональных подсистем;
  • наличие различных уровней обработки информации, самоорганизации и адаптации;
  • целостность и сложность поведения отдельных подсистем;
  • большое число входящих в систему функциональных подсистем;
  • наличие информационных связей между функциональными элементами в подсистемах, а также внешних связей с другими функциональными подсистемами, и широкого спектра дестабилизирующих воздействий, помех и т. п.

Теперь о понятии "открытая система". Впервые этот термин появился в физике. Открытые системы – это системы, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом (а также энергией и импульсом) и, что не менее важно, информацией. К открытым системам относятся химические и биологические системы (в том числе живые организмы), в которых непрерывно протекают химические реакции за счет поступающих извне веществ, а продукты реакций отводятся. Открытые системы могут находиться в стационарных состояниях, далеких от равновесных. Далее остановимся на определении понятия открытой системы в области ИТ. Такое определение дано, например, комитетом IEEE POSIX 1003.0. Из чего вытекает понятие открытой системы для ИВС как среды для прикладных программ, базирующейся на стандартных интерфейсах и обеспечивающей мобильность прикладных систем, персонала и взаимодействие (интероперабельность) систем. Таким образом, важнейшими свойствами открытой ИВС будут:

  • мобильность прикладных программ – возможность переноса программ с одной аппаратной платформы на другую с минимальными доработками или даже без них;
  • мобильность персонала, т. е. возможность подготовки персонала для работы с системой с минимальными временными и трудозатратами;
  • чёткие условия взаимодействия частей системы и сетей с использованием открытых спецификаций.

Ключевой момент для реализации свойств ИВС состоит в использовании открытых, общедоступных спецификаций, поддерживаемых открытым, гласным согласительным процессом, направленным на постоянную адаптацию к новым технологиям. Важным моментом в концепции открытых систем для ИВС является то, что открытая система – это система, построенная на стандартных технических средствах – микропроцессорах с использованием стандартной ОС. Примером такой системы может служить ПК IBM PC или компьютер, совместимый с ним. Большинство этих платформ использует одну и ту же ОС, и на них могут исполняться одни и те же прикладные программы. В общей концепции открытых систем в настоящее время развиваются 2 основных направления по созданию открытых ИВС:

  • открытые вычислительные системы (Open computing systems – OCS), обеспечивающие возможность относительно простого и эффективного по трудоёмкости переноса апробированных программных средств на различные типы аппаратных платформ микропроцессоров за счет стандартизации процессов и интерфейсов взаимодействия с ОС;
  • взаимосвязь открытых систем (Open systems interconnection – OSI), унифицирующая (стандартизирующая) структуру, процессы и интерфейсы для совместимости методов и средств обмена данными между разнотипными процессорами.

Понятие "открытые системы" – это, возможно, одна из тех категорий в области промышленной автоматизации, которой сегодня наиболее часто злоупотребляют и даже спекулируют. Открытость – это не только и не столько техническая категория, сколько определение глобального процесса стандартизации аппаратных и программных архитектур, направленных на достижение аппаратно-программной совместимости и переносимости продукции большого числа независимых поставщиков, это равное право для любого потенциального производителя и пользователя участвовать в разработке и коммерческой эксплуатации технического стандарта. Открытая система – это система, содержащая исчерпывающую и последовательную совокупность международных стандартов в области ИТ и функциональных профилей стандартов, которая специфицирует интерфейсы, службы и поддерживающие форматы для достижения взаимодействия и переносимости приложений, данных и персонала. Стандарты открытых систем чрезвычайно полезны для пользователей. Они являются фактором надежности вложения инвестиций, поскольку в случае краха одной из фирм-поставщиков остается огромный рынок совместимых программно-аппаратных средств, выпускаемых альтернативными поставщиками. Принципы открытых систем применяются в настоящее время при построении большинства классов систем: вычислительных, информационных, телекоммуникационных, систем управления в РМВ, встроенных микропроцессорных систем [3]. В условиях перехода к интегрированным вычислительно-телекоммуникационным системам принципы открытых систем составляют основу технологии интеграции. Существо технологии открытых систем состоит в формировании среды, включающей ПО, аппаратные средства, службы связи, интерфейсы, форматы данных и протоколы. Эта среда должна обеспечивать переносимость, взаимосвязь и масштабируемость приложений и данных на основе использования согласованного набора стандартов на интерфейсы и протоколы (профилей) между всеми программно-аппаратными компонентами систем. Совокупность указанных качеств достигается за счет использования развивающихся, общедоступных и общепризнанных стандартов на продукты ИТ, составляющих среду открытой системы [4]. Идеи открытых систем в корне изменили технологию создания систем автоматизации, позволив быстро создавать эффективные решения практически для любых прикладных областей за счёт системной интеграции разнообразного оборудования и программного обеспечения от различных производителей [5]. Интересное мнение высказывает крупный российский ученый в области компьютерных технологий, разработчик многопроцессорного комплекса "Эльбрус" Б. А. Бабаян: "Я хотел бы начать с отрицательных сторон открытых технологий. Открытые системы предполагают высокую степень стандартизации. Стандартизация – оружие обоюдоострое: с одной стороны, она упрощает "общение" компьютеров друг с другом, а с другой стороны – это тормоз прогресса. Всякая стандартизация означает консерватизм, так как затрудняет изменения. Это необходимо, чтобы стандарты оставались стандартами, чтобы разработчики успевали выпустить изделия или технологии, отвечающие этим стандартам, но в результате сильно тормозится развитие. Это противоречие сильно затрудняет работу конструкторов, но оно неизбежно. Альтернативы стандартизации нет, так что задача разработчиков – найти компромисс между консерватизмом стандартов и поступательным движением прогресса". Словом, мнений много, каждый понимает и сам термин, и проблему открытых систем по-своему. Анализируя приведенные выше определения, можно выделить некоторые общие черты, присущие открытым АСУ:

  • технические средства, на которых реализована информационная система, объединяются сетью или сетями различного уровня: от локальных до глобальных;
  • реализация открытости осуществляется на основе функциональных стандартов (профилей) в области ИТ;
  • информационные системы, обладающие свойством открытости, могут выполняться на любых технических (аппаратно-программных) средствах, которые входят в единую среду открытых систем;
  • предполагают использование унифицированных интерфейсов в процессах взаимодействия в системе "человек-машина";
  • применение положений открытости предполагает некоторую избыточность при разработке программно-аппаратных комплексов.

Вообще говоря, дать функционально полное определение понятия “открытая система” применительно к промышленным АСУТП и контроллерам, на мой взгляд, практически невозможно. Взгляды пользователя, производителя и проектировщика АСУТП сильно отличаются друг от друга. На сегодня процесс применения стандартов в области ИТ, используемых в АСУ, реализуется с помощью принципов открытых систем, существо которых состоит в создании аппаратно-программной среды (решений), обеспечивающей переносимость приложений (типовых функциональных задач – измерений, обработки, управления и т. п.), взаимодействие и масштабируемость систем и их компонентов. Наиболее важным моментом в технологии открытых систем выступают вопросы построения и применения функционального стандарта – профиля, на основе которого осуществляются все стадии жизненного цикла систем. Можно высказать предположение, что технологии открытых систем представляют собой основу построения информационной структуры аппаратно-программных комплексов АСУ и их компонентов любого уровня: от промышленных контроллеров до АСУТП и АСУП масштаба предприятия, отрасли и т. д.

Список литературы

Егоров А.А. Автоматизированная система управления режимами работы жидкостного ракетного двигателя // Форум "Открытые технологии для систем промышленной автоматизации и телекоммуникаций". – М., 1999. Егоров А.А., Резник Ю.О. Объектно-ориентированный анализ и проектирование нового поколения интеллектуальных приборных комплексов для отработки аэрокосмических технологий // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. – 2000. – № 8. Егоров А.А., Осипов В.Г. Учебно-научный центр МАИ // Там же. – 2000. – № 8. Основы построения открытых систем: Учебное пособие. – М.: ИРЭ РАН, 1999. Сердюков О.В., Тимонин А.И., Кулагин С.А. и др. Идеи открытых систем в разработках промышленных контроллеров // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2002. – № 11.