Politechnika Śląska

Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki

KIERUNEK INFORMATYKA

Praca dyplomowa magisterska

Analiza rozwiązań systemów rozproszonych,

opartych o jedną lub wiele jednostek komputerowych

Autor: inż. Paweł Ziaja

Kierujący pracą: prof. dr hab. inż. Andrzej Kwiecień

Gliwice, wrzesień 2010
Spis treści

1              Wprowadzenie              4

2              Teoretyczne wprowadzenie do przemysłowych systemów rozproszonych              6

2.1              Definicje              6

2.1.1              System rozproszony              6

2.1.2              System rozproszony w oparciu o jednostkę centralną (DCS)              8

2.1.3              System rozproszony w oparciu o wiele jednostek centralnych (PLC)              10

2.1.4              Protokoły komunikacyjne              12

2.1.5              Co to jest analiza              14

2.1.6              Co to jest analiza techniczno - ekonomiczna              15

2.2              Narzędzia badawcze              16

2.2.1              Analiza dokumentów              16

2.2.2              Wywiad              17

3              Analiza techniczno – ekonomiczna              18

3.1              Analiza techniczna systemów rozproszonych              18

3.1.1              Analiza architektury              18

3.1.2              Architektura rozproszona              20

3.1.2.1              Węzeł systemu              27

3.1.2.2              Aplikacje w węzłach w dużym stopniu są autonomiczne              29

3.1.2.3              Protokół komunikacyjny              30

3.1.2.4              Wektor stanu obiektu węzła (binarne i analogowe)              31

3.1.2.5              Korzyści wynikające z zastosowania systemów rozproszonych              36

3.2              Analiza ekonomiczna systemów rozproszonych              38

4              DCS czy PLC?              40

4.1              Co będzie produkowane i w jaki sposób?              40

4.2              Jaka jest wartość wytwarzanego produktu i jakie są koszty w razie przestoju?              42

4.3              Co jest „sercem” systemu?              43

4.4              Czego potrzebuje operator, aby pracować efektywnie?              44

4.5              Jaka jest wymagana wydajność systemu?              45

4.6              Jaki jest wymagany poziom dostosowania systemu do konkretnych wymagań użytkownika?              47

4.7              Jakie wymagania mają służby inżynieryjne?              49

5              Zakończenie              51

Bibliografia              54

Spis ilustracji              56

Spis tabel              56

1        
Wprowadzenie

Powodem wyboru tematu niniejszej pracy magisterskiej jest fakt, iż spotykam się na co dzień z problemem przemysłowych systemów rozproszonych, w związku z moją pracą zawodową.

Cel pracy

Rozdział ten chciałbym rozpocząć od przytoczenia definicji samego celu. Według najpopularniejszej encyklopedii internetowej Wikipedia cel to stan lub obiekt, do którego się dąży[1].

Celem niniejszej pracy jest dokonanie analizy techniczno - ekonomicznej właściwości rozwiązań przemysłowych systemów rozproszonych zbudowanych w oparciu o jedną lub wiele jednostek centralnych. Praca ta zawiera opis koncepcji rozwiązania z podaniem zalet i wad w odniesieniu do korzyści zarówno ekonomicznych jak i technicznych poszczególnych systemów.

Zastosowane metody badawcze

W czasie pisania pracy magisterskiej napotkano przede wszystkim na informacje w formie pisanej. Z tego też powodu, najważniejsza okazała się metoda analizy literatury oraz dokumentów. Pomocniczo zastosowana została również technika wywiadu, dzięki czemu przeprowadzona analiza jest bardziej kompletna i najpełniej ukazuje stan rzeczywisty.

Budowa pracy

Praca ta składa się trzech rozdziałów. W rozdziale pierwszym następuje teoretyczne wprowadzenie do przemysłowych systemów rozproszonych, zaś rozdział drugi i trzeci skupia się na cechach systemów rozproszonych oraz ich zastosowaniu w praktyce.

2        
Teoretyczne wprowadzenie do przemysłowych systemów rozproszonych

2.1      Definicje

2.1.1     System rozproszony

System rozproszony (ang. distributed system) to zbiór niezależnych urządzeń technicznych połączonych w jedną, spójną logicznie całość. Zwykle łączonymi urządzeniami są komputery, rzadziej – systemy automatyki. Połączenie najczęściej realizowane jest przez sieć komputerową, jednak można wykorzystać również inne – prostsze – magistrale komunikacyjne. Urządzenia te są wyposażone w oprogramowanie umożliwiające współdzielenie zasobów systemowych.

System rozproszony posiada następujące cechy:

·         współdzielenie zasobów (ang. resource sharing) – wielu użytkowników systemu może korzystać z danego zasobu (np. drukarek, plików, usług, itp.)

·         otwartość (ang. openness) – podatność na rozszerzenia, możliwość rozbudowy systemu zarówno pod względem sprzętowym, jak współbieżność oprogramowania

·         współbieżność (ang. concurrency) – zdolność do przetwarzania wielu zadań jednocześnie

·         skalowalność (ang. scalability) – własność systemu polegająca na zachowaniu podobnej wydajności systemu przy zwiększeniu skali systemu (np. liczby procesów, komputerów, itp.)

·         odporność na błędy (ang. fault tolerance) – własność systemu polegająca na zdolności działania systemu mimo pojawiania się błędów (np. poprzez utrzymywanie nadmiarowego sprzętu)

·         transparentność, przezroczystość (ang. transparency) – własność systemu pozwalająca na postrzeganie systemu przez użytkownika jako całości, a nie poszczególnych składowych. [2]

Rysunek 1. System rozproszony

2.1.2     System rozproszony w oparciu o jednostkę centralną (DCS)

Distributed control system jest pojęciem stricte związanym z automatyką przemysłową. Określa ono system odpowiadający za sterowanie i wizualizację procesu przemysłowego, posiadający wspólną bazę danych dla sterowania i wizualizacji (w przeciwieństwie do systemu zbudowanego na bazie SCADA i PLC). Wspólna baza punktów (tagów) daje jednoznaczne określenie w systemie DCS. Oznacza to, że jeśli przypiszemy przetwornikowi ciśnienia nazwę 110_PT-321, będzie to jego unikatowy numer widziany zarówno w wizualizacji, jak i w oprogramowaniu aplikacyjnym, co więcej, niemożliwe będzie nazwanie w ten sposób innego punktu. Genezą powstania takich systemów było komputerowe "zarządzanie" pracą i nastawami regulatorów analogowych. Ponadto sterowniki "prawdziwego" DCS'u powinny opierać się na systemie operacyjnym czasu rzeczywistego (ang. RTOS), co zapewnia wykonanie w czasie rzeczywistym wszystkich zaplanowanych operacji (jest to równoznaczne z tym, że program nie ma prawa się zawiesić nawet, jeśli programista popełni błąd).

Dodatkowe cechy DCS (czasami wspólne z PLC) to:

·         Programowanie przy pomocy zdefiniowanych bloków funkcjonalnych;

·         Przechowywanie aktualnej dokumentacji dla całego systemu na stacji inżynierskiej DCS;

·         Archiwizacja zdarzeń (nawet kilkuletnia);

·         Posiadanie redundantnych (zwielokrotnionych) elementów takich jak kontrolery, układy wejść-wyjść, stacje operatorskie;

·         Możliwość załadowania i zmian ...