Основой для разработки проектов взаимодействия технических средств систем управления реального времени является многоуровневая распределенная система управления (РСУ).

К нижнему уровню РСУ относятся механизмы и устройства, которые непосредственно «соприкасаются» с процессом - датчики и исполнительные средства. Эта так называемая «полевая» аппаратура образует уровень локального управления. На более высоком уровне - уровне управления процессом - находятся контроллеры, регуляторы и другие «интеллектуальные» устройства, способные решать простейшие задачи сбора и локальной обработки информации, а также вывода управляющих сигналов на объект.

На среднем уровне РСУ - уровне координации механизмов - отрабатывается управляющая программа системы, т. е. координируется работа отдельных механизмов. Для этого здесь установлены ЭВМ, которые могут обмениваться между собой информацией. Кроме того, этот уровень обменивается информацией в виде опорных и текущих значений с вышестоящими и нижележащими уровнями.

На следующем уровне РСУ - уровне координации процессов - координируется деятельность нескольких участков для достижения равномерного потока материалов или энергии.

Верхний уровень РСУ - уровень стратегического управления - это уровень принятия общих решений, которые влияют на работу всего предприятия.

Построенные по такому принципу системы могут быть интегрированы в единые интегрированные системы управления.

Очевидно, что на каждом уровне происходит сбор информации и обмен ею с выше- и нижележащими уровнями. Объем этой информации на каждом уровне различен, однако процесс обмена в общем виде можно представить следующим образом.

Все процессы связи включают в себя передатчик и приемник. Передатчик передает сообщение, состоящее из последовательности символов, приемнику по каналу связи, который является общим для передатчика и приемника. Для передачи сообщения применяется какой-либо код, в соответствии с которым передатчик изменя­ет некоторые физические свойства канала, а приемник восстанавливает сообщение по изменениям, которые он обнаружил в канале. На канал обычно влияет шум, искажающий сообщение и затрудняющий распознавание приемником изменений в канале и правильную интерпретацию сообщения.

Основной проблемой передачи данных является доставка за заданное время сообщения от пункта А в пункт Б при минимизации влияния шума. При передаче сообщений оба участника сетевого обмена должны принять множество соглашений. Например, они должны согласовать уровни и форму электрических сигналов, способ определения длины сообщений, договориться о методах контроля достоверности и т.п.

Средства сетевого взаимодействия могут быть представлены в виде иерархически организованного множества модулей. Процедура взаимодействия двух узлов может быть описана в виде набора правил взаимодействия каждой пары соответствующих уровней обеих участвующих сторон. Формализованные правила, определяющие последовательность и формат сообщений, которыми обмениваются сетевые компоненты, лежащие на одном уровне, но в разных узлах, называются протоколом.

Модули, реализующие протоколы соседних уровней и находящиеся в одном узле, также взаимодействуют друг с другом в соответствии с четко определенными правилами и с помощью стандартизованных форматов сообщений. Эти правила называют интерфейсом.

Современные технологии располагают разнообразными средствами для передачи больших объемов данных в виде иерархически организованного набора протоколов - стека коммуникационных протоколов.

Для того чтобы преодолеть трудности, возникающие из-за большого количества несовместимых стандартов, Международная организация по стандартизации (ISO) разработала эталонную модель взаимодействия открытых систем (ВОС), которая представляет не только еще один стандарт, но и базу для разработки новых стандартов. Модель ВОС не связана с конкретными реализациями и описывает процесс коммуникации только в абстрактных понятиях. Практической целью модели ВОС является обеспечение совместимости и взаимозаменяемости.

Совместимость означает, что обмен данными не потребует непропорциональных расходов на их преобразования.

Взаимозаменяемость означает, что устройства, выпускаемые различными производителями для выполнения одной и той же функции, могут замещать друг друга без каких бы то ни было проблем при условии, что их работа основывается на одних и тех же принципах и правилах.

В модели ВОС определены семь функциональных уровней. Объекты, расположенные на одном уровне в разных узлах коммуникационной сети, называются одноранговыми. Эти объекты взаимодействуют между собой на основе протоколов, которые определяют форматы сообщений и правила их передачи.

1.  Физический уровень представляют собой физическую среду передачи. Все детали, касающиеся среды передачи, уровня сигналов и частот, рассматриваются на этом уровне.

2.  Канальный уровень обеспечивает функции, связанные с формированием и передачей кадров от одного узла к другому, обнаружением и исправлением ошибок, возникающих на физическом уровне. Если несколько устройств используют общую среду передачи, то на этом уровне также осуществляется управление доступом к среде.

3.  Сетевой уровень устанавливает маршрут и контролирует прохождение сообщений от источника к узлу назначения.

4.  Транспортный уровень решает задачу независимости верхних уровней от физической структуры сети и от маршрута доставки сообщений. Этот уровень несет ответственность за проверку правильности передачи данных от источника к приемнику и доставку данных к прикладным программам.

5.  Сеансовый уровень отвечает за установку, поддержку синхронизации и управление соединением между объектами уровня представления данных.

6.  Уровень представления данных обеспечивает кодирование и преобразование неструктурированного потока бит в формат, понятный приложению-получателю, т.е. восстановление исходного формата данных (сообщение, текст, рисунок и т.п.).

7.  Прикладной уровень организует решение прикладных задач - передачу файлов, операции с распределенными базами данных и удаленное управление.

Объекты обмениваются данными в соответствии с протоколами, определенными для соответствующих уровней, начиная с последнего, седьмого уровня. Перемещаясь вниз по уровням, сообщение «обрастает» служебной информацией. Наконец, оно достигает нижнего, физического уровня, который и передает его по линиям связи машине-адресату. Когда сообщение по сети поступает по сети на машину-адресат, оно принимается ее физическим уровнем и последовательно перемещается с уровня на уровень. Каждый уровень анализирует и обрабатывает заголовок своего уровня, выполняя соответствующие данному уровню функции, а затем удаляет этот заголовок и предает сообщение вышележащему уровню.

Физический уровень - единственный, имеющий материальное воплощение; остальные уровни представляют собой наборы правил или описание вызовов функций, реализованные программными средствами.

В последнее время в вычислительных сетях промышленной автоматики находит широкое применение протокол TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Уровни этого протокола определены следующим образом.

Уровни 1 и 2 явным образом не специфицированы; предполагается, что существует физическое соединение и соответствующее управление каналом.

Уровню 3 соответствует межсетевой протокол IP, который обеспечивает передачу дейтаграмм по сети от одной станции к другой. На этом уровне получатель не должен подтверждать доставку дейтаграммы.

Уровень 4 включает в себя средства, расширяющие базовые службы IP. Он осуществляет транспорт дейтаграмм между приложениями. Каждое приложение должно самостоятельно осуществлять проверку и исправление ошибок.

Уровень 5 представляет собой совокупность служб, предназначенных для пользователя сети.

Если рассматривать уровни РСУ с позиций организации ВОС или протокола TCP/IP, то можно сделать вывод о том, что на двух нижних уровнях требуется решать задачи ввода/вывода информации в простейшие контроллеры и процессоры, и это соответствует первым двум уровням модели ВОС. На более высоких уровнях РСУ приходится обмениваться информацией между машинами одного уровня, и здесь требуются локальные сети, в которых взаимодействие узлов организовано так, как предписывается более высокими уровнями модели ВОС.

Основными элементами сети являются стандартные компьютеры, не имеющие ни общих блоков памяти, ни общих периферийных устройств. Каждый компьютер работает под управлением собственной операционной системы, а какая-то общая операционная система, распределяющая работу между компьютерами сети, отсутствует. Взаимодействие между компьютерами сети происходит путем передачи сообщений через сетевые адаптеры и каналы связи. С помощью этих сообщений один компьютер запрашивает доступ к локальным ресурсам другого компьютера.

В АСУТП используются три основные структуры сетевого обмена: архитектура «клиент-сервер», архитектура «ведомый-ведущий» («Master/Slave») и обмен с помощью широковещательных пакетов. Рассмотрим их особенности с точки зрения удовлетворения требованиям АСУТП реального времени (РВ). В нашем случае примем, что система работает в режиме РВ, если она реагирует в течение предсказуемого интервала времени на хаотический поток внешних событий.

В системе «клиент-сервер» клиент посылает запрос, который попадает в буфер и находится там некоторое время, прежде чем поступить в процессор для обработки. При этом сервер приостанавливает свою работу, чтобы ответить на данный запрос. Время ответа на запросы увеличивается по экспоненте с ростом числа клиентов, обращающихся к серверу. Могут образоваться очереди заявок со стороны клиентов на сервере - источнике информации. Но в этой архитектуре получаем гарантированную доставку сообщений, хотя и медленную. О режиме РВ не может быть и речи, так как время нахождения запроса в очереди заранее неизвестно.

Архитектура «Master/Slave» применяется в основном на нижнем (контроллерном) уровне промышленной автоматизации. Центральная ведущая машина - Master (ПК или ПЛК) периодически опрашивает все необходимые ведомые станции - Slave. Получив запрос, станции выполняют какие-либо действия в зависимости от полученных данных и посылают ответ на запрос. Master получает ответ, обрабатывает его и переходит к следующему узлу. Здесь нет очередей, так как Master сам инициирует обмен, а не ждет запроса от клиентов. Время обмена информацией линейно возрастает с увеличением числа станций Slave. Так как известно, сколько времени будет происходить обмен данными станции Master со станцией Slave, то можно сказать, что здесь реализуется режим РВ.

Третья архитектура - обмен с помощью широковещательных пакетов - применяется для периодического обмена какими-либо данными (входные-выходные сигналы, расчетные параметры и т.д.), в частности, для рассылки данных от управляющей станции к остальным станциям сети. Определяющий параметр - время получения информации - не зависит от числа потребителей. Недостатки данной архитектуры: 1) отсутствие гарантии, что пакет достигнет приемника, так как здесь идет обмен пакетами без подтверждения; 2) наличие очередей со стороны приемника информации, так как при передаче данных с большой скоростью или от нескольких источников буфер на прием быстро заполнится, и остальные пакеты просто не будут приниматься.