Программно-аппаратный комплекс повышения производительности сетей промышленной автоматизации на основе анализа протокола

На современном этапе развития промышленности нашли широкое применение всевозможные средства автоматизации производственного процесса, контроля и управления. ^ Прежде были широко распространены такие системы автоматизации, которые были созданы для конкретных узких целей. Это Ф не позволяло наиболее полно использовать оборудование и объединять несколько систем автоматизации в одну. Более того, создание нового типа оборудования приводило к необходимости полной замены старой или создания новой автоматизированной системы.

Данная ситуация дала толчок к появлению микропроцессорных систем автоматизированного управления, названных fieldbus-системами, или системами полевых шин. Они характеризуются уходом от концепции иерархического построения управляющих сетей к полной или частичной децентрализации управляющего процесса, более мощными средствами и механизмами, заложенными в их основу, строгой стандартизацией на ¦ уровне центральных межгосударственных организаций, богатыми возможностями совместного использования систем, работающих согласно л различным протоколам [37].

Актуальность работы. Одной из основных задач и целей, послуживших развитию fieldbus-систем, было снижение стоимости самой системы, снижение материальных и временных затрат на установку, настройку и сопровождение. Безусловно эта цель была достигнута.

Однако постоянно растущая сложность современных промышленных процессов и большая стоимость интерактивных испытаний требуют все более производительных промышленных сетей и соответствующих инструментальных средств, предназначенных для их анализа и повышения производительности.

Поэтому разработка инструментального комплекса, обеспечивающего анализ и повышение производительности fieldbus-систем является задачей актуальной.

Постановка задачи. Разработать и исследовать адекватную модель, способ и алгоритмы повышения производительности, а также алгоритмы анализа и диагностики сети промышленной автоматизации P-NET.? Объектом исследования являются распределенные системы управления на основе сетей промышленной автоматизации, полевая шина P-NET, модель, алгоритмы повышения производительности, а также процедуры анализа и диагностики сети P-NET.

Цель диссертационной работы. Целью работы является создание программно-аппаратного комплекса анализа, диагностики и повышения производительности промышленной сети P-NET.

Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:

1. Исследовать распределенные системы управления на основе сетей промышленной автоматизации, определить их преимущества и выделить основные недостатки. т 2. Исследовать сеть промышленной автоматизации P-NET и выделить параметры, влияющие на ее производительность.

3. Разработать математическую модель сети P-NET на основе теории массового обслуживания.

4. Разработать способ повышения производительности сети P-NET на основе предложенной математической модели.

5. Разработать структуру программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности сети PNET.

6. Разработать информационное, программное и прикладное обеспечение комплекса.

Методы исследования основаны на использовании аппарата системного подхода, теории массового обслуживания, теории вероятности и математической статистики, элементов теории вычислительных систем и сетей, технологии программирования и математического моделирования. т.

Научная новизна работы заключается в следующем: к.

1. Впервые исследованы системы распределенного управления на основе.

С fieldbus-систем. Выделены преимущества систем распределенного управления перед централизованным, и проблемы, возникающие при их функционировании.

2. Исследована сеть промышленной автоматизации P-NET. Определены параметры производительности.

3. Предложена математическая модель сетей промышленной автоматизации на основе P-NET с использованием математического аппарата теории массового обслуживания.

4. Разработан способ анализа и повышения производительности промышленных сетей, при котором на основе собранной статистической информации и математической модели сети производится оптимизация производительности промышленной сети. г 5. Разработаны алгоритмы анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET. 6. Предложена методика использования системы анализа и повышения производительности для проведения лабораторных и практических занятий по системам распределенного управления на основе полевых шин.

На защиту автором выносятся следующие научные результаты: — исследованные системы распределенного управления на основе сетей промышленной автоматизации: этапы развития, преимущества децентрализованного управления и мониторинга, основные недостатки и проблемы функционирования;

— исследованная промышленная сеть P-NET: характеристики работы в режиме реального времени, критерии производительности;

— предложенная модель промышленной сети P-NET на основе систем массового обслуживания;

— разработанный способ анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET;

— разработанные алгоритмы и процедуры анализа и повышения производительности сети P-NET;

— разработанная структура программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена корректным обоснованием математической модели, ее наглядной интерпретацией, а также данными моделирования и экспериментальных исследований повышения производительности промышленной сети P-NET.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

— разработан способ повышения производительности промышленных сетей;

— разработан программно-аппаратный комплекс анализа и повышения производительности сети промышленной автоматизации P-NET;

— подготовлена для практического использования методика анализа и повышения производительности распределенных систем управления на основе fieldbus-систем.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы в Центре fieldbus-технологий Пермского государственного технического университета при проведении проектирования и оптимизации систем распределенного управления на основе полевой шины P-NET. Использование программно-аппаратного комплекса, предложенного в данной работе, позволило добиться увеличения производительности сети P-NET почти на 20% и снизить временные затраты на проектирование.

Также результаты работы внедрены в ГП «НИИУМС», НПО «ТИК» ,.

НПО «ВИБРО-ЦЕНТР» .

Апробация работы. Научные результаты и основные положения диссертации докладывались на V Международной конференции по системе P-NET (Оксфорд, Великобритания), XIII Уральском региональном компьютерном форуме (Пермь, Россия) и научных семинарах Пермского ГТУ.

Публикации по работе. Научные результаты и основные положения диссертации докладывались на международных конференциях и публиковались в трудах института [10−13, 20, 34, 57].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 177 страниц, 51 рисунок, 14 таблиц и список т литературы из 74 наименований.

4.8 Выводы.

Выделены требования, предъявляемые к системам анализа протокола. Произведен обзор существующих систем анализа сетей. Выяснено, что таких систем на сегодняшний день разработано очень мало и среди них нет ни одной, предназначенной для повышения производительности промышленных сетей.

Разработана структура программно-аппаратного комплекса повышения производительности сетей промышленной автоматизации. Данный комплекс реализован в среде Windows98/NT. * Разработан способ и алгоритм повышения производительности сетей промышленной автоматизации.

Проведена оценка адекватности модели на основе экспериментальных данных, полученных при повышении производительности демонстрационной технологической установки. Рассмотрена работа комплекса с сетями большой размерности.

Использование разработанного программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET может оказаться критичным при реализации той или иной системы распределенного управления, особенно там, где требуется малое время реакции, например в непрерывном химическом производстве.

Кроме выгоды, связанной с повышением производительности, данный комплекс поможет существенно сократить сеть, сделав использование некоторых узлов ненужным. Система анализа поможет выявить ошибки в функционировании сети и предотвратить сбои системы управления в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Системы промышленных полевых шин находят все большее применение. Переход от централизованного управления, включающего в себя нестандартные и несовместимые с собой датчики и устройства управления, осуществляется в сторону децентрализованного управления, использующего стандартизированное оборудование. т Размеры предприятия и сложность технологических процессов затрудняют проектирование надежных fieldbus-сетей. Наличие большого числа датчиков резко усложняет топологию. Большая цена ошибки в работе сети для предприятия значительно увеличивает стоимость разработки.

Большую помощь может оказать разработанный программный комплекс анализа и повышения производительности сетей промышленной автоматизации. Он делает возможным не только поиск неисправностей в fieldbus-сетях, но и выбор наиболее удачной топологической структуры сети.

На данном этапе работы разрабатывается новая версия системы анализа и повышения производительности fieldbus-систем, которая будет Ш включать в себя, помимо всего прочего, модуль экспертной оценки, позволяющий напрямую выдавать оценку состояния fieldbus-сети. Предлагается использовать математический аппарат нечеткой логики и статистики.

Кроме того, делаются шаги в строну совместимости программного обеспечения. Система будет эволюционировать в сторону большей открытости, когда другое программное обеспечение, используя, например, стандарт OLE2, будет получать доступ к fieldbus-сети и ко всем функциям анализа и статистики.

В ходе исследований, в процессе проектирования системы и ее разработки были применены и развиты наиболее современные методы проектирования и программирования, выработана технология организации подобных систем, и был получен большой практический опыт.

В работе получены следующие научные и практические результаты:

1. Впервые исследованы системы распределенного управления на основе fieldbus-систем. Выделены преимущества систем распределенного управления перед централизованным, и проблемы, возникающие при их функционировании.

2. Исследована сеть промышленной автоматизации P-NET. Определены параметры производительности.

3. Предложена математическая модель сетей промышленной автоматизации на основе P-NET с использованием математического аппарата теории массового обслуживания.

4. Разработан способ анализа и повышения производительности промышленных сетей, при котором на основе собранной статистической информации и математической модели сети производится оптимизация производительности промышленной сети.

5. Разработаны алгоритмы анализа и повышения производительности.

• промышленной сети P-NET.

6. Предложена методика использования системы анализа и повышения производительности для проведения лабораторных и практических занятий по системам распределенного управления на основе полевых шин.

7. В среде Windows98/NT осуществлена программная реализация системы анализа протокола и оптимизации производительности fieldbus-систем на основе P-NET. Применение данной системы позволило на 20% увеличить производительность fieldbus-системы.