Технология организации специализированного информационного и программного обеспечения распределенных АСУ ТП

Актуальность работы. Проблемы проектирования современных распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), в первую очередь, связаны со сложностью характера протекающих процессов, как следствие, сложностью их формализации, с повышенными требованиями к мониторингу и контролю параметров ТП, с последующей регистрацией и хранением данных.

На сегодняшний день при системной интеграции существуют два подхода к разработке прикладного программного обеспечения (ПО) АСУ ТП. Первый подход — это разработка ПО с использованием классических языков программирования и стандартных средств отладкивторой — применение существующих, готовых инструментальных средств класса «Сбор данных и диспетчерский контроль» (SCADA-систем). При условии увеличения доли стоимости прикладного ПО в затратах на создание конечной системы вариант, основанный на непосредственном программировании, удовлетворителен лишь для ограниченного числа систем. В связи с этим, в рамках комплексной автоматизации производства и интегрированного управления ТП, целесообразно идти по второму направлению, осваивая и адаптируя уже апробированный универсальный инструментарий.

Однако, учитывая специфику прикладного ПО, ориентированного на известную проблемную область, применение данного подхода к другим видам обеспечения АСУ ТП, например, информационному и лингвистическому, является не достаточно эффективным. Наличие в распоряжении системных интеграторов универсальных коммерческих продуктов обусловлено рядом причин: представление интересов определенного разработчикаотсутствием специализированных решений, диктуемая заказчиком низкая совокупная стоимость владения (Total Cost of Ownership) АСУ ТП, последующий выбор которых основан на объективных, формальных требованиях.

На сегодняшний день масштабы работ по интенсификации, компьютеризации ТП и интегрированному управлению функционированием АСУ ТП, как сетью технологических процессов, в особенности, при автоматизации производств с непрерывным течением сложных процессов в химической и энергетической промышленности предъявляют, как правило, повышенные требования к оперированию данными в режиме реального времени, к интероперабельности видов обеспечения АСУ ТП и архитектуре их взаимодействия. В этой связи, проблема создания эффективной технологии организации специализированного информационного и программного обеспечения распределенных АСУ ТП является актуальной.

Целью настоящего диссертационного исследования является повышение эффективности функционирования специализированного информационного и программного обеспечения распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ существующих моделей и архитектур обмена данными распределенных систем обработки информации и управления;

— построение имитационной модели АСУ ТП для исследования компонентов гетерогенной среды, представленных экземплярами программного и информационного обеспечения, путем изучения способов и средств их взаимодействия;

— разработка методики определения инерционности, имеющей место при взаимодействии компонентов гетерогенной среды АСУ ТП, с использованием ресурсов, имитационной модели АСУ ТП;

— разработка нового подхода к формированию транзакций гетерогенной среды АСУ ТП, основанного на классификации формализованных двухсторонних коммуникаций, ориентированных на логику обработки данных в реальном времени;

— пересмотр алгоритмической сущности интерфейса, как средства взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП, с целью увеличения его пропускной способности, и в целом снижения инерционности взаимодействия;

— в целях снижения инерционности взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП, разработка методик и алгоритмов обеспечения функционирования специализированного программного средства управления и хранения данных в среде основной памятиразработка ОКГО-ориентированной архитектуры построения распределенных АСУ ТП на базе децентрализованной модели управления данными.

Область исследования. Работа выполнена в соответствии с пунктом 9 «Методы эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП, АСТПП и др., включая базы и банки данных и методы их оптимизации» паспорта специальностей ВАК (технические науки, специальность 05.13.06 -автоматизация и управление технологическими процессами и производствами).

Методы исследования. При выполнении работы использовались: метод построения проекта АСУ ТП от структуры системы управления, математическое моделирование технологических объектов и процессов, методы объектно-ориентированного анализа и моделирования, методы реляционной алгебры.

Научная новизна работы:

1. Впервые предложена методика, позволяющая определить параметры инерционности взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП. Оригинальность данной методики заключается в способе оценки временных характеристик транзакционной обработки данных, позволяющем реализовать интероперабельность экземпляров программного и информационного обеспечения АСУ ТП.

2. Впервые разработан итерационный подход к формированию транзакций в гетерогенной среде АСУ ТП. Данный подход основан на применении итерационных вычислений и направлен на формирование транзакций, ориентированных на логику обработки данных в реальном времени, что позволяет произвести полную спецификацию нагрузки на СУБД со стороны БСАБА.

3. Предложен и реализован комбинированный алгоритм, обеспечивающий функционирование специализированной СУБД, который, в отличие от ранее известных, обеспечивает приоритет в выполнении транзакций и асинхронный характер запросов, а также согласованность вычислений и целостность распределенных данных.

4. Предложена новая архитектура построения распределенных АСУ ТП. Данная архитектура позволит использовать среду основной памяти автоматизированных рабочих мест цеховой группы, которые являются узлами локально-распределенной ОМБ-системы, в качестве среды размещения экземпляров специализированной СУБД, что обеспечит эффективное управление и хранение данных.

Значение для теории. Рассматриваемая в диссертационном исследовании технология направлена на эффективную организацию и ведение специализированного информационного и программного обеспечения АСУ ТП.

Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, создают теоретическую основу для развития методик и алгоритмов, направленных на повышение интероперабельности программного и информационного обеспечения АСУ ТП.

Практическая ценность.

В рамках диссертационного исследования разработана программная система, выступающая в качестве имитационной модели реального участка автоматизированного производства, учебный потенциал которой выражен в освоении навыков диспетчерского управления ТП.

Создано инструментальное средство, которое позволяет архитектору АСУ ТП прогнозировать интероперабельность видов обеспечения путем получения временных характеристик транзакционной обработки данных на уровне компонентов гетерогенной среды АСУ ТП.

Достоверность полученных результатов подтверждается: тестированием и оценкой результатов разработанной программной системы (имитационной модели) определения временных характеристик инерционностисогласованностью расчетных и экспериментальных данных при реализации мероприятий по снижению инерционности взаимодействия исследуемых компонентов.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа была выполнена в рамках тематического плана СибГТУ (2006;2010 гг.), при поддержке Благотворительного фонда культурных инициатив Михаила Прохорова, в рамках открытого благотворительного конкурса «Академическая мобильность» 2008 г. (Договор № 2−38/08 от 17.12.2008 г.).

По результату диссертационного исследования был разработан ряд моделей (UML-диаграмм), средой построения и документирования которых является Rational Rhapsody Modeler, ставший лингвистическим обеспечением проекта АСУ ТП.

Средой исследования взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП является имитационная модель — «Автоматизированная учебно-исследовательская система управления технологическим процессом», которая прошла экспертизу и зарегистрирована в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» (Рег.№ 15 736), что делает её доступной широкому кругу специалистов по автоматизации технологических процессов, системной интеграции и моделированию систем.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли всестороннюю апробацию на международной и всероссийских научно-практических конференциях. В том числе, всероссийских научно-практических конференциях «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» Сибирского государственного технологического университета (Красноярск, 2006;2010), XV международной конференции.

Управление производством в системе TRACE MODE" (Москва, 2009), всероссийских заочных электронных конференциях Российской академии естествознания «Прикладные исследования и разработки по приоритетным-направлениям науки и техники» (Москва, 2009), «Новые технологии, инновации, изобретения» (Москва, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 4 статьи в журналах перечня ВАК РФ. Полный список публикаций представлен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 95 наименований.

4.5 Выводы.

На основании результатов исследования взаимодействия гетерогенных систем, а также тенденций в области развития информационного обеспечения, предложена модель специализированной системы управления данными в распределенной АСУ ТП.

Средой управления и хранения данных представленной системы выступает основная память автоматизированных рабочих мест цеховой группы участка производства, которые в свою очередь являются узлами локально-распределенной СИГО-системы.

Обоснование применения основой памяти в альтернативу дисковой выражено в анализе ЦМЬ-модели вызова персистентных (постоянно хранимых) объектов, а именно задачи загрузки объекта сущности, с целью применения вычислительных процедур со стороны 8САОА-системы по отношению к традиционной универсальной СУБД.

• Вызов персистентных объектов имеет место при взаимодействии с СУБД, ориентированной на дисковую память и влечет временные задержки при совершении системных вызовов по аппаратному (дисковому) вводу/выводу информации и по регистрации объектов в основной памяти.

• Обращение к объекту со стороны SCADA-системы, влечет процедуру определения «чистоты» данных, то есть их достоверности текущим данным хранящимся в СУБД. Данное обстоятельство порождает мультиверсионность данных и их избыточность, что исключенопри использовании единого адресного пространства как для оперирования данными, так и для их хранения — основной памяти.

Реализация модели специализированной СУБД представляет собой комбинированный алгоритм, который базируется на трех противоположных подходах существующим универсальным коммерческим СУБД:

— Отказ от дисковой памяти, как среды оперирования и хранения данных, в сторону основной (оперативной) памяти.

— Отказ от универсальности в сторону предопределенности, выраженный в применении конструкций транзакций. Данный подход реализован в предопределенном алгоритме выполнения транзакций Класса Insert.

— Отказ от централизованной модели управления данными в сторону децентрализованной путем решения задачи согласованности данных на основе рекурсивной транзакционной модели.

Реализация итерационного подхода к формированию транзакций, организации пула соединений, исключения сетевого транспорта, позволила снизить инерционность взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП.

Предложенная в рамках диссертационного исследования модель специализированной СУБД, средой оперирования и хранения данных которой выступает локально распределенная GRID-ориентированная архитектурная платформа АСУ ТП, позволит распределить транзакционную нагрузку и уменьшить инерционность взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП.

Заключение

.

На основе общих тенденций развития технологий проектирования высокоэффективных распределенных АСУ ТП предложена технология организации специализированного информационного и программного обеспечения распределенной АСУ ТП, производительность которой приближена к реальному времени. Решение данной проблемы базируется на следующих основных результатах, имеющих самостоятельное научное и практическое значение.

1. Построена и исследована имитационная модель АСУ ТП на предмет взаимодействия компонентов гетерогенной среды, представленных экземплярами программного и информационного обеспечения, произведен анализ способов и средств их взаимодействия. Данная модель апробирована в качестве учебно-практического тренажера подготовки кадров диспетчерского персонала.

2. Впервые предложена методика определения параметров инерционности взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП. Методика основана на ресурсном потенциале имитационной модели и имеет многошаговую реализацию, основанную на: декомпозиции совокупности видов обеспеченияпостроении графа задач, реализующего основной функционал проекта АСУ ТПполучении временных характеристик транзакционной обработки данных. Данная методика позволила подтвердить теоретическое предположение об инерционности, имеющей место при взаимодействии экземпляров программного и информационного обеспечения АСУ ТП, а также выявить причинно-следственные связи возникновения инерционности взаимодействия.

3. Впервые разработан итерационный подход к формированию транзакций гетерогенной среды АСУ ТП. Данный подход основан на классификации транзакций по способу манипулирования базой данных, а также правиле построения транзакций, ориентированных на логику ОЬТР. В рамках данного подхода специфицирована нагрузка на СУБД, выраженная в полном пересмотре транзакций, реализующих задачи взаимодействия SCAD, А и СУБД.

4. Произведен пересмотр алгоритмической сущности интерфейса взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП путем исключения межсетевого транспорта, а также за счет организации пула соединений, основанного на применении функций ODBC API и реализации итерационного подхода к формированию транзакций, в результате чего достигнут рост пропускной способности рассматриваемого интерфейса на 12,5%.

5. С учетом выявленных направлений развития систем управления и хранения данных в АСУ ТП предложен и реализован комбинированный алгоритм, обеспечивающий функционирование специализированной СУБД. Данный алгоритм, в отличие от ранее известных, позволяет обеспечить приоритет в выполнении и асинхронный характер запросов за счет предопределенного алгоритма выполнения транзакций, основанного на итерационных вычислениях, и исключения метода трехстороннего квитирования стека протоколов TCP/IP. Также обеспечивается согласованность вычислений и целостность распределенных данных за счет рекурсивной транзакционной модели, базируемой на реляционных вычислениях.

6. В результате анализа существующих моделей и архитектур обмена данными предложена новая архитектура построения распределенных АСУ ТП, в которой средой управления и хранения данных выступает основная память автоматизированных рабочих мест цеховой группы участка производства, которые являются узлами локально распределенной GRID-системы, обеспечивающими децентрализованную модель управления данными «многие ко многим».

Модель специализированной СУБД, базируемая на основе данной архитектуры, ориентирована на оперирование данными в основной памяти узлов локально распределенной ОИГО-системы, однако в отличие от технологии «т-тетогу», процедуры функционирования предусматривают не только полную загрузку таблиц БД в основную память, но и их постоянное хранение в ней. Таким образом, реализация модели специализированной СУБД позволит снизить инерционность взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП сГи= 1,19с, до Тт = 1,1 Ос.

Построенная программная система была апробирована в качестве учебно-практического тренажера подготовки кадров диспетчерского персонала, получила рекомендации к внедрению в качестве автоматизированной системы управления технологическими процессами участка водоподготовки объекта теплоэнергетики, а также в качестве имитационной модели по определению временных характеристик инерционности взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП.

Разработанная информационная система, базируемая на результатах исследования взаимодействия гетерогенных систем, в рамках имитационной модели, представлена набором диаграмм, совокупность алгоритмов которых реализует технологию организации специализированного информационного и программного обеспечения распределенных АСУ ТП.