автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Методы и средства разработки распределенных систем логического управления на базе динамически реконфигурируемой коммуникационной среды

Введение

Глава 1. Архитектура распределенных систем логического 11 управления на базе динамически реконфигурируемой коммуникационной среды

1.1. Системы диспетчерского управления и сбора данных 12 (ЗСАВА - системы)

1.1.1. Определение и обобщенная структура ЗСАВА

1.1.2. Функциональная структура ЗСАВА

1.1.3 Особенности 8САВА как процесса управления

1.1.4 Основные требования к диспетчерским системам 18 управления

1.1.5 Области применения 8СА0А-систем

1.2. Тенденции развития технических средств систем 20 диспетчерского управления

1.2.1. Удаленные терминалы

1.2.2 Каналы связи

1.2.3. Диспетчерские пункты управления

1.3. Архитектура систем автоматизации

1.3.1. Локальные сети программируемых контроллеров

1.3.2. Архитектура "клиент-сервер" систем локальной 30 автоматики

1.3.3. Координация процессов функционирования

В последнее десятилетие совершенствование методов и средств управления технологическими процессами и оборудованием шло по пути децентрализации как функций сбора, обработки, хранения и отображения данных, так и функций измерения, контроля и управления. Этот переход от централизованного к децентрализованному управлению оказался возможным благодаря созданию нового класса устройств автоматики -программируемых контроллеров - ПК - (на базе современных средств микропроцессорной вычислительной техники). Применение ПК позволило ликвидировать разрыв между теорией и практикой автоматического управления технологическими процессами и объектами благодаря возможности программной реализации самых разнообразных алгоритмов сбора данных, их обработки, контроля и регулирования/управления практически любой точности и сложности, в том числе оптимизационных, с адаптацией, перестройкой структуры и т.д. Программируемые контроллеры с широким набором стандартных программ, хранящихся в их памяти, обеспечивают высокую гибкость при создании контуров регулирования и управления, при формировании и модификациях рабочих алгоритмов их функционирования, как раз и представляют собой аппаратные средства для реализации управляющих функций в современных технологических системах. Другой особенностью нового подхода является развитие коммуникационных возможностей ПК, благодаря которым они получили возможность обмениваться информацией с другими компонентами управляющих систем.

Кроме того, расширение практики применения контроллеров рассматриваемого класса привело к появлению и развитию специализированных инструментальных средств для автоматизации разработки прикладных программ, реализующих алгоритмы обработки данных, регулирования и управления.

Всё это привело к созданию нового класса управляющих систем -распределенных систем, в которых устройства автоматики, обладая достаточно большой локальной мощностью для обработки данных, становятся все более интеллектуальными, а их архитектура, благодаря возрастающим коммуникационным возможностям для обмена данными, базируется на сетевых технологиях. Современные средства автоматики и автоматизации - это промышленные компьютеры со встроенными операционными системами, модульные конструкции измерительной и управляющей аппаратуры, а также новейшие программные технологии, включая такие как диспетчерское управление и сбор данных - SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).

Прогресс в области вычислительной техники, программного обеспечения и телекоммуникаций увеличивает возможности и расширяет сферу применения автоматизированных систем. С другой стороны, развитие информационных технологий, повышение степени автоматизации и перераспределение функций между человеком и аппаратурой обострило проблему взаимодействия человека-оператора с системой управления. Все это определяет возросший интерес к проблемам построения высокоэффективных и высоконадежных систем диспетчерского управления и сбора данных.

Традиционный подход к построению сложных автоматизированных систем управления, который применяется часто и в настоящее время, характеризуется ориентацией, в первую очередь, на применение новейших технических (технологических) достижений, стремлением повысить степень автоматизации и функциональные возможности системы и, в то же время, существенной недооценкой проблем построения эффективного человеко-машинного интерфейса, т.е. интерфейса, ориентированного на пользователя-оператора. Анализ проблем построения эффективных и надежных систем диспетчерского управления показывает необходимость применения новых подходов при разработке таких систем. разрабатываемых в соответствии новыми международными стандартами проектирования и разработки технических систем, получившими характерное название "человеке - ориентированного проектирования", когда в центре процессе разработки находится человек-оператор и его задачи, вместо традиционного и повсеместно применявшегося "аппаратурно-ориентированного", в котором при построении системы основное внимание уделялось выбору и разработке технических средств (оборудования и программного обеспечения). Применение нового подхода в реальных космических и авиационных разработках и сравнительные испытания систем в NASA подтвердили его эффективность, позволив увеличить производительность операторов, на порядок уменьшить процедурные ошибки и свести к нулю критические (некорректируемые) ошибки операторов. Не случайно именно на последние 15 лет, т.е. период появления мощных, компактных и недорогих вычислительных средств, пришелся пик исследований по проблемам человеческого фактора в системах управления, в том числе по оптимизации архитектуры и человеко-машинного интерфейса систем диспетчерского управления и сбора данных.

Недостатки традиционных методов проектирования и разработки распределенных систем автоматизированного управления делают актуальной задачей поиск новых методов, обеспечивающих повышение качества и оперативности процесса диспетчерского управления динамическими объектами, процессами и системами, а также снижение рабочей нагрузки на человека-оператора современных сложных систем, в особенности в процессе принятия решений.

Целью диссертационной работы является разработка методов анализа, проектирования и применения распределенных систем управления с динамически реконфигурируемой коммуникационной средой.

Указанная цель потребовала решения следующих задач:

- Проведение анализа существующих подходов и методов исследования и проектирования систем рассматриваемого класса.

Разработка и соверщенствование методов и средств математического моделирования распределенных систем управления с динамически реконфигурируемой архитектурой коммуникационной среды, направленные на повышение эффективности и качества проектирования систем рассматриваемого класса, включая как аналитические методы, основанные на построении марковских моделей распределенных систем с использованием аппарата теории массового обслуживания

- Разработка и совершенствование средств проектирования и моделирования систем контроля мобильных объектов в целях эффективной программной реализации алгоритмов диспетчерского контроля

Научная новизна и результаты, выносимые на защиту, состоят в следующем:

1. Обобщены и развиты подходы к анализу, проектированию и применению распределенных систем диспетчеризации и контроля с динамически реконфигурируемой архитектурой коммуникационной среды, на основе концепции открытых систем автоматизации, применения программируемых логических контроллеров, сетевых архитектурных решений, новых информационных технологий.

2. Обоснованы и разработаны теоретические основы построения математических моделей распределенных систем диспетчеризации и контроля, использующих программируемые логические контроллеры в качестве основного уровня автоматизации.

3. Разработаны методы математического моделирования систем рассматриваемого класса, учитывающие особенности программируемых логических контроллеров и алгоритмов их взаимодействия с диспетчерским узлом, а также динамические изменения конфигурации коммуникационной сети.

4. Разработано и реализовано программное обеспечение для центра диспетчерского управления в реальном времени мобильными объектами.

Практическая ценность. Результаты, полученные в диссертации, имеют как теоретическое, так и прикладное значение и могут найти свое применение при анализе и построении распределенных систем контроля и управления процессами и объектами различной природы. Результаты диссертационной работы позволяют научно обоснованно решать такие важные в практике разработки, создания и развития устройств рассматриваемого класса как оценка проектных решений при выборе алгоритмов и программ контроля и управления технологическими процессами и оборудованием, конфигурации системы.

Теоретическая ценность работы состоит в дальнейшем развитии аппарата теории массового обслуживания в применении к сложным человеко-машинными системам. Прикладное значение результатов диссертации состоит в использовании их при математическом моделировании и создании распределенных систем управления с динамически изменяемой коммуникационной средой. Разработанные методы и алгоритмы в ближайшем будущем могут стать основой для создания новых интеллектуальных средств поддержки принятия решений в системах диспетчерского управления. Области практического применения таких средств включают системы управления транспортными потоками; производством, передачей и распределением электроэнергии; добычей, транспортировкой и распределением нефти и газа; космическими объектами и др.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке средств математического и программного обеспечения для проектирования микропроцессорных систем контроля и управления технологическими процессами и оборудованием (приложение 2 к диссертации), а также в

10 учебном процессе кафедры "Вычислительных систем и сетей" МИЭМ в курсе "Управляющие вычислительные системы" (приложение 3).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии» (Москва, 2001 г.), научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ (Москва, 2000-2002 гг.), научно-методических семинарах кафедры «Вычислительные системы и сети» МИЭМ (2000-2002 гг.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. На основе проведенного анализа существующих подходов и методов исследования и проектирования распределенных систем диспетчеризации и контроля с динамически реконфигурируемой коммуникационной средой обоснованы и обобщены концептуальные основы построения современных систем управления технологическими процессами и оборудованием на основе концепции открытых систем автоматизации, применения программируемых логических контроллеров, сетевых архитектурных решений, новых информационных технологий. Применение ПК позволило ликвидировать разрыв между теорией и практикой автоматического контроля и управления технологическими процессами и объектами благодаря возможности программной реализации разнообразных алгоритмов сбора данных, их обработки, контроля и регулирования практически любой сложности и точности, в том числе оптимизационных, с адаптацией, нечеткой (fuzzy) логикой, переменной структурой. Особенностью нового подхода является развитие коммуникационных возможностей программируемых контроллеров, позволяющие объединять их в рамках сетевых систем, реализованных с применением новых информационных технологий. Важнейшей особенностью подхода к проектированию подобных систем является приоритетный учет особенностей действий человека-оператора.

2. Разработаны средства математического моделирования распределенных систем управления с динамически реконфигурируемой архитектурой коммуникационной среды, направленные на повышение эффективности и качества проектирования систем рассматриваемого класса, включая как аналитические методы, основанные на построении марковских моделей распределенных систем с использованием аппарата теории массового обслуживания, так и имитационного моделирования с

Проведением экспериментов на моделях. Получены соотношения и зависимости, позволяюш,ие вьиислять временных характеристики систем рассматриваемого класса для широкого диапазона параметров.

3. Разработаны инструментальные средства, обеспечивающие моделирование систем контроля мобильных объектов в целях эффективной программной реализации алгоритмов диспетчерского контроля в целях эффективной программной реализации алгоритмов диспетчерского контроля

4. Разработано и реализовано программное обеспечение для центра диспетчерского управления в реальном времени мобильными объектами, обеспечивающее эффективное функционирование диспетчерского центра в рамках региона.

5. Результаты, полученные в диссертации, имеют как теоретическое, так и прикладное значение и могут найти свое применение при анализе и построении распределенных систем контроля и управления процессами и объектами различной природы. Результаты диссертационной работы позволяют научно обоснованно решать такие важные в практике разработки, создания и развития устройств рассматриваемого класса как оценка проектных решений при выборе алгоритмов и программ контроля и управления технологическими процессами и оборудованием, конфигурации системы.

6. Результаты диссертационной работы были использованы при разработке средств математического и программного обеспечения для проектирования микропроцессорных систем контроля и управления технологическими процессами и оборудованием (приложение 2 к диссертации), а также в учебном процессе кафедры "Вычислительных систем и сетей" МИЭМ в курсе "Управляющие вычислительные системы" (приложение 3).

Заключение

Предложены архитектурные и структурные решения аппаратно-программного комплекса для мониторинга перемепхений автотранспорта: отслеживание состояние автомобилей и их текупдего местоположение, доставка актуальной информации объектам контроля (о заторах, ремонтных работах, оптимальные маршруты следования, команды управления бортовым оборудованием и т.п.).

Разработано программное обеспечение диспетчерского узла и созданы две реализации программного комплекса, использующего ОС реального времени Windows2000 Server. Первая реализована в визуальной среде разработки Visual С 6.0, вторая - с использованием технологии Active Server Pages под управлением Internet Information Server. Доступ к базе данных на стороне клиента обеспечивает язык Java. Для взаимодействия Java-апплета с внешним сервером баз данных разработан специализированный протокол JDBC, который сочетает функции шлюзования между интерпретатором мобильных Java-кодов и ODBC.

Разработаны алгоритмы функционирования системы и выполнена программная реализация системы, представляющая собой совокупность 2 частей: серверной - производящей обработку запросов, поступающих от клиентов, передающей и получающей информацию из базы данных в диспетчерский центр (и обратно); клиентской - служащей для формирования запросов к серверной части.

1. Афанасьев В.Н., Фуфлыгин М.Д, Информационные технологии в социально-экономической сфере. М.: МИЭМ, 1998.

2. Байцер Б. Архитектура вычислительных комплексов. В 2-х частях. -М.:Мир, 1974.

3. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., Наука, 1975 г.

4. Бобровски С. Oracle 7: вычисления клиент/сервер. Пер, с англ. С. Орлова. М.: "Лори"., 1996.

5. Богуславский Л.Б., Дрожжинов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем. М.: Энергоатомиздат, 1990.

6. Богуславский Л.Б., Ляхов А.И. Оценка производительности распределенных информационно-вычислительных систем архитектуры "клиент-сервер". Автоматика и телемеханика, №9, 1995.

7. Ботуз СП. Автоматизированные технологии экспертизы позиционных систем программного управления. "Новые информационные технологии". Материалы второго научно-практического семинара. - М.: МИЭМ, 1999.

8. Ботуз СП. Модели эволюции информационных технологий средств промышленной автоматизации. М.: Радиотехника, 1998.

9. Бочаров П.П., Рыков В.В. Проблемы анализа устойчивости и производительности открытых систем.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.

10. Ю.Брусиловский Р. Д. Децентрализованная АСУ ТП водораспределения на базе микроЭВМ. Электронная промышленность, №11-12, 1979.

11. П.Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Л.: Машиностроение, 1977.

12. Васьков СТ., Вьюхин В.И., Коршевер И.Н. Открытые системы реального времени.// Информатика и вычислительная техника. Научно-технический сб. Вып. 1-2. 1995.

13. П.Вендров A.M. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1988.

14. И.Вишневский В.М., Дмитриев В.П. Жданов B.C. Основы передачи информации в вычислительных системах и сетях. М.: МГИЭМ. 1998.

15. З.Емельянов СВ., Уткин В.И. Системы с переменной структурой. М., Наука, 1970г.

16. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука, 1966.

17. П.Горбатов В. А. Теория частично упорядоченных систем. М.: Сов. Радио, 1976.

18. Горбатов В.А., Кафаров В.В., Павлов П.Г. Логическое управление технологическими процессами. М.: Энергия, 1978.

19. Громыко A.A., Королев П.Е. Программируемые микропроцессорные контроллеры для управления технологическими процессами//Сб. трудов МИЭМ. 2002

20. Громыко A.A., Королев П.Е. Математические и программное обеспечение программируемых контроллеров// Сб. трудов МИЭМ. 2002

21. Громыко A.A., Королев П.Е. Координация процессов функционирования в распределенных управляющих системах// Сб. трудов МИЭМ. 2002

22. Громыко A.A., Королев П.Е. Архитектура систем автоматизации// Сб. трудов МИЭМ. 2002

23. Жданов B.C. Основы теории и проектирования распределенных микропроцессорных систем локальной автоматики, регулирования и управления технологическим оборудованием. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МИЭМ, 1984.

24. Жданов B.C., Саксонов Е.А. Условия существования установившихся режимов в циклических системах массового обслуживания. Автоматика и телемеханика, № 2, 1979.

25. Жданов B.C. Модели открытых систем// Информатика и вычислительная техника. Научно-технический сб. Вып. 1-2. 1995,

26. Журавлев Е.Е., Олейников А.Я. Разработка технических требований к аппаратным и программным средствам открытых систем.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.

27. Золотарев СВ. Построение АСУ ТП на базе концепции открытых систем. -М.: Мир ПК, №1, 1998.2 8. Информационное законодательство правовая база информационных процессов и информатизации //Тематический сб., Т. 14, М.:ВНИИПВТИ, 1997.

28. Кендалл Д. Стохастические процессы в теории очередей, и их анализ методом вложенных цепей Маркова.//Математика, 1959, № 3.

29. Кемени Дж., Снелл Дж. Конечные цепи Маркова. М.: Наука, 1970.

30. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Мир, 1979.

31. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979.

32. Козлов В.А. Открытые информационные системы. М.: Финансы и статистика, 1999.

33. Конвей. Р.В., Максвелл В.Л., Миллер Л.В. Теория расписаний. -М.: Наука, 1975.

34. Кутненко В.В., Панфилов П.Б., Васильев E.H., Громыко A.A. Оптимизация доступа к информации диспетчерского центра в SCADA-системах // Тезисы докладов 4 научно-технического семинара «Новые информационные технологии» М., МИЭМ, 2001.

35. Кутненко В.В., Панфилов П.Б., Громыко A.A. Программное обеспечение сервера удаленного доступа к базе данных диспетчерского центра управления мобильными объектами // Тезисы докладов НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ М.: МИЭМ, 2001.

36. Кузнецов С.Д. Открытые информационные системы и стандарты: взгляд практика.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.

37. Ладыженский Г.М. Технология "клиент-сервер" и мониторы транзакций./ Открытые системы. Вып. 7. 1994

38. Ладыженский Г.М., Леонтьев В.В., Пуха Ю.В. Принципы построения распределенных информационных систем.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.

39. Лезер Н. Архитектура открытых распределенных систем. -Открытые системы, вып. 3. 1993.

40. Липаев В.В. Управление разработкой программных средств. Методы, стандарты, технология. М,: Финансы и статистика, 1993.

41. Липаев В.В., Филинов E.H. Мобильность программ и данных в открытых информационных системах. М.: Научная книга, 1997.

42. Мидзумото М. Нечеткая логика и нечеткие выводы.// Кагау, 1987.

43. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973.

44. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981.

45. Мячев A.A. Организация управляющих вычислительных комплексов. М.: Энергия, 1980.

46. Нистратов Э.В. "Умные" здания, офисы, квартиры? Далекое будущее или уже настоящее? "УралИнформатика", №5, 1997.

47. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений. А.Н. Борисов и др. М.: Радио и связь, 1989.

48. Основы автоматизации управления производственными процессами. Под ред. Овчинникова В.В. и Рякина О.М. М.: Сов. Радио. 1980.50.0сновы теории вычислительных систем. Под ред. Майорова CA. -М.: Высшая школа, 1978.

49. Организация ЭВМ и вычислительных сетей. Под. ред. проф. В.Н. Азарова- М.: МГИЭМ, Центр сетевых технологий, 1997.

50. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и микроЭВМ. М.: Энергия, 1979.

51. Панфилов П.Б., Денисов С.Г., Громыко A.A. Методические указания по проведению практических занятий по курсу «Новые информационные технологии» М.: МИЭМ, 2001.

52. Прикладные нечеткие множества. Под ред. Т. Тэрано, К. АСАМ, М. Сугано. М.: Мир, 1993.

53. Рекламные проспекты фирм с международных тематических выставок по автоматизации предприятий за 1999-2001 годы.

54. Сазонов A.A. и др. Автоматизация технологического оборудования микро электроники, М., Высшая школа, 1991.

55. Сипсер Р. Архитектура связи в распределенных системах. М.: Мир,т. 1,2. 1981.

56. Технология реализации компьютерных систем управления на базе структурно профаммируемых контроллеров: учебное пособие по курсу «Управление в технических системах». Под редакцией К.А. Пупкова.- М.: Изд-во МГТУ, 1995.

57. Функциональные стандарты в открытых системах. В 2-х т. М.: МЦНТИ, 1997.

58. Хабаров B.C., Нерода В.Я. Исследование динамики систем автоматического управления с логическими контроллерами. Проблемы машиностроения и автоматизации (международный журнал, ISSN 0234 6205) №4, 1998.

59. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. -М.: Наука, 1982.

60. Ядыкин И.Б. Принципы построения, архитектура и программные средства автоматизированных систем настройки промышленных регуляторов. Вычислительная техника и системы управления. № 1. 1990.

61. Automation Europe 98. Official Catalogue. The Conference CNIT. Paris La Defance, France, 1998.

62. Calculateurs industriels et Acquisitijn de Donntts// Advantech. Paris, France, 1998.

63. Callantine T. and Mitchell C. M. A methodology for understanding how operators use modes of automation, //Proceedings of the 1994 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics, San Antonio TX: IEEE, 1751-1756. (1994).

64. David A. The Interactive Monitoring And Control (IMAC) Design Methodology: Application And Empirical Results .//Proceedings ofthe 41 st Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomics Society, Albuquerque, NM. (1997)

65. Dunkler O., Mitchell C. M. Govindaraj Т., and Aramons J. C. The effectiveness of supervisory control strategies in flexible manufacturing systems. IEEE Transactions on Systems, Man and Cybernetics, 18(2), 223-237. (1988).

66. Endsley M. R., Kiris E. 0. The out-of-the-loop performance problem and level of control in automation.// Human Factors, 37(2), 381-394. (1995).

67. International Civil Aviation Organization (1CAO) Accident prevention manual (1st Edition). //ICAO Document Number 9422-AN/923. Montreal, CN: Author (1984).

68. Jones P. M., Chu R. W., Mitchell C. M, A methodology for human-machine systems research: Knowledge engineering, modelling, and simulation. IEEE Transactions on System, Man, and Cybernetics, SMC-25(7) (1995), 1025-1038.

69. Mamdani E.H. Application of fuzzy algorithm for control of simple dynamic plant. Proc. IEEE, vol,2, no.l2, pp 1585-1888,1974.97

70. Mitchell С. М. GT-MSOCC: Operator models, model-based displays, and intelligent aiding. In W. B. Rouse (Ed.), //Human-technology interaction in complex systems (Vol. 8, pp. 67-172) (1996). Greenwich, CT : J AI Press Inc.

71. Rubin K. S., Jones P.M. and Mitchell C. M. OFMspert: Inference of operator intentions in supervisory control using a blackboard architecture. //IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, 18(4), 618-637. (1988).

72. Sheridan T. B. Telerobotics, Automation and Human Supervisory Control. Cambridge, Massachusetts: The MIT Press. (1992).

73. Sheridan T. B. Toward a general model of supervisory control. In T. B. Sheridan and G. Johannsen (Eds.),// Monitoring behaviour and supervisory control. New York: Plenum Press. 1976. p. 271.

74. Zuboff S. In the Age of the Smart Machine The Future of Work and Power. New York: Basic Books. (1991).

75. Сервер компании PTC: WWW.rtsoft.ru

76. Сервер компании SCADA: www.scada.ru98