автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.13, диссертация на тему:Модели и алгоритмы проектирования компьютерных сетей локальной автоматики для управления теплотехническими объектами

Введение

Глава 1. Особенности построения распределенных систем диспетчерского контроля и управления теплотехническими объектами

1.1. Технико-экономические предпосылки автоматизации управления теплотехническими объектами

1.2. Контролируемые параметры в тепловых сетях

1.3. Системы диспетчерского управления и сбора данных

1.4. Современные концепции и технологии для построения компьютерных сетевых систем

1.4.1. Концепция открытых систем

1.4.2. Операционные системы Открытых Систем

1.4.3. Системы управления базами данных

1.4.4. Архитектура "клиент - сервер"

1.4.5. INTRANET - технологии

1.4.6. Телекоммуникации

1.4.7. CASE-технологии для проектирования компьютерных систем

1.4.8. Информационная безопасность

1.4.9. Правовые аспекты

1.5. Тенденции развития технических средств систем диспетчерского управления

1.6. Алгоритмы контроля и управления технологическими объектами

Проведение общегосударственной реформы жилищно-коммунального хозяйства включает, наряду со многими другими мероприятиями, перевод оплаты за доставляемое тепло на прямые расчеты с абонентами (жильцами, владельцами помещений и зданий, владельцами промышленных и прочих организаций и предприятий). Создание систем управления тепловыми сетями, предназначенных для решения этой задачи, должно учитывать существенный рост - на порядки - собираемой информации о контролируемых параметрах с учетом того, что эта информация требует документального подтверждения. Следует особо подчеркнуть, что в условиях инфляции сбор данных об экономических показателях тепловых сетей, подготовка платежных документов должны вестись оперативно, поскольку любая просрочка оборачивается потерями денежных средств.

Теплотехнические объекты, рассматриваемые в настоящей работе, представляют собой тепловые сети большого городского района (возможно, города), обеспечивающие теплом размещенные там жилые здания, производственные и другие объекты. Присущим им свойством является территориальная распределенность, вследствие чего естественным решением при построении систем управления является создание телекоммуникационных систем на основе компьютерных сетей. Перечисленные факторы обусловливают актуальность и неизбежность создания и внедрения систем управления тепловыми сетями.

Целью диссертационной работы является разработка моделей и алгоритмов анализа и проектирования распределенных систем локальной автоматики на основе компьютерных сетей для диспетчерского контроля и управления теплотехническими объектами.

Указанная цель потребовала решения следующих задач:

- анализ существующих подходов и методов исследования и проектирования систем рассматриваемого класса;

- разработка и совершенствование методов и средств математического 6 моделирования и алгоритмов проектирования распределенных систем контроля и управления в сетях теплоснабжения;

- анализ и разработка алгоритмов организации взаимодействия в компьютерных сетях диспетчерского контроля и управления технологическими объектами рассматриваемого класса;

- создание телекоммуникационной системы контроля и учета тепловой энергии для зданий и помещений на основе разработанных моделей и алгоритмов проектирования.

Основные теоретические результаты диссертационной работы получены с использованием математического аппарата системного анализа, теории массового обслуживания, дискретной математики, численных методов, имитационного моделирования.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, базируется на комплексном применении теоретических и экспериментальных методов исследования. Проверка теоретических положений, разработанных в диссертационной работе, осуществлялась с помощью компьютерного моделирования и промышленного внедрения.

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

1. Обобщены и развиты подходы к анализу и проектированию распределенных систем диспетчерского контроля и управления, создаваемых на основе сетевых и телекоммуникационных технологий;

2. Обоснованы и разработаны теоретические основы математического моделирования и проектирования распределенных систем диспетчерского контроля в сетях теплоснабжения;

3. Разработаны и исследованы алгоритмы организации взаимодействия в распределенных сетевых системах диспетчерского контроля и управления технологическими объектами рассматриваемого класса;

4. Разработано и реализовано программное обеспечение для 7 телекоммуникационной системы контроля и учета тепловой энергии для зданий и помещений.

Результаты, полученные в диссертационной работе, имеют как теоретическое, так и прикладное значение и могут найти свое применение при анализе и построении сетевых распределенных компьютерных систем контроля и управления теплотехническими объектами. Полученные результаты позволяют научно обоснованно решать задачи разработки, создания и развития систем рассматриваемого класса.

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке телекоммуникационной системы контроля и учета тепловой энергии для зданий и помещений (приложение 2), а также в учебном процессе кафедры "Вычислительных систем и сетей" МИЭМ в курсе "Управляющие вычислительные системы" (приложение 3).

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, 2000-2001 гг.), научно-методических семинарах кафедры «Вычислительные системы и сети» МИЭМ (2000-2002 гг.). По материалам диссертации опубликовано шесть работ. 8

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Обобщены и развиты подходы к анализу и проектированию распределенных систем диспетчерского контроля и управления, создаваемых на основе сетевых и телекоммуникационных технологий. Проведенный анализ технико-экономических предпосылок автоматизации распределенных теплотехнических объектов позволил обосновать её актуальность в условиях проведения общегосударственной реформы жилишдо-коммунального хозяйства; определены контролируемые параметры тепловых сетей; рассмотрены и обобщены принципы построения и тенденции развития систем диспетчерского управления и сбора данных применительно к объектам рассматриваемого класса; выполнен анализ и произведен выбор алгоритмов контроля и управления технологическими объектами, включая алгоритмы сбора данных и прямого цифрового управления технологическими объектам, позволяющие получать информацию о контролируемых и регулируемых параметров, формировать управляющие и регулирующие воздействия на исполнительные органы.

2. Обоснованы и разработаны теоретические основы математического моделирования и проектирования сетевых распределенных компьютерных систем диспетчерского контроля в сетях теплоснабжения. Основные требования к ним связаны с обеспечением заданных временных соотношений — времени ответа (т.е. реакции системы), задержек в передаче и обработке сообщений (с учетом загрузки ресурсов); их организация основывается на таких основополагающих принципах как принципы функциональной декомпозиции, топологической децентрализации и алгоритмической координации.

3. Одним из важнейших аспектов проектирования управляющих систем рассматриваемого класса является вопрос о том, как скоординировать решения отдельных функциональных задач с учетом связей между

108 территориально распределенными модулями, терминалами и контроллерами, т.е. вопрос о выборе и реализации принципов координации и организации взаимодействия при обмене данными.

4. Показано, что для описания процессов управления доступом распределенных абонентов к общему ресурсу эффективными являются математические модели в виде систем массового обслуживания специального вида - с переключаемыми очередями и конечным временем переключения, управляемым на основе заданной матрицы переключений.

5. Разработан алгоритм структурного синтеза СМО с переключением очередей; предложена и реализована модель системы диспетчерского контроля, регистрации и сигнализации параметров в виде системы массового обслуживания.

6. Разработана телекоммуникационная система, предназначенная для учета и контроля расхода теплопотребления в составе телеинформационного комплекса района большого города (на примере г. Москва). В ее состав входят: терминал аварийно-диспетчерской службы; терминалы абонентской и расчетной служб; абонентские контроллеры (стационарные и переносные); абонентские порталы; реализовано программное обеспечение для телекоммуникационной системы контроля и учета тепловой энергии для зданий и помещений.

109

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

8. Ботуз С.П. 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. Брусиловский Р.Д. Децентрализованная АСУ Ш водораспределения на базе микроЭВМ. Электронная промышленность, №11-12,1979.110

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

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

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

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

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

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

17. 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. В кн. "Информационные, коммуникационные и сетевые технологии".//Сб. трудов МИЭМ. 2001. с.23-29.

20. Громыко A.A., Королев П.Е. Математические и программное обеспечение программируемых контроллеров В кн. "Информационные, коммуникационные и сетевые технологии".// Сб. трудов МИЭМ. 2002.С.11-14.

21. Громыко A.A., Королев П.Е. Координация процессов функционирования в распределенных управляющих системах В кн. "Информационные, коммуникационные и сетевые технологии"// Сб. трудов МИЭМ. 2002.с. 37-43.1.l

22. Громыко A.A., Королев П.Е. Архитектура систем автоматизации. В кн. "Информационные, коммуникационные и сетевые технологии".// Сб. трудов МИЭМ. 2002.С. 58-64.

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. Золотарев C.B. Построение АСУ ТП на базе концепции открытых систем. -М.: Мир ПК, №1, 1998.

27. Информационное законодательство правовая база информационных процессов и информатизации //Тематический сб., т. 14, М.:ВНИИПВТИ, 1997.

28. Ицкович Э.Л. Контроль производства с помощью вычислительных машин. М.: "Энергия". 1975. 416 с.

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

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

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

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

33. Козлов В.А. Открытые информационные системы. М.: Финансы истатистика, 1999.

34. Королев П.Е., Костин М.А. Внедрение CALS технологий/Международный журнал "Проблемы машиностроения а автоматизации. (Engeneering&Automation). № 4, 2001. С.85-90.112

35. Конвей. Р.В., Максвелл В.Л., Миллер JI.B. Теория расписаний. М.: Наука, 1975.

36. 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.

37. 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.

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

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

40. Ладьшенский 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.

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

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

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

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

45. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973.113

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

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

48. Основы автоматизации управления производственными процессами. Под ред. Овчинникова В.В. и Рякина О.М. М.: Сов. Радио. 1980.

49. Основы теории вычислительных систем. Под ред. Майорова С.А. М.: Высшая школа, 1978.

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

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

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

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

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

55. Сервер компании РТС: www.rtsoft.ru

56. Сервер компании SCADA: www.scada.ru

57. Строганив Р.П. Управляющие машины и их применение. М.: "Высш. Школа". 1978. 264 с.

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

59. Функциональные стандарты в открытых системах. В 2-х т. М.: МЦНТИ, 1997.114

60. 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.

61. Хабаров B.C., Костин М.А., Королев П.Е. Современные информационные технологии в управлении предприятием. //Международный журнал "Проблемы машиностроения а автоматизации. (Engeneering &Automation). № 1,2002. С.77-79.

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

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

64. Automation Europe 98. Official Catalogue. The Conference CNIT. Paris LaDefance, France, 1998.

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

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

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

68. Mitchell С. M. 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: JAI Press Inc.

69. Зам. заведующего кафедрой ВСиС д.т.н., профессорй ОАО «Мосэнерго»1. Нейман Г.А.1. АКТ

70. О внедрении результатов диссертационной работы Королева П.Е. на тему «Методы и алгоритмы проектирования компьютерных сетей локальной автоматики для управления теплотехническимиобъектами»

71. Контроль параметров теплоносителя;2. Ведение архива данных;

72. Контроль состояния трубопроводов;

73. Передачу текущих данных с теплового пункта в РДП района ТС Мосэнерго;

74. Подготовку платежных документов на основе полученных данных для выставления счетов абонентам.

75. Под руководством автора диссертационной работы разработан типовой проект системы автоматизированного контроля изоляции трубопроводов, обеспечивающий получение информации от детекторов ППУ изоляции различных типов.

76. Типовые проектные решения внедрены в пяти проектных институтах г. Москвы: Мосэнергопроект, СПТБ РР, Каналстройпроект, Проектно-конструкгорской службе Тепловых Сетей ОАО «Мосэнерго». В настоящее время система находится в опытной эксплуатации.

77. ТЕЛЕИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ• Контроль теплопотребления и расчеты с Абонентами.• Контроль параметров Теплосети.• Контроль трубопроводов с ППУ изоляцией.телеинформационная Система контролятрубопроводов с ппу изоляцией

78. Назначение. Предназначена для удаленного автоматического контроля за состоянием трубопроводов с ППУ изоляцией с длиной магистрали до 5 километров.

79. Функциональные возможности. Автоматическая передача текущего отчета в случае аварии трубопровода иди ухода параметров за допустимые пределы на удаленный терминал диспетчера.

80. Дежурный обход с терминала диспетчера контролируемых трубопроводов с ППУ изоляцией. Автоматическое ведение журналов обхода и аварий. Непрерывная работа в течении 24 часов в (упси.

81. Состав Подключаемое оборудование

82. Конгроллер удаленного доступа. • Теплосчетчик с датчиками температуры, давления,

83. Терминал аварийно-диспетчерской службы. расхода теплоносителя.• Детектор ППУ изоляции трубопроводов.

84. Технические параметры. Каналы связи.

85. Время обнаружения аварии на трубопроводе- не более 1 • Сотовый, телефонный проводной, выделенная линия,сек.

86. Время передачи сигнала «АВАРИЯ ППУ» и отчета о Опциитекущем тешюпогреблении на контролируемом # ПО терминала абонентской и расчетной служб, трубопроводе не более 1 минуты.

87. Блок-схема алгоритма работы программ дистанционного контроля параметров теплоносителя.

88. Блок-схема обобщенного алгоритма работы программ дистанционного контроля ППУ изоляции и параметров теплоносителя.

89. Блок-схема алгоритма работы программ дистанционной передачисигнала "АВАРИЯ".

90. Блок-схема алгоритма работы программ ручного запроса текущих параметров ПГОизоляции и теплоснабжения.