автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Построение и анализ многофункциональных информационно-управляющих комплексов для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами



На правах рукописи

Портнов Евгений Михайлович / х/

ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ АСУ ТП РАССРЕДОТОЧЕННЫМИ ЭНЕРГООБЪЕКТАМИ

Специальность 05.13.07 - Автоматизация технологических

процессов и производств

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-1998 г.

Работа выполнена в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете)

Научный руководитель :

доктор технических наук , профессор Дубовой Н.Д.

Официальные оппоненты :

доктор технических наук,

Герой Социалистического Труда Яковлев А.Т.

кандидат технических наук Шаронин С.Г.

Ведущая организация : НИИТМ , г. Москва

Защита диссертации состоится "_"_1998 г.

в _ часов на заседании диссертационного совета

Д.053.02.04 в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете) по адресу : 103498 , Москва , Зеленоград , МГИЭТ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИЭТ (ТУ).

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент /¿Со <-' '/Виноградов Б.Г./

Актуальность работы. Одним из основных направлений научно-технического прогресса является автоматизация практически всех сторон человеческой деятельности на основе информатизации . Поэтому было естественным появление специальных систем, отвечающих за сбор , передачу , обработку и отображение информации и управляющих технологическими процессами. Назовем такие системы информационно-управляющими комплексами (ИУК). ИУК состоят из пункта управления (ПУ) и контролируемых пунктов (КП) , собирающих информацию от датчиков , установленных на объектах контроля, обрабатывают ее и передают в двоичном виде на ПУ , где встроенным обрабатывающим центром (ОЦ) ведется управление и контроль технологическими процессами. Практически все типы устройств КП ИУК , размещенные на рассредоточенных энергообъектах, выполняют следующие основные функции :

-передачу телесигнализации (ТС) состояния двухпозицион-ных объектов контроля (имеющих два состояния "включен -выключен");

-передачу команд телеуправления (ТУ) , которые используется для подачи команд включения , отключения , переключения исполнительных механизмов (реле , выключателей, пускателей);

-передачу телеизмерений текущих значений (ТИТ) параметров (давление , температура ,ток и напряжение) технологических процессов энергообъектов;

-передачу интегральных телеизмерений (ТИИ) . В качестве источников информации для канала ТИИ обычно используются счетчики электроэнергии со встроенными генераторами импульсов , частота которых пропорциональна скорости вращения диска , т.е. потребляемой электроэнергии .

Существенный вклад в развитие теории передачи информации и построения ИУК внесли С.Е. Shanon , Bose R.C., Ray-Chaudhur D.K., Brown D.T., Peterson W.W., Gilbert E.N. , Golay M.I.E , B.A. Котельников , Г.А. Щастова , В.О. Арутюнов , К.Б. Карандеев , Ф.Е. Темников , А.В- Фремке , B.C. Малов , Г.М. Жданов .

Информационные системы для АСУ ТП, решая проблемы передачи информации по каналам связи , стоят на магистральном пути развития современной науки и техники.

Однако усложнение технологических процессов , общая информатизация общества стимулировали расширение традиционных границ применения ИУК. Сегодня они используются для контроля и управления космическими объектами , инженерным оборудованием населенных пунктов, магистральными нефте- и газопроводами , объектами городского , электрического и железнодорожного транспорта ,в водорас-пределении , мелиорации, а также для контроля за многими другими энергообъектами, рассредоточенными на большие расстояния . В процессе развития ИУК для АСУ ТП разделились на три типа:

-автоматизированные организационно - информационные комплексы (АОИК),обеспечивающие сбор , обработку и отображение информации ;

-автоматизированные системы для коммерческого учета потребления электроэнергии (АСКУЭ);

-регистраторы (осциллографы) аварийной информации (РАИ).

Внедрение ИУК в АСУ технологическими процессами сыграло огромную положительную роль . За счет автоматизации технологических процессов и производств достигается повышение эффективности и надежности управления путем введения централизованного управления и устранения трудностей , обусловленных территориальной рассредоточенно-стью объектов . Однако несмотря на несомненные достоинства ИУК, им присущ и ряд недостатков , которые особенно сильно проявляются на сложных , разветвленных энергообъектах , где контролю подлежат многие электрические и неэлектрические величины : температура , давление , массопе-ренос , ток , напряжение , активная и реактивная мощность и др. Появляются новые виды информации , требующие контроля и обработки .например, контроль радиационной и экологической ситуации . На сегодняшний день необходимо одновременное присутствие на сложных энергообъектах (АЭС,ГЭС,ТЭЦ и т.д.) трех комплексов -АОИК ,АСКУЭ и РАИ.

Для этого необходимо усложнение аппаратуры ИУК , включения в ее состав функциональных блоков , выполняющих указанные новые функции . Что приводит к возрастанию информационного потока от энергетических объектов контроля и , как следствие ,к снижению достоверности передаваемой информации , уменьшению резерва пропускной способности каналов связи и ухудшению помехоустойчивости, увеличению вероятности приема искаженного сигнала и снижению надежности работы ИУК. В результате может возникнуть аварийная ситуация , особенно опасная , например на АЭС , где под угрозу будет поставлена жизнь не только обслуживающего персонала станции , но и жителей прилегающих территорий . Негативно авария может сказаться и на экологической обстановке. В свете вышесказанного очень важным является создание единого (многофункционального) ИУК , выполняющего функции оперативного управления , регистрации аварийной информации , коммерческого учета потребления электроэнергии и , самое главное , обеспечивающего высокую достоверность информации( вероятность приема искаженной команды управления (ТУ) не должна превышать

Ю-14- и дискретных сигналов состояния оборудования (ТС) -

Ю-9), высокую пропускную способность каналов связи (при этом в обрабатывающем центре не должно быть очереди на обслуживание данных) и высокую помехоустойчивость. Можно выделить два подхода к построению многофункциональных ИУК:

-Конструкторско-технологический .основанный на объединении функциональных и программных модулей трех комплексов :АОИК , РАИ и АСКУЭ, выполняющих свои непосредственные функции , в единый многофункциональный комплекс . Очевидно , что такой подход приводит к удорожанию аппаратуры , резко повышает загруженность каналов связи , снижает их реальную пропускную способность и, как следствие, снижает эффективность ИУК в целом .

-Кибернетический .предложенный академиком Петровым Б.Н., основанный на повышении "интеллекта" функциональных модулей и расширении выполняемых ими функций . Преимущество такого подхода к построению многофункцио-

нальных ИУК перед конструкторско-технологическим определяется как хорошими техническими характеристиками ( высокая достоверность , пропускная способность, помехоустойчивость , надежность) , так и потребительскими (низкая стоимость .небольшие материало-, энерго- и трудозатраты), связанными с построением и эксплуатацией комплексов.

Актуальность проводимых исследований определяется достоинствами многофункциональных ИУК -использовании одного канала связи и общего для всех комплексов обрабатывающего центра и ряда функциональных и программных модулей . Таким образом , создание такого класса многофункциональных ИУК , основанное на кибернетическом подходе .является важной и насущной задачей.

Целью работы является теоретическое исследование проблемы построения и отыскание путей практической реализации многофункциональных информационно-управляющих комплексов для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами , созданных на основе кибернетического подхода и обеспечивающих сбор информации в нормальном и аварийном режимах работы контролируемых объектов при ограничении пропускной способности каналов связи и вычислительной мощности ОЦ.

Методы исследования . Для теоретического и практического решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: теория вероятности , теория массового обслуживания , теория очередей , дифференциальное и интегральное исчисление .

Научная новизна работы состоит в разработке новых структурных схем построения многофункциональных ИУК для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами , совмещающих каналы ввода , вывода и обработки нормальной и аварийной информации , каналы коммерческого учета потребления энергии при условии ограничения пропускной способности каналов связи и вычислительной мощности обрабатывающего центра .В процессе выполнения диссертационной работы получен ряд новых научных результатов. При этом разработаны:

- методика вычисления пропускной способности каналов ввода , вывода , обработки данных, основанная на теории очередей как в нормальном , так и в аварийном режиме ;

- способ повышения эффективности использования пропускной способности каналов управления , сигнализации и измерений;

- алгоритмы ввода информации , позволяющие существенно снизить загрузку обрабатывающего центра многофункционального ИУК;

- новый способ синхронизации работы устройств ПУ и КП, благодаря которому облегчается контроль работоспособности каналов связи при повышении достоверности приема стартовых комбинаций , по данному методу получено положительное решение о выдаче патента ;

- модифицированный рабочий цикл ИУК для исключения "последействий" искажений стартовой или стоповой кодовых комбинаций помехами в каналах связи ;

- способ увеличения эффективной скорости передачи информации;

-устройство формирования команд управления для повышения достоверности информации , по которому получено положительное решение о выдаче патента ;

-схема построения двухмагистрального внутреннего интерфейса , сочетающего звенья с последовательной и параллельной шиной данных.

Практическая значимость результатов проведенных исследований заключается в повышении достоверности информации, пропускной способности каналов связи и помехоустойчивости многофункциональных ИУК , что ,в свою очередь , способствует повышению эффективности комплексов в целом . Разработанные модифицированные функциональные модули , интерфейсы, методы повышения эффективности многофункциональных ИУК ,а также алгоритмы ввода информации в обрабатывающий центр доказывают возможность создания многофункциональных ИУК с требуемыми информационными характеристиками . Внедрение многофункциональных ИУК значительно повышает устойчивость

работы энергетических .транспортных и других объектов , уменьшает вероятность сбоев и катастроф .

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием классической теории и хорошим совпадением теоретически рассчитанных и практически полученных данных, что доказывает корректность используемой автором методологии.

Личный вклад автора . Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются создание :

- устройства формирования команд управления , в котором достигается повышение достоверности команд ТУ на 3 порядка . Новизна предложенного способа подтверждена положительным решением по заявке на получение патента ;

- устройства формирования тактовой синхронизации для многофункциональных ИУК с разными типами каналов связи. Новизна предложенного способа подтверждена положительным решением по заявке на получение патента ;

- способа повышения пропускной способности каналов ввода данных и алгоритмов ввода информации в обрабатывающий центр;

- способа увеличения эффективной скорости передачи информации по каналам связи многофункционального ИУК;

- модифицированных рабочих циклов опроса контролируемых пунктов и структурных схем внутренних интерфейсов многофункционального ИУК.

Внедрение результатов работы :

1. Модуль ввода дискретных сигналов был использован в системе оперативного управления энергообъектами ВВЦ . Испытания показали , что достоверность получаемой информации увеличивается не менее , чем на три порядка ; среднее время между сбоями увеличивается в 2.5 раза , что подтверждено актом внедрения .

2. Сформулированные на основе проведенных автором исследований рекомендации по построению функциональных модулей и межмодульных связей использованы при разработке РАИ , блоков тактовой синхронизации , блока ввода дискретных сигналов , запатентованных в России и на Украи-

не .Промышленный выпуск модулей начат в 1998 году ОАО "Промавтоматика".

3. Результаты диссертационной работы использованы при разработке предложений по реконструкции и модернизации автоматизированной системы управления объектами теплоснабжения и энергосбережения в г. Зеленограде. На защиту выносятся :

-исследования , направленные на обоснование теоретической возможности синтеза многофункционального ИУК на основе вероятностного анализа потоков информации ;

-методика вычисления на основе теории очередей пропускной способности каналов ввода , передачи, обработки данных в нормальном и в аварийном режиме;

-способы повышения эффективности использования пропускной способности каналов связи ;

-анализ условий практической реализации многофункционального ИУК для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами и его компонентов ; -способы повышения достоверности информации ; -методика эффективного заполнения пауз между рабочими циклами передачи информации ;

-алгоритмы и схемотехника построения рабочих циклов при передаче данных по каналам связи , структурные схемы функциональных модулей и межмодульных связей;

-примеры построения компонентов многофункциональных ИУК , удовлетворяющих сформулированным требованиям , результаты их внедрения и эксплуатации.

Апробация работы . Основные результаты работы были доложены на Международном семинаре по проблемам построения систем диспетчерского управления в энергетике (г. Москва , ВВЦ , 1996 г. ), Международной конференции по энергосбережению (г. Львов , 1997 г.), на научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (г. Зеленоград , 1995-1998 г.г.).

Публикации . Материалы , отражающие основное содержание диссертации , опубликованы в 18 печатных работах , а также получены три положительных решения по заявкам на патентование .

Диссертация выполнена в рамках плановой госбюджетной тематики научных исследований , проводимых в научно-исследовательской лаборатории " Управляющих информационных систем " Московского Государственного института электронной техники (технический университет) . Работа соответствует содержанию приказа № 635 "Мосэнерго" "О модернизации телемеханики в МКС с применением современных технических средств и новых технических решений" от 17.12.97 г. Работа над диссертацией проводилась в плане решения приоритетных направлений науки и техники , утвержденных Советом Министров РФ от 21.06.96 № 2727П по теме "Информационно-телекоммуникационной системы".

Структура и объем работы . Диссертация состоит, из введения, четырех глав , заключения , списка литературы и приложений .Работа содержит 212 страниц машинописного текста , в том числе 165 страниц основного текста, 37 страниц с рисунками .Список литературы включает 114 наименований. Приложение, включающее 108 страниц .брошюруется отдельно .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации , формулируются общие цели исследования , научное и практическое значение полученных результатов, рассматривается структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав .

В первой главе обзорного характера проводится анализ состояния и тенденций развития информационно-управляющих комплексов для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами . Выявлены основные достоинства и недостатки современных ИУК . Сформулированы требования к многофункциональным ИУК.

На основе проведенного анализа установлено , что наиболее перспективным является кибернетический подход к созданию многофункциональных ИУК , основанный на расширении функций , выполняемых функциональными модулями \/ повышении их "интеллекта".

Во второй главе исследуется пропускная способность ка налов ввода , вывода и обработки данных ИУК для АСУ ТГ

рассредоточенными энергообъектами , предназначенных для работы в нормальном и аварийном режимах и доказывается возможность синтеза многофункциональных ИУК .

Возможность создания многофункционального ИУК исследуется с помощью интегральной информационной модели (рис.1).Реальный информационный поток модулируется потоком "ошибок", создаваемых мешающим воздействием помех в каналах связи, сбоями, необнаруживаемые диагностическими узлами работоспособности аппаратуры и процедурами .обеспечивающими привязку данных к астрономическому времени , повышение помехоустойчивости и достоверности. Таким образом , интенсивность реального потока заявок (данных) от каналов связи оказывается существенно выше интенсивности исходного потока . Целью проводимого в данной главе теоретического анализа является принципиальная возможность создания многофункционального ИУК на основе информационной модели .Главным критерием создания многофункционального ИУК является загрузка обрабатывающего центра суммарным потоком информации (если загрузка ОЦ <1 , то возможность синтеза многофункционального ИУК будет доказана).

Для определения пропускной способности каналов связи как в нормальном , так и в аварийном режиме , была предложена разработанная автором методика , основанная на теории вероятностей очередей и массового обслуживания , дифференциальном и интегральном исчислении .

Проанализируем пропускную способность каналов ТС и ТУ. В связи с тем , что заявки каналов ТС контролируемых объектов и вывода команд ТУ исполнительных механизмов жестко коррелированны , в рассмотрение вводится объединенный канал ТС -ТУ .

регистрация

Рис. 1 Структура информационных потоков многофункционального ИУК для АСУ ТП .

Анализ пропускной способности каналов ТС-ТУ , что загрузка ОЦ данными стационарного потока незначительна .

Аварийный поток заявок канала ТС-ТУ характеризуется резким возрастанием его интенсивности , в связи с чем необходимо учитывать не только пропускную способность модулей ввода и вывода информации , но и ОЦ .

Среднее время обслуживания ОЦ одной заявки ¡-го

вида может быть выражено через сумму числа операций , затрачиваемых на отдельные компоненты программы обработки данной заявки и компоненты , общие для всех видов заявок :

л- 1

Гер, ГС-П' = '»1 'ш I I ( т,р + '"<, ) ■ (1 )

Р=1Ч=1

где /») - среднее число тактов , затрачиваемых на реализацию одной команды процедуры ввода и обработки информации ; т1р- число операций по обработке р-го сообщения ; тц -

число операций я-го компонента обработки любого вида информации .В числотч входят операции ввода признака приоритета вновь поступившей заявки , сравнения уровней приоритетов прерванной и поступившей заявок ; /,„- длительность одного рабочего такта ОЦ .

Коэффициент загрузки ОЦ обработкой заявок аварийного потока каналов ТС-ТУ (т.е. процент времени , затрачиваемого ОЦ на обработку каналов ТС-ТУ от общего времени работы ОЦ с суммарным информационным потоком) равен :

'7ав гс- [у ~ ^ав тс-гу ^ср тс-гу ■ (2)

где Кавт(>ту-максимальная скорость ввода заявок аварийного потока ТС-ТУ ; Гсртс.т>, - время ввода этого потока в ОЦ . Кав Т<>1Л, определяется из выражения :

V ~ "х (3)

гав тс-ту -т- • V I

' Трт0

где пх- максимальное число каналов ТС-ТУ , использующихся в ИУК ; т0-разрядность кода , вводимого в ОЦ ; Тр-

минимальная разрешающая способность ОЦ по обработке смежных аварийных событий .

Подставляя т0= 8 ; л, =200 ; Гр= 10 мс в (3) , получимте тс-ту =2.25.x+0.7 , где 1>х>0 определяет долю данных

ТС-ТУ , требующих обработки . Как видно , интенсивность потока заявок от каналов ТС-ТУ настолько велика , что, начиная с величин „г >0.1, в ОЦ не только не остается времени для других видов информации , но и не хватает ресурсов для обслуживания только заявок ТС-ТУ . Для того , чтобы обрабатывающий центр , ориентированный на работу в нормальном и аварийном режимах , справился с потоком аварийной ин-

формации ТС -ТУ, необходима "интеллектуализация" модуля ввода информации ТС, направленная на уменьшение интенсивности потока заявок по каналу ТС-ТУ , поступающего для обработки в ОЦ .

Предложенный автором метод "интеллектуализации" основан на введении в модуль ввода ТС буферного ОЗУ, фиксирующего :

-любые изменения состояния контролируемых объектов ;

-относительные временные сдвиги между регистрируемыми событиями (смежными изменениями состояний объектов);

-относительное время между фиксацией первого события и началом ввода зафиксированного массива данных в ОЦ .

Для "интеллектуального" модуля ввода ТС число N.dB

циклов ввода массива аварийных данных в ОЦ равно :

(log«, + log 'ав ■)

N^.^E-2, (4)

Щ

где Е- знак округления до ближайшего большего целого ; taB-длительность аварийного процесса ; ¿дискр- установленное время дискретизации смежных аварийных событий ; /и0-разрядность кода , вводимого в ОЦ ; 2- двухбайтная посылка, с помощью которой определяется временной сдвиг между началом ввода информации в ОЦ и моментом фиксации первого аварийного события.

Благодаря тому , что весь массив аварийных данных сохраняется в автономном ОЗУ модуля ввода ТС и вводится в ОЦ не в реальном времени, можно резко снизить требования к скорости ввода зарегистрированных событий в ОЦ (т.е. уменьшить загрузку ОЦ ). Тогда загрузка ОЦ аварийными

данными ТС-ТУ становится равной /7автс-ту = 1-5-10-2, что

вполне приемлемо .

Вероятностный анализ потоков каналов ТИТ , проведенный по аналогичной методике, показал , что загрузка ОЦ стационарным потоком ТИТ равна Т7сттнт=0.1 , что является недопустимо большой величиной с учетом возможной аварии .

Для обработки аварийного потока необходима "интеллектуализация" модулей ввода ТИТ . Автором предложено ввести в состав модуля ввода ТИТ буферное ОЗУ для хранения аварийных данных .Разработанный алгоритм ввода данных в ОЦ заключается в следующем :

-возникающий запрос на обслуживание заявки от канала ТИТ распространяется на весь массив данных , который необходимо ввести в ОЗУ;

-запрос воспринимается ОЦ при отсутствии запрета на прерывание;

-введенный запрос анализируется для определения его вида и приоритета;

-ОЦ возвращается к обслуживанию прерванной заявки или переходит к обслуживанию новой заявки в зависимости от уровней приоритетов заявок;

-ОЦ , начавший ввод информации по заявке от модифицированного канала ТИТ , не прекращает его до появления требования прерывания для анализа новой заявки или автоматически возвращается к вводу оставшейся части информации по ранее принятой заявке от канала ТИТ , если ввод информации был прерван ;

-обработка информации производится после завершения ввода всего массива данных.

Общая загрузка ОЦ аварийным потоком данных ТИТ состоит из трех компонентов , определяемых временами ввода : сигнала прерывания ОЦ .массива данных ТИТ ; обработки введенного массива данных ТИТ .

Относительная величина загрузки ОЦ ?7автих аварийным потоком данных может быть представлена выражением:

где /7т -число разрядов представления параметров ТИТ ; п3-число измеряемых токов и напряжений для одного присоединения цепи нагрузки ; Мпрнс-число присоединений нагрузок , контролируемых одним КП ; Г(рш- среднее время обработки одного введенного в ОЦ значения ТИТ , вычислен-

• щ •

Т

прис ср тнт

(5)

ного по (1) ; Гопр- время между смежными опросами любого

контролируемого параметра . Подставляя значения параметров : /?70=8,п2=8 , /73=6,

7опр=2 10"3с в (5), получаем _ 0-15-Мприс

7ав тпт~ г ■

ген

где уген - частота тактового генератора ОЦ (в МГц).

При /га1=20 МГц , Мпрнс = 50 получаем %вт„г =0.375, что

вполне приемлемо.

Проведем анализ пропускной способности канала ТИИ . Данные от каналов ТИИ, полученные от счетчиков электроэнергии по каналам ввода числоимпульсных сигналов , дополняются кодовыми сообщениями , которые содержат информацию о суммарном потреблении (выдаче) энергии в разных тарифных (временных) зонах , об отключении фаз нагрузки .Загрузку ОЦ данными канала ТИИ (7ТИИ) можно представить как:

Мфис, п4п5 п6 ,т т

'/ТИИ т-. V Т" Т Т )1ср ТИН ' \ ' '

^ ' опр имп 1 опр.код

где п4- разрядность накопителей числа импульсов; п5-число каналов выдачи числоимпульсных сигналов одним счетчиком (и5<4) ; и6-число разрядов кодовой посылки ; Мприс-число присоединений , эквивалентное числу счетчиков; Топр код -установленный период опроса кодовых сигналов; имп -установленный период опроса числоимпульсных сигналов ;Гсртии- среднее время обработки данных ТИИ в ОЦ ; )щ-разрядность кода , вводимого в ОЦ.

Приняв ^опр имп =180с ; ^Опркод=1800 с; п4=24 ; л5=4;

КРис=5°; "6=512; /я0=8;7сртШ1=10~3 с, получаем 77таи *0.02. Видно , что поток ТИИ незначительно загружает ОЦ .

Суммарный (близкий к предельному) поток заявок для многофункционального ИУК для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами может быть охарактеризован коэффициентом загрузки ОЦ , учитывающим : -аварийный поток заявок от объединенного канала ТС-ТУ ,

интенсивность которого равна /Дщтс.^, = 1.5-Ю-2;

-стационарный поток заявок от канала ТИТ , интенсивность которого равна ^СТТ11Т=0.1 ;

-аварийный поток заявок от канала ТИТ, интенсивность которого равна /7авт,|т= 0.375 ;

-стационарный поток заявок от канала ТИИ , интенсивность которого равна г]Т1Ш =0.02.

Таким образом, суммарный поток информации г]сум, вводимой в ОЦ .можно выразить следующей формулой :

'/сум = Пап 1С- гу + Пег тит + Пав тит + Пши ~ 0.65 . (8)

Полученное значение суммарной интенсивности информационных потоков, вводимых в ОЦ , показывает , что обрабатывающий центр полностью не загружен (<1) . Таким образов, ОЦ справится с этим потоком , при этом не возникает очереди на обработку заявок от всех каналов ИУК. Это является доказательством возможности синтеза многофункционального ИУК, выполняющего функции обработки и отображения стационарной (нормальной) информации , регистрации аварийной информации и коммерческого учета потребления электроэнергии . Необходимым условием создания многофункционального ИУК является включение в его состав вычислителя с объемом ОЗУ , не менее 3 Мбайт , и частотой тактового генератора не ниже 20 МГц.

На основе проведенного в главе анализа была разработана обобщенная структурная схема многофункционального ИУК , включающего системы АОИК , АСКУЭ и РАИ.

Третья глава посвящена поиску эффективных методов передачи информации по каналам связи многофункционального ИУК . Цель проведенного в главе анализа - обеспечить максимальное использование пропускной способности каналов связи .

Сравнительный анализ используемых протоколов передачи информации показал ,что по комплексу показателей протокол HDLC (рекомендации Х.25) обладает рядом преимуществ : простотой проведения операций кодирования и декодирования стартового кода ("флага"); возможностью передачи информационных пакетов произвольной длины ; инвариантностью к числу КП в комплексе; высокой защищенностью от помех в каналах связи , благодаря использованию циклических кодов .

В "классическом" протоколе HDLC для минимизации отрицательных последействий пропуска или ложного формирования "флага" рекомендуется паузы между рабочими циклами заполнять "флагами" .Но вероятность искажения "флага" р^,

состоящая из двух компонентов - вероятности потери и ложного приема "флага", достаточно велика. Расчет показал, что

ю-2, а это приводит к деградации основных параметров

ИУК.

Для устранения последействий искажения стартового и стопового "флага" был предложен модифицированный рабочий цикл многофункционального ИУК за счет ввода дублирующей передачи стартовой кодовой комбинации , обеспечивающий увеличение достоверности информации на 2 порядка, а эффективной скорости передачи информации на 5 % .

Чтобы улучшить использование пауз между рабочими циклами, рассмотрим принцип выполнения тактовой синхронизации (по устройству, разработанному автором диссертационной работы (рис. 2)), основанный на заполнении пауз между рабочими циклами "меандрами" (чередованием сигналов "О" и "1") , который облегчает контроль работоспособности каналов связи и приводит к увеличению скорости передачи информации по каналам связи в 1.5 раза.

-он триггер

шшертор

распределитель

15

14

С 13 ГгСЕ И

12

Э 9 С

Э 6

с я

5-ый триггер

.з-ии триггер

О 7

С

Я

И

рО1

Б 8

С

а

4-ый триггер

С 1

СЕ

Я

счетчик

Э 5 С

10

1-ый триггер

Рис.2 Структурная схема устройства тактовой синхронизации.

Для уменьшения непроизводительных временных потерь в работе ИУК и увеличения скорости передачи информации, автором разработан двухуровневый адресно-групповой метод опроса состояний КП. Состояния КП опрашиваются в специализированных циклах , которые задаются передачей от ПУ в магистральный канал связи кода режима опроса .В пределах специализированного цикла выделяются временные интервалы для "вставки" каждым КП кодов , идентифицирующих активное или пассивное состояние . Суммарный

код состояния всех КП в пределах этого же рабочего цикла вводится в ОЦ для анализа . Таким образом , за время одного рабочего цикла ОЦ ПУ получает данные по всем КП , следовательно , отпадает необходимость последовательных (в разных рабочих циклах) опросов пассивных КП .Для централизованного опроса состояний КП , подключенных радиально к КП-ретрансляторам , размещенным на магистрали , вводится второй уровень формирования сигналов путем перевода в активный режим узловых КП-ретрансляторов .

При этом среднее значение эффективной скорости ^чф ср ирсял передачи сигналов при использовании адресно-

группового метода опроса состояний КП : ^ эф ср прел.'! и 0.72 /г пд . (9)

где N - число КП (24 > /V >0) , /Т[1Д- частота передачи сигналов в предложенном методе. Благодаря адресно-групповому методу опроса состояний КП достигается существенное увеличение эффективной скорости передачи информации по сравнению с классическим методом, которая резко возрастает с ростом числа КП . Например ,для числа КП , равного 17 , эффективная скорость возрастает в 30 раз .

Четвертая глава посвящена синтезу структурных схем функциональных модулей и межмодульных связей многофункциональных ИУК для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами , в которых обеспечивается высокая достоверность данных при максимальном использовании пропускной способности каналов ввода-вывода информации .

Установим основной критерий для выбора структурных схем функциональных модулей и межмодульных связей - повышение достоверности данных , т.е. минимизацию вероятности выполнения искаженной (ложной) команды или отображения искаженных сигналов и измерений . Факторами , влияющими на достоверность данных , передаваемых по внутренней магистрали , являются : помехи , проникающие в цепи ввода-вывода адресных, управляющих или информационных сигналов ;сбои и неисправности аппаратуры и программ участка от модуля ввода до модуля передатчика .

Рассмотрим возможные пути повышения реальной достоверности :

-введение кодера в состав модуля приема информации от датчиков, а декодера в состав модуля вывода информации на исполнительные элементы или элементы отображения информации;

-применение канала информационной обратной связи ,при использовании которого в модуль ввода данных от датчиков направляется информация, полученная приемником и предназначенная для вывода , по обратному каналу ;

-использование комбинированного метода раздельного кодирования информации.

Сравнительный анализ возможных методов кодообразова-ния показал преимущества использования в модулях ввода (вывода) индивидуальных кодеров (декодеров) корреляционного биимпульсного кода с представлением каждого бита информации прямыми и инверсными сигналами , причем тип кода не должен видоизменяться по всей информационной трассе от передатчика к приемнику .

Биимпульсный код предложено дополнять циклическим кодом , кодер и декодер которого являются общими для всех модулей . Для обеспечения высокой достоверности передаваемой информации были разработаны структурные схемы модулей ввода и обработки команд ТС и ТУ , с динамическим контролем работоспособности элементов .

Оценим достигаемую предложенным комбинированным методом кодирования достоверность информации . Требуемый уровень достоверности определяется допустимой вероятностью рлоп вывода (отображения , исполнения) информации с необнаруженными искажениями , поэтому одновременно должны выполняться два условия :

- пом код. ^ ложн мт

/Ъоп^пр /V . Р^Рпр . (Ю)

где -вероятность необнаружения искажений общим декодером циклического кода ; вероятность необнаружения искажений индивидуальным декодером приемника биим-

пульсного кода ; р,,рЖН -вероятность того , что необнаруженные искажения приведут к выводу (отображению , исполнению) ложной информации (например, команд ТУ). Для принятого метода кодообразования :

„ПОМ КОД _. „2 П\_ _ /лл\

Alp PuV ~ 5 Ро dvi_dYPo< (11)

где d-кодовое расстояние для используемого циклического кода ; /75-число бит 5-го компонента рабочего цикла; w-число

бит в сообщении \р0 -вероятность искажения любого элемента сообщения . Подставив числовые значения :л5=64 ; п= 200 ; d-5 ; р0 =

10~3, получим р"рм = 5-Ю-10, и на основании (10) имеем рд01|< 5-Ю-'0, что соответствует требованиям ГОСТ . Оценить величину можно по сумме произведений

вероятностей возникновения неисправности в любом элементе рк и вероятности того , что при этом не обнаруживаются искажения информации рпск. Тогда

к

РпрЖН = I РхРти = к Рп Раек - (12)

где к -число элементов .При числе элементов к =100 и принятыми ГОСТ вероятностями рк= риск=0.5-Ю-6, полу-чимРпрЖН = 2.5-Ю-11. На основании определенного значения pi°ж", получим вероятности выполнения ложной команды ТС

-/4ожн <Ю"9и ТУ -/?;уожн<10"14, что отвечает требованиям ГОСТ.

С учетом методики обеспечения высокой достоверности данных исследуется влияние на динамические характеристики КП и ПУ (в первую очередь достоверности) выполнение межмодульных связей .Электрические и конструктивные параметры межмодульных связей регламентируются внутрен-

\

ним интерфейсом . Применяющимся в настоящее время внутренним интерфейсам присущ ряд недостатков :

-Отсутствие возможности введения системы приоритетов при опросе контроллером магистрали (КМ) заявок от функциональных модулей (ФМ) ,т.к. опрос ведется по адресам ФМ. Как следствие ,при повышении интенсивности заявок в аварийных ситуациях менее приоритетные заявки могут быть приняты к обслуживанию раньше, чем заявки более приоритетные .

-Невозможность децентрализации структуры устройства КП и ПУ путем территориального разнесения модулей . В результате удлиняются трассы от датчиков до ФМ и от ФМ до элементов отображения (ТС ,ТИТ и ТИИ) и исполнительных механизмов (ТУ) , увеличивается степень искажающего воздействия пом эх и стоимость ИУК в целом.

-Информационные возможности устройств ПУ и КП ограничиваются числом ФМ , которые могут быть размещены в объединяющем их конструктиве. Чтобы увеличить при этом информационные возможности ИУК в целом , увеличивают число каналов (ТС, ТИИ,ТИТ и ТУ) в одном ФМ , что приводит к нерациональному использованию аппаратуры ФМ для ИУК с малыми информационными возможностями.

Разработанная автором структурная схема нового двухма-гистральнного внутреннего интерфейса для разветвленных вторичных магистралей (ВИР) позволяет устранить эти недостатки . Структурная схема ВИР представлена на рис.3 . Для сопряжения каждой из внутренних магистралей (ВМ) с КМ используется индивидуальная одноразрядная шина тактов ШТ1...ШТп и общая для всех ВМ шина данных ШД .

Таким образом : -Благодаря проведенному в данной главе анализу установлено , что использование индивидуальных кодеров (декодеров) корреляционного биимпульсного кода в сочетании с общим кодером (декодером) циклического кода позволяет сочетать высокую помехозащищенность и достоверность данных .

-Представленная структурная схема ВИР обеспечивает возможность построения многофункциональных ИУК для АСУ ТП, имеющих высокую "реальную достоверность" и дос-

таточную пропускную способность для информационных потоков в нормальных и аварийных режимах работы .

.линия

связи

о ц

магистраль]_магистраль!

ШТла

ШДла

оощии

-ВМ1

ФМ1-1

ФМ1-2

ФМ1-т

ШТ1

ШИ-

ШИ

шд

оощии

ФМ2-1

ФМ2-2

ФМ2-п

ВМ'1

ФММ

ФМь2

ФMi-s

Рис. 3 Структурная схема двухмагистрального внутреннего интерфейса с разветвленной структурой вторичных магистралей

В заключении перечислены основные теоретические и практические результаты , полученные в ходе диссертационной работы .

В приложениях представлены материалы по архитектуре, техническим характеристикам .выполняемым функциям и областям применения ИУК ведущих фирм мира ; программа,тестирующая работоспособность РАИ ; описание отдельных функциональных модулей для многофункциональных ИУК , созданных с участием автора диссертацион-

ной работы и оформленных в виде заявок на патентование ; практические и экспериментальные результаты , а также документы о внедрении результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты :

1. Проанализированы основные параметры ИУК , выявлены их основные достоинства и недостатки , сформулированы требования к многофункциональным ИУК.

2. Показано , что кибернетический подход к построению многофункциональных ИУК , основанный на повышении "интеллекта" функциональных модулей и расширении выполняемых ими функций, более прогрессивен , чем конструктор-ско-технологический , основанный на объединении отдельных модулей , выполняющих только "свои" функции .

3. Разработаны :методика вычисления пропускной способности каналов ввода данных в нормальном и в аварийном режиме , основанная на теории очередей и алгоритмы ввода в обрабатывающий центр многофункционального ИУК информации от каналов ТС-ТУ и ТИТ .

4. Проведенный анализ пропускной способности каналов ТС-ТУ показал, что загрузка ОЦ при стационарном режиме работы ИУК незначительна ,а при аварийном потоке информации ТС-ТУ ОЦ не справится с его обработкой ,если доля данных ТС-ТУ в общем информационном потоке составляет более 10 %.

5. Показано , что при включении в состав модуля ввода ТС буферного ОЗУ для хранения аварийной информации и вводе информации в ОЦ многофункционального ИУК по разработанному автором алгоритму, обеспечивается увеличение пропускной способности каналов ТС-ТУ и значительное снижение загрузки ОЦ аварийным потоком данных (примерно в 5 раз).

6. Анализ пропускной способности канала ТИТ показал , что при стационарном потоке информации от канала ТИТ загрузка ОЦ составляет 10 % , что является недопустимо большой величиной с учетом возможности аварии .

7. Для увеличения пропускной способности канала ТИТ предложено в состав модуля ввода ТИТ включить буферное ОЗУ .Установлено, что при вводе аварийного потока информации от канала ТИТ в ОЦ по разработанному автором алгоритму обеспечивается снижение загрузки ОЦ до 38 % , что вполне допустимо.

8. Доказано , что загрузка обрабатывающего центра вводимым в него суммарным потоком всех видов информации не превышает допустимую (<100%). Необходимым условием создания многофункционального ИУК является включение в его состав вычислителя с объемом ОЗУ , не менее 3 Мбайт , и частотой тактового генератора не ниже 20 МГц.

9. Разработана обобщенная структурная схема многофункционального ИУК. Благодаря кибернетическому подходу к его построению .удалось уменьшить количество ОЦ , модулей ввода-вывода ТС ,ТУ,ТИТ и ТИИ , а также каналов связи , входящих в многофункциональные ИУК .

10.Разработан новый способ синхронизации работы устройств ПУ и КП, путем заполнения пауз между рабочими циклами передачей "меандров" , который облегчает контроль работоспособности каналов связи и приводит к увеличению скорости передачи информации по каналам связи в 1.5 раза .

11. Предложен модифицированный рабочий цикл ИУК за счет ввода дублирующей передачи стартовой кодовой комбинации для исключения "последействий" искажений стартовой или стоповой кодовых комбинаций помехами в канале связи, обеспечивающий увеличение достоверности информации на 2 порядка , а эффективной скорости передачи информации на 5 % .

12. Исследован и разработан способ , обеспечивающий существенное увеличение эффективной скорости передачи информации по каналам связи за счет введения специализированного рабочего цикла для централизованного опроса заявок от устройств КП. Например , для числа КП , равного 17, эффективная скорость передачи информации для предложенного способа примерно в 30 раз больше, чем для классического .

13. Разработаны структурные схемы модуля ввода и обработки команд ТС , и модуля ввода команд ТУ, обеспечивающих динамический контроль работоспособности элементов .

14. Разработаны методы биимпульсного корреляционного кодирования в каждом разработанном модуле (ТС и ТУ) и циклического кодирования в общем для них кодере , обеспечивающие достаточную защищенность телесигналов (вероятность появления искаженной команды ТС <1СГ9 ) и команд телеуправления (вероятность появления искаженной команды ТУ <КГЫ) от искажающего действия помех в каналах связи , неисправностей или сбоев в работе аппаратуры.

15. Разработана структурная схема двухмагистрального внутреннего интерфейса с последовательным режимом ввода-вывода, обеспечивающего возможность построения многофункциональных ИУК для АСУ ТП, имеющих высокую "реальную достоверность" и достаточную пропускную способность для информационных потоков в нормальных и аварийных режимах работы .

Результаты работы внедрены на следующих предприятиях:

-ОАО "Промавтоматика" . В результате теоретических исследований , проведенных в диссертационной работе, удалось снизить на 12 % нормативы запасов комплектующих изделий , уменьшить плановые затраты на НИР и ОКР по разработке нового поколения ИУК более , чем на 20 тыс. у.е., снизить среднюю стоимость одного функционального модуля ИУК на 3%;

-ЗАО Управление технической эксплуатации ГАО ВВЦ . Благодаря введению в элемент ввода дискретных сигналов автономного кодера корреляционного биимпульсного кода и формирователя относительных меток времени , предложенному автором, достоверность получаемых телесигналов увеличивается не менее , чем на 3 порядка ; среднее время между сбоями увеличивается по сравнению с используемым ранее модулем в 2.5 раза .

-МГП "Мостеплоэнерго" . Внедрение результатов диссертационной работы позволит значительно улучшить эксплута-ционные характеристики системы теплоснабжения и энергосбережения г. Зеленограда .

Проведенные в данной диссертационной работе теоретические и экспериментальные исследования показали перспективность создания многофункциональных ИУК , построенных на основе кибернетического подхода .

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

В РАБОТАХ:

1. Портнов М. Л.,Портнов Е.М."Программно-технические комплексы для контроля и управления объектами городского коммунального хозяйства", Вестник городского электрического транспорта России , -Москва ,1995 , №6 , с. 20-22.

2.Бруй И.Ю. , Портнов Е.М. "Контроль наличия переполнения на выходе программируемого цифрового фильтра ", Тезисы доклада на научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика ", - Зеленоград , 1995 - с.234.

3.Бруй И.Ю. , Портнов Е.М. "Фильтрация сигналов сдатчиков в информационных системах " , Тезисы доклада на научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика ", - Зеленоград , 1995 - с.235.

4.Лавров Г.Н. , Доронина О.М. , Портнов М.Л. , Портнов Е.М. "Система преобразования, интегрирования и накопления параметров электроэнергии "Спринт"" , Энергетик , - Москва ,1996 №12 - с. 13.

5. Портнов Е.М. "Принципы построения многофункциональных телемеханических комплексов для объектов электроэнергетики" , Тезисы доклада на научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика " , - Зеленоград, 1996- с.247.

6. Портнов Е.М., Решение о выдаче патента от 19.11.97 по заявке №96093513 от 10.09.96.Устройство для приема команд телеуправления, МПК 5 НОЗК 5/133.

7. Портнов Е.М. "Выбор методов ввода и обработки информации для построения многофункциональных телемеханических комплексов на основе вероятностного анализа потоков", Тезисы доклада на научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика ",- Зеленоград , 1996- с.248.

8. Портнов М.Л. , Только В.З. , Портнов Е.М. "Оптимизация сопряжения телекомплексов с каналами связи " , Государст-

венный Комитет Украины по вопросам науки , техники , и промышленной политики ,- Житомир, 1996 , №51.

Э.Портнов Е.М. "Состояние и тенденции развития телемеханических информационно-управляющих комплексов для АСУ ТП" , Аналитический обзор , Государственный Комитет Украины по вопросам науки , техники , и промышленной политики, -Житомир, 1996 .

Ю.Портнов Е.М., Решение о выдаче патента от 19.11.97 по заявке №96062514 от 25.06.96.Устройство тактовой синхронизации, МПК 5 НОЗК 5/133 .

И.Портнов Е.М. "Организация вычислительного ядра информационно-управляющих телекомплексов для АСУТП.", Тезисы доклада на научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика-97",- Зеленоград, 1997- с.143.

12.Портнов М.Л., Хомицкий С.В., Портнов Е.М., Смирнов С.А. "Многофункциональное интеллектуальное устройство контролируемого пункта системы телемеханики ", Энергетик , - Москва ,1997 №2 - с. 10.

13.Лавров Г.Н., Доронина О.М., Портнов М.Л., Портнов Е.М."Снижение погрешностей измерений телемеханических систем" .Энергетик , - Москва, 1997 №2 - с. 11.

14.Портнов М.Л. Портнов Е.М. "Опыт разработки и внедрения телекомплекса ТМ-323 в системах управления подстанциями Горэлектротранспорта, Вестник городского электрического транспорта России ,-Москва , 1997 ,№1-с.15.

15.Портнов Е.М., Портнов М.Л., Смирнов С.А., Хомицкий С.В.Решение о выдаче патента от 18.02.97 по заявке №96114149 от 4.11.96 .Кодоимпульсное передающее устройство, МПК 6 в08С 19/28 ю.

16.Портнов М.Л., Дубовой Н.Д., Портнов Е.М., Системотехника многофункциональных информационно-управляющих комплексов для АСУ энергообъектами , Тезисы доклада 2-ой международной научно-практической конференции "Управление энергооборудованием", -Львов , 1997 - с.212.

17.Дубовой Н.Д., Портнов М.Л..Портнов Е.М. О развитии управляющих телемеханических комплексов для АСУ энергообъектами .Энергетик , - Москва , 1997 №8 - с. 17-18.

18.Портнов Е.М "Синтез информационной модели многофункционального программно-технического комплекса для АСУ рассредоточенными энергообъектами" , Тезисы доклада на научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика -98",- Зеленоград , 1997-том 2 , с.69.

Заказ 76 Тираж 80 Объем 1.2 уч.изд.-л Отпечатано в типографии МИЭТ.