автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Синтез алгоритмов обработки информации с использованием виртуальных интерфейсов в составе преобразовательных элементов сети передачи данных

На правах рукописи

БУДАНОВ Алексей Николаевич

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИРТУАЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ В СОСТАВЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и

систем управления

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 НОЯ 2015

Томск —2015

005564281

005564281

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» (ТУСУР)

Научный руководитель — Дмитриев Вячеслав Михайлович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Горюнов Алексей Германович,

доктор технических наук, зав. кафедрой электромеханики и автоматики физических установок Национального исследовательского Томского политехнического университета

Модзелевский Дмитрий Евгеньевич,

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электропривода и промышленной электроники Сибирского государственного индустриального университета (г. Новокузнецк)

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный

технический университет»

Защита состоится « 10 » декабря 2015 г. В 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.268.03 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ТУСУРа по адресу: г. Томск, ул. Красноармейская, 146, а также на официальном сайте ТУСУРа

http://www.tusur.nl^'export/sites/ш.tusur.nevv/ru/science/educatioIl/dissertations

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.Д. Зыков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Сегодня трудно представить отрасль газовой промышленности без системы управления технологическими процессами (СУ), состоящей га целого набора специализированных инженерно-технических комплексов, обеспечивающих управление процессами добычи, транспортировки и переработки природного газа.

В состав инженерно-технических комплексов входит технологическая система передачи данных (ТСПД) состоящая из оборудования транспорта сигналов управления, отвечающего за надежную доставку команд от программного обеспечения СУ до программируемого логического контроллера (ПЛК) и затем к исполнительному механизму. Следовательно, надежность функционирования газотранспортной системы имеет прямую зависимость от элементов ТСПД, которая нуждается не только в качественной эксплуатации, но и требует организацию соответствующих СУ для ТСПД.

Так как современное развитие систем передачи данных стремится к глобализации, т.е. к созданию единого информационного пространства, единой унифицированной системе передачи данных и стандартов обмена информацией и внедрению новых технологий в важные сферы деятельности общества, следовательно, проблема согласования взаимодействия разнородных программ СУ с элементами ТСПД через устройства согласования интерфейсов сигнализации и протоколов, является актуальной задачей, и для газотранспортных предприятий, позволяющей обеспечить работоспособность всей вертикали СУ газотранспортной системы.

При этом увеличение количества программных средств для СУ влечет за собой рост количества устройств согласования интерфейсов (УСИ), которые образуют преобразовательное звено, являющееся дополнительным источником помех в контуре управления магистральным газопроводом, следовательно, требуется исключить УСИ из контура управления СУ, а так как данная функция согласования является необходимой для обеспечения функционирования СУ ТСПД, следовательно, реализовать её в составе элементов ТСПД в виде виртуального интерфейса.

Данный метод согласования взаимодействия оборудования передачи данных с СУ ТСПД позволит усовершенствовать его конструкцию и реализовать новые подходы к управлению объектами на основе виртуальных интерфейсов, что окажет прямое влияние на надежность функционирования каналов передачи данных, организованных, в первую очередь, для обеспечения работоспособности СУ транспортировкой газа.

В настоящее время отмечается достаточно высокий уровень развития фундаментальных исследований в области передачи данных, посвященных таким аспектам, как: проектирование систем управления, Костин А. Ю.; управление услугами Яковлев С. В.; управление нагрузкой в каналах связи Федотов А. А.; разработка многофункциональных устройств, Янчук Е. Е., определены множество стандартов, описывающих технологии управления и сами структуры

систем передачи данных. В этом направлении известны работы: Гребешкова А. Ю.; Гольдиггейн Б. С.; Самуилов К. Е.; Довгого С. А.

Однако, анализ данных источников показал, что в них недостаточно полно освещены вопросы взаимодействия оборудования передачи данных с разными типами программ СУ ТСПД, которая обладает рядом отличительных особенностей, от традиционных систем передачи данных, где оконечными устройствами являются комплексы исполнительных механизмов, предназначенных для управления газотранспортной системой.

Выделенные недостатки стали главной задачей при определении актуальности предложенной темы диссертационного исследования, основанного на теории моделирования сложных технических устройств и систем (СТУС), примененной к объектам и системам управления элементами ТСПД.

Объектом исследования является система управления технологическими объектами в газовой промышленности.

Предметом исследования являются элементы сети передачи данных, предназначенные для преобразования информации с целью организации взаимодействия между технологическим объектом и системой управления.

Цель исследования

Повышение эффективности системы управления технологическими объектами газовой промышленности путем синтеза алгоритмов преобразования данных входящих в виртуальные интерфейсы.

Задачи исследования

1. Провести сравнительный анализ существующих систем управления и характеристик устройств преобразования данных (УПД) для выявления факторов, влияющих на организацию взаимодействия между объектом управления и элементами передачи данных.

2. Выполнить синтез типовых алгоритмов преобразования входящих в виртуальный интерфейс для преобразования векторов информационных сигналов в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.

3. Разработать модели типовых элементов передачи данных, обеспечивающих взаимодействие управляемых объектов и системы управления.

4. Разработать и провести экспериментальные исследования модели системы управления технологическими объектами на основе виртуальных интерфейсов в составе элементов передачи данных.

Научная новизна

1. Выполнен синтез типовых алгоритмов преобразования данных в виртуальные интерфейсы, позволяющие произвести отображение векторов информационных сообщений в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.

2. Разработаны модели типовых преобразовательных элементов в составе сети передачи данных на основе виртуальных интерфейсов, позволяющие получить необходимый способ представления информации как для контроллеров технологических объектов, так и систем управления.

3. Построена и исследована модель системы управления на основе виртуальных интерфейсов, позволяющая организовать взаимодействие контроллеров технологических объектов и систем управления без дополнительных аппаратных устройств преобразования данных.

Теоретическая значимость

Теоретическая значимость результатов диссертационной работы заключается в совершенствовании методов повышения эффективности и эксплуатации ресурсов технологической сети передачи данных, качества обслуживания её элементов и надежности их эксплуатации в составе СУ газотранспортных и газодобывающих предприятий.

Предложенные автором, алгоритмы и компьютерные модели виртуальных интерфейсов развивают методы управления конфигурацией элементов сети передачи данных в рамках теории автоматизированного управления технологическими объектам! газовой промышленности.

Практическая значимость

1. Предложенные модели виртуальных интерфейсов позволяют обеспечить независимость объектов управления от типа коммуникационного оборудования, обеспечивающего их взаимодействие с программно-аппаратными комплексами систем управления в газовой промышленности.

2. Синтез алгоритмов преобразования в виде виртуальных интерфейсов позволяет организовать систему управления технологическими объектами независящую от технологии обработки и преобразования данных.

3. Часть предложенных алгоритмов преобразования данных в составе ВИ защищена свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, что способствует повышению конкурентоспособности устройств, преобразования, обработки и передачи данных, производимых в РФ.

4. Результаты работы внедрены в сеть диспетчерского управления технологической сетью передачи данных ООО «Газпром трансгаз Томск» в виде программного комплекса для управления волоконно-оптическими мультиплексорами, о чем свидетельствует акт внедрения.

5. Компоненты библиотеки виртуальных интерфейсов БВИ «Телеком» для среды моделирования МАРС внедрены в процесс обучения студентов кафедры моделирования и системного анализа, по дисциплине «Телекоммуникационные системы» что подтверждается актом внедрения.

Методологическая и теоретическая основа

В ходе диссертационного исследования были использованы элементы моделей и методов теории компонентных цепей, теории передачи информации, теории передачи данных, теории радиотехники и электроники.

При решешш практических задач использовались методы математического и имитационного моделирования.

В качестве инструментария для решения практических задач использовались программы: расчета параметров электрических схем Multisim, среда моделирования и автоматического расчета систем (МАРС), язык программирования С++ в среде Microsoft Visual Studio 2012, программное обеспечение Agneco

SNMPc, предназначенное для мониторинга состояния сетевых элементов и управления ими.

Защищаемые положения

1. Синтез типовых алгоритмов преобразования данных в виртуальные интерфейсы, позволяющие произвести отображение векторов информационных сообщений в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.

2. Модели типовых преобразовательных элементов в составе сети передачи данных на основе виртуальных интерфейсов, позволяющие получить необходимый способ представления информации как для контроллеров технологических объектов, так и систем управления.

3. Модель системы управления на основе виртуальных интерфейсов, позволяющая организовать взаимодействие контроллеров технологических объектов и систем управления без дополнительных аппаратных устройств преобразования данных.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгостью используемых методов моделирования СТУС, совпадением результатов имитационных испытаний с требованиями, предъявляемыми к каналам и технологической системы передачи данных. Все разрабатываемые алгоритмы автоматизированного управления конфигурацией элементов ТСПД и программные модули тестировались путем проведения циклов замкнутого моделирования в СМ МАРС.

Апробация работы и публикации

Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок докладывались и получили одобрение на:

— Молодежных, научно-практических конференциях ООО «Газпром транс-газ Томск», г. Томск, 2009, 2011, 2013 гг.;

— Международной научно-методической конференции, ТУСУР, г. Томск, 2011 г.;

— Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, ТУСУР, г. Томск, 2011 г.;

— Международный молодежный форум «Engineers of future», г. Иркутск, 2011 г.;

— Конференция ученых, руководителей, специалистов и студентов, г. Новый Уренгой, 2012 г.;

— Всероссийский конкурс «Телеком идея», г. Москва, 2012 г.;

— Новые технологии газовой промышленности. Моделирование, автоматизация и управление. РГУ нефти и газа им. Губкина г. Москва, 2013 г.;

— Конференция молодых ученых и специалистов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», г. Екатеринбург, 2012, 2013 гг.;

— Международный технологический конгресс SITOGIC, г. Горно-Алтайск, 2013 г.

— Результаты выполненных исследований и технических разработок, связанных с темой диссертации, изложены в 2 журналах, входящих в перечень ВАК, в сборниках и трудах международных конгрессов, всероссийских конференциях

опубликовано 12 печатных работ. Получены 2 авторских свидетельства на программное обеспечение Роспатент Российской Федерации.

Личный вклад автора

Постановка задач и разработка концептуальных положений диссертации выполнена совместно с научным руководителем д.т.н., профессором Дмитриевым В.М.

Автором осуществлялась: теоретическая разработка и обоснование основных идей и положений исследуемого вопроса автоматизированного управления технологической сетью передачи данных; организация и разработка алгоритмов виртуальных интерфейсов, постановка имитационных экспериментов; апробация и реализация результатов исследования. Основная алгоритмическая структура ВИ для преобразования сигналов телеуправления и телесигнализации выполнена совместно с доцентом, к.т.н. Ганджа Т.В.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности темы работы, формулируется цель и основные задачи исследования, решаемые в диссертации. Определяются научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Проблемы организации систем управления объектами в газовой промышленности» проведен анализ диссертационных исследований и литературных источников, который показал, что в составе СУ газовой промышленности присутствует СУ ТСПД, отвечающая за организацию автоматизированного управления элементами промышленной сети, а следовательно влияет на гарантированную доставку команд управления от программных комплексов СУ до программируемых логических контроллеров управляющих технологическими процессами (рис. 1).

КУ'1.1

Рисунок 1 - Технологический процесс предприятия газовой промышленности

Где: КП-ТМ — контрольный пункт телемеханики; КС — компрессорная станция; ГРС - газораспределительная станция; ГИС — газоизмерительная станция; ЛПУ МГ — линейно-производственное управление магистральным газопроводом; КЛС - кабельная линия связи; ПРС — промежуточная радиорелейная станция; УРС — узловая радиорелейная станция; ОРС — оконечная радиорелейная станция; ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи.

В данном исследовании СУ необходимо для управления такими объектами как: КП-ТМ; КС; ГРС; ГИС; ЛПУ МГ, при этом серверное оборудование, обеспечивающее функционирование программных комплексов СУ располагается в ЛПУ МГ.

Так как объекты управления находятся на достаточно удаленном расстоянии друг от друга, следовательно, для организации автоматизированного управления ими необходимо организовать промышленную сеть передачи данных, представляющую собой совокупность таких объектов как: КЛС; ПРС; УРС; ОРС; ВОЛС. При этом для организации автоматизированного управления объектами ТСПД используется соответствующая автоматизированная система управления — СУ ТСПД.

При этом определено, что в контуре управления СУ ТСПД присутствуют устройства согласования интерфейсов (УСИ), обеспечивающих взаимодействие

Где: ЛЧМГ — линейная часть магистрального газопровода; КУ — крановый узел; ИсУ — исполнительное устройство; ИзУ — измерительное устройство; УУ КУ —

устройство управления крановым узлом; УПС - устройство преобразования сигналов управления; УУ ПД - устройство управления передаче данных.

Из рисунка 2 видно, что УУ ПД образуют СУ ТСПД, при этом необходимо учитывать, что для каждого вида промышленной сети (КЛС, ВОЛС или радиосвязь) используется УУ ПД со специфическим программным обеспечением для каждого вида промышленной сети. Следовательно, предложено реализовать функции устройств согласования в виде виртуальных интерфейсов, которые интегрируются в состав устройства передачи данных (УПД) в виде программы, что влечет за собой изменение архитектуры элементов ТСПД.

На основе классического понятия интерфейса, определяющегося как совокупность унифицированных технических, программных средств и правил, обеспечивающих взаимодействие устройств, программ, между системами, а также, если интерфейс какого-либо элемента ТСПД не изменяется (стабилен, стандартизирован), что даёт возможность модифицировать сам объект, не перестраивая принципы его взаимодействия с другими объектами.

Таким образом, принцип виртуального интерфейса заключается в решении задачи взаимодействия элементов ТСПД с произвольной СУ ТСПД на основе стандартизованных интерфейсов, что позволит изменять принцип обработки передаваемой информации внутри элементов ТСПД.

На основе этого принципа сформулировано определение: Виртуальный интерфейс (ВИ) - это совокупность математической модели цифровых или аналоговых сигналов с алгоритмами кодирования взятыми с физического интерфейса, выраженная в виде компьютерной программы для микроконтроллера (рис. 3).

Рисунок 3 — Принцип виртуального интерфейса Выполнено преобразование физических интерфейсов, входящих в состав устройств согласования интерфейсов в виртуальные интерфейсы (ВИ), представляющие собой математическую модель алгоритма работы физического интерфейса, основанную на правилах первичной обработки цифровой и аналоговой информации, передаваемой через каналы промышленной сети, с целью исключения дополнительных преобразовательных элементов.

Обоснован выбор ПО среды моделирования МАРС для выполнения задач построения и тестирования: моделей виртуальных интерфейсов; каналов передачи данных организованных на основе ВИ и типовых сетевых элементов. Где в

целях проверки функционирования ВИ в части преобразования сигналов телеуправления и телесигнализащш (ТУТС) применено ПО 8>1МРс.

Во второй главе «Синтез алгоритмов преобразования в виртуальные интерфейсы» определены требования к виртуальным интерфейсам, и выделены два основополагающих типа ВИ (табл. 1):

— ВИПС: виртуальный интерфейс преобразования сигнализации, обеспечивающего функции -преобразования векторов информационных сигналов.

- ВИПД: виртуальный интерфейс передачи данных, обеспечивающего функции ^-преобразования первичных х(Г)и вторичныху(() электросигналов.

Таблица 1 - Классификация виртуальных интерфейсов

Наименование интерфейса Тип Назначение Библиотека

ВИПД ВИПС Вспом. БМК БВИ « 8

Е&М Аналоговый + +

FXS, FXO Аналоговый + +

ISDN Цифровой + +

G.703 Цифровой + +

IEEE 802.3 Цифровой + +

V.24 Цифровой + +

SNMP Цифровой + +

Фильтр помех Аналоговый + +

Генератор импульсного шума Аналоговый + +

Генератор белого шума Аналоговый + +

Генератор розового шума Аналоговый + +

Шум Аналоговый +

Источник переменного напряжения Аналоговый + +

Источник оцифрованного звука «wav» Аналоговый + +

Развязывающее устройство Аналоговый + +

Необходимость разработки вспомогательных компонентов библиотеки виртуальных интерфейсов (БВИ) заключается в организации максимального приближения моделей каналов промышленной сети к реальным условиям их эксплуатации, что позволяет выполнять тестирование работоспособности виртуальных интерфейсов в части проверки корректности алгоритмов кодирования и восстановления сигналов у (г).

Проведены исследования и выполнена разработка виртуальных интерфейсов на основе последовательности действий, организованных в виде автоматизированного алгоритма (рис. 4), позволяющего реализовать объекты заместители устройств согласования интерфейсов, входящих в контур управления СУ ТСПД на основе пяти основных этапов, влияющих на варианты и способы реализации ^-преобразовательных компонентов ВИ.

Рисунок 4 - Алгоритм разработки ВИ

1) Определил, типы сигналов х(1) и у(г), а также значения векторов I и и.

2) Определ1пь математический функционал ВИПС и ВИПД на основе принципов алгоритмов (^-преобразования.

3) Определить дополнительные параметры интерфейса, зависящие от сигнала у(1), типа канала промышленной сети (2У, 4У), а также определить необходимость источника электропитания для согласования режимов работы УПД через канал 2У пли 4У. На основании полученных результатов выполнить разработку и тестирование алгоритмов и в середе моделирования.

4) Добавление полученного ВИ в библиотеку виртуальных интерфейсов (БВИ).

В результате автоматизированной разработки ВИ определена типовая структура виртуальных интерфейсов ВИПД и ВИПС (рис. 5)

а) б

Рисунок 5 - Структура виртуальных интерфейсов: а) ВИПС; б) ВИПД При этом взаимодействие между ВИ в составе УПД выполняется по схеме, представленной на рисунке 6.

Рисунок 6 — Схема преобразования сигналов управления в элементах ТСПД Где: Порт I/O - порт ввода вывода; ПД - передача данных.

Согласно схемы взаимодействия (рис. 6) преобразование сигналов управления у О) выполняется между портами ввода/вывода №1 и №2 в составе УПД, при этом управление процессом преобразования осуществляется через ВИПС, где к каналу ПД №3 подключена СУ ТСПД. Таким образом реализована возможность гибкого автоматизированного управления каналами промышленной сети передачи данных, исключая необходимость применен™ дополнительных устройств согласования интерфейсов в виде вспомогательных аппаратных модулей, что в свою очередь определяет гибкость построения СУ на основе виртуальных интерфейсов.

В третьей главе «Постановка имитационных экспериментов для тестирования виртуальных интерфейсов» определены функциональные характеристики и произведено построение моделей аналогового и цифрового каналов промышленной сети, организованных на основе виртуальных интерфейсов, с целью проверки их алгоритмов ^-преобразования, а также работоспособности вспомогательных компонентов, которые образованы на основе случайных процессов (шумов), возникающих в каналах передачи данных. Выполнена постановка пошагового имитационного эксперимента. Доказана работоспособность, приведенных во второй главе, алгоритмов ^-преобразования виртуальных ин-

терфейсов, а также методов управления элементами ТСПД путем проведения тестирования имитационных моделей каналов передачи данных, образованных на основе ВИПД.

Выполнена разработка моделей аналогового (рис. 7) и цифрового (рис. 8) каналов связи организованных на основе макрокомпонента «РУ», вспомогательных компонентов фильтрации и искажения полезных сигналов с целью проверки их работоспособности.

TA-J

Рисунок 7 — Модель аналогового канала связи

Здесь: КТ-1..4 - контрольные точки для измерения остаточного затухания; РУ-1..4 - макрокомпонент развязывающее устройство; Fl, F2 - макрокомпонент полосовой фильтр, СЛ - соединительная линия; V — вольтметр; ES1 - источник синусоидального сигнала; WAV - источник сигнала из файла звукового формата.

Так как одним из самых распространенных вариантов использования цифрового физического интерфейса в промышленной сети передачи данных является организация взаимодействия ПЛК с оборудованием мультиплексирования, следовательно, для проведения имитационного эксперимента подготовлена схема цифрового канала связи (рис. 8).

Контрольными точками для проведения измерений на схеме (рис. 8) являются точки, к которым подключены потенциометры «U», где:

- U1 — КТ для измерения параметров принятого сигнала;

- U2, U3, U5 - КТ для измерения параметров передаваемого сигнала;

- U4 - КТ для измерения параметров цифрового сигнала ИКМ.

Здесь: ИКМ Tx/Rx - Пм/Пд цифрового канала El; ES1-3 - источники синусоидального сигнала; WAV1 - источник сигнала, записанный в файле звукового формата; White Noise n(t) - источник Белого шума; U1-4 - потенциометры.

Имитационный эксперимент для выполнения тестирования аналогового и цифрового каналов связи состоит из шести ключевых этапов:

1) Задать опорную частоту источника гармонического сигнала Е8,

кГц, при этом уровень сигнала установить +4 дБ. Выполнить измерение уровня остаточного затухания на заданной частоте /„„ в контрольных точках: «КТ-1», «КТ-2», «КТ-3».

2) Задать опорную частоту источника гармонического сигнала ЕБ, /„, = 0,8 кГц, при этом уровень сигнала установить +4 дБ. Выполнить измерение уровня остаточного затухания на заданной частоте fon в контрольных точках: «КТ-1», «КТ-2», «КТ-3».

3) Дополнить имитационную модель эксперимента источником шума для проверки работоспособности модели в приближении к реальным условиям эксплуатации канала связи. Выполнить измерение уровня остаточного затухания на частоте/„„ =0,8 кГц в контрольной точке «КТ-4».

4) Дополнить имитационную модель эксперимента источником, представляющим собой реальный сивал, записанный в файл формата «*/\уау»;

5) Дополнить имитационную модель эксперимента преобразовательным ВИ для организации управления;

6) Провести анализ полученных результатов, подготовить выводы по результатам эксперимента.

Рисунок 8 — Имитационная модель цифрового канала связи На основе плана эксперимента были получены результаты тестирования аналогового канала связи (рис. 9), подтверждающие корректность работы вспомогательного компонента «шум», а также макрокомпонентов развязывающего устройства (РУ). При этом видно изменение уровней сип ил а на каждом этапе преобразования (рис. 9а), а также определена дополнительная КТ-4 (рис. 7), на приеме у ТА-1, для измерения уровня сигнала с учетом влияния шумов (рис. 96).

Рисунок 9 — Результат тестирования модели «аналоговый канал» Где: а) сигналы в КТ-1,2 и 3, без шумов; б) сигнал в КТ «Г» с учетом шумов.

Целью проведения имитационного эксперимента «цифровой канал» является, наряду с выполнением тестирования основных узлов в КТ по остаточному затуханию, проверка работоспособности метода временного уплотнения 30-ти каналов ТЧ в цифровой канат стандарта 0.703. Согласно поставленного плана эксперимента, в данном случае можно объединить измерения, связанные с контролем остаточного затухания, выполнявшихся на этапах 1, 2 и 4, что позволит параллельно контролировать работу каждого канального интервала по остаточному затуханию.

I КТ us

it Ив ,„•« f 1 ' l' ■"> И « lib»' lilWM),nt»»«.ille W3V

.. — чи'ти'оч 1 тмин «л им » т щ >л» »miimiwim •ty.V * '''' '• '"^.«""'уч'"-

■* 1 . ' "' 8 а т ач ал вгз cs an с» <ш

Рисунок 10 - Результат тестирования модели «цифровой канал» Из приведенного рисунка 10 видна корректность работы метода временного уплотнения каналов на ВИ ИКМ Tx/Rx, что подтверждается выполненными измерениями в КТ: U1, U2, U3, U5.

Необходимо отметить, что выполнение преобразования сигналов ТУТС, выполнялось при помощи ВИ «SNMP» и «Ethernet» как для аналогового, так и цифрового каналов по схеме, представленной на рисунке 11.

При этом для цифрового интерфейса «ИКМ Rx», представленного на рисунке 8, также предусмотрен дополнительный вывод «ALM», для подключения к ВИ «SNMP». Имитационный эксперимент для двух видов каналов проводился по следующей схеме:

КЦмодели - ВИ «SNMP» - ВИ «Ethernet» — порт ввода/вывода — ПО SNMPc В ПО SNMPc, при изменении параметров макрокомпонента «Шум», зафиксированы соответствующие сообщения:

- для аналогового канала: "УПД-1: РУ-1: Порт 1: Низкий уровень";

- для цифрового канала: "УПД-1: ИКМ-Rx: Порт 1: Сигнал AIS".

Рисунок 11 — Модель взаимодействия ВИ с СУ ТСПД Где: ВИПС SNMP - ВИ для преобразования сигнализации; ВИПД Ethernet — ВИ для передачи сигналов ТУТС через сеть передачи данных.

Проведенные имитационные эксперименты подтверждают корректную работоспособность полученных на основании автоматизированного алгоритма ВИ (ИКМ Tx/Rx) и вспомогательных компонентов (wav, белый шум), а также макрокомпонентов (фильтр, развязывающее устройство, шум).

В четвертой главе «Организация систем управления объектами газовой промышленности на основе виртуальных интерфейсов» рассмотрена архитектура элементов ТСПД, разрабатываемых на основе современных микропроцессорных устройств, в состав которых входит центральный процессор и физические порты ввода/вывода информации, послужившая основой физической архитектуры предложенного УПД на основе виртуальных интерфейсов. Разработан и исследован алгоритм автоматизированного управления конфигурацией элементов ТСПД. Рассмотрено внедрение виртуального интерфейса в первичной и вторичной промышленной сети передачи данных с целью организации информационных каналов для СУ предприятий газовой промышленности. На основе алгоритмов виртуальных интерфейсов, разработано программное обеспечение для СУ ТСПД. Рассмотрена модель организации автоматизированного управления устройствами передачи данных на основе виртуальных интерфейсов, а также предложен метод организации технических совещаний на основе взаимодействия: оборудования видеоконференции, объекта упраатения для СУ предприятия газовой промышленности и виртуального интерфейса пе-

редачи данных, как спосооа для планового управления технологическими процессами на предприятиях газовой промышленности.

Для организации автоматизированного управления конфигурацией представлена структура УПД, включающего ВИ на рисунке 12, из которого видно, что основными составляющими являются модели ВИ и вспомогательные компоненты, а также процессы, обеспечивающие связи между ВИ как при преобразовании сигналов у О), так и при организации управления УПД.

Учитывая состав УПД (рис. 12) разработан алгоритм автоматизированного управления его конфигурацией и настройкой (рис. 13), где определяющим звеном являются первые три этапа связанные с разработкой схемы организации промышленной сети, определения функции УПД в составе ПМПД и определение типов ВИ.

Рисунок 12 — Состав УПД на основе ВИ

При этом обеспечена взаимосвязь данного алгоритма с алгоритмом разработки ВИ, представленного на рисунке 4, в целях обеспечения эффективности метода разработки УПД на основе ВИ, а также сделан основной акцент на применение среды моделирования МАРС для организации тестирования полученных ВИ и конфигурации УПД.

Нет т Импорт ВИ ю библиотеки «Телеком»

♦

Огределемие взаимосвязей между ВИ и портами 1/0

+

Проверка работоспособности конфигурации СЭ в среде

моделирования

Да

Рисунок 13 - Алгоритм автоматизированного управления конфигурацией УПД

ккптм-:

к АСУТП

На основе алгоритма (рис. 13) приведен пример проектирования конфигу-рашш УПД для схемы организации промышленной сети, представленной на рисунке 14, в целях предоставления услуг доступа к ПСС, к СУ ТСПД, а также к «СПД» и «СПД СТ» через шггерфейсы: G.703, Eth, V.24.

Устройств передачи данных (рис. 14) представляет собой оборудование каналообразования, для которого необходим следующий перечень ВИ:

- ИКМ Tx/Rx - 1 шт.;

- Eth-2 шт.;

- V.24- 1 шт.;

- SNMP;

- порт ввода/вывода - 8 шт.

Определив взаимосвязи между ВИ, взятыми из библиотеки «Телеком», а также назначив соответствующие порты ввода/вывода для ВИ, образуем структуру элемента ТСПД, представленного на рисунке 15.

Для удобства проверки работоспособности конфигуращш

элемента ТСПД выполнено разделение каждого преобразовательного узла на соответствующие сегменты, реализующие через виртуальные интерфейсы доступ к услугам:

- ПСС: Порт №2 — G.703 — G.703 — Порт №6;

- СУ ТСПД: Порт №2 — G.703 — SNMP — Eth — Порт №8;

- СПД: Порт №2 — G.703 — Eth — Порт №7;

- СПД СТ: Порт №2 — ВИ G.703 — ВИ V.24 —Порт №5.

Состав ВИ БВИ «Телеком»

оборудования каналообразования

Рисунок 14 - Схема организации ТСПД

Рисунок 15 — Структура элемента ТСПД

Проведенное посегментное тестирование конфигурации УПД, по методу, представленному во второй главе, подтвердило работоспособность каждого типа преобразования.

Рассмотрено внедрение УПД, состоящих из ВИ, в первичной и вторичной промышленной сети.

Для включения УПД, основанных на ВИ, в состав СУ ТСПД, предложен метод разработки соответствующих модульных приложений, которые отвечают за выполнение следующих функций:

— организации взаимодействия с УПД при необходимости выполнить команды управления;

— настройки конфигурации УПД средствами визуального программирования;

— визуального отображения информации о статусе ВИ и портов ввода/вывода, а также хранения истории и конфигурационных файлов.

При этом взаимодействие между СУ ТСПД и УПД осуществляется следующими двумя способами:

\)Мониторинг УПД: в этом случае программное обеспечение СУ получает только информационные Тгар-сообщения, которые предоставляют информацию об изменении статуса элемента ТСПД, при этом СУ, по заранее определенному алгоритму, производит либо оповещение администратора сети, либо реализацию запрограммированных функций управления, например, резервирование каналов связи.

2) Управление УПД: в этом случае администратор выполняет обращение к модулю управления элементом ТСПД, выполняющим запросы к УПД для определения статуса контролируемых параметров (конфигурация маршрутизации, статус интерфейсов, статус портов ввода/вывода и т.д.), которые отображаются на графическом интерфейсе модуля управления.

ЭВМ 1 Э8М 4

Рисунок 16 — Модель организации автоматизированного управления ТСС

Рассмотрена возможность внедрення виртуального интерфейса в среду моделирования МАРС как основу для СУ, позволяющего выполнить разбиение модели эксперимента на соответствующие модели для дополнительных ЭВМ (рис. 16), каждая из которых представляет собой совокупность ВИ, выполняющую строго определенный перечень задач. При этом связь между моделями осуществляется через виртуальный интерфейс «ЕЛ», передающий необходимые параметры «Уаг 1... 10».

Пример организации автоматизированной системы управления, представленный на рисунке 16, демонстрирует возможность организация управления вторичной промышленной сетью передачи данных, организованную для управления канатом между ГШК и СУ:

— ЭВМ 1 — Модель абонентского устройства (модем ПЛК);

- ЭВМ 2 — Модель оборудования каналообразования (мультиплексор);

- ЭВМ 3 - Модель первичного канала электросвязи организованного на основе виртуальных интерфейсов;

— ЭВМ 4 - Модель визуального управления параметрами эксперимента.

Рассмотрено применение ВИ в составе промышленной сети для управления объектами.

Разработана схема организации промышленной сети в целях предоставления услуги передачи данных для системы телемеханики, позволяющая наглядно продемонстрировать эффективность применения виртуальных интерфейсов в составе УПД.

Первичная ТСПД ______ ___________________ ___________ ______

ОРС-1 ~ ПРС-2 ПРС-3 "ПРС-4 ~ ПРС-5 0"РС-6

Рисунок 17 - Применение ВИ в составе ТСС Где: КУ - крановый узел; ПЛК — программируемый логический контроллер.

На рисунке 17 основой для организации управления газотранспортной системой является первичная сеть связи, организованная на базе: 4-х узлов промежуточных радиорелейных станщш (ПРС); 2-х оконечных радиорелейных станций (ОРС).

Пропускная способность радиорелейной линии составляет 34 Мбит/с (ЕЗ), в том числе пропускная способность оборудования каналообразования — 8 Мбит/с. Для организащш услуги СПД СТ выделяется 64 кбит/с (У.24) из скорости 2 Мбит/с (Е1). Данный тип иерархии усложняет предоставление услуги передачи данных для системы телемеханики, для управления газотранспортной системой и соответственно влечет за собой удорожание системы.

ВИ в составе сетевых элементов наглядно демонстрируют их преимущество оказывающее прямое влияние на надежность предоставления услуга передачи данных путем исключения из контура управления дополнительного телекоммуникационного оборудования.

.— Выступающий

ЛВС

Инженер стш'.ш

Сервер ВКС

Приложение

ВКС

-;-----------Диспетчер

Материалы Приложено«

презентации ВКС

ЭВМ N«7

Среда моделирования

* ^ ви

ЕЛетиеМ

Материалы презентации Контроллер

ЭВМ №3

Среда моделирования

( ви V-* 1 ЕШегпе! Л Порт в вода/выв од а

1>

ВИ ЕФегпе< ]

Рисунок 18 - Схема взаимодействия приложений При использовании ВИ в среде моделирования МАРС с оборудованием видеоконференции данный вид экспериментов позволяет выполнить организацию стола технических совещаний (рис. 18) для автоматизации управления моделью функционирования газопровода при разработке и анализе технических решений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Предложен метод разработки виртуального интерфейса на основе синтеза свойств физических портов ввода/вывода и протоколов их взаимодействия, обеспечивающий реализацию необходимого виртуального интерфейса для организащш канало передачи данных с требуемой пропускной способностью и произвольным типом интерфейса.

2. На основе виртуальных интерфейсов, входящих в состав библиотеки «Телеком», построены модели аналогового и цифрового каналов передачи данных в среде имитационного моделирования с максимальным их приближением к реальным условиям эксплуатации за счет разработки и внедрения вспомогательных компонентов, реализующих функции белого, импульсного, гармонического и мультипликативного шумов.

3. Реализованы имитационные эксперименты моделей цифрового и аналогового каналов передачи данных, которые подтверждают эффективность работы виртуальных интерфейсов полученными результатами при выполнении задач преобразования векторов информационных сигналов для обеспечения взаимодействия УПД с СУ ТСПД.

4. Предложен метод автоматизированного управления конфигурацией оборудования передачи данных, основу которых составляют виртуальные интерфейсы.

5. Предложена универсальная платформа для оборудования передачи данных, функционал которого определяется количеством портов ввода/вывода, осуществляющих передачу данных на основе алгоритма виртуального интерфейса.

6. Исходные коды алгоритмов виртуальных интерфейсов применены для разработки программных модулей, реализующих функции автоматизированного управления оборудованием первичной ТСПД.

Предложенные методы и алгоритмы развивают теорию СУ газовой промышленности и СУ ТСПД, теорию моделирования, позволяют выполнить комплексное исследование оборудования, входящего в состав ТСПД увеличивая рациональность и эффективность использования технологического оборудования для организации каналов требуемой пропускной способности.

Использование компьютерных моделей виртуальных интерфейсов позволяет снизить затраты времени и средств на разработку типовых элементов ТСПД, обеспечивает эффективность взаимодействия программно-аппаратных автоматизированных систем управления УПД.

Разработанные алгоритмы компьютерного моделирования каналов первичной и вторичной ТСПД, а также входящих в их состав управляемых объектов позволяют решать прикладные задачи в управлении технологическими процессами газовой промышленности с минимальным количеством преобразовательных устройств, а также на основе метода организации технических совещаний через организацию взаимодействия: оборудования видеоконференции, модели функционирования технологических процессов газовых предприятий и виртуального интерфейса передачи данных.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Буданов А.Н., Дмитриев В.М. Виртуальные интерфейсы для передачи мульти сервисного трафика. Инфокоммуникационные технологии. Периодиче-

с кий научно-технический и информационно-аналитический журнал. 2013. с. 2730.

2. Буданов А.Н., Дмитриев В.М. Методика организации стола технических совещаний. Доклады Томского Государственного Университета Систем Управления и Радиоэлектроники. Томск: ТУСУР, 2014. - с. 201-205.

Прочие публикации

1. Буданов А.Н. Доступ абонентов к статистике трафика АТС через WEB интерфейс. Материалы IV научно-практической конференции молодых и ученых специалистов ООО «Газпром трансгаз Томск». - Томск: Изд-во «Оптимум», 2009,-с. 178-183.

2. Буданов А.Н. Методика построения полнофункциональных моделей управления первичными и вторичными сетями связи. Современное образование: технические университеты в модернизации экономики России: материалы междунар. научн.-метод. конф., 27-28 января 2011 г., Россия, Томск. Томск, гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2011. - с. 33-34.

3. Буданов А.Н. Модель канала тональной частоты. Научная сессия ТУСУР: Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-6 мая 2011 г. - Томск: В-Спектр, 2011: В 6 частях. - Ч. 6. - с. 163-165.

4. Буданов А.Н. Построение моделей оборудования телекоммуникационных сетей. Научная сессия ТУСУР: Материалы всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 4-6 мая 2011 г. - Томск: В-Спектр, 2011: В 6 частях. - Ч. 6. - с. 163-165.

5. Буданов А.Н. Повышение эффективности систем управления оборудованием первичных и вторичных сетей связи. Конференция ученых, руководителей, специалистов и студентов в г. Новый Уренгой. Тезисы докладов. — Новый Уренгой: Ученый совет ЯНАО, 2012. С. 16.

6. Буданов А.Н. Оборудование будущего. Телеком идея. Лучший стартап-блог. littp://blog.telecomideas.ruAveb/blog-2012 (дата обращения 30.09.2013).

7. Буданов А.Н. Алгоритмы построения оборудования при исследовании и планировании телекоммуникационных сетей. Научная сессия ТУСУР 2012: Материалы Всероссийской научно-технической конференшш студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 16-18 мая 2012 г. — Томск: В-Спектр, 2012: В 5 частях.-Ч. 4.-113-117.

8. Буданов А.Н. Дмитриев В.М. Применение средств моделирования на курсах повышения квалификации электромонтеров станционного оборудования технологической связи. Современное образование: новые методы и технологии в организации образовательного процесса: материалы международной научно-методическая конференция, 31 января — 1 февраля 2013 г., Россия, Томск. — Томск: Томск. Гос. Ун-т систем упр. И радиоэлектроники, 2013.-е. 50 — 52.

9. Буданов А.Н. Централшованное управление цифровым телекоммуникационным оборудованием. Материалы VI научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современное газотранспортная отрасль: пер-

спективы, проблемы, решения», 2 тома. Том II. — Томск: «Рекламная группа «Графика». - 2013 г. - с. 165 - 169.

10. Буданов А.Н. Этапы развития и принципы объединения систем управления цифровых телекоммуникационных сетей. Новые технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи. Академия технологических наук РФ. Том 21, Москва 2013.

11. Буданов А.Н. Оргашпаши центральной системы управления телекоммуникационным оборудованием. Новые технологии газовой промышленности. Моделирование, автоматизация и управление в газовой промышленности. (X всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов) Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. Москва, 2013. с. 16.

12. Буданов А.Н. Модели цифровых интерфейсов передачи данных для оборудования телекоммуникационных сетей. Электронные средства и системы управления: Материалы докладов IX Международной практической конференции (30-31 октября 2013 г.): В 2 ч. - 4.1. - Томск: В-Спектр, 2013. - 194 с. (с. 8 -12).

Тираж 100 экз. Заказ 732. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. (3822) 533018.