Алгоритмы управления распределенного электротехнического оборудования на промышленных и бытовых объектах

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.397.13

Алгоритмы управления распределенного электротехнического оборудования на промышленных и бытовых объектах

В.М. Артюшенко, В.А. Каекин

Рассмотрены алгоритмы управления электротехнического оборудования на распределенных объектах, имеющих промышленное и бытовое назначение.

The algorithms of electro technical equipment management on allocated objects of industrial and domestic purpose were considered.

Введение. Как правило, система управления каким либо промышленным или бытовым объектом представляется в виде комплекса различного рода электротехнического оборудования, создающего инфраструктуру для реализации определенного алгоритма управления. Однако это очень упрощенная модель, основанная на предположении, что все части системы управления находятся в рамках ограниченного пространства. Обычно современные системы управления имеют множество различных точек подключения электротехнических датчиков и исполнительных органов к объекту управления, разнесенных на значительные расстояния. В этом случае система управления содержит множество разделенных компонентов, приобретая вид сети состоящей из километров электронных интерфейсов. Такой разнос в пространстве диктует необходимость преобразования традиционной модели компактной системы управления в систему с распределенным алгоритмом управления.

Даже если расстояние между различными точками съема данных и управления незначительно, разделение алгоритма управления между множеством процессоров все равно будет целесообразно. Такое разделение позволяет заменить один дорогой, высокопроизводительный процессор, являющийся ядром системы, на целый ряд менее

производительных, дешевых процессоров, работающих параллельно. Это позволяет построить вычислительную среду, обладающую рядом достоинств: легкостью сопровождения, ремонта и модернизации, так как компоненты алгоритма управления, исполняемые на разных процессорах, заменяются независимо друг от друга; живуче -стью, поскольку выход из строя нескольких узлов теоретически менее разрушителен, нежели выход из строя центрального процессора; экономиче-ской эффективностью, поскольку замена одного высокопроизводительного процессора на несколько простых процессоров экономически оправдана, так как его цена возрастает гораздо быстрее, чем производительность.

Система с распределенным алгоритмом управления требует надежной связи между элементами системы. В условиях реальной эксплуатации: промышленные помехи, электростатические и магнитные наводки, температурные перепады, вибрация и др., данная задача весьма нетривиальна. Несмотря на то, что за последние десять лет разработаны различные технологии промышленной связи, такие как LonWorks (LON-технология), DeviceNet, Profibus, ArcNet, BACnet и др. [1,2], объединенные общим названием филдбас или шина данных (fieldbus, data bus), потребность в простых и надежных средствах связи между раз-

несенными в пространстве блоками системы управления весьма актуальна.

Рассмотрим и проанализируем основные концепции преобразования многомерного линейного регулятора, реализованного в виде компактного алгоритма для одного процессора, в распределенный алгоритм, исполняющийся на нескольких процессорах, объединенных LON-технологией.

LON-технология получила широкое распространение в мире автоматики зданий, а также на транспорте и в промышленной автоматизации. Она использует неиерархические, или плоские открытые сети данных, которые соединяют блоки, или узлы, построенные на базе специализированного микропроцессора Нейрон [3], обеспечивающего физический доступ к каналу связи через трансивер. Кроме того, он осуществляет встроенную реализацию сетевого протокола до одиннадцати объектов ввода/вывода для подключения датчиков и исполнительных органов разного рода, и исполняет программы пользователя, включающие в себя алгоритм управления, написанный на модификации стандартного языка C.

LON-сети используют специализированный сетевой протокол ANSI / EIA-709.11 [4] (известный ранее как протокол LonTalk), разработанный для управляющих сетей и отличающийся исключительно хорошей нагружаемостью канала, особенно отличной линейностью времени доставки пакета в условиях высокой загрузки канала связи.

Имеющиеся на российском рынке трансиверы позволяют использовать различные каналы связи: выделенные пары проводов, сети переменного тока, радиоканалы и др. Существуют устройства, позволяющие туннелировать пакеты данных LON-технологии через Интернет (TCP/IP). Проанализируем реализацию линейного многомерного управления на основе LON-технологии.

Рассмотрим простую систему управления, описываемую дискретными передаточными функциями (рис. 1). На рисунке: O(z) - дискретная передаточная матрица объекта управления; R(z) -дискретная передаточная матрица регулятора; x(z), D(z) и u(z) - z-преобразования m-мерного вектора задающих воздействий, ошибок, и измерений; y(z) - z-преобразование «-мерного вектора управлений.

Пусть в системе, изображенной на рис. 2, объект управления имеет большие физические размеры. В этом случае т датчиков обратной связи, формирующих вектор измерений и, и п исполнительных органов (ИО), генерирующих вектор управления У, расположены на значительных расстояниях друг от друга. Предположим также, что каждый компонент вектора измерений или управлений передается по отдельной паре проводов, т.е. всего в системе, изображенной на рис. 2, будет использовано т + п пар проводов.

Рис. 1. Линейная многомерная система управления

Рис. 2. Линейная многомерная система управления с дистанционными датчиками и исполнительными органами

При определенных условиях ЬОК-технология позволяет заменить эти т + п физических пар проводов на т + п виртуальных проводов, проходящих по одной физической паре (рис. 3).

В системе, изображенной на рис. 3, ЬОК-технология используется как средство, соединяющее датчики, исполнительные органы и человекомашинный интерфейс, прокладывающая множество виртуальных проводов через один физический канал связи (например, через одну пару проводов). Каждый виртуальный провод представляет собой однонаправленное логическое соединение выходной сетевой переменной (ВСП-2) с входной сетевой переменной (ВСП-1).

Все виртуальные провода «выполнены» в виде серии сетевых пакетов с данными, пересылаемыми узлом с ВСП-2 на узел с ВСП-1. Каждый пакет несет в себе обновленное значение ВСП-2, которое декодируется и записывается по адресу ВСП-1 узлом-приемником.

<Виртуальные провода*

Рис. 3. Линейная многомерная система управления, использующая LON-технологию для соединения датчиков и исполнительных органов с регулятором

Таким образом, п виртуальных проводов соединяют узел-регулятор (узел, исполняющий алгоритм управления) и узлы с исполнительными органами, реализуя соединение сетевых переменных nvo yi > nvi yi, i = 1,...,п. Другие m виртуальных проводов соединяют узлы с датчиками и узел с алгоритмом управления, реализуя соединение вида nvo ui > nvi ui, i = 1,...,m.

Имена сетевых переменных построены по методу обозначений, распространенному в мире LON-технологии. Здесь для ВСП-2 используется префикс nvo, для ВСП-1 - префикс nvi, где nv образовано от network variable, английского эквивалента термина сетевая переменная, a o и i подразумевают выход и вход (output и input).

Система, изображенная на рис. 3, представляет собой классический пример системы дистанционного управления или системы типа master/slave. Распределенного управления здесь нет, поскольку весь алгоритм управления сосредоточен в узле-регуляторе. Распределенный алгоритм требует разбиения алгоритма, реализующего оператор управления R на части, которые могли бы исполняться непосредственно на узлах с датчиками и исполнительными органами.

Вектор управления Y вычисляется как свертка оператора управления R и вектора ошибки А и может быть записан в матричной форме:

Y

или в виде эквивалентного ряда

т

У,

]=1

где /' = 1,...,п.

Каждый из п компонентов вектора управления (2) может быть вычислен на соответствующем узле-датчике, тем самым мы получаем систему с распределенным алгоритмом управления, представленную на рис. 4, где изображен распределенный алгоритм управления, состоящий из вычислений, вынесенных в основном на узлы-исполнительные органы, и частично на узлы-датчики. Здесь каждый датчик объединен с суммирующим устройством, вычисляющим компонент вектора ошибки А; по задающему воздействию XI и измерению и,.

зующая ЬОК-технологию для соединения частей распределенного алгоритма управления

Каждый узел-датчик соединен с человекомашинным интерфейсом виртуальным проводом пуо хх > пу1 х, реализующим соединение один к одному. Каждый узел-датчик соединен также со всеми узлами-исполнительными органами виртуальными соединениями пуо Аj > пу1 А;, каждое из которых является групповым соединением типа один ко многим. Каждый узел-исполнительный орган генерирует соответствующий компонент вектора управлений У, на основе всех т компо-

нентов вектора ошибки Aj в соответствии с формулой (2).

Теоретически возможно множество вариаций алгоритма управления, занимающих промежуточное положение между предельными случаями, изображенными на рис. 3 и 4. Например, компоненты управления могут вычисляться на узлах-датчиках или частично на узлах-датчиках и частично на узлах - исполнительных органах.

Один узел может содержать одновременно несколько датчиков и исполнительных органов, если: внешних портов процессора Нейрон достаточно для подключения этих устройств; вычислительной мощности Нейрона хватает для обработки этих сигналов и выработки сигналов ошибки и управления; Нейрон и подключенный к нему трансивер способны пропускать требуемый объем информации в сеть (средний и пиковый объем данных) с учетом возросшего количества сетевых переменных в узле.

• Ценность LON-технологии для задач многомерного управления заключается не только в распределении функций управления между аппаратными компонентами-узлами, но и в создании робастной среды, активно противодействующей деградации управления при отказе отдельных узлов. Это выгодно отличает LON-систему от системы с единым централизованным процессором, способной адаптироваться к отказам отдельных периферийных устройств (датчиков и исполнительных устройств), но полностью выходящей из строя при отказе центрального процессора. LON-технология позволяет построить распределенную систему с избыточностью, где узлы постоянно оценивают работоспособность системы (например, периодически обновляя некоторую внутреннюю таблицу соединений) и принимают индивидуальные или коллективные решения об адаптации алгоритма управления в соответствии с текущим состоянием системы. Это позволяет в опреде-

ленной степени компенсировать отказ отдельных узлов и минимизировать деградацию управления в целом. Однако при использовании в системе LON-технологии необходимо всегда помнить и об соответствующих ограничениях, к которым относятся: пропускная способность канала в целом, пропускная способность отдельных узлов, конфигурация сетевых и программных буферов узла, определенные требования к топологии сети и т.д. Природа этих ограничений кроется в деталях сетевого протокола [5 - 7], а также в деталях физической и логической организации типичного LON-устройства (узла) [8].

ЛИТЕРАТУРА

1. Baker T. August 2000. «BACnet vs. LONWORKS» HPAC Engineering, vol. 72, No. 8, pp. 56, 76-78.

2. Артюшенко В.М., Шелухин Д.О. Электротехнические системы жизнеобеспечения зданий на базе технологии BACnet. Монография/Под ред. В.М. Артюшенко. ГОУВПО «МГУС». - М.: 2006.

3. Баев Б.П. Микропроцессорные системы бытовой техники. Учебник для вузов. - 2-е изд., испр. и доп.- М.: Горячая линия, Телеком, 2005.

4. Фрейдман А. Системы автоматизации зданий на базе сетей LonWorks и BACnet. // Компьютерная неделя. - М.: 2001, №16 (286).

5. Fisher D.M. July 2000. «BACnet at Work: Reexamining Our Assumptions» ASHRAE Journal, vol 42, No. 7, pp. 34-40.

6. Bushby S.T., Newman H.M.BACnet сегодня. Новые важные возможности и будущие усовершенствования. - М.: 2003. №4.

7. Tom S. BACnet - интегрирующий стандарт. - М.: 2004. №3.

8. Bushby S.T. Summer 2001. «Integrating Fire Alarm Systems with Building Automation and Control Sys-tems» Fire Protection Engineering. Issue 11, pp. 5-11.

Поступила 29. 12. 2007 г.