Способ управления технической системой с параллельным включением компьютеров управления с процедурой интеллектуального выбора управляющего устройства
METHOD OF CONTROLLING TECHNICAL SYSTEM WITH PARALLEL INCLUSION OF CONTROL COMPUTERS WITH PROCEDURE OF INTELLECTUAL SELECTION OF CONTROL DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к области автоматического управления технической системой, в которой присутствие человека-оператора по технологическим условиям ограничено или невозможно, и может быть использовано для создания интеллектуальных систем автоматического управления техническими системами, содержащих независимо управляемые подсистемы.
Известна реализация способа управления технической системой [Акиньшина Г.Н., Селифанов В.А. ФГВОУ ВПО Военный авиационный инженерный университет (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации. Способ четырехуровневого управления техническими средствами и система управления для его осуществления. Патент RU 2453894 C1, опубл. 20.06.2012], предназначенного для повышения автоматизации процессов управления в технической системе путем ввода программных процедур принятия решений. При этом предлагается иметь в составе технической системы несколько независимых компьютеров управления с разделенными каналами контроля управляемых подсистем и выполняющих в том числе процедуру диагностики состояния всех подключенных устройств.
Недостатками данного способа являются отсутствие программных функций соблюдения стабильности поведения компьютера управления (что, следовательно, исключает возможность ситуации его перегрузки со стороны управляемых узлов и последующего выхода из строя); исключение ситуации нестационарного протекания технологического процесса в управляемых подсистемах (и, следовательно, увеличении уровня потребления ресурсов компьютеров управления); отсутствие программных процедур по перераспределению нагрузки между параллельно включенными компьютерами управления; очевидна значительная временная задержка при формировании сигнала отклика от управляемой подсистемы к компьютеру управления (что обусловлено сложностью организации каналов передачи данных).
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ управления технической системой [Клейер Дитер, От Вольфганг Сименс Акциенгезелльшафт. Избыточная система автоматизации для управления техническим устройством, а также способ эксплуатации подобного типа системы автоматизации. Патент RU 2362199 C1, опубл. 17.11.2003], предназначенный для повышения автоматизации процессов управления в технической системе путем ввода двух независимых приборов автоматизации, снабженных общем блоком памяти. Таким образом, приборы автоматизации имеют непосредственный доступ к общей базе данных, и в случае неисправности главного прибора автоматизации происходит плавное переключение на резервный прибор автоматизации.
Недостатками данного способа являются отсутствие программных перераспределение каналов управления управляемыми устройствами и подсистемами между приборами автоматизации; приборы автоматизации имеют общий блок памяти, при перегрузке которого управление технической системой ограниченно, а при выходе из строя - невозможно; диагностика технической системы не предусматривает анализ состояния управляемых устройств и подсистем; не учитывается ситуация с нестационарным протеканием технологического процесса в управляемых подсистемах; не предусмотрена возможность использования в основе системы управления технической системы полнофункциональных компьютеров управления с независимым блоком памяти.
Технической задачей является оптимизация процесса управления технической системы с параллельно включенными компьютерами управления, имеющими значительно различающиеся технические характеристики (или классы устройств), путем распределения доступной вычислительной мощности между независимыми подсистемами (или их группами) с учетом протекания в них нестационарных технологических процессов. Эта задача достигается тем, что в основной код управления технической системой вводятся группа, состоящая из двух программных процедур (1 - интеллектуального выбора управляющего устройства; 2 - оценки необходимого уровня потребления вычислительных ресурсов компьютеров управления со стороны каждой отдельной подсистемы), нацеленных на недопущение выхода компьютеров управления из штатного состояния работы; мониторинг уровня потребления вычислительных ресурсов со стороны подсистем; реализацию функции оптимального перераспределения каналов передачи данных всех подсистем исходя из особенностей протекания технологического процесса в каждой из них.
Технический результат заключается в том, что за счет оптимизации программного кода управления удается повысить срок службы управляющих компьютеров и технической системы в целом, снизить число ошибок управления, связанных с перегрузкой управляющих компьютеров, а также сократить затраты на необходимость организации более сложных схем управления.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображена функциональная схема процесса оптимизация процесса управления технической системы.
Техническая система (ТС), на базе которой проводится оптимизация системы управления, содержит два параллельно включенных компьютера управления со значительно отличающимися техническими характеристиками (КУ А и КУ Б); канал передачи данных (КН) между каждым отдельным КУ и соотнесенными с ним подсистемами; блок подсистем (ПС), состоящих из набора ПС1, ПС2, …, ПСN, каждая из которых способна иметь независимый технологический процесс. Управление ТС и загрузка базового алгоритма работы в каждый КУ выполняется при помощи команд от внешнего компьютера оператора ПК. Канал обмена данными между ПК и параллельно включенными КУ А и КУ Б осуществляется через сетевой концентратор (КЦ).
На схеме (фиг. 1) обозначено:
ПК - внешний компьютер оператора;
КЦ - сетевой концентратор;
КУ А - компьютер управления №1;
КУ Б - компьютер управления №2;
КН - канал передачи данных;
ПС - блок подсистем, состоящий из набора параллельно включенных ПС1, ПС2, …, ПCN;
1 - программная процедура интеллектуального выбора управляющего устройства;
2 - программная процедура оценки необходимого уровня потребления вычислительных ресурсов компьютеров управления со стороны каждой отдельной подсистемы.
Схема оптимизации работает следующим образом.
ПК загружает в КУ А и КУ Б базовый алгоритм работы ТС, перед началом исполнения которого запускается программная процедура 1 интеллектуального выбора управляющего устройства. Первый запуск процедуры 1 позволяет формально соотнести КН всех ПС между КУ. До старта основного протокола работы ТС, каждая из ПС не менее десяти раз проходит тестирование для определения достаточного уровня потребления ресурсов КУ. Результат тестирования позволяет соотнести все КН, между включенными КУ согласно вычислительным возможностям каждого КУ и недопущения ситуаций, при которых один из КУ будет иметь большую загрузку, чем второй параллельно с ним включенный. Кроме того, исключается ситуация, при которой любой из КУ переходит в нештатный режим функционирования (например, перегрузка ОЗУ или пиковая нагрузка ЦП). После формального соотнесения КН всех ПС между КУ запускается основной алгоритм работы ТС. Программная процедура 1 запускается повторно и выполняет программное перераспределение КН всех ПС между доступными КУ с учетом запросов со стороны ПС необходимых объемов вычислительных ресурсов. Далее запускается программная процедура 2 оценки необходимого уровня потребления вычислительных ресурсов компьютеров управления со стороны каждой отдельной ПС. При этом каждая из ПС формирует отчет о состоянии протекания в ней технологического процесса вне зависимости от того, является ПС самостоятельно действующей или же объединена с другими ПС в технологическую схему. Программная процедура 2 формирует запрос о необходимости увеличения объема вычислительной мощности для функционирования отдельно взятой ПС в случае, когда все доступные ресурсы каждого из КУ уже используются, и дальнейший отбор может допустить возникновение нештатного состояния работы. В этом случае программная процедура 1 на основе оценочных данных от ПС либо выполняет запрос об увеличении ресурсов путем уменьшения объема потребления менее значимой ПС, либо формирует команды о возможном снижении скорости протекания технологического процесса в ПС аппаратными методами. Перераспределение каналов управления всеми ПС между КУ проводится из учета доступной вычислительной мощности и состояния работы КУ.
Программные процедуры 1 и 2 выполняются в течение всего периода функционировании ТС с частотой, указанной в базовом алгоритме работы, загруженном ПК перед запуском ТС. Частота выполнения диагностических процедур оценки состояния узлов ТС и программных процедур 1 и 2 определяется базовым протоколом работы ТС и может быть изменена по команде ПК. Последнее проведенное перераспределение КН всех доступных ПС между параллельно работающими КУ с учетом приоритетности технологических процессов обнуляется во время нового старта ТС.
В случае если в одной из ПС или группе таковых наблюдается нестационарное протекание технологического процесса, то благодаря программной процедуре 1, между параллельно включенными КУ может быть реорганизованы каналы управления таким образом, что сохраняется принцип равного расходования ресурсов и недопущении перехода в состояние нештатного функционирования любого из КУ. Процедура перераспределения может быть выражена в переключении КН более ресурсоемких ПС на один из КУ, а всех оставшихся (менее ресурсоемких) ПС на другой. В случае, если один из КУ в процессе функционирования ТС выходит из строя, то все КН доступными ПС переносятся на оставшийся функционирующий КУ. Аналогичная ситуация возможна при резервировании одного из КУ по команде ПК. В случае, когда ТС состоит только из одной ПС (либо остальные ПС по команде ПК ограничены или остановлены), то оба КУ могут в параллельном режиме обрабатывать данные от ПС. Если же выходит из строя одна из ПС (либо группа таковых), то потребляемые ресурсы КУ высвобождаются и могут быть использованы программной процедурой 1 для оставшихся ПС.
Если в базовом алгоритме работы ТС установлена приоритетность технологического процесса, протекающего в одной ПС (или группе таковых), то при выполнении программной процедуры 1 будет учитываться возможность освобождения к ним большего объема вычислительных ресурсов от КУ и ограничения каналов потребления в тех ПС, где технологический процесс протекает менее значимо. Ограничение может быть выражено в изменении частоты обмена данными между КУ и ПС (или группами таковых), либо в остановке работы менее значимых технологических процессов. Приоритетность технологического процесса в любой ПС (или группе таковых) может быть дополнительно введена командой ПК во время исполнения основного алгоритма работы.
Если же во время функционирования ТС выявлены ошибки выполнения запросов от одного из КУ, то программная процедура 1 формирует команды о перенесении ряда КН от ПС на второй КУ. Если же ошибки управления сохраняются и не связаны с перегрузкой КУ, то при помощи программной процедуры 1 проводится полное отключение КУ и начинаются диагностические работы по выявлению неполадок. В случае, если программные диагностические процедуры не позволяют выявить причину нестабильного поведения КУ, то он отключается в ТС, а каналы управления всеми ПС переносятся на функционирующий КУ.
Предложенный способ предусматривает возможность добавления новых КУ и ПС во время работы ТС. Если через КЦ включается один КУ путем последовательного присоединения к уже функционирующему, то последний может перенести часть каналов управления ПС на нововведенный. Если же новый КУ включается в схему параллельно к двум уже функционирующим в параллельной схеме соединения, то оператору необходимо выполнить команды инициализации устройства и провести программные процедуры 1 и 2. Аналогично может быть введена в состав ТС новая ПС или группа таковых. Однако, если в базовом алгоритме работы ТС установлена приоритетность всех уже действующих ПС, то потребление вычислительных ресурсов со стороны новых включенных ПС определятся исключительно возможностью освобождения вычислительных ресурсов от КУ при помощи программных процедур 1 и 2. В ином случае новые ПС, включенные в работу, не могут быть использованы в ТС без отмены приоритета технологического процесса одной или нескольких ранее действующих ПС дополнительной командой оператора.
В основе способа лежит принцип обеспечения штатного состояния работы всех используемых в системе КУ. Под штатным состоянием КУ понимается функционирование устройства не в пиковом режиме нагрузки на ЦП. Как правило, производитель КУ оценивает срок службы в машинных часах именно в штатном состоянии работы устройства. При этом каждая из ПС не ограничена в потреблении ресурсов каждого из КУ до тех пор, пока любой из них работает в штатном состоянии. Способ не предусматривает обязательный перенос всех каналов управления на более высокопроизводительный КУ. Программная процедура 2 проводит оценку сложности выполнения технологического процесса в каждой ПС и распределяет их согласно техническим возможностям КУ и доступности вычислительных ресурсов, соблюдая при этом штатное состояние работы каждого КУ и равную скорость обмена данными между ними.
При последующем запуске ТС учитывается статистика потребления вычислительных ресурсов каждого КУ. Так, на более высокопроизводительную систему распределяются ПС, имеющие более высокий уровень потребления вычислительных ресурсов. Статистика учитывает особенности протекания всех технологических процессов с учетом вектора состояния параметров каждого запуска ТС (в том числе на основе предыдущих изменений вносимых ПК в процессе исполнения алгоритма работы). Кроме того, программная процедура 1 позволяет отключать один из КУ в ряде случаев. Например, когда технологический процесс хотя бы в одной из ПС не может быть выполнен устройством с менее производительным ЦП и более низкими техническими характеристиками. Если же технологический процесс находится в установившейся фазе и опросы системы управления необходимы лишь для получения выходных данных каждой ПС, может быть отключен более производительный КУ, снижая при этом энергопотребление ТС. Под отключением одного из КУ понимается программное отсоединение всех КП ранее включенных ПС. При этом, если функционирующий КУ теряет связь с ПС или выходит из строя, то зарезервированный (ранее отключенный) КУ принимает на себя все функции контроля ТС.
Под ПС понимаются технические узлы, модули, системы с централизованным управлением от КУ. Каждая ПС способна выполнять узкоспециализированные задачи и может функционировать вне зависимости от других ПС в ТС. Под КУ понимается классическая фоннеймовская архитектура компьютера, содержащая набор базовых блоков ОЗУ, ПЗУ, ЦП. В качестве КУ может быть рассмотрена любая вычислительная система, имеющая независимый ЦП и ПЗУ. Под вычислительной мощностью КУ (производительность компьютера) понимается количественная характеристика скорости выполнения определенных операций на компьютере. Она основана на расчете количества используемых вычислительных ресурсов в КУ (оценка быстродействия ЦП и ОЗУ). Значение производительности КУ в мировой практике принято оценивать в Гигафлопсах (GFLOPS).
Проведенная оптимизация кода управления путем ввода ряда программных процедур позволяет обеспечить простоту замещения любого КУ на устройство как с большей, так и меньшей производительностью; использовать вычислительные ресурсы КУ со стороны ПС без ограничений канала передачи данных; соблюдение штатного состояния работы КУ; возможность применения функции перераспределения нагрузки и при нестационарном протекании технологического процесса в ТС.
Таким образом, благодаря применению способа оптимизации удается повысить срок службы КУ и ТС в целом; снизить число ошибок управления, связанных с перегрузкой КУ; сократить затраты на необходимость организации более сложных схем управления ТС; повысить управляемость ТС при протекании нестационарного технологического процесса в управляемых ПС; организовать сложные ТС, содержащие параллельно включенные независимые ПС (или их группы).