Метод расчета загрузки промышленных компьютерных сетей и выбора конфигурации управляющих вычислительных систем

m

После предварительного сглаживания можно приступать к распознаванию состояний системы в задачах диагноза или прогноза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Дедков В.К., Северцев Н.А. Основные вопросы эксплуатации сложных систем. М. : Высшая школа, 1976. 405 с.

2. Инженерно-авиационная служба и эксплуатация авиационного оборудования / под ред. Е.А. Румянцева. М. : ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1970. 514 с.

3. Новицкий П.В., Зоограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Л. : Энергоатомоиздат, 1985. 246 с.

4. Рабочая книга по прогнозированию / под ред. И В. Бестужева-Лады. М. : Мысль, 1982. 430 с.

5. Современные методы идентификации систем / под ред. Эйкхоффа П. М. : Мир, 1985. 686 с.

6. Теория прогнозирования и принятия решений / под ред. Саркисяна С.А. М. : Высшая школа, 1977. 351 с.

7. Чуев Ю.В., Михайлов Ю.Б., Кузьмин В.И. Прогнозирование количественных характеристик процессов. М. : Соврадио, 1975. 400 с.

8. Ермаков А.А. К вопросу о распознавании состояний технического объекта методом последовательных процедур // Науч.-метод.. материалы по вопр. эксплуатации авиационного оборудования. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. М., 1981. С. 9-14.

9. Ермаков А.А. Многоальтернативная последовательная процедура в задачах распознавания технических состояний // Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов : тез. докл. научн.-тех. конф. Новосибирск, 1994. С.165-166.

УДК 681.518:378 Воропаева Виктория Яковлевна,

к. т. н., профессор кафедры автоматики и телекоммуникаций, Донецкий национальный технический университет, е-mail: voropayeva@meta.ua

Шапо Владлен Феликсович,

к. т. н., доцент кафедры теории автоматического управления и вычислительной техники,

Одесская национальная морская академия, е-mail: stani@te.net.ua

МЕТОД РАСЧЕТА ЗАГРУЗКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ КОМПЬЮТЕРНЫХ СЕТЕЙ И ВЫБОРА КОНФИГУРАЦИИ УПРАВЛЯЮЩИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

V. Y. Voropayeva, V. F. Shapo

METHOD OF INDUSTRIAL COMPUTER SYSTEMS UTILIZATION CALCULATING AND CONFIGURATION OF CONTROL COMPUTER SYSTEMS CHOOSING

Аннотация. Статья посвящена актуальным проблемам построения открытых систем автоматизации с обеспечением согласованного взаимодействия разнообразных конечных устройств автоматики и протоколов промышленных сетей от различных производителей.

Предложен метод расчета объема данных, передающихся по промышленной компьютерной сети, в зависимости от решаемых задач и количества промышленного оборудования. Проанализированы характеристики микроконтроллеров, являющихся основой для управляющих вычислительных систем на производстве.

Получены математические зависимости, позволяющие рассчитать объем данных, передаваемых по промышленной компьютерной сети, и ее требуемую пропускную способность. Даны рекомендации по выбору пропускной способности сегментов промышленной компьютерной сети, производительности процессоров и объема памяти микроконтроллеров при выборе конфигурации управляющих вычислительных систем в промышленных компьютерных сетях.

Предложен метод расчета объема данных, передающихся по промышленной компьютерной сети в зависимости от решаемых задач и количества промышленного оборудования, формализующий процедуру выбора сетевой технологии, пропускных способностей сегментов промышленной компьютерной сети.

Ключевые слова: промышленная сеть, fieldbus, датчик, исполнительный механизм, микроконтроллер, пропускная способность, сетевой трафик.

Abstract. The article is devoted to an actual problems of open systems automation software coordinated interaction of various endpoints automation and industrial networking protocols from various manufacturers.

A method for calculating the amount of data transmitted over a computer network in the industry depending on the task and the number of industrial equipment is proposed. Characteristics of microcontrollers which are the base of industrial computer systems are analyzed.

Mathematical dependences, which allow calculating data transferring through industrial computer network and its necessary bandwidth are obtained. Recommendations on bandwidths choosing of industrial computer network segments,

иркутским государственный университет путей сообщения

performance of processors and memory volume for configuration choosing of control computer systems in industrial computer networks are given.

The article is proposes a method for calculating the amount of data transmitted over a computer network in the industry depending on the task and the number of industrial equipment, formalizing the procedure for selecting network technology, bandwidth segments of industrial computer network.

Keywords: industrial network, fieldbus, sensor, actuator, microcontroller, bandwidth, network traffic.

Введение

Основой стабильности и развития экономики любого государства является промышленность, выпускающая широкий спектр продукции высокого качества и нужного количества. Для решения этой задачи компании-производители внедряют автоматические линии, автоматизированные системы управления производством (АСУП), автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), основываясь на передовых научных методах и технических решениях. С начала 1990-х гг. в области автоматизации многих типов производств начали активно внедрять промышленные компьютерные сети, что позволило улучшить качество продукции, увеличить её количество и решить такие задачи, которые невозможно было решить до появления цифровых технологий [1].

В настоящее время насчитывается более 50 типов промышленных сетей и протоколов передачи данных, охватываемых стандартным термином fieldbus. Наиболее известны ProfiNet, HART, Modbus, Profibus, DeviceNet, CAN, CANopen, LonWorks, FoxCom, ControlNet, SDS, Seriplex, BACnet, FIP, ASI, Industrial Ethernet, WorldFIP, Foundation Fieldbus, Interbus, BitBus и другие, но широко распространены лишь некоторые. Для обеспечения совместимости между устройствами, технологиями, протоколами передачи данных множества стандартов, версий, поколений и производителей разработан интерфейс FDT (Field Device Tool) - спецификация, описывающая стандартизованный обмен данными между устройствами и системой управления или средствами управления техническими средствами или активами (EAM, Enterprise Asset Managemet) для АСУТП [2].

FDT стандартизует коммуникационный и конфигурационный интерфейс между всеми производственными объектами и устройствами и управляющими компьютерными системами и обеспечивает общую среду для доступа к интеллектуальным возможностям устройств. Любое fieldbus-устройство можно конфигурировать, управлять им, осуществлять техническую поддержку вне зависимости от его типа, поставщика или коммуникационного протокола, используя стандартизованный пользовательский интерфейс. При этом устройства ввода-вывода могут быть расположены в диспетчерской рядом с управляю-

щими контроллерами, микропроцессорными системами и рабочими станциями, или рядом с устройствами измерения, учёта и управления на технологических объектах [3, 4].

Однако универсальный интерфейс FDT разработан недавно и малораспространен. Поэтому для построения открытых систем автоматизации, где происходит взаимодействие множества типов и моделей устройств различных производителей с использованием большого количества технологий и протоколов, актуальной является задача их выбора с учетом требований реального времени, пропускной способности сети, живучести, времени реакции на события, числа обслуживаемых устройств и иных характеристик [5, 6].

Метод расчета загрузки промышленных компьютерных сетей и определения характеристик управляющих вычислительных систем

При управлении технологическими процессами используется множество датчиков различного типа: давления, температуры, уровня, плотности вещества, расхода, влажности, радиоактивности, угла поворота, расстояния, высоты, химического состава, вязкости, движения, вибрации и т. д. Сигналы от аналоговых датчиков преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и поступают на различные управляющие микроконтроллеры (МК), микропроцессорные системы, офисные и промышленные компьютеры, объединенные различными типами офисных и промышленных компьютерных сетей. Загрузка таких сетей может быть весьма высокой, поскольку в них происходит активный обмен данными между работающим оборудованием, управляющими компьютерными и микропроцессорными системами [7].

В качестве источников и приемников управляющей информации могут выступать: SCADA-системы; HMI-системы; серверы ОРС (OLE for Process Control, основной стандарт взаимодействия между программными компонентами SCADA-систем), системы сбора и отображения информации; системы управления технологическими процессами, в т. ч. на основе промышленных стандартов. Структурная схема взаимодействия отдельных компонентов промышленной сети и офисного подразделения предприятия представлена на рис. 1.

Сбор и обработка данных на производстве

ш

Датчики движения

АЦП

Датчики расхода

> 1

АЦП

Датчики влажности Датчики высоты

> г > г

АЦП АЦП

Датчики скорости

> Г

АЦП

Мост (шлюз) АЦП к

Множество

аналоговых и цифровых датчиков различных величин

Датчики давления

^— Датчики

уровня

Датчики

<— темпера-

туры

Датчики

вязкости

Датчики рН

Датчики давления

Множество исполнительных механизмов с аналоговым и цифровым управлением

Рис. 1. Структурная схема промышленной сети

могут быть реализованы двумя путями.

В первом случае происходит обработка промежуточной управляющей вычислительной системой (ВС) всех данных от всех типов оборудования, которое работает в ближайшем окружении (несколько десятков или несколько сотен квадратных метров, в зависимости от типа производства).

Пусть необходимо обработать данные, поступающие от п датчиков, исполнительных механизмов и других устройств, которые могут быть разделены на t подтипов. При этом существует либо может быть запланировано к установке определенное количество k устройств каждого типа, так что

г

п = 2 Кп,.

1=1

Тогда объем передаваемых данных Vf и минимальная требуемая пропускная способность сети Bf составят соответственно

п

1=1 п

В/ =2 В, ,

;=1

где V - объем данных, передаваемых на управляющую вычислительную систему от i-го устройства;

В^ - пропускная способность сети, требуемая для передачи данных от ^го устройства.

Возможна ситуация, когда несколько однотипных устройств передают одинаковые объемы данных управляющей ВС и создают одинаковую нагрузку на сеть (например, несколько датчиков некоторого технологического параметра или величины опрашиваются с одинаковой частотой, а число передаваемых значений измеряемой величины совпадает). В таком случае объем передаваемых данных Vf и минимальная требуемая про-

пускная способность сети Б/ могут быть рассчитаны следующим образом:

7=1 П

Б, = £ кД ,

г=1

где к7 - число однотипных устройств 7-го типа, генерирующих одинаковый объем данных, передаваемых на управляющую ВС, и создающих одинаковую нагрузку на сеть.

Для расчета пропускной способности сети и объема передаваемых данных необходимо учесть частоту опроса интеллектуальных устройств управляющей ВС и количество значений измеряемого параметра, которое должно быть обработано (измерено). Например, частота опроса устройства составляет 5 раз в секунду, а число возможных значений измеряемой величины составляет 200. Такое количество значений может быть закодировано восемью битами (28 = 256) или одним байтом, т. е. У7 = 1 байт, тогда минимальная пропускная способность сети (требуемая скорость передачи данных) Б7 для указанного типа данных составит 5 байт/с или 40 бит/с.

Для определения степени загрузки сети и управляющей ВС при управлении конкретными технологическими параметрами (давлением, температурой и т. д.) целесообразно использовать предложенные выше соотношения для расчета соответствующих величин и визуализации полученных значений вместе и по отдельности в отдельных окнах программного интерфейса.

Во втором случае управляющая ВС обрабатывает данные только от определённых типов оборудования, которое работает в ближайшем окружении, т. е. используются промежуточные управляющие ВС для учета и обработки значений лишь одного технологического параметра. Такой подход может привести к существенному росту трафика, передаваемого по сети вместо его обработки на ближайшей управляющей ВС, а также к увеличению числа промежуточных управляющих ВС, которое будет расти пропорционально росту числа обрабатываемых параметров, и стоимости проекта.

Важным достоинством такого подхода является обеспечение более высокой живучести промышленной сети в связи с установкой большего количества управляющих ВС меньшей производительности и, соответственно, меньшей стоимости [8]. Возможное увеличение расстояний при передаче данных хотя и приводит к увеличению длины кабельных систем, но не является препятствием,

поскольку передача данных без использования повторителей возможна на расстояние в несколько десятков километров.

Промежуточные управляющие ВС могут быть объединены друг с другом и с главной управляющей ВС с использованием типовых стандартных или смешанных топологий (шина, звезда, кольцо, дерево или их комбинации). Выбор количественных характеристик технологий и протоколов передачи данных между промежуточными управляющими ВС и основной управляющей ВС может быть формализован следующим образом.

Пропускная способность Бе отдельных сегментов сети выбирается на базе рассчитанных Б/с следующим образом. Имеется q1 промышленных сетевых технологий, имеющих пропускные способности, отсортированные по возрастанию: Б = (Бь Б2, ..., Бт1, ... , Бql}. Тогда У7, ЗБ

Ь Бт1-1 <

Б/с & Бт1 > Б/с. При выборе промышленной сетевой технологии выбирается ближайшее большее значение пропускной способности, т. е. Б/с := Бт1.

Объем оперативной памяти Уе МК управляющих ВС выбирается на базе рассчитанных У/с следующим образом: имеется q2 стандартных ВС с различными возможными объемами оперативной памяти, отсортированными по возрастанию: V = {УЬ У2, ..., Ут2, ... , ^2}. Тогда У7, ЗУт2, Ут2-1 < У/с & Ут2 > У/с. При выборе управляющей ВС с требуемым объемом оперативной памяти выбирается ближайшее большее значение величины оперативной памяти, т. е. У/с := Ут2.

Тактовая частота не является единственным фактором, определяющим производительность устройства (процессора), поскольку большее влияние оказывает его архитектура. Для сравнения процессоров с близкой архитектурой может быть применена величина, равная среднему числу операций, выполняемых за единицу времени.

Формулы (1)-(6) позволяют определить основные характеристики (объемы передаваемых данных, пропускные способности сегментов сети), необходимые для оптимального выбора конфигурации управляющих ВС промышленной сети, ее технологии и количественных характеристик.

Заключение

Выполнен анализ факторов, влияющих на степень загрузки промышленных сетей передачи данных и объёмы данных, передаваемых по ним. Проанализированы характеристики микроконтроллеров, являющихся основой для управляющих вычислительных систем на производстве.

Получены математические зависимости, позволяющие рассчитать объемы передаваемых по промышленной сети данных и требуемую пропускную способность её сегментов.

m

Даны рекомендации по выбору пропускной способности сегментов промышленной компьютерной сети, производительности процессоров и объема памяти микроконтроллеров при выборе конфигурации управляющих вычислительных систем в промышленных компьютерных сетях.

Предложен метод расчета объема данных, передающихся по промышленной компьютерной сети, в зависимости от решаемых задач и количества промышленного оборудования, формализующий процедуру выбора сетевой технологии, пропускных способностей сегментов промышленной компьютерной сети.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гусев С. Краткий экскурс в историю промышленных сетей // Современные технологии автоматизации. 2000. №. 4. С. 78-84.

2. Ведьгун. Универсальная платформа // Мир автоматизации: компоненты, технологии, решения. 2008. Вып. 6. С. 14-15.

3. Майская В. Сигнальные процессоры поражают новые цели // Электроника: наука, технология, бизнес. 2006. Вып. 4. С. 50-56.

4. Зозуля Д. С. Контроллеры Axioline от Phoenix Contact - совершенство дизайна и высокая производительность // ИСУП. 2013. Вып. 5.

С. 65-66.

5. Воропаева В.Я., Шапо В.Ф. Анализ требований к серверной подсистеме при построении информационных систем предприятия // Науковi пращ Донецького нащонального техшчного ушверситету. Сер.: Обчислювальна техшка та автоматизащя. 2009. Вип. 17 (148). С. 14-21.

6. Оптимизация ресурсов и управление процессами информационного обмена в сетях АСУТП на основе полевых шин / Афонин С.И. и др. // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2011. №. 9. С. 46-49.

7. Червинский, В. В. Исследование влияния временных параметров шины РгойЬш на качество процессов управления в распределенных системах автоматизации / В.В. Червинский, В.И. Бессараб, Н.В. Жукова // Науковi пращ Донецького нащонального техшчного ушверситету. Сер.: Обчислювальна техшка та автоматизащя. 2006. Вип. 107. 208 С. 30-35.

8. Молоковский, И. А., Турупалов В.В., Игнатен-ко Е.Г. Расчет основных параметров передачи данных в сетях промышленных телекоммуникаций // Науковi пращ Донецького нащонального техшчного ушверситету. Сер.: Обчислювальна техшка та автоматизащя. 2012. Вип.22 (200). С. 115-119.

УДК 621.331:621.311.025:621.319.4 Табанаков Павел Валерьевич,

аспирант, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89041404997

ФОРМИРОВАНИЕ МАСШТАБНЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ И ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ТЯГОВЫХ РАСЧЕТОВ В ИМИТАЦИОННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ, РЕАЛИЗУЕМОМ В СРЕДЕ MATLAB

P. V. Tabanakov

FORMATION OF SCALE FACTORS AND PRESENTATION TRACTION CALCULATIONS IN SIMULATIONS, IMPLEMENTED IN MATLAB

Аннотация. При анализе работы систем электрической тяги используются различные модели - аналоговые, физические, математические, имитационные. Недостаточно высокий уровень развития универсальных цифровых вычислительных машин в прошлом не позволял выполнить имитационные модели на ПК, поэтому реализо-вывались идеи их создания на принципах физического моделирования. Существенным преимуществом физических моделей по сравнению с моделями, реализованными на ПК, является достаточно быстрое решение задач токо-распределения, какой бы сложной ни была схема системы тягового электроснабжения. Однако это преимущество по мере роста быстродействия ПК утрачено. Важной задачей при имитационном моделировании является проблема длительности машинного эксперимента при решении задач вероятностного характера. Так известны имитационные модели NORD и СИБИРЬ, первая из которых разработана во ВНИИЖТ, а вторая в МИИТ. Эти модели предполагают остановку имитационного моделирования по усмотрению исследователя. При этом не исключается ошибка в выборе продолжительности эксперимента в силу субъективной ее оценки. Использование имитационных моделей для анализа систем тягового электроснабжения продолжает ставить вопросы, требующие своего разрешения. Ряд из них решен, другие решаются, апробируются и обсуждаются через научные публикации. В настоящей статье рассматриваются задача о масштабировании параметров входных и выходных величин, которыми оперирует имитационная модель.