Способ управления технической системой с параллельным включением компьютеров управления с внешним воздействием
METHOD OF CONTROLLING THE TECHNICAL SYSTEM WITH PARALLEL INCLUSION OF CONTROL COMPUTERS WITH EXTERNAL IMPACT

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 Акциенгезельшафт. 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 перераспределений 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, которые могут иметь различающиеся технические характеристики (или классы устройств), в ситуациях, когда уровень автоматизации технической системы не предусматривает возникновение нештатных ситуаций в реализуемом технологическом процессе (или группе таковых). Данная задача достигается тем, что со стороны внешнего устройства управления формируются специализированные сигналы воздействия на компоненты, системные узлы и параллельно включенные компьютеры управления, содержащие альтернативные программные протоколы работы технической системы, которые оперативно вводятся в основной код управления. Сигналы воздействия вводятся также в группу, состоящую из трех базовых программных процедур, определяющих базовую схему взаимодействия между узлами и компонентами технической системы (1 - интеллектуального выбора управляющего устройства; 2 - ограничения, блокировки, перераспределения каналов передачи данных между компьютерами управления и подсистемами с учетом приоритетности технологического процесса; 3 - взаимодействия между группами подсистем и технологическими процессами), нацеленных на: недопущение выхода компьютеров управления из штатного состояния работы; реализацию функции оптимального перераспределения каналов передачи данных всех подсистем исходя из особенностей протекания технологического процесса в каждой из них; стабильность функционирования всех технологических процессов вне зависимости от их приоритетности.
Технический результат заключается в том, что за счет оптимизации программного алгоритма управления 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).
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором изображена функциональная схема процесса оптимизации системы управления технической системы.
Техническая система (ТС), на базе которой проводится оптимизация системы управления, содержит: два параллельно включенных компьютера управления, которые могут иметь различающиеся технические характеристики (или классы устройств) (КУ А и КУ Б); канал передачи данных (КН), содержащего группу индивидуально управляемых каналов передачи данных между каждым отдельным КУ и соотнесенными с ним подсистемами; блок подсистем (ПС), состоящий из набора самостоятельных подсистем, каждая из которых способна иметь независимый технологический процесс (или группу таковых). Управление ТС выполняется при помощи команд от внешнего компьютера оператора ПК, имеющего два независимых канала. Первый (основной) канал загружает базовый алгоритм управления и группу основных протоколов работы технической системы (выполняется в автоматическом режиме), второй (резервный) осуществляет внешнее оперативное воздействие на компоненты, системные узлы и параллельно включенные компьютеры управления в случае нештатной ситуации при протекании технологического процесса, не предусмотренного в базовом алгоритме и выполняется путем задания команд оператора к указанным узлам технической системы и программным процедурам. 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 ПС 1, ПС2, …, ПС N;
1 - программная процедура интеллектуального выбора управляющего устройства;
2 - программная процедура ограничения, блокировки, перераспределения каналов передачи данных между компьютерами управления и подсистемами с учетом приоритетности технологического процесса;
3 - программная процедура взаимодействия между группами подсистем и технологическими процессами.
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 котором 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 ограничения, блокировки, перераспределения каналов передачи данных между компьютерами управления и подсистемами с учетом приоритетности технологического процесса. 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. Затем запускается программная процедура 3 взаимодействия между группами подсистем и технологическими процессами, определяющая стабильность функционирования подсистем и технологических процессов по анализу показателей с датчиков, расположенных в подсистемах, соотнося с базовыми параметрами, указанными в базовом алгоритме работы технической системы.
Программные процедуры 1, 2, 3 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, 2, 3 определяется базовым алгоритмом 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, не предусмотренное в базовом алгоритме, то запускается механизм внешнего воздействия путем старта резервного алгоритма работы ТС. Технические параметры оборудования и настройки программных процедур в резервном алгоритме определяются напрямую оператором, который имеет аппаратно-программный доступ к компонентам, системным узлам и параллельно включенным КУ. Оператор может изменить схему конфигурирования оборудования, реализованную в базовом алгоритме, а также изменить набор и назначение программных процедур. Технологический процесс оптимизируется при этом таким образом, чтобы сохранить в ТС уровень автоматизации, достигнутый при выполнении базового алгоритма и завершить исполнение всех технологических процессов. Впоследствии, если внешнее оперативное воздействие было отлажено, оператор может запустить исполнение ТС базового алгоритма работы заново с учетом возможного реконфигурирования КН между всеми ПС и КУ, а также ручного изменения настроек программных процедур. Кроме того, в процессе работы ТС оператор может вмешиваться в технологический процесс для добавления новых настроек в базовый алгоритм работы с учетом наблюдения за показателями оборудования. Данный прием эффективен в случае, если технологический процесс имеет сложную, нелинейную природу и не был изучен ранее.
Предложенный способ управления предусматривает возможность оперативного 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 повторить программные процедуры 1, 2, 3. 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, 2, 3. 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 отдельной 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 самый 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 базового 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 фунционирующий 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).