Методы и модели контроля работоспособности распределённых автоматизированных систем управления производством

Актуальность. Современные крупные системы промышленного, в том числе строительного, назначения, представляют собой сложные территориально-распределенные комплексы зданий и промышленных сооружений. В их состав могут входить административные здания, склады, лаборатории, производственные установки, различные агрегаты, транспортные подразделения. Очевидно, что автоматизированные системы управления производством (АСУП) таких промышленных объектов имеют также распределенную структуру. Кроме решения производственных задач важную роль в процессе эксплуатации промышленных и строительных объектов играет автоматизация контроля работоспособности и диагностики различных систем жизнеобеспечения. Именно отсутствие контроля за функционированием систем жизнеобеспечения привело к известным в последнее время крупным экологическим катастрофам.

В современных условиях повсеместной компьютеризации задачи организации связей в системе информационного обеспечения и управления в распределенных АСУП должны решаться с помощью использования как стандартных, так и специализированных вычислительных и технологических сетей. Технологические сети распределенной АСУП реализуют различные методы мониторинга, управления технологическими процессами, передачи разнообразной технической информации, задание значений регулируемых параметров, цифровое регулирование, изменение режимов работы промышленных установок и т. д. К сожалению, в настоящее время в число объектов мониторинга не включаются системы жизнеобеспечения зданий, промышленных и производственных сооружений. Поиск неисправностей в них осуществляется вручную, либо с помощью локальных автоматических средств.

Большинство перечисленных функций, независимо от их целевого назначения, реализуются на основе стандартных средств вычислительной техники, вследствие чего причинами неисправностей в АСУП могут являться отказы аппаратуры и ошибки в программном обеспечении сетей передачи информации между техническими средствами и объектами АСУП и устройствами систем жизнеобеспечения. Поэтому очевидно, что для оптимизации управления крупными промышленными объектами и повышения безопасности их эксплуатации необходимо использование АСУП с распределенной структурой, решающих наряду с производственными задачами вопросы диагностирования ошибок в производственных и технологических процессах, в системах жизнеобеспечения и при передаче технологической информации между объектами системы.

Цельюработы является повышение эффективности автоматизированных систем управления производством с распределенной структурой, включая устройства жизнеобеспечения, на основе разработки методов, моделей и алгоритмов контроля работоспособности и поиска неисправностей и создания автоматизированной системы тестирования и контроля.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:

1. Анализ и разработка структуры распределенной АСУП с включением в ее состав систем жизнеобеспечения через единые сети связи.

2. Организация сетей связи в распределенных АСУП предлагаемой структуры.

3. Исследование методов контроля работоспособности и диагностирования неисправностей в АСУТП и устройствах жизнеобеспечения.

4. Исследование и построение математических моделей объектов диагностирования.

5. Исследование алгоритмов поиска неисправностей и оценка корректности тестов методами имитационного моделирования.

6. Разработка автоматизированной системы контроля и диагностики в распределенной АСУП с предлагаемой структурой, методов и алгоритмов тестового программного обеспечения.

Основные положения выносимые на защиту.

1. В целях повышения их надежности функционирования сложных территориально-распределенных комплексов промышленных сооружений целесообразно обеспечить централизованный контроль всех систем жизнеобеспечения с использованием многоуровневой распределенной структуры АСУП, в которых информационные и управляющие связи реализованы в соответствии с принятыми в технологических сетях стандартами обмена сообщениями.

2. Общая структура построения многоуровневых сетей распределенной АСУП, включающей системы жизнеобеспечения, строится на основе протокола с шифрованием, позволяющий через каналы глобальной сети Интернет создавать внутреннюю технологическую сеть предприятия. При этом для управления объектами жизнеобеспечения и промышленными объектами целесообразно использовать протокол SNMP с использованием программного анализатора протоколов для технологической сети предприятия.

3. Основными принципами реализации технического диагноза и построения тестовых программ с учетом требований к технологической сети являются контроль работоспособности на основе программных методов тестирования, системно-модульный принцип построения тестов, автоматический анализ результатов контроля.

Методы исследования. Исследования выполнены с использованием методов теории автоматического управления и регулирования, алгоритмизации, имитационного моделирования, теории оптимизации, эквивалентных преобразований и верификации.

Научная новизна. Автором.

— предложена новая структура распределенных АСУП с включением в общие сети связи устройств жизнеобеспечения и единой АСУ контроля и диагностики;

— предложены методы и алгоритмы контроля работоспособности и поиска неисправностей в таких системах;

— разработаны соответствующие математические модели и программы контроля и диагностики.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием метода эквивалентных преобразований в процессе анализа, согласованностью результатов функциональных и имитационных моделей процессов работы системы, верификацией программного обеспечения. Достоверность рекомендаций и выводов диссертации подтверждена полученными актами о положительных результатах внедрения.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до создания программного комплекса, который реализован в виде переносного узла, использующегося на реальных АСУП.

Апробация работы.

Содержание разделов всей диссертации было доложено и получило одобрение:

— на семинарах кафедры АСУ в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете);

— на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» Московского государственного университета приборостроения и информатики, 2007 г.;

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований при построении ПО автоматизированной системы диагностирования представляет собой новое решение в области практической реализации АСУП с распределенной структурой.

Публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 4 статьи.

Структура и объем.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего в себя 56 наименования и приложения. Она содержит 100 страниц текста, в том числе 45 рисунков и таблиц.

4.7. Выводы.

1. .В целях повышения их надежности функционирования сложных территориально-распределенных комплексов промышленных сооружений целесообразно обеспечить централизованный контроль всех систем жизнеобеспечения с использованием многоуровневой распределенной структуры АСУП, в которых информационные и управляющие связи реализованы в соответствии с принятыми в технологических сетях стандартами обмена сообщениями.

2. Общая структура построения многоуровневых сетей распределенной АСУП, включающей системы жизнеобеспечения, строится на основе протокола с шифрованием, позволяющий через каналы глобальной сети Интернет создавать внутреннюю технологическую сеть предприятия. При этом для управления объектами жизнеобеспечения и промышленными объектами целесообразно использовать протокол SNMP с использованием программного анализатора протоколов для технологической сети предприятия.

3. Основными принципами реализации технического диагноза и построения тестовых программ с учетом требований к технологической сети являются контроль работоспособности на основе программных методов тестирования, системно-модульный принцип построения тестов, автоматический анализ результатов контроля.

4. Обоснована последовательность основных этапов при разработке системы диагноза с использованием типовые структур аппаратных средств на основе предложенных алгоритмов тестирования и диагностики.

5. На основе разработанных методов и алгоритмов создан комплекс программного обеспечения для диагностирования АСУП с распределенной структурой, который прошел опытную эксплуатацию и принят к внедрению.

6. Получены акты о внедрении результатов выполненных исследований от Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) и от ООО «ИнтелТехТрейд» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме построения и практической реализации методов и алгоритмов диагностирования АСУП с распределенной структурой.

1. На основе исследования функционирования АСУП с распределенного типа на примере строительного производства предложена многоуровневая сетевая структура с разделением на корпоративные (АСУП) и технологические (АСУТП) сети.

2. Поставлены задачи построения системы контроля работоспособности и диагностирования АСУТП с включением в ее состав средств жизнеобеспечения.

3. Выполнена классификация типовых неисправностей в системе, что позволило разработать методы тестирования и диагностики.

4. Разработаны математические модели объектов диагноза и алгоритмов функционирования тестового программного обеспечения.

5. Показано, что для построения многоуровневой автоматизированной системы необходима организация технологических связей в виде специализированных цифровых сетей.

6. Разработаны структура, алгоритмы и программное обеспечение системы диагностирования АСУТП распределенного типа.

7. Реализация технологических связей в АСУП на различных уровнях в цифровом виде позволяет стандартизовать процессы обмена информацией и управления, тестирования и диагностики, что обеспечивает независимость разработанной методологии от конкретного типа производства.

8. Получен акт о внедрении результатов выполненных исследований от МГУПИ.