Методы повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления процессами энергопотребления промышленных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Зо Хейн

• Зо Хейн
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Зо Хейн

Введение

Глава 1. Анализ современного состояния автоматизированных систем управления энергопотреблением

1.1 Функциональные возможности автоматизированных систем управления энергопотреблением

1.2 Обзор программного обеспечения систем управления энергопотреблением

1.3 Анализ интерфейсов и протоколов передачи информации в АСУПЭ

1.4 Анализ методов балансировки нагрузки в системах с передачей больших объемов данных

1.5. Постановка целей и задач диссертационного исследования

Выводы по главе

Глава 2. Разработка модифицированных алгоритмов балансировки нагрузки в АСУПЭ

2.1 Разработка математической модели балансировки нагрузки в системе с передачей больших объемов данных по прокси с ограниченной пропускной способностью

2.2 Разработка модифицированных алгоритмов работы устройства балансировки нагрузки

2.3 Имитационное моделирование алгоритма балансировки нагрузки

Выводы по главе

Глава 3. Передача информации в автоматизированных системах управления процессами энергопотребления и разработка методов повышения скорости информационного обмена

3.1. Разработка структур модифицированных рабочих циклов в АСУПЭ

3.2 Разработка метода формирования информационных сообщений в АСУПЭ82

3.3 Разработка метода и устройства тактовой синхронизации для магистральных каналов связи

3.4 Разработка метода спорадической передачи информации о состоянии контролируемых объектов в АСУПЭ

3.5. Разработка двухмагистрального внутреннего интерфейса с комбинированной шиной данных

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальное исследование эффективности предложенных методов

4.1 Моделирование работы центра обработки информации без алгоритма балансировки нагрузки

4.2 Моделирование работы центра обработки информации с использованием алгоритма балансировки нагрузки

4.3 Экспериментальная проверка эффективности метода спорадической передачи сообщений

Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Фрагмент исходного кода балансировщика нагрузки, основные используемые классы

Приложение 2 Акты внедрения результатов диссертационной работы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления процессами энергопотребления промышленных объектов»

Актуальность темы диссертации.

Автоматизированные системы управления процессами энергопотребления (АСУПЭ) представляют собой сверхсложный комплекс программных и аппаратных средств, предназначенных для автоматизации контроля и управления энергоснабжением объектов различных отраслей промышленности. Основная задача АСУПЭ заключается в оптимизации потребления энергоресурсов (электроэнергии, газа, тепла и т.д.) и снижении затрат на энергопотребление объекта. Для этого система собирает данные о потреблении энергии, анализирует их и принимает решения по оптимизации работы оборудования, управлению нагрузками и т.д. Преимущества использования АСУПЭ включают повышение эффективности использования энергоресурсов, снижение затрат на энергопотребление, уменьшение вероятности аварий и сбоев в работе оборудования, а также повышение уровня комфорта для пользователей объекта.

Развитию методологии разработки и внедрения автоматизированных систем управления процессами энергопотребления промышленных объектов и производств, методов повышения быстродействия и достоверности процессов передачи информационных и управляющих сигналов посвящены научные исследования следующих ученых Н.Н. Лузина [1], Ричарда Белмана [2], Клода Шэннона [3,4], А.А. Воронова [5], В.А. Котельникова [6,7], С.А. Лебедева [8], Ю.В. Гуляева [9], В.С. Бурцева [10], М.А. Харкевича [11], В.М. Глушкова [12], В. А. Трапезникова [13], Б. Н. Петрова [14], В. В. Солодовников [15], Я. З. Цыпкина [16] и многих других.

Проведенный анализ функционирования современных

автоматизированных систем управления процессами энергопотребления промышленных объектов показал, что существующая потребность в одновременном решении задач диспетчерского управления, коммерческого

учета электроэнергии и регистрации аварийной информации приводит к увеличению интенсивности потоков передаваемой и обрабатываемой информации. Данное обстоятельство приводит к увеличению загрузки центров обработки информации, снижению оперативности и падению реального быстродействия АСУПЭ в целом.

Таким образом для повышения эффективности процессов передачи и обработки информации в АСУПЭ необходима разработка специализированного информационного и программного обеспечения АСУПЭ, обеспечивающего повышение быстродействия информационных обменов в системах с большими объемами, модификация рабочих циклов и компонентов протоколов передачи данных, а также функциональных модулей, их реализующих. Важной проблемой для АСУПЭ с большими объемами передаваемой информации является организации балансировки нагрузки центров обработки информации. Распределение поступающих на систему сообщений выполняет специальное программное обеспечение, называемое балансировщиком нагрузки. Для распределения входящих сообщений между прокси-серверами используются определенные алгоритмы, к которым предъявляются следующие требования: обеспечение равномерной загрузки прокси; обеспечение минимального времени отклика системы; обеспечение минимальной стоимости затрат на отправку сообщений исходя из цен каждого прокси; возможность быстрой смены схем маршрутизации; низкие накладные расходы, накладываемые на работу алгоритма. Проведенный анализ известных алгоритмов показал, что возникает необходимость в разработке модификаций алгоритмов балансировки нагрузки, направленных на обеспечение равномерной загруженности прокси и возможности быстрой смены схем маршрутизации при выводе из строя одного или нескольких из них.

Следовательно, актуальны исследования, направленные на разработку способов и алгоритмов реализации процессов сбора и передачи информации, которые обеспечивают повышение быстродействия в автоматизированных

системах управления энергопотреблением промышленных объектов.

5

Цель диссертационной работы состоит в разработке методов, обеспечивающих повышение эффективности процессов сбора, передачи и обработки данных в автоматизированных системах управления энергопотреблением промышленных объектов, разработке и программной реализиции алгоритмов балансировки загрузки для повышения производительности системы.

Поставленная цель предполагает решение следующих основных задач:

- Исследование современного состояния и функций автоматизированных системах управления энергопотреблением промышленных объектов.

- Разработка модели и алгоритмов балансировки нагрузки центров обработки информации автоматизированных систем управления процессами энергопотребления промышленных объектов.

- Анализ процессов передачи информации в автоматизированных системах управления процессами энергопотребления и разработка методов повышения быстродействия информационных обменов.

- Экспериментальные исследования эффективности предложенных методов.

Методы исследования: для решения поставленных в диссертации задач использованы элементы теорий вероятности и массового обслуживания, методы системного анализа, методы имитационного моделирования, научно-экспериментальные методы .

В ходе реализации диссертационной работы получены новые научные результаты:

1. Разработана математическая модель процесса балансировки нагрузки в системе с передачей больших объемов данных по прокси с ограниченной пропускной способностью, которая учитывает атрибуты входных информационных сообщений, размер очереди т-го прокси-сервера, максимальную пропускную способность т-го прокси.

2. Предложен метод и алгоритмы работы устройства балансировки нагрузки, основанные на многопоточном принципе распределения задач и информационных сообщений по прокси внутри сервера в зависимости от времени обработки сообщения, его приоритетности и цены.

3. Предложен эффективный метод формирования информационных сообщений, использующий один полудуплексный канал связи и обеспечивающий привязку данных к единому времени без синхронизации времени всех центров обработки информации в АСУПЭ.

4. Разработано устройство и метод цифровой тактовой синхронизации, интегрирующие функции инерционной и ударной синхронизации для широкого диапазона скоростей передачи данных, позволяющее повысить скорость передачи информации в 3- 5 раз по сравнению со стандартными методами.

5. Предложен метод спорадической передачи информации, основанный на приоритетеном централизованном способе опроса состояний контролируемых объектов, который позволяет значительно повысить реальную скорость информационных обменов в АСУПЭ.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что предложенные методы обеспечивают повышение эффективности автоматизированных систем управления процессами энергопотребления промышленных объектов, которое выражается в увеличении быстродействия информационных обменов и равномерной загрузке центров обработки информации.

1. Предложена математическая модель системы балансировки нагрузки центров обработки информации АСУПЭ, которая учитывает множество атрибутов поступающих запросов, размер очередей к центрам обработки информации и их производительность.

2. Предложены модифицированные алгоритмы балансировки

нагрузки, основанные на использовании таблице ассоциаций, которые

обеспечивают повышение равномерности загруженности прокси-серверов,

7

возможность быстрой смены схемы маршрутизации и повышение отказоустойчивости в случае вывода из строя какого-либо прокси. Фрагменты листинга программного кода алгоритмов представлены в Приложении 1.

3. Предложен метод формирования информационных сообщений, который позволяет использовать для информационных обменов один полудуплексный канал связи и обеспечивает привязку данных к единому времени без синхронизации времени всех пунктов многоуровневой системы.

4. Разработано устройство инерционной и ударной цифровой тактовой синхронизации, использующее в качестве синфазирующих посылок меандры и обеспечивающее повышение эффективной скорости передачи информации в 3- 5 раз по сравнению с традиционным способом .

5. Предложен метод спорадической передачи информации, основанный на приоритетном централизованном способе опроса контролируемых объектов, который позволяет значительно повысить реальную скорость информационных обменов.

6. Разработаны принципы построения и методика расчета временных параметров внутреннего интерфейса, инвариантного к числу функциональных устройств и информационных каналов с приоритетной обработкой сообщений и централизованно- децентрализованной процедурой обслуживания. Обосновано повышение быстродействия информационных обменов в АСУПЭ с большим количеством функциональных модулей.

Результаты теоретических исследований, проведенных в ходе выполнения работы, используются в учебном процессе Института системной и программной инженерии и информационных технологий НИУ "МИЭТ".

Результаты проведенных диссертационных исследований внедрены в НИР по теме "Научные основы создания системы поиска, хранения и анализа структурированной и неструктурированной информации в локальных и глобальных информационных ресурсах научно-технических и технологических решений на базе технологий обработки больших массивов данных (Big Data)" (Шифр 18-07-00079 А).

Акты внедрения представлены в Приложении 2

Достоверность исследований подтверждается высоким уровнем корреляции теоретически рассчитанных и экспериментально полученных результатов.

Содержание диссертации соответствует формуле и пунктам 10,12,14 паспорта специальности 2.3.3. — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами"(технические науки)»

Личный вклад автора: все основные результаты диссертационной работы получены лично автором, в том числе:

• проведение теоретических исследований возможности повышения эффективности автоматизированных систем управления энергопотреблением промышленных объектов;

• разработка математической модели системы балансировки нагрузки центров обработки информации АСУПЭ;

• разработка модифицированных алгоритмов балансировки нагрузки, основанных на использовании таблицы ассоциаций;

• создание метода формирования информационных сообщений в системах энергопотребления промышленных объектов;

• разработка метода и устройства тактовой синхронизации;

• разработка метода спорадической передачи информации, основанного на приоритетном централизованном способе опроса контролируемых объектов;

• разработка структуры двухмагистрального внутреннего интерфейса с комбинированной шиной данных для приоритетной обработки сообщений при централизованно- децентрализованной структуре АСУПЭ;

• проведение экспериментальных исследований для оценки эффективности предложенных решений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса балансировки загрузки центров обработки информации, которая учитывает множество атрибутов поступающих запросов, размер очередей к центрам обработки информации и их производительность и использует cache-aware алгоритмы балансировки нагрузки.

2. Алгоритмы балансировки нагрузки, которые основаны на многопоточном принципе распределения задач по прокси внутри сервера в зависимости от времени нахождения сообщения в обработке, его приоритетности и цены, обеспечивают снижение размера очереди при пиковых и нормальных нагрузках на центры обработки информации.

3. Метод формирования информационных сообщений, позволяющий использовать для информационных обменов один полудуплексный канал связи и обеспечивает привязку данных к единому времени без синхронизации времени всех пунктов обработки информации.

4. Метод и устройство инерционной и ударной цифровой тактовой синхронизации, использующее в качестве синфазирующих посылок меандры и обеспечивающее повышение эффективной скорости передачи информации в 35 раз по сравнению с традиционным способом .

5. Метод спорадической передачи информации, основанный на приоритетном централизованном способе опроса состояний контролируемых объектов, который позволяет значительно повысить реальную скорость информационных обменов.

6. Принципы построения и методика расчета временных параметров внутреннего интерфейса с комбинированной шиной данных для приоритетной обработки сообщений при смешанной структуре АСУПЭ, динамические преимущества которого возрастают при увеличении количества функциональных устройств системы.

7. Результаты испытаний эффективности предложенных алгоритмов

балансировки нагрузки и метода спорадической передачи информации.

10

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы были апробированы на всероссийских конференциях: «Микроэлектроника и информатика » (2018-2019 г.), «Актуальные проблемы информатизации в науке,образовании и экономике» (2018, 2022 г.); «Технологии разработки информационных систем-2019» (2019 г). IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, ElConRus. (2019, 2021 г.), IEEE International Conference on the Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (2020 г.).

Публикации по теме диссертации

По результатам исследований опубликовано 16 печатных научных работ, в том числе 4 в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК, 5 в материалах, включенных в международную реферативную базу данных SCOPUS, 7 в научных сборниках, индексированных РИНЦ .

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и двух приложений. Общий объем диссертационной работы 177 страниц, включая 7 таблиц и 62 рисунка.

Глава 1. Анализ современного состояния автоматизированных систем управления энергопотреблением

1.1 Функциональные возможности автоматизированных систем управления энергопотреблением

Одним из основных направлений научно-технического прогресса является автоматизация практически всех сторон человеческой деятельности на основе информатизации. Современные энергоемкие промышленные предприятия и производства характеризуются сложностью технологических процессов и повышенными требованиями к автоматизированным системам управления энергопотребления (АСУПЭ) [17].

Для формулирования основной цели исследований диссертационной работы целесообразно проследить основные векторы развития АСУПЭ.

Бурное развитие в 30-х годах XX века промышленного производства, возникновение сложных, зачастую опасных для здоровья человека технологий, требования полной или частичной автоматизации технологического процесса стали стимулом для появления информационно-управляющих комплексов .

До 50-х годов ХХ столетия АСУПЭ, в основном, строились на электромеханических реле и электронных лампах.

В комплексах 2-го поколения на бесконтактных магнитных и полупроводниковых элементах МКТ-1, МКТ-2, ВРТФ-3 (з-д "Электропульт"); УТС-8, УТК-1 ( " Союзэнергоавтоматика") значительно расширяется спектр решаемых задач, снижается избыточность аппаратуры, повышается быстродействие и надежность [18] .

Элементной базой выпускающихся в 70-х годах и начале 80-х годов

комплексов 3-го поколения МКТ-3, ТРС-1 ("Электропульт"); ТМ-512 (ПО "

Промавтоматика"); ТМ-800 (Завод телемеханической аппаратуры, Нальчик);

УТМ-7 ("Союзэнергоавтоматика"); КУСТ-Б ("Нептун") являлись интегральные

микросхемы малого и среднего уровня интеграции. Комплексы этого класса

12

обеспечивают выполнение не только традиционных функций КУ, ТС, ТИТ и ТИИ, но и производят обработку информации для регистрации ее различной аппаратурой, представления на мнемосхемах, аналоговых и цифровых приборах, ориентированы на разные типы КС.

Для удовлетворения новых требований в условиях ограниченной пропускной способности низкоскоростных каналов связи потребовалась разработка новых принципов обработки информации, например, процедур сжатия сообщений и введения приоритетов, дополнительных мер повышения уровня достоверности информации. В ответ на новые требования во второй половине 80-х годов разрабатываются и внедряются в производство АСУПЭ 4-го поколения на микропроцессорах, БИС и СБИС с программным управлением. Первые микропроцессорные АСУПЭ начали использоваться в энергосистемах в 1987^1988 г.г. (АИСТ в Литовэнерго и Витебскэнерго) . Современные АСУПЭ ( SCADAPack E Smart RTU [19], ТМК «КОМПАС ТМ 2.0 [20], TOPAZ [21], «Вымпел-М22.СЛТМ» [22], «Контур М3» [23], «Магистраль-ДУ» и др. ) по указанным признакам относятся к 4-му поколению информационных систем .

Применение АСУПЭ для автоматизации технологических процессов и управления энергопотреблением в распределенных энергообъектах на всех исторических этапах сыграло огромную положительную роль [24].

Одним из важных позитивных моментов появления и широкого внедрения АСУПЭ является введение супервизорного централизованного управления, что делает возможным регистрацию и отображение наиболее полной и объективной информации о территориально распределенных объектах разными средствами- на экранах мониторов ЭВМ и диспетчерских щитах.

Развитие компьютерной техники, электроники и микроэлектроники позволило на базе современных ЭВМ создавать устройства с программным управлением, обеспечивающим автоматизированный режим работы АСУПЭ, решать сложные вычислительные задачи для большого объема разнородной информации. Значительно расширившиеся функциональные возможности

АСУПЭ, рост их " интеллекта" в совокупности с магистрально-модульным принципом построения обеспечивают простоту наращивания аппаратных и программных средств, возможность изменения решаемых задач путем несложной адаптации к режимам работы и коррекцией программ.

Постоянное совершенствование АСУПЭ в соответствии с требованиями по решению новых теоретических и практических задач позволило ввести в современные АСУПЭ модули и программы для выполнения следующих задач по управлению и контролю распределенных энергообъектов: сигнализации состояния двухпозиционных объектов; измерений текущих и интегральных значений параметров; управлению двухпозиционными объектами; ретрансляции данных; информационного обмена по КС различной конфигурации; диагностику и дистанционное управление электрооборудованием [27,28].

Достоинствами современных систем управления являются функциональная полнота, надежность, относительно низкая стоимость, небольшое количество обслуживающего персонала, современная элементная база. Такие АСУПЭ успешно функционируют при устоявшемся стационарном режиме работы энергообъектов, когда возникновение внештатной ситуации практически исключено, либо не имеет катастрофических последствий [29].

Потребность в создании и широком применении методов и средств управления распределенными энергообъектами впервые возникла в энергосистемах . На первом этапе развития АСУПЭ решали относительно простые задачи: передачи от периферийных устройств связи с объектами в центральный пункт управления (ЦПУ) известительной информации-телесигнализации (ТС) текущего состояния объектов, а по обратному каналу-команд управления (КУ) исполнительными механизмами .

Первые промышленные АСУПЭ реализовывались по структуре

однонаправленных систем ТС-КУ (рис.1.1), где каждый "полукомплект"

устройства УСО был привязан к соответствующему ему "полукомплекту"

пункта управления. Если возникала необходимость объединения в едином

14

комплексе нескольких "полукомплектов", в ЦПУ вводились дополнительные устройства- концентраторы. Ограниченный набор выполняемых функций не давал полной картины о состоянии объекта.

Усовершенствование технологий, увеличение информационных потоков, ужесточение требований к обеспечению безопасности и надежности производственных процессов привели к расширению функций АСУПЭ за счет введения измерений текущих значений параметров (рис. 1.2). Так как, по-сути, для реализации указанного канала объединяются территориально рассредоточенные источник и приемник данных, для рассматриваемого класса АСУПЭ канал получил название "телеизмерения текущих значений параметров" (ТИТ). Канал ТИТ традиционно используется для контроля токов, напряжений и мощностей на вводах и в отходящих фидерах энергообъектов. Усовершенствованные комплексы, в отличие от однонаправленных систем ТС-КУ, дают более полную картину состояния объекта. Дополнительная информация, отражающая состояние стационарных и переходных процессов, от датчиков ТИТ, передается в ЦПУ, где сравнивается со значениями технологических уставок [25,26]. Однонаправленные АСУПЭ с функцией ТИТ стали прообразом современных РАИ .

В рассматриваемых комплексах все задачи обработки, в том числе и требуемых вычислений, решались в ЦПУ, а роль УСО сводилась лишь к приему-передаче данных, что в значительной степени усложняло и "обедняло" комплекс. Значительное расширение выполняемых функций обеспечивается в многонаправленных информационно-управляющих комплексах (рис.1.3), в которых часть функций по обработке данных перенесена в УСО. В структуру таких АСУПЭ включаются ЦПУ, ориентированные на независимый обмен данными с многими УСО, а также УСО-ретрансляторы (концентраторы), играющие роль промежуточных ЦПУ с усеченным программным обеспечением. Комплексы с указанной структурой весьма успешно стали использоваться в АСУ объектами городского коммунального хозяйства, для

которых характерна разветвленность связей между ЦПУ и УСО.

15

Рис. 1.1 Однонаправленные системы КУ-ТС

Рис. 1.2 Однонаправленные системы управления энергопотреблением

Рис. 1.3 Многонаправленные системы управления энергопотреблением

Необходимость обеспечения экономической эффективности и рациональности промышленных производств, связанных с потреблением энергии, дали "путевку в жизнь" АСУПЭ с функцией технического учета потребления электроэнергии, которая решается дополнительным каналом "телеизмерений интегральных (суммарных) значений параметров" (ТИИ) (рис.1.4).

Рис . 1.4 Системы с функцией технического учета потребления электроэнергии по кан алу ТИИ

Канал ТИИ воспринимает информацию от счетчиков потребления энергии со встроенным генератором импульсов, число которых пропорционально числу оборотов диска счетчика. Накопленное число импульсов форматируется и поступает для обработки и регистрации в ЭВМ ЦПУ. Такие комплексы используются как на энергонасыщенных производствах, так и непромышленной сфере, например, коммунальном хозяйстве . В настоящее время актуальной является проблемы повышения точности телеизмерений, автором предложены подходы к повышению точности измерения электрических сигналов энергобъектов, а именно, действующие значения фазных токов и напряжений, активной и реактивной мощности и электроэнергии [30-32].

Сегодняшнему уровню реализации производственных процессов для распределенных энергообъектов отвечают автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ), разумно сочетающие в себе функции и принципы построения всех вышеперечисленных типов АСУПЭ. Основная задача АСДУ- сбор и обработка информации от энергообъектов, отображение данных различными методами и средствами, диагностика работоспособности оборудования, системы защиты. Обобщенная схема АСДУ для контроля и управления типовым энергообъектом приведена на рис. 1.5

ТЗ о

е

к О

к О

¡а о

СП

в

О)

к к

о

X

О) р

ё

н о

К

со К

о и

ё

к о КС о К о н

О)

к

о

а

О)

н л

О)

о «

о о

Производственно-технологический энергообъект

Исполнит, механизмы

.1

Датчики

тии

х

Датчики ТИТ Датчики ТС

А 0

нны

Модули вывода КУ Модули звода Модули ввода ТИТ Модули ввода ТС

УСО

Производственно-технологический энергообъект

Исполнит, механизмы

I

1

Датчики ТИИ

х

Датчики ТИТ Датчики ТС

А 0

▲ ▲

Внутриблочный интерфейс

I

Модули вывода КУ Модули ввода ТИИ Модули ввода ТИТ Модули ввода ТС

УСО

> О

§ Н §

4 о §

•о Р 8

I м з

Н (И л

н х 2

§ § -

Контроллер управления элементами щита и

Диспетчерский щит

Диспетчерский пульт

Основу работы любой автоматической информационно-управляющей системы (к которой относятся и рассматриваемые классы АСУПЭ) положен обмен информацией между ее составляющими- пунктами обмена информацией (ПОИ), а в пределах ПОИ- между функциональными модулями. Практически все типы устройств УСО АСУПЭ, размещенные на распределенных технологических энергообъектах, выполняют следующие основные функции: передачу телесигнализации, измерения текущих и интегральных значений параметров; прием команд управления.

1.2 Обзор программного обеспечения систем управления энергопотреблением

Для визуализации режимов управления энергопотреблением существуют программные средства, которые могут входить в состав пакетов SCADA или быть автономным продуктом.

В ходе предварительных исследований проведен анализ существующих решений в области визуализации систем управления энергопотреблением. При анализе учитывался не только необходимый функционал: настройка параметров портов и мостов, работающих по протоколу RSTP, но и смежные возможности, облегчающие использование решения; возможности компании разработчика по актуализации функционала, и его расширению. Характеристики рассмотренных решений представлены в таблице 1 ниже:

Таблица 1.

Аналитический обзор существующих программных решений

EAT Console ZHMI SAN-DIR Leica GeoMoS

Создание визуальных отчетов Да Нет Да Да

Поддержка обновлений данных в реальном времени Нет Да Да Да

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Зо Хейн, 2024 год

использование

средств СУБД (минимизация затрат) Да Нет Нет

Знание тонких особенностей и Да Нет Да

настроек СУБД раработчиком

В качестве базы данных для реализации алгоритма балансировки и распределения сообщений по прокси будет использована СУБД MySQL.

Итак, для разработки выбраны средства Java + MySQL.

Среда разработки Eclipse.

Интерфейс управления СУБД - консоль MySQL, phpmyadmin [66].

Особенностями реализации алгоритма в конкретной реализации (Java + MySQL) являются:

- Использование InnoDB - таблиц в MySQL для таблицы с которой работают проксиы на отправку и временной таблицы, с которой работает устройство балансировки. В эти таблицы будет идти большое количество запросов на обновление, поэтому такой вариант наиболее оптимален. Для остальных таблиц можно выбрать тип MyISAM;

- Репликация в MySQL должна осуществляться master-master, без установки ключа ignore_on_insert для того, чтобы не возникало конфиктов неверных данных;

- Использование различного шага для autoincrement в таблице, с которой работают прокси на отправку и во временных таблицах;

- Для приложения необходимо выделить необходимое количество памяти в настройках Garbage Collector (64MB);

- Использование библиотеки jmxremote поможет анализировать использование памяти приложением в случае каких-либо утечек. Для этого необходимо установить соответствующие ключи в настройках Garbage Collector;

- В случае аварийной остановки приложения стоит его перезапускать. Для этого можно например, написать скрипт, который проверяет доступность процесса по его PID, который был получен при последнем запуске приложения и перезапускать его в случае отсутствия такого PID [66].

2.3 Имитационное моделирование алгоритма балансировки нагрузки

Для оценки эффективности работы алгоритма балансировки необходимо провести отладку и тестирование программы. Чтобы осуществить тестирование, необходимо смоделировать ситуацию, близкую к реальной, и провести сравнение производительности работы программы с включенным алгоритмом балансировки и без него. Для моделирования различных ситуаций работы прокси необходимо организовать следующее:

- обеспечить возможность java-приложений на сервере, где будет работать программная часть прокси (установить java и подключить необходимые библиотеки);

- обеспечить возможность работы с базой данных, для этого необходимо установить и обеспечить работу MySQL-сервера на отдельном сервере (также допускается использование одного и того же сервера для приложений и базы данных в рамках тестирования);

- необходимо запустить ЦОИ, который способен принимать входящие сообщения и записывать их в базу данных;

- необходимо обеспечить работу клиентского приложения, которое будет способно подключиться к ЦОИ и отправлять сообщения на сервер;

- обеспечить подключение нескольких клиентов к одному серверу с использованием одной машины;

- создать тестовый прокси (без реального подключения к оператору) или несколько тестовых прокси, имитирующих отправку сообщений, задать им различные настройки (пропускная способность, различное количество клиентов;

- Возможность анализировать скорость отправки каждого из тестовых прокси в определенное время.

В моделировании будем использовать ОС Debian 8, запустив ее под виртуальной машиной, в ОС Debian удобно отслеживать работу запущенных процессов, общее потребление ими памяти, нагрузку на жесткие диски, нагрузку, создаваемую MySQL.

Необходимо провести несколько различных тестов, которые покажут эффективность использования алгоритма балансировки:

- тестирование обработки малых объемов данных (необходимо для проверки работоспособности алгоритма в целом);

- тестирование обработки средних объемов данных (проверка работы алгоритма при стандартной нагрузке);

- тестирование обработки больших объемов данных (проверка поведения приложения и его работоспособности при критических нагрузках).

Для того чтобы смоделировать реальную ситуацию, для больших объемов необходимо провести длительные тесты, которые будут работать в течение суток. После работы тестов необходимо провести анализ работы приложения. Необходимо исследовать работу алгоритма балансировки в зависимости от текущей загруженности сервера, в зависимости от текущей очереди сообщений на ЦОИ, в зависимости от количества доступных прокси. Необходимо провести критические тесты, которые покажут результат работы алгоритма балансировки при отказе одного из прокси.

Отладка работы алгоритма балансировки, проверка работы потоков и использования памяти

Для отладки алгоритма используем стандартный дебаггер среды разработки Eclipse и метод трассировки. В среде разработки Eclipse есть все, что необходимо, для проведения отладки программного кода (рисунок 2.11).

И &

tt-üebugEJ ^ = П *Ч"Variable» E3 ^o breíkpolnts Expussíons lnterattlwíOíiBDUi| -h = ** a П

т !Т Balancer [Java Appbcatiw] «ame valu?

* íR cpnvsRgerifnvbatnncer.BflJnflcerít 1ом1инЬ400вв T * this Corrector <id=lB>

Daíir on Threaí íAbandoned corviectton cteanuj> Khread] (Rurwhng} ■ btocket mil

* # Thread fK) Corrector] (Suspended (Ьг еакрсчгЛ ас lloe 57 ю COífeetor» i btockííLOck Object (id-?9)

S Corfcctdr.njníí Une 57 * и contextdassLoadflr LaunchefSAppdassLoaoe: <>d=30}

& Thread |T-1 Cíeaoer} {Runntng! ш daemotn faíie

Thread IiTWattlter] (Rumlflfi} ■ crtop !C<H&6íi408114»S

** Threacf [SetfrngiWateher] (Punoing} >■ ■ qroup ThreadCoup {id=t1>

Titead [SecveíRoleWatcher} {(fcjnrt я bnhefltíbjeTtireadLocdis mil

Thread JOestroyJavaVM] JRwirírtg) [j

>¿i ;usrfab/|ijni/)ava-7-íifade/bin/jsva <23-05,20t3 2®43:1в)

,¿i fiatancef-jiMa ¡£ Clea*ier.jau¿ | jü Fa*eGate.java ¡£i Corrector java H J£¡ Gaie.jaua ¿j Mysqljava ú my&qLcrg

public Void г try i* Ion« i

«hile <cruej i'

iterar ionítartTine = Systee. íwremTí*teíf.¡i¿JíO;'

sJoepDelay = Ealancor-geíCarrKrcianrimc-'. - (Sy&ton.

if (ileepOelay > П} sXerepí sleepDeJ ay]; ■

i catcM (Inter rupcedEnceptl«) e> {'

Log, ГО£ГГЯГ|?ЗЧ<*, TOSlfl/lgO) : > catch (ЭОД-ЕКерПоп e) {'

toe-foFfr5t>CiW<"50iei«<tDtion " ♦ e.eef essaaedl^_

ri<iBM¿I2if() - i ter лт ionítar t Tina >;

i£ OucHne И S it Ч 4* * *t

í corrt.gigasms.bákncef 1 ®]COFTCtt(K 1.Л -s mjsql f^v^qt =1 stmt Stateíhent ■-: sfcrWhcrrGafcri sMnq = " couríTable: Hashtabte<5tring, 'rceg* r> *' Caíreítorü «.startO 'volrl *жгип(): vorfl

correcto vo¡(t •9 registeíCateiStrlng) rad •scteafGatesO. '».< и gctQuwrSícíStíi'na} > nt ■ correctCatesCJueue5lieO: votd a g«CountUbLe(): *oid

Э coraole й £ T35Í51 '-л Debug ©dtpu:!1 5Towiec output '1 Mistar. BdlanLe."[Javd A»ipl:Lailafi|/usr/bü;jgn7jav¿-7-Ofdde/bi(i/Jrivd <23-05.20tS20.43.1fl)

| [2013-05-23 20;43;33-92i] T-0 Corree T-0 Corree T-G Carree [2013-05-23 20:43:13-5253 T-G Carree [2013-05-23 20:43:48-524] T-0 Cari [¿013-05-23 20:43:48.924] T-0 Can [2013-Oí-23 20:43:48.925] 1-0 torree [2013-05-23 20143:48 92>] T-0 Corree Г2013-05-23 20:43:48.925] T-0 Corree '[2013-05-23 20;43¡48-9251 T-0 Corree

+ --« gettountTableO ■ - • | ff query tlití: i nJ.13.is,

+ --......> .. rilone

+--< corree TGates<hJeue5i leí 1, ,

Рисунок 2.11 -Отладка программного нагрузки средствами среды разработки Eclipse

3 i glfo

кода алгоритма балансировки

С помощью дебаггера среды разработки Eclipse проведем наблюдение жизненного цикла каждого из потоков и проанализируем используемые переменные.

Благодаря проведенному анализу можно сделать выводы о корректности работы приложения:

- исходный код написан корректно и без ошибок;

- маршрутизация сообщений происходит корректно;

- алгоритмы балансировки нагрузки реализованы корректно и не содержат ошибок [68].

При создании высоконагруженных многопоточных приложений крайне важным моментом является слежение за размером потребляемой памяти и количеством работающих потоков, для этого необходимо проводить анализ работы потоков, и потребление ими ресурсов сервера [69].

Для этого необходимо использовать какое-либо средство профайлинга работающего процесса. Существуют разные средства профайлинга

приложений, такие как jpшШer, visualvm, yourkit, jconsole. Будем использовать visuavm 1.3.5.

Для того чтобы подключиться к работающему процессу, установим в параметрах запуска java-приложения необходимые параметры: -Dcom.sun.managementjmxremote -Dcom.sun.managementjmxremote.ssl=false -Dcom.sun.managementj mxremote.authenticate=false -Dcom.sun.management.jmxremote.port= 1234

Теперь мы сможем подключиться с помощью visualvm к приложению и отследить работу его потоков.

С помощью visaulvm мониторим текущие потоки, текущее их состояние и работоспособность (рис. 2.12). Также есть возможность следить и за другими ресурсами: за потреблением памяти запущенного процесса, использованием памяти GC, количеством созданных объектов, уровнем нагрузки на процессор (рис.2.13).

Таким образом, определившись со средствами отладки и мониторинга работающего процесса приложения, будет возможно обеспечить корректную работу программы, проследить за утечками памяти и устранить их. При увеличении нагрузки на балансировщик будет видно, какие потоки потребляют большое количество ресурсов, и тогда можно будет оптимизировать их.

На этапе тестирования и отладки будем запускать тесты на небольших объемах, чтобы проверить работоспособность алгоритма в целом.

Рисунок 2.12- Мониторинг работы потоков процесса балансировщика нагрузки при помощи visualvm

Рисунок 2.13- Мониторинг используемых ресурсов сервера процессом балансировщика.

Выводы по главе 2

• Разработана математическая модель процесса балансировки нагрузки в системе с передачей больших объемов данных по прокси с ограниченной пропускной способностью, которая учитывает атрибуты входных информационных сообщений, размер очереди т-го прокси-сервера, максимальную пропускную способность т-го прокси.

• Предложены алгоритмы работы устройства балансировки нагрузки, основанные на многопоточном принципе распределения задач и информационных сообщений по прокси внутри сервера в зависимости от времени обработки сообщения, его приоритетности и цены

• Проведено обоснование выбора языка программирования и среды разработки для реализации алгоритмов балансировки нагрузки

Глава 3. Передача информации в автоматизированных системах управления процессами энергопотребления и разработка методов повышения скорости информационного обмена

Эффективность информационных обменов в автоматизированных системах управления энергопотреблением (АСУПЭ) зависит от многих факторов, таких как [70,71]:

1. Качество и точность передаваемых данных. Если данные, передаваемые между различными компонентами АСУПЭ, содержат ошибки или неточности, то это может привести к неправильным решениям и снижению эффективности системы.

2. Скорость передачи данных. Чем быстрее данные передаются между компонентами АСУПЭ, тем быстрее принимаются решения и тем выше эффективность системы.

3. Надежность системы передачи данных. Если система передачи данных не надежна и часто возникают сбои, то это может привести к потере данных и снижению эффективности системы.

4. Интеграция различных компонентов АСУПЭ. Если различные компоненты АСУПЭ не интегрированы должным образом, то это может привести к дублированию данных и снижению эффективности системы.

5. Управление данными. Хорошее управление данными, такое как хранение, обработка и анализ данных, может значительно повысить эффективность АСУПЭ. Таким образом, для достижения высокой эффективности информационных обменов в АСУПЭ необходимо обеспечить высокое качество и точность передаваемых данных, быструю передачу данных, надежную систему передачи данных, интеграцию различных компонентов АСУПЭ и хорошее управление данными.

Как было указано ранее, реальная скорость информационного обмена данными снижается за счет повышения избыточности, вносимой при дублировании циклов ввода информации в модули УСО, динамического

мониторинга состояния функциональных устройств, ограниченной пропускной способности линий связи и необходимости синхронизации приемников и передатчиков [72].

Поэтому весьма актуальной является разработка методов повышения быстродействия процессов приема-передачи информационных посылок в автоматизированных систем управления энергоснабжением.

Синтез автоматизированных систем управления энергоснабжением, которые отличаются повышенной скоростью информационного обмена во многом определяемой структурой рабочих циклов.

Рабочий цикл в автоматизированной системе управления энергоснабжением состоит из следующих этапов:

1. Считывание данных с датчиков и измерительных устройств.

2. Обработка полученных данных с целью формирования управляющих воздействий.

3. Передача управляющих воздействий на исполнительные механизмы системы управления.

4. Контроль исполнения управляющих воздействий.

5. Обновление информации на пультовых и информационных панелях и диспетчерских щитах.

Для повышения скорости информационного обмена можно применить следующие методы:

1. Оптимизация алгоритмов обработки и принятия решений для сокращения времени работы.

2. Использование специализированных процессоров и аппаратных ускорителей для обработки данных.

3. Применение асинхронных методов передачи данных, которые позволяют не ожидать окончания передачи одного пакета данных для начала передачи следующего.

4. Использование сжатия данных для уменьшения объемов передаваемой информации [73].

5. Разработка специальных протоколов связи, оптимизированных для передачи данных в автоматизированных системах управления энергоснабжением.

6. Использование высокоскоростных каналов связи, например, оптических или сетей передачи данных нового поколения, таких как 5G.

7. Обеспечение надежности и устойчивости каналов связи, повышение помехоустойчивости передачи сигналов чтобы минимизировать вероятность потери данных из-за помех или сбоев [74].

Синтез автоматизированных систем управления энергопотреблением с повышенной скоростью информационного обмена требует интеграции всех этих методов и учета специфики конкретной системы. Такой синтез позволит улучшить эффективность работы системы, ускорить принятие решений и повысить надежность управления энергоснабжением.

3.1. Разработка структур модифицированных рабочих циклов в АСУПЭ

Рассмотрим особенности методов передачи информации в каналах связи автоматизированной системе управления энергопотреблением. Особенности методов иллюстрируются на рисунке 3.1. На рисунке а) представлен пример паузного кодирования сигналов, передаваемых на тактах «п», «п+1», «п+2», «п+3» рабочего цикла. При передаче на указанных тактах последовательности сигналов 1101 в течение первой половины тактов «п», «п+1», «п+3» передаются импульсные сигналы, а во второй половине указанных тактов и в пределах всего такта «п+2» (при передаче сигнала «0»)- импульсные сигналы отсутствуют. Видно, что смежные импульсные сигналы, отображающие сигналы «1», обязательно разделяются паузой, обычно равной длительности импульса [72].

Для метода паузного кодирования достаточно просто сформировать удлиненный маркер начала и окончания рабочего цикла. Их легко выделить с

помощью интегрирующих устройств, фиксирующих поступление импульсов, длительность которых равна или превышает длительность одного такта.

Основной недостаток систем с паузным кодированием- относительно малая энергия элементарного сигнала, т.к. полезный сигнал занимает только половину выделенного для передачи такта. Уменьшение энергии рабочего сигнала снижает потенциальную помехоустойчивость устройств [75]. Альтернатива паузному кодированию- использование беспаузных кодов, пример которых приведен на рис.3.1 б. В этом случае пауза между двумя смежными сигналами «1» отсутствует, в результате длительность непрерывно передаваемого в канал связи сигнала не фиксирована и зависит от информационного сообщения. При паузном кодировании нельзя использовать "временной" признак для формирования маркеров начала и окончания рабочего цикла.

Следовательно, повышение потенциальной помехоустойчивости сигналов обменивается на усложнение структуры и методов выделения указанных маркеров. В системах с паузным кодированием вынужденно переходят на формирование маркеров в виде специальных кодов и принимают меры для обеспечения их "прозрачности" в рамках всего рабочего цикла. При приеме кода маркера (вместо удлиненного импульса) неприменим также метод интегрирования для выделения маркерных и информационных сигналов.

А п п+1 п+2 п+3

а) б) к

t -►

t

Рис.3.1. Методы формирования элементарных сигналов: а) паузный; б) беспаузный.

Для приема беспаузных сигналов вместо метода интегрирования, как правило, используется метод "стробирования". Метод "стробирования" предполагает фиксацию принятого сигнала в момент формирования специального " стробирующего" сигнала, который пытаются разместить в центре временного интервала передачи- приема каждого сигнала. Таким образом, при беспаузном кодировании важную роль приобретает разработка методики формирования " стробирующих" сигналов, т.е. определения границ тактов передачи, для потактового синфазирования генераторов передатчика и приемника.

Рассмотрим процедуры, обеспечивающие выполнение указанных выше условий достоверного приема данных на примере стандартного протокола HDLC, традиционно используемого для информационных обменов в АСУПЭ [76].

Протокол HDLC (High-Level Data Link Control) является стандартом передачи данных на уровне канала связи в сетях передачи данных. Он определяет формат кадра, процедуры управления потоком данных и контроль ошибок. Кадр HDLC состоит из заголовка, полезной нагрузки и контрольной последовательности. Заголовок содержит информацию о типе кадра, адресах отправителя и получателя, а также о наличии или отсутствии контрольной последовательности. Полезная нагрузка может содержать данные или команды управления потоком данных. Протокол HDLC поддерживает несколько режимов работы, включая нормальный, управляемый и асинхронный. В нормальном режиме передачи данных используется полнодуплексная связь, при которой обе стороны могут передавать и принимать данные одновременно. В управляемом режиме передачи данных используется полудуплексная связь, при которой каждая сторона поочередно передает данные.

А в асинхронном режиме передачи данных используется только один канал связи для передачи данных и управляющих сигналов. Протокол HDLC широко используется в различных сетях передачи данных, включая локальные и глобальные сети. Он обеспечивает надежную передачу данных и управление

потоком данных, что делает его одним из наиболее эффективных протоколов для современных сетей передачи данных. Эти компоненты включают в себя:

1. Флаг открытия (FLAG0) : это информационная посылка с кодом 01111110.

2. Поле адреса (A) : информационная посылка с кодом поля адреса, включает один или несколько байт.

3. Поле управления (C) : это байт, определяющий установленный режим работы.

4. Идентификатор (L) : это 1-байтовое поле, определяющее тип передаваемой информации.

5. Поле данных (DN) : это поле содержит от 1 до 24 байтов данных информационной посылки.

6. Поле проверки циклическим избыточным кодом (CRC) (CS) : это поле состоит из 2 байтов, которые являются остатком деления полинома (A+C+L+Dn)/G(x), где G(x) — образующий полином циклического кода, равный x15 + x12 + x7 + 1.

7. Закрывающий флаг (FLAG1) : аналогичен FLAG0 .

В общем случае поле А включает адрес источника и приемника информации. Двухадресное поле А (с указанием адресов отдельно для источника и приемника) используется в сетях передачи данных, когда информация проходит через устройство ретрансляции или если число абонентов сети превышает 128. В этом случае в каждом байте бит разряда 27 является признаком завершения передачи адреса, если сигнал в указанном разряде «0», или признаком продолжения кода адреса в следующем байте, если равен «1».

Анализ статистических данных показал, что реальное число абонентов сети (распределенных объектов) не превышает 100, поэтому целесообразно использовать однобайтные компоненты адресов. Очевидно, что в рассмотренном варианте в разряде 27 байта адреса источника и приемника всегда передается сигнал «0», а число абонентов сети ограничивается 128.

Как правило, в АСУПЭ, ориентированных на работу в реальном времени, стремятся уменьшить длину поля данных DN. Для оперативной информации вполне достаточна длина в 24-32 байт. Однако при интегрировании в АСУПЭ канала регистрации нештатной ситуации, указанной длины сообщения может не хватить для передачи всего массива накопленных данных [77].

"Прозрачность флага" в рамках рабочего цикла передачи информации обеспечивается за счет снижения реальной скорости передачи данных (Spean), равной:

Spean Dnoc/tnep , (3.1)

где Dnoc - количество бит передаваемой посылки;

tnep - время передачи посылки.

Тогда с учетом необходимости передачи бит-стаффинга имеем:

Spean = Dnoc/tnep = Dnoc /tl(1 + 0.2p5), (3.2)

где p5 - вероятность передачи подряд пяти сигналов "1" (pe =1/2);

ti - время передачи одного бита информации по каналу связи .

Для оценки реального быстродействия системы по протоколу HDLC будем учитывать передачу компонентов рабочего цикла, которые используются для идентификации состояния объектов контроля. Эти компоненты могут включать в себя информацию о текущих значениях переменных, состояниях устройств, команды и другие параметры, необходимые для управления системой.

Тогда эффективное быстродействие передачи информации Sэфф можно определить следующим образом:

( n4 + n5 ) кэфф = кэфф ( n4 + n5 ) tll

S

1

где кэфф - коэффициент полезности передачи сигналов П4 и П5 Принимая n4 + n5 =24 + 1 =25 байт и кэфф =1, имеем:

О _ О У 4 5^ Эфф _ эфф \ 4 5 /

S эфф S реал i 0 2 5 j ' (3 )

Бэфф = 23,6Г1. (3.4)

Примем вероятность единичного искажения Р1 =10-3, определим вероятности искажения "флага" (Риск ф):

Риск ф Рпот ф + Рлож ф , где

Рпот ф - вероятность потери сигнала "флаг". Определять эту вероятность более точно может быть сложно, так как она зависит от различных факторов, таких как шумы, интерференции и недостаточная четкость сигнала. Оно также может зависеть от используемой техники обнаружения "флага" на стороне приемника, такой как алгоритмы сравнения, фильтрации и коррекции ошибок. Тогда:

Рпот ф =(й±Ъ>р . (3.5)

I П

¿=1

Бит стаффинг (Bit Stuffing) - это метод, используемый в протоколе HDLC для обеспечения правильной передачи данных. Он заключается в том, что если в полезной нагрузке кадра встречается последовательность битов, которая может быть ошибочно интерпретирована как флаг начала или окончания кадра, то в эту последовательность вставляется дополнительный бит (стаффинг-бит). При приеме кадра стаффинг-биты удаляются из полезной нагрузки. Это позволяет избежать ошибочного завершения передачи кадра и обеспечить правильную синхронизацию между передатчиком и приемником.

Структура стаффинга включает в себя последовательность битов, которая может быть ошибочно интерпретирована как флаг начала или окончания кадра, и дополнительный стаффинг-бит, который вставляется в эту последовательность. Структура стаффинга может быть различной в зависимости от протокола и используемого аппаратного обеспечения. Например, в протоколе HDLC структура стаффинга состоит из последовательности пяти единиц, за которыми следует ноль (01111110), и

стаффинг-бит, который вставляется после каждой последовательности пяти единиц [76,77].

Если считать, что каждый бит в передаваемом потоке равновероятно может быть либо "0", либо "1", вероятность передачи подряд пяти сигналов "1" будет зависеть от вероятности появления сигнала "1" в каждом отдельном бите передаваемой информации.

При использовании бит-стаффинга в протоколе HDLC, последовательности, состоящие из шести или более единичных битов, подвергаются бит-стаффингу. Это означает, что в последовательности шести и более единичных битов перед каждым последним битом "1" добавляется дополнительный бит "0". Вероятность однократного искажения может быть определена на основе вероятности ошибки передачи бита и вероятности появления последовательности шести и более единичных битов. Тогда:

6

РЛожф =0.2£щ- p5e - P . (3.7)

2

Подставляя количественные значения, получим:

7 6

Риск ф=Рпот ф+Рлож ф =(n1+n7)Pj/'ZЩ +0.2 £щ - p5e - Py ~2,5 10-4 . (3.8)

'=1 2

Как видно из (3.8), вероятность искажения "флага" достаточно велика.

Введение «флагов» в качестве признаков начала и окончания информационного сообщения позволяет исключить необходимость указания длины сообщения.

3.2 Разработка метода формирования информационных сообщений в АСУПЭ

Недостатком такого метода является использование «флагов» и для заполнения пауз между передачами информационных сообщений, что исключает возможность полудуплексной (поочередной) передачи сообщений от разных пунктов по одному общему для них каналу связи. Наличие метки времени только в сообщении от источника информации требует для привязки

данных к единому времени выполнения процедур синхронизации времени всех источников и ретрансляторов информации многоуровневой системы телемеханики [78].

В работе предложено улучшение метода формирования

информационных сообщений благодаря использованию одного полудуплексного канала связи для обмена информационными сообщениями между пунктом управления и контролируемым пунктом, а также обеспечения привязки данных к единому времени без синхронизации времени всех пунктов многоуровневой системы.

Проведение информационных обменов между пунктом управления и контролируемым пунктом АСУПЭ по одному полудуплексному каналу связи достигается благодаря тому, что в паузах между передачей информационных сообщений они поочередно передают синхронизирующий байт, состоящий из чередующихся сигналов «1» и «0» («меандр»), при переходе к информационному обмену пункт-источник информации вместо «меандра» передает в канал связи «флаг» - признак начала информационного сообщения, а поочередная передача «меандров» возобновляется после поступления «меандра» от пункта, завершившего передачу информационного сообщения [78,79].

Привязка данных к единому времени без синхронизации времени всех пунктов многоуровневой системы управления энергопотреблением достигается тем, что пункт-источник информации формирует дополнительный код в поле управления, который включает признак передачи метки времени и их число, и дополнительное поле меток времени, в которое источник информации заносит код, соответствующей временному сдвигу между моментом фиксации информации и ее передачи в канал связи, каждый пункт ретрансляции информации от источника к приемнику вводит в дополнительное поле меток времени код, соответствующий временному сдвигу между моментами приема и ретрансляции информации, и увеличивает на единицу код числа меток времени, пункт-приемник информации привязывает данные к единому времени

путем вычитания из системного времени, зафиксированного в момент приема информационного сообщения, суммы меток времени, полученных от источника и всех ретрансляторов.

На рисунке 3.2 приведена структура информационного сообщения (рис. 3.2 а) и его составляющих (рис.3.2 б...3.2е).

Информационное сообщение начинается и заканчивается кодом «флага». Код байта «флага» показан на фиг.1б и, в соответствии с ISO 13239, имеет вид 01111110.

Адрес источника (АИ) и приемника (АП) сообщения может быть однобайтным или двухбайтным (рис 3.2в и 3.2г, соответственно). Двухбайтная структура используется в АСУПЭ, в состав которых включается более 127 пунктов обмена информацией. Признаком использования двухбайтной адресации является сигнал «1» в старшем разряде первого байта адреса.

Для привязки информации к меткам времени предложено использовать двухбайтную структуру кода управления (У1 и У2). При введении в информационное сообщение меток времени первые четыре сигнала байта У1 устанавливаются равными нулю, а вторые четыре сигнала соответствуют числу введенных в сообщение меток времени. Так, например, если, кроме пункта-источника информации, в трассу доставки информации от источника в приемник установлено три пункта-ретранслятора, общее число меток времени равно четырем, а байт У1 будет представлен кодом - 00000100 [78,79].

Для четкого определения наличия меток времени байт поля управления У2 обязательно должен начинаться сигналом «1», остальные разряды кода используются для указания типа сообщения.

Ниже приведен пример использования кодов байта У2:

- 11000000 - признак передачи команд телеуправления,

- 10100000 - признак передачи телесигнализации,

- 10010000 - признак передачи телеизмерений текущих значений параметров,

- 10001000 - признак передачи телеизмерений интегральных значений параметров,

- 10000100 - признак передачи сообщений от устройств защиты и автоматики, цифровых преобразователей, счетчиков и других источников массивов кодовой информации,

- 10000010 - признак передачи диагностической информации,

- 10000001 - признак передачи тестовой информации.

Каждая метка времени (МВ) представляется двумя байтами. При дискретности меток времени, равной 1 мс, максимальное значение времени, определяемого меткой времени, может достигать 32 с. Для примера, на фиг.2е показан код одной метки времени, равный 28+27+23+21+20=395 мсек. Если задержка между моментами приема и ретрансляции информации любым пунктом-ретранслятором не превышает 255 мсек, метка времени может быть однобайтной.

Число байт поля данных (Д) определяется внутренней структурой системы.

Составляющие информационного сообщения, включающие коды АИ, АП, У1, У2, МВ, Д представляются как передаваемый полином и, в соответствии со стандартом, дополняются двухбайтной контрольной последовательностью кода (КПК), которая равна остатку от деления передаваемого полинома на образующий полином - 215+212+25+1.

Введение в состав информационного сообщения кода У1 и независимых меток времени, формируемых каждым устройством, установленным в трассу доставки информации от источника в приемник, позволяют вычислить время «событий», зафиксированных системой телемеханики, без синхронизации времени всех устройств [78,79].

Для этого в приемнике информации фиксируется системное (астрономическое) время в момент приема информационного сообщения. Время возникновения «события» вычисляют вычитанием из зафиксированного системного (астрономического) времени суммы времени, определяемой кодами

меток времени, сформированных источником информации и всеми ретрансляторами сообщения от источника до приемника. Метки времени в источнике и всех ретрансляторах формируется таймером, который включает счетчик импульсов, поступающих от задающего генератора, построенного на базе кварцевого резонатора.

В источнике информации таймер запускается в момент фиксации «события» и останавливается в момент начала передачи сформированного сообщения, а в ретрансляторе таймер запускается в момент начала приема информационного сообщения и останавливается в момент начала ретрансляции информации в канал связи. Метка времени соответствует числу импульсов, накопленных в счетчике таймера. Предложенная структура информационного сообщения обеспечивает точность фиксации «событий» с помощью комбинации меток времени не хуже 1 мс.

На рис.3.3 показано использование одного полудуплексного канала связи для проведения информационных обменов между устройствами А и Б системы управления энергопотреблением.

На рис.3.3 данные, передаваемые по каналу связи устройством А, условно показаны выше горизонтальной оси, а данные, передаваемые устройством Б, - ниже горизонтальной оси. В режиме синхронизации (в паузах между проведением информационных обменов) устройства А и Б попеременно передают в общий для них канал связи «меандры» - коды 10101010. Для предотвращения перекрытий «флагов», передаваемых устройствами А и Б, одно из них определяется как «ведущее» а другое - как «ведомое». «Ведомое» устройство начинает передачу «меандра» после приема «меандра» от «ведущего» устройства.

При переходе какого-то устройства в режим передачи данных (например, устройства Б, как показано на рис. 3.3), в интервале времени, выделенном устройству Б для передачи «меандра», от него в канал связи (вместо «меандра») передается код «флага» 01111110 - признак начала информационного сообщения. После этого попеременная передача «меандров» в канал связи

прерывается до завершения передачи устройством Б информационного сообщения и передачи им синхронизирующего «меандра». Аналогично (не показано на рис.3.3) реализуется передача информационного сообщения устройством А. Показанное на рис.3.3 поле ИНФ соответствует кодам АИ, АП, У1, У2, МВ, Д и КПК (рис.3.2).

Показано, что предложенный способ позволяет использовать для информационных обменов один полудуплексный канал связи и обеспечивает привязку данных к единому времени без синхронизации времени всех пунктов многоуровневой системы.

Флаг АИ АП У1 У2 МВ Данные КПК Флаг

б)

01111110

в) Оххххххх

г) 1ххххххх Оххххххх

д) 0000хххх 1ххххххх

е) 00000001 10001011

Рис.3.2. Структура информационного сообщения

Б

1010101

1010101

1010101 1010101

0111111 ИНФ 0111111 1010101

Рис.3.3. Использование одного полудуплексного канала связи для проведения информационных обменов

3.3 Разработка метода и устройства тактовой синхронизации для магистральных каналов связи

Еще одним важным фактором, который может повлиять на эффективность информационных обменов в АСУПЭ, является тактовая синхронизация. Тактовая синхронизация - это процесс синхронизации работы различных

компонентов системы по времени [80]. Если различные компоненты АСУПЭ работают несинхронно, то это может привести к ошибкам и снижению эффективности системы. Поэтому важно обеспечить правильную тактовую синхронизацию всех компонентов системы, чтобы они работали синхронно и без ошибок

Принципы тактовой синхронизации в АСУПЭ включают следующие:

1. Единый источник тактовых импульсов. Все компоненты системы должны работать от единого источника тактовых импульсов, чтобы обеспечить синхронность работы.

2. Однородность тактовых импульсов. Все тактовые импульсы должны быть одинаковой длительности и формы, чтобы обеспечить точность синхронизации.

3. Передача тактовых импульсов по специальным линиям. Тактовые импульсы должны передаваться по отдельным линиям связи, чтобы избежать помех и снижения точности синхронизации.

4. Контроль точности тактовой синхронизации. Система должна иметь механизм контроля точности тактовой синхронизации и корректировки ее при необходимости.

5. Согласованность скоростей обмена информацией. Скорости обмена информацией между компонентами системы должны быть согласованы, чтобы избежать ошибок и потерь данных. Важно понимать, что правильная тактовая синхронизация является одним из ключевых факторов для обеспечения эффективной и безошибочной работы АСУПЭ. Поэтому необходимо уделить достаточное внимание этому аспекту при проектировании и эксплуатации системы.

Синхронизация между передатчиком и приемником особенно важна в случае, когда они размещены на разных концах канала связи. Перед началом передачи данных необходимо согласовать тактовые сигналы между устройствами, чтобы они работали в одинаковом режиме. Паузы "флагами" между рабочими циклами обеспечивают эту синхронизацию и позволяют устройствам правильно интерпретировать передаваемую информацию [81].

Однако следует отметить, что в некоторых реальных ситуациях применение классического протокола HDLC с заполнением пауз "флагами" может привести к деградации рабочих циклов и снижению эффективности информационных обменов. В таких случаях возможно нарушение установленного временного окна передачи данных или снижение пропускной способности системы.

Однако, если паузы между рабочими циклами содержат большое количество "флагов", это может привести к деградации динамики информационного обмена. Дополнительное заполнение паузы "флагами" увеличивает время передачи данных и может снижать пропускную способность системы.

При проектировании системы передачи данных следует учитывать баланс между достаточным количеством "флагов" для обеспечения страховки и синхронизации, и одновременно обеспечить эффективность и динамику информационного обмена.

Известен принцип инерционной тактовой синхронизация - это метод синхронизации данных, который использует встроенные задержки в схеме для обеспечения правильного совпадения тактовых импульсов. Этот метод основан на использовании задержек, которые возникают при передаче сигнала через элементы схемы, такие как транзисторы или проводники. Задержки могут быть различными для разных элементов схемы, но они остаются постоянными для каждого элемента [82]. Используя эти задержки, можно создать точную задержку между тактовыми импульсами, что позволяет правильно синхронизировать передаваемые данные. Этот метод является одним из наиболее точных и надежных способов синхронизации данных в цифровых системах.

Совпадение частот тактовых генераторов приемника и передатчика также является важным аспектом инерционной тактовой синхронизации. Частота тактовых генераторов должна быть одинаковой, чтобы обеспечить правильное совпадение тактовых импульсов. Если частоты разные, то данные могут быть переданы в неправильный момент времени, что может привести к ошибкам в работе системы. Поэтому важно обеспечить точную синхронизацию частот

тактовых генераторов приемника и передатчика. При этом точное совпадение частот тактовых генераторов приемника и передатчика - задача практически невозможная. В такой ситуации эффективность процедур синфазирования генераторов может быть значительно повышена с помощью нового принципа реализации тактовой синхронизации, разработанного автором диссертации.

Предложенный метод цифровой тактовой синхронизации иллюстрируется схемой рис.3.4, а временные диаграммы - рис.3.5 .

В каждом сеансе коррекции фаза сигнала на выходе формирователя тактовых сигналов приемника - входе 2к счетчика 7 и инвертора 8 сопоставляется с актуальным уровнем такого же входного напряжения генераторов передатчиков, который однозначно определяется по моменту фиксации фронта сигналы, принятого из линии связи после установленного уровня соответствующего сигналу принимаемому из сети. Сигналы, отображающие текущую фазу генератора тактовых импульсов приемника поступают на вторые (О) вход триггеров 1 и 2, а сигналы принятые подаются на третьи( С ) входы.

Динамический диапазон работы устройства синхронизиции ограничивается возможностью используемой элементной базы. Так, если предельная частота работы распределителя равна 107 Гц, а коэффициент инерционности 1и = 32, максимально допустимая частота передачи (приема)

107

данных по линиям связи оказывается равной £п макс =10'32 >30 кГц, что превышает реально требуемые значения. Следовательно, выбором значений цифровых сигналов устанавливается требуемая скорость передачи данных без коррекции параметров устройства синхронизации.

Если уровень помех в канале связи незначителен, то по внешнему управляющему сигналу прибор переходит на ударную синхронизацию, которая задает начальную фазу тактовых импульсов в каждом сеансе коррекции.

Рис. 3.4. Функциональная схема устройства тактовой синхронизации

/т

информ.

инверс

выход 7

выход 1

выход 2

101/

выходы 3

вход 7

м

вход

и.

паузы

выход 7

н

выход 1

п

выход 2

1и/т

р

I

101ПППППП лппппппппппг

выход 4

П.

п.

выход 5

вход 7

ф

П.

п

х

Рис.3.5.Временные диаграммы синхронизации тактовых генераторов

1

1

1

1

о

т

у

На рис.3.6 отражается эффективность принципа заполнения пауз между рабочими циклами не "флагами", а меандрами- поскольку число синхронизирующих сигналов в меандре, передаваемых за то же время, что и "флаг", в 4 раза больше , то соответственно быстрее достигается синфазирование генераторов передатчика и приемника.

флаги

тактовы е

меандр тактовы

е

U(t)

Рис 3.6. Сравнительные диаграммы синхронизации при использовании сигналов флаг и меандр.

t

t

t

t

Оценим возможность увеличения быстродействия передачи и обработки данных для предложенного метода тактовой синхронизации.

Принимая количество функциональных модулей, подключенных к магистрали, равному Кфм , получим выражение для скорости передачи информации при использовании разработанного принципа тактовой синхронизации:

7

/такт (п4 +п5 )х Z П

V =-=--(3 9)

синх 7 ' )

Кфмt1 (Z пг (2+Ри )-2(n4 +п5)+4,41Ъс1)(1 + 0,2рЪе ) i=1

где ^-время передачи бита информации по каналу связи; Д-коэффициент, учитывающий отношение общего числа принятых элементарных сигналов к числу переходов "1"^0" и "0"^>"1"; ри - вероятность передачи информационной посылки, 1и - количество циклов синхронизации.

При использовании стандартного метода синхронизации скорость

передачи информации составит:

/такт (п4 +п5 > Е Пг

устанд = 7

-=-, (3.10)

мфм (ЕЕ п (2+Ри )-2(«4 +"5 )+4,41„Кф )(1+0-2Р' )

1=1

где рсф- поправочный коэффициент для синфазирования " флагами". Преобразуя выражения и подставляя среднестатистические значения параметров, получим выражение для оценки коэффициента повышения быстродействия передачи информационных посылок при использовании разработанного принципа тактовой синхронизации. 7

(Е пг(2 + ри) - 2(п4 + п5) + 4,41ивсф)

к = г =1_да ри ^ (3 11)

кпов такт п ~,лло" ч-^-11/

_ 7 Ри + °-98

( Е пг(2 + Ри)-2П + + 4,41и вс ) г=1

Из (3.11) видно, что использование предложенного метода синхронизации позволяет повысить эффективную скорость передачи информации в 3- 5 раза по сравнению со стандартным.

3.4 Разработка метода спорадической передачи информации о состоянии контролируемых объектов в АСУПЭ.

Наиболее распространённым способом контроля периферийных объектов в АСУПЭ является периодический опрос, который проводится не зависимости от текущего состояния объектов и их изменений в смежные временные циклы (рисунок 3.7). Данный факт приводит к значительному снижению быстродействия информационных обменов. Предложен метод спорадического контроля состояния энергетических объектов в АСУПЭ, в рамках которого опрашиваются только те объекты, которые передали изменили свое состояние и инициировали установку связи с ЦПУ [83].

Спорадический опрос - это метод передачи данных, при котором передача происходит только тогда, когда имеются данные для передачи. В отличие от периодического опроса, где передача происходит регулярно в определенные моменты времени, спорадический опрос позволяет сократить время передачи данных и уменьшить нагрузку на сеть. Однако, при этом может возникнуть задержка в передаче данных, если они не поступают регулярно [84].

Проведем анализ эффективности нового метода передачи информации для магистральных каналов связи. С учетом того, что централизованный опрос должен проводиться в рамках стандартных рабочих циклов передачи данных, в состав центрального пункта управления и каждого устройства связи с объектом вводятся специальные адаптеры для реализации специального режима (АЦО). Вводимые адаптеры экранируют остальные устройства от режима централизованного опроса.

Центр обработки информации (ЦОИ) периодически осуществляет передачу информационных посылок (а) с нулевым адресом, который не присвоен ни одному УСО.

На следующем этапе адаптером формируется посылка (б), при этом в интервалах И1 ... Ип сигналы не передаются . В каждое устройство связи с объектом вводится дополнительный адаптер (ДпА), который реализует прием информации с адресом "0"

Дополнительный адаптер принимает сигналы запроса от любого устройства данного УСО. При поступлении в магистральный канал связи информационная посылка, сформированная УСО, объединяется с сигналами состояния от всех УСО (г) и передается в центр обработки информации (д) [85].

Предположим что, запрос поступил от второго УСО. Центром обработки информации формируется посылка (е), с адресом УСО и признаком установления передачи данных выбранного УСО (режим В). Передатчик преобразует посылку (е) в стандартный вид (ж) , которая воспринимается вторым приемником. От вызванного УСО в канал связи передается итоговая информационная посылка (з).

а)

ЦОИ

б) ЦПУ

в) УСО

г)

МКС

д)

ЦПУ

е)

ЦОИ

ж) ЦПУ

з) УСО

Адрес "0'

режим О

Их

И2

Ип

Ml

FLAG

FLAG

Адрес "0'

режим О

Обработка данных

Адрес "2'

режим В

Ml

FLAG

FLAG

Адрес "2'

режим В

FLAG

FLAG

УСОх УСО2 УСОп FLAG

0000000 1111000 хххх000

D

M1 FLAG FLAG Адрес "0" режим О УСО1 УСО2 УСОп FLAG

0000000 1111000 хххх000

Адрес "0" режим О УСО1 УСО2 УСОп FLAG

0000000 1111000 хххх000

Ml

FLAG

FLAG

Адрес "2'

режим Д

информация

FLAG

Рис. 3.7 Временные диаграммы информационного обмена в режиме спорадического опроса

ЦПУ

МКС МКС ЦПУ

ЦОИ

ЦПУ

МКС

МКС

Рассчитаем эффективность применения разработанного метода спорадического опроса магистральных УСО [85,86] . Рассчитаем среднее время передачи информационной посылки при последовательном способе опроса и

передачи информации (Тпосл_оПр).

Тпосл_опр = ПУСО Тпос_УСО , (3.12)

где Тпос УСО - время одного цикла информационного обмена . Время передачи одного информационного сообщения Тсооб составляет:

Тсооб = п5г!. (3.13)

где п5 -длина информационной посылки.

Перед началом каждой информационной посылки осуществляется передача команды вызова данных (Твызов):

Т

Т вы

([ Е

V г=1

п - п

(3.14)

Считая, что производится опрос 64 контролируемых объектов и данные передаются прямым и инверсным кодом. В этом случае п5= 128 бит, а общая

7

>

г=1

длина посылки- Е п =176 бит. В качестве разделительной паузы используются

либо "флаги", либо меандры, поэтому каждые две посылки (" вызов" и "данные") разделяются паузой длительностью в Тпауз =1. Тогда:

Тпосл опр = пусо (Твызов+Тсооб +2Тпауз)=192 пусо ^1. (3.15)

Для спорадического опроса время цикла информационного обмена при том же количестве УСО составит: