Программно-аппаратный комплекс повышения производительности сетей промышленной автоматизации на основе анализа протокола тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Белковский, Сергей Викторович

• Белковский, Сергей Викторович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белковский, Сергей Викторович

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ FIELDBUS-CHCTEM.

1.1 Введение.

1.2 Этапы развития систем АСУТП.

1.3 Место fieldbus-систем в иерархии сетей.

1.4 Преимущества распределенного управления на основе fieldbus-технологий.

1.5 Основные требования к системам АСУТП.

1.5.1 Требование работы в режиме реально'го'времени.

1.5.2 Требование использования необходимых аппаратных средств.

1.5.3 Требование децентрализованного управления.

1.6 Проблемы функционирования fieldbus-сетей.

1.6.1 Увеличение времени ответа.

1.6.2 Неэффективность программного обеспечения узлов сети. 1.6.3 Реализация аппаратных и программных технологий.

1.6.4 Несовместимость устройств в сети.

А 1.6.5 Изменение размеров блоков и пакетов.

1.7 Обзор существующих fieldbus-систем. Стандарты и протоколы.

1.7.1 Р-NET.

1.7.2 LonWorks.

1.7.3 PROFIBUS.

1.7.4 Е1В.

1.8 Постановка задачи анализа и повышения производительности сетей промышленной автоматизации.

1.9 Выводы.

Глава 2. АНАЛИЗ FIELDBUS-СИСТЕМЫ P-NET.

2.1 Обзор fieldbus-системы P-NET.

2.1.1 Введение.

2.1.2 Уровень 1. Уровень физической связи.

2.1.3 Уровень 2. Уровень связи данных.

2.1.4 Уровень 3. Сетевой уровень.

2.1.5 Уровень 4. Уровень обслуживания.

2.1.6 Уровнь 7. Уровень приложений. 2.1.7 Канал.

2.2 Анализ характеристик fieldbus-системы P-NET.

2.2.1 Базовые характеристики.

2.2.2 Характеристики реального времени.

2.3 Формализация задачи анализа и повышения производительности сетей промышленной автоматизации.

2.4 Пример построения распределенного приложения.

2.4.1 Этапы технологического процесса.

2.4.2 Задачи управления.

2.4.3 Узлы сети. t 2.4.4 Сет ъ управлен ия.

2.4.5 Мониторинг процесса.

4- 2.5 Выводы.

Глава 3. ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ FIELDBUS-СИСТБМ НА ОСНОВЕ P-NET.

3.1 Математическая модель fieldbus-систем.

3.1.1 Системы массового обслуживания.

3.1.2 Построение модели сети P-NET.

3.2 Оптимизация производительности fieldbus-систем.

3.2.1 Задача выбора пропускных способностей.

3.2.2 Задача распределения потоков.

3.2.3 Задача выбора пропускных способностей и распределения потоков.

3.2.4 Задача выбора топологии, пропускных способностей и распределения потоков.

3.3 Выводы.

Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА

ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕТИ P-NET.

4.1 Требования к системам анализа протокола. 4.2 Обзор существующих систем контроля и анализа протокола.

4.2.1 Аппаратная реализация.

4.2.2 Программная реализация.

4.3 Структура комплекса. Схема повышения производительности.

4.4 Модуль анализа протокола.

4.4.1 Захват и фильтрация пакетов.

4.4.2 Представление информации протокола.

4.4.3 Представление статистической информации.

4.4.4 Способы хранения пакетов.

4.4.5 Организация пользовательского интерфейса.

4.4.6 Базовые требования.

4.4.7 Возможности расширения.

0. 4.5 Модуль оптимизации.

4.5.1 Построение виртуальной сети оптимизации.

4.5.2 Нахождение начального реализуемого решения.

4.5.3 Оптимизация.

4.5.4 Построение оптимизированной сети.

4.5.5 Результаты эксперимента.

4.6 Оценка адекватности модели.

4.7 Работа с данными большой размерности.

4.8 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программно-аппаратный комплекс повышения производительности сетей промышленной автоматизации на основе анализа протокола»

На современном этапе развития промышленности нашли широкое применение всевозможные средства автоматизации производственного процесса, контроля и управления. ^ Прежде были широко распространены такие системы автоматизации, которые были созданы для конкретных узких целей. Это Ф не позволяло наиболее полно использовать оборудование и объединять несколько систем автоматизации в одну. Более того, создание нового типа оборудования приводило к необходимости полной замены старой или создания новой автоматизированной системы.

Данная ситуация дала толчок к появлению микропроцессорных систем автоматизированного управления, названных fieldbus-системами, или системами полевых шин. Они характеризуются уходом от концепции иерархического построения управляющих сетей к полной или частичной децентрализации управляющего процесса, более мощными средствами и механизмами, заложенными в их основу, строгой стандартизацией на ♦ уровне центральных межгосударственных организаций, богатыми возможностями совместного использования систем, работающих согласно л различным протоколам [37].

Актуальность работы. Одной из основных задач и целей, послуживших развитию fieldbus-систем, было снижение стоимости самой системы, снижение материальных и временных затрат на установку, настройку и сопровождение. Безусловно эта цель была достигнута.

Однако постоянно растущая сложность современных промышленных процессов и большая стоимость интерактивных испытаний требуют все более производительных промышленных сетей и соответствующих инструментальных средств, предназначенных для их анализа и повышения производительности.

Поэтому разработка инструментального комплекса, обеспечивающего анализ и повышение производительности fieldbus-систем является задачей актуальной.

Постановка задачи. Разработать и исследовать адекватную модель, способ и алгоритмы повышения производительности, а также алгоритмы анализа и диагностики сети промышленной автоматизации P-NET. ¥ Объектом исследования являются распределенные системы управления на основе сетей промышленной автоматизации, полевая шина P-NET, модель, алгоритмы повышения производительности, а также процедуры анализа и диагностики сети P-NET.

Цель диссертационной работы. Целью работы является создание программно-аппаратного комплекса анализа, диагностики и повышения производительности промышленной сети P-NET.

Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:

1. Исследовать распределенные системы управления на основе сетей промышленной автоматизации, определить их преимущества и выделить основные недостатки. т 2. Исследовать сеть промышленной автоматизации P-NET и выделить параметры, влияющие на ее производительность.

3. Разработать математическую модель сети P-NET на основе теории массового обслуживания.

4. Разработать способ повышения производительности сети P-NET на основе предложенной математической модели.

5. Разработать структуру программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности сети PNET.

6. Разработать информационное, программное и прикладное обеспечение комплекса.

Методы исследования основаны на использовании аппарата системного подхода, теории массового обслуживания, теории вероятности и математической статистики, элементов теории вычислительных систем и сетей, технологии программирования и математического моделирования. т

Научная новизна работы заключается в следующем: к

1. Впервые исследованы системы распределенного управления на основе

С fieldbus-систем. Выделены преимущества систем распределенного управления перед централизованным, и проблемы, возникающие при их функционировании.

2. Исследована сеть промышленной автоматизации P-NET. Определены параметры производительности.

3. Предложена математическая модель сетей промышленной автоматизации на основе P-NET с использованием математического аппарата теории массового обслуживания.

4. Разработан способ анализа и повышения производительности промышленных сетей, при котором на основе собранной статистической информации и математической модели сети производится оптимизация производительности промышленной сети. г 5. Разработаны алгоритмы анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET. 6. Предложена методика использования системы анализа и повышения производительности для проведения лабораторных и практических занятий по системам распределенного управления на основе полевых шин.

На защиту автором выносятся следующие научные результаты: - исследованные системы распределенного управления на основе сетей промышленной автоматизации: этапы развития, преимущества децентрализованного управления и мониторинга, основные недостатки и проблемы функционирования;

- исследованная промышленная сеть P-NET: характеристики работы в режиме реального времени, критерии производительности;

- предложенная модель промышленной сети P-NET на основе систем массового обслуживания;

- разработанный способ анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET;

- разработанные алгоритмы и процедуры анализа и повышения производительности сети P-NET;

- разработанная структура программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена корректным обоснованием математической модели, ее наглядной интерпретацией, а также данными моделирования и экспериментальных исследований повышения производительности промышленной сети P-NET.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработан способ повышения производительности промышленных сетей;

- разработан программно-аппаратный комплекс анализа и повышения производительности сети промышленной автоматизации P-NET;

- подготовлена для практического использования методика анализа и повышения производительности распределенных систем управления на основе fieldbus-систем.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы в Центре fieldbus-технологий Пермского государственного технического университета при проведении проектирования и оптимизации систем распределенного управления на основе полевой шины P-NET. Использование программно-аппаратного комплекса, предложенного в данной работе, позволило добиться увеличения производительности сети P-NET почти на 20% и снизить временные затраты на проектирование.

Также результаты работы внедрены в ГП "НИИУМС", НПО "ТИК",

НПО "ВИБРО-ЦЕНТР".

Апробация работы. Научные результаты и основные положения диссертации докладывались на V Международной конференции по системе P-NET (Оксфорд, Великобритания), XIII Уральском региональном компьютерном форуме (Пермь, Россия) и научных семинарах Пермского ГТУ.

Публикации по работе. Научные результаты и основные положения диссертации докладывались на международных конференциях и публиковались в трудах института [10-13, 20, 34, 57].

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 177 страниц, 51 рисунок, 14 таблиц и список т литературы из 74 наименований.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Белковский, Сергей Викторович

4.8 Выводы

Выделены требования, предъявляемые к системам анализа протокола. Произведен обзор существующих систем анализа сетей. Выяснено, что таких систем на сегодняшний день разработано очень мало и среди них нет ни одной, предназначенной для повышения производительности промышленных сетей.

Разработана структура программно-аппаратного комплекса повышения производительности сетей промышленной автоматизации. Данный комплекс реализован в среде Windows98/NT. * Разработан способ и алгоритм повышения производительности сетей промышленной автоматизации.

Проведена оценка адекватности модели на основе экспериментальных данных, полученных при повышении производительности демонстрационной технологической установки. Рассмотрена работа комплекса с сетями большой размерности.

Использование разработанного программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET может оказаться критичным при реализации той или иной системы распределенного управления, особенно там, где требуется малое время реакции, например в непрерывном химическом производстве.

Кроме выгоды, связанной с повышением производительности, данный комплекс поможет существенно сократить сеть, сделав использование некоторых узлов ненужным. Система анализа поможет выявить ошибки в функционировании сети и предотвратить сбои системы управления в целом.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Системы промышленных полевых шин находят все большее применение. Переход от централизованного управления, включающего в себя нестандартные и несовместимые с собой датчики и устройства управления, осуществляется в сторону децентрализованного управления, использующего стандартизированное оборудование. т Размеры предприятия и сложность технологических процессов затрудняют проектирование надежных fieldbus-сетей. Наличие большого числа датчиков резко усложняет топологию. Большая цена ошибки в работе сети для предприятия значительно увеличивает стоимость разработки.

Большую помощь может оказать разработанный программный комплекс анализа и повышения производительности сетей промышленной автоматизации. Он делает возможным не только поиск неисправностей в fieldbus-сетях, но и выбор наиболее удачной топологической структуры сети.

На данном этапе работы разрабатывается новая версия системы анализа и повышения производительности fieldbus-систем, которая будет Ш включать в себя, помимо всего прочего, модуль экспертной оценки, позволяющий напрямую выдавать оценку состояния fieldbus-сети. Предлагается использовать математический аппарат нечеткой логики и статистики.

Кроме того, делаются шаги в строну совместимости программного обеспечения. Система будет эволюционировать в сторону большей открытости, когда другое программное обеспечение, используя, например, стандарт OLE2, будет получать доступ к fieldbus-сети и ко всем функциям анализа и статистики.

В ходе исследований, в процессе проектирования системы и ее разработки были применены и развиты наиболее современные методы проектирования и программирования, выработана технология организации подобных систем, и был получен большой практический опыт.

В работе получены следующие научные и практические результаты:

1. Впервые исследованы системы распределенного управления на основе fieldbus-систем. Выделены преимущества систем распределенного управления перед централизованным, и проблемы, возникающие при их функционировании.

2. Исследована сеть промышленной автоматизации P-NET. Определены параметры производительности.

3. Предложена математическая модель сетей промышленной автоматизации на основе P-NET с использованием математического аппарата теории массового обслуживания.

4. Разработан способ анализа и повышения производительности промышленных сетей, при котором на основе собранной статистической информации и математической модели сети производится оптимизация производительности промышленной сети.

5. Разработаны алгоритмы анализа и повышения производительности

• промышленной сети P-NET.

6. Предложена методика использования системы анализа и повышения производительности для проведения лабораторных и практических занятий по системам распределенного управления на основе полевых шин.

7. В среде Windows98/NT осуществлена программная реализация системы анализа протокола и оптимизации производительности fieldbus-систем на основе P-NET. Применение данной системы позволило на 20% увеличить производительность fieldbus-системы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белковский, Сергей Викторович, 2000 год

1. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкнн Л.Д. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных. - М.: Финансы и статистика, 1983.• 2. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика.

2. Исследование зависимостей. М.: Финансы и статистика, 1985.

3. Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М.: Финансы и статистика, 1989.

4. Анализ сетевых протоколов как метод оптимизации сети. LAN/Журнал сетевых решений, 5/99.

5. Аоки М. Введение в методы оптимизации. Перев. с англ., М.: Наука, 1977-344 с.

6. Артемов С.П. Проблемы автоматизации зданий и производственных процессов. // В кн.: Информационные управляющие системы // Межвузовский сборник научных трудов. Пермь, ПТЕУ, НИИУМС,

7. Башарин F. П., Бочаров П. П., Коган Я. А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Наука. Ел. ред.физ.-мат. лит., 1989 336 с.

8. Башарин Г. П., Ефимушкин В. А., Черпаков А. Б. Локальные сети программируемых контроллеров для гибких производственных систем. // В кн.: системы массового обслуживания и информатика / М., Изд-во УДН, 1987, С.21-20.

9. Белковский С.В. Анализ протокола в системах полевых шин // Теоретические и прикладные аспекты информационных технологий: Сб. науч. тр. / Пермь, ГП НИИУМС, 1999, Вып. 48, С 136-138.

10. Белковский С.В. Концепция полевых шин в распределенных системах управления. // В кн.: Информационные управляющие системы // Межвузовский сборник научных трудов. Пермь, ПТГУ, НИИУМС,1999.

11. Бочков С.О., Субботин Д.М. Язык программирования Си для персонального компьютера. М.: Радио и связь, 1990. - 384 с.

12. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./Пер. с англ. М.: Бином, СПб: Невский диалект, 1998.

13. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания, М.: Наука, 1987.

14. Гнеденко Б.В. Математическая статистика и контроль качества. М.: Знание, 1976.

15. Голинкевич Г. А., Прикладная теория надежности, М.: Высшая школа, 1985.

16. Гуляев В. А., Контроль ЭВМ, К.: Наукова Думка, 1978.

17. Дитрих Д., Лой Д., Швайнцер Г.-Ю. JIOH-технология, построение распределенных приложений / Пер. с нем. под ред. О.Б. Низамутдинова, тех. ред. С.В. Белковский. Пермь: Звезда, 1999. -242с.

18. Единая система управления интеллектуальным зданием //АВОК. -1994.-№3,4-с.21-38.22.3айченко Ю. П. Исследование операций. К.: Вища школа, 1975, 320 с.

19. Ивченко Г.И., Каштанов В.А., Коваленко И.Н. Теория массового обслуживания. М., 1982.

20. Касаткин А. И. Профессиональное программирование на языке СИ. Системное программирование. Мн.: Выш. шк., 1993.

21. Кениг Д., Штойян Д. Методы теории массового обслуживания: Пер. снем. /Под. ред. Г.П.Климова. -М., 1981.

22. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. Том 1. М.: Мир, 1979.

23. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. Том 2. М.: Мир, 1979.

24. Клейнрок JI. Коммуникационные сети. М., 1970.

25. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. Том 1. М., 1979.

26. Липаев В.В., Потапов А.И. Оценка затрат на разработку программных средств. М.: Финансы и статистика, 1988.31 .Матнина Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах, М., 1981.

27. Л 32. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: Архитектура и применение, М., 1992

28. ЗЗ.Нессер Д. Дж. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях. К.:1. Диалектика, 1996. 384 с.

29. Низамутдинов О.Б., Белковский С.В., Артемов Н.И. Концепция построения распределенных ситем управления на основе fieldbus-систем. XIII Уральский компьютерный форум 24-26 ноября 1999г., Пермь.

30. Пол И. Объектно-ориентированное программирование с использованием С++: Пер. с англ. К.: НИПФ ДиаСофт Лтд., 1995. -480 с.

31. Поляк Б. Т. Введение в оптимизацию. М. Наука, 1983 - 384 с.

32. Принципы построения промышленных микроконтроллерных сетей в стандартах Profibus и P-NET / Артемов Н. И., Низамутдинов О.Б., Гордеев М.В. и др. Пермь: ПГТУ, НИИУМС. - 1996.

33. Пфанцагль И. Теория измерений. М.: Мир, 1976.

34. Саати Т.Д. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения: Пер. с англ. /Под. ред. И.Н. Коваленко, М., 1971.

35. Свами М.Н. Графы, сети и алгоритмы. М.: Наука, 1984.

36. Соловьев Г.Н., Никитин В.Д. Операционные системы ЭВМ. М.:1. Высшая школа, 1989 255 с,

37. Страсти по Fieldbus. СТА, 1/99, С.70-71.

38. Теоретические проблемы вычислительных сетей. (Межвузовский сборник). Куйбышев, 1986.

39. Федоров А.Г. Delphi 2.0 для всех. М.: Компьютер Пресс, 1997. - 464 с.

40. Форд JI. Р., Фалкерсон Д. Потоки в сетях. М., 1966.

41. Форсайт Р. Паскаль для всех: Пер. с англ. М., 1982.

42. Фролов А. В., Фролов Г. В. Операционная система Windows 95 для программиста. -М.: Диалог-МИФИ, 1996.

43. Фролов А. В., Фролов Г. В. Microsoft Visual С++ и MFC.

44. Программирование для Windows 95 и Windows NT. М.: Диалог* МИФИ, 1996.

45. Фролов А. В., Фролов Г. В. Microsoft Visual С++ и MFC. Программирование для Windows 95 и Windows NT. (Часть вторая). -М.: Диалог-МИФИ, 1997.

46. Фролов А. В., Фролов Г. В. Программирование для Windows NT. М.: Диалог-МИФИ, 1996.

47. Фролов А. В., Фролов Г. В. Программирование для Windows NT. (Часть вторая) М.: Диалог-МИФИ, 1997.

48. Фролов А.В., Фролов Г.В. Разработка приложений для Internet. Microsoft Visual С++ и MFC. (В среде Windows 95 и Windows NT). М.: Диалог-МИФИ, 1997.

49. Чекатков А. А. Использование Turbo Assembler при разработке программ К.: Диалектика, 1995. - 288 с.

50. Чтобы быть ближе. LAN/Журнал сетевых решений, 10/99, С.50.

51. Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях: Пер. с англ. К.: Диалектика, 1993. - 240 с.

52. Dietrich D. Feldbussysteme. Vorlesungen. ICT Wien 1996.

53. Dietz S., Bielkovsky S., Manninger M., Dietrich D., Nisamutdinov O., Simulation Tools for P-NET based Networks. 5th International Conference on the P-NET Fieldbus System, llth-12th September 1997, Jesus College, Oxford University, England.

54. DIN 19245 German National Standard PROFIBUS, Part 1,2,3.

55. EN 50170 European P-NET Standard.

56. FOUNDATION Fieldbus Application Guide. 31.25 kbit/s Intrinsically Safe Systems, 1996.

57. FOUNDATION Fieldbus Technical Overview, 1996.

58. LonWorks TM Catalog /EuroLon, 1996.

59. LonWorks automation products. PriceList, 1998.

60. Loy D., Bauer A. Protocol Analysis in LonTalk based Networks // TU Wien ICT. 1996.

61. MIB OLE interface for VIGO 4.0 // PROCESS-DATA A/S. 1998.

62. Microsoft Solution Framework. Process Model for Application Development // Microsoft. 1998

63. Microsoft Solution Framework. Team Model for Application Development // Microsoft. 1998

64. Octagon Systems Catalogue. 1998.

65. P-NET Standard // P-NET User Organization ApS. 1992.

66. P-NET Standartized general purpose channel types // P-NET User Organization ApS. 1992.

67. P-NET Catalogue // Process-Data ApS. 1999.

68. PROFIBUS Resource Catalogue. 1997

69. Resource Directory Lonworks Control Network Products & Services. Catalog/Echelon Company, 1996.

70. Tovar E., Vasques F., Engineering RealTime Applications with P-NET. 6th International Conference on the P-NET Fieldbus System, 25th-26th May 1999, Institute of Computer Technology, Vienna University of Technology, Austria

71. Ссылки на информацию в сети Internet:http://www.asu.pstu.ac.ru/cephttp://www.asu.pstu.ac.ru/cep/ppahttp://www.fieldbus.orghttp://www.ict.tuwien.ac.at/lonworkshttp://www.loytec.comhttp://www.microsoft.com/msf