Разработка методов повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления технологическими процессами энергообеспечения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат наук Чжо Зин Лин

• Чжо Зин Лин
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Чжо Зин Лин

Введение

Глава 1. Теоретические исследования возможности повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления энергообеспечением

1.1 Принципы построения автоматизированных систем управления энергообеспечением

1.2. Анализ сфер применения автоматизированных систем управления энергообеспечением

1.3. Огруктура каналов связи АСУЭ для различных сфер применения

1.4. Анализ протоколов канального уровня в АСУЭ

1.5. Постановка целей и задач диссертационного исследования

Выводы по главе

Глава 2. Разработка средств повышения оперативности информационных обменов при использовании протоколов МЭК 60870-5 в автоматизированных системах управления энергообеспечением

2.1. Разработка методики определения реального быстродействия в автоматизированной системе управления энергообеспечением

2.2. Анализ зависимости реального быстродействия системы управления энергообеспечением от структуры центрального контроллера

2.3 Разработка метода формирования системы относительных меток времени

2.4. Разработка способа повышения эффективности использования пропускной способности магистральных каналов связи

Выводы по главе

Глава 3 Разработка средств повышения достоверности информационных обменов в автоматизированных системах управления энергообеспечения

3.2 Разработка устройства ввода и кодирования дискретных сигналов в АСУЭ

3.3 Методика расчета достоверности информационного обмена в системах управления энергообеспечением

Выводы по главе

Глава 4. Экспериментальные исследования эффективности предложенных решений

4.1 Разработка стенда для проведения эксперимента по оценке пропускной способности магистрального канала связи

4.2 Методика проведения эксперимента

4.3 Результаты эксперимента по определению эффективности использования пропускной способности магистрального канала связи

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Приложение

Акты внедрения результатов диссертационной работы

Приложение

Фрагмент листинга программного обеспечения автоматизированной системы управления энергообеспечением

Приложение

Научные достижение автора

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления технологическими процессами энергообеспечения»

Введение

С появлением на рынке систем автоматизированного управления и контроля технологических процессов объектов энергетики большого числа производителей возникла проблема обеспечения совместимости разных устройств в рамках одной системы.

Указанные факторы определяют значительное ужесточение требований к достоверности и оперативности контроля, а также точности измерений технологических параметров электрических подстанций.

Так как «внешняя» совместимость практически полностью определяется реализацией информационных обменов между центральной приемопередающей станцией и контролируемыми пунктами (КП), актуальным стал выбор базового (унифицированного) протокола (БП). При выборе протокола должна учитываться эффективность использования предоставленного канала связи и возможность достижения высокого уровня достоверности информации.

Весомый научный вклад в развитие теоретических основ создания систем автоматизированного управления и контроля в энергетике, принципов повышения их быстродействия, надежности, и достоверности внесли C.E. Shanon [1,2], В.А. Котельников [3], Хэмминг Р.В [4], С.А. Лебедев, Шмидт Д. [5], Золотарёв В.В. [6], R.C. Bose [7], Richardson T. [8], Прангашвили И.В. [9], Митюшкин К.Г. [10], Питерсон У. [11], Касами Т. [12], Блейхут Р. [13], Шастова Г.А. [14], Зюко А.Г. [15], L.D. Grey, E.N. Gilbert, M.I.O. Golay [16], А.А. Харкевич.

Для автоматизированных систем управления энергообеспечением (АСУЭ), которые ориентированы на применение цифровых каналов связи в качестве базового выбран протокол МЭК 60870-5-104 , поэтому актуальным является анализ параметров систем управления энергообеспечением, использующих БП. Так как БП должен учитывать множество вариантов его использования, потери в оперативности передачи информации по каналам связи и достоверности информационных обменов в АСУЭ неизбежны, что делает актуальной задачу их минимизации.

Современные требования, относящиеся к выполнению управления для объектов энергетики достаточно точно и жестко описаны в ГОСТ 26.205 и МЭК 870-4-93: вероятность искажения команды телеуправления не должна превышать 10-14 ; вероятность потери команды телеуправления не должна

превышать 10-14 ; вероятность передачи ложного контрольного сообщения не

12

должна превышать 10- .

Представленные выше требования к достоверности информации и надежности функционирования автоматизированных систем управления энергообеспечением в настоящее время не выполняются, в результате реальный уровень достоверности информации не удовлетворяет требованиям стандартов.

Очевидно, что оперативность и достоверность зависят от решения комплексной задачи - оптимизации программной реализации и аппаратных решений устройств АСУЭ. Однако часто использование БП не связывается с разработкой или доработкой аппаратуры с целью согласования структуры и алгоритма работы составных частей АСУЭ с идеологией БП. Как правило, БП «поддерживается» уже существующими АСУЭ вне зависимости от того, насколько оптимально он реализуется. В результате ожидаемый эффект от унификации информационных обменов практически сводится к нулю.

Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на разработку методов повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления технологическими процессами энергообеспечения при использовании базового протокола МЭК 60870-5.

Объектом исследования является процесс технологический процесс энергообеспечения.

Предметом исследования является возможность повышения оперативности и достоверности информационных обменов в автоматизированных системах управления технологическими процессами энергообеспечения.

Цель работы - разработка теоретических подходов к повышению эффективности использования протоколов МЭК 60870-5, устройств и методов

кодирования и передачи информационных сигналов, в совокупности обеспечивающих повышение оперативности и достоверности информационных обменов в автоматизированных системах управления технологическими процессами энергообеспечения.

Задачи исследований. Для достижения целей диссертационной работы необходимо решение следующих задач:

• провести теоретические исследования возможности повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления энергообеспечением;

• разработать средства повышения оперативности информационных обменов при использовании протоколов МЭК 60870-5 в автоматизированных системах управления энергообеспечением;

• разработать средства повышения достоверности информационных обменов в АСУЭ;

• провести экспериментальные исследования для оценки эффективности предложенных решений.

Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследований составили основные положения теории кодирования информации, теории автоматизированного управления технологическими процессами, теории надежности, принципы конструирования электрических схем.

Научная новизна. При проведении исследований в рамках данной диссертационной работы получены новые научные результаты:

• Предложена методика определения реального быстродействия системы управления энергообеспечением, заключающаяся в учете всех искажений и задержек в процессе передачи данных, в соответствии с которой вероятное время доставки информации от датчиков в приемник в пять раз больше времени передачи одного информационного сообщения по каналу связи.

• Предложена методика оценки влияния структуры устройства

центрального контроллера на реальное быстродействие системы, заключающаяся в анализе и определении необходимого количества буферов передачи информации при использовании протокола информационных обменов по стандарту МЭК 60870-5-104.

• Предложен метод определения реального времени событий, заключающийся в использовании системы относительных меток времени, включая индивидуальные, определяющие временные сдвиги между первым и каждым последующим «событием», а также общую метку для всех «событий», зафиксированных источником информации, обеспечивающий требуемую точность привязки событий к системному времени для любых типов некоммутируемых каналов связи.

• Предложен метод повышения быстродействия информационных обменов для магистральных каналов связи, заключающийся в использовании приоритетного спорадического мониторинга магистральных объектов. Например, при контроле 64 объектов, подключенных к одному магистральному каналу связи, быстродействие возрастает более, чем в 16 раз, а в случае трех магистральных каналов в 9 раз по сравнению со стандартным методом.

• Предложен эффективный метод обнаружения искажений и повышения достоверности информации, заключающийся в совмещении процедур ввода и кодирования информации, обеспечивающий не только достоверную идентификацию состояния объекта, но и обнаружение и идентификацию неисправности (обрыв или короткое замыкание) цепей связи с датчиками.

Теоретическая и практическая значимость результатов, полученных в ходе проведения диссертационных исследований, заключается в разработке методов и средств, которые в составе автоматизированных систем управления энергообеспечением обеспечивают повышение показателей оперативности и достоверности информационных обменов при контроле состояния оборудования электрических подстанций. Предложенные в работе методы и средства можно использовать в системах управления электрическими

подстанциями, тяговыми подстанциями объектов электрифицированных железных дорог, водозаборными и водонасосными станциями, магистральными нефте- и газопроводами, в системах энергоснабжения промышленных предприятий и объектов ЖКХ.

В ходе экспериментальных испытаний пропускной способности каналов связи была подтверждена высокая сходимость с результатами теоретических исследований. Так расхождение экспериментально полученных коэффициентов эффективности с теоретически рассчитанными составило не более 5 %. Была экспериментально подтверждена высокая эффективность предложенной методики приоритетного спорадического мониторинга состояний КП, выражающейся в повышении скорости информационных обменов на 1-2 порядка.

Самостоятельное практическое значение имеют:

• устройство ввода и кодирования дискретных сигналов, в котором для реализации двух этапов опроса и кодирования используются одни и те же узлы, что максимально повышает глубину диагностики работоспособности и достоверность информации, а также оперативность реакции АСУЭ на аварийную ситуацию;

• методика расчета уровня достоверности информационных обменов, учитывающая влияние всех элементов канала передачи данных, в соответствии с которой вероятность необнаруживаемого искажения дискретных сигналов не

19

превышает 10- .

• методика проведения экспериментальных исследований для оценки эффективности использования пропускной способности магистрального канала связи при проведении приоритетного спорадического мониторинга;

• программное обеспечение для формирования команд управления силовым оборудованием электрических подстанций

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов работы подтверждена свидетельством об официальной регистрации программы для ЭВМ № №2014618019. Результаты теоретических исследований,

проведенных в ходе выполнения диссертационной работы, используются в учебном процессе кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета "МИЭТ" в лекционных и практических занятиях по дисциплинам : " Теория систем и системный анализ", " Информационные технологии", "Основы теории информации и кодирования" и включены в отчет «Разработка способов и устройств измерения и управления параметрами силового энергетического оборудования» (шифр "Прорыв").

Достоверность полученных результатов подтверждается хорошим совпадением теоретически рассчитанных и экспериментально полученных данных, что доказывает корректность предложенной автором методологии.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

-разработка методики определения реального быстродействия системы управления энергообеспечением;

-создание методики оценки влияния параметров центрального контроллера на реальное быстродействие и другие параметры устройств системы при использовании протокола информационных обменов по стандарту МЭК 60870-5-104;

-разработка метода определения реального времени событий на основе системы относительных меток времени;

-разработка метода повышения быстродействия информационных обменов для магистральных каналов связи на основе спорадического мониторинга магистральных объектов;

-разработка метода и устройства ввода и кодирования дискретных сигналов состояния силового оборудования электрических подстанций;

-разработка методики расчета уровня достоверности информационных обменов;

-разработка методики проведения экспериментальных исследований для оценки эффективности использования пропускной способности магистрального

канала связи в автоматизированных системах управления энергообеспечением.

На защиту выносятся:

• результаты анализа современного состояния и тенденций развития автоматизированных систем управления энергообеспечением;

• средства повышения оперативности информационных обменов при использовании протоколов МЭК 60870-5 в автоматизированных системах управления энергообеспечением, включая методики определения и оценки влияния структуры устройства центрального контроллера на реальное быстродействие системы, методы формирования системы относительных меток времени и приоритетного спорадического мониторинга магистральных объектов;

• средства повышения достоверности информационных обменов в автоматизированных системах управления энергообеспечения, включая метод обнаружения искажений и повышения достоверности информации, устройство ввода и кодирования дискретных сигналов состояния силового оборудования электрических подстанций, методику расчета уровня достоверности информационных обменов;

• методику и результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности использования предложенных решений в автоматизированных системах управления энергообеспечением.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на Международной научной конференции «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине» (Томск, 2014 г), XVIII Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (СПБГУ, Санкт Петербург, 2014г.), VI Международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и производстве» (ИТНОП-2014, Орел, Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс, 2014 г.), Всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2012- 2018

г.г.), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции "Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2014 -2016 г.г.), 3-ей Международной конференции с элементами научной школы "Актуальные проблемы энергосбережения и эффективности в технических системах". (Тамбов, 2016) , IV Международной научно-технической конференции студентов, молодых ученых и специалистов "Энергосбережение и эффективность в технических системах" (Тамбов, 2017), 3rd International Conference on E-Learning and E-Educational Technology (ICELEET - 2015, Bern, Switzerland -April 12 -13, 2015), Sixth International Conference on Internet Technologies & Applications (Wrexham, North Wales,2015), XLIV Международной конференции " Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе" IT + S&E45 (Гурзуф, 2015 г), Международной конференции "Информационные технологии в науке, образовании и управлении" (Гурзуф, 2015 -2016 г.г.); IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering ( Moscow, MIET, 2017-2018), IEEE NW Russia Young Researches in Electrical and Electronic Engineering Conference (EIConRusNW) (St. Petersburg, 2016), 83rd International Conference on Science, Technology, Engineering and Management (ICSTEM) (Sydney, Australia, 2016), Ivth International Conference on Engineering and Telecommunication (EnT) (IEEE) (Moscow, 2017), Международной научно-практическая конференции «Инновационные, информационные и коммуникационные технологии» (Сочи, 2017).

Публикации по работе. Основное содержание диссертации отражено в 30 опубликованных работах, в том числе 5 статей в ведущих научных журналах, утвержденных ВАК и 7 в материалах конференций, включенных в международную реферативную базу данных SCOPUS. Автором получено свидетельство РФ на программу для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 155 страниц основного текста, 34 рисунка и 6 таблиц, список литературы из 122

наименования, приложения на 25 страницах. В приложениях приведены документы о внедрении результатов диссертационной работы, результаты научных достижений автора, а также фрагменты листингов разработанного программного обеспечения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертационных исследований, формулируются общие проблемы цели и задачи работы, дано научное и практическое значение полученных результатов, рассмотрена структура диссертации и взаимосвязь отдельных глав.

В первой главе обзорного характера проводится исследование возможности повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления энергообеспечением , определяются цели и задачи диссертационного исследования.

Вторая глава посвящена разработке средств повышения оперативности информационных обменов при использовании протоколов МЭК 60870-5 в автоматизированных системах управления энергообеспечением.

В третьей главе проведен анализ влияния протокола МЭК 61850 на достоверность информационных обменов, разработано устройство ввода и кодирования информационных сигналов в АСУЭ, предложена методика расчета уровня достоверности информационных обменов

В четвертой главе представлены методика проведения и результаты экспериментальных эффективности использования пропускной способности магистрального канала связи в автоматизированных системах управления энергообеспечением.

В заключении приведены основные теоретические и практические результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

В приложениях представлены документы о внедрении результатов диссертационной работы; фрагменты программного обеспечения систем, результаты научных достижений автора.

Глава 1. Теоретические исследования возможности повышения эффективности информационных обменов в автоматизированных системах управления энергообеспечением

1.1 Принципы построения автоматизированных систем управления

энергообеспечением

Принципы управления и контроля параметров технологических процессов электрических подстанций отличается сложностью, многозначностью и информационной насыщенностью. Поэтому очевидна необходимость применения для решения указанных проблем специализированных автоматических систем, обеспечивающих сбор, передачу, обработку и отображение информации и осуществляющих функции контроля и управления параметров технологических процессов электрических подстанций [18-19] .

Подобный класс систем получили развитие в электроэнергетике для решения задачи достоверной передачи информации и команд управления по каналам связи от удаленных контролируемых пунктов (КП) на центральный пункт управления, который реализуется в виде центральной приемопередающей станции (ЦППС). Уже на первых этапах развития автоматизированных систем управления энергообеспечением (АСУЭ) одной из главных задач было обеспечение высокой достоверности и скорости передаваемой информации и управляющих команд [20-22].

Необходимо отметить, что увеличение количества выполняемых системой функций за счет сбора и обработки измерительной информации, передачи предаварийной и аварийного информации, а также диагностических данных значительно повысило требования ужесточило требования к достоверности информационных обменов в совокупности с высокой скоростью передачи и обеспечение максимального использования пропускной способности каналов связи и вычислительных ресурсов АСУЭ [23].

Важность развития теоретических основ автоматизированных систем управления энергообеспечением объясняется широким спектром их применения. Если говорить о гражданских объектах, то в качестве примера можно привести электрические подстанции, тяговые подстанции объектов электрифицированных железных дорог, водозаборные и водонасосные станции, магистральные нефте- и газопроводы, системы энергоснабжения промышленных предприятий и объектов ЖКХ [24-25].

Помимо вышесказанного, современные АСУЭ находят широкое применение для контроля и управления энергоснабжения военных объектов . При всем многообразии применения АСУЭ электроэнергетика и в настоящее время является базовой отраслью, поэтому на ее примере и рассмотрим принципы построения и особенности функционирования подобных систем.

В настоящее время все современные виды и модификации АСУЭ, несмотря на очевидные достоинства, не могут в должной степени обеспечить требуемый уровень достоверности и оперативности информационных обменов. В итоге, подобная ситуация часто приводит к отказам аппаратуры, повышению вероятности аварийных ситуаций и аварий, не всегда эффективно используются электроэнергия и другие виды энергоресурсов.

В связи с этим необходимо постоянно увеличивать интенсивность работ по повышению уровня надежности управления и контроля технологических процессов распределенных.

Процесс генерирования, передачи и потребления электроэнергии предполагает использование в данной цепочке трех типов предприятий: генерирующих, передающих и распределяющих электроэнергию.

Примерами предприятий первого типа являются атомные электростанции (АЭС), гидроэлектростанции (ГЭС), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), тепловые электростанции (ТЭС), которые генерируют электроэнергию напряжением до 1150 кВ.

К предприятиям второго и третьего типа можно отнести понижающие подстанции (1111), которые рассчитаны на напряжение 110-400 кВ, и

распределительные подстанции (РП) - на напряжение 6-35 кВ. Передача электроэнергии осуществляется по высоковольтным линиям электропередач (ЛЭП) через цепочку 1111 и РП и на заключительной стадии по отходящим фидерам направляется к потребителям электроэнергии. Обобщенная схема АСУЭ для управления и контроля приведена на рис.1.1 [26,27].

Аппаратура контролируемых пунктов АСУЭ, как правило, устанавливается на распределительных подстанциях и осуществляет автоматический контроль и управление технологическим процессом энергообеспечения распределенных потребителей.

ЦППС концентрирует информационные потоки от КП о состоянии контролируемых энергообъектов и в случае необходимости осуществляет управление исполнительным механизмам энергообъектов и производств для корректировки их состояния.

В набор источников дискретных сигналов на электроподстанциях входят различные датчики [28,29]. Для визуального отображения состояния энергообъектов в состав ЦППС включаются диспетчерские щиты и пульты, а также ЭВМ.

Основными параметрами, характеризующими технологический процесс энергообеспечения ПТЭО, являются значения токов и напряжений во входящих и отходящих фидерах, для измерения которых используются специальные измерительные трансформаторы тока и напряжения [30], сигналы с которых используются в АСУЭ либо для прямых измерений параметров электрической сети, либо в сочетании со вторичными преобразователями выходных сигналов в унифицированные сигналы постоянного тока с нормированным ГОСТом диапазоном изменения 0^5мА, 0^20мА, 4^20 мА, -5-0-+5мА [31].

Входящие

потребители^

потребители^)

\ . потребители потребители

Рис. 1.1. Обобщенная схема АСУЭ

Каждому фидеру подстанции соответствует силовая ячейка, которая включает аппаратуру релейной защиты, обеспечивающую контроль превышения током нагрузки установленного предела, попадание "земли" на любую шину и другие нештатные ситуации. Помимо традиционных защитных функции - аварийного отключения фидера от входной и выходной цепей, также необходима регистрация аварийных событий, реализуемая осциллографами, "записывающими" в память аварийный процесс [32].

Одним из основных элементов силовой ячейки электрической подстанции является коммутационный аппарат, в качестве которого, используются силовые выключатели. Трасса автоматического управления силовым выключателем включает устройство и канал формирования и ввода команд телеуправления. Выходные команды силовыми исполнительными устройствами АСУЭ формируются с помощью блока промежуточных реле (БПР), контакты которых вводятся в цепь формирования команд включения и отключения промежуточных пускателей [33,34].

На подстанциях предусмотрено резервирование питания важных энергообъектов. На фидер таких потребителей может быть подано напряжение не от одного, а от двух (или более) разных источников.

Основные параметры, которые определяют качество технологического процесса энергообеспечения потребителей, являются величины электрических токов и напряжений во входящих или отходящих фидерах, для измерения которых используются измерительные трансформаторы тока и напряжения.

1.2. Анализ сфер применения автоматизированных систем управления энергообеспечением

На рисунке 1.2 показаны сферы практического применения АСУЭ.

Рис. 1.2. Сферы применения систем АСУЭ

Далее рассмотрим их более подробно

Системы управления энергообеспечением для электрифицированных участков железных дорог.

В настоящее время в технологических процессах тяговых подстанций электрифицированных железных дорог широко используется силовое оборудование (контакторы, разъединители, масляные выключатели,

автотрансформаторы и др.), что обусловлено необходимостью преобразования одного вида энергии в другой (электрической, механической, тепловой и др.) [36,37].

Важная роль, которую в настоящее время играет силовое оборудование в системах управления сложными технологическими процессами тяговых подстанций электрифицированных железных дорог делает весьма актуальной задачу надежного и достоверного контроля, управления и высокоточного измерения параметров с целью повышения эффективности энергопотребления и безопасности движения транспортных средств. Предлагаемые системы могут быть использованы при управлении и контроле энергообъектов, прилегающих к железной дороге и находящихся в оперативном управлении энергодиспетчера [35].

Обобщенная схема системы управления электрифицированными участками железных дорог представлена на рисунке 1.3.

Устройства КП устанавливаются на стационарных, передвижных, трансформаторных подстанциях (ТПС), постах секционирования. Зачастую системой управления охватываются объекты прилегающих к железной дороге жилых районов. Для информационного обмена с диспетчерским пунктом (ДП) используются основной (ОКС) и резервный (РКС) канал связи.

Устройства КП вместе с (ДП) объединяются в диспетчерский круг протяженностью до 200 км.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чжо Зин Лин, 2018 год

источника

Внутренние помехи

Неисправность ОЗУ

Внутренние помехи

к и н

Е

и р

п

Внешние помехи в канале связи передатчик-приёмник

Неисправность, внутренние помехи

Компонент системы телемеханики

Датчик состояния объекта

Цепь связи датчика с модулем ввода информации_

источника

кодер

Мультиплексор (коммутатор) модуля ввода информации от

Блок ввода информации в

Формирователь информационного сообщения

Модем - линейный адаптер

Канал связи передатчик -приёмник

Узлы трансляция кода в декодер

Декодер

Формирователь данных для отображения информации

Цепь связи с элементом отображения информации Элемент отображения информации

Рис. 3.2. Обобщённая модель части АСУЭ для формирования, передачи и приёма ТС с учётом реально действующих мешающих факторов

Т

р =р стРо6 /"5 ОЧ

1 иск_строб 1 0 , V3.2/

Т опрос

где Тстроб - длительность сигнала стробирования; Топрос - периодичность опроса датчиков. Обычно применяют: Тстроб = 5 мкс, Топрос = 10 мс .

3

Тогда с учетом Р0 = 10" , получим:

Р =5 1 о-7

Р иск строб 5 10 .

искстроб

Как видно, использование только метода стробирования не обеспечивает достижение требуемого уровня достоверности информации. Естественно, что интегральный показатель достоверности информации всей трассы доставки ТС в приёмник окажется ещё ниже.

Предлагается использовать эффективный метод обнаружения искажений и, соответственно, повышения достоверности информации, который основан на совмещении процедур ввода и кодирования информации . Кодирование ведётся с использованием модифицированного манчестерского кода (ММК), при этом обеспечивается не только достоверная идентификации состояния объекта, но и обнаруживаются и идентифицируются неисправности (обрыв или короткое замыкание) цепей связи контроллера с датчиками ТС. Метод исключает необходимость проведения отдельных процедур кодирования и тестирования (диагностики) [11-13].

Предложенное устройство ввода и кодирования дискретных сигналов (УВКДС) обеспечивает высокую достоверность информации благодаря тому, что в нем схемотехнически обеспечивается опрос состояния датчиков в два этапа, причем опрос совмещается с процедурами кодирования и диагностики

[117].

На рисунке 3.3 приведена схема предлагаемого устройства.

Рассмотрим принцип работы данного устройства. Распределитель 25 переводят в следующую позицию с помощью сигнала, который поступает на его С- вход.

* «такты» «запрос»

«вывод данных»»

«передача»

Рис.3.3. Обобщенная схема устройства ввода и кодирования дискретных сигналов

Длительность одного этапа задается с помощью периода формирования сигнала на С-вход распределителя и задается с помощью счетчика 6.

Для каждого изменения сигнала на 1 -м выходе распределителя на выход первого формирователя 20 поступает импульсный сигнал, который цепочку элементов ИЛИ 27 переводит второй распределитель в начальное состояние. Число тактов, которые составляют один этап работы УВКДС связано с количеством датчиков.

Вторым формирователем импульсов 21 фиксируется возникновение 1 на (т+1) выходе счетчика и формируется импульсный сигнал, поступающий на вход распределителя. Счетчик 6 переходит в исходное состояние, а распределитель в следующую позицию.

Устанавливая сигнал «1» на выходе 1-Р распределителя задается контроль изменения состояния любого датчика.

Цепь протекания электрического тока в первой ветви транзистора 44 зависит от состояния контролируемого в данный временной период датчика. Его номер определяется с помощью комбинации кодовых сигналов, которые формируются входах 1А ... тА мультиплексора 7.

Представим, что контакт контролируемого в рассматриваемый момент времени датчика Д1 замкнут. В этом случае формируется цепь, включающая выход 44 - 51-й элемент - 46-й элемент - выход «В» 7 -го элемента- вход 1И мультиплексора 7 - первый выход узла 1-1 - 33 - Д1 - второй выход блока 1 -переход коллектор-эмиттер 45 - выход «0» источника питания. Поскольку сумма падений напряжения на 7-м мультиплексоре, диоде 33 и замкнутом контакте датчика Д1 ниже порогового напряжения стабилитрона 53 коммутатора 4, по входной цепи третьего коммутатора 4 ток не проходит.

В результате транзистор 52 переводится в нерабочее состояние с уровнем сигнала на его коллекторе соответствующем логической «1». Следовательно, в данном режиме работы УВКДС, когда замкнут контакт датчика сигнала, в этом случае значение сигнала на выходе коммутатора 4 равно 1. В случае разомкнутого контакта датчика указанная выше цепь не формируется. Ток

через транзистор 44 проходит через резистор 51, диод 46, стабилитрон 53, переход база-эмиттер транзистора 52 на выход «0» источника питания.

В итоги транзистор 52 оказывается переведен в рабочее состояние, по его выходной цепи проходит ток, а уровень выходного сигнала коммутатора 4 становится равным «0» (падением напряжения на отпертом транзисторе 52 пренебрегаем).

Аналогично описанному определяется текущее состояние всех датчиков.

В процессе этапа 2-Р записывается текущее состояние датчиков в регистр 9. На входе элемента ИЛИ-НЕ 32 оказывается сигнал 1, что приводит к идентичности формируемых на выходах коммутатора 3 сигналов с сигналами, которые формировались на этапе 1-Р. Сигнал «1» подается на вход ИЛИ 17, поэтому на вход управления (У) регистра 9 подан сигнал «1» с выхода ИЛИ 17, этим сигналом регистр 9 переводится в режим записи информации, счетчик 6 к началу этапа 2-Р установлен в начальное состояние. В результате на втором микротакте каждого такта сигнал от коммутатора 4, повторенный на выходе ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ 31, заносится в выбранную ячейку регистра. Номер ячейки определяется адресными сигналами на входах 1А ... тА мультиплексора и регистра. К моменту окончания этапа 2-Р в регистр 9 оказываются записанными сигналы, соответствующие текущим состояниям датчиков.

На очередном этапе 3-Р устанавливается тайм-аут, который отделяет моменты начальной и повторной записи данных в регистр и уменьшает вероятность искажения информации помехами в цепях связи датчиков с кодером, реализованным на счетчике 6, мультиплексоре 7, коммутаторах 2, 3 и 4, ИСКЛЮЧАЮЩЕМ ИЛИ 31.

Этап 4-Р выделяется для диагностики работоспособности общих и индивидуальных узлов устройства и отсутствия повреждений цепей связи датчиков блока 1 с кодером.

Рассмотрим работу устройства на этапе 4-Р для случая, когда первоначально зафиксировано разомкнутое состояние датчика, т.е. в

соответствующую опрашиваемому датчику ячейку регистра был записан сигнал «0». В этом случае на этапе 4-Р триггер 10 (при считывании сигнала с соответствующей ячейки регистра) оказывается в состоянии «0», И-НЕ 30 оказывается в нерабочем состоянии, а И-НЕ 29 переводится в рабочее состояние. В этом случае, аналогично тому, как это было описано при переводе в рабочее состояние И-НЕ 30, сигналом «0» по второму входу коммутатора 2 переводится в рабочее состояние транзистор 36.

При фиксации разомкнутого состояния датчика и обнаружении неисправности (разрыва) цепи связи датчика с кодером в выделенные для опрашиваемого датчика две ячейки регистра 9 оказываются записанными сигналы «00». Данная ситуация идентифицируется приемником как неисправность, причем по полученным данным определяется номер датчика и тип неисправности.

Аналогично описанному проводится диагностика и повторная запись в регистр информации, полученной для всех датчиков, после чего работа устройства на этапе 4-Р завершается, устройство переходит на этап 5-Р.

Этап 5-Р предназначен для формирования и передачи во внешнее управляющее устройство сигнала «запрос», которым идентифицируется запись в регистр информации, которая должна быть передана приемнику.

Этапы 6-Р и 7-Р выделены для передачи данных, считываемых из регистра 9. Данные сопровождаются управляющим сигналом «вывод данных», который формируется ИЛИ15. На этапах 6-Р и 7-Р на управляющий (У) вход регистра 9 подан сигнал «0», поэтому регистр переведен в режим считывания данных. На адресный вход (т+1)А на этапе 6-Р подан сигнал «0», поэтому информация считывается из ячеек регистра, в которые были занесены текущие значения сигналов от датчиков блока 1. Считываемые из регистра 9 данные на втором микротакте переносятся в триггер 10, с первого (прямого) выхода которого информация подается на выход «данные» устройства. Данные сопровождаются также сигналами «такты» с выхода формирователя импульсов 20.

После того, как был считан сигнал состояния всех датчиков на выходе формирователя 21 образуется сигнал, переводящий распределитель 25 в позицию - 7-Р.

На этапе 7-Р осуществляется вывод информации из ячеек регистра 9, с номерами, сдвинутыми на п позиций по отношению к номерам считывания информации на этапе 6-Р. После передачи сигналов диагностики на выходе формирователя 21 сформирован сигнал, переводящий распределитель 25 в позицию 8-Р.

С выхода 8-Р распределителя сигнал «1» через элемент ИЛИ 19 поступает на Б- вход триггера 12. Сигналом «1» от триггера устройство переводится в начальное состояние, тем самым заканчивается цикл ввода и кодирования дискретных сигналов.

Таким образом, использование разработанного устройства ввода и кодирования дискретных сигналов обеспечивает динамическую диагностику общих для всех датчиков и индивидуальных узлов, что позволяет идентифицировать адрес и вид неисправности.

Недостатком разработанного устройства ввода дискретных сигналов является отсутствие возможности проведения прямого информационного обмена по внутреннему интерфейсу с другим устройством АСУЭ - модулем приема и формирования команд управления. Результатом этого является малая оперативность формирования и выполнения команд управления при возникновении аварийной (нештатной) ситуации.

Это связано с тем, что данные о возникновении аварийной ситуации от устройства кодирования дискретных сигналов от датчиков положения (состояния) объектов через центральный контроллер и линейный адаптер контролируемого пункта (КП) АСУЭ передаются в центральный пункт управления (ЦПУ), где анализируются диспетчером или программой АРМ диспетчера.

Полученные от КП данные используются для формирования сообщения - команды телеуправления, которая по каналу связи ЦППС-КП передается в

КП. Полученное КП сообщение через линейный адаптер и центральный контроллер поступает в блок приема команд, который формирует команды управления исполнительными механизмами. В результате команды аварийного управления поступают на исполнительные механизмы с задержкой, соответствующей суммарному времени выполнения всех указанных промежуточных операций

Задача состоит в повышении информативности устройства и оперативности АСУЭ при фиксации устройством возникновения аварийной ситуации.

Это достигается тем, что в основное устройство дополнительно вводятся постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), триггер, элементы И, НЕ. В ПЗУ при адаптации АСУЭ к условиям применения записываются сигналы, идентифицирующие нештатную (аварийную) ситуацию.

Запись в ПЗУ контрольных сигналов проводится так, что номера ячеек ПЗУ соответствуют номерам датчиков при их опросе и кодировании состояния контролируемых объектов.

Сигналами «1», занесенными в ячейки ПЗУ, идентифицируется аварийная ситуация, причем номера соответствующих ячеек определяют датчики, сигналы от которых свидетельствуют о возникновении аварийной ситуации. Так как считывание данных из регистра - ОЗУ устройства-прототипа и ПЗУ ведется одними и теми же адресными и тактовыми сигналами, обеспечивается синхронизация контрольных и текущих сигналов от датчиков.

Текущие сигналы состояния датчиков формируются триггером 10, который устанавливается в рабочее состояние на третьем микротакте работы основного устройства по сигналам от регистра - ОЗУ 9.

Сравнение текущих сигналов от триггера 10 и контрольных сигналов от ПЗУ ведется на тактах 7 и 8 основного устройства, которые выделены для передачи на выходные цепи текущей информации.

При совпадении «аварийного» сигнала, полученного при опросе состояния датчика, и «аварийного» сигнала от ПЗУ на оба входа элемента И

поступают сигналы «1». Сформированный элементом И выходной сигнал «1» подается на управляющий (Д) вход триггера. На тактах 7 и 8 основного устройства на вход элемента НЕ подается сигнал «1», а образованный на его выходе сигнал «0» деблокирует работу триггера. В результате, в момент фиксации возникновения аварийной ситуации триггер переводится в состояние «1», а на шины внутреннего интерфейса устройства КП поступает дополнительный сигнал «авария».

Через блок внутреннего интерфейса сформированный сигнал «авария» поступает во внутреннюю магистраль и воспринимается всеми модулями устройства КП АСУЭ, в том числе и модулем (устройством) приема команд управления. Поступивший в модуль сигнал «авария» инициирует прием данных, передаваемых устройством кодирования сигналов.

Синхронность поступления сигнала «авария» от дополнительно введенного в устройство триггера и «аварийных» данных от триггера-формирователя выходных сигналов (10) устройства-прототипа позволяет устройству приема команд управления однозначно определить номер датчика, от которого получен «аварийный» сигнал, и без задержки сформировать команду управления для предотвращения развития аварийной ситуации.

Таким образом, повышение информативности устройства кодирования и передачи сигналов позволяет устройству приема команд управления, не дожидаясь реакции ЦППС на аварийную ситуацию, автономно перейти в режим приема аварийных данных и формирования команды управления. В результате оперативность АСУЭ при возникновении аварийной ситуации существенно увеличивается.

На рис.3.4 приведена схема предлагаемого устройства, а на рис.3.5 структурная схема АСУЭ, в состав которого включается предлагаемое устройство.

Устройство обеспечивает поочередное считывание сигналов состояния датчиков положения (состояния) объектов. Процедуры кодирования и

Устройство периодически считывает данные о состоянии датчиков, которые поступают на кодер. Кодер формирует биимпульсный код, отображающий состояние каждого датчика и результат диагностики цепей связи датчика с устройством.

Биимпульсный код формируется на двух этапах кодирования так, что при замкнутом состоянии датчика образуется пара сигналов «10», если цепь связи с датчиком не закорочена, при фиксации короткого замыкания цепи связи кодера с датчиком образуется биимпульсный код «11»; при разомкнутом состоянии датчика формируются биимпульсный код «01», если цепь связи с датчиком не оборвана, а при разрыве цепи связи датчика с устройством формируется биимпульсный код «00».

Информационные обмены устройства с контроллером внутренней магистрали реализуются с помощью набора сигналов интерфейса: «запрос», «такты», «вывод данных» и «данные». Сигнал «запрос» передается в магистраль при появлении в устройстве данных для передачи, т.е. при фиксации изменения текущих и ранее зафиксированных биимпульсных кодов.

Ответный сигнал «вывод данных» от контроллера внутренней магистрали разрешает передачу данных. Кодовая информация, отображающая состояние датчиков телесигналов и цепей связи с ними, формируется регистром - ОЗУ 9 и триггером 10 устройства-прототипа. Сформированное сообщение поступает в шину «данные» с выхода триггера 10 на тактах 7 и 8. Для формирования выходных данных используются сигналы внутреннего интерфейса «такты», которые синхронизируют работу счетчиков и распределителей, разделяющих процедуры кодирования, диагностики и передачи информации на такты и микротакты.

Считывание данных, записанных в ПЗУ, и вывод данных из регистра -ОЗУ основного устройства синхронизированы благодаря подаче одних и тех же сигналов на их адресные шины. Одновременное появление сигналов «1» на

выходах регистра - ОЗУ и ПЗУ означает фиксацию основным устройством аварийной ситуации. Указанные сигналы подаются на входы элемента И. При этом сигнал «1» появляется на выходе элемента И, который подается на информационный вход (Д) триггера.

В рассматриваемом режиме основным устройством реализуется такты «7 и 8» - вывода данных. Сформированный на этих тактах сигнал «1» поступает на вход элемента НЕ, а сигнал «0», образованный на его выходе подается на вход сброса триггера в начальное состояние. Сигналом от элемента НЕ работа триггера деблокируется.

В результате триггер переводится в состояние «1» на третьем микротакте, а на выход предлагаемого устройства поступает дополнительный сигнал «авария», сопровождающий информацию, сформированную устройством-прототипом и отображающую состояние датчиков. Сигнал «авария» вместе с другими интерфейсными сигналами ретранслируются блоком внутреннего интерфейса в общую внутреннюю магистраль КП и становится доступным блоку приема команд управления.

Одновременное поступление в блок приема сигнала «авария», сформированного триггером, и сигнала «1» в сформированном основным устройством информационном сообщении, идентифицируется блоком приема и формирования команд управления как возникновение аварийной ситуации. По номеру датчика, от которого получен аварийный сигнал, блок формирует команду управления исполнительным механизмом.

На рисунке 3.5 иллюстрируется повышение оперативности АСУЭ в целом благодаря новой структуре предлагаемого устройства. Система состоит из устройств ЦППС и КП. Каждое устройство КП включает центральный контроллер внутренней магистрали, с помощью которого формируются сигналы внутреннего интерфейса устройства.

Внутренний интерфейс объединяет все включенные в состав КП устройства (модули, блоки, контроллеры). Для примера на рис.3.5 показано включение в состав КП устройств (модулей) ввода и кодирования дискретных

телесигналов (УВКДС), приема и формирования команд телеуправления (УПФКУ). Контроллер внутренней магистрали КП периодически опрашивает наличие информации в модулях-источниках для передачи ее в ЦПУ или ретранслирует в модули-приемники информацию, полученную от ЦПУ. Для информационных обменов КП с ЦППС используются модемы, входящие в состав линейного адаптера.

ЦППС

АРМ диспетчера

Рис.3.5 Обобщенная схема АСУЭ, включающей УВКДС

Тип модема определяется видом канала связи (8). Данные, полученные ЦПУ от КП, обрабатываются и визуализируются с помощью программного обеспечения ПЭВМ АРМ диспетчера.

Структура ЦППС аналогична указанной для КП. Контроллер внутреннего интерфейса ЦППС периодически опрашивает включенные в его состав линейные адаптеры. Принятая от КП информация считывается контроллером из линейных адаптеров и направляется в ПЭВМ АРМ диспетчера.

При необходимости передачи в КП информации, полученной от диспетчера, контроллер внутренней магистрали направляет полученные от ПЭВМ данные в линейный адаптер, подключенный к линии связи с соответствующим устройством КП.

Структура предлагаемого устройства без изменения общей структуры ИУТК обеспечивает повышение оперативности реакции ИУТК на аварийную ситуацию. Для этого используется дополнительный сигнал «авария», который синхронизирован по отношению к кодовому сообщению, отображающему сигналы состояния датчиков. Номер датчика, от которого поступил аварийный сигнал, определяется по совпадению моментов поступления сигналов «авария» и «1» в кодовом сообщении от предлагаемого устройства кодирования и передачи. При фиксации указанных событий устройство приема и формирования команд управления АСУЭ переводится в режим приема «аварийной» информации и формирования команды управления соответствующим исполнительным механизмом без необходимости трансляции данных в ЦППС.

Таким образом, повышение информативности данных, сформированных предлагаемым устройством, обеспечивает повышение оперативности реакции АСУЭ на нештатную (аварийную) ситуацию без снижения достоверности информации как при вводе и кодировании данных от датчиков сигналов состояния объектов контроля, так и при формировании команд управления исполнительными механизмами.

Определим достоверность ввода и передачи дискретных сигналов при использовании предложенного метода и устройства.

При расчёте достоверности, т.е. вероятности не обнаруживаемого искажения информации, учитываются параметры всех узлов трассы доставки данных от датчика до приёмника - элемента отображения (например, монитора ПЭВМ АРМ диспетчера) [118-121].

Оценим количественное значение достоверности информации для случая:

- формирования модулем модифицированного манчестерского биимпульсного кода, который в неизменном виде вводится в информационную часть сообщения,

- формирования модулем компонентов рабочего цикла, включая дополнительные компоненты, повышающие помехозащитные свойства информационного сообщения в целом.

Расчет достоверности ввода и передачи дискретных сигналов проведем при следующих начальных условиях, определяющих структуру рабочего цикла (информационной части сообщения) БП [118]: п1 - код идентификации адреса КП - два байта;

п2 - код идентификации типа информационного сообщения - два байта, п3 - информационное поле - от 0 до 64 байт,

п4 - поле защиты, контрольная последовательность кода - два байта.

Считая искажение каждого компонента информационного сообщения независимым, определим вероятность искажения всего сообщения как сумму вероятностей для отдельных составляющих:

рТС _ рТС , рТС , рТС , рТС /о

Р необ иск Р ввод+ Р ег + Р тип + Р защ. , V3.3/

ТС

где Р ввод - не обнаруживаемые искажения при вводе и одновременном кодированием для образования модифицированного манчестерского биимпульсного кода;

тс

Р тип - вероятность не обнаруживаемого искажения кода идентификации типа сообщения;

ТС

Р защ - вероятность не обнаруживаемого искажения контрольной последовательности кода.

Вероятность не обнаруживаемого искажения информации при вводе и одновременном кодировании:

Р ввод =ЯРповтор Риск_строб (1 — Риск_строб) ' (3.4)

где Рповтор - условная вероятность такого воздействия помехи при повторном искажении вводимого дискретного сигнала, которое противоположно воздействию при первичном искажении;

Я- число разрядов кода, равное числу датчиков дискретных сигналов,

Р1

иск _ строб

Г Т \2

р Т строб Р0 ~ ^ Топрос у

(3.5)

где Р0 - вероятность однократного искажения из-за воздействия «мешающих» факторов (помех);

Тстроб - длительность сигнала стробирования сигнала от датчика; Тц. стр - дискретность стробирования сигналов от датчика; В (3.5) введен множитель Я, а не число сочетаний двойных искажений, так как для модифицированного манчестерского биимпульсного кода контроль

пар сигналов проводится отдельно

о

иск _ строб

п>_о

При (1 - Риск строб) " ^1 получим:

рТС _ р

1 ввод Я

Г т \2

р т строб Р0 ~ ^ Топрос

Рповтор • (3.6)

Использование двухбайтной контрольной последовательности обеспечивает получение кодового расстояния 4.

-ТС

с

рТС1 _ 1 ввод

Т?Р2 Р

О повтор

\

V

Т

строб

Т

V опрос у

2 Л

С4

(3.7)

Учитывая длину кодов идентификации адреса КП, типа информационного сообщения и контрольной последовательности циклического

кода, получим показатель

ТС ТС ТС

1 ег + 1 тип + 1 защ

Р4 (с4 + с 4 + с4 )

РО \С16 + с16 + с16/•

г

ТС

1 необ иск

ЯР2 Р

О повтор

\

V

Т

строб

Т

V опрос у

2 Л

С4 + Р4 (с4 + с4 + с4 )

Сп + РО \с16 + с16 + с16/•

(3.8)

(3.9)

Подставляя числовые значения имеем:

1о=10'4, Я=32, Тстроб=510'6 с, Топрос =10'2с, 1повтор=0,5, получим

~рТС ^ /т 7 гу13

1 необ иск~ 6 10

Результирующее значение удовлетворяет наиболее жестким рекомендациям стандарта, причем оно практически полностью определяется вероятностью искажения дополнительных компонентов информационного сообщения, что делает актуальным использование более защищенных кодов идентификации адреса КП и типа сообщения.

При оценке интегрального показателя достоверности следует учесть, что все модули трассы доставки информации от модуля - источника до приемника практически являются простыми ретрансляторами и не влияют на формат информационного сообщения.

Следовательно, интегральный показатель достоверности

ТС тс

информационных обменов (РИНТ) можно представить суммой 1 необ иск и

суммой вероятностей не обнаруживаемых неисправностей всех модулей трассы доставки информации от модуля - источника до приемника [121]:

•рТС _ рТС .'V-' рнеиспр4 ¡-ч-

РИНТ 1 необ иск + ^ Рг с,

г =1

ТС

4

4

т

4

Г 7\4

' С ГТ1 Л2 >

ЯР1 Р

О повтор

V

Т

строб

Т

V опрос у

(\ т 4

С6+С6+с4)+ XРГпр с4, (3.1О)

I=1

где ртиспр - вероятность возникновения однократной неисправности элемента 1-го модуля,

С4 - число сочетаний по четыре элементов 1-го модуля,

д -число элементов в ¡-м модуле.

Показатель «4» устанавливается с учетом минимального кодового расстояния формируемого информационного сообщения.

Приняв рнеиспр =10-6, д=512, ¡=5, получим

Ринг ~610-13+0,0310-13 ~ 6,0310-13 .

Таким образом, интегральное значение показателя достоверности информации при использовании предложенного метода и устройства оказывается значительно лучше требований стандарта.

Однако, использование предложенного метода кодирования и ввода информационного сообщения приводит к увеличению вдвое времени съема информации от датчиков и длины информационного сообщения.

Рассмотрим влияние указанных факторов на быстродействие канала ввода-вывода дискретных сигналов, которое определим по времени динамического контроля наличия «события» (Тдин.контр):

Тдин.контр Я (Тстроб + Тком + Тзап) , (3-11)

где Я - число объектов, состояние которых контролируется одним модулем; Тстроб- время стробирования входного сигнала,

Тком - время переходного процесса при коммутации входных сигналов, Тзап - время записи полученного сигнала в ОЗУ.

Примем, для примера, параметры «типового» модуля: Я = 32, Тстроб =

Тком 5 10 С, Тзап 2 10 С*

Тогда

Тдин.контр 3,84 ' 10 С.

Минимальное время дискретности (минимальное время фиксации изменений состояния контролируемых объектов, при котором данные должны сопровождаться различными метками времени) не менее 10" с, что превышает потерю времени на проведение динамического контроля при вводе информации.

Следовательно, использование модифицированного манчестерского биимпульсного кода не приводит к выбегу за пределы требуемых динамических параметров узлов ввода информации [119].

Увеличение длины информационного сообщения, передаваемого в канал связи (при заданной и ограниченной скорости передачи), эквивалентно использованию для передачи ТС двухэлементной информации и, в принципе, может привести к снижению быстродействия доставки данных приемнику по сравнению с методом представления данных одноэлементными сигналами. Предложенный метод может сочетаться с технологическими методами повышения быстродействия, например, объединением параметров в подгруппы по технологическому принципу.

По результатам анализа реального достижимого значения параметра построен график (рис. 3.6), показывающий зависимость коэффициента снижения быстродействия от числа событий, «попадающих» в одно информационное сообщение

Ч

Рис.3.6. Зависимость коэффициента снижения быстродействия от числа событий, «попадающих» в одно информационное сообщение

111

Из рисунка 3.6 видно, что для наиболее вероятного числа событий д<8, снижение реального быстродействия не превышает 5%.

Таким образом интегральный показатель достоверности информации при формировании компонентов информационных базового протокола модулями-источниками значительно превышает требования стандартов.

Далее проведем анализ уровня интегральной достоверности информации при формировании информационного сообщения общим для всех модулей контроллером. Для анализа используем приведенную на рис.3.7 модель трассы доставки информации от датчиков (например, ТС) до канала связи КП - ЦППС.

Датчики 1...П

Цепи связи с модулем

Модуль Внутренний Модуль Канал

ввода -р интерфейс —^ ввода —►

Внутренние помехи

Рис.3.7. Модель трассы доставки информации ТС в канал связи

Внешние помехи в цепях связи датчиков с модулем приводят к искажениям информации. Вероятность искажения любого сигнала РЦсскв. равна

Т

• Ро •-

строб

Т

(3.12)

цикл

где Я- число датчиков, подключенных к модулю,

Р0 - вероятность единичного искажения сигнала помехами в цепях связи датчиков с модулем;

Т

строб

Т

- отношение времени стробирования сигнала от датчика к циклу

цикл

опроса сигналов.

-рмод _ ^ « рмод /о -I

Рнеиспр Р неиспр ' V3-13/

1

где X - интенсивность отказа (неисправности) любого элемента аппаратуры и программы модуля,

Р МеОдпр - вероятность появления не обнаруживаемого искажения из-за

неисправности любого элемента аппаратуры и программы модуля.

Аналогично определим вероятности появления не обнаруживаемых

искажений из-за внутренних помех РВНисПр и неисправностей аппаратуры и программы центрального контроллера Р™^ :

Рвн =Я^ Ринт (3 14/

Р неиспр Р неиспр' ( - '

к

-рконтр_ V"1 пконтр р1 /о -I

Р неиспр ' ' 4 неиспр ' у3-15/

1

где Я - число сигналов, передаваемых по внутреннему интерфейсу (принято равным числу датчиков, подключенных к модулю),

РиТпр - вероятность искажения сигнала во внутреннем интерфейсе,

Х°нтр - интенсивность отказов (неисправностей) аппаратуры и программы контроллера,

РКитр - вероятность появления не обнаруживаемого искажения из-за неисправности аппаратуры и программы контроллера.

Рнеиспр - вероятность возникновения неисправности 1-го модуля

аппаратуры или 1-го элемента программы контроллера.

Считая все указанные события независимыми, получим выражение для определения не обнаруживаемого искажения в трассе от датчика до канала связи

Т т к

рсум = К. ро . + . р:одпр + р. р=пр + £ Лконтр • Р1неиспр . (3.16)

1 цикл 1 1

Примем значения параметров, входящих в (3.16), идентичными принятым ранее:

Я=32, Ро=10-4, Тстроб = 10-6 с, Тцикл=10 -3 с, Я? = Л-онтр =10-6,

рмод = ринт = р1 =ю -8 т=103

1 неиспр 1 неиспр 1 неиспр ' '

Подставляя начальные условия в (3.16), получим:

Рисум =3,210-6+ 10'11+3,210'7+10'11 -310-6 .

Видно, что при формировании информационного сообщения, включая элементы защиты данных от помех и других искажений, центральным контроллером устройства КП вероятность появления не обнаруживаемых искажений в трассе доставки информации от датчиков до канала связи значительно превышает допустимые значения, оговоренные в стандарте.

Таким образом, на примере реализации канала ТС показана возможность эффективного использования БП при корректном выполнении аппаратуры устройств КП и ЦППС. Показаны также риски при введении БП в устройства, не учитывающие его особенности.

Вывод. Применение предложенного метода и устройства ввода и кодирования позволяет обеспечить достижение требуемого высокого уровня интегральной достоверности ТС в АСУЭ. Для реализации описанной методики в сервисы протокола МЭК 61850 необходимо ввести возможность передачи сигнала состояния объекта двумя битами и описания функции ТС всеми четырьмя рабочими комбинациями, отображающими данные одного объекта контроля («включён» - »отключён» - «короткое замыкание цепи связи с датчиком» -«обрыв цепи связи с датчиком».

Выводы по главе 3

1. Предложен эффективный метод обнаружения искажений и повышения достоверности информации, который основан на совмещении процедур ввода и кодирования информации, при этом обеспечивается не только достоверная идентификации состояния объекта, но и обнаруживаются и идентифицируются неисправности (обрыв или короткое замыкание) цепей связи с датчиками.

2. Предложено устройство ввода и кодирования дискретных сигналов, в котором для реализации двух этапов опроса и кодирования используются одни и те же узлы, что максимально повышает глубину диагностики работоспособности и достоверность информации, а также оперативность реакции АСУЭ на аварийную ситуацию.

3. Предложена методика расчета уровня достоверности информационных обменов, учитывающая влияние всех элементов канала

передачи данных, в соответствии с которой вероятности необнаруживаемого

12

искажения дискретных сигналов не превышает 10- -

4. Проведенный анализ зависимости быстродействия от количества изменений состояния датчиков при использовании предложенного метода кодирования показал незначительное снижение реального быстродействия.

4.1 Разработка стенда для проведения эксперимента по оценке пропускной способности магистрального канала связи

Наиболее сложной задачей является обеспечение эффективности использования пропускной способности каналов передачи и приема данных при использовании магистральной структуры каналов связи. Показатель эффективности для указанного типа канала связи косвенно характеризует работу системы управления и для других типов каналов связи. Поэтому в данной методике упор делается на проведении эксперимента для магистрального канала связи.

Эффективность использования пропускной способности каналов связи будем определять по величине максимальной задержки передачи информации -команд управления, изменений состояния контролируемых объектов, выбега измеряемых параметров за пределы зоны нечувствительности (апертуры)

Экспериментальная проверка эффективности использования пропускной способности проводилась на стенде, представленном на рисунке 4.1.

Схема стенда учитывает необходимость передачи большого числа команд

17

телеуправления (10 ) в приемлемое для проведения эксперимента время.

Для этого в стенде реализован трехканальный блок приема и вывода команд управления на трех независимых модулях телеуправления (МТУ) и трех сопряженных с ними блоках промежуточных реле (БПР).

Контакты промежуточных реле, подключаемые в реальных системах к исполнительным механизмам - выключателям, пускателям, разъединителям, по цепи информационной обратной связи стенда подключаются к входам блока ввода дискретных сигналов МДС.

Благодаря тому, что в БПР выделяется по два переключающих контакта для сопряжения с одним исполнительным механизмом, в стенде каждый

ПЭВМ с рограммой проверки ТУ. ТС

^

п ч тз

О)

ь сг X О"

т:

О) X О)

ь п ш :q

U X

Г)

Подключение к источнику 220В постоянного или переменного напряжения МИП -модуль источника питания -

Сопряжение с ПЭВМ стенда, управление внутренней магистралью KAM 1- контроллер внутренней магистрали. Сопряжение с ПЭВМ ю

Сопряжение с КП по магистральному или радиальному каналу связи KAM 2- модуль линейного адаптера, ретранслятор OJ

Модуль ввода дискретных сигналов от контактов БПР или от имитатора МДС - модуль ввода дискретных сигналов

БПР - блок вывода сигналов управления механизмами через блок промежуточных реле № 1 МТУ № 1- модуль приема и вывода команд телеуправления

БПР - блок вывода сигналов управления механизмами через блок промежуточных реле №2 МТУ №2- модуль приема и вывода команд телеуправления о\

БПР - блок вывода сигналов управления механизмами через блок промежуточных реле №3 МТУ №3- модуль приема и вывода команд телеуправления

Присоединение 4-х КП к «ЦППС» по магистральному каналу связи М4А четырехканальный линейный адаптер для магистрального канала связи 00

В приведенном варианте стенда ТС, формируемые контактами реле БПР, поступают в МДС, который формирует информационные сообщения при фиксации каждого изменения сигнала «от датчиков». Данные от МДС по внутренней магистрали подаются в КАМ 1, который ретранслирует информацию в ПЭВМ.

ПЭВМ поочередно ретранслирует полученные данные в разные каналы четырехканального линейного адаптера М4А, который используется в данном эксперименте как четыре «виртуальных КП», подключенных к общей для них магистрали. Магистраль соединяет линейные узды М4А с линейным узлом дополнительного КАМ 2, который выполняет роль приемо-передатчика ЦППС. После завершения ввода данных в М4А, ПЭВМ формирует команду централизованного опроса и направляет ее в дополнительный модуль КАМ 2. КАМ 2 передает команду в магистральный канал связи. Команда синхронно поступает во все входные узлы М4А.

Один из каналов, ранее принявший информацию от ПЭВМ, в цикле централизованного опроса формирует признак готовности к передаче данных.

Приняв признак готовности, ПЭВМ (после завершения цикла централизованного опроса) формирует команду вызова данных от «активного виртуального КП», подключенного к магистрали.

Для увеличения загрузки магистрального канала связи, в команду централизованного опроса вводятся избыточные байты для опроса 20 КП. Из общего числа КП только четыре могут выдать активный сигнал готовности.

Данные от М4А через КАМ 2 поступают в ПЭВМ, которая контролирует соответствие данных, полученных от МДС и принятых от выбранного «виртуального КП» магистрали.

По соотношению информационных сигналов от «КП магистрали» к общему числу сигналов в магистрали, определяется коэффициент эффективности использования пропускной способности канала.

В наиболее широко использованных системах управления типа «ЛИСНА» и аналогов таких систем все устройства КП (от 1 ...20) одного

«диспетчерского круга» подключались к одному магистральному каналу связи, разделенному на 20 разнесенных по частоте узкополосных каналов связи. Это эквивалентно поочередной работе КП, использующих весь диапазон частот канала связи. Таким образом, при допустимой скорости передачи информации по проводному каналу связи длиной до 150 км, равной 200 Бод, реальная скорость передачи оказывается не более 30 Бод [122].

В таком варианте коэффициент эффективности использования пропускной способности канала связи (Кэф) оказывается равным

30

КЭФ = — = 0,15 . (4.1)

200

4.2 Методика проведения эксперимента

Также распространена методика поочередного (циклического) предоставления магистрального канала связи каждому КП в других системах управления.

Рассмотрим эффективность проведения предложенного в работе метода приоритетного спорадического мониторинга. Можно считать, что время одного «стандартного» цикла (Тстцикл) приема данных от всех (^ КП, подключенных к одной магистральной линии связи, равно:

Тст.цикл N ' Тпос.кп , (4.2)

где

Тпоскп - время передачи посылок - информационных сообщений при обмене данными между одним КП и центральной приемо-передающей станцией (ЦППС), определяемое , как:

Тпос.кп Т пос.инф + Твызов , (4.3)

где Т пос.инф - время передачи одного информационного сообщения, равное:

п

т =_п__(4 4)

пос.инф ' V • /

ртакт

где Етакт - частота передачи данных по каналу связи,

п - число бит в информационной посылке.

При циклической передаче данных, традиционно используемой для магистральных каналов связи, в каждом цикле обмена данными передается информационное сообщение независимо от фиксации «событий для передачи» - изменений состояния объектов контроля или выбега измеряемых параметров за пределы зоны нечувствительности.

Каждой информационной посылке от КП предшествует передача от ЦППС команды вызова данных от выбранного КП (Твызов), поэтому можно (без учета пауз между посылками) определить время полного цикла «стандартной» системы (Тст.полн ) по формуле:

Тст.полн N ' (Твызов + Тпос.инф)- (4-5)

Для примера приведем все посылки к стандартному виду:

= Ф + Акп + РР + ИП + ПЗ + Ф

1 вызов гр ' ( • )

РТАКТ

где Ф - «флаг», однобайтный (двухбайтный) маркер начала и однобайтный маркер окончания посылки;

АКП - однобайтный (или двухбайтный) адрес КП;

РР - однобайтный идентификатор установленного режима работы;

ИП - информационное поле посылки длиной от 0 до 256 байт;

ПЗ - двухбайтное поле защиты - контрольная последовательность циклического кода (остаток от деления передаваемого полинома на образующий полином для используемого циклического кода).

Передаваемый полином объединяет все компоненты сообщения, начиная от Акп •

Посылка вызова информации включает следующие компоненты: Ф, АКП, РР, ПЗ, Ф, т.е. состоит из шести байт

Тогда время передачи посылки вызова составит:

Т = ^ • (4.7)

вызов гр \ /

РТАКТ

Т = 16 х 8 (48)

1 пос.инф гр ■ ( • /

РТАКТ

Без учета паузы между посылками вызова и информации суммарное время получения данных от N КП окажется равным

Т = . (4.9)

ст.цикл гр у 7

РТАКТ

В качестве разделительной паузы между информационными посылками используются либо «флаги», либо «меандры» - однобайтные или двухбайтные посылки с чередующимися сигналами «1» и «0», поэтому (при однобайтном меандре) каждые две посылки (вызов и данные) разделяются паузой,

2 х 8

длительностью Тпауза = -.

РТАКТ

грполн гр _176 N +16 1

Т ЦИКЛ Т ст.цикл +1 пауза гр • ( • )

РТАКТ

Алгоритмической и структурной особенностями предлагаемого метода повышения эффективности использования пропускной способности канала связи является введение циклов «спорадического мониторинга» КП, подключенных к одной магистрали. В пределах цикла «централизованного опроса» от всех КП одной магистрали поступают коды-идентификаторы заявки на передачу данных. По результату опроса ЦППС реализует циклы вызова и получения данных только от «активных» КП.

При проведении эксперимента предусматривалось ужесточение реальных условий - обеспечивалось изменение состояния контролируемых объектов (появление заявки на обслуживание) на одном...трех КП, подключенных к магистрали.

Таким образом, время одного цикла приема и обслуживания заявок от N КП в испытуемой системе (Т исп) равно:

Тисп Тмонитор. +3- (Твызов + Тпос.инф + 2 ТпаузыХ (4.11)

Ф + АПЕНТР + РР + ИП + ПЗ + Ф т =_ЦЕНТР__(4 12)

монитор г-, ' V /

гТАКТ

Ацентр - однобайтный централизованный (широковещательный) адрес, воспринимаемый всеми КП.

В информационном поле выделяется по одному байту для подачи заявки от КП. Таким образом, время цикла спорадического мониторинга для N КП равно:

Т = 8 X (5 + N)

монитор т-, ' V /

гТАКТ

Тогда:

_ 8 X (5 + N) + 3(6 X 8 + 22 х 8 + 2 х 8) _ 720 + 8N

Т ИСП = ^ = ^ • (414)