Синтез алгоритмов обработки информации с использованием виртуальных интерфейсов в составе преобразовательных элементов сети передачи данных тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Буданов Алексей Николаевич

• Буданов Алексей Николаевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Буданов Алексей Николаевич

Сокращения

Введение

1 ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ В ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1 Типовой состав газотранспортной системы и правила её технической эксплуатации

1.2 Технологический процесс автоматизированного управления линейной частью магистрального газопровода

1.3 Обзор типового программного обеспечения для организации автоматизированного управления технологической системой передачи данных

1.4 Технологическая система передачи данных, особенности построения и анализ типовых устройств согласования интерфейсов

1.5 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

2 СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ДАННЫХ

2.1 Требования к виртуальному интерфейсу и его связям c СУ ТСПД

2.2 Классификация виртуальных интерфейсов

2.3 Метод разработки виртуального интерфейса

2.4 Выбор среды имитационного моделирования для разработки каналов и элементов технологической системы передачи данных на основе виртуальных интерфейсов

2.5 Разработка виртуальных интерфейсов

2.6 Разработка вспомогательных компонентов, необходимых для моделирования каналов передачи данных

2.7 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

3 ПОСТАНОВКА ИМИТАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

3.1 Разработка модели аналогового канала передачи данных на основе ВИ

3.2 Разработка модели цифрового канала передачи данных на основе ВИ

3.3 Планирование имитационного эксперимента

3.4 Организация имитационных экспериментов на основе имитационной модели цифрового и аналогового каналов передачи данных

3.5 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

4 ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

4.1 Архитектура устройств транспорта сигналов управления для интеграции алгоритмов виртуальных интерфейсов

4.2 Метод автоматизированного управления транспортным оборудованием на основе виртуальных интерфейсов

4.3 Управление конфигурацией элементов ТСПД

4.4 Предоставление канала передачи данных для организации управления газопроводом

4.5 Применение алгоритмов виртуальных интерфейсов для разработки программных модулей управления оборудованием транспорта сигналов управления

4.6 Применение виртуальных интерфейсов в смежных областях науки

4.7 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИИ А

ПРИЛОЖЕНИЕ A.1 (Виртуальный интерфейс «ИКМ Tx»)

ПРИЛОЖЕНИЕ A.2 (Виртуальный интерфейс «ИКМ Rx»)

ПРИЛОЖЕНИЕ A.3 (Виртуальный интерфейс «Ethernet»)

ПРИЛОЖЕНИЕ A.4 (Белый шум)

ПРИЛОЖЕНИЕ A.5 (Импульсный шум)

ПРИЛОЖЕНИЕ A.6 (Гармонический шум)

ПРИЛОЖЕНИЕ A.7 (Источник аудио сигнала «*.wav»)

ПРИЛОЖЕНИЕ A.8 (Аналого-цифровой преобразователь)

ПРИЛОЖЕНИЕ A.9 (Цифро-аналоговый преобразователь)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (БВИ Телеком)

ПРИЛОЖЕНА В (Свидетельство о регистрации БМК)

ПРИЛОЖЕНА Г (Акт внедрения в технологический процесс)

ПРИЛОЖЕНА Д (Свидетельство о регистрации ПО СУ)

ПРИЛОЖЕНИЕ Е (Акт внедрения в учебный процесс)

Сокращения

БМК - Библиотека моделей компонентов

БВИ - Библиотека виртуальных интерфейсов

ВИ - Виртуальный интерфейс

ВИПД - Виртуальный интерфейс передачи данных

ВИПС - Виртуальный интерфейс преобразования сигналов управления

МАРС - Моделирование и автоматический расчет систем

ПЛК - Программируемый логический контроллер

СТО - Стандарт технической организации

СТУС - Сложные технические устройства и системы

СУ - Система управления

ТСПД - Технологическая система передачи данных

ТУТС - Телеуправление и телесигнализация

УПС - Устройство преобразования сигналов

УТС - Устройство транспорта сигналов

УСИ - Устройство согласования интерфейсов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез алгоритмов обработки информации с использованием виртуальных интерфейсов в составе преобразовательных элементов сети передачи данных»

Введение

Сегодня трудно представить отрасль газовой промышленности без системы управления (СУ), состоящей из целого набора специализированных инженерно-технических комплексов, обеспечивающих контроль процесса добычи, транспортировки и переработки природного газа.

В состав инженерно-технических комплексов входит технологическая система передачи данных (ТСПД) состоящая из элементов преобразования информационных сигналов управления, отвечающего за обеспечение надежного взаимодействия между программным обеспечением СУ, программируемым логическим контроллером (ПЛК) и объектом управления. Следовательно, надежность функционирования системы управления технологическими процессами в газовых предприятиях имеет прямую зависимость от функционирования элементов ТСПД, которая нуждается не только в качественной эксплуатации, но и требует организацию соответствующих автоматизированных систем управления (СУ) для ТСПД.

Так как современное развитие технологических систем передачи данных стремится к глобализации, т.е. к созданию единого информационного пространства, единой унифицированной системе и стандартов обмена информацией, а также внедрению новых технологий в важные сферы деятельности общества, следовательно, проблема согласования взаимодействия разнородных СУ с элементами ТСПД через устройства преобразования информации, является актуальной задачей, и для газотранспортных предприятий, позволяющей обеспечить работоспособность всей вертикали СУ предприятий газовой промышленности.

При этом увеличение количества программных средств для СУ влечет за собой рост количества устройств преобразования информации и устройств согласования интерфейсов (УСИ). Данное преобразовательное звено оказывает негативное воздействие на процесс развития уже существующих систем управления технологическими объектами, так как технологии систем управления постоянно совершенствуются, следовательно, для обеспечения взаимодействия требуется либо замена всего комплекса СУ, либо установка дополнительного преобразовательного звена.

Основная задача данного исследования направлена на исключение преобразовательного звена из контура управления технологическими объектами, а так как данная функция является необходимой для обеспечения функционирования СУ, следовательно, предложено реализовать её в составе элементов ТСПД в виде виртуального интерфейса.

Данный метод согласования взаимодействия объектов управления, элементов передачи данных и СУ между собой оказывает прямое влияние на надежность организации автоматизированного управления процессами на предприятиях газовой промышленности.

В настоящее время отмечается достаточно высокий уровень развития фундаментальных исследований в области преобразования информационных данных, посвященных таким аспектам, как: проектирование систем управления, Костин А. Ю. [1]; управление услугами Яковлев С. В. [2]; управление нагрузкой в каналах связи Федотов А. А. [3]; разработка многофункциональных устройств, Янчук Е. Е. [4], определены множество стандартов, описывающих технологии управления и сами структуры систем передачи данных [5-10]. В этом направлении известны работы: Гребешкова А. Ю.[11-14]; Гольдштейн Б. С. [15]; Самуйлов К. Е. [16]; Дов-гого С. А. [17].

Однако, анализ данных источников показал, что в них недостаточно полно освещены вопросы взаимодействия элементов преобразования информации с разными типами программно-аппаратных комплексов систем управления объектами газовой промышленности, которая обладает рядом отличительных особенностей от традиционных систем управления, где оконечными устройствами являются комплексы исполнительных механизмов, предназначенных для управления, например, газотранспортной системой [18].

Согласно анализа конструктивных особенностей элементов ТСПД и систем управления объектами, определены следующие недостатки:

1) у каждого 1-го элемента Е или сегмента ТСПД S, образованного на типовых

элементах (8=[Е1,Е2,... ,Еп], п - количество элементов), имеется обособленный программный комплекс СУ, поставляемый разработчиком данных элементов;

2) так как все элементы и сегменты имеют точки пересечения в местах перераспределения сигналов управления, а также объединены системой диспетчерского управления (СДУ), т.е. (81 и 8 2 и 8к) П СДУ, следовательно, происходит дублирование векторов информационных сигналов I в точках пересечения 8, и, как следствие, в каждом программном обеспечении СУ ТСПД [19], что усложняет определение неисправного участка ТСПД;

3) при добавлении новых объектов в ТСПД требуется установка дополнительных устройств согласования интерфейсов, обеспечивающих интеграцию объектов в существующей СУ.

Данные недостатки напрямую влияют на коэффициент надежности и готовности элементов передачи данных [8], а также, на время определения неисправного узла в системе управления.

Особую важность при определении эффективных методов управления технологическими объектами, через транспортные элементы ТСПД, приобретают способы согласования взаимодействия УТС с СУ ТСПД через интерфейсы передачи данных, так как именно от степени их реализации зависит эффективность функционирования СУ предприятия.

Выделенные недостатки стали главной задачей при определении актуальности предложенной темы диссертационного исследования, основанного на теории моделирования сложных технических устройств и систем (СТУС), примененной к объектам и системам управления объектами газовой промышленности.

Объектом исследования является система управления технологическими объектами в газовой промышленности.

Предметом исследования являются элементы сети передачи данных, предназначенные для преобразования информации с целью организации взаимодействия между технологическим объектом и системой управления.

Цель исследования

Повышение эффективности системы управления технологическими объектами газовой промышленности путем синтеза алгоритмов преобразования данных входящих в виртуальные интерфейсы.

Задачи исследования

1. Провести сравнительный анализ существующих систем управления и характеристик устройств преобразования данных (УПД) для выявления факторов, влияющих на организацию взаимодействия между объектом управления и элементами передачи данных.

2. Выполнить синтез типовых алгоритмов преобразования входящих в виртуальный интерфейс для преобразования векторов информационных сигналов в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.

3. Разработать модели типовых элементов передачи данных, обеспечивающих взаимодействие управляемых объектов и системы управления.

4. Разработать и провести экспериментальные исследования модели системы управления технологическими объектами на основе виртуальных интерфейсов в составе элементов передачи данных.

Научная новизна

1. Выполнен синтез типовых алгоритмов преобразования данных в виртуальные интерфейсы, позволяющие произвести отображение векторов информационных сообщений в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.

2. Разработаны модели типовых преобразовательных элементов в составе сети

передачи данных на основе виртуальных интерфейсов, позволяющие получить необходимый способ представления информации как для контроллеров технологических объектов, так и систем управления.

3. Построена и исследована модель системы управления на основе виртуальных интерфейсов, позволяющая организовать взаимодействие контроллеров технологических объектов и систем управления без дополнительных аппаратных устройств преобразования данных.

Теоретическая значимость

Теоретическая значимость результатов диссертационной работы заключается в совершенствовании методов повышения эффективности и эксплуатации ресурсов технологической сети передачи данных, качества обслуживания её элементов и надежности их эксплуатации в составе СУ газотранспортных и газодобывающих предприятий.

Предложенные автором, алгоритмы и компьютерные модели виртуальных интерфейсов развивают методы управления конфигурацией элементов сети передачи данных в рамках теории автоматизированного управления технологическими объектами газовой промышленности.

Практическая значимость

1. Предложенные модели виртуальных интерфейсов позволяют обеспечить независимость объектов управления от типа коммуникационного оборудования, обеспечивающего их взаимодействие с программно-аппаратными комплексами систем управления в газовой промышленности.

2. Синтез алгоритмов преобразования в виде виртуальных интерфейсов позволяет организовать систему управления технологическими объектами независящую от технологии обработки и преобразования данных.

3. Часть предложенных алгоритмов преобразования данных в составе ВИ защищена свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, что способствует повышению конкурентоспособности устройств, преобразования, обработки и передачи

данных, производимых в РФ.

4. Результаты работы внедрены в сеть диспетчерского управления технологической сетью передачи данных ООО «Газпром трансгаз Томск» в виде программного комплекса для управления волоконно-оптическими мультиплексорами, о чем свидетельствует акт внедрения.

5. Компоненты библиотеки виртуальных интерфейсов БВИ «Телеком» для среды моделирования МАРС внедрены в процесс обучения студентов кафедры моделирования и системного анализа, по дисциплине «Телекоммуникационные системы» что подтверждается актом внедрения.

Методологическая и теоретическая основа

В ходе диссертационного исследования были использованы элементы моделей и методов теории компонентных цепей, теории передачи информации, теории передачи данных, теории радиотехники и электроники.

При решении практических задач использовались методы математического и имитационного моделирования.

В качестве инструментария для решения практических задач использовались программы: расчета параметров электрических схем Multisim, среда моделирования и автоматического расчета систем (МАРС), язык программирования С++ в среде Microsoft Visual Studio 2012, программное обеспечение Agneco SNMPc, предназначенное для мониторинга состояния сетевых элементов и управления ими.

Защищаемые положения

1. Синтез типовых алгоритмов преобразования данных в виртуальные интерфейсы, позволяющие произвести отображение векторов информационных сообщений в последовательность цифровых первичных и вторичных сигналов.

2. Модели типовых преобразовательных элементов в составе сети передачи данных на основе виртуальных интерфейсов, позволяющие получить необходимый

способ представления информации как для контроллеров технологических объектов, так и систем управления.

3. Модель системы управления на основе виртуальных интерфейсов, позволяющая организовать взаимодействие контроллеров технологических объектов и систем управления без дополнительных аппаратных устройств преобразования данных.

Достоверность результатов

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается строгостью используемых методов моделирования СТУС, совпадением результатов имитационных испытаний c требованиями, предъявляемыми к каналам и технологической системы передачи данных. Все разрабатываемые алгоритмы автоматизированного управления конфигурацией элементов ТСПД и программные модули тестировались путем проведения циклов замкнутого моделирования в СМ МАРС.

Апробация работы и публикации

Основные теоретические результаты, а также результаты прикладных исследований и разработок докладывались и получили одобрение на:

- Молодежных, научно-практических конференциях ООО «Газпром трансгаз Томск», г. Томск, 2009, 2011, 2013 гг.;

- Международной научно-методической конференции, ТУСУР, г. Томск, 2011 г.;

- Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, ТУСУР, г. Томск, 2011 г.;

- Международный молодежный форум «Engineers of future», г. Иркутск, 2011 г.;

- Конференция ученых, руководителей, специалистов и студентов, г. Новый Уренгой, 2012 г.;

- Всероссийский конкурс «Телеком идея», г. Москва, 2012 г.;

- Новые технологии газовой промышленности. Моделирование, автоматизация и управление. РГУ нефти и газа им. Губкина г. Москва, 2013 г.;

- Конференция молодых ученых и специалистов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», г. Екатеринбург, 2012, 2013 гг.;

- Международный технологический конгресс SITOGIC, г. Горно-Алтайск, 2013 г.

Результаты выполненных исследований и технических разработок, связанных с темой диссертации, изложены в 2 журналах, входящих в перечень ВАК, в сборниках и трудах международных конгрессов, всероссийских конференциях опубликовано 12 печатных работ. Получены 2 авторских свидетельства на программное обеспечение Роспатент Российской Федерации.

Личный вклад автора

Постановка задач и разработка концептуальных положений диссертации выполнена совместно с научным руководителем д.т.н., профессором Дмитриевым В.М.

Автором осуществлялась: теоретическая разработка и обоснование основных идей и положений исследуемого вопроса автоматизированного управления технологической сетью передачи данных; организация и разработка алгоритмов виртуальных интерфейсов, постановка имитационных экспериментов; апробация и реализация результатов исследования. Основная алгоритмическая структура ВИ для преобразования сигналов телеуправления и телесигнализации выполнена совместно с доцентом, к.т.н. Ганджа Т.В.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 14 приложений. Общий объем работы составляет 179 страниц, 75 рисунков, и 100 использованных источников.

В первой главе

Проведен анализ диссертационных исследований и литературных источников, который показал, что в составе технологического процесса организации эксплуатации магистрального газопровода присутствует система управления транспортировкой газа, основу которой составляют устройства передачи данных, отвечающие за надежную доставку команд управления от СУ до программируемых логических контроллеров, входящих в состав контрольных пунктов телемеханики. При этом определено, что в контуре системы управления ТСПД присутствуют устройства преобразования данных и согласования интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие устройств транспорта сигналов управления с СУ ТСПД. Предложено реализовать функции устройств согласования в виде виртуальных интерфейсов, которые интегрируются в состав управляемого оборудования в виде программы, что влечет за собой изменение архитектуры элементов ТСПД.

Во второй главе

Определены требования к виртуальным интерфейсам, которые обеспечивают функции ^-преобразования векторов информационных сигналов, а также организацию каналов технологической системы передачи данных, путем Q2-преобразования первичных и вторичных электросигналов. Выделены четыре класса виртуальных интерфейсов, основными из которых являются ВИПС и ВИПД. Выполнена разработка виртуальных интерфейсов на основе последовательности действий, организованных в виде автоматизированного алгоритма, позволяющий реализовать объекты заместители устройств согласования интерфейсов, входящих в контур управления СУ ТСПД. На основе полученных имитационных моделей типовых виртуальных интерфейсов и вспомогательных компонентов сформирована библиотека «Телеком» для среды имитационного моделирования МАРС.

В третьей главе

Выполнена разработка моделей аналогового и цифрового каналов передачи данных организованных на основе виртуальных интерфейсов, с целью проверки их алгоритмов ^-преобразования, а также работоспособности вспомогательных компонентов, которые образованы на основе случайных процессов (шумов), возникающих в каналах передачи данных. Выполнена постановка пошагового имитационного эксперимента. Доказана работоспособность, приведенных во второй главе, алгоритмов ^-преобразования виртуальных интерфейсов, а также методов управления элементами ТСПД путем проведения тестирования имитационных моделей каналов передачи данных, образованных на основе ВИПД.

В четвертой главе

Рассмотрена архитектура элементов ТСПД, разрабатываемых на основе современных микропроцессорных устройств, в состав которых входит центральный процессор и физические порты ввода/вывода информации. Данная архитектура является основой физической архитектуры разрабатываемого типа оборудования для преобразования, согласования и передачи информационных данных. Разработан алгоритм автоматизированного управления конфигурацией элементов ТСПД. Рассмотрено внедрение виртуального интерфейса в первичной и вторичной технологической системе передачи данных с целью организации СУ газотранспортной системой. На основе алгоритмов виртуальных интерфейсов, разработано программное обеспечение для СУ ТСПД. Рассмотрена модель организации системы управления объектами в газовой промышленности на основе виртуальных интерфейсов.

1 ПРОБЛЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ В ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1.1 Типовой состав газотранспортной системы и правила её технической эксплуатации

Согласно стандарта технической организации ОАО Газпром [20], регламентирующего правила эксплуатации магистральных газопроводов, современная газотранспортная система (ГТС) представляет собой сложный, территориально распределенный, многофункциональный объект, а также является совокупностью взаимосвязанных газопроводов и сопутствующих им сооружений, предназначенных для обеспечения газом потребителей [21], основными составными частями которой являются:

- линейная часть магистрального газопровода (ЛЧ МГ), объединяющая компрессорные станции в единую газотранспортную систему для передачи газа от газовых промыслов к потребителям газа;

- компрессорные станции (КС), предназначенные для увеличения производительности магистрального газопровода за счет повышения давления газа на выходе станции путем его сжатия с помощью газоперекачивающих агрегатов;

- подземные хранилища газа (ПХГ), предназначенные для регулирования неравномерности газопотребления, связанной с сезонными колебаниями спроса на природный газ, а также для образования в основных газопотребляющих районах оперативного и стратегического резервных запасов для поддержания стабильности поставок газа.

- газораспределительные станции (ГРС), предназначенные для редуцирования газа при его поставке газораспределительным организациям, коммунально-бытовым и промышленным потребителям с заданным давлением, расходом, необходимой степенью очистки, одоризации, учетом расхода газа, и, при необходимости, контроля качественных показателей;

газоизмерительные станции (ГИС), представляющие собой самостоятельный технологический объект магистрального газопровода, который устанавливают на линейную часть и предназначен для измерения количественных и качественных показателей природного газа;

- электроустановки, предназначенные для производства, преобразования, передачи, распределения электрической энергии [22];

- системы и средства автоматизации технологических процессов, телемеханизации, метрологии и передачи данных, предназначенные для организации СУ добычи, транспорта и подготовки газа.

КУ-3.2 КУ-4.1

КУ-4.2

ПРС 3

ПРС 4

ГРС X КС №2

КУ-2.5

КУ-2.6

м

п

КУ-ГИС

канал связи

Подземное хранилище

КП ТМ №2

Я

ОРС 4 КУ-23А АКУ"21 УРС 2

КУ-ГКМ

^КУ-1.2

ОРС 5

ВОЛС

АСУТП

КС №1 4 ЛПУ МГ

ПРС 1

КУ-1.1

Диспетчерский пункт

Рисунок 1.1 - Технологический процесс транспортировки газа Типовая схема процесса транспортировки газа, организованная на основе перечисленных выше составных частей газотранспортной системы, представленная на рисунке 1.1, включает: ЛЧ МГ; компрессорные станции - 4 шт.; контрольные

пункты телемеханики (КП ТМ) - 2 шт.; ГРС; ГИС; линейно производственное управление магистральным газопроводом (ЛПУ МГ); программные комплексы СУ, взаимодействующие с крановыми узлами (КУ) через программируемые логические контроллеры (ПЛК), которые располагаются в составе КС, ГРС, ГИС, КП ТМ.

Каждый из представленных объектов магистрального газопровода нуждается в обеспечении их элементами ТСПД, в частности для крановых узлов, находящихся в близи компрессорных станций не требуется значительных технических ресурсов на организацию каналов передачи данных, однако сами компрессорные и газораспределительные станции представляют собой сложные комплексы, для которых необходимы каналы передачи данных, обеспечивающие взаимодействие СУ станций, с контроллерами, измерительными приборами, датчиками и исполнительными механизмами [23]. Однако, для крановых узлов, расположенных вдоль линии магистрального газопровода, организуются соответствующие КП ТМ, для организации взаимодействия с которыми необходимы комплексы систем передачи данных, состоящие из транспортного оборудования ТСПД.

Эксплуатация магистрального газопровода является неотъемлемой частью технологического процесса транспорта газа, которая производится в течении всего периода жизни МГ с момента приёма-передачи его в эксплуатацию, после выполнения строительных работ. Основными задачами при этом, согласно правил технической эксплуатации МГ [24], являются:

- обеспечение надежной работы оборудования;

- достижение максимальной эффективности эксплуатации газопровода;

- модернизации газопровода, внедрение новой техники и научной организации производства и труда;

- повышение производительности труда, снижение себестоимости транспортировки газа;

- защита окружающей среды;

- повышение квалификации, распространение передовых методов производства и опыта новаторов, развитие рационализации и изобретательства.

Необходимо отметить, что эксплуатация технологических систем передачи данных (ТСПД) также является неотъемлемой частью эффективной эксплуатации газопровода, которая выделенная в разделе №8 правил эксплуатации МГ [24], как составной объект СУ.

В данном диссертационном исследовании затронут вопрос оптимизации использования ресурсов ТСПД, входящей в состав СУ и представляющей собой совокупность следующих транспортных объектов (рис. 1.1):

- узловая радиорелейная станция (УРС),

- промежуточные радиорелейные станции (ПРС),

- волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС),

- кабельная линия связи (КЛС).

Задача ТСПД заключается в обеспечении надежного взаимодействия программного обеспечения СУ и программируемых логических контроллеров, управляющих технологическими механизмами, а также в обеспечении гибкости предоставления каналов передачи данных для организации взаимодействия с вновь вводимыми (дополнительными) управляемыми объектами магистрального газопровода, в том числе при проведении профилактических и ремонтно-восстановитель-ных работ. Для организации качественного и оперативного взаимодействия СУ с ПЛК, технологическая система передачи данных оборудована соответствующей автоматизированной системой управления, позволяющей выполнять параметрическую настройку и контроль оборудования транспорта сигналов управления.

Необходимо отметить, что ТСПД строится вдоль линии магистрального газопровода, обеспечивая каналами передачи данных все производственные объекты.

Таким образом СУ ТСПД является неотъемлемой частью СУ магистрального газопровода, и от ее эффективной эксплуатации зависит надежность поставок газа потребителям.

1.2 Технологический процесс автоматизированного управления линейной частью магистрального газопровода

Автоматизация и телемеханизация всех технологических сооружений магистральных газопроводов — важнейшие задачи по повышению надежности и экономичности их эксплуатации [25,26], включающая автоматизацию: КС, ГРС, линейной части МГ и саму систему линейной телемеханики газопровода.

Согласно представленного обзора данного в статье «Обеспечение функций сбора информации и телеуправления на объектах магистральных газопроводов» [27], где сделан основной акцент на развитие устройств транспорта сигналов управления, представлены схемы взаимодействия верхнего и нижнего уровней СУ («верхний» уровень - программно-аппаратные комплексы СУ, а «нижний» уровень - программируемые логические контроллеры, управляющие электроприводами, например, запорных кранов) через технологическую систему передачи данных. А также указана необходимость развития данных систем, так как имеют прямое влияние на взаимную интеграцию многоуровневых СУ, время обработки команд управления, выявление аварийных ситуаций на МГ и т.д.

Однако, в исследованиях [28-31], связанных с автоматизированным управлением магистральным газопроводом, не рассматривается ТСПД как объект обеспечивающий взаимодействие устройств управления магистральным газопроводом (УУМГ) через каналы передачи данных с устройствами управления крановым узлом (УУ КУ), а также влияющий в первую очередь на надежность доставки сигналов управления. В том числе количественный составе элементов ТСПД имеет прямое отношение к стоимости затрат на проведение автоматизации МГ.

Рассмотрим в качестве примера технологический процесс управления процессом транспортировки газа с учетом взаимодействия устройств управления линейной части МГ через оборудование технологической системы передачи данных с устройствами управления кранового узла (рис. 1.2), состоящий из следующих основных объектов:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Буданов Алексей Николаевич, 2015 год

Источник

wav)

FXS

Б2

риемник

/---

ВИПД FXS

Источник

2У

КТ-3

ВИПД FXO

4У

Шум ],

УТС-3

2У

ВИПД FXO

УПС-4

Рисунок 3.2 - Схема аналогового канала передачи данных где: КТ - контрольные точки для измерения уровня остаточного затухания; V -вольтметр; ES1 - источник периодического сигнала; Шум - макрокомпонент, образованный на основе компонентов п(0, с(0 и(рис. 3.3).

в)

Рисунок 3.3 - Вспомогательный макрокомпонент Шум (а), панель управления

макрокомпонентом (б), графический образ (в) В схему, представленную на рисунке 3.2, дополнительно введен макроком-

понент «Шум» (рис. 3.3), который вносит в канал передачи данных мультипликативные помехи, выраженные в виде: флуктуационного, гармонического и импульсного сигналов.

Для управления макрокомпонентом «Шум», разработана соответствующая графическая панель (рис. 3.3б), посредством которой оказывается влияние на процесс проведения экспериментов, а именно на параметры полезных электро-сигна-лов, в канале передачи данных, посредством включения/выключения необходимых источников помех.

Рисунок 3.4 - Имитационная модель канала аналогового канала на основе ВИ Схема организации канала передачи данных между СУ и ПЛК (рис. 3.1) реализована в среде моделирования и представлена в виде имитационной модели (рис. 3.4), состоящей из виртуальных интерфейсов ВИПД FXS, ВИПД FXO и дополнительных компонентов: «Шум», полосовой фильтр ^1, F2), источник сигнала из аудио файла <^АУ1».

В данной имитационной модели введено два макрокомпонента «Шум», которые оказывают независимое влияние на энергетические связи между, ВИПД FXS/FXO, что позволяет приблизить канал 4У к реальным условиям эксплуатации.

3.2 Разработка модели цифрового канала передачи данных на основе ВИ

При организации взаимодействия составных частей комплекса СУ на основе цифровых каналов передачи данных за частую применяется оборудование канало-образования [77], выполняющего роль мультиплексора, при этом схема, представленная на рисунке 3.1, для организации взаимодействия СУ с ПЛК остается неизменной в части количества преобразовательных элементов, однако, в элементах Q2 и Q3, необходимо использовать цифровой интерфейс G.703.

Данный тип виртуального интерфейса является одним из самых распространенных в цифровых технологических системах передачи данных при организации взаимодействия, удалённых друг от друга на большом расстоянии, ПЛК систем телемеханики с СУ транспортом газа через цифровой канал ПД в независимости от типа среды передачи (радиоканал, волоконно-оптический или кабельный).

Для реализации имитационной модели цифрового канала передачи данных, необходимо образовать виртуальный интерфейс G.703 из компонентов, входящих в состав БВИ «Телеком», таких как ИКМ Rx и ИКМ Тх (рис. 3.5а).

ВИПД G.703 ВИПД G.703

Рисунок 3.5 - Внутренний состав мультиплексора (а), метод тестирования интерфейсов Тх и Ях

путем установки локального шлейфа (б) Однако такое представление усложняет схему имитационной модели, следовательно, на основе методик измерений, разработанных в [77,78], для проверки работоспособности виртуальных интерфейсов, необходимо выполнить операцию «шлейфования», т.е. физическое соединение между собой интерфейсов ИКМ Тх и ИКМ Ях (рис. 3.5б).

При таком подключении количество переданной информации через интерфейс ИКМ Тх равно полученной информации на интерфейсе ИКМ Ях.

Измерительный прибор NT LT

Шлейф

Сеть связи

Рисунок 3.6 - Схема измерений Здесь: NT - сетевое окончание (Network Termination); LT - линейное окончание (Line Termination).

Вид измерения цифрового канала с остановкой канала передачи данных, предложенный Власовым И.И. [77], выполняется при помощи соответствующего измерительного прибора (рис. 3.6), который формирует и анализирует псевдослучайный цифровой сигнал, введенный во все канальные интервалы, следовательно, таким образом имитируется занятость всех каналов группового сигнала ИКМ-30.

Учитывая методологию измерения «аналог-цифра» (А-Ц), предложенную Канаковым В. А. [78], которая обычно используется для оптимизации тестирования методом полуканальных измерений, позволяющий повысить их эффективность, в особенности при анализе ИКМ-преобразований на мультиплексорном оборудовании, так как возможно контролировать передаваемый тестовый аналоговый сигнал и анализировать его в цифровой форме (рис. 3.7), следовательно, данный способ проведения измерений, в случае имитационного моделирования цифровых каналов передачи данных, является наиболее предпочтительным.

Рисунок 3.7 - Метод полуканальных измерений На рисунке 3.8 представлены два виртуальных интерфейса «ИКМ Тх» и «ИКМ Rx», между которыми организован цифровой канал передачи данных с источником помех «1Шум», а также подключенными аналоговыми источниками сигналов ко входам TS-1, 2, 3, 4 виртуального интерфейса «ИКМ Тх» для их передачи и последующего и приёма в одноименных точках на ВИ «ИКМ Rx».

Источник 1

Источник 2

Источник 3

Источник 4

о TS-nJlIIIl.

ВИ ИКМ Tx

TS-21

nmrniii

Шум

Приемник 1

Приемник 2 Приемник 3

Приемник 4

шци

ВИ

■> ИКМ Rx

шшшг

TS-11

TS-21

Рисунок 3.8 - Преобразованная схема организации цифрового канала Таким образом реализация схемы цифрового канала передачи данных, представленная на рисунке 3.8, в среде имитационного моделирования на основе виртуальных интерфейсов, имеет вид, представленный на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Имитационная модель цифрового канала передачи данных Где: ИКМ Tx/Rx — передатчик/приемник, работающий согласно стандарта G.703 для цифровых потоков Е1; ES — источники синусоидального сигнала; WAV - источник сигнала, записанный в файле звукового формата; White Noise n(t) — источник «Белого шума»; U — потенциометр; Сумматор1 - компонент, позволяющий суммировать значения двух сигналов.

Контрольными точками для проведения измерений на данной схеме являются точки, к которым подключены потенциометры «U», где:

- U1 - КТ для измерения параметров принятого сигнала;

- U2, U3, U5 - КТ для измерения параметров передаваемого сигнала;

- U4 - КТ для измерения параметров цифрового сигнала ИКМ.

3.3 Планирование имитационного эксперимента

Для достижения поставленных задач эксперимента, обозначенных в п. 3.1, необходимо выполнить проверку работоспособности имитационной модели (рис. 3.2) на соответствие требованиям к эффективной полосе передаваемых частот каналов передачи данных согласно ГОСТ 21655-87 [79]. Для этого необходимо выполнить пошаговое измерение уровней гармонических сигналов в контрольных точках (КТ) на соответствующих опорных частотах, которое слагается из следующей последовательности действий:

1) Задать опорную частоту источника гармонического сигнала, fon = 1кГц, при этом уровень сигнала установить +4 дБ;

- Выполнить измерение уровня остаточного затухания на заданной частоте fon в контрольных точках: А, Б, В.

2) Задать опорную частоту источника гармонического сигнала, fon = 0,8 кГц, при этом уровень сигнала установить +4 дБ;

- Выполнить измерение уровня остаточного затухания на заданной частоте fon в контрольных точках: А, Б, В.

3) Ввести в имитационную модель эксперимента источник помех для проверки работоспособности имитационной модели с приближением её к реальным условиям эксплуатации канала передачи данных;

- Выполнить измерение уровня остаточного затухания на частоте fon = 0,8 кГц в контрольной точке Г.

4) Дополнить имитационную модель эксперимента источником, представляющим собой реальный сигнал, записанный в файл формата «*.wav»;

5) Дополнить имитационную модель эксперимента компонентом «ВИПС» для организации управления;

6) Провести анализ полученных результатов, подготовить выводы на основе полученных результатов.

Необходимо отметить, что данный план эксперимента справедлив и для проверки достоверности разработанных алгоритмов виртуальных интерфейсов для цифровых каналов передачи данных.

3.4 Организация имитационных экспериментов на основе имитационной модели цифрового и аналогового каналов передачи данных

3.4.1 Имитационный эксперимент №1 «Аналоговый канал передачи данных»

Выполним пошаговую реализацию эксперимента согласно плана, разработанного в п. 3.1, для имитационной модели аналогового канала передачи данных, представленной на рисунке 3.4.

ШАГ 1: Опорная частота источника: = 1 кГц.

На рисунке 3.10 изображены результаты имитационного моделирования в виде графиков гармонического сигнала, измеренного в соответствующих КТ.

Рисунок 3.10 - Результат тестирования модели на опорной частоте fon = 1 кГц Где: график А - входной сигнал xi(t) на ВИПД FXS; график Б - форма сигнала yi(t),

передаваемого в 2-х проводный канал 2У на выходе УПС-1; график В - форма сигнала У1Ф, передаваемого в 4-х проводный канал 4У, на выходе УТС-2. ШАГ 2: Опорная частота источника: Дп = 0,8 кГц.

На рисунке 3.11 изображены результаты имитационного моделирования в виде графиков гармонического сигнала, измеренного в соответствующих КТ.

Рисунок 3.11 - Результат тестирования модели на опорной частоте fon = 0,8 кГц Где: график А - входной сигнал xi(t) на ВИПД FXS; график Б - форма сигнала yi(t), передаваемого в 2-х проводный канал 2Y на выходе УПС-1; график В - форма сигнала yi(t), передаваемого в 4-х проводный канал 4Y, на выходе УТС-2.

ШАГ 3: Введение в схему источника шума.

Управление данным источником выполняется путем изменения параметров n(t), c(t), p(t) через панель управления макрокомпонента (рис. 3.3б), для которых предусмотрены соответствующие графические элементы.

Рисунок 3.12 - Результат тестирования при /оп =0,8 кГц с влиянием шумов.

При выполнении имитационного эксперимента на этапе «Шаг 3», были установлены следующие значения макрокомпонента «Шум»:

- c(t) - гармонический шум: амплитуда - минус 40 Дб, частота 50 Гц;

- p(t) - импульсный шум: амплитуда - минус 20 Дб, частота одного импульса 10 кГц, максимальное количество импульсов 10 шт;

- n(t) - амплитуда белого шума - минус 27 дБ; опорная частота источника сигнала: fon = 0,8 Гц.

Будем считать, что шум влияет только на стороне приемника в контрольной точке КТ-2. Результаты полученных измерений отображены на рисунке 3.12, которые наглядно демонстрируют влияние шумов на полезный сигнал y(t).

ШАГ 4: Подключение источника реального сигнала, на основе аудио файла формата «*.wav».

На данном этапе введен в схему дополнительный компонент «WAV», в свойствах которого обозначен путь к расположению звукового файла.

Так как в имитационных экспериментах «ШАГ 1» и «ШАГ 2» получено визуальное отображение измерения уровней сигналов в контрольных точках, следовательно, для данного эксперимента является достаточным выполнить измерение в контрольной точке КТ-2, результат которого изображен на рисунке 3.13

Рисунок 3.13 - Форма аудио сигнала, принятого в точке КТ-2 В результате доказана работоспособность полосовых фильтров, так как у аудио сигнала, принятого «УПС-4» (рис. 3.13), отсутствует дискретная составляющая и более плавная частотная характеристика, что в свою очередь доказывает работоспособность модели аналогового канала передачи данных, представленную на

рисунке 3.13.

ШАГ 5: Введение в схему компонента ВИПС для организации автоматизированного управления параметрами ВИПД FXS/FXO.

Рисунок 3.14 - Схема тестирования взаимодействия ВИПД и ВИПС с СУ ТСПД

На рисунке 3.14 изображена схема, на которой реализована имитационная модель, определяющая взаимодействие виртуальных интерфейсов передачи данных FXS/FXO с ВИПС SNMP на основе вектора информационных сигналов I, где в качестве сигнала X1 передаются измеренные параметры «Шум», «Затухание» и «Частота».

Информационный сигнал «Шум» - при увеличении уровня псофометриче-ских шумов в канале, выше минус 30 дБ, компоненту ВИПС SNMP передается соответствующая информация, содержащая уровень данного параметра, измеренного в дБ и его категория срочность as. Аналогичным образом информационная связь устанавливается и для сигналов «Затухание» и «Частота».

При проведении данного имитационного эксперимента, выполнялось управление источником периодического сигнала ES-1 (рис. 3.14), подключенного ко входу ВИПД FXS с уровнем Âx(t) = 0 дБ, а значение Ay(t)= минус 60 дБ, следовательно, вектор I будет иметь следующие значения сигналов:

I={0, a2, -60, a4},

где: a2 - категория «несрочный сигнал», a4 - категория «информационный сигнал».

Следовательно, согласно правила работы селективного мультиплексора компонента ВИПС в СУ ТСПД, через порт №1, отправлено сообщение вида:

"УТС-1: FXS-1: Порт-1: Низкий уровень ", где: УТС-1 - идентификационный номер устройства транспорта сигналов; Порт-1 - номер порта ввода/вывода.

На рисунке 3.15, изображен результат передачи сообщения в программное обеспечение СУ ТСПД, которое отправлено с ВИПС на ip-адрес 10.70.1.142.

Event Properties.» ^т^

Full Message Text;

lenterprises.2854.0.1 [1j enterpiises.1824.1.0.0.1 (Octet String); СЗ^У-ЫТор^ Низки^£овен^[2] snmpTrapErieipriseO (Object ID):

rrapVaibirak

Variable Value

syîUpiTirne.û 117340

snmpTrapOID 0 RFC1213-MIBIenlefptises 2S54 OU

erterprbes.1824.1.0,0.1 D1DD 2D 31 ЗА 20 DO C3 2D Э1 ЗА 20...

snmpTrapEnlerprise.O RFC1213'MIBIenteipriîe$.2854

Addressing Info

Agent Address: |Ю.701.142 Trap Corrrrwrity: [public

Sendees Address: |10.701.142

I_=S=ll

Рисунок 3.15 - Информационное сообщение SNMP от ВИПД FXS Организация автоматизированного управления аналоговым каналом передачи данных происходит следующим образом:

- виртуальный интерфейс SNMP направляет информационное сообщение через каналы передачи данных от соответствующего ВИПД в СУ ТСПД;

- при появлении информационного сообщения, программное обеспечение СУ ТСПД выполняет необходимый перечень заранее определённых функций управления, например, изменение цвета соответствующего объекта на карте устройств, автоматический запуск дополнительных диагностических программ или автоматический запуск системы оповещения обслуживающего персонала и т.д.

3.4.2 Подведение итогов по имитационному эксперименту №1

Результаты измерений, полученные на этапах «ШАГ 1» и «ШАГ 2» демонстрируют схожие значения уровней остаточного затухания в контрольных точках

КТ-1, КТ-2 и КТ-3 на разных опорных частотах fon (табл. 3.3).

Таблица 3.3 - Исходные данные и результаты измерения

Нач. Контрольная точка

Параметр КТ-1 КТ-2 КТ-3

знач. прм прд прм прд прм прд

1. Измерение на опорной частоте 1 кГц

/оп , кГц 1 1 1 1 1 1 1

Аост , Дб -17 -13 +4 -7 -7 -13 +4

2. Измерение на опорной частоте 0,8 кГц

/оп , кГц 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8

Аост , Дб -17 -13 +4 -7 -7 -13 +4

3. Добавление шумов в канал передачи данных

Шум: =-4С Дб

с1(0=-40Дб

с2(0=50 Гц -17,2 -12,9 +4,2 -7,1 -7,2 -13,1 +4,2

Д(0=-20 Дб

Р2(0=10кГц

4. Подключение источника реального сигнала

*.wav -27 -10 -16 -16 -27 -10

Однако, на этапе «ШАГ 3», усредненная величина уровня остаточного затухания, принимаемого сигнала в точке КТ-2 (рис. 3.9), начинает изменяться в пределах допустимых отклонений, представленных в таблице 3.2., согласно которой были определены три типа информационных сигналов для аналоговых каналов передачи данных, которые возникают при выходе измеренных значений за пределы пороговых значений:

1) Уровень шума незанятого канала, дБ;

2) Остаточное затухание сигнала и отклонение его величины, дБ;

3) Опорная частота, отклонение опорной частоты, Гц.

Поскольку все основные измерения параметров сигналов выполняется в контрольной точке КТ-2, следовательно, основными компонентами в имитационной модели аналогового канала передачи данных являются ВИПД FXS/FXO, и, для эффективной работы данных компонентов необходимо дополнить их средствами из-

мерения и установить варьируемые пороги срабатывания аварийных и информационных сообщений с соответствующими категориями срочности, т.е. организовать его связь с ВИПС SNMP.

При этом работоспособность имитационной модели «Аналоговый канал передачи данных» в части организации взаимодействия между абонентами и организации автоматизированного управления считается доказанной, что подтверждается результатами полученных измерений.

3.4.3 Имитационный эксперимент №2 «Цифровой канал передачи данных»

Целью проведения имитационного эксперимента №2 является, наряду с выполнением тестирования ВИПД в контрольных точках по остаточному затуханию (согласно п.3.1), проверка работоспособности алгоритма временного уплотнения 30-ти каналов передачи данных в цифровой канал, с интерфейсом G.703, схема которого представлена на рисунке 3.9.

Так как в данном эксперименте используется метод временного уплотнения каналов, следовательно, согласно поставленного плана эксперимента в п. 3.1, возможно объединить измерения, связанные с контролем остаточного затухания, выполняющихся на этапах ШАГ 1, ШАГ 2 и ШАГ 4, что позволит параллельно контролировать работу каждого канального интервала по остаточному затуханию.

ШАГ 1, 2, 4: Тестирование имитационной модели на опорных частотах.

В качестве опорных частот для эксперимента №2 установлены следующие значения источников гармонических сигналов с уровнем +4 дБ:

- ES-1 = 800 Гц;

- ES-2 = 1000 Гц;

- ES-3 = 1200 Гц;

- WAV - источник переменного сигнала из аудио-файла.

Рисунок 3.16 - Результат тестирования имитационной модели «цифровой канал» В результате проведенных измерений в КТ получен результат, изображенный на рисунке 3.16, на котором видно сходство передаваемого аналогового сигнала частотой 800 Гц в контрольных точках U1 и U2 (рис. 3.9), а также при выполнении сравнения гармонических сигналов от ES-2 и WAV в соответствующих КТ, что в свою очередь свидетельствует о корректной работе ВИПД G.703.

ШАГ 3: Введение источника шума в имитационную модель цифрового канала передачи данных.

Данный компонент вносит помехи в цифровой канал передачи данных и оказывает влияние на форму полезного сигнала y(t) (рис. 3.17), следовательно, согласно прямой зависимости работы алгоритма ^-преобразователя от последовательности цифровых импульсов и их формы, наблюдаются ошибки при декодировании y(t), что соответственно отражается на форме первичного сигнала x(t), при этом данные ошибки выражаются в виде кратковременных импульсов (рис. 3.20), сравнимых с импульсными помехами p(t), характеризующихся кратковременными тресками, возникающими, например, при общении двух абонентов.

Рисунок 3.17 - Влияние помех на цифровой сигнал y(t)

0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

Рисунок 3.18 - Влияние помех на цифровой сигнал x(t)

Так как была доказана работоспособность макрокомпонента «Шум», при проведении эксперимента №1 (п. 3.4.1), следовательно, при постановке эксперимента №2, для снижения количества влияющих факторов на передачу полезного сигнала, принято решение об использовании только одного компонента - источник «Белого шума» n(t) (рис. 3.9).

ШАГ 5: Введение в схему ВИПС SNMP.

x(t)=0

ВИПС x(t) ВИПД А Порт-1

U SNMP Ethernet I/O

ВИПД G.703

4Y.

4Y

Рисунок 3.19 - Схема тестирования взаимодействия ВИПД и ВИПС с СУ ТСПД Так как входной сигнал х$) = 0 следовательно, на выходе ВИПД G.703 формируется последовательность состоящая только из единиц, используемая для поддержки синхронизации при потере или отсутствии входного сигнала хф. Таким образом, измеренное значение сигнала Х1 = 1, а категория при срочности а<1 = а\„ тогда информационный вектор принимает следующие значения:

1={1, а1, 0, а4},

где: а1 - категория «срочный сигнал», а4 - категория «информационный сигнал».

Рисунок 3.20 - Информационное сообщение SNMP от ВИПД G.703 Согласно правила работы селективного мультиплексора компонента ВИПС в СУ ТСПД, через порт ввода/вывода УТС, отправлено сообщение вида:

УТС-1: G.703: Порт-1: Сигнал AIS". где: УТС-1 - идентификационный номер устройства транспорта сигналов; Порт-1 - номер порта ввода/вывода.

На рисунке 3.20 изображен результат передачи сообщения в программное обеспечение SNMPc v7.2, которое отправлено ВИПД на ip-адрес 10.70.1.142.

3.4.4 Подведение итогов по имитационному эксперименту №2

На основе предложенной методики тестирования выполнена проверка работоспособности виртуального интерфейса G.703 путем имитации установки локального шлейфа между приемником ИКМ Rx и передатчиком ИКМ Тх.

В качестве источника сигнала ко входам компонента ИКМ Тх подведены три генератора гармонических колебаний и дополнительный источник случайного гармонического сигнала из оцифрованного звукового файла.

В качестве мешающего воздействия (шума), применен источник Белого шума, при увеличении уровня которого до -23 дБ передача всех гармонических сигналов оставалась постоянной, а при большем значении уровня шума - зафиксировано заметно ухудшение качества гармонического сигнала, либо он полностью отсутствовал, что связано с некорректной работой сверхцикловой синхронизации и появлением битовых ошибок при декодировании последовательности импульсов.

Необходимо отметить, что для анализа коэффициентов ошибок в цифровых каналах передачи данных требуется разработка специфических компонентов, позволяющих оценить требуемые параметры качества, для среды имитационного моделирования, что не является задачей диссертационного исследования.

Измеренные значения уровней гармонических сигналов, выполненные соответствующими компонентом «вольтметр», на стороне приемника ИКМ Rx полностью соответствуют предъявляемым требованиям к эффективной полосе частот канала передачи данных.

Результаты проведенного эксперимента дают основание полагать, что алгоритмы ^-преобразования функционируют корректно, с учетом отсутствия помех в моделируемом цифровом канале передачи данных.

При этом работоспособность имитационной модели «Цифровой канал передачи данных» в части организации взаимодействия между виртуальными интерфейсами и организации взаимодействия виртуальных интерфейсов с автоматизированной системой управления ТСПД считается доказанной, что подтверждается результатами имитационных экспериментов.

3.5 КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты экспериментов, с принятыми допущениями, подтверждают работоспособность моделей аналогового и цифрового каналов передачи данных, построенных в виде имитационных моделей на основе ВИ в среде моделирования, что в свою очередь позволяет визуализировать процессы преобразования сигналов, протекающих в каждом интерфейсе устройств транспорта сигналов.

2. Доказано соответствие предложенных имитационных моделей для аналогового и цифрового каналов передачи данных постановкой экспериментов №1, №2, что свидетельствует об их соответствии требованиям, предъявляемым к технологическим системам передачи данных, в части проверки достоверности разработанных алгоритмов преобразования сигналов для виртуальных интерфейсов.

3. Разработанный алгоритм ^-преобразования для виртуального интерфейса преобразования векторов информационных сигналов, позволяет реализовать функционал устройств согласования интерфейсов в составе устройств транспорта сигналов.

4 ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОБЪЕКТАМИ ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ НА ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНЫХ ИНТЕРФЕЙСОВ

4.1 Архитектура устройств транспорта сигналов управления для интеграции алгоритмов виртуальных интерфейсов

В предыдущих главах рассмотрен метод разработки виртуального интерфейса, а также доказана его работоспособность на основе экспериментов, постановка которых выполнена в среде имитационного моделирования, что позволило абстрагироваться от жесткой привязки конструктивных элементов устройств транспорта сигналов к типу интерфейса передачи данных и определить виртуальный интерфейс с алгоритмами Q-преобразования первичных х$) и вторичных у(1) сигналов в качестве устройства согласования интерфейсов, независящего от типа канала передачи данных.

Таким образом, на основе архитектуры виртуального интерфейса была определена библиотека, в состав которой входит необходимый для транспортного оборудования перечень компонентов обработки и преобразования данных.

Для решения задачи автоматизированного управления предложен метод разработки УТС, на основе виртуальных интерфейсов [80], в основу которого положена идеология графического (визуального) программирования, позволяющая из определённого набора интерфейсов и вспомогательных компонентов, представленных во второй главе диссертации, реализовывать на транспортном оборудовании необходимый функционал для предоставления услуг передачи данных без его реконструкции (замены комплектующих).

Следовательно, устройства транспорта сигналов, работа которого предполагается на основе алгоритмов виртуальных интерфейсов, представляет собой контейнер, состоящий из следующих основных объектов (рис. 4.1):

- контроллеров портов ввода/вывода, предназначенный для организации подключения физических каналов и линий передачи данных;

- модуля коммутации передачи данных между портами ввода/вывода;

- памяти программ обеспечивающей: хранение данных образа операционной системы, алгоритмов виртуальных интерфейсов, хранение данных о конфигурации транспортного оборудования и внутренних взаимосвязей виртуальных интерфейсов как между собой, так и между портами ввода/вывода;

- центрального процессора, позволяющего организовывать взаимодействие контроллеров портов ввода/вывода, модуля коммутации и памяти программ.

Рисунок 4.1 - Структурно функциональная схема устройства транспорта сигналов

На рисунке 4.1 каждый порт ввода/вывода представляет собой контроллер, который работает согласно алгоритма виртуального интерфейса, загруженного в его энергонезависимую память, а управление взаимодействием между всеми портами ввода/вывода, маршрутизация информационного трафика внутри элемента технологической системы передачи данных осуществляется центральным процессором через общую шину.

Сегодня порты ввода/вывода УТС, представленных на рынке оборудования передачи данных, основаны на микросхемах линейного интерфейса (LIU, Line Interface Unit) [11,81], подразделяющиеся на четыре основных класса:

1) волоконно-оптические (SDH/SONET MSPP, ATM ) - фреймеры, тактовые генераторы, трансиверы Super JET;

2) широкополосный абонентский доступ (DSLAM, DLC, NG-CO) - фреймеры, тактовые генераторы, цифровые коммутаторы, кодеки, SLIC, трансиверы Super JET;

3) беспроводные технологии (RNC, BTS, Gateway) - трансиверы Super JET, цифровые коммутаторы, тактовые генераторы;

4) маршрутизаторы и мультисервисные коммутаторы - цифровые коммутаторы, тактовые генераторы, трансиверы Super JET

На основе виртуальных интерфейсов, а также их архитектуры, рассмотренной во второй главе диссертации, в основу которых положены процессоры [11], применяющиеся для обработки потоков данных (пакетов и кадров), были представлены четыре основных функциональных модуля для реализации контроллера порта ввода/вывода УТС:

1) модуль источника постоянного и переменного тока, обеспечивающий работу контроллеров портов ввода вывода в части согласования межстанционной сигнализации;

2) модуль гальванической изоляции входных и выходных преобразовательных элементов от импульсных перенапряжений и помех, возникающих в физической линии передачи данных;

3) модуль синхронизации, обеспечивающий работу контроллера интерфейсов передачи данных;

4) модуль контроллера интерфейса (микросхема), реализующий функционал порта ввода/вывода.

В свою очередь совокупность программируемых портов ввода/вывода, организованных на одной вычислительной платформе, в основу которой положена методология виртуального интерфейса, образуют управляемый объект (элемент ТСПД), основное назначение которого - выполнять функции управления каналами

передачи данных для обеспечения эффективного взаимодействия программируемых логических контроллеров системы телемеханики с программным обеспечением СУ транспорта газа.

4.2 Метод автоматизированного управления транспортным оборудованием на основе виртуальных интерфейсов

Решение задачи автоматизированного управления заключается в разработке метода, обеспечивающего выполнение операций конфигурации элементов технологической системы передачи данных, а также проведения имитационного компьютерного моделирования, обеспечивающего проверку работоспособности конфигурации управляемых объектов перед началом их опытной эксплуатации, являющаяся основным фактором любой проектируемой системы.

Так как имитационное моделирование является определяющим звеном при организации автоматизированного управления элементами ТСПД, следовательно, предлагается выполнить поэтапную проработку следующих основных действий

[47]:

1) определение цели моделирования;

2) разработка концептуальной модели;

3) формализация модели;

4) программная реализация;

5) планирование модельных экспериментов;

6) реализация плана эксперимента;

7) анализ и интерпретация результатов моделирования.

4.2.1 Постановка цели моделирования устройств транспорта сигналов управления

Определить эффективные метод автоматизированного управления каналами

передачи данных, образованных элементами ТСПД на основе виртуальных интерфейсов, направленный на эффективное использование ресурсов элементов ТСПД, обеспечивающих эффективное управление магистральным газопроводом.

4.2.2 Разработка концептуальной модели управляемого объекта

Управляемый объект, состоящий из виртуальных интерфейсов возможно представить в виде совокупности, представленной на рисунке 4.2, определяющей конфигурацию УТС и взаимосвязи виртуальных интерфейсов.

Составные объекты УТС пред-

Рисунок 4.2 - Состав управляемого объекта

ставлены в главе 2 диссертационного исследования в виде моделей интерфейсов и вспомогательных компонентов, следовательно, на данном этапе выполним описание процессов, организующих взаимодействие ВИ между собой, а также выполняющих маршрутизацию и преобразование

сигнализации. Определение взаимодействия виртуальных интерфейсов заключается в определении типового перечня услуг для нужд СУ транспортом газа, рассмотренного в первой главе диссертации (п. 1.4).

где: п.1/1 - п.3.3. — номера портов ввода/вывода; Е1 - цифровой канал G.703 (2048

ТКО

кбит/с); У24 - цифровой канал (64 кбит/с); Е&М - аналоговый канал; ПД, ПД СТ, СС, ФТС - оборудование вторичной ТСПД для организации соответствующих услуг;

Рисунок 4.3 - Перечень услуг и соответствующих типов интерфейсов

Для представления структуры конфигурации УТС, определяющей взаимодействия виртуальных интерфейсов необходимо определить количество, состав и соответствие портов ввода/вывода типовым интерфейсам, для обеспечения функционирования соответствующих услуг передачи данных СУ транспортом газа, как показано на рисунке 4.2.

G.703

п. 1/1 КИ №1

КИ №2

КИ №3

КИ №4

КИ №5

КИ №6

G.703

п. 2/1 КИ №6

G.703

КИ №1 п. 1/2

КИ №2

V.24

п. 3/1

Е&М

п. 4/1

FXS

п. 2/2

X-

п. 3/2

п.4/2

Рисунок 4.4 - Взаимосвязи портов/ввода вывода

Данный управляемый объект представляет собой оборудование канало-образования (гибкий мультиплексор), входящий в состав вторичной технологической системы передачи данных, изображенной на рисунке 1.4. Следовательно, для организации предоставления типовых услуг, необходимо минимум 5 портов ввода/вывода, однако для соблюдения четности портов и обеспече-

ния резервирования предусмотрим 8 портов, из которых два зарезервированы (п. 3/2,п. 3/3).

Таблица 4.1 - Распределение КИ относительно портов ввода/вывода

Тип услуги № п. — № КИ № п. — № КИ

Оконечные соединения

СПД п. 1/1 — КИ 6 п. 2/1 — КИ 6

ФТС п. 1/1 — КИ 3 п. 2/2

СПД СТ п. 1/1 — КИ 5 п. 3/1

ССС п. 1/1 — КИ 4 п. 4/1

Транзитные соединения

СПД п. 1/1 — КИ 1 п. 1/2 — КИ 1

ФТС п. 1/1 — КИ 2 п. 1/2 — КИ 2

Для организации взаимодействия портов ввода/вывода между собой через виртуальный интерфейс G.703 необходимо предварительно выполнить распреде-

ление цифровых и аналоговых стыков в канальных интервалах, как показано в таблице 4.1, согласно метода их распределения, изображенного на рисунке 2.11, при этом выделим для каждой из перечисленных услуг по 1 канальному интервалу для упрощения схемы коммутации (рис. 4.4).

Маршрутизация трафика между виртуальными интерфейсами Правила маршрутизации определяются на основе физической схемы и правил коммутации портов ввода/вывода как показано на рисунке 4.4 и в таблице 4.1. Преобразование сигнализации

G.703

п.1/1

U,

п.2/1

п.3/1

I2 I,

п.1/2

FXS

U6

ВИПС SNMP

I4

п. 4/1

Is

ВИПД Ethernet

п.2/2

-M)

U7 Us

п.3/2

Для управления конфигурацией необходим виртуальный интерфейс ВИПС, рассмотренный во второй главе (п. 2.5.1), который необходимо интегрировать в состав элементов ТСПД. При этом, для организации преобразования Рисун°к 4 5 - Схема пре°брззования сжгаадизадии. векторов информационных сигналов необходимо связать выход компонента ВИПС с входом контроллера порта п.3.2 (рис. 4.5), в который загружен алгоритм ^-преобразования ВИПД Ethernet, описанный в п. 2.5.2.4.

п.4/2

4.2.3 Формализация модели

Так как под данным процессом понимается отражение модели в форме, пригодной для проведения имитационных экспериментов, следовательно, необходимо для каждой из услуг передачи данных, представленных на рисунке 4.3. определить (назначить) соответствующий тип интерфейса для каждого порта ввода/вывода, при этом модель элемента ТСПД примет следующий вид (рис. 4.6)

Так как алгоритм программной реализации виртуальных интерфейсов рассмотрен во второй главе диссертации, планирование модельных экспериментов, а

также анализ и интерпретация результатов моделирования рассмотрены в 3 главе, следовательно, на основании полученных данных о конфигурации УТС на основе ВИ, приступим к реализации метода автоматизированного управления данным оборудованием, представленный на рисунке 4.7.

УТС

Рисунок 4.6 — Формализованная модель СЭ Данный метод возможно организовать в виде алгоритма, так как в нем присутствуют условные связи: процессов управления конфигурацией, методом разработки ВИ, тестированием работоспособности и эксплуатацией управляемого объекта в составе СУ транспорта газа.

В данном алгоритме возможно выделить следующие три составных блока:

1) определение типов виртуальных интерфейсов для организации требуемых услуг передачи данных;

2) определение взаимосвязей и тестирование конфигурации на основе имитационных испытаний;

3) ввод управляемого объекта в эксплуатацию в составе СУ.

Рисунок 4.7 - Автоматизированное управление конфигурацией УТС При этом основными условными переходами являются: процесс разработки дополнительного виртуального интерфейса, по методике описанной во второй главе диссертации; проверка корректной работы алгоритмов ВИ, от которых зависит качество функционирования управляемого объекта в составе СУ.

4.3 Управление конфигурацией элементов ТСПД

Пусть необходимо предоставить канал передачи данных для локальной си-

стемы передачи данных и системы линеинои телемеханики согласно схемы, представленной на рисунке 4.8, где УТС-1 и УТС-2 является транспортным радиооборудованием, УТС-3 оборудованием каналообразования.

Тогда, согласно метода,

УТС-1

П.2"

m о

о

m о

о.

УТС-2

U П.6

УТС-3 Eth ПЛ П.5 |Е

V.24

АСУ

8 Eth

представленного на рисунке 4.7 метода моделирования элементов ТСПД [80], импорта из библио-ТСПД теки виртуальных интерфейсов, была разработана структурная схема устройства транспорта сигналов УТС-3 (рис. 4.9).

Рисунок 4.8 - Схема организации связи

УТС

ВИПД V.24 JyftL п. 2/1

ВИПД G.703 30v(tl п. 2/1

ВИПД Eth п. 2/1

п. 1/1 ВИПС SNMP lx(t) ВИПД Eth lv(tl п. 2/1

БВИ Телеком

ф Среда моделирования МАРС

Файл Вид

Окно Справка

Q a « & 1 В 0 | £ ЧЙ fe |

x

Струггур« Компоненты Свойства

Телеком

Запись сигнала (\wav)

Источник звукового си

Белый шум

Гармонический шум

Импульсный шум

ИКМ Тк

ИКМ Rx

АЦП

ЦАП

Ethernet

V24

SNMP

Рисунок 4.9 - Структурная схема оборудования каналообразования Для формализации данной структурной схемы УТС в среде моделирования и упрощения схемы взаимодействия между виртуальными интерфейсами, выполнено разбиение маршрутизации передачи данных между ВИ на четыре имитационных эксперимента, определяющих работоспособность имитационной модели УТС в целом:

1) имитационная модель канала G.703, рассмотрена в третьей главе диссертации и представлена на рисунке 3.9;

2) имитационная модель преобразования канала из G.703 в Ethernet, представлена на рисунках 4.10, 4.11;

3) имитационная модель преобразования сигналов из G.703 в V.24 (рис. 4.12), позволяющая выполнить передачу данных со скоростью 64 кбит/с через один КИ;

4) имитационная модель преобразования сигнализации от виртуального интерфейса G.703 в протокол SNMP (рис. 4.14), позволяющая проиллюстрировать работоспособность компонента ВИПС, а также его связь с компонентом Ethernet.

где: U - контрольные точки для

измерения параметров сигналов; ES - источник периодического сигнала; ИКМ, ЕШ - виртуальные интерфейсы.

Шлейф

Рисунок 4.10 - Имитационная модель преобразования ИКМ в Ethernet Как видно из рисунка 4.11, сигнал от аналогового источника ES3, подключенного к первому канальному интервалу интерфейса G.703 (ИКМ Tx), предается на выход интерфейса ИКМ Tx 1 (рис. 4.11а).

На следующем этапе преобразование выходного сигнала ИКМ выполняется в точке подключения к интерфейсу Ethernet1, который реализует функцию передачи сигнала ИКМ через цифровой канал на основе протокола IPv4 [82].

На стороне приемника (Ethernet2) происходит последовательное обратное преобразование сигнала в формат ИКМ, который поступает на вход интерфейса

G.703 (ИКМ Rx), выходным сигналом которого является сигнал на потенциометре и4, изображенный на рисунке 4.11б.

а)

0 График

0ES

s R-IBBmHIO

г R-ictaiai

,[ (t* IMS

2MB Ш Ш» 4MB 4MB SMB

0 График! ПГ|Пэ1ГШ"|

8

4

± _ -4 \ч -4—/

S

-12

-1Е

-74 Ьп j

Обозначение ! Ч_ гЯ

-28 -32 <• F — ШВяаИКМКИ-Ю С F — U4 Выход ИКМ КИ-11) Г4^ !

0 0 0007 0 0014 П DB21 D002S D0035 COM2 0 0043 0.005В 0.0063

б)

Рисунок 4.11 - Результат имитационных испытаний модели преобразования ИКМ в Eth Где: б) график иллюстрирующий соответствие входного напряжения импульса в контрольной точке U3 с выходным напряжением в контрольной точке U2; в) график иллюстрирующий совпадение аналоговых сигналов в контрольных точках U1, U4.

Для проверки данного сегмента реализована методика установки шлейфа между ВИ Ethernet, описанная в третьей главе диссертационного исследования, при организации имитационного эксперимента цифрового канала передачи данных. Здесь и далее, по каждому из сегментов проверка работоспособности ВИ выполняется аналогичным образом - методом шлейфования.

Имитационная модель преобразования интерфейса G.703 в интерфейс Ethernet (рис. 4.10) работает в одном адресном пространстве (на одной ЭВМ), однако приемную часть (Ethernet2, ИКМ Rx, U3) можно выделить в отдельный блок и реализовать в среде имитационного моделирования на дополнительной ЭВМ и получить аналогичный результат при передаче цифровых сигналов от источника (ES3) к приемнику (U3).

Следующим преобразованием является имитационная модель, отображающая процесс преобразования сигнала при его передаче от источника ES 1 к приемнику U1 через цифровой канал Е1, организованный на основе виртуального интерфейса G.703 (рис. 4.12).