Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных направлений научно-технического прогресса является автоматизация практически всех сторон человеческой деятельности на основе информатизации . Поэтому было естественным появление специальных систем, отвечающих за сбор , передачу , обработку и отображение информации и управляющих технологическими процессами. Назовем такие системы информационно-управляющими комплексами (ИУК). ИУК состоят из пункта управления (ПУ) и контролируемых пунктов (КП) , собирающих информацию от датчиков , установленных на объектах контроля, обрабатывают ее и передают в двоичном виде на ПУ , где встроенным обрабатывающим центром (ОЦ) ведется управление и контроль технологическими процессами. Практически все типы устройств КП ИУК , размещенные на рассредоточенных энергообъектах, выполняют следующие основные функции :
-передачу телесигнализации (ТС) состояния двухпозицион-ных объектов контроля (имеющих два состояния "включен -выключен");
-передачу команд телеуправления (ТУ) , которые используется для подачи команд включения , отключения , переключения исполнительных механизмов (реле , выключателей, пускателей);
-передачу телеизмерений текущих значений (ТИТ) параметров (давление , температура ,ток и напряжение) технологических процессов энергообъектов;
-передачу интегральных телеизмерений (ТИИ) . В качестве источников информации для канала ТИИ обычно используются счетчики электроэнергии со встроенными генераторами импульсов , частота которых пропорциональна скорости вращения диска , т.е. потребляемой электроэнергии .
Существенный вклад в развитие теории передачи информации и построения ИУК внесли СЕ. Shanon , Bose R.C., Ray-Chaudhur D.K., Brown D.T., Peterson W.W., Gilbert E.N. , Golay M.I.E , B.A. Котельников , Г.А. Щастова , В.О. Арутюнов , К.Б. Карандеев , Ф.Е. Темников , А.В- Фремке , B.C. Малов , Г.М. Жданов .
-I
Информационные системы для АСУ ТП, решая проблемы передачи информации по каналам связи , стоят на магистральном пути развития современной науки и техники.
Однако усложнение технологических процессов , общая информатизация общества стимулировали расширение традиционных границ применения ИУК. Сегодня они используются для контроля и управления космическими объектами , инженерным оборудованием населенных пунктов, магистральными нефте- и газопроводами , объектами городского , электрического и железнодорожного транспорта ,в водорас-пределении , мелиорации, а также для контроля за многими другими энергообъектами, рассредоточенными на большие расстояния . В процессе развития ИУК для АСУ ТП разделились на три типа:
-автоматизированные организационно - информационные комплексы (АОИК),обеспечивающие сбор , обработку и отображение информации ;
-автоматизированные системы для коммерческого учета потребления электроэнергии (АСКУЭ);
-регистраторы (осциллографы) аварийной информации (РАИ).
Внедрение ИУК в АСУ технологическими процессами сыграло огромную положительную роль . За счет автоматизации технологических процессов и производств достигается повышение эффективности и надежности управления путем введения централизованного управления и устранения трудностей , обусловленных территориальной рассредоточенно-стью объектов . Однако несмотря на несомненные достоинства ИУК, им присущ и ряд недостатков , которые особенно сильно проявляются на сложных , разветвленных энергообъектах , где контролю подлежат многие электрические и неэлектрические величины : температура , давление , массопе-ренос , ток , напряжение , активная и реактивная мощность и др. Появляются новые виды информации , требующие контроля и обработки .например, контроль радиационной и экологической ситуации . На сегодняшний день необходимо одновременное присутствие на сложных энергообъектах (АЭС,ГЭС,ТЭЦ и т.д.) трех комплексов -АОИК .АСКУЭ и РАИ.
Для этого необходимо усложнение аппаратуры ИУК , включения в ее состав функциональных блоков , выполняющих указанные новые функции . Что приводит к возрастанию информационного потока от энергетических объектов контроля и , как следствие ,к снижению достоверности передаваемой информации , уменьшению резерва пропускной способности каналов связи и ухудшению помехоустойчивости, увеличению вероятности приема искаженного сигнала и снижению надежности работы ИУК. В результате может возникнуть аварийная ситуация , особенно опасная , например на АЭС , где под угрозу будет поставлена жизнь не только обслуживающего персонала станции , но и жителей прилегающих территорий . Негативно авария может сказаться и на экологической обстановке. В свете вышесказанного очень важным является создание единого (многофункционального) ИУК , выполняющего функции оперативного управления , регистрации аварийной информации , коммерческого учета потребления электроэнергии и , самое главное , обеспечивающего высокую достоверность информации( вероятность приема искаженной команды управления (ТУ) не должна превышать
Ю-14- и дискретных сигналов состояния оборудования (ТС) -
Ю-9), высокую пропускную способность каналов связи (при этом в обрабатывающем центре не должно быть очереди на обслуживание данных) и высокую помехоустойчивость. Можно выделить два подхода к построению многофункциональных ИУК:
-Конструкторско-технологический .основанный на объединении функциональных и программных модулей трех комплексов :АОИК , РАИ и АСКУЭ, выполняющих свои непосредственные функции , в единый многофункциональный комплекс . Очевидно , что такой подход приводит к удорожанию аппаратуры , резко повышает загруженность каналов связи , снижает их реальную пропускную способность и, как следствие, снижает эффективность ИУК в целом .
-Кибернетический .предложенный академиком Петровым Б.Н., основанный на повышении "интеллекта" функциональных модулей и расширении выполняемых ими функций . Преимущество такого подхода к построению многофункцио-
нальных ИУК перед конструкторско-технологическим определяется как хорошими техническими характеристиками ( высокая достоверность , пропускная способность, помехоустойчивость , надежность) , так и потребительскими (низкая стоимость .небольшие материало-, энерго- и трудозатраты), связанными с построением и эксплуатацией комплексов.
Актуальность проводимых исследований определяется достоинствами многофункциональных ИУК -использовании одного канала связи и общего для всех комплексов обрабатывающего центра и ряда функциональных и программных модулей . Таким образом , создание такого класса многофункциональных ИУК , основанное на кибернетическом подходе .является важной и насущной задачей.
Целью работы является теоретическое исследование
проблемы построения и отыскание путей практической реа
лизации многофункциональных информационно-
управляющих комплексов для АСУ ТП рассредоточенными
энергообъектами , созданных на основе кибернетического
подхода и обеспечивающих сбор информации в нормальном
и аварийном режимах работы контролируемых объектов при
ограничении пропускной способности каналов связи и вычис
лительной мощности ОЦ.
Методы исследования . Для теоретического и практического решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: теория вероятности , теория массового обслуживания , теория очередей , дифференциальное и интегральное исчисление .
Научная новизна работы состоит в разработке новых структурных схем построения многофункциональных ИУК для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами , совмещающих каналы ввода , вывода и обработки нормальной и аварийной информации , каналы коммерческого учета потребления энергии при условии ограничения пропускной способности каналов связи и вычислительной мощности обрабатывающего центра .В процессе выполнения диссертационной работы получен ряд новых научных результатов. При этом разработаны:
методика вычисления пропускной способности каналов ввода , вывода , обработки данных, основанная на теории очередей как в нормальном , так и в аварийном режиме ;
способ повышения эффективности использования пропускной способности каналов управления , сигнализации и измерений;
алгоритмы ввода информации , позволяющие существенно снизить загрузку обрабатывающего центра многофункционального ИУК;
новый способ синхронизации работы устройств ПУ и КП, благодаря которому облегчается контроль работоспособности каналов связи при повышении достоверности приема стартовых комбинаций , по данному методу получено положительное решение о выдаче патента ;
модифицированный рабочий цикл ИУК для исключения "последействий" искажений стартовой или стоповой кодовых комбинаций помехами в каналах связи ;
способ увеличения эффективной скорости передачи информации;
-устройство формирования команд управления для повышения достоверности информации , по которому получено положительное решение о выдаче патента ;
-схема построения двухмагистрального внутреннего интерфейса , сочетающего звенья с последовательной и параллельной шиной данных.
Практическая значимость результатов проведенных исследований заключается в повышении достоверности информации, пропускной способности каналов связи и помехоустойчивости многофункциональных ИУК , что ,в свою очередь , способствует повышению эффективности комплексов в целом . Разработанные модифицированные функциональные модули , интерфейсы, методы повышения эффективности многофункциональных ИУК ,а также алгоритмы ввода информации в обрабатывающий центр доказывают возможность создания многофункциональных ИУК с требуемыми информационными характеристиками . Внедрение многофункциональных ИУК значительно повышает устойчивость
работы энергетических .транспортных и других объектов , уменьшает вероятность сбоев и катастроф .
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием классической теории и хорошим совпадением теоретически рассчитанных и практически полученных данных, что доказывает корректность используемой автором методологии.
Личный вклад автора . Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются создание :
устройства формирования команд управления , в котором достигается повышение достоверности команд ТУ на 3 порядка . Новизна предложенного способа подтверждена положительным решением по заявке на получение патента ;
устройства формирования тактовой синхронизации для многофункциональных ИУК с разными типами каналов связи. Новизна предложенного способа подтверждена положительным решением по заявке на получение патента ;
- способа повышения пропускной способности каналов ввода данных и алгоритмов ввода информации в обрабатывающий центр;
способа увеличения эффективной скорости передачи информации по каналам связи многофункционального ИУК;
модифицированных рабочих циклов опроса контролируемых пунктов и структурных схем внутренних интерфейсов многофункционального ИУК.
Внедрение результатов работы :
-
Модуль ввода дискретных сигналов был использован в системе оперативного управления энергообъектами ВВЦ . Испытания показали , что достоверность получаемой информации увеличивается не менее , чем на три порядка ; среднее время между сбоями увеличивается в 2.5 раза , что подтверждено актом внедрения .
-
Сформулированные на основе проведенных автором исследований рекомендации по построению функциональных модулей и межмодульных связей использованы при разработке РАИ , блоков тактовой синхронизации , блока ввода дискретных сигналов , запатентованных в России и на Украй-
не .Промышленный выпуск модулей начат в 1998 году ОАО "Промавтоматика".
3. Результаты диссертационной работы использованы при разработке предложений по реконструкции и модернизации автоматизированной системы управления объектами теплоснабжения и энергосбережения в г. Зеленограде.
На защиту выносятся :
-исследования , направленные на обоснование теоретической возможности синтеза многофункционального ИУК на основе вероятностного анализа потоков информации ;
-методика вычисления на основе теории очередей пропускной способности каналов ввода , передачи, обработки данных в нормальном и в аварийном режиме;
-способы повышения эффективности использования пропускной способности каналов связи ;
-анализ условий практической реализации многофункционального ИУК для АСУ ТП рассредоточенными энергообъектами и его компонентов ;
-способы повышения достоверности информации ;
-методика эффективного заполнения пауз между рабочими циклами передачи информации ;
-алгоритмы и схемотехника построения рабочих циклов при передаче данных по каналам связи , структурные схемы функциональных модулей и межмодульных связей;
-примеры построения компонентов многофункциональных ИУК , удовлетворяющих сформулированным требованиям , результаты их внедрения и эксплуатации.
Апробация работы . Основные результаты работы были доложены на Международном семинаре по проблемам построения систем диспетчерского управления в энергетике (г. Москва , ВВЦ , 1996 г. ), Международной конференции по энергосбережению (г. Львов , 1997 г.), на научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (г. Зеленоград , 1995-1998 г.г.).
Публикации . Материалы , отражающие основное содержание диссертации , опубликованы в 18 печатных работах , а также получены три положительных решения по заявкам на патентование .
Диссертация выполнена в рамках плановой госбюджетной тематики научных исследований , проводимых в научно-исследовательской лаборатории " Управляющих информационных систем " Московского Государственного института электронной техники (технический университет) . Работа соответствует содержанию приказа № 635 "Мосэнерго" "О модернизации телемеханики в МКС с применением современных технических средств и новых технических решений" от 17.12.97 г. Работа над диссертацией проводилась в плане решения приоритетных направлений науки и техники , утвержденных Советом Министров РФ от 21.06.96 № 2727П по теме "Информационно-телекоммуникационной системы".
Структура и объем работы . Диссертация состоит, из введения, четырех глав , заключения , списка литературы и приложений .Работа содержит 212 страниц машинописного текста , в том числе 165 страниц основного текста, 37 страниц с рисунками .Список литературы включает 114 наименований. Приложение, включающее 108 страниц .брошюруется отдельно .