Введение к работе
Актуальность работы. Проблемы проектирования современных
распределенных автоматизированных систем управления
технологическими процессами (АСУ ТП), в первую очередь, связаны со сложностью характера протекающих процессов, как следствие, сложностью их формализации, с повышенными требованиями к мониторингу и контролю параметров ТП, с последующей регистрацией и хранением данных.
На сегодняшний день при системной интеграции существуют два подхода к разработке прикладного программного обеспечения (ПО) АСУ ТП. Первый подход - это разработка ПО с использованием классических языков программирования и стандартных средств отладки; второй -применение существующих, готовых инструментальных средств класса «Сбор данных и диспетчерский контроль» (SCADA-систем). При условии увеличения доли стоимости прикладного ПО в затратах на создание конечной системы вариант, основанный на непосредственном программировании, удовлетворителен лишь для ограниченного числа систем. В связи с этим, в рамках комплексной автоматизации производства и интегрированного управления ТП, целесообразно идти по второму направлению, осваивая и адаптируя уже апробированный универсальный инструментарий.
Однако, учитывая специфику прикладного ПО, ориентированного на известную проблемную область, применение данного подхода к другим видам обеспечения АСУ ТП, например, информационному и лингвистическому, является не достаточно эффективным. Наличие в распоряжении системных интеграторов универсальных коммерческих продуктов обусловлено рядом причин: представление интересов определенного разработчика; отсутствием специализированных решений, диктуемая заказчиком низкая совокупная стоимость владения (Total Cost of Ownership) АСУ ТП, последующий выбор которых основан на объективных, формальных требованиях.
На сегодняшний день масштабы работ по интенсификации,
компьютеризации ТП и интегрированному управлению
функционированием АСУ ТП, как сетью технологических процессов, в особенности, при автоматизации производств с непрерывным течением сложных процессов в химической и энергетической промышленности предъявляют, как правило, повышенные требования к оперированию данными в режиме реального времени, к интероперабельности видов обеспечения АСУ ТП и архитектуре их взаимодействия. В этой связи, проблема создания эффективной технологии организации специализированного информационного и программного обеспечения распределенных АСУ ТП является актуальной.
Целью настоящего диссертационного исследования является
повышение эффективности функционирования специализированного информационного и программного обеспечения распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ существующих моделей и архитектур обмена данными распределенных систем обработки информации и управления;
построение имитационной модели АСУ ТП для исследования компонентов гетерогенной среды, представленных экземплярами программного и информационного обеспечения, путем изучения способов и средств их взаимодействия;
- разработка методики определения инерционности, имеющей место
при взаимодействии компонентов гетерогенной среды АСУ ТП, с
использованием ресурсов имитационной модели АСУ ТП;
- разработка нового подхода к формированию транзакций
гетерогенной среды АСУ ТП, основанного на классификации
формализованных двухсторонних коммуникаций, ориентированных на
логику обработки данных в реальном времени;
пересмотр алгоритмической сущности интерфейса, как средства взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП, с целью увеличения его пропускной способности, и в целом снижения инерционности взаимодействия;
в целях снижения инерционности взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП, разработка методик и алгоритмов обеспечения функционирования специализированного программного средства управления и хранения данных в среде основной памяти;
- разработка GRID-ориентированной архитектуры построения
распределенных АСУ ТП на базе децентрализованной модели управления
данными.
Область исследования. Работа выполнена в соответствии с пунктом 9 "Методы эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП, АСТПП и др., включая базы и банки данных и методы их оптимизации" паспорта специальностей ВАК (технические науки, специальность 05.13.06 -автоматизация и управление технологическими процессами и производствами).
Методы исследования. При выполнении работы использовались: метод построения проекта АСУ ТП от структуры системы управления, математическое моделирование технологических объектов и процессов, методы объектно-ориентированного анализа и моделирования, методы реляционной алгебры.
Научная новизна работы:
1. Впервые предложена методика, позволяющая определить
параметры инерционности взаимодействия компонентов гетерогенной
среды АСУ ТП. Оригинальность данной методики заключается в способе
оценки временных характеристик транзакционной обработки данных,
позволяющем реализовать интероперабельность экземпляров
программного и информационного обеспечения АСУ ТП.
2. Впервые разработан итерационный подход к формированию
транзакций в гетерогенной среде АСУ ТП. Данный подход основан на
применении итерационных вычислений и направлен на формирование
транзакций, ориентированных на логику обработки данных в реальном
времени, что позволяет произвести полную спецификацию нагрузки на
СУБД со стороны SCADA.
3. Предложен и реализован комбинированный алгоритм,
обеспечивающий функционирование специализированной СУБД, который,
в отличие от ранее известных, обеспечивает приоритет в выполнении
транзакций и асинхронный характер запросов, а также согласованность
вычислений и целостность распределенных данных.
4. Предложена новая архитектура построения распределенных АСУ
ТП. Данная архитектура позволит использовать среду основной памяти
автоматизированных рабочих мест цеховой группы, которые являются
узлами локально-распределенной GRID-системы, в качестве среды
размещения экземпляров специализированной СУБД, что обеспечит
эффективное управление и хранение данных.
Значение для теории. Рассматриваемая в диссертационном исследовании технология направлена на эффективную организацию и ведение специализированного информационного и программного обеспечения АСУ ТП.
Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, создают теоретическую основу для развития методик и алгоритмов, направленных на повышение интероперабельности программного и информационного обеспечения АСУ ТП.
Практическая ценность.
В рамках диссертационного исследования разработана программная система, выступающая в качестве имитационной модели реального участка автоматизированного производства, учебный потенциал которой выражен в освоении навыков диспетчерского управления ТП.
Создано инструментальное средство, которое позволяет архитектору АСУ ТП прогнозировать интероперабельность видов обеспечения путем получения временных характеристик транзакционной обработки данных на уровне компонентов гетерогенной среды АСУ ТП.
Достоверность полученных результатов подтверждается: тестированием и оценкой результатов разработанной программной
системы (имитационной модели) определения временных характеристик инерционности; согласованностью расчетных и экспериментальных данных при реализации мероприятий по снижению инерционности взаимодействия исследуемых компонентов.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа была выполнена в рамках тематического плана СибГТУ (2006-2010 гг.), при поддержке Благотворительного фонда культурных инициатив Михаила Прохорова, в рамках открытого благотворительного конкурса «Академическая мобильность» 2008 г. (Договор № 2-38/08 от 17.12.2008г.).
По результату диссертационного исследования был разработан ряд моделей (UML-диаграмм), средой построения и документирования которых является Rational Rhapsody Modeler, ставший лингвистическим обеспечением проекта АСУ ТП.
Средой исследования взаимодействия компонентов гетерогенной среды АСУ ТП является имитационная модель - «Автоматизированная учебно-исследовательская система управления технологическим процессом», которая прошла экспертизу и зарегистрирована в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и образование» (Рег.№ 15736), что делает её доступной широкому кругу специалистов по автоматизации технологических процессов, системной интеграции и моделированию систем.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли всестороннюю апробацию на международной и всероссийских научно-практических конференциях. В том числе, всероссийских научно-практических конференциях «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» Сибирского государственного технологического университета (Красноярск, 2006-2010), XV международной конференции «Управление производством в системе TRACE MODE» (Москва, 2009), всероссийских заочных электронных конференциях Российской академии естествознания «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники» (Москва, 2009), «Новые технологии, инновации, изобретения» (Москва, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 4 статьи в журналах перечня ВАК РФ. Полный список публикаций представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 95 наименований.
