Теоретические основы и реализация методов обеспечения достоверности и технической диагностики для совершенствования АСУТП в энергетике Чжо Зо Е

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Анализ и обзор принципов повышения эффективности автоматизированных систем управления технологическими процессами в энергетике 20

1.1 Принципы построения и функциональные возможности автоматизированных систем управления технологическими процессами в энергетике 20

1.2 Аналитический обзор современных АСУТП в энергетике 36

1.3. Моделирование процессов технической диагностики контролируемых энергообъектов

1.4 Теоретические исследования информационных параметров АСУТП в энергетике 55

1.5. Постановка задачи диссертационных исследований 65

Выводы по главе 1 73

Глава 2. Разработка математических моделей основных компонентов АСУТП в энергетике 74

2.1 Основные подходы к моделированию информационных обменов в АСУТП 74

2.2 Математическое моделирование информационных потоков АСУТП в энергетике 85

2.3 Математическая модель оценки вычислительной мощности ЦППС 93

Выводы по главе 2 108

Глава 3. Разработка методик и алгоритмов повышения эффективности выявления отказов и поиска неисправностей в АСУТП энергетики 109

3.1. Модель определения предполагаемого количества отказов контролируемых энергообъектов 109

3.2 Разработка методики выявления одиночных отказов в процессе технической диагностики 117

3.3 Алгоритм тестирования системы с полным охватом компонентов 121

3.4. Методика управления надежностью АСУТП за счет обнаружения предвестников отказов 133

Выводы по главе 3 139

Глава 4. Разработка способов и принципов повышения эффективности информационных обменов в АСУТП 141

4.1 Разработка способов организации рабочих циклов при проведении информационных обменов в АСУТП 141

4.2 Разработка способа тактовой синхронизации в каналах связи 149

4.3 Анализ временных характеристик процесса тактовой синхронизации 157

4.4 Разработка метода спорадического централизованного опроса контролируемых энергообъектов 163

4.5 Разработка многомагистрального интерфейса межмодульных обменов в АСУТП 175

Выводы по главе 4 183

Глава 5. Разработка и экспериментальное исследование эффективности метода повышения достоверности команд управления 185

5.1 Разработка принципов и устройства вывода команд телеуправления повышенной

достоверности 185

5.2 Разработка методики расчета уровня достоверности команд телеуправления 194

5.3 Методика проведения экспериментальных исследований по оценке достоверности команд телеуправления 204

5.4 Результаты экспериментальных исследований достоверности телеуправления 217

Выводы по главе 5 229

Глава 6. Некоторые аспекты практического применения результатов диссертационного исследования 231

6.1 Концепция технической реализации основных элементов предлагаемой АСУТП в энергетике 231

6.2 Концепция практического использования разработанных систем 246

6.3 Разработка теоретических аспектов построения систем обучения основам управления и контроля распределенными энергообъектами 266

6.4 Программная реализация системы обучения основам управления и контроля распределенными энергообъектами 277

Выводы по главе 6 287

Заключение 288

Список литературы 291

• Теоретические исследования информационных параметров АСУТП в энергетике
• Математическое моделирование информационных потоков АСУТП в энергетике
• Алгоритм тестирования системы с полным охватом компонентов
• Разработка метода спорадического централизованного опроса контролируемых энергообъектов

Введение к работе

Актуальность проблемы.

В настоящее время специфика управления и контроля технологических процессов сложных распределенных энергообъектов, таких как энергосистемы; авиационные и морские терминалы; электрифицированный железнодорожный транспорт; нефте- и газопромыслы; военные объекты и базы оборонного значения; коммунальное хозяйство городов и других отличаются сложностью, высокой скоростью протекания процессов и большим количеством параметров. Указанные факторы делают необходимым применение специализированных автоматических систем сбора, передачи, обработки и отображения информации, формирования сигналов управления исполнительными устройствами - все эти функции в настоящее время выполняются АСУТП объектов энергетики.

Основными функциями современных АСУТП в энергетике являются прием, передача и обработка информации, определяющей процессы управления и контроля состояния энергообъектов с целью обеспечения их исправности и безотказной работы.

Выдающийся вклад в развитие теории и создание автоматических информационно-управляющих и вычислительных комплексов, методов повышения их надежности, помехоустойчивости и достоверности внесли СЕ. Shanon, В.А. Котельников, С.А. Лебедев, R.C. Bose, L.D. Grey, Ю.В. Гуляев, D.T Brown, W.W. Peterson, E.N. Gilbert, B.C. Бурцев, M.I.O. Golay, A.A. Харкевич, B.M. Глушков, Б.Н. Петров, F.F. Selers, Л.Н. Преснухин. Концептуальные вопросы синтеза нового класса системы для АСУ ТП в различных отраслях промышленной сферы разработаны в Центральном научно-исследовательском институте комплексной автоматизации (ЦНИИКА) под руководством д.т.н., проф. A.M. Пшеничникова. В Институте проблем управления АН СССР (ИЛУ) под руководством академика Прангишвили И.В. разработаны методы синтеза информационных систем сверхвысокой надежности. Теоретические и практические аспекты проблемы построения информационных систем для управления электрифицированным железнодорожным транспортом решались в Центральном научно- исследовательском институте Министерства путей сообщения (ЦНИИМПС) под руководством д.т.н., проф. Н.Д. Сухопрудского. Разработкой и производством программных и технических средств для построения систем автоматизации и контроля технологических процессов в различных отраслях промышленности занимаются сотрудники «Экспериментального завода научного приборостроения со специальным конструкторским бюро РАН» (ФГУП ЭЗАН)

под руководством член-корреспондента РАН Бородина В.А.

В настоящее время в мировом уровне вопросами развития создания АСУТП наибольшую известность получили работы Massachusetts Institute of Technology(ClIIA), Institute of Electrical and Electronic Engineer (IEEE), фирм ABB; Nokia (Финляндия); Motorola, Foxboro (США); AEG, Siemens (Германия); Telemecanic, АСЕС (Франция); Nippon Electric Co, Hitachi (Япония) и др.

Многократное увеличение скорости ввода-вывода данных, уменьшение мощности входных и выходных сигналов, повышение чувствительности цепей ввода и вывода информации повысило их уязвимость помехами, возникающими не в каналах связи, а во внутренних цепях устройств и цепях сопряжения с датчиками и приемниками информации. Указанная особенность редко принимается во внимание при синтезе структур и определении параметров системы, что негативно сказывается на достоверности управляющей, диагностической и измерительной информации.

Современные требования, относящиеся к выполнению управления для объектов энергетике, достаточно точно и жестко описаны в ГОСТ 26.205 и МЭК 870-4-93:

вероятность необнаруженной трансформации команды не выше 10"¹⁴;

системы при выходе из строя любого элемента не должны допускать исполнения ложных команд;

при телеуправлении система должна обеспечить две операции: подготовительную - выбора управляемого объекта, исполнительную - посылки команды на управляемый объект.

Указанные требования к достоверности информации и надежности функционирования систем управления и контроля распределенных энер-гобъектов в настоящее время не выполняются, в результате реальный уровень достоверности информации оказывается на несколько порядков ниже, чем заявленный производителями.

Другой проблемой при управлении распределенными энергобъекта-ми является эффективная передача сообщений по каналам связи. Она не представляет существенных затруднений при использовании радиальных каналов связи, когда каждому контролируемому объекту ставится в соответствие своя линия связи. Однако в современных системах на первое место выходят магистральные способы соединений. Подобная структура предполагает максимальное использование высокой пропускной способности каналов связи и минимизацию снижения оперативности (быстродействия) получения информации за счет повышения эффек-

тивности информационных обменов.

В связи с вышесказанным представляется актуальным проведение исследований, направленных на разработку основ теории, принципов построения, математических моделей и алгоритмов работы высокоэффективных АСУТП систем для повышения достоверности управления и энергоэффективности эксплуатирующегося энергетического оборудования.

Цель работы заключается в развитии теории и принципов построения высокоэффективных АСУТП в энергетике, разработке методов и алгоритмов обработки информации, направленных на повышение информационных характеристик АСУТП, создании средств повышения достоверности информационных обменов, принципов выявления и обнаружения отказов.

Для решения поставленных проблем используются методы исследования, основанные на теории интегральных и дифференциальных уравнений, теории вероятности, теории массового обслуживания, теории очередей, теории кодирования информации .

Научная новизна работы состоит в создании теории, принципов построения и совокупности научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих построение автоматизированных систем повышенной достоверности для управления и контроля распределенных объектов энергетики. В ходе выполнения диссертационной работы получен ряд новых научных результатов .

1. Научно обоснована сильная корреляционная зависимость между параметрами надежности, помехоустойчивости, быстродействия и достоверности информации АСУТП в энергетике, что делает необходимым использование комплексного показателя при разработке теоретических основ повышения эффективности систем.

2. Разработана математическая модель информационных потоков типовой АСУТП, включающей 6 основных компонентов и 14 технологических операций, на основе которой определены требования к тактовой частоте центрального процессора для обрабатывающего центра (не менее 4,5 ГГц) и осуществимей выбор одного из возможных вариантов-двуядерный процессор AMD Athlon IIХ2-270 с частотой 3400 МГц.

3. Разработана обобщенная математическая модель состояний АСУТП, анализ которой позволяет сделать вывод о необходимости введения в состав системы непрерывно работающих устройств контроля и диагностики, которые могли бы обнаруживать практически все неисправности и отказы; а также уменьшении вероятности поступления тре-

б

бований за счет снижения интенсивности информационных потоков.

4. На основе концепции редеющих импульсных потоков совместно с теорией регрессионного анализа предложена модель определения предполагаемого количества отказов контролируемых энергообъектов, позволяющая оценить эффективность процесса технической диагностики АСУТП в энергетике.

5. Предложена методика выявления одиночных отказов в процессе технической диагностики, направленная на выбор некоторой группы тестов, достаточной для обнаружения отказавшего элемента, и определения условного порядка последовательного применения тестов по критерию минимизации среднего значения суммарной стоимости процедуры тестирования.

6. Предложен алгоритм тестирования системы с полным охватом компонентов по критерию минимального времени поиска отказавшего элемента, в ходе проведенного компьютерного моделирования показано, что в зависимости от структуры проверяемой системы и количества используемых тестов обеспечивается повышение быстродействия при использовании предложенного алгоритма от 6,6 % до 38,3 %.

7. Разработана методика управления надежностью АСУТП, позволяющая при известных оценках границ надежности выбрать предвестники отказов, соответствующие требуемому уровню этого показателя.

8. Предложен способ организации рабочих циклов при проведении информационных обменов в АСУТП, обеспечивающий локализацию последствий искажения данных в одном рабочем цикле и отсутствие последействий искажений на смежные рабочие циклы при снижении реальной скорости передачи информации всего на 3 %.

9. Предложены способ и устройство тактовой синхронизации, которые обеспечивают работу тактовых генераторов в широком диапазоне скоростей и позволяют в 4 раза быстрее установить их синфазирование. Теоретически доказано, что эффективная скорость передачи информации для предложенного способа синхронизации с использованием меандров увеличивается в 4.8 - 8 раза по сравнению с "классическим" способом синхронизации.

10. Разработан метод спорадического централизованного опроса контролируемых энергообъектов, который обеспечивает повышение реальной скорости информационных обменов более чем на порядок. Предложена модификация данного способа централизованного опроса, которая обеспечивает повышение информативности и оперативности, а

также использование одного полудуплексного магистрального канала связи для обмена информацией с удаленными контролируемыми пунктами на скорости, максимально допустимой для каждого КП.

11. Разработан многомагистральный интерфейс межмодульных информационных обменов с последовательной шиной данных для приоритетной обработки сообщений при комбинированной централизованно- децентрализованной структуре АСУТП. Показано, что преимущества в динамике для разработанной архитектуры интерфейса возрастают по мере увеличения числа обслуживаемых функциональных устройств .

12. Разработан способ комбинированного кодирования команд телеуправления, основанный на сочетании биимпульсного условно корреляционного кода (БУКК), адресного позиционного кода при кодировании информации от двухпозиционных объектов и циклического кода, обрамляющего все информационное сообщение при передаче данных в канал связи, обеспечивающий повышенную достоверность.

13. Разработана методика расчета, математически обосновавшая, что предложенный способ кодирования обеспечивает получение высокого уровня достоверности, характеризующийся суммарной вероятностей необнаруживаемых искажений информации в канале управления 2*10"¹⁶, что на несколько порядков лучше параметров современных аналогов.

14. Разработаны обобщенные функциональные схемы контролируемых пунктов, центральных приемо-передающих станций и устройства вывода команд телеуправления, обеспечивающих высокую достоверность информационных обменов по каналам связи комбинированной конфигурации в АСУТП.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в разработке научно-технических решений, направленных на создание АСУТП повышенной достоверности, базирующихся на использовании современной элементной базы и передовых достижений электроники и микроэлектроники, обеспечивающих полную автоматизацию технологического процесса контроля и управление устойчивым энергообеспечением распределенных энергообъектов и производств. Разработанные алгоритмы передачи и обработки информации, способы кодирования, методы повышения эффективности АСУТП, а также функциональные модули, интерфейсы обеспечивают возможность создания АСУТП многоотраслевого применения с высокими информационными и эксплуатационными характеристиками.

Экспериментальная проверка достоверности телеуправления показала, что вероятность необнаруживаемых искажений выполнения ложных

команд управления в нормальных условиях эксплуатации до воздействия помех составляет 7,46-10"¹⁶; вероятность необнаруживаемых искажений выполнения ложных команд управления в нормальных условиях эксплуатации после воздействия помех составляет 1Д6.10"¹⁷; вероятность необнаруживаемых искажений выполнения ложных команд управления при воздействии помех составляет 4,65.10"¹⁷ , что значительно превышает уровни, оговоренные в ГОСТ 26.205-88 (10"¹⁰ - Ю^-12). Самостоятельное практическое значение имеют:

методика расчета уровня достоверности каналов телеуправления АСУТП в энергетике;

методика проведения экспериментальных исследований по оценке достоверности команд телеуправления;

методика управления надежностью АСУТП, позволяющая при известных оценках границ надежности выбрать предвестники отказов, соответствующие требуемому уровню этого показателя.

интеллектуальная система обучения, предназначенная для повышения квалификации обслуживающего персонала и обучения студентов в области АСУТП энергетики, включая проблемы повышения достоверности и отказоустойчивости систем управления и контроля энергообъектов.

Кроме того, практическая ценность разработанных теоретических подходов определяется возможностью проведения информационных обменов по каналам связи различной конфигурации и позволяет добиться эффективного использования информационных ресурсов каналов связи, с возможностью увеличения числа контролируемых пунктов. На защиту выносятся следующие научные результаты:

математические модели основных компонентов АСУТП для моделирования информационных потоков в энергетике;

методики и алгоритмы повышения эффективности выявления отказов и поиска неисправностей в АСУТП энергетики;

способы организация рабочих циклов при проведении информационных обменов в АСУТП;

способ и устройство тактовой синхронизации, которые обеспечивают работу тактовых генераторов в широком диапазоне скоростей;

метод спорадического централизованного опроса контролируемых энергообъектов и многомагистральный интерфейс межмодульных информационных обменов с последовательной шиной данных для приоритетной обработки сообщений при комбинированной структуре АСУТП;

алгоритмы работы и обобщенные схемы устройства вывода команд телеуправления;

принцип комбинированного кодирования команд телеуправления, основанный на сочетании биимпульсного условно корреляционного кода, адресного позиционного кода при кодировании информации от двухпозиционных объектов и циклического кода;

методика проведения экспериментальных исследований достоверности команд телеуправления;

методика расчета уровня достоверности команд телеуправления;

концептуальные аспекты, модель области знаний и алгоритм функционирования интеллектуальной системы обучения в области АСУТП энергетики;

результаты экспериментальных исследований, внедрения и испытаний , практически подтверждающих высокую эффективность применения разработанных теоретических положений и практических решений в АСУТП объектов энергетики.

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

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

Разработана обобщенная математическая модель АСУТП, основанная на использовании интегральных критериев оценки качества системы - времени передачи сообщений по каналу связи, наработки на отказ, вероятности обнаружения искажений сообщений помехами в канале связи.

Проведено моделирование информационных потоков и рассчитана загрузка функциональных модулей системы.

Предложена модель определения предполагаемого количества отказов контролируемых энергообъектов, позволяющая оценить эффективность процесса технической диагностики АСУТП в энергетике.

Предложена методика выявления одиночных отказов в процессе технической диагностики, направленная на определение порядка последовательного применения тестов по критерию минимизации среднего значения суммарной стоимости процедуры тестирования.

Предложен алгоритм тестирования системы с полным охватом компонентов по критерию минимального времени поиска отказавшего элемента.

Разработана методика управления надежностью АСУТП, позволяющая при известных оценках границ надежности выбрать предвестники отказов, соответствующие требуемому уровню этого показателя.

Предложен способ организации рабочих циклов при проведении информационных обменов в АСУТП, обеспечивающий локализацию последствий искажения данных в одном рабочем цикле и отсутствие последействий искажений на смежные рабочие циклы.

Предложены способ и устройство тактовой синхронизации, которые обеспечивают работу тактовых генераторов в широком диапазоне скоростей и позволяют быстрее установить их синфазирование.

Разработан метод спорадического централизованного опроса контролируемых энергообъектов, обеспечивающий повышение реальной скорости информационных обменов более чем на порядок.

Предложен многомагистральный интерфейс межмодульных информационных обменов с последовательной шиной данных для приоритетной обработки сообщений при комбинированной централизованно- децентрализованной структуре АСУТП.

Разработан принцип комбинированного кодирования команд телеуправления, который обеспечивает получение высокого уровня достоверности.

Разработана методика расчета уровня достоверности команд телеуправления на основе предложенных способов кодирования.

Создана методика проведения экспериментальных исследований по оценке достоверности команд телеуправления при различных уровнях помех в каналах связи.

Разработаны функциональные схемы устройств вывода команд телеуправления, центральной приемо-передающей станции и контролируемых пунктов, ориентированных на каналы связи различной конфигурации.

Созданы теоретические аспекты построения систем обучения основам управления и контроля распределенными энергообъектами

Автор диссертации принимал непосредственное участие в экспериментальных исследованиях достоверности команд телеуправления; создании программного обеспечения основных функциональных устройств, а также системы обучения; разработке принципиальных электрических схем и конструкторской документации.

Внедрение результатов работы. Полученные результаты диссертационной работы использованы в многофункциональной системе проти-

воаварийной автоматики, разработанной ФГУП ЭЗАН и изготавливаемой по технические условиям КУНИ.466945.055 ТУ. По итогам испытаний, проводимых согласно программе-методике КУНИ.466945.055. ПМ.02 ФГУП ЭЗАН, была подтверждена высокая достоверность команд телеуправления, которая обеспечивалась за счет предложенных в работе способов помехоустойчивого кодирования. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета "Московский государственный институт электронной техники" в материалах курсов "Системный анализ" и "Теория кодирования". Результаты работы внедрены в НИР "Разработка основ теории, принципов построения и методов технической реализации многофункциональных систем для управления, технической диагностики и экологического мониторинга распределенных промышленных объектов ТЭК (Шифр "2013-1.5-14-515-0059-011").

Полученные результаты диссертационной работы подтверждены 8 свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ №2012613973, №2012614888, ЭВМ 2013614720, ЭВМ 2013615056, ЭВМ 2014618095, ЭВМ 2014618913, ЭВМ 2015615054, ЭВМ 2015661494 и патентом на изобретение РФ №2540812.

Апробация работы и публикации.

Материалы диссертации обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2008-2015 г.г.); Всероссийских межвузовских научно-практических конференциях "Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике"(Москва, Зеленоград, МИЭТ, 2008-2015 г.г.); Международной научно-технической конференции" Современные информационные технологии" (Пенза, ПГТА, 2013 г.); Международная телекоммуникацинная конференция студентов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА» (Москва, МИФИ, 2010, 2012-2013 г.г.); Международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование», (МГУ,2013г); 2ой международной научно-методической конференции "Современные проблемы высшего профессионального образования" (Курск, КГТУ, 2010 г.), Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Энергоэффективность: опыт и перспективы», г. Москва, (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» 2013 г.), II международной научно-практической конференции "Современные информационные и коммуникационные технологии в высшем образовании: новые образовательные

программы, педагогика с использованием E-LEARNING и повышение качества образования" (Римский университет "La Sapienza" (Италия) 2014), International Scientific and Technical Conference "Computer modeling and simulation"-2014(COMOD-2014) (Saint Petersburg State Polytechnical University, St. Petersburg, Russia, 2014), 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-2014г., г. Орел)., Международной научной конференции «Информационные технологии в науке, управлении, социальной сфере и медицине» (Томск 2014), Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе» (Крым, Ялта-Гурзуф, 2014-2016 гг.).

По теме диссертации опубликовано 71 работ, полностью отражающих основные научные результаты, в том числе 41 статей (из них 21 - в журналах " «Известия вузов. Приборостроение», «Известия высших учебных заведений. Электроника», «Межотраслевая информационная служба», "Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России ", "Естественные и технические науки", "Вести высших учебных заведений черноземья", «Научное обозрение», «Науковедение» , входящих в перечень журналов, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных исследований),? в журналах «Archives of Control Sciences», Journal of Computer Science, 2014 International IEEE conference "Engineering and Telecommunication (EnT) (МГРТ, Moscow, 2014), International Conference on Computer Science & Human Computer Interaction (ICCSHCI 2015 ), (Munchen, Germany, 2015), ITA15 Sixth International Conference on Internet Technologies & Applications (Wrexham, North Wales, UK, 2015), Genetic and Evolutionary Computing; Proceedings of the Ninth International Conference on Genetic and Evolutionary Computing (Yangon, Myanmar, 2015); 2015 IEEE Global Conference on Signal and Information Processing (General Symposium) - GlobalSIP2015 (Florida, USA, 2015 (IEEE)), 2016 IEEE NW Russia Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference (2016 ElConRusNW) (St.Petersburg Electrotechnical University "LETI", St.Petersburg, Russia, 2016), IEEE UK-Sim-AMSS 18th International Conference on Computer Modelling and Simulation, UKSim2016 (Cambridge University (Emmanuel College), London, UK, 2016), 2nd International Conference and Summer School 'Numerical Computations: Theory and Algorithms'(NUMTA2016) (Pizzo Calabro, Cala-

bria, Italy, 2016), индексируемом SCOPUS и IEEE, 3 в зарубежных журналах, а также 21 тезисов докладов на научных конференциях. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 314 страниц основного текста, 77 рисунок и 14 таблицы, список литературы из 213 наименований, приложения на 46 страницах.

Теоретические исследования информационных параметров АСУТП в энергетике

Функции АСУТП для распределенных энергообъектов, заключаются в автоматизированном приеме, передаче и обработке информации, отражающей процесс энергообеспечения и управления энергообъектами с целью обеспечения их исправности и безотказной работы [22-39].

При всем многообразии устройств КП число типов модулей и, соответственно, видов информации ограничивается функциями: телесигнализации (ТС), телеизмерений текущих (ТТ) и интегральных (ТИ) значений параметров, телеуправления (ТУ), ввода и вывода массивов (файлов) кодовой информации (КИ), ретрансляции информации (РИ), полученной от других устройств КП или ЦППС [14,15].

Данные, принятые модулем ввода дискретных сигналов (телесигнализации), используются для фиксации текущего положения объектов, последовательности возникновения событий – изменений состояния (положения) объектов, и для построения «профиля мощности» цепи нагрузки (при использовании модуля для ввода числоимпульсных сигналов). При обнаружении изменения состояния любого датчика ТС контролируемый объект переводится в состояние ожидания разрешения передачи и после его получения источник формирует последовательные коды, соответствующие текущему состоянию всех датчиков ТС. Традиционно в качестве датчиков телесигнализации используются выделенные контакты, а также бесконтактные ключи, которые должны предусматривать возможность подключения к входной цепи модуля, представленной на рисунке 1.7.

Схема подключения датчиков к модулю ввода дискретных сигналов Сформированная информация передается в ЦППС. Команды телеуправления формируются автоматически, с помощью блока подачи команд управления диспетчерского щита или пульта, либо посредством ЭВМ. Сформированная команда ТУ инициирует сигнал, соответствующий номеру КП и адресу объекта управления в КП, от которого предварительно получен сигнал об изменении его состояния, т.е. делается попытка подачей КУ откорректировать состояние объекта. Команды телеуправления формируются программно, либо периодически (например, для включения или отключения наружного освещения города) по сигналу от встроенного в ЦППС блока точного времени (БТВ) [66].

Для ввода аналоговых сигналов в АСУТП в энергетике используются модули текущих телеизмерений МТТ. Информация от датчиков текущих измерений (ТТ), отражающая или влияющая на ход технологического процесса энергораспределения и энергообеспечения производств с помощью преобразователей измерений текущих значений параметров преобразуется в нормированные сигналы постоянного тока - 5…0…+5; 0… 5; 0… 20; 4…20 мА, Схема входного узла МТТ приведена на рисунке 1.8.

Схема входного узла модуля ввода текущих измерений Входной узел ориентирован на применение преобразователей измеряемого сигнала в постоянный ток, у которых выходной сигнал ограничивается при размыкании цепи нагрузки. Однако на объектах иногда устанавливаются преобразователи, у которых выходное напряжение возрастает до нескольких десятков вольт при размыкании измерительной цепи. В результате повышенное напряжение попадает на вход МТТ. Для предотвращения выхода из строя входных узлов МТТ между каждым выходом преобразователя (датчика) и входом модуля установлен ограничивающий резистор с сопротивлением 1,5 кОм. Поскольку выходной сигнал датчика не должен изменяться при увеличении нагрузки до 3 кОм, установленное дополнительное сопротивление не увеличивает погрешность преобразования.

Для измерения неэлектрических величин используются, например, термопреобразователи с диапазоном измеряемых температур от -50 0С до +150 0С; потенциометрические датчики давления с диапазоном изменения коэффициента давления 0,04-0.2. Аналоговые сигналы от датчиков ТТ преобразуются в цифровую форму с помощью АЦП [ ].

Модуль интегральных телеизмерений (МТИ) предназначен для ввода кодовой информации от электронных счетчиков, например типа АЛЬФА (АВВ ВЭИ Метроника), по «токовой петле» и (или) числоимпульсных сигналов от электронных и неэлектронных счетчиков при включении в последние генератора - преобразователя числа оборотов диска в число импульсов.

Математическое моделирование информационных потоков АСУТП в энергетике

Для поиска путей повышения эффективности АСУТП в энергетике проведем анализ его основных информационных характеристик быстродействия, помехоустойчивости, надежности и достоверности, которые традиционно представляются не взаимосвязанными друг с другом параметрами.

Так стандартно определяемое быстродействие АСУТП определяется как отношение длины информационного сообщения (Ытф) к номинальной скорости передачи информации по каналу связи -VK : R= Nnoc /VK и по сути ничем не отличается от показателя пропускной способности канала связи. Однако определяемый таким образом показатель быстродействия В действительности этот показатель ориентирован на идеальные условия передачи информации не учитывает следующие мешающие факторы: возможность искажения информационных сигналов в канале связи, что приводит к отказу от обработки и отображения данных; возможность задержки между первичной и последующими передачами одного и того же сообщения в случае искажения исходного сообщения; возможность искажения информационной посылки в модулях ввода дискретной или аналоговой информации от датчиков; возможность искажения информационной посылки кодирующих и декодирующих устройствах, в линейных адаптерах и в других функциональных устройствах, участвующих в передаче информации от КП в ЦППС; возможность задержки начала передачи информации вследствие неготовности, неработоспособности или возникновении очередей на обработку заявок в КП или ЦППС [35, 57]. Для подтверждения вышесказанного рассмотрим следующий пример.

Из практики функционирования АСУТП в энергетике хорошо известно, что интенсивности потока передачи информации по каналам связи КП - ЦППС значительно различаются для стационарного и аварийных режимов работы АСУТП . Для исключения образования очереди и возможной потери информации в аварийном режиме интенсивность потока заявок на передачу данных в нормальном режиме работы должна быть меньше пропускной способности предоставленного канала связи. Следовательно, смежные рабочие циклы обязательно должны разделяться паузами. В базовом протоколе паузы между рабочими циклами практически отсутствуют, вернее, они «заполняются» командами «опрос», «тестирование», «синхронизация времени», которые периодически поступают от ЦППС («master») и вызывают прерывание текущей работы контроллера КП («slave»).

Рассмотрим влияние такого принципа использования пауз на оперативность обработки информации контроллером. Задачу будем решать для варианта формирования всех компонентов информационного сообщения центральным контроллером КП. В рассматриваемом варианте контроллер должен: - циклически (с малым временем дискретности) опрашивать все модули; формировать из полученной информации полную базу данных; - по заданным критериям, используя полную базу данных, формировать информационные сообщения. Рассмотрение ограничим наиболее простым вариантом соединения ЦППС с КП радиальными каналами связи (pointo-point).

По процедурам базового протокола команда опроса информации (Т0При) представляется сообщением длиной в восемь байт. После паузы длиной в три байта (Гц) устройство КП («slave») должно ответить либо информационным сообщением, либо сообщением с признаком «отсутствие информации для передачи» (Тон). Длина сообщения Тои также равна восьми байт. Так как информационные сообщения передаются значительно реже, чем сообщения с признаком «отсутствие информации», можно предположить, что паузы между рабочими циклами (ТПРц) возникают циклически и равны: ТПРЦ = ТОПРИ. + ТП + ТОИ . (1.13) Вполне допустимо предположить, что время обработки контроллером КП одного байта информационных сообщений, передаваемых или принимаемых из канала связи КП - ЦППС, равно времени обработки информационного байта, поступающего в тот же контроллер КП при вводе информации от функциональных модулей. Для рассмотренного выше примера общее число информационных байт, вводимых в контроллер при опросе п функциональных модулей, равно 2-п-8. Тогда можно оценить коэффициент снижения потенциальной производительности системы (Ксниж) ДЬдаг= 2-И-8 + (8 + 3 + 8) =; + і9 2-72-8 \6п На рис. 1.12 приводится график зависимости коэффициента снижения оперативности от числа модулей, входящих в состав устройства КП.

Видно, что производительность системы существенно снижается для устройств КП с малым числом модулей, т.е. для устройств, в которых можно было бы достичь высокого коэффициента использования потенциальной производительности канала связи

Алгоритм тестирования системы с полным охватом компонентов

Как было отмечено в первой главе, одним из важнейших требований, предъявляемых к АСУТП в области энергетики, является эффективность выявления неисправностей и отказов. Одной из актуальных задач, требующих решения со стороны АСУТП является возможность определения предполагаемого количества отказов контролируемых энергообъектов. Формализуем данную задачу следующим образом. Предположим, что контуре контроля АСУТП находится совокупность объектов, в которые на этапе проектирования было заложено BОС искусственных отказовых ситуаций (ИОС). В процессе технической диагностики ИОС обнаруживаются, фиксируются и устраняются, при этом время восстановления при проведении ТД учитываться не будет. По окончании процесса восстановления режим технической диагностики продолжается.

Процесс выявления отказовых ситуаций с точки зрения теории массового обслуживания можно представить в виде потока событий — отказов[83-90]. Каждый обнаруживаемый отказ уменьшает интенсивность данного потока на величину bОС с вероятностью 1, другими словами поток редеет.

Для разработки модели определения предполагаемого количества отказов используем положения теории редеющих потоков и регрессионного анализа с учетом следующих предположений: вероятность обнаружения ИОС равна 1; вероятность добавления новой отказовой ситуации в процессе восстановления равна 0; поток отказов описывается распределением Пуассона[91-102].

Известно, что редеющие потоки имеют характеристики, функционалы которых хорошо описывают взаимосвязи следующих статистических параметров устройств и оборудования АСУТП.

ОСы а также вероятности появления не менее МОС , точно МОСи точно аОС отказов в течение времени tОС.. В формулах (3.1) — (3.3) приняты следующие обозначения: аОС — первоначальное количество отказовых ситуаций, которые заложены в устройства и оборудование АСУТП ; кОС— мгновенное значение интенсивности редеющего потока отказов; & — характеристическая переменная. В результате экспериментальных исследований можно определить величины кОС, аОС и другие параметры редеющего потока, связанного с проведением процесса диагностики контролируемого энергетического оборудования .

В работе предложена модель определения предполагаемого количества отказов на основе методов теории вероятности с использованием эмпирических данных. Предположим, что на временном интервале [0, tОС] возникает МОС отказов.

Математическое ожидание величины можно представить следующим выражением: Значение функции G(MОС)будет равно 1 приМОС=іОС, другими словами все отказовые ситуации будут происходить позднее момента времени tОС. Преобразуем выражение (3.4) с нормирующим множителем , что сделать правомерно, поскольку будут рассматриваться события, произошедшие до момента времени tОС.

Выражение (3.9) является трансцендентным и при условии, что величина kОСtОС достаточно величина, можно опустить выражение (1 + kОСtОС) в числителе и выражение r ОСtОС в знаменателе. В этом случае Величина уос представляет собой смещенную оценку для всей совокупности отказовых ситуаций, но на интервала [0, toc ] она не является смещенной и может быть определена как сумма Мос отказовых ситуаций в момент времени toc.

На рисунке 3.1 представлена эмпирическая зависимость функции определения предполагаемого количества отказов во времени. Интенсивность потока отказов кОС вычисляется из формулы (3.10), определяя значение эмпирически на основании построенного табличным способом графика функции и отнормировав его следующим образом: через время t\ происходит отказов, через время t2 происходит а2 отказов и т.д.

Представленная математическая модель дает возможность оценки эффективности процесса технической диагностики контролируемых энергообъектов путем анализа функции Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы и заключения. Во-первых, удается оценить эффективность ТД, анализируя зависимость G(aoc,koc).

Если время проведения процесса технической диагностики tОС эквивалентно времени t(aoc), то эффективность процесса можно считать высокой.

В случае G(aoc,koc)»tОС, имеем недостаточную эффективность процесса технической диагностики и соотвественно невысокую интенсивность потоков выявленных отказов . В результате необходимо провести и анализ и изменить программу проведения процесса технической диагностики.

В случае, если велико значение аос, необходимо рассмотреть вопрос о модернизации и замене контролируемого оборудования.

Кроме того, разработанная математическая модель, а также результаты обработки статистических данных технической диагностики позволяют дополнительно решить две практически важные задачи.

Автоматизированные системы управления и контроля распределенными энергообъектами являются сложными техническими системами, включающими большое количество элементов и имеющими сложную структуру[103,104]. Представим АСУТП как совокупность из N составляющих компонентов, которые соединены между собой сложными функциональными связями. Обозначим множеством совокупность элементов системы.

Представим Rt - вероятность работоспособного состояния /-го компонента системы, а Ef - вероятность его отказа, причем (Ej =1-Щ ). Предположим также, что отказы отдельных компонентов системы являются взаимонезависимыми. Диагностика АСУТП состоит в применении специальных тестов, которые проверяют работоспособность вполне определенного подмножества ее компонентов. Целями проведения технической диагностики могут являться: проверка работоспособности системы, то есть обнаружение имеющихся отказов; поиск всех отказавших компонентов системы.

В первом случае применяют общий тест, диагностирующий всю систему . Однако в некоторых случаях проведение такого теста либо невозможно, либо неэффективно, поскольку необходимы существенные затраты времени и других ресурсов, в результате более выгодно использование совокупности нескольких простых тестов.

Для технической диагностики и выявления мест отказов системы есть возможность проведения тестов Хг: , / = 1, ..., к , позволяющих осуществить проверку к параметров, нормальное значение которых отражает работо 117 способность компонентов некоторого подмножества i. Тест состоит в подаче тестовых воздействий и последующем измерении реакции в одной или нескольких контрольных точках[105-110]. Результаты использования каждого теста считаются успешными, если оказываются работоспособными все элементы множества и не успешными в случае отказа хотя бы одного элемента из i. Использование каждого теста влечет за собой некоторые затраты Ci , включающие, например, время тестирования или финансовые ресурсы, необходимые для проверки параметров объектов контроля, стоимость необходимой для этого аппаратуры и т.д.

Разработка метода спорадического централизованного опроса контролируемых энергообъектов

В предложенном способе централизованного опроса информационная посылка создается в ЦППС и передается в магистральный канал связи на скорости, которая соответствуют скорости передачи информации от самого удаленного КП, чем обеспечивается устойчивый прием сообщений всеми КП независимо от расположения и удаленности относительно ЦППС.

Предложена модификация данного способа централизованного опроса, которая обеспечивает повышение информативности и оперативности, а также использование одного полудуплексного магистрального канала связи для обмена информацией с удаленными контролируемыми пунктами на скорости, максимально допустимой для каждого КП.

Специфической особенность предлагаемого модифицированного способа является передача для каждого КП метки наличия или отсутствия данных для передачи на скорости, которая соответствует возможностям этого контролируемого пункта. ЦППС осуществляет анализ принятых кодовых комбинаций от всех КП и по типу этих комбинаций определяется как возможная скорость информационных обменов с каждым КП, так и наличие (отсутствие) данных для передачи.

В случае поступления метки отсутствия данных для передачи ЦППС может повторно осуществить централизованный опрос КП или принудительный запрос данных от выбранного контролируемого пункта.

В случае наличия данных от контролируемых пунктов ЦППС проводит информационный обмен с пунктом, который передал соответствующую метку на данном этапе. Если метка наличия информации принята от нескольких контролируемых пунктов, ЦППС осуществляет информационный обмен с этими КП, при этом режим обмена определяется в соответствии с приоритетом данного контролируемого пункта.

На рисунке 4.13 представлена временная диаграмма информационного обмена, в рамках которой каждому контролируемому пункту выделяется информационное поле в два бита, причем для повышения защищенности от помех метка наличия или отсутствия данных передается двоичной корреляционной последовательностью. Кодовая комбинация «10» показывает готовность контролируемого пункта к передаче информации, а комбинация «01» - отсутствие данных для передачи.

Кодовая комбинация «00» соответствует неисправности или отсутствию соответствующего контролируемого пункта [9,10]. Если для контролируемого пункта максимально допустимая скорость соответствует скорости передачи команды централизованного опроса, то комбинации «10» или «01» передаются один раз. Для КП13, КП14 и КП15 максимально допустимая скорость передачи в два раза ниже минимальной, следовательно для таких контролируемых пунктов комбинации сигналов «10» или «01» дублируются, то есть передаются комбинации 1010 или 0101 .

Для КП1 предельная скорость передачи в 4 раза превышает минимальную, следовательно него код повторяется 4 раза и передается комбинация 10101010, либо 01010101. На рисунке 4.14 представлен пример информационного обмена с КП15, от которого в режиме централизованного опроса поступила метка наличия информации для передачи в ЦППС. Скорость передачи данных определяется исходя из типа кодовой комбинации, которая была получена от данного КП в режиме централизованного опроса, которая в данном случае в 2 раза превышает минимальную. Для команды вызова применяется кодовая комбинация 1110. Передача сообщения от ЦППС завершается кодом защиты данных и закрывающим флагом. Данный контролируемый пункт на определенной в режиме централизованного опроса скорости передает адрес контролируемого пункта - 00001111, код поля управления, который соответствует типу передаваемого информационного сообщения 1010 и непосредственно информационные сообщения 101111110011011хx...