Національний університет кораблебудування

ім. адм. Макарова

УШКАРЕНКО Олександр Олегович

УДК 681.3.06

Оптимізація інформаційних потоків системи керування електроенергетикою сухогрузу з

потужністю електростанції до 2000 кВт

Спеціальність 05.13.07 – Автоматизація технологічних процесів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Херсон – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі Теоретичної електротехніки та електронних систем Національного університету кораблебудування ім. адм. Макарова Міністерства освіти і науки України, м.Миколаїв.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор

Рябенький Володимир Михайлович,

Національний університет кораблебудування,

завідувач кафедри теоретичної електротехніки

та електронних систем

Офіційні опоненти – доктор технічних наук, професор

Лубяний Віктор Захарович

Херсонський державний технічний університет,

завідувач кафедри метрології та вимірювальної техніки

– доктор технічних наук, професор

Бойко Віталій Іванович,

Дніпродзержинський державний технічний університет,

завідувач кафедри електроніки і автоматики

Захист відбудеться “ 24 ” вересня 2007 року о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 у Херсонському національному технічному університеті за адресою: 73008, Херсон-8, Бориславське шосе, 24, корпус 1, аудиторія 223.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, Херсон-8, Бориславське шосе, 24, корпус 1.

Автореферат розісланий “22” серпня 2007 року.

Вчений секретар

Спеціалізованої вченої ради Шеховцов А.В.

Загальна Характеристика роботи

Актуальність роботи. Ефективність сучасних суднових технічних засобів в значній мірі залежить від якості систем контролю і керування, збору і обробки інформації, систем прийняття рішень, основою яких є мікропроцесорні керуючі системи. Суднова електроенергетична система (СЕЕС) може розглядатися як система, яка складається з двох підсистем – енергетичної та інформаційної. Функціонування сучасних засобів автоматизації пов'язане з введенням, обробкою, зберіганням, видачею великої кількості інформації. Вони характеризуються паралельною і розподіленою обробкою інформації, роботою в реальному часі. Розвиток мікропроцесорних мереж змушує використовувати складніші способи керування інформаційними потоками. Необхідно контролювати такі параметри, як затримка передачі пакетів, коливання затримки, втрати пакетів в мережі. Основна тенденція в розвитку систем керування судновими електроенергетичними системами полягає в переході від централізованих систем до розподілених інтелектуальних систем, заснованих на мережевих технологіях.

Оскільки в процесі керування відбувається обмін інформацією між окремими блоками і агрегатами, то актуальними є питання розв’язання задачі маршрутизації інформаційних пакетів, упорядковування зв'язків по рівнях завантаженості каналів, компресії даних. Потоки інформації в сучасній системі керування можуть мати різні вимоги до затримки, швидкості, надійності передачі. Якщо вимоги одних підсистем можуть бути невисокими, вимоги інших, що працюють в режимі реального часу, можуть бути критичними до швидкості передачі і затримок. У зв'язку з цим актуальним є завдання розділення потоків на різні класи обслуговування, і рішення задачі маршрутизації для кожного з класу потоків з метою зменшення затримок при передачі пакетів і зменшення навантаження на мережу. Розв’язання цієї задачі вимагає залучення апарату нечіткої логіки.

На даний момент актуальні питання розробки ефективних засобів для сумісного проектування програмного і апаратного забезпечення. Перспективним напрямом в розробці систем автоматики є використання сучасних технологій інженерії програмних систем, до яких відноситься об'єктно-орієнтований аналіз і проектування на основі уніфікованої мови моделювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана в Національному університеті кораблебудування ім. адм. Макарова у межах державної бюджетної теми “Підвищення якості систем керування і автоматизації промислових і суднових об'єктів електроенергетики” (№1637), договорами з підприємством “Дельмор”, (договір №1641) та інженерним центром “KLG-ENGENEERING” (договір №1812).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є подальший розвиток методів формалізації, алгоритмізації, оптимізації і застосування цих методів при побудові систем керування СЕЕС.

Поставлена мета вимагає рішення таких наукових задач:–

визначення структури системи керування СЕЕС і склад вирішуваних нею завдань залежно від умов функціонування (режимів роботи);–

формулювання і теоретичне обґрунтування нових науково-технічних положень організації процесу керування інформаційними потоками при проектуванні розподіленої системи керування електроенергетичної системи судна;

– формалізація завдання експертних оцінок елементів мережі при нечіткій вихідній інформації;–

розробка методики оцінки обробки інформаційних потоків з різними вимогами до якості обслуговування; –

розробка способів маршрутизації інформаційних потоків у вузлах мікропроцесорної мережі розподіленої системи керування;–

моделювання суднової електроенергетичної системи з використанням уніфікованої мови моделювання (UML).–

дослідження поведінкових властивостей з метою оцінки якості роботи системи керування.

Об'єктом дослідження є суднова електроенергетична установка та її система керування.

Предметом дослідження є мікропроцесорна мережа системи керування електроенергетикою судна як складна взаємозв'язана система автоматизованого керування технологічним процесом і методи проектування системи керування судновою електроенергетикою.

Методи дослідження. При виконанні поставлених в дисертації завдань були використані методи системного аналізу і методи декомпозиції, методи теорії скінченних автоматів, теорії графів, апарату нечіткої логіки, вейвлет аналіз. Основними інструментами дослідження були: програмні пакети Rational Rose, MatLab.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- отримала подальший розвиток методи проектування систем керування судновою електроенергетикою шляхом використання сучасних технологій інженерії програмних систем;

- запропоновано використання автоматного підходу для реалізації системи керування електроенергетикою судна, на основі якого розроблені алгоритми керування засобами автоматизації;

- розроблена методика мінімізації кількості станів автоматів з метою усунення функціональної надмірності засобів автоматизації;

- вирішена задача формалізації розподілу функцій між локальними пристроями автоматизації, що дозволило вибрати оптимальну топологію зв'язків між ними;

- розроблена методика рішення оптимізаційних задач з використанням теорії масового обслуговування і апарату нечіткої логіки при керуванні інформаційними потоками в системі керування;

- вдосконалена методика розрахунку потоків в мережі обробки інформації автоматизованої системи керування. Новизна полягає в розрахунку потоків для кожного класу обслуговування окремо, з накладенням обмежень на пропускну спроможність;

- вперше розроблені UML – моделі системи керування СЕЕС, моделі інформаційних потоків і діаграми станів СЕЕС, які дозволяють виконати синтез програмного коду мікроконтролерів системи керування;

- вперше запропоновано використовувати вейвлети для стиснення даних вібродіагностики дизеля.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що наукові положення доведені до ступеня, придатного для практичного використання при аналізі і проектуванні системи керування судновою електростанцією. Теоретичні і практичні результати роботи, а саме: особливості використання UML для аналізу і моделювання систем керування, алгоритми керування інформаційними потоками, в системі керування СЕЕС включені в учбовий процес Національного університету кораблебудування. Принципи автоматного підходу використані при побудові систем пуску суднових аварійних дизель-генераторів, пристроїв автоматичної точної синхронізації, а також керування електроприводами на ВАТ “ЕРА” ДП “Дельмор”, м. Миколаїв.

Особистий внесок здобувача. Усі положення, що виносяться на захист, виконані самостійно. У роботі [1] здобувачем запропоновано структуру системи керування електроенергетичною системою; у роботах [2,3] здобувачем розроблені алгоритми керування автоматизованими засобами синхронізації генераторів; у роботах [4,5,8] проведений аналіз структури системи керування, визначені принципи проектування та моделі системи керування з використанням уніфікованої мови моделювання; у роботі [7] здобувачем визначені параметри, що використовуються для оцінки якості обслуговування потоків; робота [6] написана особисто; у роботі [9] здобувачем реалізовані цифрові пристрої, що використовуються при побудові систем керування на базі програмованих логічних матриць; у роботі [10] здобувачем реалізовані модулі, що використовуються при побудові систем обробки даних, спеціалізованих мікропроцесорів з використанням автоматного підходу на базі програмованих логічних матриць.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи були представлені і обговорені на науково-технічних конференціях Національного університету інформаційно-комунікаційних технологій “COMINFO’2006” (Київ, 2006), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу кафедри Теоретичної електротехніки і електронних систем НУК ім. адм. Макарова (Миколаїв, 2007); міжнародній науково-технічній конференції “Силова електроніка і енергоефективність” в 2006 р., 8-ій науково-практичній конференції “Інформаційні технології в освіті і управлінні”.

Публікація результатів наукових досліджень. По темі дисертації опубліковано 10 друкованих праць, з них 8 статей у наукових спеціальних журналах, які входять у перелік ВАК України, та 2 навчальних посібника.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Зміст дисертаційної роботи викладено на 182 сторінках машинописного тексту, що складається зі вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. У роботі представлено 5 таблиць, 48 рисунків, список використаних джерел з 114 найменувань, 3 додатки.

Основній зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність роботи, сформульовані мета і задачі наукового дослідження, наведені дані про зв’язок роботи з науковими програмами, зазначений особистий внесок здобувача в друкованих працях зі співавторами, наведено перелік отриманих результатів, викладена наукова новизна, практичне значення і реалізація результатів дисертаційних досліджень.

У першому розділі розглядаються теоретичні аспекти розробки методики та алгоритмів керування інформаційними потоками в мережах. Розглянуто принципи побудови розподілених систем керування електроенергетичними системами; визначені рівні ієрархії системи керування; сформульовані вимоги щодо вибору математичного апарату. Судова електроенергетична система (СЕЕС) містить в собі агрегати генерування електроенергії, вузли її розподілення, елементи контролю показників якості, забезпечення надійності, захисту, живучості у важких умовах експлуатації суден. СЕЕС може розглядатися як система, що складається з двох підсистем – енергетичної та інформаційної. Елементами енергетичної підсистеми є генеруючі агрегати, комутаційна апаратура, захисні пристрої, кабельні траси. Основна властивість енергетичної підсистеми – забезпечувати споживачів електроенергією із заданою якістю. На сухогрузах, у яких потужність електростанції складає до 2000 кВт, зазвичай встановлюються три основних та один аварійний генератори. Це визначає склад засобів автоматизації енергетичної установки. Водозаміщення таких суден складає 40?60 тис. тон.

Система керування електроенергетикою сухогрузу розглядається як сукупність мікропроцесорних систем, які розташовані по виробничих приміщеннях судна і об'єднані по магістральній, кільцевій або іншій ознаці, забезпечуючи централізацію контролю (збір, обробку, представлення інформації персоналу на постах керування) про технічний стан устаткування і якість протікання технологічних процесів, керування якими повинне забезпечуватися автоматично і дистанційно.

У другому розділі розглянуті алгоритми керування засобами автоматизації енергетичної системи, які представлені в класі скінченних автоматів; розробляється методика мінімізації кількості станів автомата з метою зменшення об'єму даних, що передаються по мікропроцесорній мережі, а також усунення функціональної надмірності керуючих пристроїв.

Мікропроцесор представляє собою складний автомат, зміна станів якого визначається програмою, що виконується Реалізація систем керування у вигляді набору автоматів дозволяє організувати обробку паралельних потоків інформації в режимі реального часу і забезпечити строго детерміновану затримку при доставці інформації до пунктів призначення. Такий підхід може ефективно застосовуватися при розробці програмного забезпечення для контролерів, призначених для керування технологічними процесами. В основу проектування програми закладається алгоритм – скінченний автомат у вигляді діаграми станів, або таблиці послідовних переходів, призначений для формального опису логіки програм. На базі таблиці станів виконується мінімізація кількості станів.

Граф переходів системи синхронізації є циклічним, тому його можна представити у вигляді графа переходів скінченного автомата. На рис.1 представлений автоматний алгоритм системи синхронізації.

Рис.1.

Початковим станом автомата вважається стан ‘А’. По фронту імпульсу, який формується при перетинанні значення напруги нуля, виникає зовнішнє переривання з номером 0 (Int0), по якому відбувається перехід автомата в стан ‘B’. Якщо в стані ‘В’ автомата виникло переривання 1 (Int1), автомат переходить в стан ‘C’. В стані ‘D’ виконується обчислення різниці частот напруги працюючих генераторів, що підключаються. Якщо різниця частот мала, то автомат переходить в стан ‘E’, в якому виконується розрахунок різниці фаз і різниці напруги. При виконанні умов синхронізації, автомат переходить в стан ‘S’. Разом з цим видається сигнал на замикання контактів автоматичного вимикача і виконується синхронізація генераторів.

У третьому розділі розглядаються питання класифікації інформаційних потоків в мережі розподіленої системи керування з використанням нечіткої логіки; запропоновано топологію мікропроцесорної мережі; розроблено алгоритми маршрутизації інформаційних потоків; запропоновано використання вейвлетів для компресії даних, що передаються по мережі.

Ключове завдання керування потоками включає: мінімізацію втрат пакетів і затримок, оптимізацію пропускної спроможності. Як основні вимоги до якості обслуговування найчастіше вибирають такі характеристики:

1. відносна передбачуваність швидкості передачі даних;

2. чутливість до затримок пакетів;

3. чутливість до втрат і спотворень пакетів.

По критерію передбачуваності швидкості потоки можна розділити на два великі класи:

Потоки з рівномірним трафіком – навантаження поступає в мережу з більш менш постійною бітовою швидкістю.

Потоки з пульсуючим трафіком – інтенсивність навантаження відрізняється високим ступенем непередбачуваності, коли періоди затишшя змінюються передачею великих блоків даних. Для потоку характерна бітова швидкість, що змінюється. Так, у разі запиту даних (наприклад, діагностична інформація), інтенсивність потоку може збільшуватися від нуля, коли дані не передаються, до повного насичення смуги пропускання каналу.

Трьом критеріям класифікації (передбачуваність швидкості, чутливість до втрат і затримок) відповідає три групи параметрів:–

параметри пропускної спроможності, включають середню, максимальну (пікову) і мінімальну швидкості передачі даних;–

параметри затримок – середня і максимальна величина затримок, а також середнє і максимальне значення варіацій затримок, тобто відхилень міжпакетних інтервалів в трафіку, що прибуває, в порівнянні з відправленим;–

параметри надійності передачі – відсоток втрачених пакетів, а також відсоток спотворених пакетів.

Розподіл на класи проводиться виходячи з очікуваної інтенсивності потоків, вимог до якості обслуговування потоків. Ухвалення рішення про переміщення простого потоку в конкретний клас обслуговування проводиться на підставі близькості нечітких оцінок їх об'ємів, фізичного розташування приймачів і генераторів пакетів.

Суть методики полягає в наступному:

1. Фаззіфікация – внесення нечіткості.–

виділяються лінгвістичні змінні, необхідні для оцінки якості обслуговування потоку;–

для кожної лінгвістичної змінної вибирається кількість термів, і визначаються фізичні значення граничних для них умов.

2. Ухвалюється рішення про кількість класів обслуговування.

3. Розробляються нечіткі правила обробки нечітких оцінок потоків.

4. Розробляються правила дефаззифікації – для усунення нечіткості результату при декількох результуючих термах.

Для оцінки якості обслуговування потоку по методах нечіткої логіки виділені лінгвістичні змінні:

– чутливість потоку до затримок;–

передбачуваність швидкості;–

чутливість до втрат пакетів.

Окрім цього для оцінки потрібно визначити такі лінгвістичні змінні:–

швидкість передачі;–

розподіл інтенсивності потоку в часі.

1. Чутливість потоку до затримок Fz виражається через час. Змінна прийматиме значення . Функції приналежності лінгвістична змінна “чутливість трафіку” представлені на рис.2,а.

2. Передбачуваність швидкості W можна виразити через відношення максимальної швидкості до мінімальної. Змінна прийматиме значення . За допомогою лінгвістичної змінної “передбачуваність швидкості” можна вивести максимальну (пікову) і мінімальну швидкості передачі при заданій середній (рис.2,б).

а) б)

Рис.2.

3. Оцінка чутливості до втрат пакетів Y виражається через відсоток пакетів, що допустимо втрачаються. Змінна прийматиме значення (рис.3). Її використання дозволяє вивести допустимий відсоток втрачених пакетів, а також відсоток спотворених пакетів.

Рис.3.

4. Швидкість передачі V виражена через Біт/с. Змінна прийматиме значення:

В якості нечітких функцій розподілу пропонується використовувати трапецієвидні нечіткі інтервали. Кількість пакетів, що генеруються, в рамках обмеженого часового відрізка обчислюється на підставі виразу:

,

де r – розмір пакету, V – швидкість передачі потоку, TN – довжина часового відрізка, Q – відсоток часу від всього даного відрізка, коли потік генерується.

На рис.4 представлені поверхні нечіткого виводу, які дозволяють встановити значення вихідної змінної від значень вхідних змінних нечіткої моделі.

а) б)

Рис. 4.

Результатом нечіткої продукції правил стає віднесення даного потоку до конкретного класу або класів обслуговування з нечітким значенням приналежності до класів. Використано три класи з пріоритетами 1, 2 і 3 (рис.5).

Рис.5.

Після розбиття потоків на класи і визначення очікуваних їх оцінок можна приступити до отримання загальної картини потоків в мережі. Тут проводиться об'єднання потоків що належать одному класу обслуговування, спрощення структури мережі шляхом виключення незначущих для розрахунку елементів методами структурної композиції.

Матриця вимог до передачі інформації для конкретного процесу в конкретний інтервал TN – Hk приводиться нижче.

Таблиця 1. Матриця вимог до передачі інформації

де hkmn – вимога передачі пакету від i-го вузла j для k-го процесу.

Матриця вимог в передачі інформації для всіх процесів в конкретний інтервал TN – Н знаходиться як сумарна матриця всіх матриць вимог потоків, що генеруються в мережі:

,

де n – кількість генеруючих вузлів в мережі, які генерують потоки.

На рис.6 представлена структурна схема мережі керування електроенергетичною системою.

Використані наступні позначення: СКД – система контролю параметрів дизельного агрегату; СУД – система керування дизельним агрегатом; СВ – система збудження синхронного генератора; РЗТ – реле захисту по струму; РОМ – реле зворотної потужності; ККЗ – захист від короткого замикання; ЛСА – маршрутизатор потоку від локальних засобів автоматизації; РРМ, РАМ – пристрої розподілу реактивної і активної потужностей; БС – блок синхронізації генераторів; УФК – маршрутизатор потоків від пристроїв керування функціональними комплексами; СІ – засоби аварійної сигналізації; КН – пристрій контролю напруги; КРМ – пристрій контролю резерву потужності; КСУ – комплексна система керування; КИ – блок контролю ізоляції; КМ. – блок контролю потужності; КН – блок контролю напруги; КЧ – блок контролю частоти.

У мережі на рис.7 пакети даних з нижніх рівнів на верхні передаються через комутаційні пристрої, які роблять істотний вплив на продуктивність і ефективність обміну даними. У зв'язку з цим актуальною є розробка засобів оцінки часу затримки кадрів даних при передачі їх через міжмережеві з'єднання.

Нехай mi – число пакетів i-ї черги, Xi – відносне використання внутрішніх пакетів i-ї черги, сi – абсолютне використання пакетами черги i. Стаціонарний розподіл вірогідності станів представляється у вигляді:

де Xi/(1-сi) є ефективним відносним використанням внутрішніх пакетів в черзі i.

Очікуване число внутрішніх пакетів в черзі і виходить з:

(1)

Очікуване число зовнішніх пакетів в черзі і визначається функцією E(mi):

Пропускна спроможність зовнішніх пакетів в черзі і відповідає коефіцієнту ni – інтенсивності надходження зовнішніх пакетів. Пропускна спроможність внутрішніх пакетів в кожній черзі виходить з:

.

Використовуючи формулу (1) для очікуваного числа внутрішніх пакетів, можна отримати очікуване значення повної затримки в системі без втрат:

.

Повна затримка D складається з чотирьох компонент Du, D1, Dg та D2, які показують затримки в призначеному для користувача буфері введення, першій мережі, маршрутизаторі і другій мережі. Значення D1 і D2 визначають затримки проходження першої і другої мережі. Затримка проходження з'єднання є сумою D1 Dg і D2. У свою чергу, затримка проходження може бути отримана як:

де вираз в квадратних дужках представляє очікуване число внутрішніх пакетів.

Знаючи число внутрішніх пакетів, маємо:

де Рн – вірогідність затримки в призначеному для користувача буфері вводу.

Очікувану повну затримку можна представити у вигляді:

де K(n) – нормуючий коефіцієнт, який визначається по формулі:

Приведені залежності дозволяють визначити часові затримки в основних комутаційних пристроях, а також на вході в мережу з боку вузлів AN – IN (N=1,2,3). Ці значення використовуються для керування навантаженням в мережі. Як критерій ефективності може бути використаний критерій потужності, запропонований Клейнроком:

де Г – пропускна спроможність.

При побудові мереж велике практичне значення має рішення задачі оптимізації функціонування мереж з погляду найбільш економічного розподілу потоку даних по каналах зв’язку. Є можливість знайти оптимальні шляхи проходження потоку інформації по різних критеріях – мінімізація часу доставки пакетів, вартості проходження пакету, середньої затримки, або мінімізація пропускної спроможності.

У багатьох практичних контекстах, сумарний потік між вузлами може бути таким, що жоден канал окремо (отже, і жоден маршрут) не зможе його пропустити. Проте сумарний потік може бути менше, ніж максимально допустимий потік через поперечний перетин, що розділяє два вузли. В цьому випадку, єдино можливим рішенням може бути ділення основного потоку на декілька потоків.

Можна представити складний потік як суму простих потоків. Така декомпозиція є зручним засобом для потокових алгоритмів. Позначимо через h(S) такий потік в графові G, в якому покладене оij=h для дуг (xi, xj)S і оij=0 для дуг (xi, xj) S. Якщо безліч дуг S довільно, то h(S) не завжди буде потоком, оскільки потік повинен задовольняти рівнянню безперервності при деякому значенні v:

Для того, щоб h(S) представляло потік, безліч дуг S повинна бути або ланцюгом від s до t в G, або циклом в G. Для двох заданих потоків о та ш через о + ш позначимо поток, значення якого на дузі (xi, xj) дорівнює оij+шij. якщо о – довільний потік від s к t в графі G, то о можна представити у вигляді:

,

де Р1,…, Рv – прості ланцюги від s до t в графі G, а Ф1,..., Фk – прості цикли в G.

Рис.7.

Для роботи алгоритму маршрутизації використовується метрична інформація, яка є набором чисел, що характеризують якість шляху. Це дозволяє маршрутизатору порівнювати шляхи, дані про яких він отримує від інших маршрутизаторів, і вирішувати, який з них використовувати. Метрична інформація включає такі параметри:–

час затримки, що є інтервалом часу, який потрібний для досягнення пакетом місця призначення при русі по ненавантаженому шляху;

– пропускну спроможність самого вузькогополосного каналу;–

завантаження каналу, що є частиною пропускної спроможності, яка використовується у поточний момент;–

надійність, що є часткою пакетів, які досягають місця призначення непошкодженими.

На підставі метричної інформації для шляху повинна розраховуватися одна складна метрика, що об'єднує різні компоненти в одне число, яке представляє характеристику якості шляху. Пропонується вибирати шлях на підставі наступної метрики:

де К1, К2 – константи для визначення вимог до обслуговування пакетів; С – поточна пропускна спроможність каналу, тобто різниця між пропускною спроможністю розвантаженого каналу і завантаженого каналу; t – затримка доставки пакету по незавантаженому шляху, що складається із затримки комутації і затримки передачі пакету; R – надійність каналу. Шлях, що має мінімальну метрику, буде оптимальним.

Як критерій оптимізації вибраний мінімальний час і вартість проходження інформаційних потоків по каналах зв'язку. Позначимо через пропускну спроможність каналу зв'язку мережі, – час проходження одиниці по каналу зв'язку .

Проблема оптимізації маршрутів потоків даних є знаходженням рішення системи лінійних рівнянь, які мінімізують лінійну форму. Систему лінійних рівнянь можна записати таким чином:

..

У матричній формі система рівнянь має вигляд:

При пуасоновських вхідних потоках завдання знаходження оптимального шляху (з мінімальним часом доставки) статичної процедури маршрутизації зводиться до завдання мінімізації функції Т:

е xij – інтенсивність потоку, що протікає по каналу (ij); n – сумарний вхідний потік; cij – пропускна спроможність каналу.

На рис.8 представлена блок-схема алгоритму обробки маршрутизатором вхідних пакетів (D – місце призначення, вказане в пакеті).

Рис.8.

Однією з функцій системи керування є діагностика устаткування, зокрема вібродіагностика дизель-генераторних агрегатів. На рис.9 представлений сигнал вібродіагностики, що містить 512 відліків.

Рис.9.

Будь-який сигнал може бути представлений у вигляді зваженої суми простих складових – базисних функцій шk(t), помножених на коефіцієнти Ck:

Оскільки базисні функції шk(t) передбачаються заданими як функції цілком певного вигляду, то тільки коефіцієнти Ck містять інформацію про конкретний сигнал. Вейвлет-коефіцієнти можуть бути обчислені за формулою:

де параметр а задає ширину базисної функції (пакету), а параметр b – його положення. Основою вейвлет-наближення одновимірного сигналу s(t) є отримуваний в ході прямого вейвлет-перетворення набір коефіцієнтів – апроксимуючих ai і деталізуючих di. Реконструкція сигналу на n-м рівні розкладання задається виразом:

де через а позначені коефіцієнти апроксимації, а через d – деталізуючі коефіцієнти. Виконана компресія того ж сигналу з використанням вейвлета Мейера. Вейвлет-функції Мейера визначені в частотній області таким чином:

.

Відповідна масштабуюча функція:

В результаті компресії кількість нульових коефіцієнтів дорінвює 80,15%. При цьому збережене 99,7% енергії сигналу. Стиснення даних досягається шляхом обмеження рівня коефіцієнтів деталізації (рис.10,б).

У четвертому розділі виконується розробка моделі системи керування з використанням уніфікованої мови моделювання UML та UML-FB, з метою синтезу програмного коду для керуючих мікроконтролерів; виконано аналіз інформаційних потоків в системі керування; побудовані статична та динамічна модель СЕЕС.

На рис.11 представлена UML – діаграма однієї генераторної секції і зв'язки між окремими функціональними пристроями.

При розробці розподілених систем керування повинні прийматися до уваги такі положення як створення програмного коду, розбиття на функціональні модулі з подальшим розташуванням в керуючих пристроях, вибір топології системи керування та реалізація зв'язків між керуючими блоками.

Кожен з пристроїв представлений у вигляді класу, який має набір функцій, за допомогою яких описуються алгоритми роботи засобів автоматизації і набір атрибутів, що визначають поточний стан кожної системи.

Після того, як розроблена статична модель системи керування, виконується опис алгоритмів роботи системи керування СЕЕС і окремих пристроїв автоматизації при різних режимах роботи. На етапі динамічного моделювання розглядаються динамічні, або поведінкові аспекти системи. Динамічна модель є одночасно міжоб'єктною (що описує взаємодію об'єктів) і внутрішньооб'єктною (що характеризує, як залежний від стану об'єкт визначається скінченним автоматом і зображається на діаграмі станів). Взаємодія між об'єктами описується за допомогою UML-діаграм кооперацій. Консолідована діаграма взаємодії представлена на рис.12.

Рис.12.

. Для моделювання динаміки функціонування систем керування технічними засобами використовується UML-FB (рис.13).

Використання UML дозволяє генерувати програмний код складних систем з урахуванням всіх зв'язків в системі і закладених у функціональні блоки особливості функціонування.

У п’ятому розділі приводиться опис структури розробленої мікропроцесорної мережі учбової лабораторії, оснащеної автоматизованими стендами по вивченню процесів збору і обробки інформації електричних блоків, вузлів і агрегатів (вібродіагностика, частотне керування асинхронним двигуном, тиристорний випрямляч, система синхронізації, система збудження генератора); розроблені алгоритми і програмні засоби мережевого керування устаткуванням.

У лабораторії є стенди, кожен з яких є автоматизованою системою, що виконує функції збору, обробки інформації, а також контролю вимірюваних параметрів, з можливістю підключення до комп'ютера і мікропроцесорної мережі. Всі функції, пов'язані з контролем, обробкою і відображенням інформації, а також керуванням вимірюваними величинами реалізовані на мікроконтролерах, об'єднаних в мережу, що має вихід на сервер локальної мережі. Топологія мережі, в якій використовується система, представлена на рис.14.

Об'єктами керування є:

· система плавного пуску асинхронного двигуна (СПД);

· трифазний тиристорний перетворювач (ТТП);

· електропривод змінного струму (приводний двигун синхронного генератора) (ЕЗС);

· система синхронізації генератора з мережею (ССГ);

· система збудження синхронного генератора (СЗГ);

· система вібродіагностики двигуна змінного струму (СВД).

Кожний з перерахованих модулів реалізований на базі мікроконтролера з можливістю підключення до мережі по інтерфейсу I2C. Для керування мікропроцесорною мережею розроблений спеціальний модуль, вигляд якого показаний на рис.15, а. На рис.15,б представлений вигляд стенду, на якому розташовані електропривод змінного струму, система синхронізації генератора з мережею, система збудження генератора, система вібродіагностики та збору даних. Керування стендом відбувається дистанційно, по мережі

Для реалізації моделі клієнт-сервер використаний мережевий інтерфейс Windows Sockets (TCP). Для реалізації протоколу Modbus після послідовного порту (СОМ) були розроблені класи v_Modbus і v_Serial. Клас v_Modbus відповідає за формування, обробку і контроль парності пакетів у форматі Modbus RTU, а клас v_Serial - за безпосередню пересилку і прийом пакетів через COM-порт. Обидва класи зображено на рис.16.

Для побудови систем керування технологічними об'єктами був використаний автоматний підхід.

У додатках наведені: тексти програм для керуючих мікроконтролерів системи синхронізації, системи збудження, акти впровадження результатів дисертаційної роботи на підприємствах і організаціях.

Висновки

В ході виконання роботи була розроблена методика аналізу і оптимізації інформаційних потоків в розподіленій системі керування судновою електроенергетичною системою.

Отримані наступні результати:

1. Показано переваги використання автоматного підходу при проектуванні системи керування СЕЕС. Розроблені методика та програмні засоби мінімізації кількості станів автомата, що дозволило усунути надмірність апаратних засобів при реалізації розподіленої системи керування. Автоматний підхід використаний при програмуванні керуючих мікроконтролерів засобів автоматизації.

2. Запропонована методика оцінки параметрів потоків мережі обробки інформації, з різними вимогами до якості обслуговування, ґрунтуючись на нечіткій, лінгвістично заданій його оцінці. Приведені описи використовуваних лінгвістичних змінних, нечітких функцій оцінки.

3. Запропонована чотирьохрівнева структура системи керування електроенергетичною системою. Визначені склад технічних засобів автоматизації і функції, що виконуються системою керування. Обґрунтовано вибір топології мережі.

4. Розроблені алгоритми обробки потоків у вузлах мережі з використанням теорії масового обслуговування, алгоритми розподілу потоків по декількох каналах зв'язку, засоби оцінки часу затримки пакетів даних при передачі їх через міжмережеві з'єднання.

5. Запропоновано використання вейвлет-перетворення для стиснення діагностичних даних, що передаються по мережі розподіленої системи керування. Проведений аналіз залежності ступеня стиснення даних для різних типів вейвлетів.

6. Створена UML-модель розподіленої системи керування, використання якої дозволяє виконати синтез програмного коду для мікроконтролерів системи керування. З використанням UML-FB виконано динамічне моделювання роботи системи керування.

7. Розроблені алгоритми і програмні засоби для дистанційного керування технологічним устаткуванням (електропривод змінного струму, система синхронізації), побудованих на базі мікроконтролерів.

Обґрунтування висновків і рекомендацій, наведених у роботі, підтверджується практичним використанням результатів дисертаційних досліджень. Результати дисертаційної роботи використовуються при виробництві загальнопромислових та судових засобів автоматизації на підприємстві ВАТ НП “ЕРА” ДЕП “Дельмор”.

Перелік опублікованих робіт за темою дисертації

1.

Здобувачем запропоновано та обґрунтовано вибір топології мікропроцесорної мережі розподіленої системи керування електроенергетикою судна, визначені функції, що виконуються на різних рівнях ієрархії.

2.

Здобувачем розроблено автоматний алгоритм керування системою синхронізації генераторів, виконано кодування станів автомату для реалізації системи на базі мікроконтролера.

3.

Здобувачем розроблені алгоритм роботи та діаграма процесів блоку синхронізації генераторів.

4.

Здобувачем виконано аналіз інформаційних потоків в системі керування СЕЕС, розроблені UML-діаграми взаємодії між об’єктами електроенергетичної системи.

5.

Здобувачем визначений склад та розроблена статична модель генераторної секції, на основі якої виконується опис алгоритмів роботи системи керування.

6.

Здобувачем сформульовано критерій оптимізації для пошуку оптимального розподілення потоків по каналах зв’язку, розроблено алгоритм обробки пакетів в маршрутизаторі, що виконує пошук оптимального шляху.

7.

Здобувачем визначені параметри, що використовуються для оцінки якості обслуговування потоків даних в мережі розподіленої системи керування.

8.

Здобувачем розроблено модель системи керування електроенергетичною системою, що дозволяє синтезувати програмний код без надмірності для керуючих мікроконтролерів засобів автоматизації.

9.

Здобувачем реалізовані цифрові пристрої, що використовуються при побудові систем керування на базі програмованих логічних матриць.

10.

Здобувачем реалізовані модулі, що використовуються при побудові систем обробки даних, спеціалізованих мікропроцесорів на базі програмованих логічних матриць.

Анотації

Ушкаренко О.О. Оптимізація інформаційних потоків системи керування електроенергетикою сухогрузу з потужністю електростанції до 2000 кВт. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.07 – автоматизація технологічних процесів. – Херсонський національний технічний університет, м. Херсон, 2007.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної наукової проблеми – оптимізації інформаційних потоків системи керування судновою електроенергетикою, що забезпечує погоджене управління на всіх рівнях ієрархії, підвищення якості алгоритмічного та інформаційного забезпечення.

Система керування СЕЕС розглядається як мережа автоматів. Виконано аналіз функцій, які виконує система керування. Для локальних засобів автоматизації СЕЕС розроблені алгоритми керування з використанням SWITCH-технології. Розроблено методику мінімізації станів автомату, що дозволяє позбутися функціональної збитковості при проектуванні системи, а також зменшити кількість повідомлень, що передаються по мережі шляхом зменшення кількості переходів між різними станами автомату.

Розроблена методика вирішення оптимізаційних задач з використанням теорії масового обслуговування та апарату нечіткої логіки при керуванні інформаційними потоками.

Отримала подальший розвиток методика проектування систем керування з використанням сучасних технологій інженерії програмних систем, до яких відноситься уніфікована мова моделювання UML та її розширення UML-FB.

Ключові слова: розподілена система керування, SWITCH-технологія, класифікація потоків, нечітка логіка, критерій оптимізації, маршрутизація, вейвлети, UML, UML-FB.

Ушкаренко А.О. Оптимизация информационных потоков системы управления электроэнергетикой сухогруза с мощностью электростанции до 2000 кВт. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – автоматизация технологических процессов. – Херсонский национальный технический университет, г. Херсон, 2007.

Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы – оптимизации информационных потоков системы управления судовой электроэнергетикой, что обеспечивает согласованное управление на всех уровнях иерархии, повышению качества алгоритмического и информационного обеспечения.

Судовая электроэнергетическая система (СЭЭС) может рассматриваться как система, состоящая из двух подсистем – энергетической и информационной. Элементами энергетической подсистемы являются генерирующие агрегаты, комплекты коммутационной аппаратуры, защитные устройства, кабельные трассы Основной задачей энергетической подсистемы является обеспечение потребителей электроэнергией с заданным качеством, надежностью и эффективностью. Все современные суда, в т.ч. сухогрузы, оснащаются системами автоматизации технических средств. Каждое функциональное устройство выполнено в виде отдельного модуля. Модульный принцип построения системы предусматривает разработку и использование в системе ограниченного ряда типовых унифицированных блоков и позволяет решить проблему унификации.

Система управления СЭЭС рассматривается как сеть автоматов. В процессе работы судовой электростанции происходит обмен данными между различными системами (синхронизации, распределения активной/реактивной мощности, возбуждения, защиты и др). Каждая из систем представляет собой конечный автомат, реализованный программно на базе микроконтроллеров. Переход автомата из одного состояния в другое сопровождается передачей пакета данных по сети. Поэтому один из путей уменьшения количества передаваемых по сети пакетов состоит в минимизации количества состояний каждого из автоматов. Выполнен анализ функций, которые выполняет система управления, на основе которого определен состав оборудования и топология сети распределенной системы управления. Для локальных средств автоматизации СЭЭС разработаны алгоритмы управления с использованием SWITCH-технологии. Разработан алгоритм и программные средства минимизации количества состояний автомата, что позволяет устранить функциональную избыточность при проектировании системы, а также уменьшить количество пакетов, которые передаются по сети путем уменьшения количества переходов между различными состояниями автомата.

Предложена методика разделения потоков в микропроцессорной сети управления на классы обслуживания с минимизацией задержек при доставке пакетов от одного узла к другому. Разработана методика решения оптимизационных задач с использованием теории массового обслуживания и аппарата нечеткой логики при управлении информационными потоками, которая позволяет повысить адаптивность системы управления путем изменения маршрутизации информационных потоков в соответствии с условиями и режимами работы энергетической системы.

С целью уменьшения объема передаваемых данных по сети предложено выполнять их сжатие с использованием вейвлетов. Моделирование показало, что применение вейвлет преобразования в системах управления позволяет уменьшить объем передаваемых данных почти на 80%.

Разработана модель системы управления судовой электроэнергетической системой с использованием современных технологий инженерии программных систем, к которым относится унифицированный язык моделирования UML и его расширение UML-FB. На основе моделей выполняется синтез программного кода для управляющих микроконтроллеров.

Результаты работы нашли практическое применение на ОАО “ЭРА” ДП “Дельмор” при разработке микропроцессорных систем управления пуска и контроля параметров судовых дизель-генераторов, систем синхронизации генераторов, систем дистанционного управления технологическими объектами и систем сбора данных о состоянии технологических процессов.

Ключевые слова: распределенная система управления, SWITCH-технология, классификация потоков, нечеткая логика, критерий оптимизации, маршрутизация, вейвлеты, UML, UML-FB.

Abstract

Ushkarenko A.O. Optimization of information flows ship power control system with power before 2000 kW. – Manuscript.

Thesis for a candidate of sciences degree in the speciality 05.13.07 – automation of the technological processes, Kherson national technical university, Kherson, 2007.

The dissertation is devoted to decision of the actual scientific problem - an optimization of information flows of ship power control system that provides coordinated management on all levels of the hierarchies, increasing quality of algorithmic and dataware.

Ship power control system is considered as network of automats. For local facilities of automations of ship's power system is designed control algorithms with using SWITCH-technology. The algorithm of minimization of automat states was designed. It allows to avoid functionality redundancy during designing of control system and reduce the amount of the messages, which are sent on network by reduction amount transition between different states of automats.

The algorithms of the decision optimization tasks with using the queue theory and fuzzy logic for management of information flows