Программно-аппаратный комплекс повышения производительности сетей промышленной автоматизации на основе анализа протокола
Постановка задачи. Разработать и исследовать адекватную модель, способ и алгоритмы повышения производительности, а также алгоритмы анализа и диагностики сети промышленной автоматизации P-NET. Объектом исследования являются распределенные системы управления на основе сетей промышленной автоматизации, полевая шина P-NET, модель, алгоритмы повышения производительности, а также процедуры анализа… Читать ещё >
Содержание
- УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
- Глава 1. АНАЛИЗ КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ FIELDBUS-CHCTEM
- 1. 1. Введение
- 1. 2. Этапы развития систем АСУТП
- 1. 3. Место fieldbus-систем в иерархии сетей
- 1. 4. Преимущества распределенного управления на основе fieldbus-технологий
- 1. 5. Основные требования к системам АСУТП
- 1. 5. 1. Требование работы в режиме реально’го’времени
- 1. 5. 2. Требование использования необходимых аппаратных средств
- 1. 5. 3. Требование децентрализованного управления
- 1. 6. Проблемы функционирования fieldbus-сетей
- 1. 6. 1. Увеличение времени ответа
- 1. 6. 2. Неэффективность программного обеспечения узлов сети. 1.6.3 Реализация аппаратных и программных технологий
- 1. 6. 4. Несовместимость устройств в сети
- 1. 7. Обзор существующих fieldbus-систем. Стандарты и протоколы
- 1. 7. 1. Р-NET
- 1. 7. 2. LonWorks
- 1. 7. 3. PROFIBUS
- 1. 7. 4. Е1В
- 1. 8. Постановка задачи анализа и повышения производительности сетей промышленной автоматизации
- 1. 9. Выводы
- 2. 1. Обзор fieldbus-системы P-NET
- 2. 1. 1. Введение
- 2. 1. 2. Уровень 1. Уровень физической связи
- 2. 1. 3. Уровень 2. Уровень связи данных
- 2. 1. 4. Уровень 3. Сетевой уровень
- 2. 1. 5. Уровень 4. Уровень обслуживания
- 2. 1. 6. Уровнь 7. Уровень
- 2. 2. Анализ характеристик fieldbus-системы P-NET
- 2. 2. 1. Базовые характеристики
- 2. 2. 2. Характеристики реального времени
- 2. 3. Формализация задачи анализа и повышения производительности сетей промышленной автоматизации
- 2. 4. Пример построения распределенного
- 2. 4. 1. Этапы технологического процесса
- 2. 4. 2. Задачи управления
- 2. 4. 3. Узлы сети. t 2.4.4 Сет ъ управлен ия
- 2. 4. 5. Мониторинг процесса
- Глава 3. ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ FIELDBUS-СИСТБМ НА ОСНОВЕ P-NET
- 3. 1. Математическая модель fieldbus-систем
- 3. 1. 1. Системы массового обслуживания
- 3. 1. 2. Построение модели сети P-NET
- 3. 2. Оптимизация производительности fieldbus-систем
- 3. 2. 1. Задача выбора пропускных способностей
- 3. 2. 2. Задача распределения потоков
- 3. 2. 3. Задача выбора пропускных способностей и распределения потоков
- 3. 2. 4. Задача выбора топологии, пропускных способностей и распределения потоков
- 3. 3. Выводы
- 4. 1. Требования к системам анализа протокола
- 4. 2. Обзор существующих систем контроля и анализа протокола
- 4. 2. 1. Аппаратная реализация
- 4. 2. 2. Программная реализация
- 4. 3. Структура комплекса. Схема повышения производительности
- 4. 4. Модуль анализа протокола
- 4. 4. 1. Захват и фильтрация пакетов
- 4. 4. 2. Представление информации протокола
- 4. 4. 3. Представление статистической информации
- 4. 4. 4. Способы хранения пакетов
- 4. 4. 5. Организация пользовательского интерфейса
- 4. 4. 6. Базовые требования
- 4. 4. 7. Возможности расширения
- 4. 5. Модуль оптимизации
- 4. 5. 1. Построение виртуальной сети оптимизации
- 4. 5. 2. Нахождение начального реализуемого решения
- 4. 5. 3. Оптимизация
- 4. 5. 4. Построение оптимизированной сети
- 4. 5. 5. Результаты эксперимента
- 4. 6. Оценка адекватности модели
- 4. 7. Работа с данными большой размерности
- 4. 8. Выводы
Программно-аппаратный комплекс повышения производительности сетей промышленной автоматизации на основе анализа протокола (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
На современном этапе развития промышленности нашли широкое применение всевозможные средства автоматизации производственного процесса, контроля и управления. ^ Прежде были широко распространены такие системы автоматизации, которые были созданы для конкретных узких целей. Это Ф не позволяло наиболее полно использовать оборудование и объединять несколько систем автоматизации в одну. Более того, создание нового типа оборудования приводило к необходимости полной замены старой или создания новой автоматизированной системы.
Данная ситуация дала толчок к появлению микропроцессорных систем автоматизированного управления, названных fieldbus-системами, или системами полевых шин. Они характеризуются уходом от концепции иерархического построения управляющих сетей к полной или частичной децентрализации управляющего процесса, более мощными средствами и механизмами, заложенными в их основу, строгой стандартизацией на ¦ уровне центральных межгосударственных организаций, богатыми возможностями совместного использования систем, работающих согласно л различным протоколам [37].
Актуальность работы. Одной из основных задач и целей, послуживших развитию fieldbus-систем, было снижение стоимости самой системы, снижение материальных и временных затрат на установку, настройку и сопровождение. Безусловно эта цель была достигнута.
Однако постоянно растущая сложность современных промышленных процессов и большая стоимость интерактивных испытаний требуют все более производительных промышленных сетей и соответствующих инструментальных средств, предназначенных для их анализа и повышения производительности.
Поэтому разработка инструментального комплекса, обеспечивающего анализ и повышение производительности fieldbus-систем является задачей актуальной.
Постановка задачи. Разработать и исследовать адекватную модель, способ и алгоритмы повышения производительности, а также алгоритмы анализа и диагностики сети промышленной автоматизации P-NET.? Объектом исследования являются распределенные системы управления на основе сетей промышленной автоматизации, полевая шина P-NET, модель, алгоритмы повышения производительности, а также процедуры анализа и диагностики сети P-NET.
Цель диссертационной работы. Целью работы является создание программно-аппаратного комплекса анализа, диагностики и повышения производительности промышленной сети P-NET.
Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:
1. Исследовать распределенные системы управления на основе сетей промышленной автоматизации, определить их преимущества и выделить основные недостатки. т 2. Исследовать сеть промышленной автоматизации P-NET и выделить параметры, влияющие на ее производительность.
3. Разработать математическую модель сети P-NET на основе теории массового обслуживания.
4. Разработать способ повышения производительности сети P-NET на основе предложенной математической модели.
5. Разработать структуру программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности сети PNET.
6. Разработать информационное, программное и прикладное обеспечение комплекса.
Методы исследования основаны на использовании аппарата системного подхода, теории массового обслуживания, теории вероятности и математической статистики, элементов теории вычислительных систем и сетей, технологии программирования и математического моделирования. т.
Научная новизна работы заключается в следующем: к.
1. Впервые исследованы системы распределенного управления на основе.
С fieldbus-систем. Выделены преимущества систем распределенного управления перед централизованным, и проблемы, возникающие при их функционировании.
2. Исследована сеть промышленной автоматизации P-NET. Определены параметры производительности.
3. Предложена математическая модель сетей промышленной автоматизации на основе P-NET с использованием математического аппарата теории массового обслуживания.
4. Разработан способ анализа и повышения производительности промышленных сетей, при котором на основе собранной статистической информации и математической модели сети производится оптимизация производительности промышленной сети. г 5. Разработаны алгоритмы анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET. 6. Предложена методика использования системы анализа и повышения производительности для проведения лабораторных и практических занятий по системам распределенного управления на основе полевых шин.
На защиту автором выносятся следующие научные результаты: — исследованные системы распределенного управления на основе сетей промышленной автоматизации: этапы развития, преимущества децентрализованного управления и мониторинга, основные недостатки и проблемы функционирования;
— исследованная промышленная сеть P-NET: характеристики работы в режиме реального времени, критерии производительности;
— предложенная модель промышленной сети P-NET на основе систем массового обслуживания;
— разработанный способ анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET;
— разработанные алгоритмы и процедуры анализа и повышения производительности сети P-NET;
— разработанная структура программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена корректным обоснованием математической модели, ее наглядной интерпретацией, а также данными моделирования и экспериментальных исследований повышения производительности промышленной сети P-NET.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
— разработан способ повышения производительности промышленных сетей;
— разработан программно-аппаратный комплекс анализа и повышения производительности сети промышленной автоматизации P-NET;
— подготовлена для практического использования методика анализа и повышения производительности распределенных систем управления на основе fieldbus-систем.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы в Центре fieldbus-технологий Пермского государственного технического университета при проведении проектирования и оптимизации систем распределенного управления на основе полевой шины P-NET. Использование программно-аппаратного комплекса, предложенного в данной работе, позволило добиться увеличения производительности сети P-NET почти на 20% и снизить временные затраты на проектирование.
Также результаты работы внедрены в ГП «НИИУМС», НПО «ТИК» ,.
НПО «ВИБРО-ЦЕНТР» .
Апробация работы. Научные результаты и основные положения диссертации докладывались на V Международной конференции по системе P-NET (Оксфорд, Великобритания), XIII Уральском региональном компьютерном форуме (Пермь, Россия) и научных семинарах Пермского ГТУ.
Публикации по работе. Научные результаты и основные положения диссертации докладывались на международных конференциях и публиковались в трудах института [10−13, 20, 34, 57].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации 177 страниц, 51 рисунок, 14 таблиц и список т литературы из 74 наименований.
4.8 Выводы.
Выделены требования, предъявляемые к системам анализа протокола. Произведен обзор существующих систем анализа сетей. Выяснено, что таких систем на сегодняшний день разработано очень мало и среди них нет ни одной, предназначенной для повышения производительности промышленных сетей.
Разработана структура программно-аппаратного комплекса повышения производительности сетей промышленной автоматизации. Данный комплекс реализован в среде Windows98/NT. * Разработан способ и алгоритм повышения производительности сетей промышленной автоматизации.
Проведена оценка адекватности модели на основе экспериментальных данных, полученных при повышении производительности демонстрационной технологической установки. Рассмотрена работа комплекса с сетями большой размерности.
Использование разработанного программно-аппаратного комплекса анализа и повышения производительности промышленной сети P-NET может оказаться критичным при реализации той или иной системы распределенного управления, особенно там, где требуется малое время реакции, например в непрерывном химическом производстве.
Кроме выгоды, связанной с повышением производительности, данный комплекс поможет существенно сократить сеть, сделав использование некоторых узлов ненужным. Система анализа поможет выявить ошибки в функционировании сети и предотвратить сбои системы управления в целом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Системы промышленных полевых шин находят все большее применение. Переход от централизованного управления, включающего в себя нестандартные и несовместимые с собой датчики и устройства управления, осуществляется в сторону децентрализованного управления, использующего стандартизированное оборудование. т Размеры предприятия и сложность технологических процессов затрудняют проектирование надежных fieldbus-сетей. Наличие большого числа датчиков резко усложняет топологию. Большая цена ошибки в работе сети для предприятия значительно увеличивает стоимость разработки.
Большую помощь может оказать разработанный программный комплекс анализа и повышения производительности сетей промышленной автоматизации. Он делает возможным не только поиск неисправностей в fieldbus-сетях, но и выбор наиболее удачной топологической структуры сети.
На данном этапе работы разрабатывается новая версия системы анализа и повышения производительности fieldbus-систем, которая будет Ш включать в себя, помимо всего прочего, модуль экспертной оценки, позволяющий напрямую выдавать оценку состояния fieldbus-сети. Предлагается использовать математический аппарат нечеткой логики и статистики.
Кроме того, делаются шаги в строну совместимости программного обеспечения. Система будет эволюционировать в сторону большей открытости, когда другое программное обеспечение, используя, например, стандарт OLE2, будет получать доступ к fieldbus-сети и ко всем функциям анализа и статистики.
В ходе исследований, в процессе проектирования системы и ее разработки были применены и развиты наиболее современные методы проектирования и программирования, выработана технология организации подобных систем, и был получен большой практический опыт.
В работе получены следующие научные и практические результаты:
1. Впервые исследованы системы распределенного управления на основе fieldbus-систем. Выделены преимущества систем распределенного управления перед централизованным, и проблемы, возникающие при их функционировании.
2. Исследована сеть промышленной автоматизации P-NET. Определены параметры производительности.
3. Предложена математическая модель сетей промышленной автоматизации на основе P-NET с использованием математического аппарата теории массового обслуживания.
4. Разработан способ анализа и повышения производительности промышленных сетей, при котором на основе собранной статистической информации и математической модели сети производится оптимизация производительности промышленной сети.
5. Разработаны алгоритмы анализа и повышения производительности.
• промышленной сети P-NET.
6. Предложена методика использования системы анализа и повышения производительности для проведения лабораторных и практических занятий по системам распределенного управления на основе полевых шин.
7. В среде Windows98/NT осуществлена программная реализация системы анализа протокола и оптимизации производительности fieldbus-систем на основе P-NET. Применение данной системы позволило на 20% увеличить производительность fieldbus-системы.
Список литературы
- Айвазян С.А., Енюков И. С., Мешалкнн Л. Д. Прикладная статистика. Основы моделирования и первичная обработка данных. — М.: Финансы и статистика, 1983.• 2. Айвазян С. А., Енюков И. С., Мешалкин Л. Д. Прикладная статистика.
- Исследование зависимостей. М.: Финансы и статистика, 1985.
- Айвазян С.А., Бухштабер В. М., Енюков И. С., Мешалкин Л. Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М.: Финансы и статистика, 1989.
- Анализ сетевых протоколов как метод оптимизации сети. LAN/Журнал сетевых решений, 5/99.
- Аоки М. Введение в методы оптимизации. Перев. с англ., М.: Наука, 1977−344 с.
- Артемов С.П. Проблемы автоматизации зданий и производственных процессов. // В кн.: Информационные управляющие системы // Межвузовский сборник научных трудов. Пермь, ПТЕУ, НИИУМС,
- Башарин F. П., Бочаров П. П., Коган Я. А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Наука. Ел. ред.физ.-мат. лит., 1989 336 с.
- Башарин Г. П., Ефимушкин В. А., Черпаков А. Б. Локальные сети программируемых контроллеров для гибких производственных систем. // В кн.: системы массового обслуживания и информатика / М., Изд-во УДН, 1987, С.21−20.
- Белковский С.В. Анализ протокола в системах полевых шин // Теоретические и прикладные аспекты информационных технологий: Сб. науч. тр. / Пермь, ГП НИИУМС, 1999, Вып. 48, С 136−138.
- Белковский С.В. Концепция полевых шин в распределенных системах управления. // В кн.: Информационные управляющие системы // Межвузовский сборник научных трудов. Пермь, ПТГУ, НИИУМС, 1999.
- Бочков С.О., Субботин Д. М. Язык программирования Си для персонального компьютера. М.: Радио и связь, 1990. — 384 с.
- Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./Пер. с англ. М.: Бином, СПб: Невский диалект, 1998.
- Гнеденко Б.В., Коваленко И. Н. Введение в теорию массового обслуживания, М.: Наука, 1987.
- Гнеденко Б.В. Математическая статистика и контроль качества. М.: Знание, 1976.
- Голинкевич Г. А., Прикладная теория надежности, М.: Высшая школа, 1985.
- Гуляев В. А., Контроль ЭВМ, К.: Наукова Думка, 1978.
- Дитрих Д., Лой Д., Швайнцер Г.-Ю. JIOH-технология, построение распределенных приложений / Пер. с нем. под ред. О. Б. Низамутдинова, тех. ред. С. В. Белковский. Пермь: Звезда, 1999. -242с.
- Единая система управления интеллектуальным зданием //АВОК. -1994.-№ 3,4-с.21−38.22.3айченко Ю. П. Исследование операций. К.: Вища школа, 1975, 320 с.
- Ивченко Г. И., Каштанов В. А., Коваленко И. Н. Теория массового обслуживания. М., 1982.
- Касаткин А. И. Профессиональное программирование на языке СИ. Системное программирование. Мн.: Выш. шк., 1993.
- Кениг Д., Штойян Д. Методы теории массового обслуживания: Пер. снем. /Под. ред. Г. П. Климова. -М., 1981.
- Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. Том 1. М.: Мир, 1979.
- Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. Том 2. М.: Мир, 1979.
- Клейнрок JI. Коммуникационные сети. М., 1970.
- Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. Том 1. М., 1979.
- Липаев В.В., Потапов А. И. Оценка затрат на разработку программных средств. М.: Финансы и статистика, 1988.31 .Матнина Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах, М., 1981.
- Л 32. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: Архитектура и применение, М., 1992
- ЗЗ.Нессер Д. Дж. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях. К.:1. Диалектика, 1996. 384 с.
- Низамутдинов О.Б., Белковский С. В., Артемов Н. И. Концепция построения распределенных ситем управления на основе fieldbus-систем. XIII Уральский компьютерный форум 24−26 ноября 1999 г., Пермь.
- Пол И. Объектно-ориентированное программирование с использованием С++: Пер. с англ. К.: НИПФ ДиаСофт Лтд., 1995. -480 с.
- Поляк Б. Т. Введение в оптимизацию. М. Наука, 1983 — 384 с.
- Принципы построения промышленных микроконтроллерных сетей в стандартах Profibus и P-NET / Артемов Н. И., Низамутдинов О. Б., Гордеев М. В. и др. Пермь: ПГТУ, НИИУМС. — 1996.
- Пфанцагль И. Теория измерений. М.: Мир, 1976.
- Саати Т.Д. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения: Пер. с англ. /Под. ред. И. Н. Коваленко, М., 1971.
- Свами М.Н. Графы, сети и алгоритмы. М.: Наука, 1984.
- Соловьев Г. Н., Никитин В. Д. Операционные системы ЭВМ. М.:1. Высшая школа, 1989 255 с,
- Страсти по Fieldbus. СТА, 1/99, С.70−71.
- Теоретические проблемы вычислительных сетей. (Межвузовский сборник). Куйбышев, 1986.
- Федоров А.Г. Delphi 2.0 для всех. М.: Компьютер Пресс, 1997. — 464 с.
- Форд JI. Р., Фалкерсон Д. Потоки в сетях. М., 1966.
- Форсайт Р. Паскаль для всех: Пер. с англ. М., 1982.
- Фролов А. В., Фролов Г. В. Операционная система Windows 95 для программиста. -М.: Диалог-МИФИ, 1996.
- Фролов А. В., Фролов Г. В. Microsoft Visual С++ и MFC.
- Программирование для Windows 95 и Windows NT. М.: Диалог* МИФИ, 1996.
- Фролов А. В., Фролов Г. В. Microsoft Visual С++ и MFC. Программирование для Windows 95 и Windows NT. (Часть вторая). -М.: Диалог-МИФИ, 1997.
- Фролов А. В., Фролов Г. В. Программирование для Windows NT. М.: Диалог-МИФИ, 1996.
- Фролов А. В., Фролов Г. В. Программирование для Windows NT. (Часть вторая) М.: Диалог-МИФИ, 1997.
- Фролов А.В., Фролов Г. В. Разработка приложений для Internet. Microsoft Visual С++ и MFC. (В среде Windows 95 и Windows NT). М.: Диалог-МИФИ, 1997.
- Чекатков А. А. Использование Turbo Assembler при разработке программ К.: Диалектика, 1995. — 288 с.
- Чтобы быть ближе. LAN/Журнал сетевых решений, 10/99, С. 50.
- Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях: Пер. с англ. К.: Диалектика, 1993. — 240 с.
- Dietrich D. Feldbussysteme. Vorlesungen. ICT Wien 1996.
- Dietz S., Bielkovsky S., Manninger M., Dietrich D., Nisamutdinov O., Simulation Tools for P-NET based Networks. 5th International Conference on the P-NET Fieldbus System, llth-12th September 1997, Jesus College, Oxford University, England.
- DIN 19 245 German National Standard PROFIBUS, Part 1,2,3.
- EN 50 170 European P-NET Standard.
- FOUNDATION Fieldbus Application Guide. 31.25 kbit/s Intrinsically Safe Systems, 1996.
- FOUNDATION Fieldbus Technical Overview, 1996.
- LonWorks TM Catalog /EuroLon, 1996.
- LonWorks automation products. PriceList, 1998.
- Loy D., Bauer A. Protocol Analysis in LonTalk based Networks // TU Wien ICT. 1996.
- MIB OLE interface for VIGO 4.0 // PROCESS-DATA A/S. 1998.
- Microsoft Solution Framework. Process Model for Application Development // Microsoft. 1998
- Microsoft Solution Framework. Team Model for Application Development // Microsoft. 1998
- Octagon Systems Catalogue. 1998.
- P-NET Standard // P-NET User Organization ApS. 1992.
- P-NET Standartized general purpose channel types // P-NET User Organization ApS. 1992.
- P-NET Catalogue // Process-Data ApS. 1999.
- PROFIBUS Resource Catalogue. 1997
- Resource Directory Lonworks Control Network Products & Services. Catalog/Echelon Company, 1996.
- Tovar E., Vasques F., Engineering RealTime Applications with P-NET. 6th International Conference on the P-NET Fieldbus System, 25th-26th May 1999, Institute of Computer Technology, Vienna University of Technology, Austria
- Ссылки на информацию в сети Internet: http://www.asu.pstu.ac.ru/cephttp://www.asu.pstu.ac.ru/cep/ppahttp://www.fieldbus.orghttp://www.ict.tuwien.ac.at/lonworkshttp://www.loytec.comhttp://www.microsoft.com/msf