Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Программно-аппаратный комплекс повышения производительности сетей промышленной автоматизации на основе анализа протокола

ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

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
  • А 1.6.5 Изменение размеров блоков и пакетов
    • 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
  • Глава 2. АНАЛИЗ FIELDBUS-СИСТЕМЫ P-NET
    • 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
  • приложений. 2.1.7 Канал
    • 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
  • приложения
    • 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
  • 4- 2.5 Выводы
    • 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
  • Глава 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ СЕТИ P-NET
    • 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.

Показать весь текст

Список литературы

  1. 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.
  2. Исследование зависимостей. М.: Финансы и статистика, 1985.
  3. С.А., Бухштабер В. М., Енюков И. С., Мешалкин Л. Д. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. М.: Финансы и статистика, 1989.
  4. Анализ сетевых протоколов как метод оптимизации сети. LAN/Журнал сетевых решений, 5/99.
  5. М. Введение в методы оптимизации. Перев. с англ., М.: Наука, 1977−344 с.
  6. С.П. Проблемы автоматизации зданий и производственных процессов. // В кн.: Информационные управляющие системы // Межвузовский сборник научных трудов. Пермь, ПТЕУ, НИИУМС,
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. С.В. Концепция полевых шин в распределенных системах управления. // В кн.: Информационные управляющие системы // Межвузовский сборник научных трудов. Пермь, ПТГУ, НИИУМС, 1999.
  11. С.О., Субботин Д. М. Язык программирования Си для персонального компьютера. М.: Радио и связь, 1990. — 384 с.
  12. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./Пер. с англ. М.: Бином, СПб: Невский диалект, 1998.
  13. .В., Коваленко И. Н. Введение в теорию массового обслуживания, М.: Наука, 1987.
  14. .В. Математическая статистика и контроль качества. М.: Знание, 1976.
  15. Г. А., Прикладная теория надежности, М.: Высшая школа, 1985.
  16. В. А., Контроль ЭВМ, К.: Наукова Думка, 1978.
  17. 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.
  18. Единая система управления интеллектуальным зданием //АВОК. -1994.-№ 3,4-с.21−38.22.3айченко Ю. П. Исследование операций. К.: Вища школа, 1975, 320 с.
  19. Г. И., Каштанов В. А., Коваленко И. Н. Теория массового обслуживания. М., 1982.
  20. А. И. Профессиональное программирование на языке СИ. Системное программирование. Мн.: Выш. шк., 1993.
  21. Д., Штойян Д. Методы теории массового обслуживания: Пер. снем. /Под. ред. Г. П. Климова. -М., 1981.
  22. JI. Вычислительные системы с очередями. Том 1. М.: Мир, 1979.
  23. JI. Вычислительные системы с очередями. Том 2. М.: Мир, 1979.
  24. JI. Коммуникационные сети. М., 1970.
  25. JI. Теория массового обслуживания. Том 1. М., 1979.
  26. 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.
  27. Л 32. Мишель Ж. Программируемые контроллеры: Архитектура и применение, М., 1992
  28. ЗЗ.Нессер Д. Дж. Оптимизация и поиск неисправностей в сетях. К.:1. Диалектика, 1996. 384 с.
  29. 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.
  30. Пол И. Объектно-ориентированное программирование с использованием С++: Пер. с англ. К.: НИПФ ДиаСофт Лтд., 1995. -480 с.
  31. . Т. Введение в оптимизацию. М. Наука, 1983 — 384 с.
  32. 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.
  33. И. Теория измерений. М.: Мир, 1976.
  34. Т.Д. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения: Пер. с англ. /Под. ред. И. Н. Коваленко, М., 1971.
  35. М.Н. Графы, сети и алгоритмы. М.: Наука, 1984.
  36. Г. Н., Никитин В. Д. Операционные системы ЭВМ. М.:1. Высшая школа, 1989 255 с,
  37. Страсти по Fieldbus. СТА, 1/99, С.70−71.
  38. Теоретические проблемы вычислительных сетей. (Межвузовский сборник). Куйбышев, 1986.
  39. Федоров А.Г. Delphi 2.0 для всех. М.: Компьютер Пресс, 1997. — 464 с.
  40. JI. Р., Фалкерсон Д. Потоки в сетях. М., 1966.
  41. Р. Паскаль для всех: Пер. с англ. М., 1982.
  42. А. В., Фролов Г. В. Операционная система Windows 95 для программиста. -М.: Диалог-МИФИ, 1996.
  43. А. В., Фролов Г. В. Microsoft Visual С++ и MFC.
  44. Программирование для Windows 95 и Windows NT. М.: Диалог* МИФИ, 1996.
  45. А. В., Фролов Г. В. Microsoft Visual С++ и MFC. Программирование для Windows 95 и Windows NT. (Часть вторая). -М.: Диалог-МИФИ, 1997.
  46. А. В., Фролов Г. В. Программирование для Windows NT. М.: Диалог-МИФИ, 1996.
  47. А. В., Фролов Г. В. Программирование для Windows NT. (Часть вторая) М.: Диалог-МИФИ, 1997.
  48. 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.
  49. А. А. Использование Turbo Assembler при разработке программ К.: Диалектика, 1995. — 288 с.
  50. Чтобы быть ближе. LAN/Журнал сетевых решений, 10/99, С. 50.
  51. С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях: Пер. с англ. К.: Диалектика, 1993. — 240 с.
  52. Dietrich D. Feldbussysteme. Vorlesungen. ICT Wien 1996.
  53. 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.
  54. DIN 19 245 German National Standard PROFIBUS, Part 1,2,3.
  55. EN 50 170 European P-NET Standard.
  56. FOUNDATION Fieldbus Application Guide. 31.25 kbit/s Intrinsically Safe Systems, 1996.
  57. FOUNDATION Fieldbus Technical Overview, 1996.
  58. LonWorks TM Catalog /EuroLon, 1996.
  59. LonWorks automation products. PriceList, 1998.
  60. Loy D., Bauer A. Protocol Analysis in LonTalk based Networks // TU Wien ICT. 1996.
  61. MIB OLE interface for VIGO 4.0 // PROCESS-DATA A/S. 1998.
  62. Microsoft Solution Framework. Process Model for Application Development // Microsoft. 1998
  63. Microsoft Solution Framework. Team Model for Application Development // Microsoft. 1998
  64. Octagon Systems Catalogue. 1998.
  65. P-NET Standard // P-NET User Organization ApS. 1992.
  66. P-NET Standartized general purpose channel types // P-NET User Organization ApS. 1992.
  67. P-NET Catalogue // Process-Data ApS. 1999.
  68. PROFIBUS Resource Catalogue. 1997
  69. Resource Directory Lonworks Control Network Products & Services. Catalog/Echelon Company, 1996.
  70. 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
  71. 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
Заполнить форму текущей работой