CC BY
59
УДК 658.012.011.56:658.512
Г.М. Чуркин, А.М. Великанов, К. А. Петренко ФОРМИРОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВ В ЗАДАЧЕ ВЫБОРА КОНФИГУРАЦИИ СЕТЕВОЙ СТРУКТУРЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АСУ ТП
Рассматривается построение конечного множества конфигураций в задаче выбора сетевой структуры технических средств АСУ ТП. Приводится постановка задачи построения конечного множества конфигураций. Описывается методика формирования конфигураций сетевидных структур.
Структура системы управления, задачи выбора
G.M. Churkin, А.М. Velikanov, К.А. Petrenko DEVELOPING ALTERNATIVES TO SELECT CONFIGURATIONS IN THE NETWORK STRUCTURE TO THE TECHNICAL MEANS OF AUTOMATIC PROCESS CONTROL SYSTEMS
Construction of a finite set of configurations in selecting the configuration hierarchy to the means of automatic process control systems is considered. The problem of constructing a finite set of configurations is solved. The method used to form configurations of network structures is described.
Structure of control system, the problem of choosing
Введение. Задача выбора является частным случаем задачи принятия решения [1]. Одним из основных элементов задач выбора является исходное конечное множество альтернатив [1]. В нашем случае альтернативами являются сетевидные конфигурации структуры системы технических средств АСУ ТП (топология физическая). Элементами конфигурации будут элементы структуры, взаимодействия (связи) и отношения между ними.
В качестве средств описания структур информационных систем используются графические, матричные и аналитические модели графа [2]. В дальнейшем под моделью обобщенных структур будем использовать графическую модель графа.
Задачи формирования физических конфигураций коммуникационных и информационновычислительных сетей изложены в [3]. В работах по структурному синтезу промышленных информационных сетей (при классификации по целевому назначению [3]) в качестве альтернатив рассматривают физические элементы системы [4, 5]. В [4] связи между элементами не рассматриваются. Конечное множество конфигураций задано в [5], а вопрос полноты этого множества остаётся открытым.
Промышленные информационные сети обладают особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании конфигураций этих сетей.
Рассмотрим особенности формирования альтернатив в задаче выбора конфигурации сетевой структуры технических средств АСУ ТП
Постановка задачи. Пусть модель к-й альтернативы Sk, структуры технических средств системы управления ТП описывается ориентированным графом
GK=(XK, Rk), к = , (1)
где Хк - множество вершин; Rk - множество дуг, отражающих бинарные отношения взаимодействия вершинХк (информационные связи).
Вершины Хк графа (1) являются техническим средством реализации различных функций или подфункций, реализуемых проектируемым объектом.
Задано множество вершин Хк°, которые являются измерительными устройствами (датчики) и исполнительными механизмами, преобразующими информацию в действие. Бинарные взаимодействия (связи) между этими вершинами отсутствуют.
Одновременно задана вершина Хквер, выполняющая функции оценки состояния объекта управления (ТП), функции стратегии и оперативного управления. Основное требование при выборе других вершин графа (1) - выполнение конкретных работ по преобразованию информации для контроля, управления, сигнализации и защиты. Возможные отношения между этими вершинами, возникающие при формировании конфигураций, определяются либо функционированием системы управления, либо из условия реализации какой-либо конфигурации.
Дуги графа описывают взаимодействия между вершинами: структурные, управляющие, информационные и другие. В данном случае рассмотрим информационные связи. Допускается наличие кратных дуг: две вершины могут соединяться несколькими дугами.
Заметим, что среди конечного множества альтернатив G могут быть подмножества альтернатив, которые имеют одинаковые вершины и различные дуги, т.е.
Gk = [Gk^k, Rk), ... Gk+y (Хк+у, R k+y)}, Gk £ G, где Хк =.= Х+ , Rk Ф ■■■ Ф R к+у ■
Требуется определить конечное множество конфигураций (альтернатив) S=[Si,...Sk,...Sn} вида (1) как возможных вариантов базовых организационных структур. Конфигурации должны различаться количеством вершин, количеством дуг (отношений взаимодействия между вершинами).
Решение. В нашем случае в отличие от случая иерархических структур, когда вид конфигурации задан и генерируются конфигурации одного вида путём введения или слияния вершин и свя-зей[8], вид конфигураций не задан. Эти виды необходимо генерировать.
Предлагается формирование альтернатив осуществить в два этапа. Первый этап - формирование множества возможных вершин Хо и построения множеств различных сочетаний вершин Хк. На втором этапе путём выбора конфигураций связей на множествах вершин, полученных на первом этапе, формируются различные виды альтернатив.
Формирование вершин моделей конфигураций структуры
При определении множеств возможных вершин Хо необходимо учитывать следующие факторы, влияющие на формирование структуры технических средств АСУ ТП:
1) Иерархия элементов ТП (операции, стадии) и его оборудования.
2) Принадлежность функции (как вида деятельности персонала) к элементам оборудования ТП.
Первый фактор. В ТП выделяют следующую иерархию
элементов: действия - операции - стадии - технологический процесс [7]. Заметим, что оборудование может реализовать несколько действий или операций и даже стадий.
Средства автоматизации, которые мы рассматриваем как вершины модели (1), также иерархически упорядочены по отношению оборудованию ТП или его действиям, операциям и стадиям (рис. 1). Здесь средства автоматизации рассматриваются как средства контроля, управления, сигнализации и защиты по иерархическим элементам ТП.
Второй фактор. Деятельность административноуправленческой системы (АУС ТП) реализуется иерархией производственных подразделений, необходимых для эксплуатации ТП. Это значит, что мы имеем иерархию функций, а значит и иерархию задач и работ. Функции (как вида деятельности персонала) имеют отношения принадлежности к определённым элементам иерархии оборудования и элементов ТП. В общем случае мы имеем отношения между тремя объектами:
- обслуживающий персонал;
- технические средства управления;
- оборудование ТП или подсистемы ТП.
Учитывая отмеченные факторы, в модели структуры (1)
можно выделить вершины для персонала разных уровней ТП (рис. 2).
Структуризация «сверху» и «снизу» с использованием признака принадлежности функции (как вида деятельности персонала) к элементам оборудования и элементам ТП приведена в [8]. С использованием этого признака, например, в [9] выделяют канальный, системный (подсистемный, нижний) и верхний (центральный) уровни, а в транспортных системах [10] - уровень телемеханики, районные, территориальные и центральный уровни.
В результате получаем обобщённое множество вершин Х0 как совокупность непересекающих-ся подмножеств
Хк0 иХ1 и... иХ иХ+1 и... иХКвер, (2)
где I = 1, N-1, Х,Х+1 ^Х0, ХфХ+1. Эти подмножества называют уровнями графа [2, 6].
Каналы как вершины - технические средства, необходимые для формирования информации и управляющих воздействий в ТП. Множество этих вершин конечно, в нашем случае задано и зависит от свойств элементов ТП, т.е. Хк={хщ0), где к - номер альтернативы; ^ = 1,8; 0 - нулевой уровень.
Средства автоматизации ТП
Средства автоматизации операций
Средства автоматизации действий
Рис. 1. Архитектура средств автоматизации технологического процесса
Вершины оборудования ТП С
Вершины оборудования стадий Тп
Вершины оборудования операций или физикохимических процессов ТП
Вершины блоков объединения каналов
Блоки оборудования каналов(узлы) могут объединять каналы по различным правилам (признакам). Например, в [11] объединяют по виду сигнала, а в [12] - по назначению. Максимальное количество вершин уровня блоков каналов оборудования определяется числом каналов и это число задано.
Максимальное количество ^ = 1,5 вершин операций, стадий или физико-химических процессов известны из содержания ТП. Вершины этих уровней также могут объединяться.
Объединяться могут и вершины соседних уровней. Например, если оборудование для реализации стадии одно, то вершины стадии и оборудования можно объединить в одну вершину.
Верхний уровень всех конфигураций задан одной вершиной Xк.
Итак, объединение вершин одного уровня и вершин соседних уровней множества Х0, кроме 0-го и верхнего, по каким-либо правилам даёт нам группу множеств вершин Х={Хк}, к = 1, п, различающихся количеством вершин по уровням и количеством уровней. Заметим, что в результате объединения уровней их количество в соответствующих Хк будет меньше N.
Полученные вершины, за исключением вершин нулевого уровня, имеют информацию общего пользования для обслуживающего персонала ТП и их рассматривают как серверы. Автоматизированные рабочие места (АРМ), подключённые к серверам, можно рассматривать как внешние вершины (абоненты), Подключение АРМ можно реализовать соединением «шина» или «звезда» [9, 11, 12].
Формирование дуг (связей) моделей конфигураций структуры рис 2 Архитектура вершин графа
Дальнейшее формирование конфигураций осуществляется модели структуры технических
путём введения дуг (связей) в каждом подмножестве вершин Хк, средств АСУ ТП
полученном путём объединения вершин и уровней. При этом поэтапно рассматриваются два соседних уровня полученных вершин Хк и X к'+! какого-либо подмножества X, т.е. Х,Х+1^Х0.
Формирование конфигураций предлагается реализовать «снизу». Для формирования связей каждой вершины первого уровня х1 ркЄXік1 со своими вершинами нулевого уровня Х°к строим полный граф. Возможные конфигурации связей получим из множества каркасов деревьев [13], т.е. выбираем каркасы, в которых между вершинами реализуются заданные бинарные отношения. В результате получаем связи по конфигурации «общая шина» (соединение по интерфейсам Я8-232, Я8-4хх) [11] и соединение по конфигурации «звезда» (соединение через коммутаторы) [12].
Далее аналогично формируются конфигурации связей для каждой вершины второго уровня х2рк1ЄХ2к1 со своими вершинами первого уровня Xік1. Виды возможных конфигураций зависят от заданных отношений между рассматриваемыми вершинами.
Предлагаемая процедура формирования возможных конфигураций связей далее реализуется вплоть до верхнего уровня.
Заметим, что в формировании конфигураций модели организационной структуры технических средств АСУ ТП могут быть дополнительно заданы отношения вершин 7-го уровня не только с вершинами 7+1уровня, но и дополнительно с вершинами других уровней, исключая 7+1 уровень.
Методика формирования сетевидных структур технических средств АСУ ТП
1. Провести анализ процессов формирования информации по оценки состояния ТП, управления и защиты.
2. Сформировать вершины обобщённого графа моделей структуры технических средств АСУ ТП
2.1. Выделить уровни иерархии элементов ТП (рис. 1).
2.2. Поставить в соответствие элементам ТП оборудование, средства автоматизации и вершины обобщённого графа.
2.3. Определить максимально возможное количество вершин каждого уровня. Максимальное количество вершин уровней ТП, стадий ТП, оборудования стадий, каналов (нулевой уровень) определяется содержанием ТП и задано.
3. Сформировать множества вершин Хк к = 1,п, объединяя вершины и уровни, полученные в п. 2, по определённым правилам.
4. Формирование конфигураций. Для каждого множества вершин Хк, полученного в п. 3, определить возможные конфигурации дуг (связей) каждого элемента i+1 уровня со всеми элементами i-го уровня. Определение конфигураций провести путем выделения каркасов деревьев на полном графе между этими вершинами при учете заданных бинарных отношений.
Заключение. Предлагается формирование альтернатив осуществить в два этапа. На первом этапе при формировании обобщённого множества вершин модели структуры технических средств предлагается использовать признак принадлежности функции (как вида деятельности) к элементам ТП. Далее объединение вершины уровней, а также самих уровней (кроме 0-го и верхнего) по определённым признакам (количеству, назначению и т.д.) позволяет получить множества вершин для формирования конфигураций.
На втором этапе формирование конфигураций для полученных множеств вершин предлагается осуществлять «снизу». Генерация конфигураций реализуется на связях вершин двух соседних уровней путём решения задачи покрытия каркасами деревьев полного графа связей между выделенными вершинами. Из этих конфигураций выбирают те, которые реализуют заданные отношения между этими вершинами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Макаров И.М.Теория выбора и принятия решений / И.М. Макаров, Т.М. Виноградская, А.А. Рубчинский, В.Б. Соколов. М.: Наука, 1982. 328 с.
2. Зыков А. А. Основы теории графов / А.А. Зыков. М.: Наука, 1987. 384 с.
3. Морозов В.К. Основы теории информационных сетей / В.К. Морозов, А.В. Долганов. M.: Высш. шк., 1987. 217 с.
4. Левин М.Ш. Проектирование и перепроектирование конфигурации оборудования коммуникационной сети / М.Ш. Левин, А.В. Сафонов // Информационные технологии и вычислительные системы. 2006, №4. С. 63-73.
5. Сафронов В.В. Методы оптимизации структур сложных систем / В.В. Сафронов. Саратов: СВВКИУ РВ, 1993. 94 с.
6. Божко А.Н. Структурный синтез на элементах с ограниченной сочетаемостью / АН. Божко,
A.Ч. Толпаров. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.techno.edu.ru:
16001/db/msg/13845 .html
7. Швалёв Ю.Б. Общая химическая технология. Химические процессы и реакторы: учебное пособие / Ю.Б. Швалёв, В.В. Коробочкин. Томск: Изд-во ТПУ, 2008. 180 с.
8. Чуркин Г.М. Формирование альтернатив в задаче выбора конфигураций иерархической структуры технических средств АСУ ТП / Г.М. Чуркин, А.М. Великанов, Е.А. Тырин. Саратов: Вестник СГТУ. 2013. №1(69). С. 169-174.
9. Опыт проектирования и внедрения системы верхнего блочного уровня АСУ ТП АЭС / М.Е. Бывайков и др. // Автоматика и телемеханика. 2006. № 5. С. 65-79.
10. Эксплуатация систем водоснабжения, канализации и газоснабжения: справочник / под ред.
B. Д. Дмитриева, Б. Г. Мишукова. Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние,1988. 383 с.
11. Информационно-измерительная система реакторной установки СМ3 / А. Токарев и др. // Современные технологии автоматизации. 2002. № 3. С. 34-44 .
12. Комплекс АСУЗ-03Р системы управления и защиты исследовательского ядерного реактора ПИК / А. Зайкин и др. // Современные технологии автоматизации. 2002. № 3.С. 46-53.
13. Кирсанов М.Н. Графы на Maple. Задачи, алгоритмы, программы / М.Н. Кирсанов. М.: Физматлит, 2007. 168 с.
Великанов Андрей Михайлович -
студент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Петренко Кирилл Андреевич -
студент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Чуркин Геннадий Максимович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автоматика и телемеханика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Статья поступила в редакцию 20.01.14, принята к опубликованию 15.03.14
Andrey M. Velikanov -
Undergraduate
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Ririll А. Petrenko -
Undergraduate
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Gennady M. Churkin -
Ph. D., Associate Professor
Department of Technical Cybernetics and Informatics, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
