Алгоритмы управления на территориально распределеных промышленных и бытовых объектах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.397.13

АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ И

БЫТОВЫХ ОБЪЕКТАХ

Аспирант Коекин В. А.

ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»

Рассмотрены вопросы, связанные с алгоритмами управления электротехнического оборудования на распределенных объектах имеющих промышленное и бытовое назначение.

Ключевые слова: электронное оборудование, алгоритмы управления

Как правило, система управления промышленным или бытовым объектом представляется в виде комплекса различного рода электротехнического оборудования, создающего инфраструктуру для реализации определенного алгоритма управления. Однако эта упрощенная модель основывается на предположении, что все части системы управления находятся в рамках ограниченного пространства. Обычно современные системы управления имеют множество различных точек подключения электротехнических датчиков и исполнительных органов к объекту управления, разнесенных на значительные расстояния. В этом случае система управления оказывается состоящей из множества разделенных компонентов, приобретая вид сети состоящей из километров электронных интерфейсов. Такой разнос в пространстве диктует необходимость преобразования традиционной модели компактной системы управления в систему с распределенным алгоритмом управления.

Даже если расстояние между различными точками съема данных и управления незначительно, разделение алгоритма управления между множеством процессоров все равно будет целесообразно. Такое разделение позволяет заменить один дорогой, высокопроизводительный процессор, являющийся ядром системы, несколькими менее производительными, дешевыми процессорами, работающими параллельно. Это позволяет построить вычислительную среду, обладающую рядом достоинств: легкостью сопровождения, ремонта и модернизации, т. к. компоненты алгоритма управления, исполняемые на разных процессорах, заменяются независимо друг от друга; живучестью, поскольку выход из строя нескольких узлов теоретически менее разрушителен, чем выход из строя центрального процессора; экономической эффективностью, поскольку замена одного высокопроизводительного процессора на несколько простых, экономически оправдана, т. к. цена процессора возрастает гораздо быстрее, чем его производительность.

Система с распределенным алгоритмом управления требует надежной связи между элементами системы. В условиях реальной эксплуатации, промышленные помехи, электростатические и магнитные наводки, температурные перепады, вибрация и др., данная задача весьма нетривиальная. Несмотря на то, что за последние десять лет разработаны различные технологии промышленной связи, такие как LonWorks (Ш^технология), DeviceNet, Profibus, ArcNet, BACnet и др. [1, 2],

объединенные общим названием филдбас или шина данных (fieldbus, data bus), потребность в простых и надежных средствах связи между разнесенными в пространстве блоками системы управления весьма актуальна.

Рассмотрим и проанализируем основные концепции преобразования многомерного линейного регулятора, реализованного в виде компактного алгоритма для одного процессора, в распределенный алгоритм, исполняющийся на нескольких процессорах, объединенных LON-технологией.

LON-технология получила широкое распространение в мире автоматики зданий, а так же на транспорте и в промышленной автоматизации. Она использует неиерархические, или плоские открытые сети данных. Сети соединяют блоки, или узлы, построенные на базе специализированного микропроцессора Нейрон [3], обеспечивающего физический доступ к каналу связи через трансивер. Кроме того, он обеспечивает встроенную реализацию сетевого протокола, до одиннадцати объектов ввода/вывода для подключения датчиков и исполнительных органов разного рода, и исполняет программы пользователя, включающие в себя алгоритм управления, написанный на модификации стандартного языка C.

LON-сети используют специализированный сетевой протокол ANSI / EIA-709.11 [4] (известный ранее как протокол LonTalk), разработанный для управляющих сетей и отличающийся исключительно хорошей нагружаемостью канала, особенно отличной линейностью времени доставки пакета в условиях высокой загрузки канала связи.

Имеющиеся на российском рынке трансиверы позволяют использовать различные каналы связи: выделенные пары проводов, сети переменного тока, радиоканалы и др. Существуют устройства, позволяющие туннелировать пакеты данных LON-технологии через Интернет (TCP/IP).

Проанализируем реализацию линейного многомерного управления на основе LON-технологии. Рассмотрим простую систему управления, описываемую дискретными передаточными функциями, представленную на рис. 1, где О(£) — дискретная передаточная матрица объекта управления; R(z) — дискретная передаточная матрица регулятора; x(z), A(z) и u(z) — Z-преобразования m-мерного вектора задающих воздействий, ошибок, и измерений; _y(z) — Z-преобразование и-мерного вектора управлений.

Рис. 1. Линейная многомерная система управления

Пусть в системе, изображенной на рис. 2, объект управления имеет большие физические размеры. В этом случае т датчиков обратной связи, формирующих вектор измерений и, и п исполнительных органов (ИО), генерирующих вектор управления У, расположены на значительных расстояниях друг от друга. Предположим также, что каждый компонент вектора измерений или управлений передается по отдельной паре проводов, т.е. всего в указанной системе будет использовано т + п пар проводов.

Рис. 2. Линейная многомерная система управления с дистанционными датчиками и

исполнительными органами

При определенных условиях ЬОК-технология позволяет заменить эти т + п физических пар проводов на т + п виртуальных проводов, проходящих по одной физической паре (рис. 3).

В системе, изображенной на рис. 3, ЬОК-технология используется как средство, соединяющее датчики, исполнительные органы и человеко-машинный интерфейс, прокладывающая множество виртуальных проводов через один физический канал связи (например, через одну пару проводов). Каждый виртуальный провод представляет собой однонаправленное логическое соединение выходной сетевой переменной (ВСП-2) с входной сетевой переменной (ВСП-1).

ИО 1

г vi nv0 yi nvl yi

x(z) A(z)

0-

R(z)

Узел-регулятор

y(z)

->a-

ИО 2

V2

nvo y2 nvl y2

->a-

ИО n

4.

Г

Vn nvo yn nvl yn -NZDi----------

Датчик 1

u(z)

ui nvl u1 nvo u1 |ia~|

<-----<“j------------<~1 --H

U2

Датчик 2

nvl u2 nvo U2

nv

Датчик m Um nvo Um ВЯ

T

«Виртуальные провода»

->0

Объект

управления

u

m

Рис. 3. Линейная многомерная система управления, использующая LON-технологию для соединения

датчиков и исполнительных органов с регулятором Все виртуальные провода «выполнены» в виде серии сетевых пакетов с данными,

пересылаемыми узлом с ВСП-2 на узел с ВСП-1. Каждый пакет несет в себе обновленное значение

ВСП-2, которое декодируется и записывается по адресу ВСП-1 узлом-приемником. Таким образом, n

виртуальных проводов соединяют узел-регулятор (узел, исполняющий алгоритм управления) и узлы

с исполнительными органами, реализуя соединение сетевых переменных nvo yi > nvi yi, i = 1...n.

Другие m виртуальных проводов соединяют узлы с датчиками и узел с алгоритмом управления,

реализуя соединение вида nvo ui > nvi ui, i = 1...m.

Имена сетевых переменных построены по методу обозначений, распространенному в мире LON-технологии. Здесь для ВСП-2 используется префикс nvo, для ВСП-1 — префикс nvi, где nv образовано от network variable, английского эквивалента термина сетевая переменная, а о и i подразумевают выход и вход (output и mput). Указанная система представляет собой классический пример системы дистанционного управления или системы типа master/slave. Распределенного управления здесь нет, поскольку весь алгоритм управления сосредоточен в узле-регуляторе. Распределенный алгоритм требует разбиения алгоритма, реализующего оператор управления R на части, которые могли бы исполняться непосредственно на узлах с датчиками и исполнительными органами.

Вектор управления У вычисляется, как свертка оператора управления R и вектора ошибки А и может быть записан в матричной форме У (г) = Я(г) А(г) (1), или в виде

m

эквивалентного ряда ^ ^) = £К^)*а,И = ВД* А(z), где і = 1,..п. (2)

]=1

Каждый из п компонентов вектора управления (2) может быть вычислен на соответствующем узле-датчике, тем самым мы получаем систему с распределенным алгоритмом управления, представленную на рис. 4. Распределенный алгоритм управления состоит из вычислений, вынесенных в основном на узлы-исполнительные органы, и частично на узлы-датчики. Здесь каждый датчик объединен с суммирующим устройством, которое вычисляет компонент вектора ошибки А/ по задающему воздействию хі и измерению иі.

Xl

X2

nvi Аі Аі

"І

с А2 А2

^і Аш Аш

А

иі

ИО 1

^і А1

^і А2

nvi Аш

А1

А2

А,

R2(Z)

nvi А1 | Аі

1 ^і А2 I ■ч Ь- \ Л иш

л 1 nvi Аш і I / Р \ А ш

■МЯКЗИЕГИ

' 1 1

->!=>

-►О

nvo x1

nvo x2

nvi x2 nvo Аm

nvo хш

Человеко-машинный

интерфейс

А nvi xn

«Виртуальные провода»

Датчик ш

x

пі

Рис. 4. Линейная многомерная система управления, использующая ЬОК-технологию для соединения частей распределенного алгоритма управления

Каждый узел-датчик соединен с человеко-машинным интерфейсом виртуальным проводом пуо X} > п\1 X;, реализующим соединение один к одному. Каждый узел-датчик соединен также со всеми узлами-исполнительными органами виртуальными соединениями п\о Л}- > п\1 Л}, каждое из которых является групповым соединением типа один ко многим. Каждый узел-исполнительный орган генерирует соответствующий компонент вектора управлений У; на основе всех т компонентов вектора ошибки Л}- в соответствии с формулой (2).

Теоретически возможно множество вариаций алгоритма управления, занимающих промежуточное положение между предельными случаями, изображенными на рис. 3 и 4. Например, компоненты управления могут вычисляться на узлах-датчиках или частично на узлах-датчиках и частично на узлах — исполнительных органах.

Один узел может содержать одновременно несколько датчиков и исполнительных органов, если: внешних портов процессора Нейрон достаточно для подключения этих устройств; вычислительной мощности Нейрона хватает для обработки этих сигналов и выработки сигналов ошибки и управления; Нейрон и подключенный к нему трансивер способны пропускать требуемый объем информации в сеть (средний и пиковый объем данных) с учетом возросшего количества сетевых переменных в узле.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

Ценность ЬОК-технологии для задач многомерного управления заключается не только в распределении функций управления между аппаратными компонентами-узлами, но и в создании робастной среды, активно противодействующей деградации управления при отказе отдельных узлов. Это выгодно отличает ЬОК-систему от системы с единым централизованным процессором, способной адаптироваться к отказам отдельных периферийных устройств (датчиков и исполнительных устройств), но полностью выходящей из строя при отказе центрального процессора.

ЬОК-технология позволяет построить распределенную систему с избыточностью, где узлы постоянно оценивают работоспособность системы (например, периодически обновляя некоторую внутреннюю таблицу соединений) и принимают индивидуальные или коллективные решения об адаптации алгоритма управления в соответствии с текущим состоянием системы. Это позволяет в определенной степени компенсировать отказ отдельных узлов и минимизировать деградацию управления в целом.

Однако при использовании в системе ЬОК-технологии необходимо всегда помнить и об соответствующих ограничениях, к которым относятся: пропускная способность канала в целом, пропускная способность отдельных узлов, конфигурация сетевых и программных буферов узла,

определенные требования к топологии сети, и т.д. Природа этих ограничений кроется в деталях сетевого протокола [5—7], а также в деталях физической и логической организации типичного LON-устройства (узла). [8]

Литература

1. Baker T., August 2000. «BACnet vs. LONWORKS» HPAC Engineering. Vol. 72, No. 8, pp. 56, 76— 78.

2. Артюшенко В.М., Шелухин Д.О. Электротехнические системы жизнеобеспечения зданий на базе

технологии BACnet. Монография/ Под ред. д-ра тех. наук, проф. В.М. Артюшенко, ГОУВПО «МГУС». М., 2006.

3. Баев Б.П. Микропроцессорные системы бытовой техники. Учебник для вузов. 2-е изд., испр. и доп. М.: Горячая линия - Телеком, 2005.

4. А. Фрейдман. Системы автоматизации зданий на базе сетей LonWorks и BACnet. // Компьютерная неделя. М. 2001. № 16 (286).

5. Fisher D.M., July 2000. «BACnet at Work: Reexamining Our Assumptions» ASHRAE Journal. Vol. 42, No. 7, pp. 34—40.

6. S.T. Bushby, H.M. Newman. BACnet сегодня. Новые важные возможности и будущие усовершенствования. // АВОК. М., 2003. № 4.

7. S.Tom. BACnet — интегрирующий стандарт. // АВОК. М., 2004. № 3.

8. Bushby S.T., Summer 2001. «Integrating Fire Alarm Systems with Building Automation and

Control Systems» Fire Protection Engineering. Issue 11, pp. 5—11.