CC BY
10ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ INFORMATION TECHNOLOGIES
УДК 621.311:681.5
Исследование проблемы повышения оперативности информационных обменов систем телемеханики
Чжо Зо Е, Е.М. Портнов, Л.Г. Гагарина
Национальный исследовательский университет ««МИЭТ»
Study on Problems of Increasing Operational Information Exchange of Remote Control Systems
Kyaw Zaw Ye, E.M. Portnov, L.G. Gagarina
National Research University of Electronic Technology, Moscow
Рассмотрена проблема повышения оперативности информационных обменов систем телемеханики, учитывающая задержки и искажения информации в любом модуле и устройстве, включенном в трассу доставки информации источника в приемник. Показана неэффективность формирования всех компонентов рабочего цикла в общем для всех модулей в контроллере. Сформулированы требования к организации информационных обменов при использовании протокола МЭК 870-5-101.
Ключевые слова: система телемеханики; быстродействие; оперативность; протокол МЭК 870-5-101; метка времени; центральный контроллер.
The problem of increasing the operational information exchange of remote control systems, taking into account the delay and corruption of the information in any module and device, included in the route information delivery source to the receiver, has been considered. The inefficiency of forming all components of the working cycle in the common for all modules controller has been shown. The requirements to organization of the information exchange using the Protocol IEC 870-5-101 have been formulated.
Keywords: telemechanics system; performance; efficiency; protocol IEC 870-5-101; the buffer transfer information; the central controller.
Введение. Оперативность системы телемеханики определяется быстродействием, точностью привязки информации к метке времени, а также минимизацией (оптимальным использованием) пауз между рабочими циклами [1, 2]. Многими исследователями и производителями показатель быстродействия трактуется как отношение длины передаваемого информационного сообщения к номинальной скорости передачи сигналов по каналу связи.
© Чжо Зо Е, Е.М. Портнов, Л.Г. Гагарина, 2016
Замена показателя быстродействия временем передачи одного сообщения по каналу связи искажает реальные параметры системы телемеханики, особенно в наиболее важные и ответственные моменты - при работе в нештатной ситуации. Действительно, такой показатель «быстродействия» не учитывает [1, 2]:
- вероятность искажения данных на любом участке трассы доставки информации от источника в приемник, в том числе в канале связи. Искажения вызывают отказ приемника от обработки и регистрации поступивших данных, т.е. приводят к отсутствию подтверждающей квитанции;
- задержку между завершением первичной и началом повторной передачи сообщения при искажении ранее переданного сообщения;
- вероятность искажения данных при вводе информации от датчиков;
- задержки и искажения информации в любом модуле и устройстве, включенном в трассу доставки информации источника в приемник;
- задержку начала как первичной, так и повторной передачи сообщения из-за занятости ответственных за передачу и прием компонентов контролируемого пункта (КП) и центрального пункта уравнения (ЦПУ).
Анализ влияния на быстродействие КП с одним буфером. Реальное быстродействие - это задержка между моментами возникновения «события» и его фиксацией (отображением) средствами, предоставленными в распоряжение получателя информации. Для оценки реального быстродействия рассмотрим доставку информации от датчика, размещенного в КП, в приемник ЦПУ.
Анализ показывает, что при реализации базового протокола (БП) МЭК 870-5-101 чаще всего используется один общий для всех модулей устройства КП буфер передачи данных в канал связи [3]. Содержимое буфера определяется по результату обработки центральным контроллером текущей информации, полученной к данному моменту времени от модулей устройства КП. В таком варианте содержимое буфера не должно изменяться до получения подтверждающей квитанции или принудительного гашения содержимого буфера при нескольких неудачных попытках передачи и неискаженного приема информации. Когда в рассматриваемом варианте искажение информации не устраняется и проводится принудительное гашение буфера, ранее введенная в буфер информация оказывается безвозвратно потерянной, если за время передачи сформированного сообщения изменяется любой параметр текущей базы данных.
Задержка от момента Задержка от момента
передачи сообщения в Повторная передача передачи сообщения б
1—► ЦПУ до передачи сообщения от КП ЦПУ до передачи
в КП ответа (У2+У3 + У4) в КП ответа
(без квитанции) (¡\) (без квитанции) (/3)
Рис. 1. Модель передачи сообщения по каналу связи КП - ЦПУ
Для того чтобы определить достаточность организации в контроллере КП только одного буфера для передачи данных в ЦПУ, необходимо доказать, что за время передачи ранее сформированного сообщения (хранимого в буфере) не возникла необходимость формирования и передачи нового информационного сообщения. На рис.1 показана модель передачи сообщения, позволяющая провести анализ возможности потери информации и определить вероятные затраты времени на передачу одного информационного сообщения [4-6].
В результате обработки полученной контроллером информации от всех связанных с ним модулей устройства может возникнуть необходимость передачи 0, ..., q информационных сообщений по каналу связи с ЦПУ. Вероятное время, затрачиваемое на передачу информационных сообщений, равно:
Тп = ^ р'инф I , (1)
инф I I=1
где Р - вероятность необходимости проведения /-го информационного обмена; ^нфг - время, затрачиваемое на реализацию /-го информационного обмена.
Для рассматриваемых примеров 0 < q < 2п, где п - число модулей, подключенных к устройству КП. Коэффициент «2» учитывает необходимость проведения не менее двух информационных обменов с одним модулем, например, для получения оперативной и неоперативной составляющих информации. При отсутствии причин для передачи информации q = 0. Значение q существенно увеличивается при фиксации нештатной ситуации. Так как оперативность системы телемеханики играет решающую роль именно в нештатных ситуациях, целесообразно определять динамические параметры системы при увеличении интенсивности потока заявок на передачу информации по каналам связи.
Рассмотрим случай, когда однократно переданное сообщение не принимается приемником ЦПУ. Тогда имеем
'инф, = Т + 2(г2 + 2Тз + Т4 ).
Максимальное значение Т1 равно ¿инфг-, так как в самом неблагоприятном случае необходимость в передаче нового сообщения возникает сразу после начала передачи ранее сформированного. Примем Т1 = 0,5'инф 1.
В соответствии со структурой сообщений БП запрос представляется сообщением длиной 8 байт, поэтому (без учета дополнительных бит байта со структурой БТ1-2)
Т = 64/ /.
Задержка реакции КП на команду от ЦПУ может быть оценена величиной
Тз = 0,5Т2 = 32/Лп .
При условии передачи сообщения, включающего данные двух «событий», сопровождаемых семибайтными метками времени, имеем Т = 32,8//.
Тогда получаем 'инфг = 1536//п .
Преобразуем (1):
Т =ур{ = КШ = 1536 пК п
Тп = ^ р'инфI = Кпп'инфI = г ,
¿=1 Лп
где Кп - усредненная вероятность того, что необходимость передачи информации по каналу связи возникает после проведения одного цикла ввода в контроллер информации от всех п модулей.
Число буферов передачи Я определяется с учетом максимально допустимой величины задержки ¿шах между моментами фиксации события и его привязки к метке времени в центральном контроллере КП по формуле
S >
1536 иК
10"3 L
При n = 16, / = 9600 бит/с, tn
ax/п
10 мс получим S > 250К .
(2)
Источник (датчик) №1 Модуль №1
Модуль №2
(датчик) №2
| Источник j (датчик) №/ |
Источник (датчик)
Модуль №р
Из (2) видно, что устройство КП, содержащее один буфер передачи, практически неработоспособно.
Обоснование условий обеспечения высокого быстродействия. Определим необходимые условия для того, чтобы даже при использовании достаточного числа буферов передачи информации обеспечить требуемое значение tmax.
Параметром, характеризующим оперативность системы телемеханики, является точность привязки «событий» к меткам времени. При реализации БП, как правило, используется централизованный метод формирования информационных сообщений. Данные от всех модулей устройства периодически вводятся в общий контроллер, который анализирует весь объем полученной информации и по заданным критериям формирует одно или несколько информационных сообщений для передачи в ЦПУ или в устройство ретрансляции.
Рассмотрим модель формирования информационного сообщения с привязкой «со-«событий» к меткам времени (рис.2).
Примем следующие исходные данные: устройство КП строится по «сосредоточенному» принципу, т.е. не разделяется на части, максимально приближенные к источникам и приемникам информации; число модулей, подключенных к общему контроллеру, равно n; контроллер считывает информацию модулей циклически; для получения данных от одного модуля в среднем требуется проведение двух информационных обменов с контроллером (например, для получения оперативной и неоперативной составляющих информации); максимальный временной сдвиг (погрешность) между «событием», зафиксированным любым модулем, и временем регистрации «события» в контроллере, не должен превышать tmax; для передачи информации в контроллере используется один буфер.
На рис.2 показано, что для ввода информации m источников в устройство КП устанавливается n модулей, т.е. в приведенном примере в среднем m/n источников (датчиков) подключается к одному модулю. Если все модули имеют одинаковую производительность, можно определить усредненное время, затрачиваемое модулем на ввод новой информации. При работе модулей без накопления информации и без привязки полученной от источников информации к меткам времени время ввода новой информа-
Модуль №и —
У
Внутренний интерфейс
'опр
инф
ввод, контр
Центральный контроллер
Рис. 2. Модель работы устройства при формировании меток времени
ции ¿ввод.мод является одной из составляющих погрешности формирования метки времени.
Введенная в модули информация периодически по командам от контроллера выводится из модулей и заносится в базу текущих данных контроллера.
Ввод информации в контроллер характеризуют следующие временные составляющие: ¿опр - время передачи от контроллера команды опроса информации выбранного модуля; ^ - пауза между подачей команды опроса и подготовкой данных модулем, а также между приемом информации от ранее выбранного модуля и подачей команды опроса данных очередного модуля; ¿инф - время ввода информации модуля в контроллер. Введенная в контроллер информация обрабатывается для выявления «событий», после чего «событие» привязывается к метке времени (системному или астрономическому времени, хранимому в контроллере).
Максимальное суммарное время от появления «события» до момента его привязки к метке времени ¿тах не должно превышать установленное (допустимое) значение, например 10 мс. Тогда
'тах — 'ввод.мод ^ 2п('опр ^ 'п ^ 'инф ^ 'п К'обр,
где ¿обр - время обработки контроллером данных одного объекта; К - коэффициент, учитывающий общее число объектов контроля и обработки. Очевидно, что 0 < К < т.
Кобр соответствует временному сдвигу между началом очередного цикла обработки полученной контроллером информации и обработкой данных объекта, чье состояние изменилось. Для оценки исследуемого параметра примем К = 0,5т.
Очевидно, что при использовании помехозащитных процедур при вводе информации от источников и соответствующей обработки получаемой информации ¿ввод.мод окажется больше указанного допустимого значения погрешности. Поэтому в рассматриваемой структуре формирования информационных сообщений функции модуля ограничиваются процедурами сканирования сигналов от датчиков, запоминания полученной информации и трансляции данных в контроллер при получении от него команды опроса. При таком построении модулей величина 4вод.мод может быть не более нескольких миллисекунд. В то же время ясно, что для согласования динамики ввода данных от датчиков и вывода информации из модуля должно соблюдаться соотношение:
2п('опр + 'п + 'инф ^ 'п ) — 'ввод.мод
> 0,5 • 2п('опр + 'п + 'инф + 'п ) .
Примем
'ввод.мод = 0,7 • 2п('опр + 'п + 'инф + 'п ) (3)
Тогда (3) можно представить в виде
'тах > 3,4п('опр + 'п + 'инф + 'п )+ 0,5т'обр.
Анализ полученных данных. Проанализируем данные для следующих «усредненных» условий работы устройства КП: число модулей, включенных в состав одного устройства КП, равно восьми; команда опроса данных одного модуля включает трех-байтное сообщение; пауза между смежными передачами по внутреннему интерфейсу устройства КП равна половине времени передачи команды опроса; одно информационное сообщение от модуля состоит из восьми байт и включает данные восьми объектов;
'обр- мс
Рис.3. Зависимость оперативности ввода данных /т в контроллер от времени их обработки Тобр
тактовая частота информационного обмена по внутреннему интерфейсу равна /т;
^шах = 10 с.
Обозначим 0,5тобр = Тобр и построим зависимость /т=Р(Гобр) для приведенных данных (рис.3).
Из графика видно, что для реализации БП в устройствах КП (с заданными в примере характеристиками) необходимо использовать внутренние интерфейсы с частотой тактовых сигналов не ниже 1_2 МГц. Контроллер КП должен обработать массив данных, принятых от всех модулей, за 3_6 мс. Выполнение столь жестких требований неизбежно приведет к снижению помехоустойчивости и достоверности данных, а также к практической невозможности выполнения устройства КП для больших объемов информации или при повышении интенсивности потока данных, т.е. при работе в нештатных ситуациях.
Описываемая реализация БП - формирование всех компонентов рабочего цикла в общем (для всех модулей) контроллере - приводит к практической незащищенности поступающей в контроллер информации от помех в цепях связи модулей с датчиками. Отмеченный недостаток характерен не только для «традиционных» датчиков, но и для каналов телесигнализации, которые связаны с устройствами защиты и автоматики, регистраторами [7]. Анализ работы других каналов систем телемеханики существенно не меняет сделанные выводы.
Заключение. В результате проведенного анализа оперативности устройств КП, использующих БП, компоненты которого формируются общим для всех модулей контроллером, можно сделать следующие выводы:
- скорость ввода информации от модулей в контроллер должна быть не менее 2 МГц;
- время обработки всего массива данных, поступивших от модулей в контроллер, не должно превышать 3_6 мс;
- в контроллер должно быть введено несколько независимых буферов, реализующих асинхронный информационный обмен с ЦПУ;
- практически невозможно обеспечить выполнение высоких требований к оперативности рассредоточенного устройства КП.
Литература
1. Портнов Е.М. К вопросу создания интегрированных информационно-управляющих систем в энергетике// Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2011. - № 4. - С. 77-80.
2. Чжо Зо Е. Методика повышения достоверности SCADA-систем // Изв. вузов. Приборостроение. -2015. - Т. 58. - № 12. - С. 167-172.
3. Баин А.М., Портнов Е.М., Чжо Зо Е. Способ централизованного контроля магистральных объектов с различными приоритетами// Изв. вузов. Электроника. - 2015. - № 1. - C. 154-160
4. Баин А.М., Портнов Е.М., Чжо Зо Е. Повышение достоверности передачи сигналов состояния силового оборудования в энергетике// Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. -2014. - № 4. - C. 16-20.
5. Чжо Зо Е, Баин А.М., Касимов Р.А., Гринченко Э.А. Методика формирования рабочих циклов при проведении информационных обменов и управлении распределенными энергообъектами // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. - 2013. - № 4. - C. 18-23.
6. Чжо Зо Е, Баин А.М., Касимов Р.А. Методика снижения интенсивности информационных потоков интегрированных информационно-управляющих систем в энергетике // Оборонный комплекс -научно-техническому прогрессу России. - 2013. - № 3. - C. 33-37.
7. Kyaw Zaw Ye, Htike Aung Kyaw, Bain A.M., Portnov E.M. The efficiency of detecting the failures and troubleshooting while applying technical diagnostics for multi-computer systems// Archives of Control Sciences. -2015. - Vol. 25(LXI). - N. 1. - Р. 5-25.
Статья поступила 26 февраля 2016 г.
Чжо Зо Е - кандидат технических наук, докторант кафедры информатики и программного обеспечения вычислительных систем (ИПОВС) МИЭТ. Область научных интересов: информационное и программное обеспечение управляющих систем, техническая диагностика, E-learning система, информатика и вычислительная техника, теория систем и системный анализ, энергообеспечивающие системы. E-mail: kyawzawye85@gmail.com
Портнов Евгений Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры ИПОВС МИЭТ. Область научных интересов: разработка унифицированных многофункциональных систем для повышения надежности и достоверности управления распределительными энергосетями, принципы повышения эффективности информационных обменов систем управления в энергетике, теория селективного многокритериального управления нестационарными логистическими потоками, разработка теории обработки и поиска информации в иерархических базах знаний с динамической структурой.
Гагарина Лариса Геннадьевна - доктор технических наук, профессор кафедры ИПОВС МИЭТ. Область научных интересов: современные проблемы информатики и вычислительной техники, автоматизация технологических процессов испытаний в приборостроении, системный анализ, прикладные проблемы программной инженерии, разработка программного обеспечения автоматизированных систем, методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки принятия решений.
Г
Информация для читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Вы можете приобрести в редакции журналы за 2015 г. и за первое полугодие 2016 г.
Адрес редакции: 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, д.1, МИЭТ, комн. 7231.
Тел.: 8-499-734-62-05. E-mail: magazine@miee.ru http://www.miet.ru
