Модель обеспечения надежности АСУ ТП

Содержание Введение

1. Основная часть

1.1 Описание моделируемой системы

1.2 Структурная схема модели системы и её описание

1.3 Временная диаграмма и её описание

1.4 Q-схема системы и её описание

1.5 Укрупнённая схема моделирующего алгоритма

1.6 Детальная схема моделирующего алгоритма

1.7 Математическая модель и её описание

1.8 Описание машинной программы решения задачи

1.9 Результаты моделирования и их анализ

2. Описание возможных улучшений в работе системы Заключение Список литературы Приложение

Введение

Моделирование на сегодняшний день является самым распространенным и мощнейшим средством изучения объектов, явлений и процессов реального мира. Моделирование совершенно необходимо в случаях, когда изучать реальные объекты и процессы непосредственно затруднительно или практически невозможно и существенно упрощает и удешевляет разработку и оптимизацию сложных и дорогих систем.

Отличительная черта моделирования — выделение основных свойств системы, интересующих разработчиков и исследователей, и их оценка (качественная и количественная) с учетом варьируемых поправок и ограничений. Именно это обстоятельство делает моделирование основным и необходимым этапом в разработке любых систем и изучении процессов и явлений реального мира.

Существует много способов и методов моделирования, наиболее дешевым и исторически основным из которых является математическое моделирование. Любая модель может быть формализована и изучена с помощью того или иного математического аппарата или метода. С появлением ЭВМ математические модели стали применяться практически во всех задачах моделирования, но появилась и альтернатива — имитационное моделирование, позволяющее на основе исходных заданных характеристик системы имитировать ее поведение во времени и получать необходимые характеристики. Имитационное моделирование дает наилучшие по точности результаты если моделируемая система имеет неопределенный или вероятностный характер, поскольку просчитать математически все возможные варианты поведения системы задача крайне трудоемкая или невыполнимая, а использование в расчетах средних значений дает крайне неточные результаты. Системы массового обслуживания — одни из примеров систем вероятностного (стохастического) характера, поэтому применение имитационного моделирования к анализу этих систем дет наилучшие результаты и вместе с тем малые затраты времени, средств и машинных ресурсов.

Для решения подобных задач на ЭВМ разработано несколько специализированных языков имитационного моделирования высокого уровня, в том числе GPSS. Эта система моделирования позволяет смоделировать и оценить характеристики любой конкретной СМО. В частности, в данной работе был промоделирован процесс конвейерной обработки шестерен, представляющий собой двухфазную СМО с ожиданием и бесконечной очередью, произведена оценка основных показателей данной СМО, на основании этих показателей предложены меры по улучшению эффективности работы СМО.

1. Основная часть

1.1 Описание моделируемой системы

Для обеспечения надежности АСУ ТП в ней используются две ЭВМ. Первая ЭВМ выполняет обработку данных о технологическом процессе и выработку управляющих сигналов, а вторая находится в «горячем резерве». Отказы основной ЭВМ происходят через 300±30с. Восстановление занимает 100±20с. Заявки поступают в систему с интервалом 18±4с. Обработка занимает 20±6с. Резервная ЭВМ абсолютно надежна и, в случае отказа основной, мгновенно подключается к управлению процессом.

Смоделировать 8ч. работы системы. Определить коэффициенты загрузки обеих ЭВМ.

Как видно из условия предложенной задачи, работа всей системы обработки осуществляется в три этапа.

Сначала заявки генерируются системой с заданной частотой (18±4), образуя очередь перед каналом обработки данных. Длина очереди во многом зависит от интенсивности поступления заявок и от времени их обработки.

Затем происходит проверка работоспособности основной ЭВМ, и в зависимости от этого заявки поступают на обработку в основную или резервную ЭВМ. Так как резервная ЭВМ абсолютно надежна и мгновенно подключается к управлению процессом, то в случае отказа, это не повлияет на время обработки заявок и работу системы в целом. Если, основная ЭВМ откажет, выполняя обработку данных, то прерванная заявка не уничтожается, а обрабатывается резервной ЭВМ.

И, наконец, заключительный этап — уход обработанных заявок с обслуживания.

1.2 Структурная схема модели системы и её описание Прежде всего, приведем структурную схему модели рассматриваемой системы.

Рисунок 1 — Структурная схема процессов системы обработки Как видно из схемы работа системы обслуживания, рассматриваемая в курсовой работе очень проста, вначале происходит генерация заявок, поступление их в очередь. Следует обратить внимание на то, что заявки поступают в систему от источника каждые 184с. независимо от дальнейшей работы системы. Так же следует отметить, что резервная ЭВМ является полным соответствием основной, и, по сути, в каждый момент времени обработку данных осуществляет только одна ЭВМ.

Особенностью данной модели является моментальная замена основной ЭВМ на резервную и повторная обработка прерванной заявки.

Представим структурную схему функционирования системы обработки заявок на основе устройств (блоков).

Рисунок 2 — Структурная схема системы обработки на основе устройств

1.3 Временная диаграмма и её описание Приведём временную диаграмму выполнения всех процессов модели для более детального представления процесса функционирования системы обработки.

Рисунок 3 — Временная диаграмма процессов системы обработки данных

Распишем оси координат. Ось абсцисс — временная шкала. Ось ординат:

1 — моменты поступления заявок в систему;

2 — пребывание заявок в накопителе (очередь);

3 — обработка данных основной ЭВМ;

4 — обработка данных резервной ЭВМ;

5 — уход заявок с обслуживания системой.

Как видно на временной диаграмме, первая поступившая заявка, минуя накопитель, поступает на обработку в основную ЭВМ. Вторая заявка генерируется раньше, чем ЭВМ обрабатывает первую, поэтому вторая заявка ожидает в накопителе и, по завершении обработки, занимает ЭВМ. Третья и четвертая, подобно второй, ожидают своей очереди. Во время обработки четвертой заявки система успевает сгенерировать пятую и шестую. Они пополняют собой очередь. Выполнение обработки пятой заявки сопровождается ожиданием в очереди шестой и седьмой заявок, выполнение шестой — ожиданием седьмой, восьмой и девятой. Далее генерация заявок идет параллельно с обработкой, поэтому в очереди мы можем постоянно видеть 2−3 заявки. После выполнения двенадцатой заявки происходит сбой основной ЭВМ, в результате тринадцатая заявка, дождавшись своей очереди, поступает в резервную ЭВМ. В момент восстановления основной ЭВМ, резервная обрабатывает восемнадцатую заявку. Она прекращает эту процедуру и передает её основной ЭВМ. Девятнадцатая и двадцатая заявки так же обрабатываются основной ЭВМ. В результате построения временной диаграммы выявились все особые состояния системы, которые необходимо учесть при построении детального моделирующего алгоритма.

1.4 Q-схема системы и её описание

Концептуальная модель системы построена. Перейдем к этапу формализации модели. Так как описанные процессы являются процессами массового обслуживания, то для формализации задачи используем символику Q-схем. В соответствии с построенной концептуальной моделью и символикой Q-схем, структурную схему данной СМО можно представить в виде, показанном на рисунке 4, где И — источник, К — канал, Н — накопитель.

Рисунок 4 — Q-схема системы обработки данных

Рассмотрим подробнее Q-схему, представленную на рисунке 4.

Источник И1 имитирует поступление заявок в систему. Интенсивность поступления 18±4с. Источник И2 имитирует отказы в основном канале, интенсивность которых 300±30с. Накопитель Н имеет неограниченный объем, в нем хранятся необработанные заявки. Канал К1 (основной канал) имитирует основную ЭВМ, которая обрабатывает данные за 20±6с. К2 (резервный канал) имитирует резервную ЭВМ с такой же производительностью как и у К1. Клапаны 1,2 управляют работой системы в целом. В режиме работы системы без сбоев клапан 1 не пропускает заявок. При возникновении сбоев клапан 1 открывается, клапан 2 закрывается и не пропускает заявок в основной канал до его восстановления. Управляющие воздействия на клапана показаны пунктирными линиями.

Необходимо отметить, что в исходной постановке данную задачу лучше всего решать методом имитационного моделирования. Также данную задачу можно решить одним из аналитических методов, базирующихся на теории массового обслуживания. При решении аналитическим способом необходимо разбить модель на этапы, чтобы можно было наглядно представить все процессы, которые происходят при работе системы передачи данных, неизбежно упрощать задачу, что приводит к потере точности конечного результата.

1.5 Укрупнённая схема моделирующего алгоритма

После этапа формализации задачи необходимо приступить к построению моделирующего алгоритма. Известно, что существует две разновидности схем моделирующих алгоритмов: обобщённая (укрупнённая) схема, задающая общий порядок действий, и детальная схема, содержащая уточнения к обобщённой схеме.

Рассмотрим один из принципов построения моделирующих алгоритмов, принцип t. Он заключается в следующем: процесс функционирования любой системы обозначим её S можно рассматривать как последовательную смену её состояний Z^P=Z (Z₁(t), Z₂(t),…, Z_K(t)), в k-мерном пространстве. Очевидно, что задачей моделирования процесса функционирования исследуемой системы S является построение функций Z, на основе которых можно провести вычисление интересующих характеристик процесса функционирования системы. Для этого должны иметься соотношения, связывающие функции Z с переменными параметрами и временем, а также начальные условия Z^Po=Z (Z₁(t₀), Z₂(t₀),…, Z_K(t₀)) в момент времени t=t₀. Т. е. другими словами работа системы разделяется на интервалы, и изменение каждого процесса осуществляется с интервалом t+t. При разделении система передачи будет находиться в различных состояниях, которые по принципу называют Z₁(t+t), Z₂(t+t),…, Z_K(t+t). За начальный момент времени берётся t₀, тогда следующий момент времени будет t₁=t₀+t, следующий момент равен t₂=t₁+t. Каждый последующий момент времени будет равен сумме предыдущего интервала и t. Это временное разделение происходит до тех пор, пока не произойдёт окончание работы системы. Также стоит заметить, что если шаг t достаточно мал, то таким путём можно получить приближённые значения состояний Z.

Укрупнённая схема моделирующего алгоритма на основе принципа t представлена на рисунке 5.

Приведённая на рисунке 5 схема описывает работу системы обработки данных (СОД) при каждом её запуске по принципу t. По этому принципу каждый запуск системы считается равным некоторому интервалу t, и последующие запуски осуществляются с этим же интервалом.

Рисунок 5 — Укрупнённая схема моделирующего алгоритма

Рассмотрим работу системы (рисунок 5). Вначале — запуск системы на выполнение и ввод необходимых значений для работы системы. Затем проверка, вышло ли время работы системы, если «нет», то происходит обработка в ЭВМ и уход заявок с обслуживания. Если время работы истекло, то — вывод результатов на печать и завершение работы.

1.6 Детальная схема моделирующего алгоритма

Детальная схема моделирующего алгоритма содержит уточнения, отсутствующие в обобщённой схеме. Она более подробно раскрывает каждый блок укреплённой схемы. Что касается рассматриваемой модели: системы обработки данных, то её основная задача — определение момента отказа и момента восстановления основной ЭВМ и в соответствии с этим направление заявок в основной или резервный канал. Составим на основании представленной выше информации детальную схему моделирующего алгоритма. Эта схема будет состоять из тех этапов, которые необходимо будет выполнить при нормальной работе СОД.

Детальная схема моделирующего алгоритма представлена на рисунке 6. Рассмотрим работу СОД по схеме. Итак, первым происходит запуск системы на выполнение, следующим этапом задаются необходимые значения для работы системы. После происходит проверка, вышло ли время работы системы, если «нет», то проверяется, произошел ли отказ в основной ЭВМ. В зависимости от этого условия, осуществляется обработка данных основной или резервной ЭВМ. После завершения обработки проверяется наличие поступления очередной заявки, которая помещается в накопитель. И окончательный момент в работе системы связан с переходом к следующему интервалу t. Если время работы истекло, то происходит окончательная обработка результатов, и осуществляется вывод результатов на печать. После печати работа системы завершается.

Рисунок 6 — Детальная схема моделирующего алгоритма

1.7 Математическая модель и её описание

Любую систему можно моделировать двумя способами. Либо с помощью словесного описания, т. е. рассмотрение работы системы с помощью переменных, уравнений, формул, проведение различных расчётов. И на основании соответствующих результатов делаются выводы об улучшении работоспособности системы, о выборе оптимального решения всех возникших проблем. Такой метод моделирования любой системы называется аналитическим. Следующий метод наиболее надёжный для моделирования. Он позволяет за короткий срок решить все возникшие проблемы с построением модели системы. Этот метод называется имитационным, моделирование системы проводится с помощью ЭВМ. Для рассмотрения любой модели стоит выделить некоторые этапы:

с помощью какого языка будет производиться моделирование;

какие процессы происходят в системе, которые необходимо обработать в своей программе;

и самый главный этап: правильно составленная программа, только правильно составленная программа моделирования, даст наиболее точные результаты.

Опишем с помощью переменных все процессы и значения, с помощью которых будет производиться моделирование.

В нашем случае это будут:

· N_о — количество заявок, обслуженных основной ЭВМ;

· N_p — количество заявок, обслуженных резервной ЭВМ;

· t_op — время решения задачи основной ЭВМ;

· t_pp — время решения задачи резервной ЭВМ;

· K_о, K_p — коэффициенты загрузки ЭВМ;

· T — общее имитируемое время работы системы;

· G — количество генерируемых заявок.

На основании приведённых данных можно составить некоторые уравнения модели:

K_o=?t_оp/T; K_p=?t_pp/T;

Генерация происходит каждые 18±4с., общее время работы системы — 8ч.(28 800с.). Можно приблизительно рассчитать количество заявок сгенерированных за это время G=28 800/18=1600. Так как основная ЭВМ работает в три раза дольше резервной, то резервная обрабатывает N_p=1600/3?533 заявки. Соответственно основная — N_о=1600−533=1067.

Общее время решения задач основной ЭВМ:

?t_оp= N_о*t_op=1067*20=21 340с.

Общее время решения задач резервной ЭВМ:

?t_pp= N_p*t_pp=533*20=10 660с.

Теперь можно рассчитать коэффициенты нагрузок ЭВМ:

K_o=?t_оp/T=21 340/28800?0,741.

K_p=?t_pp/T=10 660/28800?0,370.

Далее, судя по средней загрузки ЭВМ, можно анализировать о состоянии системы в целом, т. е. моменты системы, когда ожидание заявки обработки на ЭВМ превышает время обработки ЭВМ. Естественно, что это сказывается на эффективности системы в целом. Анализируя далее статистику экспериментальных данных (выходной отчет) определим способы оптимизации модели системы. Т.к. физические параметры ЭВМ (время обработки заявки), их очередей, поступление заявок на ЭВМ (генерация транзактов) — физическая модель системы, а потому неизменны, приходится оперировать только дифференциацией обработки заявок.

1.8 Описание машинной программы решения задачи

моделирующий данный алгоритм программа

Т.к. решение поставленной в курсовой работе задачи осуществлялось с помощью языка имитационного моделирования GPSS, для более наглядного представления решения задачи будет представлена блок-диаграмма языка GPSS и описан каждый из её блоков.

Первый блок на диаграмме называется «GENERATE», он генерирует последовательность транзактов в заданный интервал времени в полях A и B. A=18 B=4. Блоки «QUEUE» (вход) и «DEPART» (выход) — осуществляют сбор статистики по пребыванию заявок в очереди перед ЭВМ. Блок «GATE» — проверяет условие нахождение логического ключа A в состоянии LR (выключен). Состояние логического ключа изменяет другой блок «GENERATE», который генерирует отказы основной ЭВМ каждые 300±30с.

Как только произошел отказ, происходит инвертирование ключа A (блок «LOGIC»). Обратное инвертирование происходит через 100±20с. — блок «ADVANCE» имитирует время восстановления основного канала.

Рисунок 7 — Блок-диаграмма GPSS

Если ключ A находится в состоянии LR, то заявки идут на обработку в основную ЭВМ (канал), в противном случае — в резервную ЭВМ. Блок «SEIZE» — занятие устройства (канала), этот блок работает в паре с блоком «RELEASE» — освобождение устройства (канала).

Следующие блоки «ADVANCE» производят обработку транзактов в ЭВМ (20±6с.). Блок «FUNAVAIL», в паре с «FAVAIL», соответственно блокируют основную ЭВМ и делают её доступной для заявок. Блок «TERMINATE» производит уничтожение транзактов, имитирует процесс завершения обработки данных. Листинг программы представлен в приложении 1.

1.9 Результаты моделирования и их анализ

Рассмотрим статистику после проведения моделирования и сделаем её анализ. Выходная статистика:

START TIME END TIME BLOCKS FACILITIES STORAGES

0.000 28 800.000 25 2 0

LABEL LOC BLOCK TYPE ENTRY COUNT CURRENT COUNT RETRY

1 QUEUE 1603 0 0

2 GATE 1603 1 0

3 SEIZE 1072 0 0

4 DEPART 1072 0 0

5 ADVANCE 1072 1 0

6 RELEASE 1071 0 0

7 TERMINATE 1071 0 0

8 TRANSFER 0 0 0

ALT 9 FUNAVAIL 530 0 0

10 SEIZE 530 0 0

11 DEPART 530 0 0

12 ADVANCE 530 0 0

13 RELEASE 530 0 0

14 FAVAIL 530 0 0

15 TERMINATE 530 0 0

16 TRANSFER 0 0 0

17 GENERATE 96 0 0

18 LOGIC 96 0 0

19 ADVANCE 96 0 0

20 LOGIC 96 0 0

21 TERMINATE 96 0 0

22 GENERATE 1603 0 0

23 TRANSFER 1603 0 0

24 GENERATE 1 0 0

25 TERMINATE 1 0 0

FACILITY ENTRIES UTIL. AVE. TIME AVAIL. OWNER PEND INTER RETRY DELAY

PCH 1072 0.740 19.885 1 1700 0 0 0 1

SCH 530 0.368 20.001 1 0 0 0 0 0

QUEUE MAX CONT. ENTRY ENTRY (0) AVE.CONT. AVE. TIME AVE.(-0) RETRY

JOB 3 1 1603 306 0.725 13.025 16.098 0

Статистика показывает, что было смоделировано 8ч. работы системы, как этого требовало задание. В результате было сгенерировано 1603 заявки. Из них 1072 поступили на обработку в основную ЭВМ, а в резервную — 530. К моменту завершения моделирования основной канал успел обработать 1701 заявку, резервный же канал обработал все заявки, которые к нему поступили. Кроме того, одна заявка осталась в блоке GATE, это говорит о том, что она ещё не успела поступить ни в одну из ЭВМ и, по сути, находится ещё в очереди. Рассмотрим статистику по устройствам и очереди.

Статистика по устройствам:

PCH (основной канал):

— устройство было занято 1072 раза;

— вероятность занятости устройства — 0,740;

— среднее время занятости — 19,885с.

SCH (резервный канал):

— устройство было занято 530 раз;

— вероятность занятости устройства — 0,368;

— среднее время занятости — 20с.

Статистика по очереди:

JOB:

— максимальное содержимое очереди в течение работы — 3 заявки;

— текущее содержимое очереди в конце моделирования — 1 заявка;

— 1603 заявки входили в очередь;

— 306 заявок вошли в очередь с «нулевым» временем ожидания;

— среднее время, проведенное в очереди — 13,025с.

2. Описание возможных улучшений в работе системы

Подводя итог проделанной работе, можно сделать вывод, что данная система обработки заявок сама по себе является оптимизированной.

Во-первых, в системе используется резервная ЭВМ, которая при отказе основной ЭВМ выполняет её работу. Во-вторых, резервная ЭВМ моментально подключается к управлению процессом, не происходит задержек между переключением ЭВМ. То же самое происходит и в момент восстановления основной ЭВМ. В-третьих, заявки, которые обрабатываются в момент сбоя той или иной ЭВМ, не теряются, а обрабатываются подключившейся к процессу ЭВМ.

Выходная статистика также доказывает эффективность работы системы.

Во-первых, почти все заявки, сгенерированные источником, обрабатываются ЭВМ. Во-вторых, коэффициенты нагрузок ЭВМ находятся в таком же процентном соотношении, что и время переключения регулирующих клапанов. В-третьих, в очереди перед обработкой в ЭВМ максимально находится всего три заявки.

Из всего этого следует, что данная СОД полностью эффективна и не нуждается в оптимизации.

Заключение

В данной курсовой работе решена задача моделирования работы АСУ ТП.

В процессе выполнения работы разработан алгоритм решения поставленной задачи. По этому алгоритму с помощью средств GPSS составлена и отлажена программа.

Первоначальный вариант условия обеспечивал эффективную работу СОД. С помощью имитационного моделирования были проведены эксперименты и разрабатывать методы повышения производительности не потребовалось.

Модель является полностью работоспособной, что подтверждается результатами выходной статистики.

1. Степанова Е. Г. Лекции по дисциплине «Моделирование систем» .

2. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем (2-е изд.). — М.: Высшая школа, 1998.

3. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем: Практикум. — М.: Высшая школа, 1999.

4. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. — М.: Наука, 1969.

Приложение Листинг программы на языке имитационного моделирования GPSS

SIMULATE

* PCH-Primary channel

* SCH-Secondary channel

1QUEUE JOB

GATE LRA, ALT

SEIZEPCH

DEPARTJOB

ADVANCE20,6

RELEASEPCH

TERMINATE

TRANSFER, 2

ALTFUNAVAILPCH, RE

SEIZESCH

DEPART JOB

ADVANCE20,6

RELEASESCH

FAVAILPCH

TERMINATE

TRANSFER, 2

GENERATE300,30

LOGIC IA

ADVANCE100,20

LOGIC IA

TERMINATE

GENERATE 18,4

TRANSFER, 1

2 GENERATE28800

TERMINATE1

START 1

END