Моделирование и синтез вычислительных систем с коммутаторами для интегрированного управления опытным производством

Актуальность темы

Распределенные вычислительные системы (РВС) являются наиболее функциональным и неотъемлемым фактором, обеспечивающим эффективное развитие современного предприятия. Вычислительные системы позволяют более рационально использовать ресурсы отдельных компьютеров. Сложность и скорость протекания технологических процессов во многих случаях делает невозможным управление процессами без высокоскоростного обмена пакетами данных между автоматизированными контроллерами, обеспечивающими последовательность выполнения технологических алгоритмов и своевременное реагирование на возникающие аварийные ситуации. Внедрение распределенных автоматизированных систем управления технологическими процессами, интеграция их с автоматизированной системой управления производством в единую информационную структуру требуют использования скоростных, надежных и недорогих распределенных вычислительных систем (РВС) передачи данных. В связи с этим большое практическое значение приобретает задача проектирования РВС.

Проектирование вычислительной системы производства, сжижения и хранения жидкого водорода и ацетилена сопровождается значительными трудностями, связанными с большим количеством критериев выбора структуры сети, учитывающие противоречивые требования к характеристикам ЛВС. К тому же указанные технологические процессы являются процессами потенциально взрыво и пожароопасными, с быстро меняющимися параметрами. Следовательно, проектируемая вычислительная система передачи данных должна функционировать в реальном масштабе времени. Это предъявляет жесткие требования к скорости и своевременности доставки информации. Поэтому, наиболее важным критерием при разработки вычислительной системы является требование к своевременности поступления сообщения или требование ограничения максимального времени, требуемого для прохождения сообщения по сети.

При синтезе РВС построение математической модели вычислительной системы является необходимым инструментом для разработки и анализа новых проектных решений. Таким образом, разработка метода синтеза РВС, основывающаяся на моделировании возможных структур систем по критерию своевременности доставки сообщений является весьма актуальной.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из научных направлений Воронежского государственного технического университета «Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы для управления технологическими процессами».

Целью работы: является разработка моделей, методов и алгоритмов синтеза структуры вычислительных систем с условием обеспечения заданной вероятности своевременной доставки сообщений по сети передачи данных.

Исходя из цели работы, определены следующие основные задачи: исследование методов, алгоритмов и подходов математического моделирования вычислительных системанализ основных современных подходов к синтезу вычислительных систем, принципов функцинирования концентраторов, коммутаторов, мостов и маршрутизаторов, а также средств программного обеспечения АСУ ТП и АСУПпостроение на основе системного подхода графо-аналитической модели вычислительной системы, предусматривающей дальнейшее исследование и алгоритмизацию процесса синтеза системы передачи данных на основе критерия обеспечения заданной вероятности своевременной доставки сообщенийсоздание метода синтеза оптимальной структуры вычислительной системы на основе критерия обеспечения заданной вероятности своевременной доставки сообщенийразработка специального программного обеспечения, осуществляющего выбор структуры распределенной вычислительной системы производства ацетилена и жидкого водорода на основе разработанного алгоритма синтеза вычислительной системы и критерия минимальной стоимости подводящих к центральным сетевым узлам каналов передачи данных.

Методы исследования основаны на использовании теории массового обслуживания, теории вероятности, дифференциального исчисления, математического и системного анализа, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

— графо-аналитическая модель коммутатора распределенной вычислительной системы, основанная на выделении и декомпозиции логически независимых модулей функциональной структуры коммутатора, позволяющая раскрыть внутреннюю динамику процесса передачи сообщений и упростить исследование сетевых устройств, имеющих внутренние буферы памяти;

— типовые варианты структур распределенных вычислительных систем АСУ предприятия, учитывающие особенности функционирования объединяющих сетевых узлов и обеспечивающие ускорение проектирования вычислительных систем на основе коммутаторов и концентраторов;

— алгоритм синтеза распределенных вычислительных систем с коммутаторами, основанный на разработанной графо-аналитической модели коммутатора, обеспечивающий заданную вероятность своевременной доставки и позволяющий сократить объемы вычислительных затрат на стадии аналитического расчета синтезированных структур РВС;

— задача аналитического описания и оптимизации пропускных способностей каналов передачи данных сети промышленных контроллеров на экспериментальном заводе ФГУП КБХА, учитывающая ограничение на вероятность своевременной доставки сообщений и позволяющая проектировать наиболее эффективные варианты сетей передачи данных.

Практическая ценность. Предложенный подход к моделированию вычислительных систем может быть применен к проектированию современных распределенных вычислительных систем на основе коммутаторов и концентраторов. Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение позволяет более полно описать принцип и характер сетевого обмена в системах передачи данных, осуществлять синтез современных вычислительных систем передачи данных, главными требованиями которых является низкая стоимость, высокая скорость и своевременность передачи информации.

Задача оптимизации пропускных способностей каналов передачи данных, обеспечивающих своевременность доставки сообщений, основанный на определении максимальной производительности системы, дает возможность синтезировать вычислительные системы, отвечающие требованиям к скорости передачи информации и имеющие минимальную стоимость каналов связи.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в виде программного обеспечения, предназначенного для синтеза вычислительных систем. Данный программный комплекс был использован при разработке компьютерной сети и сетей промышленных контроллеров АСУ ТП производства, сжижения и хранения ацетилена и жидкого водорода на экспериментальном заводе ФГУП КБХА. Программные компоненты зарегистрированы в Государственном фонде алгоритмов и программ.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (г. Новочеркасск, 2000 г.), VI Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (г. Воронеж, 2001 г.), межвузовской электронной научно-технической конференции «Управляющие и вычислительные системы. Новые технологии» (г. Вологда, 2001 г.), VII.

Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях» (Воронеж, 2002), Российской научно-технической конференции «Информационные технологии в проектировании, производстве и образовании» (Ковров, 2002).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 10 печатных работ. 3 работы опубликованы без соавторов. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [18] - анализ структуры вычислительной сети и выделение в ней логических частей, необходимых для дальнейшего моделирования с использованием теории массового обслуживанияв [23] - методы повышения надежности, реализованные в SCAD Асистеме TRACE MODEв [19] - компоненты математического и программного обеспечения алгоритма синтеза ЛВСв [26] - анализ особенностей SCADA — систем IFIX и TRACE MODEв [86] - анализ микропроцессорных крейтовых систем фирмы «L-card" — в [22] - проведен анализ функционирования ВС технологии Ethernet и Fast Ethernetв [20] -подход к моделированию коммутаторов вычислительных систем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав заключения, перечня библиографических источников и приложений. Она изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 81 рисунок, 11 таблиц и 2 приложения. Библиографический список содержит 116 наименований.

4.4. Выводы.

1. На основе разработанных моделей и алгоритмов реализовано программное обеспечение, выполняющее синтез оптимальной структуры проектируемой системы и определение требуемых пропускных способностей каналов передачи данных на основе реализованной свертки двух критериев:

— обеспечение заданной вероятности своевременной доставки сообщений;

— минимальная длина подводящих к центральным сетевым узлам каналов связи.

2. Проведена апробация разработанного программного модуля при проектировании вычислительной системы на экспериментальном заводе ФГУП КБХА. Апробация программы подтвердила работоспособность предложенных методов и моделей анализа и синтеза систем передачи данных, высокое качество получаемых проектных решений.

3. На основе предложенного алгоритма расчете минимальных пропускных способностей каналов передачи данных, обеспечивающих заданную вероятность своевременной доставки, определены необходимые пропускные способности каналов связи в сетях промышленных контроллеров АСУ ТП производства и сжижения водорода.

4. В рамках АСУ ТП производства и сжижения водорода разработаны два программных проекта в SCADA-системе TRACE MODE, обеспечивающие прием и обработку информационных пакетов в сетях промышленных контроллеров и реализующие формирование архивов и массивов данных на серверах распределенной вычислительной системы предприятия.

5. Разработанные программные проекты TRACE MODE в АСУ ТП получения и сжижения водорода и ацетилена успешно применяются на экспериментальном заводе ФГУП КБХА, что подтверждено соответствующим актом о внедрении, приведенном в приложении.

6. Отдельные программные компоненты прошли Государственную регистрацию в фонде алгоритмов и программ.

Заключение

.

В рамках проведенного диссертационного исследования получены следующие результаты:

1. Осуществлен синтез математической модели коммутатора в виде системы взаимосвязанных СМО. Это позволило синтезировать модели распределенных вычислительных систем, в состав которых входит коммутатор. Полученная модель может описывать как коммутаторы, так мосты и маршрутизаторы.

2. Разработан способ аналитического расчета пропускных способностей каналов передачи данных для типовых вариантов сетевых структур, обеспечивающий заданную вероятность своевременной доставки сообщений с учетом ограничения на время прохождения сообщения по сети до узла назначения.

3. Сформулирована и решена задача аналитического описания и минимизации пропускных способностей каналов передачи данных сети промышленных контроллеров на экспериментальном заводе ФГУП КБХА, учитывающая ограничение на вероятность своевременной доставки сообщений и позволяющая проектировать наиболее эффективные варианты сетей передачи данных.

4. Осуществлена разработка программного комплекса выбора оптимальной структуры проектируемой системы на основе критерия минимальной стоимости подводящих к центральным сетевым узлам каналов передачи данных и разработанного алгоритма обеспечения заданной вероятности своевременной доставки сообщений.

5. В рамках АСУ ТП производства и сжижения водорода разработаны два программных проекта в SCADA-системе TRACE MODE, обеспечивающие прием и обработку информационных пакетов в сетях промышленных контроллеров и реализующие формирование архивов и массивов данных на серверах распределенной вычислительной системы предприятия.

6. Апробация созданного программного обеспечения при проектировании вычислительной системы экспериментального завода ФГУП КБХА и сетей передачи данных промышленных контроллеров АСУ ТП производства и сжижения водорода и ацетилена подтвердила работоспособность и эффективность разработанных моделей и алгоритмов синтеза распределенных вычислительных систем.

7. Отдельные программные компоненты прошли Государственную регистрацию в фонде алгоритмов и программ.