Исследование сетевых систем управления и разработка структуры информационного обеспечения систем диагностики, мониторинга и управления промышленными объектами

Тема энергосбережения в последние годы в России приобрела большую актуальность, а повышение энергетической эффективности определено в качестве одного из ключевых приоритетов технологической модернизации страны.

Тепловой режим промышленных объектов регулируется с использованием работы отопительных систем как задающего воздействия. Объектом управления служит оборудование теплоснабжения и обслуживаемое помещение.

Принципиальное аппаратное решение, соответствующее обособленному помещению, со своими компонентами является подсистемой общего программно-аппаратного комплекса системы управления и мониторинга энергопотреблением зданий; при этом для реализации задач мониторинга и управления энергопотреблением необходимы следующие устройства комплекса программно-аппаратных средств:

• -    датчик температуры воздуха в помещении - ДТ;

• -    датчик температуры наружного воздуха - ДТНВ;

• -    датчик температуры теплоносителя - ДТТ;

• -    датчик давления теплоносителя в трубопроводе - ДФ;

Рязанов А.Н., Уразов Д.Ю., 2013

• -    датчик расхода теплоносителя в трубопроводе - РФ;

• -    регулятор - Р;

• - исполнительный механизм - ИМ.

Предлагается принципиальная схема подключения устройств (рисунок 1).

Основным принципиальным решением данной схемы является взаимодействие всех узлов системы через сеть Ethernet, реализующую метод множественного доступа с кон -тролем несущей и обнаружением коллизий. Для возможности подключ ения всех компонентов системы управления к сети множественного доступа предлагается использовать специальные устройства – преобразователи сигнала. Каждый из преобразователей имеет возможность одновременного перевода из дискретного вида в цифровой сигналов более чем от одного устройства, для оптимизации работы и в целях экономии средств представляется перспективным использование одного преобразователя для нескольких устройств.

Рисунок 1 - Модифицированная принципиальная схема подключения устройств экспериментального образца СМУЭ

Принимая во внимание тот факт, что передачу сигналов между устройствами системы управления по сети множественного доступа можно представить как случайное квантование сигналов [1], для анализа систем такого вида представляется возможным использование математических методов теории систем со случайными изменениями структуры [2]. Контур сетевой системы управления (ССУ) будет иметь следующий вид (рисунок 2) [3].

сеть множественного доступа                      датчик

Рисунок 2 - Структурная схема ССУ с состязательным методом доступа.

На представленной схеме: х - входное задающее воздействие; % - возмущающее воздействие, действующее на вход объекта; у - выход объекта управления; T - случайный такт квантования, Wp(p ) - передаточная функция регулятора; Wo(p ) - передаточная функция объекта управления; Wd(p ) - передаточная функция датчика; к 1, к 2 - квантователи; v l, v 2 - интенсивности квантования.

Принципиальная структурная схема сетевой системы управления энергопотреблением характеризуется использованием сети Ethernet для обмена данными между устройствами. Причем в зависимости от загрузки сети качество работы системы управления значительно меняется.

Использование сети Ethernet для управления энергопотреблением в зданиях и сооружениях оказывает влияние на качество управления и в некоторых случаях, когда загрузка канала близка к максимуму, это воздействие может привести к неустойчивости системы управления. Математический аппарат [2] позволяет осуществлять расчет оптимальных режимов работы, а также рекомендаций по функционированию сетевой системы управления энергопотреблением с целью повышения эффективности ее работы и увели -чения энергосбережения.

Одним из направлений автоматизации систем теплопотребления зданий является разработка на базе современных средств вы- числительной техники энергосберегающих автоматизированных систем управления, представляющих собой интерактивные системы управления тепловыми режимами по критерию эффективности управления.

Под информационным обеспечением системы мониторинга и управления будем понимать систему, функционирование которой связано с формированием, регистрацией, сбором и хранением информации, адекватно отражающей состояние определенных узлов в процессе их работы. Характерной особенностью информационного обеспечения системы является ее относительность, что связано с использованием одних и тех же данных для решения различных информационных задач. Проектирование системы осуществляется для решения нескольких задач.

Рассмотрим работу разрабатываемой системы для одного контура системы. Цифровой датчик (ЦД) с заданным тактом квантования T0 квантует выходной сигнал объекта ре гулирования (ОР). После считывания данных ЦД передает их цифровому регулятору (ЦР) по каналу связи с высокой латентностью. Если за время T0, т.е. до нового квантования выходного сигнала ОР, данные не были переданы ЦР, то ЦД проводит новое квантование и заменяет старые данные на новые. При этом передаче по каналу подлежат новые данные. ЦР на каждом такте квантования выдает на ОР регулирующее воздействие вне зависимости от факта получения данных через канал доступа [3,4].

Частоты работы ЦД и ЦР предполагаются равными и постоянными, но моменты квантования ЦД и моменты выдачи управляющего воздействия на ОР регулятором не совпадают. Полагаем, что моменты выдачи регулирующего воздействия ЦР отстают от соответствующих моментов считывания данных ЦД с выхода объекта регулирования на время Т. Хранение всей генерируемой информации будет производиться в базе данных со структурой, показанной на рисунке 3.

Таблица наименований

id	целое, ключевое
stick	текстовое
short	текстовое
full name	текстовое
description	текстовое
price	дробное

id	Целое, ключевое
volume	целое
flag	целое
description	текстовое
id-art	целое

Таблица роультатов вещественное

id	Целое ключевое
dhtc	Дата-время
Planning charact	целое

Таблица оборудования

id	Целое, ключевое
volume	целое
flag	целое
description	текстовое
id-art	целое
id-planning	целое

id	Целое, ключевое
plan-type	логическое
data-scr	логическое
nym-hyers	целочисленное
act-show	логическое
act.a	вещественное
act.b	вещественное

РисунокЗ - Структура база данных проектируемой системы

Ниже приведено описание ключевых таблиц с описанием их полей. Таблица наименований - таблица устройств, учитывающихся или не учитывающихся (зарегистрированных) в процессе регулирования:

id - идентификатор устройства;

artide - тип устройства (датчик, исполнительный механизм);

short - название устройства для отображения в системе пользователя;

full name - полное название устройства;

description - дополнительное описание устройства;

price - величина «важности» устройства.

Таблица в наличии – таблица устройств, учитывающихся в процессе регулирования6

id - идентификатор устройства;

volume - последнее задание для данного устройства;

flag - параметр включено / выключено устройства;

description - дополнительное описание устройства;

id-art - ключевое поле для связи с таблицей наименований.

Таблица заданий – таблица последних заданий для исполнительных механизмов:

id - идентификатор записи;

date - дата последнего задания;

planning charact - идентификатор прогноза.

Таблица оборудования – таблица связи между устройствами и заданиями для устройств:

id - идентификатор записи;

volume - последнее задание для данного устройства;

flag - параметр включено/выключено устройства;

description - дополнительное описание устройства;

id-art - ключевое поле для связи с таблицей наименований;

id-planning - ключевое поле для связи с таблицей прогнозов.

Таблица прогнозов.

id - идентификатор записи прогноза;

plan-type - параметр    включе- но/выключено для прогноза;

data-scr - тип прогноза (регуляр-ный/нерегулярный), описывает каждодневное изменение или одноразовое;

act.a, act.b - величины изменения настроек регулирования при вступлении прогноза в действие.

Таблица результата – результаты процесса управления:

error - величина рассогласования; iteration - номер такта квантования.

Обобщенная структурная схема работы с данной системой представлена на рисунке 4. В результате работы предложена архитектура информационной системы, решающая задачу, поставленную выше. Придерживаясь данной архитектуры можно реализовать систему, осуществляющую прозрачное взаимодействие с пользователем и устройствами системы при процессах мониторинга и управления энергопотреблением.

Рисунок 4 - Обобщенная структурная схема проектируемой системы