Принципы организации локальной вычислительной сети для управления непрерывными технологическими процессами

Использование локальных вычислительных сетей (ЛВС) для построения многомашинных информационно-вычислительных систем позволяет обеспечить живучесть и отказоустойчивость последних путём резервирования прикладных задач и последующего перераспределения вычислительных функций отказавших станций сети по исправным /1, 2/. В то же время использование ЛВС в АСУ ТП решает лишь проблему информационной взаимосвязи отдельных подсистем, в частности, систем непосредственного цифрового управления (НЦУ), функционирующих как в пределах одного, так и нескольких технологических объектов. Основным препятствием на пути создания отказоустойчивых распределённых систем управления является потеря доступа к устройствам сопряжения с объектами (УСО) при отказах связанных с ними станций сети. Другая трудность – значительное увеличение объёма памяти, требуемой для резервирования задач управления, что вступает в противоречие с имеющейся тенденцией использования для регулирования технологических процессов микро-ЭВМ либо микропроцессорных контроллёров.

В докладе предлагаются способы преодоления вышеуказанных недостатков, излагаются принципы организации аппаратного и программного обеспечения ЛВС для отказоустойчивого управления непрерывными технологическими процессами первичной переработки нефти и двухступенчатого каталитического крекинга на Ново-Бакинском нефтеперерабатывающем заводе (НБНЗ) им. Владимира Ильича /3/.

Интеграция отдельных систем НЦУ в единую информационно-связанную распределённую систему управления осуществляется техническими программными средствами кольцевой локальной сети объектно-ориентированной архитектуры с маркерным методом доступа /4/. Высокая скорость передачи данных в канале связи – 3 Мбит/с – обеспечивает возможность работы в реальном масштабе времени. Максимальное количество узлов в сети – 256, расстояние между узлами – до одного километра, что позволяет охватить сетью связи вычислительные средства, распределённые по территории крупного промышленного предприятия.

Узлами сети являются станции связи с оператором и станции управления объектом, реализованные на базе диалоговых вычислительных комплексов ДВК-2М, выбор которых обусловлен требованием совместимости с существующими вычислительными и программными средствами, функционирующими в рамках интегрированной АСУ НБНЗ имени Владимира Ильича.

Основными функциями станций связи с операторам являются: поддержка человеко-системного интерфейса и первичная обработка технологической информации для её последующей передачи на верхние уровни управления. Основными функциями станций управления объектом являются: непосредственное цифровое управление технологическими процессами, включающее в себя периодическое измерение значений технологических параметров; вычисление их истинных значений; контроль отклонений от установленных пределов; формирование управляемых воздействий и передачу их на исполнительные механизмы.

В условиях нефтепереработки, когда станцией сети является ЭВМ, управляющая аварийно-опасными крупнотоннажными технологическими процессами с высокоинтенсивными материальными потоками, потеря управляющих функций при отказах отдельных станций становится недопустимой. Вместе с тем обеспечение  взаимозаменяемости станций путём оптимального резервирования в них задач управления приводит, как это уже отмечалось, к существенному увеличению требуемого объёма памяти и, как следствие, к удорожанию системы в целом. В связи с этим был проведён анализ задач, решаемых современными системами НЦУ, который выявил относительно небольшое число их типов, определяемое стандартным набором алгоритмов стабилизации режимных параметров (пропорционально-интегро-дифференциальных, инвариантных, адаптивных, стохастических, нечётких), алгоритмов съёма первичной информации, выдачи управляющих воздействий и другое.

Следовательно, можно сделать вывод, что, если в управляющем ЛВС решается множество задач Ω = {Ui}, i = 1, L, где L – общее число задач, реализующих алгоритм данного типа для различных режимных параметров технологического объекта либо для различных технологических объектов, то каждую задачу Ui, характеризующуюся объёмом занимаемой ею памяти Vi, можно условно разделить так, что Vi = Vi const + Vi var, где Vi const – объём памяти, занимаемый условной частью Ui од., являющейся одинаковой для множества задач Ω; Vi var – объём памяти, занимаемый условной частью Ui инд., характеризующей индивидуальность задачи Ui.

Реализовав задачи Ui∈Ω таким образом, чтобы каждая Ui могла взаимодействовать со всеми Ui инд., получим следующий объём памяти, занимаемой преобразованной задачей:

Vi` = Vi const + Vi var + ∆Vi const + ∆Vi var,

где ∆Vi const и ∆Vi var – дополнительные объёмы памяти, потребовавшиеся при реальном разделении задачи Ui соответственно на одинаковую и индивидуальную части.

Как показал проводимый в докладе расчёт, при однократном резервировании задач Ui∈Ω и их оптимальном распределении таким образом, чтобы каждая задача Ui`∈Ω резервировалась в станции сети, уже содержащей некоторую Ui``∈Ω (это позволяет избежать резервирования одинаковых частей Ui од. задач данного типа),  общая экономия памяти от использования предлагаемого способа программной реализации множества однотипных задач Ω составляет:

При разработке прикладного программного обеспечения ЛВС для управления технологическими процессами на НБНЗ имени Владимира Ильича в программных средствах были выделены индивидуальные части, характеризующие привязку к конкретным технологическим объектам, и затем сгруппированы в глобальной таблице идентификации (ГТИ). Одинаковые части оформлены в виде объектов-исполнителей операций, взаимодействующих между собой посредством удалённого вызова процедур в соответствии с принципами объектно-ориентированного программирования.

Каждая строка ГТИ полностью идентифицирует один из замкнутых контуров регулирования и одну задачу управления, что сводит настройку станции сети для управления заданным технологическим параметром к загрузке в неё по сетевому каналу связи соответствующих строк ГТИ. Информационное резервирование строк ГТИ в двух или более станциях управления позволяет осуществить оперативное перераспределение управляющих функций отказавшей станции, безударность которого обеспечивается регулярным обновлением технологической информации в ГТИ.

Следует подчеркнуть, что практическая реализация подобного перераспределений возможна лишь при сохранении физического доступа к объекту управления в период отказа станции сети. Эта проблема решается разработкой специализированного многовходового УСО, допускающего взаимодействие с четырьмя станциями сети, имеющего магистрально-модульную структуру и развитую систему самодиагностики, подключение ко входам УСО нескольких станций управления объектом в сочетании с универсализацией программных средств связи с ним обеспечивает доступ к датчикам и исполнительным механизмам данного объекта при исправности хотя бы одной управляющей им станции сети. Поскольку в рассматриваемой ЛВС потребности управления каждым от­дельным технологическим объектом полностью удовлетворяются одной станцией управления, дублирование тракта «система управления – объект» осуществляется подключением ко входу соответствующих УСО станций связи с оператором и доукомплектованием программного обеспечения этих станций универсальными модулями съёма первичной технологической информации и выдачи управляющих воздействий.

Задача поддержания непрерывной связи с персоналом технологических установок при отказах станций связи с оператором решается доукомплектованием программного обеспечения станций управления объектом упрощёнными модулями человеко-системного интерфейса.

Таким образом, вышеописанные принципы организации аппаратного и программного обеспечения ЛВС для управления непрерывными технологическими процессами устраняют известные трудности и создают практическую основу для построения отказоустойчивых распределённых АСУ ТП с использованием методов оптимального перераспределения управляющих функций.

Список литературы

1. Турута Е. Н. Организация распределения задач в вычислительных системах, обеспечивающая их отказоустойчивость // АВТ, – 1985, №I. – C. 3 – II.

2. Пьюри В., Турута Е. Н. Отказоустойчивое распределение задач в многопроцессорных системах и определение размерности систем. – В кн. Распределённые управляющие и вычислительные системы. M.: Наука, I987. – C. I08 – I26.

3. Муратов И. Х., Альшванг А. Б., Ашурбейли И. Р. Микропроцессорная магистрально-модульная система управления технологическими поцессами нефтепереработки. – Материалы II Республиканского совещания-семинара по созданию и внедрению в народное хозяйство рес­публики микропроцессорных средств и систем. – Баку, 1987. – С. 15 – 17.

4. Ерохов А. Н., Илюшин А. И., Штаркман В. С. Сетевое программное обеспечение удалённого вызова операций. – Проблемы информационных систем, 1985, №3. – С. 28 – 44.