Распределенная информационно-управляющая система на основе интеллектуальных датчиков

Полезная модель относится к областям систем автоматизации управления технологическими процессами промышленных объектов и вычислительной техники, и направлена на создание систем управления техническими и технологическими объектами, к которым предъявляются повышенные требования по отказоустойчивости, точности и оперативности контроля, а также по массогабаритным и энергетическим характеристикам. Указанный технический результат достигается тем, что полезная модель содержит мультисенсорные интеллектуальные датчики, объединенные в распределенную сеть, узлы приема и преобразования управляющих команд в силовые сигналы и блок интерфейса, причем любые два мультисенсорных интеллектуальных датчика двусторонне связаны между собой по крайней через два нигде не совпадающих участка сети, каждый узел приема и преобразования управляющих команд в силовые сигналы соединен по крайней мере с одним мультисенсорным интеллектуальным датчиком.

Полезная модель (ПМ) относится к области вычислительной техники, в частности, к системам автоматизации управления технологическими процессами промышленных объектов, и может быть использована при создании систем управления техническими и технологическими объектами, к которым предъявляются повышенные требования по отказоустойчивости, точности и оперативности контроля, а также по массогабаритным и энергетическим характеристикам.

Известна система управления множеством объектов (Европейская заявка ЕР 1531376 (А1), 2005, F03D 7/00; G05B 23/02; F03D 7/00; G05B 23/02), содержащая оборудование контроля и обработки, связанное через систему коммуникаций и наблюдения с системой управления объектами.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: оборудование контроля и обработки - интеллектуальные датчики (ИД), система коммуникаций и система управления объектами.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что данная система управления содержит центральный блок, на который замыкается сеть не связанных между собой ИД, ресурсы которых, таким образом, не используются для выработки управляющих сигналов.

Известна система мониторинга и управления инженерным оборудованием объекта (Патент РФ 2133490 C1, G05B 015/00 G05B 023/00), содержащая центральный вычислительный модуль с устройством ввода-вывода, с которым по каналам информационной сети связаны датчики контроля, измерения, и управления и устройства управления узлами и агрегатами инженерного оборудования.

Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются: информационная сеть и датчики контроля, измерения, и управления.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что процесс управления в данной системе осуществляет центральный вычислительный модуль, а вычислительные ресурсы контрольных и измерительных датчиков не используются для выработки управляющих сигналов.

Известна интеллектуальная сетевая система (Патент США 7499762, 2009, G06F 19/00, G05B 11/01), содержащая центральный блок управления, сеть распределения ресурсов (коммуникационная среда), интеллектуальные устройства обработки данных и локального управления, расположенные в узлах сети распределения ресурсов.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются интеллектуальные устройства обработки данных и локального управления (ИД), связанные с исполнительными устройствами и интерфейсом, и коммуникационная среда.

Причиной, препятствующей достижению технического результата, является то, что системное управление сетью осуществляется централизованно - центральным блоком управления, а расположенные в узлах сети интеллектуальные устройства играют лишь вспомогательную роль и для управления сетью не используются.

Из известных устройств наиболее близким к заявляемой ПМ является система управления «самозаживляющейся» энергетической сетью (патент США 7184903, 2007, G01R 21/00, G01R 21/06), содержащая множество связаннных с энергосетью датчиков контроля, систему хранения энергии (батарею), множество управляемых реле и диспетчер восстановления энергосети, который находится в электрической связи с датчиками контроля, управляемыми реле и с батареей.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками ПМ, являются датчики контроля - мультисенсорные интеллектуальные датчики (МИД), связанные с управляемыми реле (узлами приема и преобразования управляющих команд в силовые сигналы) и с диспетчером восстановления энергосети (блоком интерфейса) с помощью мультиплексной шины адреса/данных.

Причинами, препятствующими достижению технического результата, являются: невысокая надежность системы, содержащей разветвленную коммутационную сеть с изобилием контактов и релейных переключателей, напрямую зависящая от надежности центрального блока и коммутационных линий, причем повышать надежность системы можно лишь путем резервирования (например, введения резервного центрального блока и резервных линий связи), что негативно сказывается на массогабаритных, стоимостных и энергетических характеристиках.

Задачей, на решение которой направлена ПМ, является повышение отказоустойчивости системы управления технологическим оборудованием за счет распределения функции управления и обработки между множеством МИД, объединенных в распределенную сеть, а также снижение массы и габаритов системы за счет исключения из ее состава центрального блока (имеющего, как правило, наибольшие стоимостные и массо-габаритные характеристики и потребляющего основную долю энергии, потребляемой системой управления).

Для этого в децентрализованной информационно-управляющей системе на основе интеллектуальных датчиков (ДИУСИД) (фиг.1):

1. Мультисенсорные интеллектуальные датчики объединены в распределенную сеть, причем любые два мультисенсорных интеллектуальных датчика двусторонне связаны между собой, по крайней мере, через два нигде не совпадающих участка сети;

2. Каждый узел приема и преобразования управляющих команд в силовые сигналы соединен по крайней мере с одним МИД;

3. Интерфейс с оператором реализуется с помощью устройства, обеспечивающего выбор, дешифровку и отображение данных из информационного поля, а также передачу команд (уставок) оператора в информационное поле системы;

4. Коммуникационная среда, обеспечивает объединение МИД в распределенную сеть обеспечивающую обмен данным между узлами системы в соответвствии с вышеуказанными особенностями ДИУСИД.

МИД производят измерения физических величин, обработку и преобразование измерительной информации, а также исполняют вычислительные функции, связанные с решением общей задачи управления.

Оператор, при необходимости, оказывает на систему управляющие воздействия путем передачи корректирующей информации в информационное поле. Затем, на основании измерительной информации и управляющих воздействий оператора с помощью алгоритмов группового взаимодействия, с учетом установленных ограничений по времени и энергопотреблению отдельных узлов (в случае автономного функционирования), МИД производят вычисления и логическую обработку измерительной информации и формирование управляющей команды. Управляющая команда поступает на узел приема и преобразования управляющих команд и преобразуется в силовой управляющий сигнал, осуществляющий изменение состояния объекта управления.

Повышение отказоустойчивости заявленной системы управления по сравнению с аналогами и прототипом достигается вследствие того, что отказ любого МИД не сказывается на выполнении общей задачи управления, так как выполняемая им локальная задача передается для выполнения другим, работоспособным МИД. Так как в системе нет выделенного управляющего центра, она при этом полностью сохраняет работоспособность. Помимо этого, объединение МИД в распределенную сеть, где любые два мультисенсорных интеллектуальных датчика двусторонне связаны между собой, по крайней мере, через два нигде не совпадающих участка сети, позволяет предотвратить нарушение связи между МИД в случае отказа значительного количества линий связи в составе коммуникационной среды.

На этапе инициализации распределение вычислительной нагрузки в сети МИД осуществляется в соответствии с заранее подготовленной конфигурацией. В процессе работы каждый МИД регулярно рассылает остальным в группе сигнал оповещения «Пульс», означающий, что он функционирует. Соответственно, каждый МИД контролирует наличие такого рода сигналов от остальных МИД: если за определенный промежуток времени от кого-либо из них не поступит такой сигнал, то проверяющий ИД дает такому МИД статус отказавшего, передает пакет типа «Нет ответа» с идентификатором отказавшего МИД остальным и переходит в состояние «Отказ МИД». Решение об отстранении отказавшего датчика принимается другими датчиками единогласно, что повышает степень достоверности принимаемого решения.

После этого работоспособные МИД обмениваются вариантами перераспределения выполнявшихся отказавшим датчиком заданий. Из предложенных вариантов выбирается лучший в соответствии с принятым критерием (например, минимум времени решения задачи, минимум потребления энергии и т.п.). В алгоритме перераспределения заданий отказавшего узла предпочтительно использование метода поярусной оптимизации, что позволяет упростить процедуру оценки эффективности каждого из вариантов и снизить время реконфигурации. Однако при наличии достаточных ресурсов могут быть использованы и более сложные алгоритмы, основанные на анализе критического пути.

В том случае, когда другие МИД не могут начать выполнение определенных заданий отказавшего датчика, например, вследствие отсутствия данных сенсора, при формировании исходной задачи это учитывается путем ввода либо дополнительных датчиков, либо дополнительных заданий (для приблизительного расчета значения параметров отказавшего МИД на базе данных других датчиков).

Алгоритм анализа работоспособности или отказа остальных МИД, регулярно реализуемый каждым МИД для достижения необходимой отказоустойчивости, следующий:

Пункт 1. Формирование списка принятых сигналов оповещения «Пульс» от других МИД.

Пункт 2. Анализ списка. Если для какого-либо МИД превышено допустимое время получения сигнала оповещения «Пульс», то производится уведомление об этом других МИД. В противном случае выполняется п.1.

Пункт 3. Если аналогичные уведомления получены от всех других МИД, то датчик, переставший отправлять сигнал оповещения «Пульс», признается отказавшим и осуществляется переход к алгоритму перераспределения заданий отказавшего датчика.

Пункт 4. Если превышено предельное время «признания» датчика отказавшим, осуществляется установление взаимодействия с ним через МИД, которые его «видят».

Алгоритм перераспределения заданий отказавшего МИД позволяет распараллелить процедуру перераспределения заданий отказавшего МИД. Он состоит в следующем:

Пункт 1. Составление всеми МИД списка заданий отказавшего датчика. Упорядочение заданий в списке по какому-либо признаку, например, по номеру в рамках общей задачи, приоритету.

Пункт 2. Для очередного задания формирование всеми МИД значения критерия оптимизации в случае выполнения на собственных ресурсах. Если по каким-либо причинам ИД не может выполнять задание, критерий оптимизации принимает соответствующее значение.

Пункт 3. Обмен МИД полученными вариантами.

Пункт 4. Выбор из общего набора вариантов лучшего.

Пункт 5. МИД, предложивший лучший вариант, уведомляет остальные датчики о запуске соответствующего задания. Если ни один из датчиков не может начать выполнение задания, оно не запускается.

Пункт 6. Если распределены не все задания, то выполняется п.2.

Пункт 7. Окончание выполнения алгоритма перераспределения заданий отказавшего МИД.

Решение задачи организации информационно-управляющей системы на основе распределенной сети МИД, обеспечивающее устранение сложных, наиболее тяжелых и габаритных центральных блоков сбора и обработки информации из структуры системы автоматического управления (САУ), с целью повышения отказоустойчивости и массогабаритных характеристик САУ позволяет:

- расширить круг решаемых МИД задач, в частности по совместному анализу, верификации и валидации совокупной информации и по принятию решений, за счет использования объединенных ресурсов МИД;

- более эффективно использовать имеющиеся вычислительные, коммуникационные и энергетические ресурсы системы автоматического управления, за счет возможности решения дополнительных динамически перераспределяемых задач;

- повысить устойчивость функционирования САУ в жестких условиях эксплуатации при комплексном воздействии внешних возмущающих факторов за счет децентрализации управления;

- оптимизировать структуру системы в целом с точки зрения количества и типов используемых устройств за счет исключения центрального управляющего устройства;

- существенно сократить количество, длину и общий вес коммуникационных линий;

- существенно повысить живучесть и готовность объекта в целом.

Распределенная информационно-управляющая система на основе интеллектуальных датчиков, содержащая мультисенсорные интеллектуальные датчики, связанные друг с другом узлами приема и преобразования управляющих команд в силовые сигналы и с блоком интерфейса, отличающаяся тем, что мультисенсорные интеллектуальные датчики объединены в распределенную сеть, причем любые два мультисенсорных интеллектуальных датчика двусторонне связаны между собой по крайней через два нигде не совпадающих участка сети, каждый узел приема и преобразования управляющих команд в силовые сигналы соединен по крайней мере с одним мультисенсорным интеллектуальным датчиком, блок интерфейса с оператором реализуется с помощью устройства, обеспечивающего выбор, дешифровку и отображение данных из информационного поля, а также передачу команд (уставок) оператора в информационное поле системы.