Методы и алгоритмы повышения эффективности процессов информационного взаимодействия в системах контроля вибрации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, даны сведения о структуре работы, апробации и реализации научных результатов.
В первой главе «Обзор и анализ существующих методов и технических средств контроля вибрационного состояния турбоагрегатов» выполнен анализ ТА как объекта вибромониторинга, показавший, что вибрация его элементов позво- ляет делать заключения о текущем состоянии отдельных узлов машины, о наличии и развитии некоторых неисправностей. Результаты анализа позволили сделать вывод, что многие причины повышенной вибрации могут привести к ускоренному износу, а в некоторых случаях и к разрушению агрегата. Показано, что для своевременного

Система контроля вибрации

Подсистема защиты
Подсистема сигнализации
Подсистема измерения и предварительной обработки данных
Подсистема вибродиагностики
Датчики вибрации опор ротора
Датчики относительной вибрации ротора
Датчики расширения, осевого смещения ротора, наклона
Датчики дополнительных параметров

Дежурный
Службы эксплуатации
Турбоагрегат
Рис. 1. Обобщённая структурная схема СКВ
выявления и предотвращения таких ситуаций необходимо оснащать ТА стационар- ными СКВ для оперативного выявления описанных ситуаций. В результате анализа источников вибрации ТА и требований нормативных документов сформулированы основные требования к СКВ: перечень решаемых задач, список основных измеряе- мых и контролируемых величин, места установки датчиков, предупредительные и аварийные уровни включения сигнализации, набор дополнительных контролируе- мых параметров. Показано, что в зависимости от сложности контролируемого ТА требования к числу измерительных каналов стационарной СКВ изменяются в диапа- зоне от 10…12 до120…150. Разработана обобщённая структурная схема СКВ (рис. 1), предложена модульная структура СКВ с группировкой измерительных кана- лов по функционально-позиционному признаку (рис. 2), масштабируемая в широких пределах путём использования необходимого количества измерительных модулей.
CAN (Межблочное взаимодействие)
СК
Контроллер верхнего уровня
МВОС (МВО)
МВОС (МВО)
КИДВ КИДВ
А1 А2 А3 А1 А2 А3
Подсистема измерения вибрации опор
МВОС (МОВ)
МВОС (МОВ)
КИДП КИДП
ПОВ ПОВ ПОВ ПОВ
Подсистема измерения относительной вибрации
МВОС (ММВ)
КИДП
ПОВ ПОВ
Подсистема измерения мехвеличин
Рис. 2. Структурная схема модульной СКВ с группировкой каналов измерения
Показано, что при проектировании модульных СКВ перед разработчиками возникают следующие задачи:
– обеспечение выполнения основных функций СКВ в соответствии с требова- ниями нормативных документов;
– реализация надежного межмодульного сетевого взаимодействия, обеспечи- вающего своевременную доставку приоритетной информации и приемлемую ско- рость передачи низкоприоритетных данных;
– обеспечение рационального использования вычислительных ресурсов СКВ с целью улучшения технико-экономических показателей системы.
Отмечена важность оценки параметров сетевого межмодульного взаимодей- ствия на ранних этапах проектирования с использованием моделирования. Выполнен анализ литературных источников и на его основе показано, что, несмотря на общ- ность подходов, разработка модели конкретной сетевой системы является весьма сложной задачей, требующей учета таких специфических факторов, как принципы
взаимодействия приложений, выполняющихся на узлах сети, особенности среды пе- редачи данных, применяемого протокола. Показана целесообразность разработки ме- тодов, моделей и программного обеспечения для описания, моделирования и анализа сетевого межмодульного взаимодействия в СКВ с учётом специфики решаемых за- дач.
Обоснована важность эффективного использования вычислительных ресурсов модулей СКВ, выполненных с использованием микропроцессорных средств. Пока- зано, что снижение требований к вычислительным ресурсам со стороны ПО СКВ спо- собно заметно уменьшить стоимость аппаратных средств, а также улучшить режим их работы, что положительно влияет на показатели эффективности, надежности и ка- чества функционирования СКВ.
Сформулированы задачи исследований, решение которых позволит улучшить технико-экономические показатели как существующих, так и разрабатываемых СКВ. Во второй главе «Разработка методов и моделей для оценки параметров информационного взаимодействия в системах контроля вибрации» выполнен анализ межмодульного взаимодействия в цифровой СКВ, в результате которого вы- делены шесть информационных потоков, описано их назначение, приоритеты и дис- циплина формирования сообщений. Показано, что взаимодействие модулей в си- стеме целесообразно выполнить с использованием протокола CANopen. Проанализи- рованы основные возможности и службы этого протокола, отмечено, что для пра- вильного функционирования сети передачи данных СКВ множество коммуникаци- онных параметров различных модулей системы должны быть согласованы друг с другом. Показано, что стандартные средства описания и конфигурирования CANopen ориентированы на независимое описание отдельных устройств и не всегда одно- значно описывают внутрисистемные информационные связи. В результате стано- вятся возможными ситуации, когда параметры источников и приёмников данных не согласованы друг с другом. С целью решения описанный проблемы разработана схема информационных потоков в модульной СКВ, использующей протокол CANo- pen (рис. 3), и предложен способ описания СКВ как совокупности узлов, обмениваю- щихся результатами измерений и вычислений, упакованными в информационные объекты. В соответствии с этим способом СКВ представляется системой, состоящей из множества модулей {um}: m = {1, 2,…, N}, где N – количество модулей. Для каж- дого модуля um задано множество измеряемых и/или вычисляемых параметров Xm, а также множество параметров Ym, получаемых от других модулей. Каждый модуль посредством сети передачи данных (СПД) передаёт другим модулям параметры из множества Xm путём отправки информационных объектов (сообщений). Сообщения делятся на H классов, класс определяет назначение и приоритет сообщения: чем меньше номер класса, там выше приоритет. Любое сообщение lh,m, формируемое мо- дулем um и относящееся к классу h, описывается следующими параметрами: адрес источника, список адресов приёмников, множество передаваемых параметров X(l)m ⊂Xm, способ передачи (периодически или по изменению данных), период пере-
дачи, а также соответствие f(l)k: X(l)m→Yk, где k – номер модуля-приёмника.
Сеть передачи данных
Сообщения
h=1 Src X(l)1
h=2 Src X(l)1
h=3 Src X(l)1
h=4 Src X(l)1
h=H Src X(l)1 Модули
{Dsti} {f (l)k} {Dsti} {f (l)k} {Dsti} {f (l)k} {Dsti} {f (l)k}
{Dsti} {f (l)k}
Src X(l)2 {Dsti} {f (l)k} Src X(l)2 {Dsti} {f (l)k} Src X(l)2 {Dsti} {f (l)k} Src X(l)2 {Dsti} {f (l)k}
Src X(l)2 {Dsti} {f (l)k}
Src X(l)N {Dsti} {f (l)k} Src X(l)N {Dsti} {f (l)k} Src X(l)N {Dsti} {f (l)k} Src X(l)N {Dsti} {f (l)k}
Src X(l)N {Dsti} {f (l)k}
X1 Y1
Модуль u1
X2 Y2
Модуль u2
XN YN
Модуль uN
{f (l)1}
{f (l)2} …
Рис. 3. Схема информационных потоков в модульной СКВ
{f (l)N}
Показано, что применение способа исключает возникновение многих ошибок описания системы, возможных при независимом описании модулей. Разработана мо- дель формирования конфигураций модулей СКВ на основе обобщённого описания системы. Модель позволяет существенно упростить конфигурирование системы на базе протокола CANopen за счёт автоматизации обнаружения ошибок в описании межмодульного взаимодействия: такие ошибки и потенциально опасные ситуации, как сообщения без получателей, без параметров, дублирование передаваемых пара- метров в разных сообщениях, попытка передачи несуществующего параметра, отсут- ствие передачи части параметров и некоторые другие, легко выявляются автомати- чески и исправляются разработчиком. На основе описания системы впоследствии формируются согласованные параметры конфигурации каждого модуля.
Существенным фактором, определяющим согласованность функционирова- ния модулей СКВ, является время доставки сообщений от одного модуля к другому, которое складывается из времени ожидания доступа к каналу связи и времени пере- дачи сообщения. При одновременном взаимодействии множества модулей оценка этого времени с учетом приоритетов является нетривиальной задачей. С целью полу- чения зависимостей, позволяющих определить время передачи сообщения CAN, ав- тором разработан усовершенствованный метод оценки времени доставки сообщений CAN, обеспечивающий более высокую точность за счёт использования статистиче- ских данных. Показано, что время передачи зависит не только от количества данных (поле DLC) и формата сообщения (поле IDE), но и от содержания сообщения. Дело в том, что в CAN для синхронизации узлов используется механизм вставки битов (bit stuffing): если подряд передаются 5 битов одного уровня, то передатчик автоматиче- ски вставляет в поток данных дополнительный бит противоположного уровня, а при- емник автоматически его исключает. Эти операции не искажают данные, но влияют на время передачи сообщения. В результате анализа получены следующие выраже- ния для оценки времени передачи кадров типа Data Frame.
Для сообщений стандартного формата (CAN 2.0a):
T T 4420IDE8DLCk58DLCA, (1)
MSG_S 0        5  
где T0 – время передачи одного бита (определяется выбранной скоростью передачи); 10
…
…
…

IDE – значение поля IDE сообщения (0 или 1);
DLC – значение поля DLC сообщения (от 0 до 8);
k – коэффициент увеличения длины вследствие вставки бит; 0≤k≤1; A=1 при DLC  {0, 1, 3, 8}; иначе A=0.
Для сообщений расширенного формата (CAN 2.0b):
T T 4420IDE8DLCk108DLCB, (2)
MSG_E 0        5  
где B=1 при DLC = 3; иначе B=0.
С целью повышения точности оценки в (1) и (2) использован коэффициент уве-
личения длины k, значение которого определяется на основании статистического ана- лиза информационного обмена в реальных СКВ. Приведён пример вычисления этого коэффициента.
Показано, что для наиболее приоритетного сообщения минимальное время ожидания доступа к каналу связи равно нулю, а максимальное определяется выраже- ниями:
– для сообщений стандартного формата:
T T 528DLC 8DLCMAX A, (3)
  5
WAIT _ S _ MAX 0  MAX  
где DLCMAX – максимальное количество байтов в поле данных передаваемых сообще- ний;
– для сообщений расширенного формата:
T T 778DLC 8DLCMAX B. (4)
WAIT _ E _ MAX 0  NAX 
 5
 
Параметры конфигурации модулей существенно влияют на надёжность и своевременность доставки приоритетной информации, а также на скорость передачи низкоприоритетных данных. С целью определения перечисленных характеристик си- стемы была разработана модель модульной СКВ на базе протокола CANopen, исполь- зующая усовершенствованный метод оценки времени доставки сообщений. Схема модели показана на рис. 4.
Модели модулей СКВ (узлов CANopen)
Модель сети передачи данных CAN
Отчеты о результатах моделирования
Рис. 4. Структура модели модульной СКВ
Модель имеет иерархическую структуру. На верхнем уровне блоки в соответ- ствии с их функциональным назначением и параметрами индивидуальной настройки формируют сообщения служб SYNC, PDO, heartbeat, предназначенные для передачи
Системный контроллер
Блок измерений 1
Служб ы: SYNC, heartbeat
Служб ы: TPDO, heartbeat
Блок измерений N
Служб ы: TPDO, heartbeat
11

по сети CAN. На нижнем уровне модель сети определяет приоритеты поступающих сообщений, очерёдность их передачи с учетом приоритетов и времени постановки в очередь, а также время доставки с использованием выражений (1 – 4). В результате работы модели в течение времени T каждый модуль um формирует S(h,m) сообщений класса h  {1, …, H}. Для каждого такого сообщения li(h,m) (i = {1, …, S(h,m)}) модель фиксирует время постановки в очередь Tqi(h,m), время ожидания передачи Twi(h,m), время передачи Ttxi(h,m) и факт отказа в обслуживании, если сообщение по какой-то причине не было передано. На основании этих данных вычисляются обобщённые па- раметры потоков сообщений:
интенсивность потока сообщений h-го класса 1N h,m
интенсивность потока сообщений от m-го модуля 1H h,m
общая интенсивность потока сообщений
N
bh Ttx
m1
h,m
N h,m S
m1
h TS , m1
m TS  , h1
HN
или .
Обобщённые параметры обслуживания:
среднее время b и интенсивность μ обслуживания сообщений h-го класса
 h1 m1
h
m
, h b h
Показано, что необходимым условием нормального функционирования СКВ является соблюдение неравенства y < 1. С использованием полученных данных вычисляется интенсивность обслужи- вания низкоприоритетных служебных сообщений, передаваемых во время простоя системы. Коэффициент простоя определяется выражением ρ = 1 – y, время передачи низкоприоритетного сообщения bL вычисляется по формулам (1), (2), интенсивность обслуживания μL = ρ / bL. Показано, что среднюю скорость передачи низкоприоритет- ных данных службой SDO в блочном режиме можно определить по формуле: общая интенсивность обслуживания H  . h h1 Нагрузка системы вычисляется как: y.  NNL7 QL LNL 4 L   [байт/с],  7 127   где NL – количество передаваемых данных в байтах. В третьей главе «Разработка и исследование методов снижения требова- ний к вычислительным ресурсам системы» проанализированы возможности по- вышения эффективности использования вычислительных ресурсов микропроцессор- ных средств СКВ при реализации некоторых функций. Рассмотрены основные ме- тоды, пригодные для организации поиска данных в объектном словаре устройств, ис- пользующих протокол CANopen: метод двоичного поиска, поиск по двоичному де- реву, интерполяционный поиск и поиск с использованием хеш-таблицы, выполнен их сравнительных анализ, описаны результаты экспериментальных исследований, направленных на определение фактического быстродействия этих методов в реаль- ных устройствах (рис. 5). На основании анализа полученных результатов установ- лена целесообразность использования метода хеш-таблицы при объёме словаря от нескольких сотен объектов. Обоснована необходимость правильного выбора хеш- функции для минимизации среднего времени поиска. Предложена хеш-функция h(k) = {k×a/216}×m и метод выбора её параметров a и m, обеспечивающий минимиза- цию количества коллизий и, как следствие, среднего времени поиска объекта (рис. 5.1). На примере системного контроллера СКВ показано, что применение ме- тода хеш-таблицы уменьшило среднее время поиска в 2.5 раза по сравнению с про- тотипом, а минимизация числа коллизий – дополнительно на 8.5 %. Рис. 5. Минимальное, среднее и максимальное быстродействие методов поиска в объектном словаре (1 – двоичный поиск, 2 – двоичное дерево, 3 – хеш-таблица (функция mod), 4 – хеш-таблица (функция mul)) Рисунок 5.1 – Зависимость оптимального среднего времени поиска и числа коллизий от размера хеш-таблицы 13 Рассмотрены проблемы, возникающие при оценке степени влияния коммуни- кационных процедур на общую производительность вычислительной системы, вы- полнен обзор различных режимов взаимодействия процессора с последовательным приемопередатчиком (ПП), отмечены достоинства, недостатки и особенности ис- пользования каждого режима. Описаны коммуникационные задачи, которые необхо- димо решать при разработке элементов СКВ и диагностического оборудования для них. Показана важность выбора оптимального режима взаимодействия с ПП для улучшения технико-экономических характеристик изделия. Показано, что режим прерываний может обеспечить приемлемые показатели производительности при ис- пользовании в большинстве современных однокристальных микроконтроллеров (ОМК), отмечена целесообразность применения режима прямого доступа к памяти (ПДП) при передаче и приеме больших массивов данных. Разработаны алгоритмы реализации режима прерываний и режима ПДП, один из которых приведён на рис. 6, отмечены достоинства и недостатки каждого режима с учетом возможностей совре- менных ОМК. Подпрограмма обработки прерываний от контроллера ПДП Начало Буфер заполнен? Конец Подпрограмма обработки прерываний от приемника УАПП Начало Конец Подпрограмма обработки прерываний от таймера Начало Скорректировать адрес хвоста очереди в кольцевом буфере Остановить таймер и прием в режиме ПДП Нет Да Завершить текущее сообщение Инициировать запись данных в свободное место буфера Запретить прерывания от контроллера ПДП Увеличить счетчик принятых сообщений Если буфер не полон, то инициировать приём очередного сообщения, запустить ПДП Перезапустить таймер Рис. 6. Схемы алгоритмов основных коммуникационных подпрограмм в режиме ПДП. Разработана методика экспериментальных исследований, позволяющая коли- чественно оценить эффективность каждого режима. Приведены результаты экспери- ментов, показывающие степень влияния различных параметров потока сообщений на уровень использования вычислительных ресурсов ОМК в исследуемых режимах вза- имодействия с приемопередатчиком (рис. 7). Конец а) б) Рис. 7. Зависимость загрузки процессора от интенсивности потока сообщений а) – длина сообщения 50 байтов; б) – длина сообщения 200 байтов (режимы: 1 – режим прерываний, 2 – режим ПДП) Рассмотрен протокол NTP, используемый для синхронизации времени в рас- пределённых информационно-измерительных и управляющих системах. Показано, что типовая реализация протокола предъявляет повышенные требования к вычисли- тельным ресурсам МПС. Разработан метод преобразования форматов меток времени, обладающий в 7 раз большим быстродействием по сравнению с типовой реализацией за счёт использования арифметики с фиксированной точкой. Получено выражение для определения разрядности N множителя, необходимой для обеспечения заданной абсолютной погрешности Δ преобразования метки времени (NT – разрядность счет- чика времени): Nlog2NT 11. 2  В четвёртой главе «Программно-аппаратная реализация предложенных методов и моделей» рассмотрены вопросы программной и аппаратной реализации методов и алгоритмов, описанных в главах 2 и 3. Описывается структура программ- ного комплекса для моделирования модульной СКВ, особенности функционирова- ния его элементов, реализованных в среде разработки Microsoft Visual Studio 2013 на языке C# с использованием технологии WPF. Разработанное программное средство, интерфейс ввода данных которого показан на рис. 8, защищено двумя свидетель- ствами Роспатента о регистрации программ и позволяет существенно упростить ис- следование загруженности сети передачи данных на начальных этапах разработки СКВ, наблюдать влияние параметров настройки модулей на коммуникационные про- цессы, подобрать оптимальные значения параметров настройки, обеспечивающие высокую скорость взаимодействия модулей без потери данных, экспортировать вы- бранные значения параметров настройки с целью дальнейшего использования при конфигурировании реальной СКВ, а также существенно уменьшить время создания наиболее объёмных фрагментов исходного текста ПО СКВ и исключить ошибки в них за счёт автоматизированного формирования текста с использованием результа- тов моделирования. Приведён пример анализа результатов имитационного модели- рования реальной СКВ и формирования рекомендаций по изменению параметров её настройки. Рис. 8. Интерфейс модели модульной СКВ Разработана функциональная схема (рис. 9) аппаратных средств интеллекту- ального датчика (ИД) вибрации опор ТА, защищённого патентом РФ. Использование в ИД метода взаимодействия с приёмопередатчиком в режиме ПДП, предложенного в главе 3, позволило применить более сложные алгоритмы обработки сигнала за счёт освобождения около 12 % вычислительных ресурсов, расходуемых ранее коммуни- кационными процедурами. Внешний вид контроллера ИД показан на рис. 10. БУ ПА ИН ПА – пьезоакселерометр; ИН – источник напряжения; УЗ – усилитель заряда; БУ – блок управления; БИК–блокизмеренияиконтроля; ИБ - интерфейсный блок; ИБ к СВМ БВЭ БВСК УЗ БИК БККП БОИ АЦП t БКПП – блок коррекции коэффициента передачи; БВЭ – блок выявления экстремумов; БОИ – блок определения исправности; БВСК–блоквычисленияпараметров свободных колебаний. Рис. 9. Функциональная схема интеллектуального датчика вибрации, использующего предложенный метод взаимодействия с приемопередатчиком. Показано, что предложенные методы и алгоритмы могут успешно приме- няться при создании не только СКВ, но и других микропроцессорных устройств, ис- пользуемых в смежных областях техники. Разработана функциональная схема аппа- ратных средств и элементы программного обеспечения устройства управления дуго- гасящим реактором, защищённого патентом РФ. Анализ зависимостей (рис. 7), полу- ченных в главе 3, позволил отказаться от использования в этом устройстве мощного ОМК, реализующего режим ПДП, что привело к уменьшению тепловыделения и поз- волило поместить прибор в герметичный корпус, повысив за счёт этого его устойчи- вость к внешним воздействиям. Рис. 10. Контроллер интеллектуального датчика вибрации. В заключении излагаются основные результаты диссертационной работы В приложениях приведены тексты основных программных модулей, разра- ботанных автором при реализации компьютерных моделей, копии документов об ис- пользовании результатов диссертационной работы, патентов и свидетельств о реги- страции программ. Основные результаты диссертационного исследования 1. Разработан способ описания модульной СКВ как совокупности узлов, обме- нивающихся результатами измерений и вычислений, упакованными в информацион- ные объекты, учитывающий специфику объекта мониторинга и позволяющий кон- фигурировать отдельные модули с учётом информационных связей между ними. 2. Разработан усовершенствованный метод оценки времени доставки сообще- ний CAN, позволяющий оценить время ожидания и передачи с учетом возможности автоматической вставки дополнительных синхронизирующих бит и их количества при моделировании межмодульного взаимодействия в СКВ. 3. Разработана модель формирования конфигураций модулей СКВ на основе обобщённого описания системы, позволяющая исключить ошибки при настройке от- дельных модулей путём согласования коммуникационных параметров. 4. Разработана имитационная модель СКВ для оценки параметров межмодуль- ного взаимодействия. Приведён пример использования модели для выбора парамет- ров настройки модулей СКВ. 5. Разработаны методы снижения требований к вычислительным ресурсам мо- дулей СКВ с целью повышения технико-экономических показателей системы. Пока- зано, что применение этих методов в модулях СКВ и иных устройствах позволило освободить от 5 до 12 % вычислительных ресурсов процессора для выполнения до- полнительных задач, а также способствовало улучшению теплового режима устрой- ства за счёт снижения его энергопотребления в 1.3 раза путём уменьшения тактовой частоты процессора. 6. Результаты диссертационной работы апробированы в ООО «Электрон» (г. Ростов-на-Дону), занимающемся разработкой, производством и внедрением средств вибромониторинга ТА. Отдельные материалы работы используются в учеб- ном процессе ЮРГПУ(НПИ) при подготовке бакалавров по направлениям «Инфо- коммуникационные технологии и системы связи», «Управление в технических систе- мах», «Электроника и наноэлектроника», а также в Технологическом университете республики Ирак при подготовке специалистов факультета технологического проек- тирования и металлургии.