Моделирование процессов информационного обмена в сетях на основе полевых шин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование процессов информационного обмена в сетях на основе полевых шин

Процесс информационного обмена (ПИО) в сетях промышленной автоматизации на основе полевых шин представляет собой некоторую последовательность операций, связанных с передачей сообщения или его отдельных фрагментов от источника информации к потребителю. При этом источник информации формирует заявку, которая может быть помещена в очередь или обслужена немедленно. При реализации процессов информационного обмена в распределенной сети подразумевается система процессов, взаимодействующих посредством управляющих сигналов либо путём разделения ресурсов [1].

Модель ПИО состоит из обслуживающего устройства, заявок, находящихся на обслуживании, и очередей на каждом из терминалов. Модель характеризуется длительностью интервалов времени между поступлениями заявок и временем, требуемым для обработки заявки [2, 3].

Если заявка успешно проходит обслуживание, то она выходит из модели.

Заявки приходят от терминалов, число которых может варьироваться. Обслуживание заявок происходит последовательно: сначала обслуживаются заявки первого терминала, затем второго и так далее. Обслуживание заявок - циклический процесс.

Для сетей на основе полевых шин (СПШ) важным представляется вопрос выбора оптимальных параметров. Так как количество узлов сети и интенсивность поступления заявок заданы, то минимизация среднего времени нахождения заявки в сети является критерием оптимизации. Варьируемым параметром выступает пропускная способность сети при стоимостных ограничениях.

Имитационная модель состоит из трех частей: управляю-щей; функциональной, состоящей из функциональных модулей (ФМ); информационной, включающей БД.

На рисунке 1 представлена структура имитационной мо-дели ПИО в СПШ с календарем событий.

Управляющая часть содержит: блок управления моделированием; блок диалога; блок обработки результатов моделирования; календарь событий.

Блок управления предназначен для реализации плана имитационного эксперимента. Управляющий модуль определяет основные временные установки моделирования, а также моменты изменения режимов моделирования.

Блок диалога предназначен для обеспечения комфортной работы пользователя с интерактивной моделью.

В блоке обработки результатов моделирования осуществляется обмен информацией с базой данных и реализуются процедуры расчета показателей эффективности.

Календарь событий предназначен для управления процессом появления событий в системе.

База данных представляет собой совокупность специ-альным образом организованных данных о моделируемой системе, а также программных средств работы с этими данными.

Функциональная часть имитационной модели состоит из функ-циональных модулей (ФМ), в которых описываются и реализуются все моделируемые события. Для модели ПИО в СПШ к таким событиям относятся "Поступление данных", "Функционирование канала", "Режим ожидания", "Поиск оптимальной пропускной способности сети".

При поступлении заявок в модель наступает событие "Поступление данных". Заявка ставится в очередь к каналу (число очередей равно числу управляющих устройств на шине) и засекается время нахождения заявки в модели.

После освобождения канала происходит его занятие очередной заявкой из очереди и наступает событие "Функционирование канала". После обработки заявки канал освобождается и на обслуживание поступает следующая по очереди заявка. Если ни в одной из очередей нет заявок на обслуживание, то канал переходит в режим ожидания.

При наступлении события "Режим ожидания" последовательно производится опрос всех устройств на наличие заявок в очередях. Номер устройства, с которого будет начат опрос, устанавливается равным единице.

Для определения оптимальной пропускной способности по выбранному критерию необходимо провести ряд экспериментов.

В качестве метода поиска оптимальной пропускной способности сети может быть выбран метод покоординатного спуска (метод Гаусса - Зейделя).

Общая идея метода заключается в следующем. Сначала выбирается стартовая точка и производится спуск по одному фактору, при фиксированных значениях других. После этого первый фактор фиксируется на своем лучшем уровне, а спуск продолжается уже по другому фактору. По окончании спуска по всем факторам эксперимента начинается новый цикл спуска по первому фактору. Процесс заканчивается, когда изменение уровня любого отдельного фактора не приводит к уменьшению реакции, или уменьшение реакции становится меньше некоторого заданного порога.

Варьируемым фактором выступает одна величина - пропускная способность сети, а в качестве критерия эффективности функционирования системы - среднее время задержки сообщения в сети.

В качестве стартовой точки в каждом из вариантов сети выбирается пропускная способность сети, которая задается пользователем. В качестве длины шага был выбран шаг равный 600 бит/с.

Однако результат, полученный методом покоординатного спуска с использованием всего лишь одного варьируемого фактора, может быть не оптимальным. Поэтому целесообразно дополнительно применить метод линейного поиска.

Поиск начинается с наименьшего значения пропускной способности сети. После нахождения среднего времени задержки сообщения в сети, шаг увеличивается. Поиск заканчивается, когда достигнуто максимально возможное значение пропускной способности. Результат с наименьшим временем задержки сообщения будет являться оптимальным.

Работа всех ФМ по обработке событий описывается соответствующими алгоритмами, которые легли в основу создания программного средства оптимизации пропускной способности для систем с общей шиной и переменной структурой [4, 5].

Разработанная программа базируется на методах покоординатного спуска и линейного поиска. Она предусматривает аналитическое задание сети и оптимизацию пропускной способности для систем с общей шиной и переменной структурой. В процессе анализа модели протокола без установления соединения осуществляется поиск наименьшего времени задержки сообщения в сети с учетом стоимостных параметров.

При проектировании программного средства были применены средства языка программирования Delphi.

Работа с программой начинается с главного окна программы (рис. 2), где можно выбрать следующие варианты продолжения работы:

- выбор одного из уже имеющихся вариантов описания сети;

- ввод нового варианта описания сети;

- изменение любого из уже существующих вариантов;

- удаление любого варианта;

- определение времени моделирования;

- определение числа экспериментов;

- моделирование работы любого из предложенных вариантов сети;

- завершение работы с программой.

Для добавления нового варианта описания сети необходимо нажать на кнопку "Новый". В этом случае появляется форма для ввода данных, описывающих основные характеристики сети (рис. 3):

- число управляющих устройств на шине;

- время формирования пакета;

- начальная пропускная способность;

- стоимостной коэффициент (затраты на построение сети).

Для изменения уже существующего варианта или его удаления необходимо нажать кнопки "Изменить" и "Удалить" соответственно.

После выбора варианта проводится моделирование работы сети. Это можно сделать, нажав на кнопку "Go". По окончании моделирования появится сообщение "Моделирование завершено". Общие статистические сведения о результатах моделирования данного варианта (среднее время обработки пакета, загрузка канала и так далее) хранятся в файле 1.txt. Для поиска оптимальной пропускной способности по заданному им варианту необходимо нажать на кнопку "Вывести результат". В этом случае появится форма "Результат" (рис. 4).

На этой форме содержится сводная таблица результатов моделирования работы сети при различной пропускной способности (от минимальной - 600 бит/с, до максимальной - 76800 бит/с), а также графики распределения среднего времени обработки пакета и среднего времени задержки пакета в сети.

Для поиска оптимальной пропускной способности сети необходимо нажать на кнопку "Optimum". Полученные данные сохраняются в файл с расширением .doc. Для этого необходимо в главном меню выбрать пункт "Вывод в Word". Сохраненный файл представлен на рисунке 5.

Для завершения работы приложения необходимо нажать на кнопку "Выход" на главной форме, после чего программа прекратит работу.

Программное средство состоит из 4 модулей, каждый из которых реализует свои строго определенные функции (Таблица 1).

Наибольший интерес из числа перечисленных модулей представляют модули Unit1 и Unit2.

В модуле Unit1 реализуются алгоритмы поиска оптимальной пропускной способности для заданной сети (процедуры Optimum_Spusk и Optimum_Search), описывается пользовательский интерфейс, составляется сводная таблицы результатов моделирования (процедура FillResultTable), а также создаются графики распределения среднего времени обработки сообщения и среднего времени задержки сообщения в сети (процедура Draw).

Основной процедурой в модуле Unit2 является процедура Modeling, из которой вызываются 2 процедуры, реализующие имитационную модель ПИО в СПШ: Smpl_model1 и Smpl_model2 соответственно. В процедуре Smpl_model1 осуществляется имитационное моделирование работы сети при различной пропускной способности (от минимальной до максимальной) и вычисляется среднее время задержки сообщения в сети. В дальнейшем полученные результаты используются для определения оптимального варианта. В процедуре Smpl_model2 реализуется имитация работы сети с пропускной способностью, заданной пользователем. Результаты моделирования хранятся в файле с расширением 1.txt.

В модуле Unit3 используются процедуры работы с приложением Microsoft Word, реализующие функцию документирования результатов моделирования. Пользователь имеет возможность сохранить полученные данные в виде таблицы для последующего изучения.

В модуле Unit4 реализована проверка корректности ввода данных при описании пользователем сети. Пользователь не может ввести данные, которые могут помешать адекватной работе программы (ввод значений, больших или меньших предельно допустимых, ввод символьных значений в числовые поля).

Таким образом, разработанное программное средство позволяет аналитическими методами без установления соединений определить оптимальную пропускную способности сети по выбранному критерию при заданных ограничениях.

Литература

информационный шина моделирование

1.Артемов, Н.И. Принципы построения промышленных микроконтроллерных сетей в стандартах Profibus и P-NET [Текст] / Н.И. Артемов, О.Б. Низамутдинов, М.В. Гордеев и др. - Пермь: ПГТУ, НИИУМС, 1996 -312 с .

2.Свами, М. Н. Графы, сети и алгоритмы [Текст] / М. Н. Свами. - М., Наука, 1984 - 283с.

3.Максаков, С.А. Математическая модель процессов информационного обмена для сетей на основе полевых шин [Текст / С.А. Максаков, В.Т. Еременко. Известия Тульского государственного университета. - Тула, 2006. - № 9. - С. 127-135.

4.Еременко, А.В. Алгоритмы проектирования сетей на основе полевых шин [Текст] / А.В. Еременко, В.Т. Еременко, С.А. Максаков - Известия Тульского государственного университета.. - Тула, 2006. - № 11. - C. 107 - 116.

5.Костин, С.В. Алгоритмы решения задачи топологической оптимизации корпоративных сетей предприятия [Текст] / С.В. Костин, С.А. Максаков, Е.А. Семашко - Известия Орловского государственного технического университета. - Орел, 2006. - №2(6) - C. 239-243.

Размещено на Allbest.ru