Приложение D (справочное). Модель определения свойств производительности

Приложение D
(справочное)

Модель определения свойств производительности

D.1 Общие положения

Три свойства производительности - точность, время отклика и информационная мощность - связаны с данными, входящими в систему от одной внешней области и переходящими к системе после одной или более передач информации в другой или той же самой области. Данные могут следовать различными установленными маршрутами через систему, как показано на рисунке D.1.

В каждой передаче информации могут существовать различные времена цикла и/или быть установленными в соответствии с проектом или конфигурацией потребителя.

И для аналитических, и для эмпирических методов оценки свойств важно в первую очередь определить маршруты передачи информации, чтобы выполнить целевое назначение, определенное в ДТС.

Рисунок D.1 - Схематическая функциональная диаграмма системы

Имея в виду влияющие факторы, описанные в подразделе 5.3 МЭК 61069-1, и представляя систему как "черный ящик", можно идентифицировать следующие основные внешние информационные потоки для управления промышленным процессом:

- информационный поток от и до области процесса;

- информационный поток от и до области оператора;

- информационный поток от и до внешней области систем.

Перечисленные информационные потоки обязательны для управления процессом, обеспечения энергетических и материальных потоков, обеспечения качества продукции, и т.д.

В пределах границ физической модели системы, как это показано на рисунке D.2, можно отличить следующие передачи информации на эксплуатационном уровне, которые связывают вышеупомянутые внешние информационные потоки:

- от процесса к процессу через локальный контур управления в контроллере;

- от процесса к процессу через коммуникационную линию связи и контур управления, размещенный в двух контролерах (контур соединения одноранговых узлов связи);

- от процесса к органу управления через контроллер, коммуникационную линию связи и автоматизированное рабочее место (представление данных);

- от процесса к запоминающему устройству или принтеру через контроллер и коммуникационные линии связи;

- от оператора к процессу через автоматизированное рабочее место, коммуникационную линию связи и контроллер;

- от оператора к запоминающему устройству и назад к автоматизированному рабочему месту (представление архивных данных);

- от процесса или оператора к внешней системе через коммуникационную линию связи;

- от внешней системы к или оператору через коммуникационную линию связи.

В различных передачах информации используются одна или более следующих основных групп функций системы:

- функции интерфейса с системой;

- функции преобразования (управление) данными;

- функции коммуникации;

- функции ЧМИ;

- функции внешнего интерфейса системы.

На основании выделенных передач информации информационная мощность системы может быть представлена, например, в виде одного или нескольких из следующих пунктов:

- контуры управления за цикл или в единицу времени, когда различные времена цикла используются в одной и той же прикладной программе;

- число алгоритмов, обработанных за цикл;

- число данных (измерений) переданных через контур соединения одноранговых узлов связи за цикл;

- число данных, переданных через интерфейс оператора, соединенному за цикл коммуникационной связи;

- число аварийных сообщений переданных за цикл;

- число действий оператора, переданных контроллером за цикл, и т.д.

Рисунок D.2 - Общая физическая модель системы

D.2 Аналитические методы определения свойств

D.2.1 Общие положения

Аналитические методы определения базируются на качественном и количественном анализе свойств производительности каждой функции, модуля и элемента системы отдельно и их вклада в полную производительность системы.

Для аналитического метода должна быть определена модель с учетом важности и зависимости от физической и функциональной конфигураций системы. Для этого должны быть описаны разделяемые ресурсы и отдельные элементы (устройства ввода-вывода, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д.) и функции (многозадачность программного обеспечения, времена циклов, алгоритмы, и т.д.), чтобы применять их в различных передачах информации и физической организации системы.

Соответствующие данные могут быть выбраны из спецификаций, обеспечиваемых изготовителем системы, или из измеренных данных.

D.2.2 Точность

Значения точности, в большей части, определяются точностью цепей передачи информации, обеспечиваемой аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями. Другие цепи, используемые при передаче информации, имеют, в общем, предопределенное влияние на точность. Соответствие алгоритмов, выполняющих передачу информации, может быть определено аналитически лишь частично.

Поэтому акцент должен быть сделан на методы экспериментального определения точности.

D.2.3 Время отклика (реакции) системы

Время отклика не может быть выражено одной цифрой для всей системы. Время отклика непосредственно связано с размерами и конфигурацией системы, размером и конфигурацией функциональной системы ее программного обеспечения, связанного с установлением (настройкой) уровней приоритетности и времени циклов для различных элементов и/или передачи информации (алгоритмы, контуры управления, и т.д.). Во многих системах время отклика может быть свободно отрегулировано или сформировано в алгоритме, контуре или отдельной передаче информации.

При низком уровне частоты запросов время отклика может быть получено сложением времени цикла различных элементов определенного маршрута потока данных. Однако изменчивость этих параметров делает аналитический подход очень трудным и отнимающим много времени. Особенно, когда система загружена до предела, аналитически тяжело установить комбинированные эффекты различных задач, при одновременном запросе.

Время отклика имеет прямое отношение к информационной мощности. Высокая загрузка может затруднить конфигурирование времени циклов.

D.2.4 Информационная мощность

Информационная мощность не может быть выражена одним числом для всей системы.

Информационная мощность зависит от размера и физической конфигурации системы, размера и функциональной конфигурации системы ее программного обеспечения, а также выбора времени для циклов.

Информационная мощность может быть определена для каждой передачи информации измерением максимального количества передач информации, которые могут быть выполнены в единицу времени в нормальных условиях эксплуатации.

Информационную мощность следует определять, по крайней мере, для каждой из основных передач информации, которые могут быть установлены.

В конечном итоге она может состоять из комбинации передач данных для (локального) автоматического управления, передач между одноранговыми узлами связи, передачи аварийной сигнализации, действий оператора, архивирования и т.д.

D.3 Эмпирические методы определения свойств

D.3.1 Общие положения

Эмпирическая оценка базируется на качественном и количественном анализе свойств производительности каждой функции, модуля и элемента системы отдельно и их предполагаемого вклада в общую производительность системы в целом.

Для эмпирической оценки должна быть установлена реальная система, которая содержит все средства, необходимые для конкретного целевого назначения с учетом физической и функциональной конфигурации системы, как это описано выше. Для этого должны быть описаны разделяемые ресурсы и отдельные элементы (устройства ввода-вывода, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и т.д.) и функции (многозадачные программы, временные циклы, алгоритмы, и т.д.), используемые в различных передачах данных и физических элементах системы.

Для эмпирического определения важно установить нормальные условия эксплуатации, в частности, при испытаниях по определению времени отклика и информационной мощности.

D.3.2 Точность

D.3.2.1 Общие положения

Значения точности, в большей части, определяются точностью цепей передачи информации на основе аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей.

Другие цепи, используемые для передачи информации, обычно оказывают заранее определенное влияние на точность.

Кроме того, возможно, что разрешение при передаче информации будет меняться из-за требований обеспечения высокой загрузки, демонстрируя, таким образом, некоторую степень деградации системы.

Эмпирическая оценка статической точности, в основном, может выполняться на основе методов и инструкций, описанных в общих чертах для элементов систем в МЭК 61298.

Факторы, влияющие на определяемую точность, выявляются из рассмотрения процесса, внешних средств обеспечения и областей окружающей среды, как это детализировано в подразделе 4.2 и в МЭК 61069-1. Динамическое воздействие на точность может наблюдаться при выполнении испытаний по определению информационной мощности, как это описано в D.3.3.

D.3.2.2 Испытания функционального блока (алгоритма)

D.3.2.2.1 Общие положения

В целом, ОСУ обеспечена библиотекой более или менее стандартизованных алгоритмов, часто называемых функциональными блоками. Они могут быть собраны вместе в некотором порядке, связаны с физическими каналами ввода-вывода и могут применяться для реализации ряда функций управления, по обслуживанию внешнего окружения. Разнообразие функциональных блоков огромно. В каждой системе из них формируется собственный набор и, несмотря на то, что в основном используются те же самые названия, алгоритмы могут иметь существенные различия. Некоторые общие правила для разработки эмпирических процедур испытаний приведены в D.3.2.2.

Функциональные блоки могут быть разделены на две группы:

a) с функциями, зависящими от времени (интегрирующие устройства, контроллеры, таймеры, элементы предсказания/запаздывания);

b) с функциями, не зависящими от времени, которые могут быть в свою очередь подразделены на:

- блоки расчета,

- логические блоки (и, или и т.д.).

Для обоих типов блоков функции могут быть проведены следующие проверки функций в качественном виде:

- плавный переход от ручного к автоматическому управлению и набор точек слежения за объектом;

- режимы выходов и способов управления системой в условиях перезапуска после короткого прерывания энергоснабжения с целью проверки правильности функционирования;

- последствия введения негативных параметров.

D.3.2.2.2 Функциональный блок, зависимый от времени

Для зависимых от времени функциональных блоков с интегральным действием требуется раскрывать поведение в реальном (фактическом) времени измерения в течение длительного периода времени.

Каждый функциональный блок может потребовать конкретного испытания:

- линейные алгоритмы могут быть проверены при испытаниях отклика путем испытания реакции на ступеньку, линейно нарастающий сигнал или импульс. Различные взвешенные выходные реакции зависимых от времени блоков функции должны сравниваться с ожидаемыми реакциями, рассчитанными по конкретным дифференциальным уравнениям. При этом должны быть приняты во внимание дифференциальные уравнения возможных фильтрующих технических средств во входных контурах;

- нелинейные алгоритмы управления могут быть проверены с использованием эталонных процессов, показывающих их свойства.

Должны быть определены воздействия (непрерывного) функционирования при условиях перегрузки программного обеспечения. Условия перегрузки могут в основном зависеть от структуры программного обеспечения - или, например, нерегулярного обновления данных или непрерывного пропуска контуров с более низким уровнем приоритета.

Для алгоритмов управления (ПИД), имеющих интегральную составляющую, могут быть дополнительно выполнены следующие испытания:

- защита перезапуска (защита против эффекта насыщения) являющаяся, в общем случае, условием доступности программного обеспечения, посредством ограничений выхода набора блоков функций. Тем не менее, должно быть проверено, обеспечена ли автоматическая адаптация защиты завершения работы программного обеспечения относительно физических ограничений циклов выхода технических средств. В противном случае реальная защита завершения перезапуска может быть частичной или неэффективной;

- должна быть проверена разрешающая способность, на которое рассчитано интегрирующее действие. При слишком маленькой разрешающей способности интегрирующее действие может быть деактивировано, несмотря на то, что все еще может существовать отклонение между заданным и измеренным значением.

D.3.2.2.3 Независимые от времени блоки функции

Для вычислений и выполнения других, независимых от времени блоков функции, необходимо провести, кроме того, проверку следующего:

- пределов, до которых в технических устройствах выполнены вычисления и как сделано вычисление в цепях ввода-вывода;

- действительно ли обеспечена защита против зануления и как это реализовано;

- действительно ли обеспечена защита от нереальных значений параметра (таких значений как ниже нижнего предела и выше верхнего предела);

- эффектов превышения информационной мощности вычисления (единичная или двойная точность). Неэффективный метод вычисления может быть причиной значительной ошибки;

- некоторые фактические вычисления должны быть выполнены при чрезвычайных входных значениях параметра по сравнению с теоретическими.

D.3.3 Время отклика/информационная мощность

D.3.3.1 Общие положения

Из-за сложности этого предмета изучения для обеспечения поддержки и объяснение неожиданного поведения изготовителю следует присутствовать на заводских испытаниях в течение этой части проведения оценивания.

D.3.3.2 Обоснование

ОСУ на основе микропроцессора работают циклически и таким образом они критичны к требующемуся времени на управление.

В общем, системы в настоящее время очень гибки и, в значительной степени, свободно конфигурируемы относительно технических средств и программного обеспечения, а также распределения задач управления в различных модулях системы.

Поведение этих систем в части времени отклика и факторов загрузки носит вероятностный характер.

Время цикла для передачи данных в контроллерах может формироваться на однотипных основных временных циклах.

Также в большинстве случаев может формироваться время цикла связи между модулями системы.

Сложность ОСУ требует от потребителя большого количества знаний, связанных с конфигурацией и документированием данных, для того чтобы избежать нарушения конфигурации правил загрузки (программного обеспечения) в модули системы, связанные со временем цикла для передачи и связи, а также назначением аварийных сигналов для переменных процесса.

Нарушение правил загрузки может быть причиной, при определенных обстоятельствах, временных проблем и непрерывной или временной последовательности перегрузки.

Более того, воздействия перегрузки могут далее быть усилены неудачным подбором уровней приоритета различных задач и передачей данных для межмодульной связи.

Следует понять, что изготовители часто не совсем ясно и явно разрабатывают алгоритм загрузки системы и воздействия, которые могут появиться на условиях, достигающихся при перегрузке. Это происходит потому, что чрезвычайная сложность механизмов мультиуправления задачами совместно с их распределением в физических модулях системы мешает предсказывать поведение системы, когда, например, требуется решать множество различных задач одновременно.

Для оценки информационной мощности системы, в дальнейшем важно различать две ситуации:

a) контроллер в системе как автономная единица, которая может быть перегружена, не затрагивая другие модули;

b) связь и интерфейс оператора соединяют как части системы, где высокая скорость данных должна проходить "узкие места", которые могут стать "переполненными".

Ниже описан сценарий оценки для обеих ситуаций.

При увеличении загрузки, начинающейся с низкого значения рекомендованной условиями (базовая нагрузка), время отклика остается постоянным до определенного уровня.

Переходя в условия перегрузки, может появиться следующее:

- система или модуль прекращают функционирование;

- система или модуль работают в ухудшенном режиме (например, на двойных циклах), но данные не потеряны;

- система или модуль работают в ухудшенном режиме, и данные потеряны.

В этих случаях, следует различать два типа условий перегрузки:

1) непрерывная перегрузка в результате слишком обширной задачи управления (либо конфигурации) и недостатка назначенного времени (времен) цикла передачи или, поступление аварийной сигнализации на высоких скоростях;

2) временная или неустойчивая перегрузка, связанная с высокой частотой запросов из-за, например, возникновения аварийной сигнализации или аварийной сигнализации, появляющейся в момент периодического запроса отчета или неправильного планирования задач управления, выполняемых в различные временные циклы.

D.3.3.3 Исходные условия для измерения времени отклика и производительности

Исходные условия должны быть установлены для измерения времени отклика и производительности.

Помимо определения конфигурации технических средств и числа пакетов программ, устанавливаемых в систему, должна быть определена базовая загрузка, включая размер минимальной прикладной программы для выполнения передачи информации, требуемой внешними информационными потоками, как это установлено в разделе D.1.

Для оценки времени отклика и загрузки системы должны быть измерены следующие параметры при каждой соответствующей передаче информации с целью получения данных для сравнения, когда фактическая загрузка постепенно увеличивается:

- времена цикла для контроллеров связи и интерфейса оператора;

- скорость обновления выходов при каждой конкретной передаче информации;

- времена запросов различных типов отображения (процесс-оператор) в определенном порядке и временах доступа (оператор-процесс).

Кроме того изготовитель должен обеспечить:

a) свои процедуры и методы для того, чтобы вычислять и/или предсказывать факторы загрузки информации, относящейся к основному времени цикла для передачи и связи, а также времен выполнения различных функций блокировки (алгоритмы);

b) пределы, относящиеся ко времени цикла, и действий, которые ожидаются при достижении этих пределов, внесение в перечень принятых системой мер, чтобы предотвратить превышение этих пределов;

c) информацию относительно величины (программного обеспечения) каждого соответствующего отображения (контур, группа, группа + временной тренд, тренд в реальном времени, краткий обзор) в терминах статических и динамических данных;

d) информацию об объемах данных, хранящихся в буфере связи и элементах, чтобы обеспечить передачу данных и сообщений через систему;

e) информацию, касающуюся структуры многозадачного программного обеспечения, В том числе назначение приоритета применительно к различным задачам системы и методам передачи данных по последовательным линиям связи.

Эти данные следует принимать во внимание при проектировании процедур испытаний.

D.3.3.4 Параметры, которые должны быть учтены при увеличении загрузки системы

Блоки функций будут добавляться к одному контроллеру от базовой нагрузки до указанной максимальной загрузки предопределенными шагами. Для каждого состояния загрузки вышеупомянутые измерения, а также нижеуказанные измерения для определения необходимых параметров необходимо выполнить, при этом следующие параметры следует принять во внимание в соответствующих комбинациях:

a) задача управления:

1) входы неизменны за исключением указанных контуров,

2) ко всем входам добавлены блоки функций, изменяющиеся с постоянной скоростью,

3) изменение приоритета указанных контуров,

4) изменение приоритета связи для равноправных контуров (узлов локальной вычислительной сети);

b) задача связи:

1) различные отображения с различными количествами динамической информации от рассматриваемого контроллера;

c) задача манипулирования сигналом/событием:

1) возникновение сигнала,

2) стабильная интенсивность аварийных сигналов (1, 2, 5 за цикл);

d) прерывание задачи, выполняемое вручную (уместно, если конфигурируемо потребителем):

1) стабилизация показателей после прерывания;

e) запрос сообщения;

f) оперативная конфигурация:

1) изменение конфигурации в одном контроллере,

2) максимальная или минимальная загружаемая конфигурация или данные от одного контроллера;

g) связь и загрузка интерфейса оператора;

h) два или больше контроллера будут загружены одновременно, например, приблизительно 90 % предела производительности, определенного при предыдущем испытании.

Контроллеры будут перегружены одновременно с:

- предопределенным возникновением сигналов;

- непрерывным поступлением пачек сигналов;

- комбинация непрерывных пачек сигналов и запроса сообщения.

Если это требуется, испытание может быть продолжено далее, добавлением большего числа контроллеров и станций оператора, а также направлением информации к различным станциям оператора. Расширяя испытание системы, делая то же самое, могут быть найдены подходы для экстраполяции к системе большого размера. Конфигурация системы может быть другим важным параметром, который будет рассмотрен здесь для систем, которые имеют, например:

- станции управления различного размера и информационной мощности;

- многоуровневая топология информационных шин.

D.3.3.5 Начальные условия

Рассматриваемая система и требуемая прикладная конфигурация программного обеспечения, выделенная выше, должна работать до того, как будет проведено любое испытание по загрузке, как это описано, при установленных условиях.

D.3.3.6 Признаки, которые будут определены

В течение каждого испытания, как описано выше, следует выполнить следующие наблюдения и измерения:

- нормативные требования к обновлению выходной информации могут быть замедлены и/или временно или постоянно остановлены;

- функционирование устройств ввода-вывода оператора: вызов или доступ могут стать замедленными;

- порядок запроса отображения и т.д. могут влиять на времена вызова;

- время доступа к контуру управления;

- аварийное сообщение системы, указывающее на перегрузку;

- потеря информации.

Испытания при аварийной загрузке (введение пачек сигналов или внезапных сигнальных пачек или непрерывных сигнальных пачек) можно дополнить следующими наблюдениями:

a) определение моментов выхода за установленные пределы и потерю сообщений (число сообщений, и/или время выхода за пределы);

b) маркируемое корректное время (последовательность событий) для принтера и массового хранения.

Все наблюдения и измерения должны быть сравнены и связаны с измерениями при базовой загрузке, описанной в установленных условиях.

Наблюдения и измерения также могут быть сравнены с указанным вычислением загрузки и процедурами предсказания, обеспечиваемыми изготовителем.

Примечание - Функционирование добавленных блоков функции не будет проверено.

D.4 Предосторожности

При проектировании процедур испытаний для определенной системы, важно принять во внимание, что модули и задачи (вложенные в структуру программного обеспечения для мультиуправления задачами) могут взаимодействовать установленным образом или взаимодействия могут быть организованы потребителем. Подобрав, например, некорректные уровни приоритета или применяя метод передачи данных, не используемый в системе, при анализе могут привести к неправильным методам испытаний и заключениям.