Программные продукты и системы

Узким местом при создании АСУ технологическими объектами (ТО) является переход от функциональной структуры разрабатываемой системы управления к ее технической структуре. При раскрытии содержания действий в ходе трансформации структур производятся анализ и выбор технических средств, непосредственно связанных с объектом (датчиков и исполнительных устройств), анализ алгоритма управления и выбор управляющих устройств для его реализации, создание связей между техническими устройствами, определение конфигурации устройств для работы в составе проектируемой системы управления.

Задача выбора технических устройств имеет две составляющие: генерацию множества вариантов технической реализации функциональной структуры и расчет их оценки. Целесообразность применения программной системы при решении данных задач определяется проблемной ориентацией, позволяющей автоматизировать наиболее часто встречающиеся на начальных стадиях построения систем управления операции проверки запрета на совместимость структурных элементов при выборе комплекса технических средств и операции разработки схемных описаний на уровне принципиальных электрических и монтажных схем систем управления.

Пусть имеется совокупность множеств: {E,С} – множество технических устройств и связей между ними; {F} – множество функций систем; {Alg} – множество способов и алгоритмов управления; {Obj} – множество составляющих объекта управления, требующих реализации отдельных контуров; F(Alg) – множество возможных функций при реализации выбранных алгоритмов управления составной частью объекта. При задании функций системы управления и алгоритмов управления задача синтеза структуры состоит в определении отображения множества взаимосвязанных функций на множество взаимосвязанных элементов. Предлагается обеспечить автоматизацию генерации связей для получения множества взаимосвязанных элементов {E,С} на основе атрибутных графовых грамматик, соответствующих схемным описаниям технической структуры.

Задача анализа – определение характеристик системы при условиях: Ф(fÎ{F(Alg)Op{E,C})® ®min, fÎ{F}, AlgÎ{Alg}, ЕÎ{E,C}, CÎ{E,C}, где Ф – функция, характеризующая отображение множества функций на множество взаимосвязанных элементов; Op – оператор преобразования.

В качестве функции Ф предлагается рассматривать аддитивную композицию стоимости создания, эксплуатации и модернизации системы управления. Тогда задача анализа может быть сформулирована так:

Фц=(SFi +SСk )®min, Ogr£Ogrj,                   (1)

где Фц – целевая функция; Fi – стоимость реализации функции i-м элементом, i=1,…,n, n – число элементов; Сk – стоимость реализации k-й связи, k=1,…,m, m – число межэлементных связей; Ogr – ограничения.

Кроме технико-экономических показателей, как ограничения рассматриваются совместимость структурных элементов и системные свойства при технической реализации АСУТО [1]. В качестве системных свойств выделяются сложность настройки технических средств, комбинаторность вариантов подключения внешних устройств, время обновления программного обеспечения и др.

Использование программной системы при построении технической реализации АСУ ТО позволяет обеспечить повышение состоятельности и эффективности оценок за счет:

-     расширения области поиска и автоматизации операций по построению графа альтернативных вариантов как задачи синтеза технической структуры;

-     применения для расчета значений функции Фц по выражению (1) детальных схемных описаний, построенных автоматически и отражающих всю полноту необходимых технических средств и линий связи;

-     оценки системных свойств АСУ ТО и ее составляющих при решении задачи анализа вариантов технической реализации.

К основным функциям программной системы относятся:

·     проверка ограничений на совместимость измерительных преобразователей, исполнительных и управляющих устройств;

·     построение схемных описаний по допустимым вариантам на основе сформированной технической структуры в определенном элементном базисе;

·     построение графовой модели, соответствующей технической структуре;

·     поддержка процедур поиска путей на графе, соответствующих множеству эффективных решений, с учетом системных свойств как создаваемой системы, так и ее отдельных элементов.

Архитектура программной системы

К дополнительным функциям программной системы относятся:

-     осуществление файлового обмена между составляющими ее программными модулями;

-     сохранение принимаемой и передаваемой информации в БД и организация доступа к ним;

-     обеспечение выхода в сеть (как локальную, так и глобальную) и организация работы с сетевыми ресурсами посредством сохранения форматов данных в форматы, используемые Web-браузером;

-     ведение интерактивного режима с лицом, принимающим решения (выбор программных модулей и их конфигурирование для работы, поиск ошибок в описаниях, предъявляемых пользователем);

-     преобразование форматов данных в текстовые, табличные, графические (для построения описаний системы управления);

-     преобразование форматов данных для обмена с реальными техническими устройствами для проведения процедур отладки и программирования.

Входным набором данных, описывающим требования к создаваемой АСУ ТО, являются наборы характеристик и функций ее цепей: Д1={Т1, Т2,Т3,Т4,Т5,Т6,Т7}, Д2={Ф1,Ф2,Ф3,Ф4,Ф5}, где Т1 – быстродействие; Т2 – точность; Т3 – надежность; Т4 – стоимость; Т5 – потребляемая мощность; Т6 – габариты; Т7 – условия эксплуатации; функции: управления (Ф1), сигнализации (Ф2), связи (Ф3), питания (Ф4), измерения (Ф5).

Множество Д2 при проектировании преобразуется во множество входов-выходов элементов: Д21={Iа,Iд,Оа,Од,Ои,Iп, Iс,Ос}, где Iа – аналоговые входы; Iд – дискретные входы; Оа – аналоговые выходы; Од – дискретные выходы; Ои – импульсные выходы; Iп – входы питания; Iс – цифровые интерфейсные входы; Ос – цифровые интерфейсные выходы.

Исходные данные для генерации технической структуры в программной системе – функциональная структура, заданная в виде набора элементов и связей между ними, спецификация, связывающая каждый элемент функциональной структуры с элементом из БД, а также максимальное количество сгенерированных реализаций.

Программная система является интегрированной и рассматривается на четырех уровнях (см. рис.). Уровень взаимодействия с системой включает модули: коммуникационно-интерфейсный, формирования технических заданий, методических знаний. Последний модуль содержит информацию типа «где взять знания для проектирования системы управления», информацию о последовательности действий при выполнении различных процедур и составляющих их операций. Уровень формирования описаний технической реализации содержит редакторы для составления технических заданий, схем, правил проверки совместимости технических элементов и их поиска в БД, а также модули для автоматической генерации схемных описаний и их проверки. Редактор заданий и графический редактор позволяют разработать расширенные технические задания. Задание включает текстовое описание требований к системе автоматизации, обобщенную структурную схему и спецификацию, определяющую вариант технической реализации каждого блока структурной схемы.

Уровень БД содержит базы технических заданий (ТЗ) на проектирование, типовых решений, структурных схем технического обеспечения, технических элементов, правил логического вывода. БД элементов редактируется с помощью редакторов дерева групп элементов, свойств и характеристик свойств элементов.

Уровень оценки сложностей технической реализации включает программные средства трех типов: для подбора вариантов и оценки сложностей при монтаже технического обеспечения и прокладке кабельных трасс (с интерфейсом в виде 2D-изображения монтажного пространства и реалистичных изображений технических средств (здесь и далее под интерфейсом понимается экранная форма программной системы)); для выбора отдельных технических средств и схем подключения внешних устройств к ним (с интерфейсом в виде изображения технических средств на принципиальной схеме и упрощенного изображения подключаемых к ним внешних устройств); для оценки сложности процедур программирования технических средств для работы в составе создаваемой системы управления (с интерфейсом в виде изображения клавиатуры и панели индикации, применяемых для настройки и программирования технического средства). Программные средства двух последних типов связаны с БД технических элементов и позволяют осуществить исследование системных свойств технических устройств.

Методика работы с программной системой при построении схемных описаний включает: идентификацию пользователя, составление технического задания, проверку наличия необходимых элементов для построения системы по значениям их свойств, задание области поиска и поиск недостающих элементов на основе проверки ограничений на электрическую и конструктивную совместимость с заданными и выбранными элементами, генерацию соединений контактов технических элементов, формирование таблицы решений.

Апробация методики на макете программной системы для ООО «ИнтерПромАвтоматика» и ОАО «ПКБ автоматизации» (г. Тверь) при внедрении в проектно-конструкторскую деятельность показывает, что временные затраты проектировщика на разработку технической реализации алгоритмов управления снижаются в 3–7 раз в зависимости от выбранного базиса и типа объекта.

Внедрение программной системы создает предпосылки для качественного преобразования деятельности высококвалифицированных специалистов на начальных стадиях создания систем управления технологическими объектами. Программная система позволяет использовать методы и средства автоматизированного проектирования при проверке ограничений на совместимость структурных элементов при технической реализации выбранных алгоритмов управления, а также обеспечивает повышение эффективности эвристических методов при анализе альтернатив за счет снижения неопределенности при учете системных свойств.

Программная система может использоваться для модификации типовых решений по автоматизации определенного класса технологических объектов с учетом изменения приборного ряда для технической реализации функциональной структуры систем управления данными объектами. Применение системы является оправданным для получения специфичного решения по созданию технической реализации системы управления из набора типовых в сжатые сроки.

Литература

1. Волик Б.Г., Буянов Б.Б., Лубков Н.В. и др. Методы анализа и синтеза структур управляющих систем. / Под ред. Б.Г. Волика. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 296 с.

2. Ахремчик О.Л. Модель промышленного малоканального контроллера. // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2005. – № 12. – С. 51–54.