Software & Systems

Анализ средств САПР систем промышленной автоматики показывает, что они применяются в основном на стадии технического проектирования при разработке принципиальных электрических схем и трансляции полученных описаний в монтажные схемы и заказные спецификации на материалы и оборудование. Так, например, в САПР «СА» (разработка Российского федерального ядерного центра, г. Саров) для проектирования схем используются обширная БД элементов и специализированный редактор схем. Система «САПР-АЛЬФА» (разработка фирмы «САПР-АЛЬФА», г. Москва) поддерживает функции сбора, контроля и передачи данных между компонентами проекта, ведения БД, автоматизированного редактирования схем, использования типовых решений. Система отличается высоким значением показателя «цена/качество» [1]. Достоинствами САПР E3.series (CIM-Team, Германия, холдинг Zuken) являются ее многофункциональность и развитый пользовательский интерфейс, а недостатком – необходимость создавать функциональные схемы вручную. Только система EPLAN (Software&Service, Германия) позволяет в полуавтоматическом режиме генерировать функциональные схемы, используя типовые технические решения, а также осуществлять предварительную оценку стоимости реализации всей системы автоматизации или оценку стоимости ее отдельных контуров.

Проведенное сравнение функциональных возможностей САПР систем автоматизации показывает, что для повышения качества предварительной проработки технических решений на начальных этапах разработки технического обеспечения АСУ ТП необходимо расширить их возможности двумя типами средств: с помощью автоматической генерации вариантов функциональных и других взаимосвязанных типов схем систем автоматизации и обобщения схемотехнических решений, полученных в процессе функционирования САПР.

Генераторы схемотехнических решений позволяют расширить множество вариантов схем автоматизации, которые проектировщик может проанализировать. Инженер освобождается от полумеханических процедур перебора вариантов структурных решений, сосредоточив свое внимание только на их оценках. Это создает условия для проработки значительного числа вариантов технической реализации структурных схем (n>>2) и способствует получению более точных и обоснованных технических решений.

В настоящее время опыт САПР реализуется в виде различных БД с архивом результатов (схем автоматизации). Однако эффективность САПР возрастет, если реализовать процедуры автоматического формирования обобщений путем анализа созданных схемотехнических решений. Подобный механизм позволит говорить о создании САПР, расширяющей свою БЗ на основе собственного опыта.

В работе [2] авторами представлен алгоритм автоматической генерации множества описаний функциональных схем на основе заданной структурной схемы и правил построения деревьев схемотехнических решений (ДСР). Любой вершине ДСР соответствует блок технических средств автоматизации (ТСА). Корневой вершиной дерева является регулятор (рис. 1а). Число ДСР не меньше числа регуляторов, включенных в структурную схему. Для любой пары связанных вершин ДСР (родительской и дочерней) выполняется условие идентичности функций преобразования и согласованности типов и диапазонов сигналов соответствующих им блоков. Каждая ветвь дерева представляет собой фрагмент измерительной, исполнительной, корректирующей или интерфейсной цепи. На основе анализа каждого ДСР строятся шаблоны – технические реализации некоторых структурных схем или их фрагментов (рис. 1б).

Алгоритм автоматической генерации вариантов функциональных схем имеет следующие особенности.

1. При компоновке из шаблонов функциональных схем с большим количеством измерительных и исполнительных цепей корректность каждого генерируемого варианта определяется только наличием свободных входов (выходов) используемого регулятора, а условия согласованности диапазонов и типов сигналов используемых элементов не проверяются.

2. Для построения одноконтурных и сложных многоконтурных систем при условии идентичности номенклатуры используемых ТСА набор шаблонов содержит одни и те же схемы. Обращения к БД ТСА осуществляются на этапе генерации шаблонных схем, имеющих простую одноканальную структуру. Временная сложность компоновки шаблонов пренебрежимо мала по сравнению с их построением. Следовательно, можно считать, что описанный выше алгоритм практически инвариантен к сложности проектируемой схемы.

Алгоритм генерации ДСР позволяет организовать полный перебор на множестве блоков ТСА, доступных в БД ТСА. Но в этом случае мощность получаемого множества технических решений (вариантов функциональных схем) полностью зависит от размеров БД и может достигать нескольких десятков или сотен схем.

Первым шагом к автоматическому анализу построенного множества решений будет создание методики оценки альтернатив схемотехнических решений на основе теории приближенных множеств [3].

С учетом того, что шаблон функциональной схемы представляет собой описание реализации одного канала регулирования, а число шаблонов намного меньше числа альтернатив функциональных схем, для анализа и обобщения целесообразно использовать именно шаблоны.

Множество шаблонов (X), сформированных при рассмотрении одного типа структурной схемы, анализируется экспертом. Каждый шаблон расширяется оценками (А), характеризующими качество проектных решений. На множестве А выделяется так называемый решающий атрибут d, который в частном случае может принимать значения d1:= «Использовать шаблон для функциональной схемы» или d2:= «Не использовать шаблон для функциональной схемы».

Пара вида S=(X, A) образует информационную систему, а ее расширение вида S=(X, AÈ{d}) – решающую систему. На множестве шаблонов X можно построить отношение неразличимости IND(A): если xi, xjÎIND(A), то xi и xj неразличимы по значениям атрибутов А.

Приближенное множество X образует пара. Нижнее приближение AX множества X является объединением классов эквивалентности отношения неразличимости, все объекты которых входят в X. Верхнее приближение  является объединением классов эквивалентности, в которых хотя бы часть объектов относится к X. Множество  называется граничной областью X и состоит из объектов, которые нельзя уверенно отнести к нему [4].

На основе анализа S строятся правила вида [3]:

                                                               (1)

                                                (2)

BNA® возможно X.                                         (3)

Используя (1–3), можно получать непротиворечивые решающие правила, по которым тот или иной объект или принимается к дальнейшему рассмотрению, или отклоняется.

Анализ выделенных шаблонов выполняется в два этапа.

1. Любому шаблону ставится в соответствие число от 0 до 1 – его вес. Весовым значением может являться отличное от нуля минимальное нечеткое значение одной из оценок (А), характеризующих качество проектных решений, указанных в правилах, по которым шаблон принят к дальнейшему рассмотрению. Для этого предварительно создаются функции принадлежности критериев оценивания схем (А): «желаемая погрешность датчика», «наиболее предпочтительная стоимость регулятора» и др.

2. Из набора шаблонов (Х) для дальнейшей генерации функциональных схем исключаются те, весовые значения которых меньше заданного.

Программный комплекс «Controlic’s»

Рассмотренные алгоритмы реализованы в программном комплексе для проектирования систем автоматизации технологических процессов «Controlic’s», разрабатываемом в Тверском государственном техническом университете (рис. 2).

Программный комплекс «Controlic’s» работает с ПСАПР – БД «Технические средства автоматизации» (Свид. о госрегистр. № 2007620224) [5]. В качестве СУБД проекта используется объектно-реляционная система PostgreSQL 8.2.

Для работы с ПК «Controlic’s» необходимо сформировать задание на проектирование, включающее структурную схему системы автоматизации и ограничения на область поиска блоков ТСА. Структурную схему выбирают из набора или загружают из файла, которую можно создать с помощью редактора схем ПСАПР [5].

В «Controlic’s» полностью исключена необходимость подбора блоков ТСА пользователем с привязкой к конкретному звену структурной схемы. Выбор блоков для технической реализации измерительных и исполнительных цепей структурной схемы осуществляется автоматически с учетом введенных в задание ограничений.

Предусмотрено несколько уровней детализации требований к исходным данным:

–      определять только тип контролируемых величин (температуры, давления и др.) и способ их контроля и регулирования (световая сигнализация, ШИМ-регулирование);

–      задавать класс используемых датчиков, регуляторов и исполнительных устройств (термометр сопротивления, датчик дифференциального давления, специализированный регулятор температуры, исполнительный механизм постоянной скорости и др.);

–      задавать конкретные элементы ТСА (термометр сопротивления медный 9620, ТРМ151).

Из БД в задание на проектирование будут выбраны все датчики, исполнительные устройства и регуляторы, удовлетворяющие заданным ограничениям. Все остальные элементы (нормирующие преобразователи, пусковые устройства и др.) в процессе генерации подбираются автоматически. На основе анализа этих блоков ТСА формируется набор шаблонов для каждой базовой структуры. Далее «Controlic’s» может работать в трех режимах.

Генерация на основе шаблонов полного набора моделей функциональных схем. Например, необходимо разработать схему системы автома-тизации, включающую контур управления задвижкой при помощи механизма электрического однооборотного (МЭО) и контур сигнализации соотношения температур объекта в двух точках контроля. Следует рассмотреть варианты реализации схемы на микропроцессорных контроллерах ремиконт БК14, Термодат-12 и ТРМ151. В задание на проектирование включены термометр сопротивления 9620, МЭО40, сигнальная лампа накаливания. Для структурной схемы (рис. 3) «Con­trolic’s» генерирует пять вариантов функциональных схем (рис. 4).

При необходимости функциональные схемы можно сохранить в табличном виде в форматах xml, html, xls. Предусмотрена возможность экспорта данных в AutoCAD в dxf-формате.

Обобщение схемных решений систем автоматизации – анализ шаблонов. Шаблоны оцениваются по количественным критериям: «срок службы», «погрешность датчика», «обобщенный показатель технологичности», «ре­монтопригодность», «сто­имость канала регулятора». Множество (А) можно расширить, добавив качественные показатели: наличие механизма автонастройки регулятора схемы, резервирование каналов, возможность безударного переключения управления цепями нагрузки и др.

Например, на рисунке 5 представлена обучающая выборка шаблонов схем регулирования температуры.

В результате ее анализа найдены нижнее и верхнее приближения множества X шаблонов и сформированы решающие правила:

IND: {X2, X4}, {X9}, {X5, X7}, {X1, X3}, {X10}, {X6, X8},

AX: X9 | X1 | X3 | X10 |, : X9 | X1 | X3 | X10 | X6 | X8 | , BNa: X6 | X8 |.

По шаблонам {X1, X3} решение принимается, если {Погрешность датчика меньше 4 %}, а также {Стоимость канала регулятора больше 4 536 руб.}. По шаблонам X9 и X10 решение принимается, если {Стоимость канала регулятора от 2 485 до 4 536 руб.}.

Все правила сохраняются в БД.

Анализ схем рабочего множества. В этом случае для заданной структурной схемы строятся варианты функциональных схем, но для их генерации из набора шаблонов исключаются те, которые не принимаются ни по одному правилу или с весом, меньше заданного (по умолчанию 0,1). Например, из девяти шаблонов, приведенных на рисунке 6, по решающим правилам принимаются только три.

Предложенный вариант программного комплекса расширяет возможности САПР систем управления и способствует повышению степени проработки вариантов технической реализации систем автоматизации на этапах, предшествующих созданию принципиальных электрических схем.

Литература

1. Одегов П. Программный комплекс «САПР-АЛЬФА»: краткий обзор // САПР и графика. 2009. № 2. С. 52–55.

2. Филатова Н.Н., Требухин А.Г., Ахремчик О.Л. Автоматическая генерация деревьев схемотехнических решений // AIS-IT'11: тр. Междунар. конгр. по интеллект. сист. и информац. технологиям. М.: Физматлит, 2011. Т. 2. С. 122–130.

3. Достоверный и правдоподобный вывод в интеллектуальных системах / В.Н. Вагин [и др.]; [под ред. В.Н. Вагина, Д.А. Поспелова]. М.: Физматлит, 2008. 712 с.

4. Pawlak Z. Rough Sets // International Journal of Information and Computer Science, 1982. № 11 (5), pp. 341–356.

5. Ахремчик О.Л. Программная система для анализа технических решений при проектировании // Программные продукты и системы. 2009. № 1. C. 29–31.