Программные продукты и системы

Первые работы, носящие характер научного анализа процесса проектирования систем управления техническими системами, появились в 50-х годах 20 века. Однако в настоящее время в области проектирования АСУ технологическими процессами (АСУТП) на начальных стадиях создания аппаратных комплексов применяются эвристические методы и библиотечный способ проектирования, предусматривающий использование нескольких типовых проектных решений. Построение приборного парка АСУТП на базе микроЭВМ приводит к быстрому обновлению элементной базы АСУТП и необходимости обновлять библиотеку типовых решений в сжатые сроки. Автоматизацию данных работ и призвана обеспечить программная система, созданная в соответствии с методологией, предложенной для разработки программных тренажеров.

Функциональное проектирование аппаратных комплексов призвано сформировать набор описаний системы, отражающих реализацию ее основных функций и задач. К данным описаниям относятся:

- перечень основных функций и функциональных элементов, их реализующих;

- обобщенная функциональная схема системы;

- набор технических устройств, соответствующих функциональным элементам;

- функциональная схема системы в выбранном техническом базисе.

В основу алгоритмического обеспечения программной системы положена продукционная модель, описывающая проверку принципа информационной совместимости технических элементов в ходе установления межэлементных связей для обеспечения целостности системы при выполнении следующих ограничений:

· функционирование технического элемента осуществляется без внешних источников энергии;

· элемент имеет сколь угодно много входов;

· элемент имеет сколь угодно много выходов;

· любому входу может быть назначен любой выход посредством операций программирования элемента.

Элемент Аi находится в отношении информационного соединения с элементом Вl, если:

, n≤N, m≤N, (1)

где OAij – j-й выходной сигнал элемента Аi; IBlk – k-й входной сигнал элемента Вl; n – число выходных сигналов; m – число входных сигналов; N – натуральное число. В общем случае может быть i=l, что отражает возможность соединения выхода элемента с входом этого же элемента.

В случае функционального проектирования аппаратных комплексов АСУТП действует отношение частичного подобия (вхождения)

IBl ≤ OAi . (2)

Строгость неравенства определяется видом информационного электрического сигнала. Для аналоговых сигналов неравенство нестрогое, а в случае релейно-импульсных сигналов оно разбивается на строгое неравенство при рассмотрении характеризующего информационный сигнал тока и равенство при рассмотрении характеризующего сигнал напряжения.

Технические элементы представляются в базе данных программной системы как набор атрибутов:

Atrе={Atrе1, Atrе2 , Atrе3 ,…, Atrе11}, (3)

где Atrе1, Atrе2,…, Atrе11 – название, сокращенное имя, индивидуальный номер, число основных каналов, число вспомогательных каналов, потребляемый ток, энергозависимость, функции преобразования, характеристики разъемов, номер канала, параметры контактов разъема.

В лаборатории САПР центра новых информационных технологий Тверского государственного технического университета разработан и прошел апробацию действующий макет программной системы для автоматического синтеза межэлементных связей в процессе построения аппаратного комплекса АСУТП в заданном элементном базисе электрической ветви государственной системы приборов. Система ориентирована на генерацию множества правильных вариантов для последующего сравнительного анализа и выбора допустимых вариантов с учетом различных критериев.

Апробация проводилась на следующих видах функциональных структур аппаратных комплексов: датчик – регулятор, два датчика – регулятор, регулятор – исполнительное устройство, регулятор – два исполнительных устройства, датчик – регулятор – исполнительное устройство, два датчика – регулятор – исполнительное устройство, два датчика – регулятор – два исполнительных устройства.

В качестве заданных технических элементов рассматривались: термоэлектрический преобра­зователь температуры ТХК 9414, термометр сопротивления ТСМ 9620, блок контроллера БК П 01-14 Ремиконт Р130, регулятор Термодат 12 1УВ2Р1Т, исполнительный механизм МЭО 40/50-0.25-90, пускатель ПМЕ111, ТЭН мощностью 1 кВт.

Процесс установления связей при построении аппаратного комплекса системы управления температурой в жарочной камере, реализующего функциональную структуру два датчика – регулятор – исполнительное устройство можно представить в виде орграфа (рис. 1).

При задании элементного базиса в виде термоэлектрического преобразователя температуры ТХК 9414, регулирующего прибора типа блока контроллера БК1-П-01-14, исполнительного механизма МЭО40 производится модификация свя-зей для построения модели в соответствии с правилом (2) и на основе атрибутивных моделей заданных элементов. При этом графовая структура изменяется посредством разрыва дуг и добавления в разрывы дополнительных вершин (рис. 2).

Введем обозначениям соответствие физических элементов: 3а – БУТ10ХК, 3б – КБС3-0-5 мА, 3с – ПБР2. Ориентация дуг графа определяется контекстом передачи информационных сигналов в цепях системы.

В ходе экспериментальных исследований для 34 различных вариантов функциональных структур в выбранном техническом базисе программная система во всех реализациях устанавливала непосредственные соединения между заданными элементами в случае возможности и промежуточные элементы из базы данных для организации меж-элементных связей при невозможности удовлетворения условию (2) для соответствующих технических элементов.

В состав программной системы входят: модули администрирования, редактирования правил вывода, ведения базы данных элементов, генерации схемных решений, графический редактор, текстовый редактор, базы данных: технических элементов, правил вывода, построенных схемных решений. Модули объединены в комплекс приложений, работающих с реляционной базой данных под управлением СУБД Postgre SQL. Выбор СУБД обусловлен:

- наличием внутренних расширений, способствующих построению комплексных команд и запросов;

- открытым исходным кодом;

- бесплатным распространением под действием лицензии GNU;

- возможностью установки и применения под множеством операционных систем.

Система предусматривает: ведение баз данных; построение структурных и функциональных схем; запуск процедур автоматического синтеза схемных решений в заданном техническом базисе; просмотр допустимых и недопустимых с точки зрения информационной совместимости вариантов технической реализации выбранной структурной схемы аппаратного комплекса.

Система предполагает два вида пользователей: администратор и проектировщик.

Система может поставляться в виде локального рабочего места и сетевого варианта с клиент-серверной архитектурой.

Программная система имеет следующие основные характеристики: Intel-совместимая аппаратная платформа, любая операционная система Windows, растровая или векторная графика, неограниченное количество переменных процесса, стандартные протоколы тревог и событий, минимальная конфигурация технических средств: PII-500МГц, RAM 128 Mб, SVGA.

Апробация макета программной системы показала правильность теоретических положений, заложенных в основу ее работы:

- применение модели на уровне свойств элементов необходимо на стадии функционального проектирования АСУТП;

- основными атрибутами модели элемента являются свойства, обеспечивающие информационную совместимость элементов при установлении системных связей;

- детализация свойств полученных связей является предпосылкой перехода к автоматическому синтезу принципиальных электрических схем.

Следующим шагом в развитии системы является автоматическая проверка условий конструктивной совместимости, учет монтажных колодок и соединителей на этапе функционального проектирования, а также снятие первого ограничения с расширением области связей аппаратного комплекса до совокупности информационных и энергетических связей.