Введение к работе
Рыночные отношения, определяющие современные
тенденции экономики страны, требуют создания и развития
предприятий, обеспечивающих выпуск качественного товара
при достижении минимальной его стоимости. Основным
услозием выполнения этих требований является строгое
соблюдение регламентных норм соответствующих
технологических процессов^ что приводит к сокращению
доли ручного труда в сфере управления и регулирования и
внедрению относительно недорогих, „ легко
переналаживаемых и надежных автоматизированных систем управления.
Наиболее быстро и с высокой эффективностью
осуществился переход на автоматизированное управление
техноло-гическими процессами в машиностроительной
отрасли страны. Этому способствовала широкая программа
строительства автомобильных и других заводов с
периодическими (дискретными) режимами работы
оборудования и системами управления, реализованными на
программно-логических контроллерах (ПЛУ).
Использование импортных контроллеров ПЛУ
подтвердило высокую надежность и эффективность применения управляющей вычислительной техники, что обеспечило в сжатые сроки массовый выпуск и внедрение отечественных программно логических контроллеров для решения задач ПЛУ в других производствах с дискретным режимом работы оборудования.
Успешное и широкое применение контроллеров
ПЛУ было обусловлено не только их техническими
характеристиками, а прежде всего продуманной
технологией разработки, внедрения и сопровождения
АСУТП, ориентированной на пользователя
непрофессионала в области применения вычислительной техники.
В отличие от кустарного производства, промышленный технологический процесс включает
-4-
описание изделия, методов его изготовления и
инструментальной среды, обеспечивающей заданные
показатели продукции. Всем этим требованиям
удовлетворяет технология разработки АСУТП дискретных
производств на осноеє контроллеров ПЛУ. Технология,
основной идеей которой является комплексный подхоц к
проектированию, внедрению и эксплуатации АСУТП,
ориентированная на широкий круг специалистов
непрофессионалов в области вычислительной техники,
использующая единые автоматизированные методы
разработки, сопровождения, модернизации для
производственных процессов различных классов и обеспечивающая заданное в спецификации на систему качество выполняемых функций, получила название индустриальной.
В отраслях с объектами управления' непрерывно-
дискретного типа (химическая, металлургическая,
теплоэнергетическая промышленнссгь и др.), для которых
характерны существенно более сложные и уникальные
алгоритмы обработки информации при принятии
управленческих решений и расчете регулирующих
воздействий, а также более жесткие требования к
выполнению любых задач управления, мнение о низкой
функциональной эффективности АСУТП сохранилось и к
настоящему времени. Как показал выполненный б 1988-1991
годах под руководством автора настоящей работы анализ
эффективности нескольких десятков действующих и
проектируемых АСУТП химической подотрасли, проблема
внедрения автоматизированных систем заключается в
преодолении стереотипов, сложившихся за годы
эксплуатации систем поколения М6000.
В условиях рыночных отношений актуальность постановки и решения проблемы разработки индустриальных технологий проектирования и внедрения АСУТП связана с необходимостью массового изготовления систем управления с минимальной стоимостью, гарантированным качеством выполнения управляющих функций и в договорные сроки. Анализ результатов САПР АСУТП предприятий химического профиля показал
' -5-
необходимость комплексного развития технологии
разработки автоматизированных систем управления с учетом взаимных интересов заказчика и разработчика, минимизации затрат при гарантированном выполнении потребительских и качественных функций, что достигается совершенствованием методов проектирования технической структуры, программного обеспечения и человеке машинного интерфейса.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ Р АБ ОТЫ. Целью диссертационной работы является:
- создание научно - методического базиса
индустриачьной технологии проектирования
автоматизированных сисгем управления технологическими объектами с непрерывно - дискретным режимом работы оборудования, в том числе, и химического направления;
- теоретическое обоснование пооперационной структуры
технологического процесса разработки АСУТП,
отличающегося от известных подходов единством
методологической основы при формулировании исходных
требований к качеству системы, разработке структуры
технических средств, человеко-машинного интерфейса и
прикладного программного обеспечения. Основой единого
методологического подхода является использование в
качестве прототипа АСУТП эталонной модели,
обобщающей знания и опыт кспертов в области
проектирования и эксплуатации систем
автоматизированного управления, а также обладающей свойством реализуемости.
Для достижения, поставленной цели' потребовалось решить следующие задачи:
- исследовать традиционные методы разработки и внедрения' АСУТП, выявить факторы понижающие эффективность сисгем на всех фазах жизненного цикла;
разработать эффективные инстру-ментальные средства анализа вариантов технологических процессов проектирования на основе моделирования процессов;
сформулировать методологические основы технологии индустриального проектирования АСУТП, как
.-6-
сложкого наукоемкого изделия с длительным жизненным циклом, в процессе которого осуществляются интенсивные работы по сопровождению и модернизации;
сформулировать свойства эталонной модели АСУТП, как базы знаний о наиболее эффективных потребительских и качественных свойствах системы, методах реализации и эксплуатации. Разработать метод построения модели и ее использования;
- разработать общие принципы проектирования
структуры технических средств, как специализированной
локальной сети универсальных контроллеров. Представить
структуру технических средств в индусіриальнои технологии
в качестве ограничений, соответствующих эталонной
модели;
разработать методику проектирования
эффективного человеко-машинного интер-фейса,
соответствующего требованиям эталонной модели;
- разработать информационно -функциональную
структуру интегрированной среды' проектирования и
исполнения функций АСУТП, обеспечивающую требования
эталонной модели системы;
- экспериментально отработать технологические
приемы, методы и инструментальные средства
проектирования АСУТП на промьшіленньїх объектах
непрерывно-дискретного типа.
Выполнение задач диссертационной работы
осуществлялось комплексным использованием методов
аналитического исследования, испытаний и
экспериментальной отработки, и наконец, апробации и анализа промышленного использования в уникальных технологических процессах.
Впервой группе методов использованы элементы
инженерии знаний, теории моделирования, систем
массового обслуживания и марковских цепей с непрерывным временем, алгоритмов и алгоритмических языков, инженерной психологин, теории вычислительных процессов,
.-7-
Экспериментальные методы включали разработку необходимых для анализа имитационных моделей, проведение соответствующих экспериментов, разработку программного обеспечения СВК, в том числе, драйверов, операционной среды, инструментальных сред, отладку на стендах программ базового комплекса.
Наконец, третья группа методов охватывала комплекс работ по доводке методических и программных средств индустриальной технологии до промышленного образца, соответствующих испытаний и реализацию технологии совместно с УВК СМ1810 в АСУТП объектами. Работы, выполняемые в этой группе состояли в уточнении характеристик поставляемых, систем проектирования, разработке и внедрению уникальных АСУТП, разработке полного объема технической документации, . обучении пользователей и консультационной деятельности.
работы состоит в следующем:
Научно и методически обоснована задача индустриального проектирования АСУТП, как наукоемкого товара с заданными потребительскими свойствами и качеством, обеспеченным технологическим процессом его проектирования и изготовления.
В диссертации впервые разработан методологически единый подход к решению проблемы комплексного проектирования АСУТП, включающий:
- разработку концептуальной модели заказываемой АСУТП с использованием в качестве прототипа эталонной модели, образованной экспертным способом;
~ использование для проектирования типовых
функций АСУТП технологии, поддерживающей
качественные показатели эталонной модели и позволяющей
включать в систему уникальные функции,
удовлетворяющие внутрисистемным соглашениям по информационному обмену.
Предложены и обоснованы критерии качества АСУТП, образующие эталонную моделі., разработаны методики их оценки; показана связь технологии
-8-,
изготовления АСУТП и показателей качества, разработана
методика анализа и математическая модель процесса
проектирования систем управления, позволяющая проводить
оценку необходимых для внедрения системы ресурсов.
Выявлены основные факторы, обеспечивающие
эффективность и качество АСУТП, с том числе, техническая
структура, человеко-машинный интерфейс, технология
разработки и сопровождения программного обеспечения,
ориентированная на непрофессионалов в
программировании.
Введено понятие универсального контроллера-УМИКОНТа, как проіраммно-технического комплекса, состоящего из микроЭВМ или локальной сети на их основе, способного выполнить любые функции управления. Сформулированная концепция описывает все известные технические структуры управления, как частные случаи, и является основой синтеза управляющих структур проектируемых АСУТП. Исследованы особенности локальных управляющих сетей, показаны их отличия от информационных сетей общего назначения, в том числе, обозримость, завершенность, проектно заданные режимы транспорта данных. На основании модели УМИКОНТа и свойств локальных управляющих сетей разработаны методы и алгоритм проектирования структуры технических средств управления.
Предложена и обоснована модель проектирования человеко-машинного интерфейса, как эволюционного процесса согласования знаний между операторами и проектировщиками ЧМИ в ' области исследования технологических ситуаций и принятия решений по управлению..Разработана методика проектирования ЧМИ и инструментальные средства для-'ее реадизаіцші.
Обоснована и введена в ЧМИ АСУТП; новая функция дистанционного воздействия на испащительные механизмы через систему графического меню. Исследованы функциональные, технические и психофизи- ' ологические факторы, обеспечива-ющие эффективность новой функции. Разработана методика проектирования функции и необходимые инструментальные средства.
Сформулирована концепция семейства виртуальных
контроллеров, как интегрированной системы,
поддерживающей эталонную модель АСУТП, и
включающей инсгрументальные и исполнительские средства
для разработки прикладных программ -шповых задач "под
ключ" без отладки программного обеспечения. Концепция
СВК принята базовой в представляемом варианте
индустриальной технологии. Разработан комплекс
программных средств, поддерживающих
сформулированную концепцию. Разработано методическое обеспечение процессов проектирования АСУТП в рамках СВК-технологии.
. Исследованы особенности использования
индустриальной СВК-технологии при создании АСУТП
более 10 производств химической, деревообрабатывающей,
пищевой, металлургической, резинотехнической,
обогатительной, аэрокосмической и других отраслей промышленности.
- Научная значимость диссертационной работы
состоит в том, что в результате комплекса' разработанных
теоретических, технических, экономических и
технологических проблем предложен и реализован способ индустриального проектирования автоматизированных систем управления, внедрение которых является значимым фактором ускорения научно-технического прогресса.
1. Разработка и внедрение проекта АСУТП - процесс поиска компромиссов и согласования интересов заказчика и разработчика системы. Успешная реализация проекта в условиях рыночной экономики возможна в случае удовлетворения исполнителем заявленных заказчиком потребительских функций системы при выполнении ограничений по цене и качеству системы. Процессы разработки АСУТП описываются моделью согласования и эволюции знаний заказчика и исполнителя проекта. Формальное представление проектирования АСУТП моделью эволюционного преобразования знаний позволяет выязить особенности и узкие места традиционных методов
-10-создания системы и исследовать возможные направления совершенствования этого процесса.
2. Исходными знаниями для выработки
концептуальной модели АСУТП являются проблемно
ориентированная база знаний исполнителя, декларативная
база знаний заказчика и база нормативных сведений.
Согласование интересов всех сторон на этой основе
осуществляется при наличии субъективных и
психологических факторов, что снижает эффективность
проекта и системы в целом. С целью снятия противоречий
между сторонами предлагается включить в состав исходных
данных знания о эталонной АСУТП, полученной по
результатам экспертных оценок мнений производственного
персонала и проектно-конетрукторских организаций.
3. Эгалопная модель АСУТП включает обобщенные
сведения о теоретических и прикладных аспектах создания
и эксплуатации
систем управления по разделам: наукоемкостъ,
завершенность и полнота функционирования, человеко-
машинный интерфейс, .техноло-гичность и
эксплуатационные характеристики, уровень технической
структуры. Эталонная модель для использования в
проектировании АСУТП должна обладать свойством
реализуемости, т.е. иметь методическую . и
инструментальную поддержку выполнения показателей,
сформулированных в её структуре. s
4. Оценка эффективности АСУТП, как сложной
наукоемкой продукции, определяется соотношением
приведенных интегральных затрат и интегральных доходов,
на всем жизненном цикле системы. Модель эффективности
на жизненном цикле позволяет исследовать Елияние
длительности этапов проектирования и интенсивности
затрат на экономические характеристики АСУТП,
эффективность различных методов и технологий
проектирования, внедряемых задач, капитальных вложений
и других усовершенствований.
5. Множество возможных структур ; технических
средств АСУТП ' описывается моделью управляющей
вычислительной сети (УЛВС), образованной
унивсрсальными микроконтроллерами Общими свойствами УЛВС, в отличие от информационных сетей общего назначения, являются ограниченность и обозримость функций, режимов, дисциплин обработки данных, проектно определяемые топология и объемы передаваемых сообщений. Формальное определение . управляющей структуры позволяет использовать инженерную методику синтеза УЛВС для АСУТП.
6. Динамика изменения аналогового параметра,
отображаемого прибором без записи предыстории и
анализируемого в случайные моменты времени, описывается
непрерывной марковской цепью "особых состояний" этого
параметра. Введеная формализация позволяет: во-перзых,
представить в памяти контроллера ыоментные данные о
состоянии управляемого объекта " обобщенным дискретным
поріретом", включающим дискретные сигналы и коды
особых состояний аналоговых параметров; во-вторых,
рассчитать мощность информаци-онпого потока
формируемого аналоговым сигналом, отнесенным к
"особому состоянию".
7. Проектирование человеко-машинного интерфейса,
удовлетворяющего требованиям оператора осуществляется
в две стадии:
во-первых, декомпозицией информационного
потока, формируемого объектом управления, по технических средствам отображения (создание идеальных сценариев наблюдения за ходом процесса);
во-вторых, адаптацией идеальных сценариев к особенностям объекта и психофизиологическими возможностями человека - оператора. Выполнение второго этапа достигается включением з индустриальную технологию инструментальных средств подстройки моделей непосредственно по результатам испытаний ЧМИ на объекте.
8. Унификация внешнего и внутрисистемного
информационного интерфейса универсального контроллера.,
хранение всех нормативных данных и данных о состоянии
объекта в еданой базе, независимой от всех программ
обработки, двухтактный квазипараллельный процесс
- 12-выполнекия прикладных программ (первый такт заполнение базы данных, второй - обработка по алгоритму), организация прикладных вычислительных процессов по типу интерпретации кодов алгоритмов управления обеспечили создание интегрированной среды проектирования и исполнения типовых программ АСУТГТ, в том числе, первичной обработки данных, НЦУ, ПЛУ, ЧМИ, диагностики, межмашинного обмена, архивизации. Доля таких задач в промышленной АСУТП составляет до 80%.
9. Представленное теоретическое, методическое,
инструментальное и программное обеспечение образуют
технологический процесс индустриального проектирования
АСУТП, обеспечивающий качество систем на уровне
эталонной моделі при сокращении трудоемкости и затрат на
разработку прикладного ПО в 2-3 раза.
10. Результаты исследований выводы и рекомендации,
изложенные в защищаемых положениях, результаты
промышленного внедрения индустриальной СВК
технологии разработки АСКУ можно рассматривать как
комплексное решение крупной научно-технической
проблемы, состоящей в разработке теоретических
положений, методологии и технологии проектирования
эффективных автоматизированных систем контроля и
управления.
Практическая значимость результатов
диссертационной работы рассматривается з трех аспектах: во-первых, полученные модели и методики исследования процессов проектирования, эффективности, качественных показателей, анализа локальных сетей, надежностных характеристик УВК, проектирования ЧМИ и т:д. могут быть использованы как средства для дальнейшего изучения проблемы; во-вторых, промышленно - поставляемая СВК -система индустриального проектирования АСУТП является инструментарием эффективной разработки распределенных систем управления; в-третьих, внедренные в производство уникальные АСУТП технологических процессов являются самостоятельными научно-
1 J -
техническими достижениями, так как впервые ь практике управления промышленными объектами подтверждают принципиальную возможность и высокую эффективность автоматизированного управления потенциально -.опасными' объектами без дублирующих вторичных приборов и релейно контактных элементов ( АСУТП "карат") или возможность управления процессами разделения электролитов по математической модели в реальном времени и в условиях, когда установка датчиков качества принципиально не возможна ( АСУТП "адсорбция").
Инструментальные средства и исполнительская СВК-сястема поставлялась заводом - изготовителем управляющей вычислительной техники СМ 1810 (КПО "Электрокмага" г. Киев) в составе дополнительного математического обеспечения управляющих комплексов. Комплекс СМ 1810 и СВК приняты базовыми для разрабатываемых НИПКИ "Сахавтсмат"(г.Киев) АСУТП сахарных заводов Украины. СВК, расширенная драйверами нестандартного ввода вывода, системой переналадки в реальном времени технологического оборудования под новые рецепты резиновых смесей, используется в качестве базового МО в АСУТП "Садик-1м", поставляемых Днепропетровским институтом Электротяжхимпроект и Львовским заводом "Микроприбор".
В СВК-технологни разработаны и внедрены " под
ключ " автоматизированные системы управления: -
станом гальваники листовой жести на Карагандинском
металлургическом комбинате г. Темир-Тау, цехом
обогащения золота на Стспногореком
пщромсталлургическим заводе (Казахстан) - испытательным стендом НПО " Энергия" (С/Петербург) - двух технологических процессов синтеза ультрадисперсных алмазов в детонационной волне, процесса химической очисткп УДА,- технологических процессов адсорбционной очистки веды, вакуумно- импульсной сушки деловой древесины, ' зерновых, плодов и овощей, управления камерными электропечами четырнадцати модификаций ( г. Б киек), системы жизнеобеспечения микробиологического объекта (г.Новосибирск).
-14-АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.
Основные результаты работы докладывались на конференциях, совещаниях; и школах международного, всесоюзного и республиканского уровней в г. Москва, Ленинград, Киев, Харьков, Ташкент. Новочеркасск, Пермь, Кемерово, Барнаул, Черноголовка, Пущино, Люберцы, а также на отраслевых координационных Советах по АСУТП и научных семинарах ряда институтов. Технология проектирования АСУТП "СПРОС-60" экспонировалась на ВДНХ СССР как отдельный экспонат и в составе технологического процесса производства УДА в 1986, 1987 годах и награждена золотыми, серебряными и бронзовыми медалями.
По результатам выполненных исследований опубликовано печатных работ 50 ( в центральных периодических изданиях 45, в том числе 2 монографии), получено 4 авторских свидетельства.
Материалы работы с 1988 года используются в
учебных курсах специальности информационно-'
измерительивая техника БТИ АлтГТУ, в том числе, в
курсах: проектирование АСУТП, проектирование локальных
средств управления, САПР АСУТП, технология
программирования, програм-мирование в реальном
времени, проектирование человеко-машинного интер-фейса,
комплексном курсовом проекте, включающем
проектирование и программирование АСУТП различных
объектов. . СВК - технология применяется для
проектирования компьютерных учебников, моделирования
промышленно-торговых структур специальности
информационные системы в экономике. По материалам разработаны методические пособия, указания.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ