Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ транспортно-дозировочных технологических процессов 8
1.1. Транспортно-дозировочные технологические процессы в структуре технологического производства 8
1.2. Анализ технических характеристик транспортно-дозировочных технологических процессов 10
1.3. Выбор методик исследования транспортно-дозировочных технологических процессов 26
1.4. Постановка задачи научного исследования 30
2. Системный анализ транспортно-дозировочного технологического процесса в объектно-ориентированной среде 32
2.1. Методология объектно-ориентированного анализа 32
2.2. Объектно-целевой анализ структуры транспортно-дозировочного технологического процесса 36
2.3. Жизненные циклы объектов транспортно-дозировочного технологического 52
2.4. Объектно-целевого, анализа .транспортно-дозировочных технологических процессов 59
3. Анализ транспортной системы и синтез алгоритмов маршрутизации 63
3.1. Анализ транспортной системы в составе 63
3.2. Постановка и решение задачи маршрутизации 64
3.3. Исследование полученных алгоритмов маршрутизации 77
3.4. Обобщенный алгоритм автоматизированного управления транспортной системой 81
4. Синергетический синтез системы управления подвижным дозировочным бункером 83
4.1. Основы синергетического подхода к синтезу систем управления технологическими объектами 83
4.2. Динамическая модель подвижного дозировочного бункера 86
4.3. Синтез регулятора положения подвижного дозировочного методом АКАР 88
4.4. Исследование синтезированной системы управления подвижным дозировочным бункером 92
5. Прикладные исследования методик проектирования и результаты реализации автоматизированной системы управления транспортно-дозировочным технологическим процессом 100
5.1. Применение методик объектно-целевого анализа 100
5.2. Разработка комплекса автоматизации транспортно-дозировочного технологического процесса 105
5.3. Разработка программного обеспечения автоматизированной системы управления транспортно-дозировочным технологическим процес- 109 сом
Заключение 117
Список литературы 119
- Анализ технических характеристик транспортно-дозировочных технологических процессов
- Объектно-целевой анализ структуры транспортно-дозировочного технологического процесса
- Исследование полученных алгоритмов маршрутизации
- Основы синергетического подхода к синтезу систем управления технологическими объектами
Введение к работе
Актуальность работы
Любой комплекс технологических процессов состоит из комбинации основных подпроцессов: транспортирования, складирования обрабатываемого ресурса и его переработки в технологическом оборудовании. Качество конечного продукта, несомненно, зависит от точности выполнения заданий в каждом из подпроцессов. Если два первых подпроцесса объединяются в рамках единого транспортно-дозировочного технологического процесса (ТДТП), то его влияние на основные технико-экономические показатели производства становится достаточно большим. ТДТП широко распространены на предприятиях химической и пищевой промышленности; заводах по производству стекла, цемента, графитированной продукции, и представлены участками и цехами многокомпонентного дозирования сухих сыпучих компонентов сырьевых смесей. Ввиду наличия в своем составе большого числа взаимосвязанных элементов, параметров, а так же разнородных технологических процессов, задача исследования ТДТП становится сложной и требует применения методик анализа сложных систем.
Анализ существующих автоматизированных систем управления ТП многокомпонентного дозирования (АСУТП МКД) показывает, что в полном объеме ни одна из них не удовлетворяет всему комплексу требований, предъявляемых со стороны технологии производства конечного продукта. Принципиальную сложность представляет согласование целей, преследуемых при производстве, с возможностями реализующей их структуры системы управления. Наличие транспортной системы как составляющей ТДТП ставит так же задачу автоматической маршрутизации, а при требовании повышения производительности и оптимальной маршрутизации, в рамках единой системы управления.
В состав транспортной системы ТДТП зачастую входят подвижные динамические объекты. Для них актуальной является задача синтеза алгоритмов оперативного управления. При этом желательно, чтобы такие алгоритмы и законы управления были бы получены в аналитическом виде и обеспечивали бы требуемое управление объектом при минимальных затратах на сами управления.
Все вышеперечисленное и обуславливает актуальность задачи разработки структуры и алгоритмов системы управления транспортно-дозировочным технологическим процессом.
Проблемам системного моделирования и синтеза оптимальных законов управления посвящены научные исследования отечественных и зарубежных ученых: Колесникова А.А., Пономарева В.М., Дегтярева Ю.Н., Клиланда Д., Кинга В., Г. Буча, Д. Рамбо, А. Джекобсона, Семенова А.С., Шека В.М., Волковой В.Н., Денисова А.А., Анфилатова B.C., Емельянова А.А., Кукушкина А.А. и др.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности транспортно-дозировочного технологического процесса путем увеличения объема выпуска качественной продукции за счет синтеза структуры и алгоритмов управления исходя из структуры целей технологического производства.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд взаимосвязанных научных и научно-технических задач:
1. Провести анализ транспортно-дозировочных технологических процессов для выявления их характерных признаков и особенностей.
2. Создать структуру системы управления транспортно-дозировочным технологическим процессом, основанную на результатах анализа целей его функционирования.
3. Разработать методику синтеза маршрута в транспортной системе ТДТП, позволяющую обеспечить оптимальное управление подвижным дозировочным бункером во всех режимах работы системы.
4. Разработать алгоритмы оптимального управления перемещением подвижного дозировочного бункера в составе транспортной системы.
5. Разработать комплекс технических и программных средств системы
управления транспортно-дозировочным технологическим процессом.
Существенные результаты работы, выносимые на защиту;
1. Методика системного анализа структуры целей в объектной среде, основанная на интеграции целевой и объектной декомпозиции и позволяющая осуществлять непосредственный переход от целей управления к структурам их реализующим.
2. Совокупность объектно-целевых моделей, необходимых и достаточных для синтеза структуры системы управления ТДТП.
3. Методика выбора маршрута движения тележки, позволяющая осуществлять последовательную и параллельно-последовательную реализацию циклически-заданного или циклически-корректируемого рецепта дозирования при технологически-варьируемых транспортных остановках.
Аналитические законы управления подвижным дозировочным бункером в составе транспортной системы, полученные в рамках синергетической парадигмы и позволяющие осуществлять позиционирование бункера в заданную точку с минимальными затратами энергии. Научная новизна работы:
1. Предложена двухуровневая формализация процедур декомпозиции целей с использованием диаграммы прецедентов и диаграммы классов, позволяющая исследовать взаимосвязь целей управления и реализующих их структур.
2. Сформулирована задача определения оптимального маршрута в транспортной системе и доказана ее NP-полнота.
3. Предложен алгоритм оптимизации маршрута в транспортной системе, представляющий собой сочетание алгоритмов принятия решений и алгоритмов булевого дискретного программирования, позволяющий минимизировать время перемещения подвижного дозировочного бункера в рамках заданных режимов работы и технологических ограничений.
4. На основе синергетической теории управления получен в аналитическом виде закон векторного управления перемещением подвижного дозировочного бункера в составе транспортной системы ТДТП, отличающийся тем, что в нем учитывается полная нелинейная динамическая модель управляемого объекта, данный закон позволяет минимизировать затраты электрической энергии при движении тележки и осуществить точное позиционирование в заданную точку.
5. Создана информационная модель ТДТП, представляющая собой совокупность объектно-ориентированных моделей, основанная на объектно-целевой диаграмме классов и отличающаяся новым механизмом классификации.
Практическая ценность работы.
1. На основе полученных аналитических законов оптимального управления подвижным дозировочным бункером синтезированы алгоритмы работы контроллера управления транспортной системой, позволяющие осуществлять позиционирование бункера в заданную точку с минимальными затратами энергии.
2. Предложено, за счет механизма расширения, дополнить нотацию объектно-ориентированного анализа элементом, выделяющим определенную целевую сущность системы на заданном уровне целевой декомпозиции и отражающим цель функционирования рассматриваемой системы - целевым классом, введение которого позволит в рамках единой объектно-целевой диаграммы классов системы отобразить результаты целевой декомпозиции.
3. С применением систем визуального программирования контроллеров UltraLogic, SCADA Genie и Delphi для участка дозирования разработан комплекс технических и программных средств реализующий АСУТП многокомпонентного дозирования.
4. Созданы методические материалы по объектно-целевому анализу и синтезу АСУТП для обучения магистров по направлению "Автоматизация и управление".
Математический аппарат. При проведении исследований в рамках диссертационной работы был использован математический аппарат таких дисциплин, как современная теория управления, синергетические методы построения оптимальных агрегатных регуляторов, системный анализ и теория систем, объектно-ориентированная методология информационного моделирования сложных систем, дискретная математика, теория сложности комбинаторных задач, теория дискретного булевого программирования.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на следующих конференциях: научно-технических конференциях студентов и аспирантов НГТУ (Новочеркасск, 1997,1999); 3-ей и 4-ой международной научно-технических конференциях "Новые технологии управления движением технических объектов" (Новочеркасск, 2000, 2001); межрегиональных научно-технических конференциях "Управление в технических, социально-экономических и медико-биологических системах" (Новочеркасск, 1999, 2000, 2001, 2002); 14-й международной конференции "Математические методы в технике и технологиях. ММТТ-14" (Смоленск 2001); 2-ой международной научно-технической конференции аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых" (Донецк, Украина, 2002).
Анализ технических характеристик транспортно-дозировочных технологических процессов
Качество конечного продукта, несомненно, зависит от точности выполнения заданий в каждом из подпроцессов. Дозирование находится в начале технологической цепочки обработки сырья с целью получения конечного продукта. Ошибки на этом этапе оказывают очень большое влияние на качество, что требует уделять особое внимание точности дозирования исходных материалов. Процесс транспортировки, являясь как бы "узким местом" всего производства, через которое проходят все материальные потоки, наибольшее влияние оказывает на производительность производства в целом. Если два этих этапа объединяются в рамках единого транспортно-дозировочного технологического процесса, то его влияние на основные технико-экономические показатели производства становятся достаточно большими, что требует отдельного рассмотрения данного класса процессов.
Определим транспортно-дозировочный технологический процесс как совокупность взаимосвязанных во времени и пространстве процессов дозирования и транспортировки материальных ресурсов. ТДТП широко распространены на предприятиях химической и пищевой промышленности; заводах по производству стекла, цемента, графитиро-ванной продукции, и представлены участками и цехами многокомпонентного дозирования сухих, сыпучих компонентов сырьевых смесей. Анализ класса ТДТП позволил выявить ряд его функциональных особенностей: 1. Наличие большого числа элементов, параметров, характеристик технологического процесса, находящихся в сложной взаимосвязи. В рамках ТДТП составляются технологические рецепты из исходных компонентов, происходит распределение материальных потоков производства, что требует информации как об элементах собственно ТП, так и о процессах предшествующих и происходящих далее в технологической цепочке производства конечного продукта. 2. Поведение системы определяется сложным взаимодействием технологического оборудования и управляющих элементов. Наличие большого числа разнообразных элементов составляющих ТДТП (дозаторы, элементы транспортной системы) обуславливает сложные их взаимосвязи в процессе работы. Кроме того, в рамках единого ТДТП существуют два разнонаправленных задания: на точность дозирования компонентов и на производительность транспортной системы (см. рисунок 1.1), что обуславливает возникновение противоречия в целях этих составляющих ТП. 3. Декомпозиция цели обуславливается структурой ТП и элементами управления, что требует совмещенного их анализа в рамках единых методик. Это позволит уже на этапе анализа структуры целей системы рассмотреть и учесть указанное в п.2 противоречие. 4. Разнообразие решаемых задач порождает необходимость применения алгоритмов, методов и решений из различных областей научных знаний. При разработке системы управления ТДТП может возникнуть потребность в применении динамических математических моделей высыпания сухого вещества, методик анализа и уменьшения погрешностей дозирования, алгоритмов оптимизации работы транспортной системы, решение задачи о расписаниях, синтезе алгоритмов оперативного управления динамическими объектами и т.п. 5. Итеративность процедур анализа и синтеза, обусловленная вышеуказанными особенностями, требует непрерывного описания в рамках единой нотации, максимально приближенной к описанию конечного решения. Выявленные функциональные особенности ТДТП позволяют сделать вывод о необходимость применения для исследования данного класса процессов методов системного анализа, так как они в полной мере позволяют учесть сложные взаимосвязи между элементами рассматриваемой системы, связь ее с окружающей средой, постановку и степень достижимости целей. 1.2 Анализ технических характеристик транспортно-дозировочных технологических процессов В качестве примера ТДТП рассмотрим технологический процесс многокомпонентного дозирования (МКД) сыпучих материалов (СМ), который присутствует практически на всех промышленных производствах, связанных с изготовлением продукции из нескольких составляющих. При МКД сыпучего материала чаще всего применяется транспортная система (ТС) с линейной трассой обслуживания и подвижным бункером, который имеет систему измерения веса. В таких ТП высокие требования к точности дозирования и производительности ТС сопровождаются большим разбросом значений доз отдельных компонентов при работе с различными рецептами. Это, в частности, требует решения задачи автоматической маршрутизации подвижного дозировочного бункера в ТС участка МКД. Для анализа ТП многокомпонентного дозирования сыпучего материала с транспортной системой рассмотрим процесс дозирования сыпучих компонентов графитированной продукции на ОАО "Новочеркасский электродный завод" (НЭЗ). Процесс входит в состав ТП приготовления заготовок цеха СПЦ-2. Данный технологический процесс обладает всеми основными характеристиками многокомпонентного дозирования [2,3]. Процесс МКД входит в ТП приготовления графитированной продукции, сокращенная схема которого представлена на рисунке 1.2. и состоит из следующих операций: - хранение, сушка, дробление коксов и возвратов производства; - размол, рассев коксов и возвратов производства; - хранение и подготовка каменноугольного пека; - дозирование компонентов; - смешивание массы; - охлаждение и усреднение массы; - прессование заготовок. Все сыпучие компоненты графитированной продукции проходят участок дозирования, укрупненная схема которого приведена на рисунке 1.3. Исходные компоненты (в основном коксы) предварительно измельчают и разделяют по фракциям. При приготовлении смеси используется до 10 компонентов, которые дозируются частично с помощью автоматических дозаторов, а частично вручную оператором, с использованием электровесовой тележки (подвижного дозировочного бункера). Отдозированная смесь загружается в приемный бункер соответствующей смесильной машины. Точность процесса дозирования, определяемая регламентом технологического процесса, не должна быть ниже 2% от массы дозируемого материала. Рабочие рецепты составляются на основе рецептур (одна из них приведена в таблице 1.1), регламентирующих соотношение дозируемых материалов по виду и гранулометрическому составу.
Объектно-целевой анализ структуры транспортно-дозировочного технологического процесса
Широкое применение системы дискретного многокомпонентного дозирования сыпучих материалов нашли в производстве графитированной продукции [5]. При механизированных процессах часто для развески компонентов используют модернизированные циферблатные платформенные бункер -весы, на которые устанавливают приемный весовой бункер. Весы размещают на весовой тележке, передвигающейся по рельсам. Компоненты по очереди выгружают в весовой бункер, контролируя вес по показанию платформенных весов. После набора материала весовая тележка направляется к месту разгрузки, где отдозированный материал ссыпается в приемный бункер смесителя. Такие тележки могут приводиться в движение человеком (при малых весах материала) или (чаще всего) с помощью электропривода.
Данная система совершенно не учитывает проблемы, связанные со свойствами дозируемых материалов и с реализацией системы управления. Кроме того, здесь работает человек-оператор, что нежелательно.
Для повышения точности дозирования с помощью весовой тележки используют различные конструкции дозаторов и алгоритмы управления ими. Например, для дозирования трех и четырех различных компонентов используют автоматизированные дозаторы 4ДСС-20 и 4ДПК80 [5]. Дозатор состоит из бункеров компонентов со шнековыми питателями и грузоприемного бункера, связанного с весоизмерительной системой. Шнековые питатели имеют две скорости работы: основная и досыпки (пониженная). При дозировании материала сначала питатель работает на основной скорости. При заполнении приемного бункера на 80-90% массы заданной порции срабатывает контакт грубого веса и питатель переключается на режим досыпки. Вес материала контролируется с помощью сельсина-датчика, размещенного на одной оси со стрелкой-указателем весоизмерительной системы.
По сравнению с предыдущим способом точность такого метода дозирования выше за счет использования двух ступеней скорости питателей и исключения оператора из процесса дозирования, хотя при этом не исключаются все указанные погрешности. Но продолжает оставаться неучтенными особенности построения системы управления участком дозирования.
Существуют отдельные элементы систем дозирования, позволяющие учитывать те или иные особенности процесса дозирования. Для устройств с одним элементом дозирования и сравнительно большим временем выхода дозатора на установившийся режим после открытия разработан следующий способ управления [6]. С целью повышения точности дозирования определяют установочную поправку как количество продукта, прошедшего через побудитель расхода за время от начала открытия до его выхода на установившийся режим. Управляющее воздействие на закрытие побудителя формируется в момент равенства количества продукта, прошедшего через побудитель и разности значений уставки дозы и установочной поправки. Этот метод прост, но не приемлем при дозировании небольшого количества материала.
Для устройств с основным и дополнительным дозаторами разработан следующий способ управления [7]. Включается подача і-го компонента смеси в основной дозатор, отдозированная масса взвешивается в статике, определяется величина недостающей дозы и додозируется в дополнительном дозаторе с более высокой точностью дозирования. Особенностью метода является алгоритм работы дозаторов. Предварительно по наибольшему пределу взвешивания основного и дополнительного дозаторов, относительной погрешности статического взвешивания основного и динамического взвешивания дополнительного дозаторов определяют критическую массу дозы. Далее в процессе дозирования в зависимости от задаваемой массы компонента производят дозирование либо только в дополнительном дозаторе, либо в обоих, либо разбивают дозу на две при превышении пределов взвешивания основного дозатора.
Описанные выше методы используются только для увеличения точности за счет уменьшения методологической погрешности. При этом не учитываются множество других факторов как, например, свойства дозируемого материала, очередность дозируемого компонента в рецепте и т.п.
В качестве одного из примеров автоматической линии многокомпонентного дозирования рассмотрим "Устройство для автоматического управления линией приготовления многокомпонентных смесей", разработанное Борской специализированной проектно-конструкторской технологической организацией "Стеклоавтоматика" [8]. Линия состоит из надвесовых бункеров с дозаторами, электровесовой шихтовочной тележки с приводом, приемных бункеров. Перемещение тележки, дозирование компонентов и выгрузка смеси производится автоматически по командам устройства управления линией. Здесь уже присутствует система работы с рецептом, сбора и обработки информации о технологическом процессе, но при этом рассматривается только вес и погрешность измерений, не учитываются свойства материала и другие указанные особенности.
"ЦНИИТЭИ приборостроения" была разработана автоматическая линия для дозирования порошкообразных компонентов электродной шихты [9]. В состав линии входят автоматические весы (одни на каждый компонент смеси) и станция управления линией, поддерживающая дозирование не более чем семи компонентов. Линия предназначена для автоматического многокомпонентного дозирования шихты по заданной рецептуре. Предусматривается три режима работы линии: полностью автоматический, когда всем процессом дозирования управляет станция управления линией; "местный автоматический", когда оператор вручную дает команду на автоматические весы отдозировать очередной компонент, и ручной, когда оператор вручную управляет питателями весов и дозирует компоненты, наблюдая за показаниями стрелочного прибора. Работа автоматических весов осуществляется следующим образом: - до начала работы выставляются значения предварительной и окончательной дозы материала; - получая команду на дозу, весы включают приемный питатель; - когда масса отдозированного материала достигает предварительного значения, питатель переключается на режим досыпки; - при достижении окончательной дозы питатель выключается; - если погрешность дозирования ниже допустимой, то на станцию управления линией передается сигнал "Точно", если нет - "Недовес" или "Перевес". Выгрузка отдозированных компонентов производится только при поступлении сигнала "Точно" от всех автоматических весов-дозаторов. К недостаткам данной автоматической линии можно отнести сложность перехода на новую рецептуру, а так же невозможность учета свойств дозируемого материала. Гибкость системы уменьшает и ограничение станции управления на количество подключенных автоматических весов. Во всех рассматриваемых системах не учитывалась интегративность процесса дозирования. При большом количестве компонентов, большом разбросе масс их доз, большой производительности участка, а также с учетом наличия транспортной системы в виде подвижного дозировочного бункера, необходимо анализировать взаимосвязи отдельных процессов дозирования отдельных компонентов. Кроме того, рассмотренные системы не имели механизмов учета взаимосвязи "качество - производительность дозирования". Ряд особенностей ТДТП в совокупности определяют различные режимы работы транспортной системы. Можно выделить следующие основные режимы работы: 1. Дозирование компонентов 1.1.В последовательности, заданной технологическим регламентом. 1.2.В два или более приемных бункеров одновременно одного рецепта с целью увеличения производительности линии приготовления смеси.
Исследование полученных алгоритмов маршрутизации
Объектно-ориентированная методология анализа и синтеза сложных систем возникла и развивалась в области создания программных продуктов. Тем не менее, ее идеология является удобной для использования в процессе проектирования систем технологической автоматики. Отметим следующие основные свойства объектно-ориентированной методологии, позволяющие говорить о возможности ее применения в промышленной автоматизации:
Абстрагирование, или выявление абстракций. Абстракция выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающие его от всех других видов объектов и, таким образом, четко определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя [27]. Очевидно, что различные наблюдатели будут порождать различные абстракции. При анализе сложной технологической системы абстрагирование позволит получить модели, выделяющие необходимые и отсекающие не существенные свойства системы с точки зрения конечной задачи проектирования системы автоматизации.
Инкапсуляция - это процесс отделения друг от друга элементов объекта, определяющих его устройство и поведение; инкапсуляция служит для того, чтобы изолировать внешние связи абстракции от их реализации. Она позволяет скрыть внутреннюю структуру данной абстракции, дополняя тем самым механизм разделения системы на сущности.
Модульность - это свойство системы, которая была разложена на внутренне связные, но слабо связанные между собой модули. Таким образом, принципы абстрагирования, инкапсуляции и модульности являются взаимодополняющими. Объект логически определяет границы определенной абстракции, а инкапсуляция и модульность делают их физически незыблемыми.
При проектировании систем автоматизации технологических процессов понятие "модуль", более присущее программированию, чаще всего заменяется понятием "подсистема". Иерархия - это упорядочение абстракций, расположение их по уровням, что позволяет четко представлять структуру сложной системы. Унифицированный язык моделирования (Unified Modeling Language -UML) - это язык для визуализации, специфицирования, конструирования и документирования информационных элементов сложных систем [28]. UML создавался "Группой по управлению объектами" (Object Management Group -OMG) - командой разработчиков объектно-ориентированной методологии графического информационного моделирования сложных программных систем. К настоящему времени существует уже версия UML 1.4, которая стала де-факто стандартом в среде объектно-ориентированного проектирования. UML поддерживает все основные парадигмы объектно-ориентированного подхода (абстрагирование, инкапсуляцию, модульность иерархию и т.д.). Основным инструментом являются диаграммы - описывающие наиболее важные аспекты рассматриваемой системы с точки зрения разработчика [29]. Диаграмма - это графическое представление совокупности элементов, чаще всего изображаемых в виде связанного графа, состоящего из вершин (сущностей) и ребер (отношений). Под сущностью в UML понимается абстракция, являющаяся основным элементом модели. Под отношением понимается семантическая связь между элементами. Уточним понятие системы с точки зрения UML. Система - это набор подсистем, организованных для достижения определенной цели и описываемых совокупностью моделей с различных точек зрения. Подсистема - это совокупность элементов, часть из которых задает спецификацию поведения других элементов. Моделью называется семантически замкнутая абстракция системы. Таким образом, система представляет собой разрабатываемую сущность, которая рассматривается с различных точек зрения с помощью моделей, графически представленных в виде диаграмм. В UML строго определено всего девять типов диаграмм [30, 31]: 1. Диаграммы классов (Class diagram). Показывают набор классов, интерфейсов, отношений сотрудничества и взаимосвязи между ними. Соответ ствуют статическому виду системы с точки зрения проектирования. 2. Диаграммы объектов (Object diagram). Показывают набор объектов и отношения между ними. Являются статическими отображениями экземпляров классов, изображенных на диаграмме классов. 3. Диаграммы компонентов (Component diagram). Показывают набор компонент и отношения между ними. Отражают взгляд на систему с точки зрения ее программной реализации. 4. Диаграммы развертывания (Deployment diagram). Показывают набор узлов и отношения между ними. Используются для моделирования физических аспектов объектно-ориентированной системы. Показывает размещение компонентов на различных узлах. 5. Диаграммы прецедентов (Use Case diagram). Показывают набор сценариев использования и актеров (как специальный вид класса) и отношения между ними. Используются для моделирования поведения системы определения требований к ней со стороны внешнего окружения. 6. Диаграммы последовательностей (Sequence diagram). Показывают порядок передачи во времени сообщений между объектами. Отражают временную упорядоченность сообщений. 7. Диаграммы кооперации (Collaboration diagram). Показывают набор объектов, каналов между этими объектами и сообщения передаваемых по данным каналам. Используются для моделирования динамического состояния системы. 8. Диаграммы состояния (Statechart diagram). Показывают машину состояний, состоящую из состояний, событий и действий. Иллюстрируют событийное поведение объектов, что особенно важно для моделирования реактивных (реагирующих на внешние воздействия) систем. 9. Диаграммы деятельности (Activity diagram). Являются частным случаем диаграмм состояния и отражают переходы потока управления от одной деятельности к другой внутри системы. Использование UML для задач создания сложного программного обеспечения обусловило специфику его семантики. Очевидно, что для применения UML при анализе систем автоматизации технологических процессов, использование всех диаграмм необязательно. Из девяти представленных диаграмм целесообразно использовать следующие: 1. Диаграмма классов - как основной инструмент при анализе и синтезе структуры управления автоматизированной системой управления технологическим процессом. 2. Диаграмма прецедентов - для определения обязательств системы и разработке требований к ней по отношению к объектам окружающей среды. 3. Диаграммы состояний и деятельности - для синтеза жизненных циклов объектов автоматизированной системы управления технологическим процессом. 4. Диаграммы последовательностей - для синхронизации работы отдельных частей системы управления. Все остальные диаграммы присущи процессу разработки программного обеспечения. Однако взгляд на систему управления ТП с позиций этих диаграмм не дает полного представления о ее функционировании. 2.1.3 Методика объектно-ориентированного анализа Процесс создания информационной объектно-ориентированной модели можно разделить на следующие этапы: 1. Создание диаграммы прецедентов. На этом этапе выделяются актеры - сущности, находящиеся вне рассматриваемой системы и вступающие с ней во взаимодействие, а так же прецеденты - сущности, определяющие совокупность действий, которые должна выполнить система для выполнения запроса актера. Результатом этапа являются диаграмма прецедентов системы и требования к системе со стороны актеров.
Основы синергетического подхода к синтезу систем управления технологическими объектами
Для моделирования жизненных циклов подсистем АСУТП необходимо применять диаграммы состояний [41]. Диаграмма состояний поведение подсистемы АСУТП в событийном времени, фокусируя внимание на потоке управления от состояния к состоянию [42]. Это описание последовательности состояний, через которые проходит объект на протяжении всего жизненного цикла, реагирую на события, в том числе описание реакций на эти события.
При моделировании поведения объекта необходимо: 1. Выбрать начальное и конечное состояния. 2. Определить устойчивые состояния объекта, в которых он может находиться неопределенно долгое время без воздействия из вне. 3. Определить промежуточные состояния и переходы между устойчивыми состояниями. 4. Проверить достижимость любого из состояний. 5. Проверить отсутствие тупиковых состояний. Диаграммы состояний подсистем АСУТП участка многокомпонентного дозирования сыпучего материала представлены на рисунке 2.5 и в приложении 2. Подсистемы АСУТП в процессе выполнения цикла дозирования взаимодействуют друг с другом. Этот факт на диаграмме состояний отражается с помощью сигналов. Сигналы инициируются подсистемой при необходимости передачи данных или управления. Сигналы вызывают переходы подсистем из устойчивых состояний. С точки зрения АСУТП сигналы на диаграммах состояний описывают данные, передаваемые по сети системы. Для получения структуры сетевого протокола разрабатываемой АСУТП необходимо построить иерархию сигналов обмена между подсистемами (приложение 2). Для рассмотрения жизненных циклов классов, находящихся на уровне абстракции элементов автоматизации ТП, необходимо использовать диаграммы деятельности. Методика построения диаграмм деятельности для этих классов включает следующие процедуры: 1. Рассмотреть диаграмму состояний подсистемы, в которую ходит рассматриваемый класс. 2. Определить состояния подсистемы, за которые несет ответственность класс. 3. Определить переходы и сигналы, инициируемые классом. 4. Определить начальное состояние действия класса. 5. Последовательно описать алгоритм работы класса в соответствии с п 2 и 3, отразив его на диаграмме деятельности в виде состояний деятельности, условий и переходов. 6. Проверить правильность работы полученного алгоритма. Фрагмент диаграмма деятельности для класса "Контроллер координа ции" представлена на рисунке 2.6. По своей сути диаграммы действий являются дискретными алгоритмами работы элементов АСУТП. Записанные на одном из языков программирования промышленных контроллеров (FBD, Visual Basic, С), они могут применяться в качестве программ управления соответствующими контроллерами. Диаграммы действий остальных классов и соответствующие им алгоритмы работы контроллеров системы многокомпонентного дозирования буду представлены в главе 5 и приложении 2. Методика объектно-целевого анализа транспортно-дозировочных технологических процессов Общий алгоритм объектно-целевого синтеза структуры АСУТП может быть сформулирован следующим образом: 1. Анализ среды целеобразования системы (построение диаграммы преце дентов). Результатом будет определение требований к системе. 1.1.Выделение наблюдателей и вызываемых ими прецедентов. 1.2.Описание и формализация связей. 1.3.Определение требований к системе со стороны окружающей среды. 2. Анализ структуры системы (построение диаграммы классов). 2.1.Формулируется глобальная цель АСУТП 2.2.Глобальная цель декомпозируется на подцели по критерию "пространство инициирования целей. 2.2.1. Определяются цели второго уровня инициируемые АСУТП верхнего уровня. 2.2.2. Определяются цели второго уровня инициируемые подсистемами АСУТП. 2.2.3. Определяются цели второго уровня инициируемые собственно системой. 2.3.Полученные цели второго уровня декомпозируются по основным элементам АСУТП. 2.4.Строится дерево целей. 2.5.Для перехода от целевой к объектной декомпозиции дерево целей преобразуется в целевые классы. 2.6.Целевые классы третьего уровня определяют создание класса АСУТП. 2.7.Класс АСУТП совместно с целевыми классам третьего уровня образуют классы - подсистемы АУТП. 2.8.Подсистемы АСУТП декомпозируются на элементы автоматизации конкретных процессов. 2.9.Строится диаграмма классов системы. 3. Анализ поведения системы 3.1.Построение диаграмма деятельности системы. 3.2.Построение диаграмм состояний подсистем. 3.3.Анализ сигналов обмена информации между подсистемами. 3.4.Синтез дискретных алгоритмов работы элементов АСУТП с помощью диаграмм деятельности. В результате использования объектно-целевой методики анализа и синтеза систем управления была получена совокупность объектных моделей, необходимая и достаточная для управления процессом МКД с подвижным дозировочным бункером:
Похожие диссертации на Анализ и синтез системы управления транспортно-дозировочным технологическим процессом
