Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Построение АСУП с распределенной структурой 7
1.1. Дробильно-сортировочное производство 7
1.2. Автоматизация процессов дробления 9
1.3. Структура технологической сети 14
1.4. Реализация физических линий связи в технологических сетях 20
1.5. Реализация АДСП на основе АСУП с распределенной структурой 26
1.6. Выводы 33
Глава 2. Функционирование технологической сети АСУП 35
2.1. Пусконаладочные работы в технологических сетях 35
2.2. Программный анализатор протоколов 36
2.3. Формат информационного сигнала в технологической сети 37
2.4. Модель информационного обмена 41
2.5. Функциональные тесты 43
2.6. Анализ типовых неисправностей в технологических сетях 44
2.7. Выводы 49
Глава 3. Модели и методы технической диагностики 50
3.1. Основные положения 50
3.2. Математические модели ОД 61
3.3. Структурно-автоматная математическая модель базисного элемента 64
3.3.1. Понятие базисного элемента 64
3.3.2. Таблица истинности базисного элемента 68
3.4. Минимизация тестов 70
3.4.1. Введение 70
3.4.2. Постановка задачи 71
3.4.3. Метод склейки двух тестов 72
3.5. Алгоритм склейки пары тестов 79
3.6. Алгоритм склейки множества тестов 84
3.6.1 Общее решение задачи минимизации контролирующего теста 84
3.6.2. Эвристический алгоритм склейки множества тестов 84
3.7. Выводы 85
Глава 4. Построение ПО тестирования и диагностики 87
4.1. Типовая структура аппаратных средств МП-системы 87
4.2. Структурная модель системы тестирования и диагностики 93
4.3. Методы и алгоритмы тестирования и диагностики 95
4.4. Обобщенная структурная схема системы диагностирования 98
4.5. Программное обеспечение 99
4.6. Выводы 101
Заключение 102
Приложение 103
Список использованных источников 111
- Дробильно-сортировочное производство
- Пусконаладочные работы в технологических сетях
- Структурно-автоматная математическая модель базисного элемента
- Типовая структура аппаратных средств МП-системы
Введение к работе
В настоящее время крупные промышленные объекты, в том числе предприятия строительного назначения, представляют собой сложные территориально-распределенные комплексы зданий и промышленных сооружений. В их состав могут входить административные здания, склады, лаборатории, промышленные установки, агрегаты, транспортные подразделения. Очевидно, что автоматизированные системы управления производством (АСУП) таких промышленных объектов имеют также распределенную структуру.
В современных условиях повсеместной компьютеризации задачи организации связей в системе информационного обеспечения и управления в распределенных АСУП должны решаться с помощью использования специализированных вычислительных и технологических сетей.
Технологические сети распределенной АСУП реализуют различные методы мониторинга, управления технологическими процессами, передачи разнообразной технической информации, задание значений регулируемых параметров, цифровое регулирование, изменение режимов работы промышленных установок и т.д.
Большинство перечисленных функций, независимо от их целевого назначения, реализуются на основе стандартных средств вычислительной техники, вследствие чего причинами неисправностей АСУП могут являться, в том числе, отказы аппаратуры и ошибки в программном обеспечении сетей передачи информации между техническими средствами и объектами АСУП.
Поэтому очевидно, что работоспособность АСУП с распределенной структурой определяется, в том числе, решением задач диагностирования ошибок в технологических процессах и при передаче технологической информации между объектами системы.
Поскольку технологическая сеть представляет собой одну из важных составляющих современной АСУП с распределенной структурой, ввод в строй и дальнейшая эксплуатация самой АСУП в качестве важнейшего этапа содержит решение задач диагностики неисправностей в технологических сетях.
Автоматизация методов диагностики неисправностей, связанных с ошибками в приеме и передаче технологической и управляющей информации между техническими средствами АСУП может уменьшить конечное время ввода в эксплуатацию всей системы и решить вопросы поиска неисправностей в дальнейшем. Результаты данной работы имеют универсальный характер и могут быть использованы при создании распределенных АСУП различного назначения. В связи с этим, исследование этих проблем представляет собой актуальную научную задачу. В настоящей диссертации эти задачи исследуются на примере построения автоматизированного дробильно-сортировочного производства (АДСП).
Целью данной работы является исследование методов и алгоритмов диагностирования в автоматизированных системах управления производством с распределенной структурой и создание автоматизированной системы тестирования и диагностики при проведении пусконаладочных работ и в режимах эксплуатации АСУП.
В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:
Анализ структуры распределенной АСУП и постановка задач.
Исследование особенностей и задач диагностирования АСУП с распределенной структурой на примере автоматизированной системы дробильно-сортировочного производства.
Выявление и классификация неисправностей в АСУ технологического производства АДСП.
Разработка и построение математических моделей объектов диагностирования.
Исследование и построение алгоритмов диагностирования неисправностей и оценка корректности тестов методами имитационного моделирования.
Разработка структуры автоматизированной системы диагностирования неисправностей в распределенной АСУП, методов и алгоритмов тестового программного обеспечения.
Исследования выполнены с использованием методов теории автоматического управления и регулирования, алгоритмирования, имитационного моделирования, теории оптимизации, эквивалентных преобразований и верификации.
Научная новизна состоит в том, что автором: предложена новая структура системы диагностирования распределенных АСУП с целью автоматизации процессов поиска неисправностей; предложены методы и алгоритмы диагностирования в таких системах; разработаны соответствующие математические модели и программы тестирования и диагностики.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием метода эквивалентных преобразований в процессе анализа, согласованностью результатов функциональных и имитационных моделей процессов работы системы, верификацией программного обеспечения. Достоверность рекомендаций и выводов диссертации подтверждена полученными актами о положительных результатах внедрения.
Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до создания программного комплекса, который реализован в виде переносного узла, использующегося на реальных АСУП.
Содержание разделов всей диссертации было доложено и получило одобрение: на семинарах кафедры АСУ в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете); на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» Московского государственного университета приборостроения и информатики, 2007 г.;
Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований при построении ПО автоматизированной системы диагностирования представляет собой новое решение в области практической реализации АСУП с распределенной структурой.
По результатам диссертационной работы опубликовано 5 статей.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего в себя 53 наименования и приложения. Она содержит 115 страниц текста, в том числе 39 рисунков и таблиц.
Дробильно-сортировочное производство
Современное дробильно-сортировочное производство каменных материалов в строительстве является сложным комплексом технических установок и технологических процессов.
Сюда входят доставка исходного материала, его очистка и предварительная сортировка, дробление, нередко в несколько стадий, с отбором требуемых товарных фракций (сортировкой по стадиям дробления), складирование и транспортирование к месту использования. Технологические процессы дробления и сортировки относят к числу наиболее ответственных процессов в строительной технологии, но они имеют недостаточно высокую эффективность.
Обусловлено это: - сложностью управления процессом дробления и сортировки вручную; - трудностью надежного и достоверного прогнозирования его хода из-за большого разброса значений крупности и механических свойств материалов; - грубостью технологии обработки и несовершенством контроля ее результатов, что приводит к значительной засоренности продукта дробления зернами, которые по форме и размерам не отвечают требованиям к параметрам фракционного состава; - отсутствием технического контроля над состоянием дробимого материала в ходе процесса дробления.
На рис. 1.1 изображена структура технологического процесса дробления с информационными каналами и материальными потоками (штрихованные стрелки), где Q и zeblx - требуемые значения производительности дробилки и крупности продукта дробления соответственно; QBX,Qeb/x и Qo6P - входной, выходной и обратный поток дробилки; Urp, Ur и Un — команды управления дробилкой, грохотом и транспортером - питателем; "QBX", "Q.(zeblx)"- команды обратной связи.
Команды управления приводами дробящего органа, размера выходной щели, транспортера-питателя, грохота, выходного транспортера формируются в настоящее время вручную на местном пульте в соответствии с параметрами процесса дробления.
Для дробилки - датчики оборотов привода (частоты), размера выходной щели, усилия (момента) дробления и потребляемой энергии. Для транспортеров и грохотов - датчики скорости привода и производительности. Управление процессом дробления, независимо от типа дробилки, осуществляется посредством изменения размера выходной щели.
Одновременное управление и размером выходной щели дробилки, и частотой вращения привода можно определить как двумерное, при котором, наряду с обеспечением требуемого фракционного состава продукта на выходе, достигается и требуемое значение производительности дробилки.
Управление размером только выходной щели, которое является основным способом получения выходной продукции требуемого фракционного состава, определяется как одномерное. Использование этого способа управления не накладывает ограничений на производительность дробилки, если считать, что основным показателем, обеспечивающим эффективность, является требуемый фракционный состав. Кроме того, выбор способа управления процессом дробления зависит также от конструктивных особенностей дробилки, выбранного технологического процесса, условий функционирования.
В современных условиях, с целью повышения эффективности процессов дробления и сортировки, возникает необходимость создания автоматизированного дробильно-сортировочного производства (АДСП), представляющего собой сложную многоуровневую систему.
Сложные автоматизированные системы включают большое количество разнородных элементов, объединенных с помощью разветвленных взаимно переплетающихся связей для достижения некоторой конечной цели.
В работе [15] выполнен анализ АДСП, как сложной многоуровневой системы, что позволяет определить ряд существенных специфических черт, отличающих его от традиционного производства. В данной работе сформулированы основные требования к такому производству, его структурная схема и введены понятия верхнего и нижнего уровня решаемых задач АДСП. На рис. 1.2 представлена структурная схема АДСП.
Определен перечень задач АДСП для верхнего уровня, функционирующего в режиме централизованного управления, и для нижнего уровня, обеспечивающего управление технологическим процессом дробления и сортировки.
В соответствии со схемой (рис. 1.2), задачи верхнего уровня АДСП могут включать в себя: а) ввод исходных данных, представляющих собой содержание заказа (требуемый объём и материал продукта дробления, требуемый фракционный состав); б) определение необходимого состава и конфигурации дробильно сортировочного оборудования; в) выбор технологии, обеспечивающей требуемые параметры продукта дробления; г) оперативное управление дробильными агрегатами, включающее в себя контроль хода процесса дробления в соответствии с требуемой технологией, обеспечение безопасности работ и защиты окружающей среды.
Пусконаладочные работы в технологических сетях
Под корпоративными сетями понимается широкий класс распределенных вычислительных систем, состоящих из компьютеров и сетей связи между ними, которые обеспечивают обмен информацией.
В связи с массовой компьютеризацией в стране большое значение имеет ускорение и автоматизация пуско-наладочных работ. Важнейшей составляющей этого процесса является отладка взаимодействия всех узлов, а также быстрая и достоверная диагностика неисправностей.
В процессе пусконаладочных работ необходимо выполнение нескольких стадий для успешного функционирования системы. Блок-схема представлена на рис.2.1
Этапы с первого по пятый, т.е. включение питания, загрузка программного обеспечения, настройка системы ввода-вывода, конфигурация системы, внутреннее тестирование происходят по отлаженным процедурам и, как правило, не представляют особой сложности.
Основным этапом, носящим случайный характер, является этап интеграции системы с другими узлами, зачастую представляющими собой разных производителей, что может привести к появлению ошибок.
Сообщения, передаваемые по сетям связи, представляют собой достаточно сложную структуру, соответствующую международным и российским протоколам. В настоящее время задача обработки и декодирования сообщений выполняется с помощью специальных устройств- анализаторов протоколов.
Анализатор протоколов представляет собой, как правило, выделенный компьютер, содержащий систему контроля процессов обмена (сетевой адаптер), память, программный анализатор, декодирующий сообщения, и процессор для управления.
Программный анализатор выполняет анализ сообщений в процессе обмена и может обнаруживать некоторые стандартные ошибки, но диагностика при этом выполняется вручную.
В рабочих режимах использование анализатора для обнаружения нестандартной ошибки крайне затруднено, так как объем памяти невелик и быстродействие анализатора ограничено. Для этих целей возможно использование специальных аппаратных анализаторов, громоздких и очень дорогостоящих.
Как показывает опыт, после окончания пуско-наладочных работ остается некоторое количество неисправностей, носящих случайный характер, причем некоторые сбои могут возникать достаточно редко, что создает существенные трудности для их поиска и дальнейшего исправления программного обеспечения, т.к. зачастую система, находящаяся в коммерческой эксплуатации, сложно диагностируема, то исправления делаются вручную при остановке системы.
Процесс обработки входящего сигнала (рис. 2.4) включает в себя определение адресата, декодирование кода команды и выполнение.
Информационный сигнал можно представить в виде объединения следующих полей: ИС = АП U АИ U К U ИП U КС
Сложность состоит в том, что оборудование для построения функциональных устройств выпускается множеством производителей и оказывается зачастую недостаточно соответствующим стандартам, как по уровням сигналов, так и по форматам. Это обстоятельство затрудняет проведение пуско-наладочных работ, заставляет вести вручную диагностику неисправностей.
Для повышения эффективности проведения пуско-наладочных работ предлагается разработать специальное алгоритмическое и программное обеспечение для тестирования и диагностики ошибок в системе во всевозможных вариантах протокольного обмена.
В рассматриваемой системе определены и существуют программы обмена для "п" протоколов. Некоторый Bj-тый блок представляет собой набор подпрограмм, каждая из которых соответствует определенному полю протокола и формату описания протокола
Структурно-автоматная математическая модель базисного элемента
В общем случае базисный элемент является последовательностной схемой. Общепринятой математической моделью дискретного устройства с памятью является абстрактный или структурный конечный автомат [1].
Функционирование абстрактного автомата описывается системой пяти объектов , где X, Y, Q - множества входов, выходов и состояний абстрактного автомата, a S - и А - отображения вида - соответственно функции переходов и выходов абстрактного автомата.
В явном виде функционирование абстрактного автомата описывается либо таблицей переходов и выходов, либо автоматными матрицами и графами. Для алгоритмов исследования и преобразования автоматов эти формы задания обычно используются в качестве исходных данных. Однако, как указано в [2] , даже небольшие с точки зрения практики реальные системы, в случае их описания абстрактными автоматами, приводят к большим (часто практически не составимым) таблицам, графам и т.д.
В [1] отмечено, что с практической точки зрения более удобной для решения задач синтеза, анализа и диагноза реальных дискретных устройств являются структурно-автоматные модели, которые позволяют лучше учесть свойства реальных систем, чем теоретико-автоматные модели. Структурные автоматы отражают реальную структуру входных и выходных сигналов, а также состояний дискретных устройств в алфавите В={0,1}.
Функционирование структурного автомата описывается системой пяти объектов S--(Xty,Q,%,jl), где - множество входных переменных структурного автомата в алфавите В; УІУ Чь у } - множество выходных переменных структурного автомата в алфавите В; н- т"Лт"ь.— Т - множество переменных, описывающих состояние структурного автомата в алфавите В. Отображения п и Л являются n,:Q х X — Q - функцией переходов; A:Q х X - Y - функцией выходов структурного автомата. Это уравнение можно представить эквивалентным образом, как систему четырех объектов ,где отображение, являющееся произведением отображений п и Л. h - совмещенная функция переходов-выходов. Поведение структурного автомата эквивалентно описывается таблицей истинности вместо совмещенной функции переходов-выходов [4]. где таблица истинности где х Є {0,1} - неизвестное состояние. В современных схемах ЛВС нашла широкое применение шинная организация передачи сигналов, в которой вместо алфавита
В Є {0,1} используется алфавит С Є {0,1, Z}, где Z-высокоимпедансное состояние. Соответственно расширим понятие структурного автомата, введя вместо алфавита В алфавит С на входах и выходах структурного автомата.
В таблицах истинности описывается поведение элемента в терминах сигналов и состояний структурных автоматов. Каждая строка таблицы содержит описание одного из возможных переходных процессов, заданное сочетанием входных, внутренних состояний и входных сигналов элемента в соседних тактах времени t и (t-1).
Таким образом, структурный автомат представляет из себя четырехкомпонентный кортеж, три первых компоненты X, У и Q описывают его структуру, а четвертая компонента п описывает его функционирование.
Здесь алфавит С Є {0,1,Z} применим к множествам входных и выходных переменных, а алфавит В Є {0,1} к множеству состояний структурного автомата. Ьстт- 3.3.2. Таблица истинности базисного элемента
Обычно в моделирующих программах для имитации поведения отдельных элементов применяются функциональные подпрограммы.
Недостатком этого метода является трудоемкость отладки программ и затруднения при введении новых элементов в базис, между тем известны способы применения таблиц решений для автоматизации программирования задач, связанных с анализом сложных ситуаций. Специфическим видом таблиц решения являются таблицы истинности, которые описывают поведение базисного элемента в терминах сигналов на входных, выходных переменных и состояниях структурных автоматов.
Вернемся к рассмотрению графа переходов элемента DC. Заметим, что в узлах графа переходов записана таблица переходов, а дуги графа помечены высказывательными символами, накладывающими ограничения на переходы от узла к узлу. Запишем в таблице истинности таблицу переходов таким образом, чтобы каждая строка таблицы истинности содержит один из возможных переходных процессов, заданное сочетаниями входных, внутренних и выходных сигналов элемента в соседних тактах времени t- и t в алфавите В ={0,1 ,Х}, где X Є {0,1}. Очевидно, что множество строк таблицы истинности является подмножеством множества логических образов базисного элемента.
Расширим таблицу истинности, записав в компактной форме в нее высказывательные символы, накладывающие ограничения на переходы по дугам в графе переходов. На рис. 3.6 показана таблица истинности элемента DC .вершины графа переходов записаны в строке 1, вершины внизу слева - в строке 2 , вершины внизу справа в строках 3 и 4, /АҐ Л с 9 т /7ри/че /Сг ги# 1 X 1 2 S4 Т 2 JC о Ч ? 3 X о О Ж X 77 4 X X УЧ Рис. 3.6 Таблица истинности элемента DC Аналогичное исследование проведено для всех остальных элементов базиса. Таким образом таблицы истинности разделены на две части: в первой - записаны таблицы переходов, во второй - условия, накладываемые на дуги графов переходов для соблюдения корректности переходных процессов.
Обратимся к таблице истинности элемента DC. В строках 1 и 4 сигнал на выходе в такте і повторяет сигнал на входе D при значении на входе С равном 1. В строках 2 и 3 при значении "0" на входе С в такте і значение выхода остается неизменным, Таблицы истинности можно записывать более компактно и с большей наглядностью. Например строки 1 и 4 можно объединить в одну строку, указав, что значение на выход копируется с входа D. Строки 2 и 3 4 можно также объединить в одну строку, указав, что значение на выходе сохраняется при сигнале на С в такте t равном 0.
Типовая структура аппаратных средств МП-системы
Рассмотрим типовую структуру аппаратных средств передачи данных в технологической сети (рис. 4.1). Представленная структура представляет собой вариант реализации двусторонней связи между ЭВМ АСУТП и МП-контроллером. По данному каналу связи передаются информационные сигналы контроля и управления технологическими установками (рис. 1.14). Для того, чтобы поставить и решить задачи тестирования и диагностики аппаратных средств, рассмотрим более подробно структуру микропроцессорной системы.
Входной информационный сигнал Хівх имеет структуру, представленную во 2-й главе (2.3), и в соответствии со структурой декодируется поле адреса источника сигнала и адрес принимающего МП-контроллера (см. рис. 2.4). После декодирования адресов происходит сверка контрольной суммы информационного сигнала.
Далее информационное сообщение поступает на вход МП-системы контроля и управления, обобщенная структура которой представлена на рис. 4.2.
Системные шины формируются с помощью буферов для подключения множества внешних и системных устройств. Каждый контроллер внешнего устройства обеспечивает управление ВУ в соответствии с их специальными алгоритмами функционирования, в том числе и связь с ЭВМ АСУТП. От нее поступают заданные значения регулируемых параметров, набор параметров регулирования и т.д.
Микропроцессорная система может работать в трех режимах обмена данными: 1. Программный. Все внешние устройства работают под управлением программы самого процессора помощью соответствующих команд. 2. С прерыванием. Этот режим включается с разрешения микропроцессора по запросу на прерывание от внешнего устройства. Дальнейший обмен данными между внешними устройствами идет под управлением МП. 3. Режим прямого доступа к памяти (ПДП). Этот режим состоит в том, что обмен данными происходит между внешним устройством и ОЗУ без участия процессора, но с его разрешения.
При обмене данными в каждый момент времени шина данных захватывается только одним из внешних устройств, которое получает право выставлять свои данные. Технически эта задача обеспечивается тем, что все устройства, связанные с системными шинами, имеют трехстабильные логические схемы на выходе.
Эти логические схемы представлены в алфавите {0, 1, оо}. В МП-системе принята двухуровневая структура управления: Макро-уровень, на котором имеется целый ряд т.н. стандартных машинных циклов, с помощью которых реализуются стандартные процессы обмена данными. Тип машинного цикла определятся специальным кодом, который вырабатывается при выполнении каждой команды - этот код называется слово состояния процессора (ССП).
Микроуровень. Представляет собой последовательность управляющих сигналов внутри машинного цикла, который реализует конкретные режимы и процедуры обмена. Управляющие сигналы при этом обеспечивают выполнение некоторых микроопераций связанных с приемом и запоминанием.
Интерфейс в МП-системе - это совокупность системных шин и специальных микросхем, которые обеспечивают процессы обмена информацией во всех режимах работы системы. В состав любого МП-комплекта входит значительное количество различных интерфейсных больших интегральных схем (БИС), с помощью которых можно строить разнообразные микропроцессорные схемы, например: 1. генератор синхроимпульсов; 2. системный контроллер; 3. Программируемый контроллер параллельного ввода-вывода; 4. Программируемый контроллер ПДП; 5. Программируемый контроллер прерывания и т.д. Системный контроллер предназначен для: 1. Формирования системной шины данных; 2. Хранения слова состояния процессора в течение машинного цикла; 3. Формирование управляющих сигналов в соответствии с типом выполняемого машинного цикла.
Похожие диссертации на Методы и алгоритмы диагностирования автоматизированных систем управления производством с распределенной структурой
