Введение к работе
Актуальность работы. Разработка и модернизация систем оперативного управления является одной из приоритетных задач нашей науки и промышленности, так как направлено на повышение экономической эффективности производства.
Современные системы оперативного управления промышленным производством, в том числе и резинотехническим, должны обеспечивать сбор и обработку больших объемов информации, ее хранение и представление в удобном для обслуживающего персонала виде. Кроме того, они предназначены для постоянного отслеживания состояния объекта управления и своевременного реагирования на все его изменения.
Важно отметить, что современное резинотехническое производство представляет собой систему территориалъно-распределенных технологических объектов, что требует создания распределенных систем управления. Такие системы должны обладать свойствами повышенной надежности и отказоустойчивости, а также быть гибкими и легко настраиваемыми.
В связи с этим актуальным является проблема разработки средств алгоритмического и программного обеспечения для распределенных систем управления резинотехническим производством, обладающими необходимыми таким системам свойствами.
Тематика диссертации связана с реализацией разделов комплексной программы Министерства'образования Российской Федерации «Информатизация России» и соответствует научному направлению Воронежского государственного технического университета «Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы для управления технологическими процессами».
Целью работы явля-.тся разработка моделей и алгоритмов, реализующих высоконадежное функционирование распределенной системы управления резинотехническим производством, а также средств информационного обе;.печения.
Исходя из цели работы, определены следующие основные задачи:
исследование методов и алгоритмов моделирования и
управления распределенными технологическими объектами,
структурно-функциональный анализ резинотехнического
2 производства, а также средств программного обеспечения АСУ
распределенными производственными системами;
разработка структуры и состава системы управления распределенными объектами резинотехнического производства;
разработка алгоритмов управления аппаратом приготовления резиновых смесей и адаптивного алгоритма высокоточного взвешивания;
создание программного обеспечения информационно-управляющей системы распределенными технологическими объектами резинотехнического производства.
Методы исследования основаны на использовании математической теории систем, системного анализа, вычислительной математики, теории графов, математического моделирования, объектно-ориентированного программирования.
Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:
результаты структурно-функционального анализа объекта исследования как системы с территориально-распределенными технологическими объектами, положенные в основу при разработке системы управления;
структура распределенной информационно-управляющей системы, обеспечивающей высоконадежное функционирование всех компонентов резинотехнического производства;
алгоритм высокоточного дозирования компонентов резинотехнических смесей, отличающийся повышенной точностью процесса взвешивания, а также существенным сокращением обработки информации;
алгоритм управления аппаратом приготовления резиновых смесей, отличающийся воспроизведением технологичес:.^гх рецептов в виде последовательной обработки логических операции;
структура проблемно-ориентированной СУБД, позволяющей реализовать режим распределенного управления;
средства программного обесечения автоматизи;: званного тер-риториально-распределенного резинотехнического производства.
Практическая ценность. Предложенная универсальная трехуровневая система моделирования позволяет создавать модели сложных систем из набора одинаковых элементов и дает возможность быстрого перехода от модели к системе управления, которая строится по тем же самым принципам и из того же набора элементов.
Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение распределенной системы управления резинотехническим производством может быть использовано при создании информационно-управляющих систем различных распределенных технологических процессов. В частности, оно может применяться для автоматизации различных процессов смешения по технологическим рецептам, для управления системами транспортировки сырья и готовой продукции.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные
теоретические и практические результаты работы реализованы в виде
распределенной информационно-управляющей системы
приготовления резиновых смесей ОАО «Воронежшина».
Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет двести десять тысяч рублей в ценах мая 2000 г. Эффект достигается за счет рационального использования материалов, увеличения производительности работы и уменьшения времени простоя оборудования подготовительного цеха.
Апробация работы. Положения работы доложены и обсуждены на Третьей Всероссийской конференции «Разработка АСУТП в системе Трейс Моуд: Задачи и Перспективы» (Москва, 1997); II Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1997); III Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1998); IV Международной электронной научной конференции «Современные проблемы .информатизации» (Воронеж, 1999), а также на научных семинарах кафедры ABC ВІТУ в 1997-2000 гг.
Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано 11 печатных работ.
Структура :: объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня библиографических источников из 110 наименований и содержит 113 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 4 таблицы и приложения на 56 страницах.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, дается краткая характеристика работы и излагается ее основное содержание.
В первой главе анализируются методы моделирования
распределенных технологических объектов, проводится сравнение
аналитического и имитационного методов моделирования, приводятся
основные способы построения имитационных моделей. Проведены
структурно-функциональный анализ резинотехнического
производства как объекта управления и анализ средств программного обеспечения АСУ распределенными производственными системами. Сформулированы основные цели и задачи исследования.
К настоящему времени сложилось два подхода к исследованию реальных сложных систем и построению их математических моделей: аналитический и имитационный.
Ввиду того, что явления в технологическом объекте сложны и многообразны, на алгоритмы формирования аналитической модели накладываются жесткие ограничения, которые становятся слишком грубым приближением к действительности. В этом случае используются имитационные модели, реализующие состояния реальной системы.
Имитационное моделирование, самой постановкой задачи ч и определением возможных методов ее решения, предполагает алгоритмическую и, соответственно, программную реализацию. Моделирующие алгоритмы позволяют по исходным данным, содержащим сведения о начальном состоянии системы, и фактическим значениям ее параметров отобразить реальные явления в объекте и получить сведения о возможном его поведении в данной конкретной ситуации, на основании которых возможно принятие соответствующего решения по управлению.
Современное резинотехническое производство можно описать как сложную систему управления, в которой в качестве объекта управления выступает материально-производственная система, а роль регулятора выполняет информационно-упра іляющая система.
При описании технологического процесса приготовления резинотехнических смесей каждую операцию можно характеризовать производственными звеньями. Этими звеньз:.ли могут быть весы, смесители, транспортные средства, склады и т.п. Производственный процесс связан с движением продуктов производства через звенья от входов к выходам. Процессы перемещения продукта оцениваются затратами времени на выполнение технологических операций в производственных звеньях. Такое представление производственного процесса соответствует понятию материального потока, характеристиками ко-
5 торого являются интенсивности перемещения единиц потока и временные задержки в звеньях.
Характер преобразования продуктов в производственных звеньях позволяет отнести их к трем различным группам: обрабатывающим звеньям, звеньям хранения и звеньям манипулирования.
Рассматривая резинотехническое производство как совокупность технологических звеньев, можно четко выделить отдельные технологические линии и транспортные системы. Каждая такая линия или система представляет собой самостоятельный технологический объект, который связан с другими объектами материальными потоками. Таким образом, резинотехническое производство представляет собой систему с территориально-распределенными технологическими объектами.
Производство резинотехнических смесей является дискретным производством и характеризуется дискретным по времени изменением характеристик единиц материального потока. Таким образом, описание предметной области моделирования резинотехнического производства связано с анализом материальных потоков и состояний оборудования в системе.
ТРЕЙС МОУД, созданная фирмой AdAstra Research Group, является инструментальной системой предназначенной для разработки распределенных АСУТП широкого назначения. Система содержит обширный набор инструментов, автоматизирующих наиболее сложные этапы создания системы управления, - процесс приема и обработки сигналов, организации автоматического управления исполнительными устройствами, графической визуализации измеренных величин, ведения архивов и генерирования отчетов.
При помощи ТРЕИС МОУД возможно разрабатывать распределение сетевые системы реального времени, на базе любых контроллеров. Сетевые комплексы могут работать под управлениек практически любых сетевых ОС, включать в себя до 200 станций с обменом в режиме «точка-точка». Кроме того, в системе предусмотрены сотни других функций, способных подчинить воле разработчик л любой технологический процесс.
Это позволяет использовать данное программное обеспечение как основу для создания распределенной системы управления резинотехническим производством.
Вторая глава посвяш\щена анализу структуры
распределенной системы управления резинотехническим
производством в целом, а также подсистемы управления линией смешения и подсистемы управления материальными потоками
Одной из основных задач в рамках создания АСУТП резинотехническим производством является разработка структуры распределенной системы управления технологическим процессом (Рис. 1). При этом основными критериями являются отказоустойчивость системы, достоверность получаемой оперативной и архивной информации, совместимость с имеющимися техническими средствами и их максимальное использование в новой АСУ ТП.
"Центральная" система управления
Система
управления
транспортной
системой
Система
управления
технологической
линией 1
Система
управления
технологической
линией 2
і
Система
управления
технологической
линией N
Система ввода-вывода
Система ввода-вывода
Система ввода-вывода
Система ввода-вывода
Локальный регулятор 1
Локальный регулятор 1
Локальный регулятор 1
Локальный регулятор 1
Локальный регулятор 2
Локальный регулятор 2
Локальный регулятор 2
Локальный регулятор 2
Локальный регулятор N
Локальный регулятор N
Локальный регулятор N
Локальный регулятор N
Рис. 1. Структура распределенной системы управления Для облегчения разработки, создания и отладки все алгоритмы подсистемы управления линией смешения были разбиты на логически и функционально законченные части, каждая из которых отвечает за выполнение определенной задачи управления. Например, в рамках подсистемы управления линиями смешения выделено 9 алгоритмических модулей управления (Рис. 2).
Все модули функционируют параллельно в режиме реального времени и используют общую систему ввода-вывода (дискретные и аналоговые сигналы) для обмена информацией с объектом управления. Связь между различными модулями управления
осуществляется через систему флагов и общих глобальных переменных.
Запуск
Общий контроль
Рис. 2. Структура подсистемы управления линией смешения
Транспортная система представляет собой асинхронную систему, в математической модели которой в качестве базовой информации используются данные о логической взаимосвязи событий в системе. Необходимые в модели моменты и интервалы времени также представляются в виде событий, а их взаимосвязи с другими событиями описываются в форме логических отношений.
Формализованное описание процессов функционирования транспортной системы реализует аппарат сете'д Петри.
Сеть Петри формально описывается кабором вида N = <Р Т, Е, Мо>, где Р - непустое конечное множество позиций; Т - непустое конечное множество переходов; Е с (Р х Т) <и (Т х Р) - отношение инцидентности позиций и переходов; Л/о - начільная маркировка, Л/о: P_>N,N={0,1,2,...}.
Рассмотрим процесс создания модели ка примере элемента транспортной системы с помощью сетей Петри. В качестве элемента моделирования выберем конвейер как наиболее распространенный. Сеть Петри, представляющая модель конвейера, показана на рис.3, где Pi - конвейер свободен, р2 - тележка загружена, рз - тележка у конеч-
8 ника, р4 - имеется тележка для загрузки, р5 - можно разгружать конвейер, ti ~ загрузка тележки, t2 - перевозка тележки, О - выгрузка тележки.
Рис. 3. Модель конвейера в виде сети Петри
После построения моделей отдельных элементов, синтезируется общая модель материальных потоков в транспортной системе, на основе которой строится система управления.
В третьей главе приводится формализованное описание процессов функционирования распределенной системы обработки информации и управления. Рассматриваются алгоритмы управления аппаратом приготовления резиновых смесей и адаптивный алгоритм высокоточного взвешивания.
Рассматриваемая здесь имитационная модель реализует модульный принцип моделирования, что позволяет создавать модели объектов управления из набора однотипных модулей, каждый из которых представляет собой модель определенного технологического оборудования.
Каждый модуль структурно описывается совокупностью четырех векторов:
м; = а о, s, с}, сі)
где I - вектор входных сигналов, О - вектор выходных сигналов, S - вектор внутренних состояний модуля, С - вектор алгоритмов поведения модуля.
Главной особенностью предлагаемой системы моделирования является ее зииверсальность и возможность быстрого перехода от модели к системе управления, которая строится по тем же самым принципам и из того же набора элементов.
Переход от модели к системе управления, которая в общем виде описывается формулой:
M' = {I',0',S',C'}, (2)
может быть осуществлен на основе следующих преобразований: Г = О, О' = I, S' = S, где I, О, S - вектора из модели, описываемой формулой (1).
Данная методика построения моделей технологического оборудования и соответствующих им систем управления является основой для построения общей модели распределенного объекта управления. Для решения этой задачи реализованы также сети Петри, примененные ранее как средства моделирования материальных потоков (Рис. 4).
Рис. 4. Модель технологической линии в виде сети Петри Данная технологическая линия включает двое весов, два конвейера и смеситель.
Временная диаграмма работы модели технологическая линии » представлена на рис. 5. Следует обратить внимание, что технологическое оборудование работает параллельно, что позволяет сократить общее время цикла смешения.
Весы 2 Конвейер 1 Конвейер 2 Смеситель
Весы 1
її.
линии
Рис. 5. Временная диаграмма работы модели технологической
Построение моделей систем с распределенными технологическими объектами позволяет изучить их основные свойства, необходимые для создания информационно-управляющих систем, а также использовать данные модели в качестве эталона правильной работы объ-екта.управления.
Современная технология резинотехнического производства для обеспечения высокого качества продукции требует наличия высококачественных маточных резиновых смесей. Основным технологическим элементом линии по изготовлению маточных резиновых смесей является смеситель закрытого типа.
Программно-алгоритмическое обеспечение системы управления должно поддерживать трансляцию последовательности технологических операций в соответствующие им минимальные логические действия оборудования (минилоги) (Рис. 6).
Модуль S23 Управление смесителем
Модуль S35 Счетчик замесов
Модуль SS28
Проверка конвейеров
и течек химикатов
Модуль SS42 Очистка флагов и тушение ламп
Модуль SS55
Проверка оборудования
миксера на останов
Модуль SS60 MIX.EXT
Модуль SS61 Установка скорости
Модуль SS63 Подсчет энергии
Модуль SS56 Разгрузка химикатов
Модуль SS59 DRB.DRP, DPB, DCB, DOP, DOL
Модуль SS57
Разгрузка с весов
WR6-WR10
Модуль SS64 Разгрузка сажи
Рис. 6. Структура алгоритмов управления смесителем Это достигается решением следующих задач:
-
Представление объекта динамическими векторами управления и состояния.
-
Декомпозиция векторов на программно-алгоритмические составляющие, эквивалентные технологическим минилогам.
-
Создание программы-диспетчера, которая обрабатывает коды команд и управляет векторами состояния.
-
Создание системы слежения за совпадением требуемого состояния оборудования с действительным.
Получение многокомпонентной смеси по заданному рецепту с высокой точностью является актуальной проблемой для многих отраслей промышленности (пищевая, шинная, химическая). При этом суммарная навеска составляет от 15 до 1000 кг.
Основным показателем процесса дозирования любых веществ является производительность системы подачи материала на весы. Определение производительности по аналитическим формулам практически невозможно из-за неизвестности ряда законов её изменения и их параметров.
Создание алгоритма точного дозирования, при условии неизменности характеристик взвешиваемого вещества, основывается на предварительном тестировании работы оборудования. Для этого производят два контрольных взвешивания и на основании полученных данных определяют зависимость показаний весов от времени:
Данная формула учитывает все статические погрешности, которые возникают при взвешивании. Однако, при реальной работе оборудования возникают случайные погрешности, связанные с изменением параметров материала в процессе дозирования. Это приводит к тому, что производительность системы в стационарном режиме не является постоянной, а изменяется по случайному закону.
Решением данной проблемы является расчет значения производительности на основании показаний весов во время процесса дозирования.
Динамическое вычисление производительности системы позволяет компенсировать неравномерность поступления материала на весы и организовать процесс управления взвешиванием на основе расчета времени окончания дозирования. По формуле „ _ < ~ о опре-
деляется производительность в любой момент времени ti. Зная требуемый вес G, расчитывается время окончания дозирования ^ _ _.
!2 Применение данного метода определения момента завершения взвешивания повышает точность дозирования и позволяет уменьшить частоту опроса показаний весов.
Четвертая глава содержит подробные описания структуры
распределенной информационно-управляющей системы
приготовления резиновых смесей, структуры средств технического обеспечения и структуры программного обеспечения.
Приготовление резиновых смесей является основой шинного производства. Данный технологический процесс осуществляет сложная территориально-распределенная производственная система, которая состоит из нескольких технологических линий смешения, транспортной системы и складских помещений (Рис. 7).
Склад
резиновых
готовых
V I V
{ Догастр-,1
Г;Дозатор'--|
[ ^ ipbuemptHM <«w _L_. [ лей") І -дез j [да I | Яса J { яса ] "::' У CO T JT x. ^L A ..уса :ЛС2- лав- усо :ЯС4: .УСО, ЛСЗ" і лез де* Л-С2 ЛС* Z/m титр Ком» 2 Центр .Хоми 1 t 1 Рис. 7. Структурная схема системы приготовления резиновых смесей и распределенной АСУТП Информационно-управляющая система реализует следующие функции: своевременное получение всей необходимой для технологического процесса информации; синхронизация работы всех агреггтов в распределенной технической системе; обеспечение максимальной надежности и отказоустойчивости системы, т.е. возможность работы ее частей в автономном режиме. Система, структура программного обеспечения которой изображена на рис. 8, а структура технических средств - на рис. 9, представляет собой совокупность самостоятельных, имеющих возмож- 13 ность работать автономно подсистем, которые, в то же время, тесно интегрированы между собой, и представляют собой строгую единую информационно-управляющую структуру. ,:,.m„,m>;.:v:m?m,K, I I I K,,m,.;.MK.„,«.:,,-:.K,,,. Мяздаи у*цн>8 л<аш р«с(((«;ллжт(в*і ^ІІіШІІІШііШІіІііІІІІіШІ ^1І1ІіІ111ІШвІІ11І1111ІІІІ ЯШІ1І1ііШШШШ111І1ііШіі| Рис. 8. Структура программного обеспечения распределенной системы управления Сервер II Подсистема верхнего уровня Подсистема распределения Активная мнемосхема Технологическое оборудование цеха Рис. 9. Структура средств технического обеспечения Разработанная информационно-управляющая система представляет собой многоуровневую распределенную систему, которая позволяет собирать и хранить всю необходимую в ходе технологического процесса информацию, а таїсже обеспечивает 14 максимальную надежность и отказоустойчивость работы. Эффективность работы системы управления подтверждается данными сравнительного анализа, приведенными в табл. 1. Таблица 1. Внедрение системы в опытную эксплуатацию на ОАО «Воро-нежшина» позволило получить ожидаемый годовой экономический эффект в объеме две( ти десять тысяч рублей в ценах мая 2000 г.