Введение к работе
Актуальность проблемы. Непрерывное совершенствование технологических процессов, использование наукоемких технологий, интенсификация производства во многих приложениях сопровождается использованием потенциально опасных технологий, что, в свою очередь, усложняет оборудование и процессы, поскольку требует включения в состав технологии систем обеспечения безопасности. Такие тенденции характерны для всех отраслей промышленности: металлургии, химической промышленности, нефтепереработки, но остро проявляются в энергетике и особенно в атомной, что объясняется, прежде всего, сложностью физических процессов, высокими единичными мощностями агрегатов, жесткими требованиями по обеспечению безопасности. Важнейшую роль в структуре современного производства с потенциально опасной технологией играют автоматизированные системы управления технологическими про--цессами (АСУ ТП).
Современные АСУ ТП в энергетике выполняют функции контроля состояния процессов и оборудования, управления системами безопасности, автоматического регулирования параметров процессов по заданным законам или программам, осуществляют защиту оборудования, ввод-вывод резерва, обеспечивают персонал необходимой информацией, воспринимают от оперативного персонала команды и обеспечивают их выполнение.
По объему воспринимаемой информации,.сложности и многообразию реализуемых функций АСУ ТП АЭС относятся к сверхсложным системам и поэтому с началом их использования в промышленности исследованию и разработке методологии проектирования таких систем посвящено большое количество работ.
Центральной проблемой в проектировании систем управления технологическими процессами является решение относительно структуры системы: информационной, функциональной и технической. .В работах по теории управления отечественных ученых: Айзермана М.А., Богомолова Н.Н., Бутковского А.Г., Воронова А.А., Емельянова СВ., Круг Е.К., Красовского А. Н., Меерова М.М., Петрова Б.Н., Поспелова Г.С., Трапезникова В.А., Фельдбаума А.А., Цыпкина Я.З. для непрерывных систем управления исследованы вопросы синтеза функциональной структуры системы в части управления отдельными параметрами. В этих исследованиях решаются фундаментальные вопросы управления конкретным параметром, определяется функ-
циональная структура контура управления, решаются принципиально вопросы управляемости, устойчивости, реактивности и т.д. При разработке системы управления эти результаты используются, но они определяют только малую часть структурных решений. В непрерывно-дискретных системах, по мнению экспертов, контуры регулирования составляют примерно от двух до пяти процентов общего числа контуров управления, защиты и измерения в функциональной структуре. Остальные 95 - 98% от общего числа контуров в функциональной структуре по своей сути - логические контуры,и их структурная организация является определяющей при выборе структурных решений.
Вопросы синтеза структуры системы по логическому описанию являются центральными в теории логического управления. В работах Гаврилова М.А., Глушкова В.М., Закревского А.Д., Лазарева В.Г., Пархоменко П.П., Поспелова Д.А., Пран-гишвили И.В., Таля А.А., Якубайтиса Э.А. и др. задачи синтеза структуры логического устройства, включая описания логического алгоритма, его эквивалентные преобразования, синтез структуры устройства из заданного набора элементов решены вполне удовлетворительно применительно к системам и устрствам ограниченной размерности (примерно 10-20 двоичных входов). Вопросы размерности и сложности самого процесса синтеза, в связи с универсальностью практически всех задач синтеза являются главным препятствием к практическому использованию теоретических результатов.
Работы 80-90 г.г. Баранова СИ., Девяткова В.В., Закревского А. Д. , Кузнецова О.П., Бандман О.Л., Горбатова В.А., Чистова В.П., Юдицкого С.А., Янковской А.Е. и др. посвящены разработкам методов, снижающих сложность синтеза как на фазах описания (разработка новых языков: ЯРУС, УСЛОВИЕ, ФОРУМ, ПРАЛУ), так и на этапах синтеза (стандартные реализации). Полученные результаты полезны применительно к отдельно взятому устройству (алгоритму), однако в реальном проектировании АСУ ТП приходится иметь дело с тысячами, в основном довольно простых, параллельно функционирующих алгоритмов. Методология структурирования этих алгоритмов в системе управления, проверка корректности, координация их интерактивного исполнения не имеют на сегодня удовлетворительного реъгёния.
Особенно это актуально для логического управления при проектировании систем безопасности, поскольку методология проектирования, гарантирующая безошибочность, является ос-
новным приемом обеспечения требуемого, достаточно высокого, уровня надежности прикладного программного обеспечения этих систем.
В этой связи развитие методологии проектирования логического управления для автоматизированных систем управления потенциально опасными технологическими процессами представляется весьма актуальным.
При этом методология должна обеспечивать возможность поэтапной верификации процесса проектирования, начиная от определения функций логического управления и заканчивая структурой логических алгоритмов и анализом их корректности. Методология должна создавать фундамент для информационной технологии, реализуемой в виде инструментария, поддерживающего проектирование системы управления от сбора данных до генерации прикладного программного обеспечения.'
Целью диссертационной работы является разработка концепции, методологической базы и инструментальных средств сквозного проектирования логических алгоритмов в системах управления сложными потенциально опасными тех-нологическими процессами.
Основные задачи диссертации, определяемые поставленной целью, состоят в следующем.
1. Разработка новых принципов и средств сквозного
проектирования логических алгоритмов для распределенных си
стем управления потенциально опасными технологическими про
цессами (ПОТП).
2. Разработка информационной технологии сквозного
проектирования логического управления для распределенных
систем управления ПОТП.
-
Разработка языка описания исходных технологических данных для проектирования структуры систем управления ПОТП.
-
Разработка моделей и методов структурирования "графовых""представлений логических алгоритмов.
-
Разработка математического аппарата эквивалентных пребразований структурированных описаний логических алгоритмов.
-
Анализ сложности структурирования "графовых" представлений логических алгоритмов.
-
Разработка моделей локальных описаний логических алгоритмов.
-
Разработка критериев корректности локальных описаний логических алгоритмов.
9. Разработка методов проверки корректности логических алгоритмов на основе построения моделирующих сетей Петри.
Методы исследования базируются на математической логике, теории конечных автоматов, общей алгебре, теории графов, комбинаторике, теории сетей Петри и теоретическом программировании .
Научная новизна работы заключается в обосновании и разработке оригинальных принципов сквозного проектирования распределенных систем управления потенциально опасными технологическими процессами и создании на этой основе информационной технологии проектирования логического управления от фазы формализации исходных данных по объекту автоматизации до фазы генерации прикладного программного обеспечения.
В рамках предложенной технологии впервые поставлены и решены задачи регуляризации логических алгоритмов для интерактивного выполнения и проверки корректности логических алгоритмов по локальному описанию с учетом взаимодействия с объектом.
Практическая ценность работы.
Представленные в диссертации результаты использованы в ряде проектов и позволяют научно обоснованно решать важные задачи, возникающие при разработке распределенных систем управления потенциально опасными технологическими процессами, такие, как формирование функциональной структура системы управления; обеспечение пошаговой технологии "разработки-программирования" с верификацией логических алгоритмов для управляющих систем безопасности; разработка инструментальных средств автоматизированного проектирования.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверадается убедительным обоснованием постановок задач, математически точной формулировкой критериев корректности, математическим доказательством точных формулировок, корректным определением семантики языка, наглядностью технической интерпретации, а также результатами практического использования предложенных в диссертации методов, моделей и средств.
Реализация результатов. Полученные в диссертации результаты использованы при создании ряда инструментальных комплексов автоматизированного проектирования: ППП "ФОРУМ-ЕС, тиражируемый в 80 г.г.; Макет Инструментального комплекса автоматизированной разработки НТК на СПА-ПС (ИКАР-СПА-Ш), созданный в Институте проблем управления и переданный в
АЭП, НПО "Автоматика"- г.Омск и НПО "ЭЛВА" г.Тбилиси.
Методология проектирования, предлагаемая в диссертации, опробована при разработке ряда распределенных систем управления в промышленности: проект АСУ ТП Башкирской АЭС (1990 г.); АСУ ТП элеватора Бутурлиновского хлебокомбината (1995 -1996 Г.Г.).
Результаты диссертации, опубликованные в монографиях, статьях и учебных пособиях, используются в учебном процессе в Московском Институте стали и сплавов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на Международных семинарах ученых стран--членов СЭВ "Разработка общей теории автоматов" (Будапешт
1977, 1982 г.г., Прага - 1983, Лейпциг - 1984, Суздаль -
1985); Международной конференции "MICROSYSTEM'83" (PRAHA, 1983); Международной конференции MAN-MACHINE INTERFACE IN THE NUCLEAR INDUSTRY{ TOKYO, 15-19 Feb 1988 г.); Мездунаро-дной конференции MICROSYSTEM' 89 (Karlovy Vary, 1989 г.);" Всесоюзных совещаниях по автоматическому управлению (Таллин: - 1980, Ереван - 1983, . , Ташкент - 1989 г.); Всесоюзных школах - семинарах по теории релейных устройств и конечных автоматов (Фрунзе - 1977, Киев - 1983, Кишинев -1980,1988, Москва - 78,89,90,96 г.г.); Всесоюзной конференции "САПР и их информационное обеспечение" (Москва - 1988 г.); на ряде Всероссийских и отраслевых совещаниях и семинарах 1986 - 1996 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 40 печатных работ, в том числе 2 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Общий объем основной части работы составляет 255 страниц машино-' писного текста, 84 рисунка, 8 таблиц. Список литературы на 26 страницах (276 публикаций).
