автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмическое обеспечение систем управления рабочими органами и механизмами судоходных шлюзов

На правах рукописи

Преображенская Мария Владимировна

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМИ ОРГАНАМИ И МЕХАНИЗМАМИ СУДОХОДНЫХ ШЛЮЗОВ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2004

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государа венном университете водных коммуникаций

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Марлей Владимир Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Климов Евгений Николаевич

кандидат технических наук,

ведущий научный сотрудник Морозов Владимир Петрович

Ведущая организация: Волго-Балтийское государственное бассейновое управление водных путей и судоходства

Защита состоится " 1" июля 2004г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 Санкт-Петербургского

государственного университета водных коммуникаций по адресу: 198035 Санкт-Петербург, ул.Двинская 5/7.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета Автореферат разослан " 1 " июня 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совет доктор технических наук, профессор

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Автоматизированное управление сложными объектами промышленности и транспорта как один из способов повышения эффективности и безопасности производства стало бурно развиваться, начиная с 30-40-ых годов XX века. При автоматизации управления технологическими процессами работы механизмов рабочих органов судоходных гидротехнических сооружений есть ряд сложностей, которые затрудняют реализацию систем контроля, диагностики и управления такими объектами.

Во-первых, как напорные сооружения повышенной опасности, они не допускают ложных срабатываний рабочих органов (ворот и затворов шлюза), которые могут привести не только к авариям, но и к катастрофам. Поэтому системы контроля и управления рабочими органами судоходного шлюза должны быть обеспечены многочисленными средствами защит и блокировок, требующих строгого выполнения всех предусловий и постусловий следования операций в алгоритмах функционирования технологических процессов шлюзования судов.

Во-вторых, аппаратная реализация существующих в настоящее время систем управления и контроля на большинстве судоходных шлюзов внутренних водных путей России относятся к типу релейно-контакторных схем, которые требуют существенных затрат времени обслуживающего персонала для ухода, устранения сбоев и отказов, а вмешательства человека в схемы управлешм уже не раз приводили к аварийным ситуациям.

Такие системы, спроектированные и построенные более 50-ти лет назад, не отвечают современному уровню развития техники управления в условиях высокой интенсивности судовых потоков и давно требуют замены.

В третьих, конструкции камер, голов и подходов напорных судоходных

гидротехнических сооружений, их габариты, зависят от, особенностей, rpyli-

I r..A I

тов и условий гидростроительства, контингента пропускаемого сурового по-

| OJ

тока, систем наполнения и опорожнения камер шлюзов и т.п., привели к большому многообразию конструкций рабочих органов, их механизмов и приводов, что значительно осложняет решегше задач алгоритмического обеспечения систем управления.

Преодоление этих трудностей, обусловленных спецификой исследуемых объектов управления, привело к поиску новых научных подходов в разработке алгоритмического обеспечения систем управления судоходными шлюзами.

Все вышесказанное определяет актуальность темы диссертационной работы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование комплекса моделей системы автоматизации управления работой механизмов рабочих органов судоходных шлюзов в условиях их циклического действия для реализации безопасных режимов эксплуатации.

Для достижения данной цели в диссертационной работе поставлены следующие подлежащие решению задачи:

1. Анализ технологических процессов автоматизировашюго управления работой механизмов рабочих органов судоходного шлюза в различных эксплуатационных режимах;

2. Формализация и унификация операций технологических процессов автоматизированного управления работой механизмов судоходного шлюза;

3. Разработка комплекса моделей процесса автоматизированного управления работой механизмов шлюза для представления структуры управляющей логической машины (УЛМ);

4. Разработка алгоритмического обеспечения, как единой целостной системы для всего комплекса моделей блоков управления рабочими органами шлюзов в структуре УЛМ;

5. Разработка обобщенной структуры УЛМ для создания опытных и серийных образцов.

Объектом исследования является судоходный шлюз как напорное гидросооружение повышенной опасности с циклическим действием его рабочих органов.

Предметом исследования служат процессы автоматизированного управления механизмами рабочих органов судоходного шлюза и их алгоритмическое обеспечение.

Методы исследования. В работе использовался функционально-целевой системный подход, включающий модель автоматизированной системы управления механизмами рабочих органов судоходного шлюза с декомпозицией на частные модели, при описании которых используются: теория графов, теория алгоритмов, теория конечных автоматов, теория управления, теория надежности, теория диагностирования технических систем.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Разработан комплекс моделей технологических процессов автоматизированного управления рабочими органами и механизмами судоходных шлюзов, отличающейся тем, что алгоритмическое обеспечение составило единую, взаимосвязанную и взаимообусловленную унифицированную систему управления в виде управляющей логической машины.

2. Определена функционально-структурная симметрия технологических процессов шлюзования, отличающаяся тем, что проявлена как симметрия системного, так и локального времени, в которых описываются режимы работы и ситуации развития технологических процессов судоходного шлюза во встречных направлениях.

3. Разработана декомпозиционная структура УЛМ, отличающаяся распределенной синархической системой унифицированных блоков управления.

4. Разработаны модели операционных и управляющих автоматов, отличающихся тем, что их действия подчиняются единым алгоритмам функционирования на разных синархических уровнях структуры УЛМ.

5. Построена совокупность взаимодействующих абстрактных автоматов, отличающихся тем, что обеспечивает управление механизмами шлюза в штатных и аварийных режимах.

Практическая ценность. Предложенный автором диссертационной работы подход к разработке и построению алгоритмического обеспечение комплекса автоматных моделей технологических процессов рабочих органов судоходного шлюза, отличающихся тем, что в основу такого подхода была предложена унифицированная функциональная- структура, независящая'от конструктивного исполнения рабочих органов, их механизмов и приводов. Это позволило автору выработать структуру УЛМ, как для однокамерных, так и для многокамерных шлюзов с различными механизмами и приводами рабочих органов для построения автоматизированных систем управления судоходными шлюзами.

Многолетний опыт эксплуатации УЛМ на шлюзах разных конструкций подтвердил практическую ценность разработок автора.

Реализация результатов работы. Результаты, полученные автором и представленные в диссертационной работе, как научных исследований, так и конструкторских разработок можно разделить на три временных этапа.

На первом этапе с 1972 года по 1976 год, при создании опытного образца УЛМ судоходного шлюза, научные исследования и конструкторские разработки велись параллельно, группой разработчиков под руководством автора, в рамках временного научно-конструкторского центра, организованного непосредственно на шлюзах Волгоградского района гидросооружений (ВРГС).

Второй этап с 1976 года по 1979 год, в период опытной эксплуатации УЛМ, была проведена доработка и подготовлена документация совместно с конструкторским бюро Минского электромеханического завода для промышленного серийного изготовления УЛМ. На этом этапе проходила апробация и коррекция результатов первоначально принятых решений.

На третьем этапе с 1979 года по 2004 гид, в период эксплуатации УЛМ на 30 и 31 шлюзах ВРГС и на 13 шлюзе Волго-Донского судоходного канала (ВДСК), научные исследования были направлены на анализ опыта многолетней эксплуатации УЛМ, его критического осмысления и внесения изменений в методологический подход разработки алгоритмического обеспечения УЛМ.

Таким образом, процесс исследований и принятия заключительных решений растянулся более чем на 30-ть лет, и его результаты были представлены в отчете по НИР Институтом проблем транспорта РАН с участием автора и в акте внедрения.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Подход к построению комплекса моделей технологических процессов автоматизированного управления рабочими органами и механизмами судоходных шлюзов.

2. Обобщенная унифицированная модель алгоритмического обеспечения автоматического управления в условиях различных эксплуатационных режимов работы шлюза.

3. Автоматные модели отдельных функциональных блоков и их унифициро-

ванная структурная связь в управляющей логической машине. Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXYII научно-технической конференции Ленинградского института водного транспорта (Ленинград 1973 г.), Международной научно-технической конференции «Транском-99» (Санкт-Петербург 1999 г.), У11 Международной конференции-"Сто-2001" Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург 2001 г.), Международной научно-технической конференции «Транском-2001» (Санкт-Петербург 2001 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 8 статей в сборниках научных трудов ЛИВТа и СПГУВК, тезисы к 5 докладам на международных и отраслевых научно-технических конференци-

ях и одно авторское свидетельство, в том числе 7 научных работ - без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация, объемом 156 машинописных

страниц, состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы, включающего 52 наименования.

Основное содержание работы

Во введении показана актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, изложены научная новизна, практическая значимость, приведены результаты апробации и внедрения в реально действующие объекты на уровне промышленных изделий и длительной их эксплуатации.

В первой главе диссертации дана общая характеристика объекта исследования, обосновывается использование системного подхода для анализа и синтеза систем управления судоходными гидротехническими сооружениями (СГТС), выполнен краткий обзор существующих систем управления рабочими органами судоходных шлюзов, действующих в отечественной и зарубежной эксплуатационной практике. Обращается внимание на их многообразие и ограниченный уровень унификации. Отмечается необходимость перехода отечественных систем управления на современный уровень технической реализации автоматизации судоходных шлюзов, обеспечивающих унификацию и безопасность функционирования.

Во второй главе рассмотрен объект исследования с позиций его структурных и функциональных особенностей, как в штатных, так и аварийных режимах. Взаимодействие основных технологических процессов функционирования объекта, а именно рабочих и холостых шлюзований вверх и вниз представлено на рис.1, из которого видно, что структурно-функциональная схема циклических процессов шлюзования предельно симметризована. Цикл №1: РШВ-...ХШН-... выполняется при одностороннем потоке судов с ниж-

него бьефа, цикл №2: РШВ-... РШН-... - при двухсторонних потоках судов с нижнего и верхнего бьефа, цикл №3: Р1Ш1-... ХШВ-... - при одностороннем потоке судов с верхнего бьефа. Три разновидности циклов взаимодействуют между собой, то есть в технологическом цикле есть одно или два состояния объекта, в которых происходят переходы с одной разновидности цикла на другую, причем переходы осуществляются без выполнения каких-либо технологических операций. Все остальные переходы взаимодействия циклов с исходным состоянием шлюза выполняются при определенных последовательностях, технологических операций. Аббревиатура сокращений, используемая на рисунках, приведена в конце автореферата.

Технологические процессы рассматриваются на двух уровнях структурно-функциональной декомпозиции, первый из которых изображен на рис.2, на котором для однокамерного судоходного шлюза с любыми конструктивными особенностями представляется процесс работы шлюза десятью фрагментами технологических процессов. Второй уровень структурно-функциональной декомпозиции детализирует технологические процессы до технологической операции, выполняемой на шлюзе. Введено четыре группы технологических операций, а именно:

- с камерой шлюза «наполнить», «опорожнить»;

- с механизмами шлюза «открыть», «закрыть» и другие технологические операции с двустворчатыми воротами, с затворами водопроводных галерей, с подъемно-опускными воротами;

- со светофорами шлюза «включить...» красным, зеленым светом;

- с судами, выполняющими процесс шлюзования, «вход...», «швартовка...», «выход...».

Рис. 1 Взаимодействия трех основных циклических процессов с исходным состоянием для

однокамерного судоходного шлюза.

Рис 2 Технологический процесс шлюзования в симметризованной форме системного й локального времени

Технологические процессы фрагментов №3 и №4 представлены на рис. 3 на четырех линиях одновременно выполняемых и изображенных, поэтому параллельно технологических операций, а именно технологические процессы РШВ и РШН. На рисунках четко проявлен принцип симметрии системного и локального времени на встречных направлениях шлюзования в трех состояниях.

В третьей главе дана унифицированная структура автоматизированной системы управления работой шлюза, которая представлена на рис. 4. АСУ ТП предназначена для ведения технологических процессов. Она обеспечивает с одновременным повышением степени автоматизации и совершенствованием существующих систем управления судоходных шлюзов повышение надежности системы управления и ремонтопригодности. Вахтенный начальник шлюза (опера юр системы управления) с помощью систем ввода и отображения информации осуществляет процесс управления УЛМ и контролирует (по мнемосхеме, индикаторам центрального пульта управления и визуально наблюдая объект)

процесс управления объектом - судоходным шлюзом. УЛМ на базе информации, поступающей от системы обеспечения информацией и системы ввода информации определяет функционирование объекта, управляя системой силового питания, системой приводов рабочих органов (механизмов) шлюза и системой навигационной сигнализации (светофорами). Разработана структура процессов функционирования УЛМ, как в штатных, так и в аварийных режимах. Набор функциональных блоков УЛМ определяется распараллеливанием всех процессов, протекающих одновременно во времени, с целью получения наиболее простых алгоритмов управления функциональных блоков УЛМ. Унификация функциональной структуры УЛМ обеспечивается объединением частных процессов в единую симметризованную систему, распределенную в пространственно-временной метрике. Пример такого распределения в функциональном пространстве показан на рис. 5 для однокамерного шлюза.

РШВ

г* ВхН

ВЗб ЕК7 ВК6

¿>1

гпсо

ШвН*

зкв

зсо

Г> ВыхВ "1

М

В34

взлс

ВК4

оси

НпК

овв

РШН

"1 Принятие

_) решенвя --►

В37 —

о

В32 !

взз

ВхВ

вкз

¿>1

ШвВ

звв

В35

ВихН

ВЗПС

ВК5

ОСО _ 1ПСО

ОпК

ОНВ

2ПСО

Рис. 3 Проведение рабочих шлюзований вверх и вниз.

В37

Принятие решения

е е

Рис.4 Функциональная структура АСУ ТП судоходного шлюза.

Рис 5 Распределенная структура системы управления судоходным однокамерным шлюзом

На рис. 5 четко прослеживается принцип построения системы - модульность на голову шлюза. Два функциональных модуля головы шлюза взаимодействуют и обеспечивают процесс управления однокамерным шлюзом, четыре - двухкамерным шлюзом, -камерным шлюзом.

В четвертой главе разработана вложенная матричная синархическая структура четырех уровнсвых операционных и управляющих автоматов, представленная на рис.6, отличающаяся тем, что абстрактный автомат нижнего уровня включается в автомат верхнего уровня с добавлением его управляющих функций. Эта процедура вложения рекурсивно выполняется от нулевого до четвертого уровня. Как видно из рис. 6 и рис. 7, сама процедура вложения предельно унифицирована и симметризирована.

В диссертационной работе рассмотрены абстрактные автоматы Мили и Мура, а также их совмещение. Установлено, что они не могут быть моделями функциональных блоков УЛМ. В качестве математической модели функциональных блоков УЛМ разработан расширенный абстрактный автомат Мари, представленный на рис.8, алгоритм функционирования которого описывается следующими формулами:

а(1+1) = о(а(1), 2(1));

Особенностью функционирования автомата Мари является то, что функции выходов образуются:

- не на переходах из одного состояния в другое, как у автомата Мили,

- не на состояниях без дополнительной обработки входных сигналов, как у автомата Мура,

Рис. 6. Вложение операционного устройства ьш уровня в операционный автомат i+1 -го уровня.

Рис. 7

Иерархия управления УЛМ судоходного шлюза

не в варианте, как у совхмещенной модели С-автомата, а в соответствии с представленными математическими формулами восьми-компонентного кортежа.

Ъ = {го,...^} - множество входов (входной алфавит); и = {ио,...,ин} - множество выходов типа 1 (выходной алфавит типа 1); И = {лу0, ... ^с} - множество выходов типа 2 (выходной алфавит типа 2); о : А х Ъ А - функция переходов, реализующая отображение

: А II - функция выходов, реализующая отображение 0^1 А на 1Л; \2 ■ Ш 2 —> - функция выходов, реализующая отображение

аЬ е А - начальное состояние автомата;

Рис. 8 Функциональная структура автомата Мари.

В диссертационной работе разработаны на всех уровнях автоматные модели функциональных блоков УЛМ, а в качестве примера в автореферате представлены унифицированные, симметризованные, управляющие автоматы 111-его уровня БРК_раб_вн и БППС_раб_вн (рис. 9) и БРК_раб_вв и Б.ППС_раб_вв (рис. 10), которые управляют работой функциональных блоков БУМ и БНС.

Рис.9 Управляющий автомат Ш-ого уровня или операционный автомат ГУ-ого уровня

БГШС является входным преобразователем информации о положении и

продвижении судов при шлюзованиях.

В заключепии содержится перечень основных научных результатов,

полученных при выполнении диссертационной работы.

Основные научные результаты работы.

1. Выполнен анализ технологических процессов судоходных.шлюзов с целью их унификации и представления в симмефизованном виде пространственно-временной метрики.

2. Разработан комплекс моделей технологических процессов шлюзования, отражающих унификацию и симметрию вложенных циклических процессов в системном и локальном времени, отвечающих системным принципам их совместимости.

3. Разработана распределённая функциональная структура автоматизированной системы управления технологическими процессами шлюзования с реализацией её в УЛМ, охватывающей штатные и аварийные эксплутационные режимы.

4. Разработана унифицированная вложенная матричная синархическая структура абстрактных автоматов с отражением их симметрии в пространственно-временной метрике на четырёх уровнях управления.

5. Разработан обобщённый алгоритм абстрактного автомата Мари, действующий при всех циклах процессов управления, для всех рассмотренных эксплуатационных режимов и на всех уровнях управления.

6. Разработана методика применения унифицировашюго алгоритма абстрактных автоматов Мари на всех вложенных синархических уровнях УЛМ.

7. Результаты исследований и разработок внедрены в действующие системы автоматизированного управления судоходными шлюзами в серийных образцах промышленной реализации, установленных на шлюзах Волго-

Донского судоходного канала, работающих безотказно в течение 25 лет, что подтверждено актом внедрения.

Аббревиатура сокращений

ВБ, НБ - верхний, нижний бьеф, РШ - рабочее шлюзование,

ВГ, НГ - верхняя, нижняя голова шлюза, ХШ - холостое шлюзование,

ИС - исходное состояние, Р_ИС - разрешение на приведение шлюза в ИС,

РШВ - РШ вверх, ПСЛ_РШВ_ПДГ_РШВ - после РШВ подготовка РШВ,

РШН - РШ вниз, ПСЛ_РШВ_ПДГ_РШН - после РШВ подготовка РШН,

ХШВ - ХШ вверх, ПСЛ_РШВ_ИС - после РШВ приведение в ИС,

ХШН - ХШ вниз, ПСЛ_РШВ_ИС - после РШВ приведение в ИС,

Фг - фрагмент, Н_ПДГ_РШВ - начальная подготовка РШВ из ИС,

ПСЛ_РШН_ЦДГ_РШН - после РШН подготовка РШН,

ПСЛ_РШН_ПДГ_РШВ - после РШН подготовка РШВ,

ПСЛ_РШН_ИС - после РШН приведение в ИС,

Н_ПДГ_Р111Н - начальная подготовка РШН из ИС,

НпК - наполнение камеры, ОпК - опорожнение камеры,

ОВВ - открытие верхних ворот, ОНВ - открытие нижних ворот,

ЗВВ - закрытие верхних ворот, ЗНВ - закрытие нижних ворот,

СН - система наполнения, ОСН - открытие СН,

СО - система опорожнения, ОСО - открытие СО, ЗСО - закрытие СО,

1ПСО, 2ПСО - 1-ый, 2-ой приспуск СО,

BKi, B3i - включение красным, зеленым светом i-oro светофора, ВхВ, ВхН - вход судов в камеру на уровне верхнего, нижнего бьефа, ШвВ, ШвН - швартовка судов на уровне верхнего, нижнего бьефа, ВыхВ, ВыхН - выход судов из камеры на уровне верхнего, нижнего бьефа. АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическими процессами, ОУ - органы управления, СТ - световые табло, ЦПУ - центральный пульт управления, МПУ - местные пульты управления,

ПВИ - пульт ввода информации, АБЗ - аппаратура блокировки защит, АБТС - аппаратура имитащш и блокировки технологических сигналов, ИТД - индикаторы телеметрических данных, МС - мнемосхема,

ИСЗ - панель сигнализации защит, БУМ - блок управления механизмами, БНС - блок навигационной сигнализации, БРК - блок рабочих команд, БППС - блок памяти положения судов, БВР - блок выбора режимов, БРК_раб_вн - БРК шлюзования рабочее вниз, БЗ - блок защит,

БРК_раб_вв - БРК шлюзования рабочее вверх, м - местный, БПМУ - блок положения механизмов и уровней, ц - центральный, БОУ - блок организации управления, БАП - блок аварийных программ, МУ - модуль управления, БУЗ ^ - блок управления затвором с номером К, ПОВ - подъемно-опускные ворота, ДСВ - двустворчатые ворота, БУ ПОВ - блок управления ПОВ, БУ ДСВ - блок управления ДСВ,

ОпУ - операционное устройство; ОА - операционный автомат;

АА- абстрактный автомат, УА — управляющий автомат.

Публикации по теме диссертации.

1. Богдашкин В В., Преображенская М В., Шапиро Л М. Синтез асинхронных автоматов для схем логического управления судоходными шлюзами. Материалы XXVII научно-технической конференции ЛИВТа, ЛИВТ, - Ленинград, 1973.

2. Преображенская М В Построение автоматной модели функционирования судоходного шлюза Сборник научных трудов "Подъемно-транспортная техника и электрооборудование водного транспорта", ЛИВТ, -Ленинград, 1976.

3. Преображенская МВ Построение Л СУ судоходным шлюзом по принципу управляющего автомата с программируемой логикой Сборник научных трудов "Электрооборудование и автоматизация водного транспорта", ЛИВТ, -Ленинград, 1978

4. Преображенская М.В. Классификация управляющих автоматов с программируемой логикой по способу опроса входных сигналов. Сборник научных трудов "Надежность судоходных электроэнергетических установок и электрооборудования", ЛИВТ, - Ленинград, 1979

5. Преображенская М.В. Автоматная интерпретация микропрограммы управляющего автомата с программируемой логикой. Сборник научных трудов "Надёжность судоходных электроэнергетических установок и электрооборудования", ЛИВТ, - Ленинград, 1979.

6 Преображенская М.В. Синтез программируемого устройства на примере управления двустворчатыми воротами шлюза. Сборник научных трудов "Судоходные условия рек и транспортные гидротехнические сооружения, ЛИВТ, - Ленинград, 1980.

7. Преображенская М.В. Классификация управляющих автоматов с программируемой логикой по способу формирования очередного адреса при построении систем управления электрооборудованием шлюзов. Сборник научных трудов "Судоходные условия рек и транспортные гидротехнические сооружения, ЛИВТ, - Ленинград, 1980.

8. Преображенская М.В. Макромодель процесса управления судоходным шлюзом с обеспечением условий безопасности. "Транском-99", Материалы международной научно-технической конференции, - СПб.: СПГУВК, 1999.

9. Преображенская М.В. Формализация технологического процесса шлюзования судоходного однокамерного шлюза. "Транском-2001", Материалы международной научно-технической конференции, - СПб.: СПГУВК, 2001.

10. Ли Си Кен, Преображенская М.В. и др. Голографический преобразователь угла поворота в код Авторское свидетельство Кл. G 08 С 9/06, 13.01.1977.

Подписано в печать 27.05.04. Сдано в производство 27.05.04.

Лицензия № 000283 от 19.10.98. Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. 1,45. Уч.-изд.л. 1,25. Тираж 80 экз. Заказ № 209

Отпечатано в ИИЦ Ф ГОУ ВПО СПГУВК 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

№12623