автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Автоматизация проектирования систем управления и контроля промышленных энергетических комплексов

ВВЕДЕНИЕ.

1. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Организация автоматизированных систем управления энергетическими объектами.

1.1.1. Общая структурная схема АСУ технологических объектов.

1.1.2. Характеристика объекта управления.

1.1.3. Функциональная структура АСУ.

1.1.4. Техническая структура АСУ.

1.1.5. Эксплуатация АСУ.

1.2. Промышленные системы автоматизации и проектирования энергетических объектов.

1.2.1. Российский рынок А СУТП.

1.2.2. Методика сравнительного анализа АСУ и САПР.

1.3. Постановка задачи проектирования АСУ энергетических объектов.

1.3.1. Назначение системы проектирования.

1.3.2. Место системы среди аналогичных разработок.

1.3.3. Постановка задачи.

1.3.4. Основные практические задачи, возникающие при создании системы проектирования.

2. СОЗДАНИЕ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ. ТЕОРИЯ И ОСНОВНЫЕ АЛГОРИТМЫ.

2.1. Функции и структура системы проектирования.

2.1.1. Пути решения основных задач, возникающих при создании системы проектирования.

2.1.2. Основные функции системы проектирования.

2.1.3. Структура системы проектирования.

2.2. Математические модели в системе проектирования.

2.2.1. Представление структуры данных схемы проектируемой АСУ.

2.2.2. Математическое представление схемы проектируемой АСУ.

Актуальность проблемы. Современный этап развития промышленных энергетических комплексов характеризуется переходом к использованию передовой технологии, стремлением добиться предельно высоких эксплуатационных характеристик как действующего, так и проектируемого оборудования, необходимостью свести к минимуму любые производственные потери. Все это возможно только при условии существенного повышения качества управления объектами энергетики, в том числе путем широкого применения автоматизированных систем. В то же время качество таких систем должно отвечать все более возрастающим потребностям предприятий-пользователей. Это возможно только при условии применения для создания систем управления специализированных систем автоматизированного проектирования. Актуальность проблемы, таким образом, состоит в необходимости развития и исследования автоматизированного проектирования систем управления, отвечающих требованиям современных энергетических объектов.

Цель работы - выработка технологии создания систем проектирования АСУ объектами энергетики с проработкой алгоритмов реализации каждого модуля системы с учетом проведенного сравнительного анализа существующих технологий и выявленных недостатков.

Новые научные результаты. Новыми научными результатами, полученными в ходе исследований, являются:

• разработка принципов, определение основных задач и путей их решения для построения систем автоматизированного проектирования управления объектами энергетики;

• построение математической модели процесса проектирования автоматизированных систем управления, ее анализ и разработка алгоритмов ее реализации;

• разработка принципов открытости системы проектирования, позволяющих реализовать автоматизированные системы управления различными агрегатами в составе энергетических комплексов;

• разработка алгоритмов построения системы проектирования, анализ разработанных алгоритмов;

• разработка принципа «встроенности» системы проектирования в систему управления, т.е. система проектирования является частью системы управления, и в процессе эксплуатации объекта управления используется для корректировки и модернизации как алгоритма управления так и системы управления в целом;

• разработка алгоритмов построения модели объекта управления для последующей отладки и тестирования;

• разработка методики проведения экспериментов по проверке созданной системы проектирования.

Практическая ценность исследований и разработок заключается в создании методики построения систем проектирования АСУ объектами энергетики, а также в построении реально действующей системы автоматизированного проектирования систем управления промышленными энергетическими комплексами.

Достоверность результатов работы основывается:

• на корректности построенной математической модели процесса проектирования и использования математического аппарата теории графов;

• на полноте учета факторов, определяющих эффективное проведение проектирования;

• на согласованности полученных результатов с результатами, полученными другими авторами;

• на проведении экспериментов по проверке реализованных алгоритмов путем тестирования созданной системы проектирования в машинном варианте и на рабочем стенде;

• на опыте создания и практического внедрения системы проектирования на промышленных объектах управления.

Апробация и внедрение. Поскольку созданная система проектирования позволяет разрабатывать системы управления различными агрегатами в составе энергетического комплекса, внедрение системы проектирования происходит на сегодня на трех различных объектах : ГТЭС ПО «Нафтан» г. Новополоцк, Республика Беларусь; ГТЭС-3 г. Салехард (2 газотурбинные установки на базе двигателя ДЦ-59Л, общестанционные системы, подстанция 6/36 кВ); Шахтинская ГТУ-ТЭЦ (4 энергомодуля на базе двигателя ДЖ-59, общестанционные системы).

Публикации. По теме диссертации опубликованы четыре научные работы.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 67 наименований, выполнена на 130 листах машинописного текста, содержит 22 рисунка.

Заключение.

В заключении следует отметить, что главная цель достигнута - выработана технология создания систем автоматизированного проектирования систем управления объектами энергетики. Кроме того, все поставленные задачи решены (см. п.1.3):

• обеспечено использование системы проектирования операторами-алгоритмистами без необходимости приобретения дополнительной квалификации и с максимально удобным интерфейсом пользователя. Задача решена путем создания графического интерфейса пользователя, как максимально интуитивно понятного и доступного для пользователей. Процесс создания алгоритма управления сводится к графическому «рисованию» схемы алгоритма с последующей автоматической обработкой;

• обеспечена открытость системы проектирования без применения специализированных программных средств. Задача решена путем создания и использования системных настроечных файлов, системного реестра WINDWOS, а также системы отдельных графических файлов с библиотекой элементарных элементов;

• обеспечено эффективное использование системных ресурсов. Задача решена с использованием развитых механизмов ОС Windows95/NT для достижения высокой производительности, а 32-битовый код данных ОС обеспечивает также высокую степень надежности и отказоустойчивости. Кроме того, использование специализированных механизмов OLE ()и DDE () для передачи данных внутри системы проектирования, а также разработка собственных алогритмов снижения использования системных ресурсов также помогли в решении данной задачи;

• обеспечен механизм отладки и тестирования системы проектирования. Задача решена путем разработки, создания и внедрения алгоритмов построения математической и физической моделей объекта управления и методик проведения экспериментов (машинного и на рабочем стенде) по проверке правильности функционирования созданной системы проектирования;

• обеспечена минимальная цена системы проектирования. Решение всех вышепоставленных задач привело, в свою очередь, к снижению общих затрат на создание системы проектирования, и, как следствие, к снижению ее стоимости.

Таким образом, основными результатами работы являются:

1. Выработаны и определены требования к системам проектирования автоматизированных систем управления энергетическими объектами.

2. Разработаны принципы построения систем проектирования АСУ ЭО, учитывающих указанные требования.

3. Построена модель процесса проектирования АСУ ЭО в виде ориентированного графа.

4. Разработаны алгоритмы обработки построенной модели на основе теории графов для реализации спроектированного алгоритма управления.

5. Разработан алгоритм построения модели объекта управления для отладки и тестирования создаваемой системы управления.

6. Построена система проектирования на основе разработанной методики.

7. Разработаны и отлажены методики проведения экспериментов по проверке созданной системы проектирования, а также проверке алгоритма управления, спроектированного при помощи построенной системы проектирования.

8. Результаты исследований в виде пакета прикладных программ внедрены на объектах управления.

Следует также отметить, что проводился сравнительный анализ результатов проектирования в созданной системе и по старой технологии, используемой ранее на предприятии-изготовителе систем управления энергетическими объектами и состоящей в использовании ручного программирования на специальных языках алгоритмов управления энергетическими объектами. Основные показатели сравнительного анализа:

• трудоемкость процесса создания алгоритма управления уменьшилась примерно в 2.5 раза. Результат достигнут благодаря улучшенному интерфейсу пользователя, открытости и настраиваемости системы проектирования;

124

• трудоемкость процесса отладки и тестирования созданного алгоритма уменьшилась примерно в 4.5 раза. Результат достигнут благодаря наличию модуля отладки, возможности создания модели объекта управления и отладки в режиме замкнутого цикла;

• точность соответствия созданного алгоритма управления техническому заданию повысилась на 0.9% (от 99% до 99.9%). Данный результат достигнут благодаря возможности построения модели объекта управления и отладки в режиме замкнутого цикла, а также благодаря построенной модели процесса проектирования в виде ориентированного графа и разработанным алгоритмам его обработки. Кроме того, разработка методик проведения экспериментов по проверке функционирования системы проектирования и алгоритма управления также способствовала обеспечению данного результата;

• трудоемкость создания документации снизилась примерно в 3 раза.

Кроме того, улучшились такие неколичественные характеристики, как удобство, качество и скорость работы оператора-алгоритмиста, качество выпускаемой документации. iz;>

1. Ажогин В.В., Згуровский М.З., «Автоматизированное проектирование математического обеспечения АСУТП», Киев, Высшая школа, 1986.

2. Александрова Т. В., Голубев С. А., Колосова О. В. и др. «Управление инновационными проектами», Санкт-Петербург, Издательство СПбГТУ, 1999.

3. Альперович И.В., «Программные комплексы для АСУТП», Москва, Приборы и системы управления, 1998, №8.

4. Альперович И.В., Толмасская И.И. «Архитектура комплекса программ FIX», Москва, Приборы и системы управления, 1997, №8

5. Аристова НИ, «Применение современных технологий оборонного комплекса в автоматизации отечественного производства», Москва, Промышленные АСУ и контроллеры, 2001, №4.

6. Белов В.В. и др., «Теория графов», Учебное пособие для втузов, Москва, Высшая школа, 1976.

7. Берман Р.Я., Вишнепольский P.JI., Кабаев С В., Тимофеев B.C. «Современные цеховые системы автоматизации газокомпрессорных станций», Москва, Приборы и системы управления, 1998, №2.

8. Болдырев А.А., Бретман В.В., Громов B.C., «Построение АСУТП с помощью программно-технического комплекса «Интегратор», Москва, Приборы и системы управления, 1999, №3.

9. П.Болнокин В.Е., Чинаев П.И., «Анализ и синтез систем автоматического управления на ЭВМ. Алгоритмы и программы», Москва, Радио и связь, 1986.

10. Большое В.М., Савченко Е.Г., Овласюк И Я., «Программно-технический комплекс АСУТП "Турбоком-4000"», Москва, Приборы и системы управления, 1998, №10.

11. Борзенко И.М., Хвилевицкий Л.О., «К вопросу о сущности АСУ ТП», Москва, Вопросы промышленной кибернетики. 1989, №10.

12. Веников В.А., Путягин Е.В., «Введение в специальность: Электроэнергетика», Москва, Высшая школа, 1988.

13. Власов В.А., Комиссарчук С.Ю., Лебедев В.О., Обносов А.В., «Программные средства построения АСУТП MIKSSys», Москва, Приборы и системы управления, 1998, №9.

14. Вязгин В., Федоров В.В. «Математические методы автоматизированного проектирования, учебное пособие для втузов», Москва, Высшая школа, 1989.

15. Гельмерих Р., Швиндт П. «Введение в автоматизированное проектирование», Москва, Машиностроение, 1990.

16. Гладков С.А., Фролов Г.В. «Программирование в Microsoft Windows» (в 2 томах), Москва, Диалог-МИФИ, 1998.

17. Горбатюк А.Ф., «Автоматизация проектирования и программирования компьютерных систем управления», Москва, Промышленные АСУ и контроллеры, 2001, №4.

18. Горбатюк А.Ф., «САПР прикладного программного обеспечения компьютерных систем управления AlgoCAD», Луганск, Восточноукраинский государственный университет, 1999.

19. Горнштейн М.Ю., Лытня Т.Ф., «Экономическая оценка АСУ», Москва, Машиностроение, 1984.

20. ГОСТ 16084-75. «Автоматизированные системы управления технологическими процессами в промышленности. Основные положения».

21. ГОСТ 17195-76. «Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Общие технические требования».

22. Григорьев И.В., Киселев А.Н., Печенкин С.И., «Автоматизация на службе автоматизации», Москва, Промышленные АСУ и контроллеры, 2000, №2.

23. Грунина Г.С., Деменков Н.П., «Пакет программ, реализующий метод анализа иерархий», Москва, Приборы и системы управления, 1996, №7.

24. Гэри М., Джонсон Д. «Вычислительные машины и труднорешаемые задачи», Москва, Мир, 1992.

25. Деменков Н.П., «Методика сравнительного анализа SCADA-систем», Москва, Приборы и системы управления, 1998, №10.

26. Деменков Н.П., «Проблемы сравнительного анализа SCADA-систем», Москва, Промышленные АСУ и контроллеры, 2001, №4.

27. Добряков А.А. «Методы интеллектуализации САПР», Москва, Наука, 1992.

28. Дудников Е.Г., Левин А.А., «Промышленные автоматизированные системы управления», Москва, Энергия, 1973.

29. Иванова Н.И. «Организация и финансирование исследований в условиях развития рыночной экономики», Бюллетень по авторскому праву ЮНЕСКО. 1991 №3.1.5

30. Кнут Д. «Искусство программирования для ЭВМ», т. 1: «Основные алгоритмы», Москва, Мир, 1986.

31. Корнеева А.И., «Тенденции развития системной автоматизации технологических процессов», Москва, Приборы и системы управления, 1998, №8.

32. Куцевич Н.А., «Citect новая SCADA-система на российском рынке и новые возможности», Москва, Промышленные АСУ и котроллеры, 2000, № 1.

33. Куцевич Н.А., «FactorySuite2000 и автоматизация промышленного производства», Москва, Приборы и системы управления, 1999, №5.

34. Лескин А.А., Мальцев П.А., Спиридонов A.M. «Сети Петри в моделировании и управлении», Ленинград, Наука, 1989.

35. Ловля B.C., Красовский А.К., Еремеев В.Е., «Большие информационно-вычислительные комплексы как объекты электроснабжения», Москва, Промышленная энергетика, 2001, №4.

36. Магрупов У.М., Болдырев А.А., Шахмаев Р.А. и др., «Специализированный программно-технический комплекс «Машинист» для тепловых электростанций», Москва, Приборы и системы управления, 1997, №7.

37. Мамиконов А.Г., Кульба В.В., Цвиркун А.Д., Косяченко С.А. «Проектирование подсистем и звеньев АСУ: учебное пособие для вузов», Москва, Высшая школа, 1975.

38. Наумов Б.Н., «Международная система малых ЭВМ», Москва, Приборы и системы управления, 1977, №10.43. «Научно-технический прогресс», Словарь. Москва, 1987.

39. Норенков И.П. «Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем», Москва, Высшая школа, 1980.

40. Петренко А.И. «Основы автоматизации проектирования», Киев, Техника, 1982.

41. Райбман Н.С., Чадеев В.М., «Построение моделей процессов производства», Москва, Энергия, 1975.

42. Стефани Е.П. «Основы построения АСУ ТП», Москва, Энергоиздат, 1982.

43. Стрелков Ю.И., Шарапов С.В., Потапенко А.И., «Подпрограммы функционирования микропроцессорных систем управления двигателями внутреннего сгорания электроагрегатов», Москва, Промышленная энергетика, 2001, №4.

44. Твисс Б. «Управление научно-техническими нововведениями». Сокр. пер. с англ., Москва, Экономика, 1989.

45. Туккель И.Л., «Адаптивное моделирование в технологической подготовке ГПС механообработки», Санкт-Петербург, Политехника, 1991.

46. Тушканов В.В., Андрианов С.А., Вайнер В.А., Селиванов Г.С., Янчук А.Н., «Опыт применения открытых технологий при создании АСУТП промышленного производства», Москва, Приборы и системы управления, 1999, №9.

47. Филинов Е.Н., Егоров Г.А., Прохоров H.J1., «Формирование и реализация научно-технической политики в области средств промышленной автоматизации в СССР», Москва, Приборы и системы управления, 1999, №6.

48. Харари Ф. «Теория графов», Москва, Мир, 1973.

49. Шамис В.А. «С++ Builder 3. Техника визуального программирования». Москва, Издательство Нолидж, 1998.

50. Энкарначчо Ж., Шлехтендаль Э. «Автоматизированное проектирование: Основные понятия и архитектура систем», Москва, Радио и связь, 1986.

51. Garey M.R., R.L. Graham, D.S. Johnson and D.E. Knuth «Complexity results for bandwidth minimization», SIAM Journal on Applied Mathematics, N 34, vol. 3, Philadelphia, 1988.

52. J.J. Allan III, «Foundations of the Many Manifestations of Computer Augmented Design». Computer-Aided Design, Amsterdam, 1973

53. K. Mageur «Writing solid code», Prentice-Hall, 1996.

54. Papadimitriou C.H. «The NP-completeness of the bandwidth minimization problem», Computing, N16, Springer-Yerlag, Wien, New York, 1986.

55. Park C. «Interacive Microcomputer Graphics», Addison-Wesley, 1985.

56. Sethi R. "Complete Register Allocation Problem", SIAM Journal on Computing, N 4, vol. 3; Philadelphia, 1975

57. Wiederhold G. «Database Design», N.Y. Mc Grow-Hill, 1982