автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизация программирования логических контроллеров на основе компьютерных моделей при разработках автоматизированных систем управления технологическими процессами в промышленности

На правах рукописи

Большаков Олег Андреевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ ПРИ РАЗРАБОТКАХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени 0 ДПР 2015

кандидата технических паук

Москва-2015 г.

005566887

005566887

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте конструкторско-технологичсской информатики Российской академии наук (ИКТИ РАН).

Научный руководитель:

Рыбаков Анатолий Викторович,

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления», ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Саксопов Евгений Александрович,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Информационные системы» Института инновационных технологий и предпринимательства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского» Браништов Сергей Александрович, кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией 03, ФГБУН Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН ФГУП Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем (г. Москва)

Защита диссертации состоится » СГЛ/У?/>Й 2015 года в А? часовой? минут на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», www.stankin.ru

Автореферат разослан » •¿/¿7/>/7?С/ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доцент ' Семячкова Елена Геннадьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение. Разработка проектов автоматизации существующих технологических процессов (ТП) с инженерной точки зрения, как правило, состоит из:

• инновационной части (модернизация оборудования технологического

• аппаратной части (проектирование шкафов управления, аварийных систем, промышленных сетей связи; подбор датчиков, исполнительных механизмов, различных устройств сбора данных процесса, программируемого логического контроллера (ПЛК) и его конфигурации);

• программной части (разработка специального программного обеспечения (СПО) для ПЛК, управляющего ТП, и ЗСАОА-системы в соответствии с техническим заданием (ТЗ)).

Данная диссертационная работа направлена на исследование методов синтеза специального математического обеспечения и пакетов прикладных программ, используемых для разработки программной части систем управления технологическими процессами (СУ ТП).

Актуальность. При разработке СПО для СУ ТП со сложными математическим аппаратом, логикой управления и большим числом точек контроля и управления ТП (более 5000) основными трудностями являются естественная сложность.предметной области, к которой относится решаемая задача, и неадекватность программных средств, используемых для описания сложного поведения СУ.

Сложность предметной области выражается в семантическом разрыве при передаче знаний между технологами, обычно осуществляющими эксплуатацию объекта управления, и инженером-программистом, разрабатывающим СПО для СУ

Второй серьезной проблемой является неадекватность методик и программных средств для реализации сложного поведения объектов и процессов в

процесса);

ТП.

ходе технологической деятельности на основе компьютерных моделей. Использование компьютерных моделей необходимо при разработке больших и сложных СУ ТП. Модели позволяют дифференцировать задачу на разные уровни абстракции при проектировании сложной СУ ТП. Наглядная, четко структурированная графическая декомпозиция на основе компьютерных моделей является не только полным и достаточным методом спецификации системы управления объектом, но и может быть использована как информационная база для генерации и тестирования исходных программных кодов для ПЛК и ЗСАОА-систем.

Исследования, направленные на разработку методов и технологий создания и применения языков представления знаний предметной области для решения задач управления ТП с помощью ПЛК и ЗСАЭА-систем, являются актуальными. В целом такой подход позволяет значительно упростить процесс разработки и повысить качество создаваемых программных продуктов на платформе ПЛК и КСАОА-систем для управления сложными технологическими процессами и производствами, обеспечивая возможность снижения влияния человеческого фактора при эксплуатации ТП.

Объектом исследования являются методы синтеза специального математического обеспечения и пакетов прикладных программ, используемых для разработки программной части СУ ТП.

Целью диссертационной работы является сокращение времени разработки, уменьшение стоимости и повышение качества программной части СУ ТП, за счет создания методики разработки СПО для СУ ТП на основе системы компьютерных моделей (применительно к ПЛК и БСЛОА-системам). Проведена её экспериментальная апробация в условиях реального ТП. В процессе создания данной методики были решены следующие научно-технические задачи:

1. Анализ существующих подходов к разработке СПО для СУ ТП на базе ПЛК и БСАОА-систем.

2. Анализ задач, возникающих при разработке программной части СУ ТП.

3. Обоснование возможности перехода к электронному согласованию между «Разработчиком-Заказчиком» промежуточных результатов рабочего процесса по разработке СГТО для СУ ТП на базе компьютерного прототипа.

4. Создание методик и алгоритмов автоматизированной разработки СПО для ПЛК и БСАБА-систем на основе компьютерных моделей.

5. Разработка инструментальных средств для поддержки создаваемой методики.

6. Внедрение результатов работы в процесс разработки СПО для СУ ТП и апробация на примере реального ТП.

Научная новизна. На защиту выносятся результаты, обладающие научной новизной:

1. Структура и параметры функциональных связей между уровнями проектирования и реализации проекта по разработке программной системы управления объектами производства, в том числе на уровне предпроектных работ.

2. Система компьютерных моделей, отражающих аналитические зависимости между характеристиками ТП, требуемым компьютерным функционалом системы управления ТП и конечным специальным программным продуктом, работающим на ПЛК и ЗСАОА-системах.

3. Метод организации процесса разработки СПО для проектов автоматизации ТП на основе использования единой информационной среды (ЕИС) между разработчиком и заказчиком СУ ТП, в основе которой лежат компьютерная база знаний и комплексное тестирование прототипа разрабатываемой системы управления.

4. Метод автоматической генерации исходных кодов на основе системы моделей для ПЛК и БСАОЛ-системы, а также открытой проектной документации на СПО для СУ ТП.

5. Методика автоматизированного программирования логических контроллеров при разработках СУ ТП на базе ПЛК и БСАОА-систем, основанная на использовании системы компьютерных моделей.

Методы исследования. В работе использованы: теория проектирования систем управления ТП, теория конечных автоматов, теория объектно-ориентированного моделирования, теория объектно-ориентированного программирования, механизмы работы с языками гипертекстовой разметки и предметно-ориентированными языками программирования.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, полученных в диссертационной работе, подтверждается: 1) совпадением прогнозируемых показателей экономической эффективности при применении разработанной методики с экспериментальными данными, полученными при разработке СУ ТП в промышленности; 2) верификацией результатов компьютерного моделирования СУ ТП в лабораторных условиях; 3) результатами экспериментального' исследования комплектной трансформаторной подстанции собственных нужд и распределительного устройства в условиях реального технологического процесса.

Соответствие диссертации паспорту специальности. Диссертационная работа соответствует формуле научной специальности 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки) в части п.п. 9, 10 области исследования паспорта специальности:

• методы эффективной организации и ведения специализированного информационного и программного обеспечения АСУТП, АСУП, АСТПП и др., включая базы и банки данных и методы их оптимизации;

• методы синтеза специального математического обеспечения, пакетов прикладных программ и типовых модулей функциональных и обеспечивающих подсистему АСУТП, АСУП, АСТПП и др.

Практическое значение. Результаты, полученные в диссертационной работе, используются на практике:

• в международном центре автоматизации компании «Schneider Electric» (признанный мировой лидер в области распределения электроэнергии и автоматизации при использовании СУ ТП на базе ПЛК);

• в Российской инжиниринговой компании «АНХ- Инжиниринг», реализующей инновационные инженерно-технологические проекты;

• в учебном процессе на кафедре АСОИиУ ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» по курсу «Технологии разработки программного обеспечения».

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке СУ ТП в металлургической и энергетической отраслях промышленности на следующих объектах:

1. ОАО «Омутнинский металлургический завод».

2. ОАО «ГМК «Норильский никель» Мурманский транспортный филиал.

3. ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» г. Железногорск.

4. ОАО "Международный Аэропорт Внуково" г. Москва.

5. ЗАО «Северо-западная Фосфорная Компания» Мурманская обл., район пос. Коашва, ГОК «Олений ручей».

6. ОАО «Кольская горно-металлургическая компания» г. Мончегорск.

7. Специализированное управление "ЛЕНОРГЭНЕРГОГАЗ" - филиал дочернего ОАО "ОРГЭНЕРГОГАЗ" ОАО "ГАЗПРОМ" г. Санкт-Петербург.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XIII международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM-2013)» в Институте проблем управления им, В.А. Трапезникова РАН.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 статей, 5 из которых в журналах из перечня рецензируемых изданий, рекомендованных ВАК, 1 доклад на научной конференции.

Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 155 страницах и состоит из: введения, четырех глав, основных результатов и выводов, пяти приложений. Список литературы содержит 116 наименований. Работа иллюстрирована 86 рисунками и двумя таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассматривается состояние вопроса по разработке СУ ТП. Автор диссертационной работы разделяет СУ ТП на три базовые части: инновационную, аппаратную и программную. В ходе анализа на примере российских и зарубежных компаний процесса создания СУ ТП автор делает вывод, что наиболее трудоемкой, ответственной и подверженной ошибкам является разработка программной части СУ ТП (рисунок 1).

Рис. 1 Состав и разработка СУ ТП (экономические показатели)

Далее автор показывает, что традиционного подхода к разработке СПО и существующих программных средств достаточно для эффективной разработки небольших проектов автоматизации ТП, но при создании больших и сложных СУ ТП (от 5000 точек контроля и управления ТП) возникает ряд проблем, которые делают разработку СПО нерентабельной.

Промышленная ')ксилуа|шшн разработанной СУ ТП

К таким проблемам относятся:

• сложность предметной области, к которой относится решаемая задача;

• неадекватность программных средств, используемых при описании сложного поведения СУ и представления промежуточных результатов работы заказчику;

• отсутствие взаимопонимания в принятых проектных решениях между разработчиком и заказчиком.

Отсюда целью настоящего исследования является сокращение времени разработки, уменьшение стоимости и повышение качества программной части СУ ТП.

Вторая глава диссертационной работы посвящена анализу архитектуры, методик и средств программирования современных СУ ТП.

Программная составляющая проектов автоматизации ТП представляет собой СПО для ПЛК и SCADA-систем и реализуется на оборудовании двух типов: алгоритмы управления ТП реализуются на ПЛК, а функции SCADA-системы реализуются на высокопроизводительных серверах.

Для программирования ПЛК используются специализированные программные пакеты, например: Unity Pro XL, STEP 7, RSLogic компаний Schneider Electric, Siemens, Rockwell Automation соответственно.

SCADA - системы различных производителей (например: Simatic WinCC, PcVue, Citect компаний Siemens, ARC Informatique и Schneider Electric соответственно) ориентированы на выполнение стандартных функции сбора, архивирования, отображения данных о состоянии ТП, но совершенно различны по своему программному устройству и поддержке языков программирования.

Также во второй главе рассмотрены задачи, возникающие в процессе разработки программ ПЛК и SCADA-систем. Прослежена и описана связь между теорий конечных автоматов и структурой ПЛК. Рассмотрены современные средства моделирования при разработке СПО для СУ ТП.

В третьей главе на основе анализа современных средств моделирования и технологий программирования автор диссертационной работы предлагает решение описанных выше проблем разработки СПО для СУ ТГГ, за счет применения системы компьютерных моделей.

Предлагаемые компьютерные модели наглядно и целостно отражают аналитические зависимости между характеристиками ТП, требуемым компьютерным функционалом СУ ТП и конечным СПО, работающим на ПЛК и ЗСАОА-системах. Система моделей призвана зафиксировать взгляды всех участников проекта разработки СУ ТП, с целью представления и согласования промежуточных результатов работы между разработчиком и заказчиком. Таким образом, решаются проблемы сложности предметной области и отсутствия взаимопонимания в принятых проектных решениях.

Добавляя в традиционную схему разработки СПО для СУ ТП единую информационную среду (ЕИС), в основе которой лежат прототип (построенный на основе системы моделей) и промежуточное тестирование компонентов (функциональностей) СУ, автор предлагает новый метод организации процесса

разработки программной части проектов автоматизации ТП (рисунок 2). (------------------------------^

у 4- т ^ | \ !

Анализ проблем Выбор технического ра,Паботка управления»-► „«мнения -► Р -►Реализация-►Внедрение

управления и -► пешення

1 решения технического задания

' автоматизации ТП

Комплексное тестирование протопшии -Мюделнровяннс •<{ ртраиптытемой ап пшт

оо раиттиш проекта СУ III

-Визуализация результатов на прототипе

Рис. 2 Разработка СПО для СУ ТП на основе моделирования Использование прототипа СУ позволяет привлечь заказчика к самым ранним стадиям разработки проекта, а промежуточное тестирование — детализировать требуемую функциональность и оптимизировать её. Также предлагается

использовать базу знаний проектов СУ ТП. База знаний позволяет накапливать опыт ранее реализованных проектов и использовать единожды созданные функциональности СУ в новых проектах, что значительно экономит время при разработке типовых решений.

Идея предлагаемой методики и основное отличие от традиционной схемы -это компьютерное моделирование разрабатываемой системы совместно с заказчиком и тестирование функционала будущей СУ ТП до пусконаладочных работ на объекте заказчика. Результатом взаимодействия «Разработчик- Заказчик» является согласованная и протестированная до пусконаладочных работ СУ ТП (рисунок 3).

(

■ -ч

Прогр,, пеапизач"" ■

«накапливав ь» ^ СУТПсновой ,

вЫН)'Ясде\ ^Л,икииОНаЛЬНОСГП функциональностью « отлаживается на реальном ТП

СУ ТП

(минимальная (функциональность)

й

Отладка

■«с^Г | I

Согласованная СУ ТП с новой

а V

функциональностью

Регулярные встречи с заказчиком для снятия предположении с использованием прототипа СУ ТП при реализации новой функциональности

Рис. 3 Влияние взаимодействия «Разработчик-Заказчик»

Для поддержки информационных решений в области автоматизации ТП на базе ПЛК и ЗСАОА-систем автором диссертационной работы разработано инструментальное средство «Конфигуратор», позволяющее автоматически генерировать исходные коды на основе системы моделей для ПЛК и ЗСАВА-систем, а также открытой проектной документации на СПО для СУ ТП. Разработанное автором диссертационной работы инструментальное средство

позволяет решить проблему неадекватности современных программных средств при разработке сложных проектов автоматизации ТП.

За счет применения системы компьютерных моделей сложная СУ ТП может быть декомпозирована на отдельные подсистемы с выделением уникальных и повторяющихся задач, которые представляются в виде, доступном для понимания всем участникам проекта автоматизации ТП.

Далее в третьей главе рассмотрены основные принципы функционирования, разработанного автором диссертационной работы инструментального средства «Конфигуратор». Структурно ЕИС состоит из «статической» и «динамической» частей. «Статическая» часть - это нормативная документация на разработку всего класса СУ ТП и сам ТП, а «динамическая» часть - создание и работа с уникальным прототипом разрабатываемой СУ ТП (рисунок 4).

Прототип СУ ТП

к

Программные модели в единой информационном среде

Автоматическая генерация

Нормативная документация на разработку СУ ТП (стандарты деятельности)

е

\

с н

Программы управления ТП (в среде ПЛК), НМТ,

технологическнн

Реальный

процесс

БД, документация

Программная часть СУ 4*11

СУ ТП на объекте заказчика

с. о е

Рис. 4 Разработка СУ ТП в единой информационной среде на основе комплексного тестирования прототипа

Ниже на рисунке 5 представлена схема потока данных в ЕИС.

I Программы j ПЛК и SCAD А ;

А .............

¡jf Документация

j Мнемосхемы I

Описание базы данных сигналов проекта в виде Excel листа

Внешние поставщики данных

XML - файлы База знании

VISIO

(настройки решения на конкретную реализацию)

Модель мнемосхемы СУ ТП в виде HMI

Автоматная модель СУ (события. __ çocnwa^tift,jcjiojBtiji, negexodhi} _

Рис. 5 Поток данных единой информационной среды

«Визуальная» разработка, посредством системы компьютерных моделей, проектов автоматизации ТП позволяет сконцентрироваться на предметной области, игнорируя детали реализации, В данной версии реализации - это на 80% автоматический процесс, выполняемый инструментальным средством, и на 20% ручная доработка программистом.

В четвертой главе проведено экспериментальное исследование комплектной трансформаторной подстанции собственных нужд и распределительного устройства в условиях реального ТП.

В ходе эксперимента рассмотрен процесс применения предлагаемой автором методики и проведены испытания разработанной СУ ТП.

В пункте 4.5 «Выводы» к четвертой главе проведена оценка результатов применения разработанной методики, рассчитаны экономические показатели эффективности применения предлагаемой методики.

Представлены прогнозы на будущее по развитию разработанной методики и её более широкому применению.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены научно-информационные и программные решения по автоматизации программирования логических контроллеров на основе компьютерных моделей, имеющие существенное значение при автоматизации и управлении сложными технологическими процессами в промышленности (свыше 5000 точек контроля и управления).

2. Установлены связи между техническим заданием, включающим спецификации устройств, алгоритмы управления, математические модели на разработку системы управления технологическими процессами и специальным программным обеспечением, реализующим на реальном технологическом процессе систему управления посредством программируемых логических контроллеров и 8САОА-систем.

3. На основании установленных связей разработана и впервые применена для решения задач автоматизации технологических процессов система компьютерных моделей, позволяющая создать методику автоматизированной разработки специального программного обеспечения, работающего на ПЛК, для систем управления технологическими процессами в промышленности, в основу которой положены компьютерная база знаний и комплексное тестирование прототипа разрабатываемой системы.

4. Предложены компьютерные модели, особенностью которых является отражение аналитических зависимостей между характеристиками технологического процесса, требуемым компьютерным функционалом системы управления технологическим процессом и конечным специальным программным обеспечением, работающим на программируемых логических контроллерах и ЗСАЭА-системах.

5. Для поддержки созданной методики разработана единая информационная среда, обеспечивающая:

• согласование принятых проектных решений между разработчиком и заказчиком (в том числе в режиме удаленного доступа);

• итерационную верификацию системы компьютерных моделей (прототипирование разрабатываемой системы);

• генерацию по текущему состоянию компьютерных моделей исходных программных кодов для программируемых логических контроллеров и SCADA-систем.

6. Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектов автоматизации в металлургической и энергетической отраслях промышленности на 7 объектах: ОАО "Международный Аэропорт Внуково" г. Москва, ЗАО «Северо-западная Фосфорная Компания» Мурманская обл., ОАО «Кольская горно-металлургическая компания» г. Мончегорск и др.

7. Полученные результаты рекомендуется использовать при разработке систем управления технологическими процессами на предприятиях промышленности с целью диспетчеризации, контроля, учета и управления технологическими процессами, имеющими свыше 5000 точек контроля и управления, а также в учебном процессе при подготовке инженерно-технических кадров по направлениям подготовки «Автоматизация технологических процессов и производств».

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются на практике в международной компании «Schneider Electric» при разработке проектов автоматизации ТП в энергетической отрасли промышленности, а также в российской инжиниринговой компании «АНХ - Инжиниринг» при разработке проектов автоматизации ТП в металлургической отрасли промышленности.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Статьи в периодических изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Большаков, O.A. Применеиие технологии автоматного программирования для задач логического управления на ПЛК Siemens / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков, А.Н. Шурпо // Известия Кабардино-балкарского государственного университета. ТОМ И. № 5 - 2012. - С. 51-54.

2. Большаков, O.A. Применение технологии автоматного программирования для задач логического управления на ПЛК Siemens / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков // Вестник МГТУ «СТАНКИН». №4 - 2013. - С. 71-75.

3. Большаков, O.A. Автоматное моделирование систем автоматизации с реализацией на ПЛК / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков // Автоматизация в промышленности. № 10 - 2013. - С. 60-64.

4. Большаков, O.A. Автоматное моделирование подсистемы управления комплектной трансформаторной подстанцией собственных нужд и распределительным устройством / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков // Вестник машиностроения. № 11 - 2013. - С. 25-28.

5. Большаков, O.A. Разработка систем диспетчеризации и управления технологическим процессом на основе прототипа и промежуточного тестирования компонентов разрабатываемой системы / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков // Промышленные АСУ и контроллеры. № 6 - 2014. С. 3-7.

Статьи в других периодических изданиях, сборниках научных трудов, трудах научных конференции:

1. Большаков, O.A. Автоматизация разработки программного обеспечения на основе автоматных моделей на примере ПЛК Siemens [Электронный журнал] / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков, А.Н. Шурпо // Конструкторско -технологическая информатика. - 2013. - №4. - Режим доступа: http://journal.ikti.rU/index.php/online-magazine/number-4/itemlist/date/2013/3

2. Большаков, O.A. Динамическое структурирование проектов автоматизации технологических процессов / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков // Сборник

материалов XIII международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта (CAD/CAM/PDM-2013)», Москва, ИПУ РАН -2013 г.

3. Большаков. O.A. Разработка систем диспетчеризации и управления технологическим процессом / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков // Электронные компоненты. №5 — 2014. - С. 1-4.

4. Большаков, O.A. Разработка систем диспетчеризации и управления технологическими процессами на основе прототипа и промежуточного тестирования / O.A. Большаков, A.B. Рыбаков // Рациональное Управление Предприятием. №4 - 2014. - С. 68-71.

Подписано в печать:

19.03.2015

Заказ № 10638 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 wvw.autoreferat.ru