автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Индустриальное проектированиеавтоматизированных систем управлениятехнологическими процессами на базе ceмействавиртуальных контроллеров

г 6 од

8 МАЙ 1995

Томская Государственная академия автоматизированных систем управления и радиоэлектроники.

На правах рукописи

ТИТАРЕНКО

Юрия Иванович

Индустриальное проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами (га базе семейства виртуальных контроллеров

специальность: 05.13.07 автоматизация технологических процессов и производств (в промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

УДК 658.512.011

I

Томск. 1995

Работа выполнена в Бийском технологическом институте Алтайского Государственного технического университета им. И.И. Ползу;юва и конструкторском бюро "АлАРМ".

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БОНДАРЕНКО В.П., доктор технических наук, профессор РАЗИН В.М., доктор технических наук, профессор КОНЕВ Д.Г.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский технологический институт (технический университет), кафедра САПР систем управления, г. С/Петербург, 198013, Загородный пр., 49.

Защита диссертации состоится " Щп [1иО\£& 1995г. на заседании диссертационного Совета Д063.05.0! при Томской Государственной академии автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (ТАСУР). 634004, Томск ул. Белинского,53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Томской Государственной академии АСУ и радиоэлектроники.

Автореферат разослан ¡995 г.

Ученый секретарь ди хер гационного Совета

Бейнаоэвич В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

АКТУАЛЬНОСГЪ ПРОБЛЕМЫ-

Рыночные отношения, определяющие современные тенденции экономики страны, требуют создания и развития предприятий, обеспечивающих выпуск качественного товара при достижении минимальной его стоимости. Основным услозием выполнения этих требований является строгое соблюдение регламентных норм соответствующих технологических процессов^ что приводит к сокращению доли ручного труда в сфере управления и регулирования и внедрению относительно недорогих, „ легко переналаживаемых и надежных автоматизированных систем управления.

Наиболее быстро и с высокой эффективностью осуществился переход на автоматизированное управление техноло-гическими процессами в машиностроительной отрасли страны. Этому способствовала широкая программа строительства автомобильных и других заводов с периодическими (дискретными) режимами работы оборудования и системами управления, реализованными на программно-логических контроллерах (ПЛУ).

Использование импортных контроллеров ПЛУ подтвердило высокую надежность и эффективность применения управляющей вычислительной техники, что обеспечило в сжатые сроки массовый выпуск и внедрение отечественных программно логических контроллеров для решения задач ПЛУ в других производствах с дискретным режимом работы оборудования.

Успешное и • широкое применение контроллеров ПЛУ было обусловлено не только их техническими характеристиками, а прежде всего продуманной технологией разработки, внедрения и сопровождения АСУТП, ориентированной на пользователя непрофессионала в области применения вычислительной техники.

В отличие от кустарного производства, промышленный технологический процесс включает

■ описание изделия, методов его изготовления и иистру ментальной среды, обеспечивающей заданные показатели продукции. Всем этим требованиям удовлетворяет технология разработки АСУТП дискретных производсгв на основе контроллеров ПЛУ. Технология, основной идеей которой является комплексный подхоц к проектированию, внедрению и эксплуатации АСУТП, ориентированная на широкий круг специалистов непрофессионалов в области вычислительной техники, использующая единые автоматизированные методы разработки, сопровождения, модернизации для производственных процессов различных классов и обеспечивающая заданное в спецификации на систему качество выполняемых функций, получила название индустриальной.

В отраслях с объектами управления' непрерывно-дискретного типа (химическая, металлургическая, теплоэнергетическая промышленность и др.), дай которых характерны существенно более сложные и уникальные алгоритмы обработки информации при принятии управленческих решений и расчете регулирующих воздействий, а также более жесткие требования к выполнению любых задач управления, мнение о низкой • функциональной эффективности АСУТП сохранилось и к настоящему времени. Как показал выполненный б 1988-1991 годах под руководством автора настоящей работы анализ эсрфекгивности нескольких десятков действующих и проектируемых АСУТП химической подотрасли, проблема внедрения автоматизированных систем заключается в преодолений стереотипов, сложившихся за годы эксплуатации систем поколения М6000.

В условиях рыночных отношений актуальность постановки и решения проблемы разработки индустриальных технологий проектирования и внедрения АСУТП связана с необходимостью массового изготовления систем управления с минимальной стоимостью, гарантированным качеством выполнения управляющих функций и в договорные сроки. Анализ результатов САПР АСУТП предприятий химического профиля показал

необходимость комплексного развития технологии разработки автоматизированных систем управления с учетом взаимных интересов заказчика и разработчика, минимизации затрат при гарантированном выполнении потребительских и качественных функций, что достигается совершенствованием методов проектирования технической структуры, программного обеспечения и человеке машинного интерфейса.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

Целью диссертационной работы является:

- создание научно - методического базиса индустриальной технологии проектирования

автоматизированных сисгем управления технологическими объектами с непрерывно - дискретным режимом работы оборудования, в том числе, и химического направления;

- теоретическое обоснование пооперационной структуры технологического процесса разработки АСУТП, отличающегося от известных подходов единством методологической основы при формулировании исходных требований к качеству системы, разработке структуры технических средств, человеко-машинного интерфейса и прикладного программного обеспечения. Основой единого методологического подхода является использование в качестве прототипа АСУТП эталонной модели, обобщающей знания • и опыт кспертов в области проектирования и эксплуатации систем

автоматизированного управления, а также обладающей свойством реализуемости.

Для достижения, поставленной цели' потребовалось решить следующие задачи:

- исследовать традиционные методы разработки и внедрения' АСУТП, выявить факторы понижающие эффективность сисгем на всех фазах жизненного цикла;

разработать эффективные инстру-ментальные средства анализа вариантов технологических процессов проектирования на основе моделирования процессов;

сформулировать методологические основы технологии индустриального проектирования АСУТП, как

сложкого наукоемкого изделия с длительным жизненным циклом, в процессе которого осуществляются интенсивные работы по сопровождению и модернизации;

сформулировать свойства эталонной модели АСУТП, как базы знаний о наиболее эффективных потребительских и качественных свойствах системы, методах реализации и эксплуатации. Разработать метод построения модели и ее использования;

- разработать общие принципы проектирования структуры технических средств, как специализированной локальной сети универсальных контроллеров. Представить структуру технических средств в индустриальной технологии в качестве ограничений, соответствующих эталонной модели;

разработать методику проектирования эффективного человеко-машинного интер-фейса,

соответствующего требованиям эталонной модели;

- разработать информационно -функциональную структуру интегрированной среды' проектирования и исполнения функций АСУТП, обеспечивающую требования эталонной модели системы;

- экспериментально отработать технологические приемы, методы и инструментальные средства проектирования АСУТП на промыишенных объектах непрерывно-дискретного типа.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Выполнение задач диссертационной работы осуществлялось комплексным использованием методов аналитического исследования, испытаний и экспериментальной отработки, и наконец, апробации и анализа промышленного использования в уникальных технологических процессах.

В первой группе методов использованы элементы инженерии знаний, теории моделирования, систем массового обслуживания и марковских цепей с непрерывным временем, алгоритмов и алгоритмических языков, инженерной психологии, теории вычислительных процессов,

Экспериментальные методы включали разработку необходимых для анализа имитационных моделей, проведение соответствующих экспериментов, разработку программного обеспечения СВК, в том числе, драйверов, операционной среды, инструментальных сред, отладку на стендах программ базового комплекса.

Наконец, третья группа методов охватывала комплекс работ по доводке методических и программных средств индустриальной технологии до промышленного образца, соответствующих испытаний и реализацию технологии совместно с УВК СМ 1810 в АСУТГ1 объектами. Работы, выполняемые в этой группе состояли в уточнении характеристик поставляемых. систем проектирования, разработке и внедрению уникальных АСУТП, разработке полного объема технической документации, . обучении пользователей и консультационной деятельности.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит в следующем:

Научно н методически обоснована задача индустриального проектирования АСУТП, как наукоемкого товара с заданными потребительскими свойствами и качеством, обеспеченным технологическим процессом его проектирования и изготовления.

В диссертации впервые разработан методологически единый подход к решению проблемы комплексного проектирования АСУТП, включающий:

- разработку концептуальной модели заказываемой АСУТП с использованием в качестве прототипа эталонной модели, образованной экспертным способом;

- использование для проектирования типовых функций АСУТП технологии, поддерживающей качественные показатели эталонной модели и позволяющей включать в систему уникальные функции, удовлетворяющие внутрисистемным соглашениям по информационному обмену.

Предложены и обоснованы критерии качества АСУТП, образующие эталонную модель, разработаны методики их оценки; показана связь технологии

изготовления АСУТП и показателей качества, разработана методика анализа и математическая модель процесса проектирования систем управления, позволяющая проводить оценку необходимых для внедрения системы ресурсов. Выявлены основные факторы, обеспечивающие

эффективность и качество АСУТП, с том числе, техническая структура, человеко-машинный интерфейс, технология разработки и сопровождения программного обеспечения, ориентированная на непрофессионалов в программировании.

Введено понятие универсального контроллера-УМИКОНТа, как программно-технического комплекса, состоящего из микроЭВМ или локальной сети на их основе, способного выполнить любые функции управления. Сформулированная концепция описывает все известные технические структуры управления, как частные случаи, и является основой синтеза управляющих структур проектируемых АСУТП. Исследованы особенности локальных управляющих сетей/ показаны их отличия от информационных сетей общего назначения, в том числе, обозримость, завершенность, проектно заданные режимы транспорта данных. На основании модели УМИКОНТа и свойств локальных управляющих сетей разработаны методы и алгоритм проектирования структуры технических средств управления.

Предложена и обоснована модель проектирования человеко-машинного интерфейса, как эволюционного процесса согласования знаний между операторами и проектировщиками ЧМИ в ' области исследования технологических ситуаций и принятия решений по управлению. Разработана методика проектирования ЧМИ и инструментальные средства для её реадизации.

Обоснована и введена в ЧМИ АСУТП • новая функция дистанционного воздействия на испашительные механизмы через систему графического меню. Исследованы функциональные, технические и психофизи- ' ологические факторы, обеспечива-ющие эффективность новой функции. Разработана методика проектирования функции и необходимые инструментальные средства.

Сформулирована концепция семейства виртуальных контроллеров, как интегрированной системы, поддерживающей эталонную модель АСУТП, и включающей инсгрументальные и исполнительские средства для разработки прикладных программ типовых задач "под ключ" без отладки программного обеспечения. Концепция СВК принята базовой в представляемом варианте индустриальной технологии. Разработан комплекс программных средств, поддерживающих

сформулированную концепцию. Разработано методическое обеспечение процессов проектирования АСУТП в рамках СВК-технологии.

. Исследованы особенности использования

индустриальной СВК-технологии при создании АСУТП более 10 производств химической, деревообрабатывающей, пищевой, металлургической, резинотехнической, обогатительной, аэрокоемической и других отраслей промышленности.

. Научная значимость диссертационной работы состоит в том, что в результате комплекса' разработанных Теоретических, технических, экономических и

технологических проблем предложен и реализован способ индустриального проектирования автоматизированных систем управления, внедрение которых является значимым фактором ускорения научно-технического прогресса.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫДВИГАЕМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Разработка и внедрение проекта АСУТП - процесс поиска компромиссов и согласования интересов заказчика и разработчика системы. Успешная реализация проекта в условиях рыночной экономики возможна в случае удовлетворения исполнителем заявленных заказчиком потребительских функций системы при выполнении ограничений по цене и качеству системы. Процессы разработки АСУТП описываются моделью согласования и эволюции знаний заказчика и исполнителя проекта. Формальное представление проектирования АСУТП моделью эволюционного преобразования знаний позволяет выязить особенности и узкие места традиционных методов

создания системы и исследовать возможные направления совершенствования этого процесса.

2. Исходными знаниями для выработки концептуальной модели АСУТП являются проблемно ориентированная база знаний исполнителя, декларативная база знаний заказчика и база нормативных сведений. Согласование интересов всех сторон на этой основе осуществляется при наличии субъективных и психологических факторов, что снижает эффективность проекта и системы в целом. С целью снятия противоречий между сторонами предлагается включить в состав исходных данных знания о эталонной АСУТП, полученной по результатам экспортных оценок мнений производственного персонала и проектно-конетрукторских организаций.

3. Э галопная модель АСУТП включает обобщенные сведения о теоретических и прикладных аспектах создания и эксплуатации

систем управления по разделам: наукоемкость, завершенность и полнота функционирования, человеко-машинный интерфейс, .техноло-гичностъ и

эксплуатационные характеристики, уровень технической структуры. Эталонная модель для использования в проектировании АСУТП должна обладать свойством реализуемости, т.е. иметь методическую , и инструментальную поддержку выполнения показателей, сформулированных в её структуре. !

4. Оценка эффективности АСУТП, как сложной наукоемкой продукции, определяется соотношением приведенных интегральных затрат и интегральных доходов, на всем жизненном цикле системы. Модель эффективности на жизненном цикле позволяет исследовать Елияние длительности этапов проектирования и интенсивности затрат на экономические характеристики АСУТП, эффективность различных 'методов и технологий проектирования, внедряемых задач, капитальных вложений . и других усовершенствований.

5. Множество возможных структур ; технических средств АСУТП ' описывается ■ моделью управляющей вычислительной сети (УЛВС), образованной

универсальными микроконтроллерами Общими свойствами УЛВС, в отличие от информационных сетей общего назначения, являются ограниченность и обозримость функций, режимов, дисциплин обработки данных, проектно определяемые топология и объемы передаваемых сообщений. Формальное определение . управляющей структуры позволяет использовать инженерную методику синтеза УЛВС для АСУТП.

6. Динамика изменения аналогового параметра, отображаемого прибором без записи предыстории и анализируемого в случайные моменты времени, описывается непрерывной марковской цепью "особых состояний" этого параметра. Введения формализация позволяет: во-первых, представить в памяти контроллера моментные данные о состоянии управляемого объекта " обобщенным дискретным портретом", включающим дискретные сигналы и коды особых состояний аналоговых параметров; во-вторых, рассчитать мощность информаци-опного потока формируемого аналоговым сигналом, отнесенным к "особому состоянию".

7. Проектирование человеко-машинного интерфейса, удовлетворяющего требованиям оператора осуществляется в две стадии:

во-первых, декомпозицией информационного потока, формируемого объектом управления, по технических средствам отображения (создание идеальных сценариев наблюдения за ходом процесса);

во-вторых, адаптацией идеальных сценариев к особенностям объекта и психофизиологическими возможностями человека - оператора. Выполнение второго этапа достигается включением в индустриальную технологию инструментальных средств подстройки моделей непосредственно по результатам испытаний ЧМИ на объекте.

8. Унификация внешнего и внутрисистемного информационного интерфейса универсального контроллера., хранение всех нормативных данных и данных о состоянии объекта в единой базе, независимой от всех программ обработки, двухтактный квазипараллельный процесс

выполнекия прикладных программ (первый такт заполнение базы данных, второй - обработка по алгоритму), организация прикладных вычислительных процессов по тйпу интерпретации кодов алгоритмов управления обеспечили создание интегрированной среды проектирования и исполнения типовых программ АСУТП, в том числе, первичной обработки данных, НЦУ, ПЛУ, ЧМИ, диагностики, межмашинного обмена, архивизации. Доля таких задач в промышленной АСУТП составляет до 80%.

9. Представленное теоретическое, методическое, инструментальное и программное обеспечение образуют технологический процесс индустриального проектирования АСУТП, обеспечивающий качество систем на уровне эталонной модели при сокращении трудоемкости и затрат на разработку прикладного ПО в 2-3 раза.

10. Результаты исследований выводы и рекомендации, изложенные в защищаемых положениях, результаты промышленного внедрения индустриальной СВК технологии разработки АСКУ можно рассматривать как комплексное решение крупной научно-технической проблемы, состоящей в разработке теоретических положений, методологии и технологии проектирования эффективных автоматизированных систем контроля и управления.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ.

Практическая значимость результатов

диссертационной работы рассматривается в трех аспектах: во-первых, полученные модели и методики исследования процессов проектирования, эффективности, ■ качественных показателей, анализа локальных сетей, надежностных характеристик УВК, проектирования ЧМИ и т:д. могут быть использованы как средства для дальнейшего изучения проблемы; во-вторых, промышленпо - поставляемая СВК -система индустриального проектирования АСУТП является инструментарием эффективной разработки распределенных систем управления; в-третьих, внедренные в производство уникальные АСУТП технологических процессов являются самостоятельными научно-

техническими достижениями, так как впервые ь практике управления промышленными объектами подтверждают принципиальную возможность и высокую эффективность автоматизированного управления потенциально - опасными объектами без дублирующих вторичных приборов и релейно контактных злемептоз ( АСУТП "карат") или возможность управления процессами разделения электролитов по математической модели в реальном времени и в условиях, когда установка датчиков качества принципиально не возможна ( АСУТП "адсорбция").

Инструментальные средства и исполнительская СВК-система поставлялась заводом - изготовителем управляющей вычислительной техники СМ 1810 (КПО "Элсктроимаш" г. Киев) в составе дополнительного математического обеспечения управляющих комплексов. Комплекс СМ 1810 и СВК приняты базовыми для разрабатываемых НИПКИ "Сахавтсмат"(г.Киев) АСУТГ! сахарных заводов Украины. СВК, расширенная драйверами нестандартного ввода вывода, системой переналадки в реальном времени, технологического оборудования под новые рецепты резиновых смесей, используется п качестве базового МО в АСУТП "Садик-1м", поставляемых Днепропетровским институтом Элекгротяжхимпроект и Львовским заводом "Микроприбор".

В СВК-технологни разработаны и внедрены " под ключ " автоматизированные системы управления: станом гальваники листовой жести на Карагандинском металлургическом комбинате г. Темир-Тау, цехом обогащения золота на Степногореком

гидромсталлургическим заводе (Казахстан) - испытательным стендом НПО " Энергия" (С/Петербург) - двух технологических процессов синтеза ультрадксперсных алмазов в детонационной волне, процесса химической очистки УДА,- технологических процессов адсорбционной очистки веды, вакуумно- импульсной сушки деловой древесины, ' зерновых, плодов и овощей, управления камерными электропечами четырнадцати модификаций ( г. Бкйек), системы жизнеобеспечения микробиологического объекта (г.Новосибирск).

-14-

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ.

Основные результаты работы докладывались на конференциях, совещаниях; и школах международного, всесоюзного и республиканского уровней в г. Москва, Ленинград, Киев, Харьков, Ташкент. Новочеркасск, Пермь, Кемерово, Барнаул, Черноголовка, Пущнно, Люберцы, а также на отраслевых координационных Советах по АСУТП и научных семинарах ряда институтов. Технология проектирования АСУТП "СПРОС-бО" экспонировалась на ВДНХ СССР как отдельный экспонат и в составе технологического процесса производства УДА в 1986, 1987 годах и награждена золотыми, серебряными и бронзовыми медалями.

ПУБЛИКАЦИИ.

По результатам выполненных исследований опубликовано печатных работ 50 ( в центральных периодических изданиях 45, в том числе 2 монографии), получено 4 авторских свидетельства.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ РАБОТЫ В УЧЕБНОМ

ПРОЦЕССЕ.

Материалы работы с 1988 года используются в учебных курсах специальности информационно-' измерительквая техника БТИ АлгГТУ, в том числе, в курсах: проектирование АСУТП, проектирование локальных средств управления, САПР АСУТП, технология программирования, програм-мирование в реальном времени, проектирование человеко-машинного интер-фейса, комплексном курсовом проекте, включающем

проектирование и программирование АСУТП различных объектов. . СВК - технология применяется для проектирования компьютерных учебников, моделирования промышленно-торговых структур специальности информационные системы в экономике. По материалам разработаны методические пособия, указания.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ Структура ' диссертационной работы отражает логику решения поставленной задали. В первой главе работы т основе анализа опыта внедрения АСУТП в стране и химической подотрасли, в частности, а так же анализа экономической ситуации в стране показана актуальность , разработки систем управления с потребительскими функциями, стоимостью и срокам разработки, удовлетворяющими заказчика. В главе осуществлен анализ традиционных методов проектирования систем управления и определены направления совершенствования технологии создания АСУТП,

Вторая глаза работы посвящена исследованию связи показателей качества и эффективности АСУТП и технологического процесса проектирования системы. Вводится понятие и определяется структура эталонной модели системы управления.

Третья глава работы посвящена анализу проблем проектирования структуры технических средств и человеко-машинного интерфейса. В главе излагаются методы реализации этих проблем, положенные в основу обсуждаемой индустриальной технологии.

В четвертой главе рассмотрены вопросы проектирования программного обеспечения АСУТП, описана структура функционально-информационного обеспечения ушшср-сальиого ' контроллера и семейства зиртуальных контроллеров, организация вычислительного процесса и состав базового пакета программ, поддерживающих ■ индустриальную технологию проектирования АСУТП.

Из десятка уникальных проектов АСУТП, разработанных и внедренных под руководством автора и с использование« СВК-технологии п пятой главе приведено два примера: - АСУТП "адсорбция" и АСУТП " карат". Примеры выбраны не только для демонстрации возможностей СВК-систсмгл, но прежде всего потому, что эти разработки подчеркивают перспективы применения ЭВМ а управлении. АСУТП "карат", выполненная без

вторичных приборов, релейных и кнопочных элементов к настоящему временл управляла объектом практически без отказов и переделок с 1985 года, а АСУТП "адсорбция" подтвердила возможность управления процессом разделения смесей электролитов, в условиях, когда установка датчиков на адсорбционных колоннах принципиально невозможна

Диссертация содержит также аннотацию, введение, заключение и приложения. Во введении обосновывается выбор направления исследования и его актуальность, формулируются проблемные вопросы, имеющие важное значение для достижения целей исследования дается характеристика структуры диссертации. В заключении формулируются осчовные научно-технические и технологические результаты, полученные в диссертации. В приложении приведено описание структуры программного обеспечения УМИКОНТА, анализ результатов внедрения результатов работы и дискета с технической документацией на одну версию СВК-системы, поставляемой изготовителем.

Общий объем диссертации составляет страниц, в том числе, основное содержание изложено на страницах, и, рисунков и ^таблиц . Список литературы включает наименований, приложения изложены на чэ страницах и дискете объемом 360 кб.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ работы осуществлен анализ эффективности традиционных технологий проектирования АСУТП. Технологический процесс производства изделия определяется, по крайней мере, тремя взаимосвязанными компонентами. Основу технологии составляет описание товара (изделия), предполагаемого для изготовления (стандарт изделия), в тем числе, перечень основных потребительских свойств, требования к его качеству и безопасности применения и, наконец, дополнительные свойства, выделяющие продукцию, выпускаемую по данной технологии, из ряда однотипных товаров ("НОУ-ХАУ", дизайн, применение, качество и т.д.).

Второй компонентой технологического процесса является детальное описание всех работ, направленных на выпуск определенного . выше изделия, в том числе,

последовательности технологических операций и порядка исполнения каждой из них с формулированием требований к входному, пооперационному и выходному контролю, обеспечивающих заданные характеристики изделия и требуемый их выпуск. Документы, составляющие эту компоненту образуют регламент процесса.

Третьей компонентой технологии' являются инструментальные средства, с помощью которых . обеспечивается выполнение технологических операций, и, соответственно, выпускается продукт со свойствами, определенными в стандарте на изделие.

Жизненный цикл АСУТП с традиционной технологией проектирования, может быть разбит на 4 этапа:- разрабогки концептуальной модели АСУТП конкретного объекта (в ОРММ этот этап соответствует разработке технического задания); разработки модели проектирования системы управления (по ОРММ этот. этап определяет основные решения по проекту и называется техническим проектом); конкретизации модели АСУТП (соответствующий рабочему проектированию системы по ОРММ). Этап рабочего проектирования состой г из подэтапов проектирования технической структуры, человеко - машинного интерфейса, разработки, верификации, отладки прикладного программного обеспечения. Завершается жизненный цикл внедрением и эксплуатацией АСУТП, в том числе, включающий сопровождение системы, ее модернизацию и развитие.

Каждый из этапов жизненного цикла связан с преобразованием знаний как заказчика системы так и разработчика АСУТП.

Исходной информацией для формулирования модели уникальной промышленной АСУТП . являются

декларативная база знаний пользователя Пр, проблемно-ориентированная исполнителя Г1г, база нормативов Пз. Поименованные выше базы представлены в виде следующих кортежей: Пр=<Фр,Кр,Гр>, Пг=<Фг,Кг,Тг>,

Пз=<Кз,Гз,Цз>, где: Фр - соответственно, множество требований к функциям, предполагаемых к реализации Кр -множество требований к качеству реализации АСУТП, а Гр - множество ограничений, включающее уровень цены, сроки и т.д., Фг -множества функций АСУТП, которые могут быть реализованы исполнителем на объекте заказчика, Кг -множества показателей качества, обеспечиваемых разработчиком в проектируемых системах, Тг - множества технологических процессов, методов, приемов разработки АСУТП, обеспечивающих Фг, Кг., Из - нормативные сведения о результатах и последствиях внедрения АСУТП на объектах - аналогах; Гз - общие ограничения, выполнение которых обязательно при внедрении АСУТП; Цз -множество функционалов цен АСУТП, для согласованных заказчиком и разработчиком функций и качества.

В работе проведен детальный анализ структур знаний каждой составляющей исходных баз и процесса согласования интересов сторон при формулировании концептуальной модели АСУТП. Показано, что в условиях неоднозначных оценок потребительских функций и качества системы, а также существенного влияния субъективного фактора, проектируются только уникальные АСУТП с высокой стоимостью и низкими показателями ■ эффективности. Снижение влияния субъективного фактора при разработке АСУТП достигается включение.м в процесс проектирования эталонной модели системы управления Пэ, обобщающей знания и опыт экспертов из проектных и эксплуатационных служб однопрофильных предприятий.

Пэ-<Фэ,Кэ,Тэ,Цэ>, где: Фэ,Кэ -соответственно, определяют множества эталонных потребительских и качественных функций.

Основным свойством эталонной модели является реализуемость, которое обеспечи-вается методической, инструментальной и технологической поддержкой, описанных в модели свойств. Реализуемость достигается включением в эталонную модель специализированных технологий проектиро-ваиия АСУТП - 'Гэ, и соответствующих им функционатов цен Цэ и других отвлекаемых ресурсов.

Процесс проектирования АСУТП (см.приложенис1), с использованием эталонной модели состоит из последовательности этапов согласования интересов сторон на основе эталонной модели, автоматического выбора технологии разработки системы, в том числе, структуры технических средств и человеко-машинного интерфейса, проектирования алгоритмов решения базовых функций с гарантией качества их реализации на уровне эталонной модели, отладки алгоритмов ' и запуска АСУТП непосредственно после подключения к объекту. Уникальные задачи АСУТП разрабатываются по традиционным технологиям и включаются в систему, если выполнены требования внутреннего информационного интерфейса. Результаты моделирования различных традиционных схем разработки АСУТП и предложенного подхода, полученные на модели,, описанной в работе, показывают, что трудоемкость индустриального* проектирования в 3-4 раза ниже традиционных способов. Эти данные подтверждаются и результатами фактического внедрения более чем 10 АСУТП, разработанных по предложенной технологии.

Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ работы исследована структура и свойства эталонной модели АСУТП. Знания о эталонной модели (ЭМ) системы рассматриваются как совокупность знаний Ф ~ '<Фб,Фу> о базовых и ушпеадьных потребительских функциях Фб и Фу, а также о качестве их выполнения. Выполнение свойства реализуемости ЭМ обеспечивает .проектирование базовых функций адаптацией соответствующих информационных баз контроллера. Показана неоднозначная интерпретация и отсутствие принципиальной возможности количественного описания большинства показателей качества функционирования АСУТП различными группами пользователей.

Разработан подход я модель эталонной (идеальной) АСУТП, получаемой обработкой мнений экспертов, ЭМ описывается совокупностью показателен, относящихся к пяти группам, в том числе, иаукоемкость, завершенность системы и степень её использования в технологическом . процессе; человеко-машинный интерфейс, уровень технической структуры, технологичность разработки и

эксплуа гации. Интегральный показате/ib научно-технического уровня АСУТП рассчитывается по выражению

5

Q--G B,Ai , где: G - нормированный показа-тель ¡=1

эффективности, G = Ln(2 + Ер/Ен), Ер,Ен - расчетный и нормативный коэффициенты единовременных затрат, Bi -весовой коэффициент, определяющий значимость группы факторов, Ai - комплексный показатель факторов по группам. Конкретизация модели осуществлена по результатам обработки знаний экспертов 35 заводов и 6 НИИ подотрасли. Методика и модель внедрена в подотрасли. Как следует из приведенных выше

соотношений, в эталонную модель АСУТП включается оценка стоимости системы и соотношение этой стоимости с экономическими эффектами, полученными от реализации потребительских функций. Оценка экономической эффективности АСУТП выполнена для всего жизненного цикла и основана определении соотношения интегральных затрат на создание и сопровождение системы и интегральных эффектов от её внедрения.

При допущении равномерности распреде-ленйя. ресурсов по этапам проектирования Ij(tHj,t4) = const, 0)(*1сДю) - const, j=1..2..n, где Ij, Gj соответственно, интенсивность затрат и частных эффектов этапа j, интегральные затраты и эффекты определятся как суммы соответствующих площадей:

К , . т

} = i r=I

где: Tj -длительность соответствующего этапа, Т3=(1ч-Ц); Тп -период проектирования АСУТП, Tu=£Tj, Кг -единовременные затраты, связап-ные с приобретением оборудования, EfTn-Tj) - коэффициент приведения затрат к началу эксплуатации системы, Е - нормативный коэффициент приведения затрат. Разрлботан-ная модель эффективности АСУТП "я жизненном цикле позволяет последовать научно-технические и организационно-технические факторы, сокрап:нощис затраты и

упеличпвагощие прибыль от внедрения системы, в том числе, разработанная методика использована в имитационной модели главы I для анализа эффективности различных вариантов проектирования АСУТП.

В'ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ работы исследованы проблемы проектирования структуры технических средств управления и человеко-машинного интерфейса. В первой главе был сделан вывод, что решение этих проблем является естественным ограничением проекта АСУТП, а во второй главе подчеркивается, что необходимость их решения следует из свойства реализуемости эталонной модели. В настоящей главе введено понятие управляющего элемента (УЭ), как некоторого программно - технического устройства, осуществляющего целенаправленное воздействие на параметры производственного процесса и сформулированы требования к децентрализованной АСУТП. Осуществлен анализ реализации возможных функций УЭ. Показано, что воспользовавшись двумя основаниями декомпозиции, а именно, по основанию 'взаимодействия УЭ с окружающей средой (объект, человек, смежный УЭ, архив) и по основанию - этапы переработки данных (ввод, арифметическая или логическая обработка, зызод)., можно описать практически любые управляющие структуры, как частные случаи универсального контроллера или управляющей локальной сети (УЛВС) на их основе. Сформулированы основные принципы синтеза УЛВС -по-пераых, проектируемая структура должна обеспечить безаварийную работу объекта, во-вторых, стоимость технических средств управления должна быть минимизирована.

Определены основные отличия УЛВС от сетей общего назначения, в том числе, УЛВС обозримы и ограниченны п функциях, размещены па ограниченных пространствах. Топология сетей, режимы функционирования, объемы передаваемых данных, определяются при проектировании и при эксплуатации не случайны. В качестве базовой для АСУТП предложена сеть типа "звезда", для ко горой разработана методика декомпозиции управлявших функций. Так для структуры, представленной ниже:

______ управляющий агрегат

Г Ф2 ¡54,55,8 }—Н Ф1 "Г 52,53 >—Н ФЗ | Яе

Ф4 } 57 881 1 Ф5 | Б,

Ф7| Бс; Н—^ Ф81 5о4 1

__ , I" , , . 1

Фб

5оз

объект 02 объект 04 | объект 01 I объект 03

функционирование АОТП определяется через поведение

центрального узла:

Ф1 =Р1(У1,52,53); ФЗ = РЗ(УЗ,5е);

Ф2 -Г2(У2,54,55,56); Ф4 - Р4(У4.57,58);

Ф5 = Р5(У5,5о I); Ф6 = Р6(У6,5оЗ);

Ф7 = Р7(У7,$о2); Ф8 = Р8(У8,5о4),

где: 5ьмножества обработанных данных, трапспор::ируемых по УЛВС и используемых в узлах для выполнения проект ныл функций, 5е - множество сценариев .и данных человеко-машинного интерфейса, 5о] - множества параметров] - го объекта упразления,. ] = 1,2...., У1-У8 - множества-организующих сред узлов управления (оборудование, операционные системы, интерфейсы межмашинного обмена, общие правила обработки данных - информационный интерфейс), Ф1-Ф8 - множества потребительских и качественных функций, реализуемых узлом системы. Р1-Р8 -некоторые преобразования (например, прикладное программное обеспечение), уникальные для каждого узла УЛВС. По приведенной схеме, например, можно определить, что узлы ( названия узлов выбраны по функциям ) Ф1, Ф2, ФЗ образуют управляющий агрегат, в котором функции координации поручены Ф2, узел ФЗ обслуживает оператора, Ф1 выполняет расчетные-задачи. Остальные узлы решают задачи управления ТОУ,

Организующая среда каждого управляющего узла . (УУ) описывается множеством параметров: *п :'' Т.», Ф;, Ю,

О, Ш, Гп, I > где: Тэ - технологический процесс, реализующий согласованную на основе эталонной модель АСУТП, Ф1 - множество функций, решаемых УУ!; К5 -множество функций качества решения потребительских функций Фп ТМ - множество координирующих функций, О -множество сетевых функций, Щ- множество ресурсов УВК, образующих У-У1, Гп- множество ограничений по выполнеишо управляющих и вспомогательных функций, соответствующих условиям определенным в эталонной и концептуальных моделях АСУТП, I - время поступления в узел корректирующих (управляющих) сообщений.

Результаты формального описания УЭ и УЛВС позволили включить в технологический процесс проектирования АСУТП алгоритм синтеза технической структуры, основанный на последовательном сравнении ресурсов, отвлекаемых на выполнение заданных потребительских функций и привлекаемой для этого вычислительной техники.

Проектирование человеко-машинного интерфейса основывается на модели поведения оператора, анализ!,' руещего технологическую ситуацию (ТС). Эта модель представляется уникальной базой знаний, образуемой опытом, знаниями, привычками и психофизиологическим состоянием в момент принятия управляющего решения:

О = <Е1,С1, р1,111, (¡М, I >, где: О - кортеж, описывающий модель поведения ¡-го оператора (сценарий поведения) в момент {/принятия решения по управлению объектом; Е5 -

множество элементов, составляющих техни-ческую структуру ЧМИ, б! - множество функций, реализуемых ЧМИ, - множество взаимосвязей между функциями (элементарными сценариями, объектами отображения данных, алгоритмами обработки и т.д.), существующих реально в системе; 111 - множест во психофизиологических состояний человека; СИ - множество показателен качества ЧМИ, а также отдельных ее элементов и функций. Так как

эксплуатацией промышленной системы управления занимается не один, а несколько операторов, то естест венно считать, что кортежи операторов между собой не совпадают

и обобщенный многовариантный образ ЧМИ есть: С = { С\ }. Входящие в определение кортежа О множества описываются так: Е = { Е1, Е2, ЕЗ, Е4, Е5 }, где: Е1 -множество организационных элементов (множества целей и и задач 2) определяющих назначение и функциональные возможности конкретной ЧМИ, Е2 - множество персонала (операторы, технолога, инженерные службы, АУП ), ЕЗ -множество технических элементов образующих ЧМЙ (табло, дисплеи, пульты, звонки, кнопки и пр.), Е4 -множество алгоритмов поиска и обработки данных, Е5 -множество тривиальных результатов по управлению и вариантов решения нетривиальных 'задач.. О = { 01, С2, ОЗ, С4, 05 }, где: О] - множество процессов функционирования ЧМИ, определяется на основе множеств и и 2, 02 - множество ТС, для обработай которых предназначается ЧМИ; СЗ - множество действий персонала, принимающего решение в конкретной ТС; 04 - множество отображаемых фрагментов, соответствующих ТС, О5 -множество диалоговых процедур, реализуемых в конкретной ТС. Р = { Ре,Р§, Feg }, где: Ре - множество компонентных и морфоло-гических элементных структур, заданных на декартовом произведении множеств Ех Е, отображающих все виды взаимодействий между элементами ЧМИ и человеком, и том числе информационные связи и организационные отношения; Рц - множество функциональных структур - множество логике - временных отношений, заданных на компонентах множества О-х О, отображающих взаимосвязи функциональных единиц, Ре§ -множество морфологических элементно - функциональных структур, заданных на декартовом произведении множеств Е х С , отображающих состав элементов, участвующих в реализации функций.

<3 = { (1е, С^, ОГ, Qc где; Qe - множество характеристик качества элементов ТМИ ( на множестве Е), - множество характеристик качества функции (т множества О); Qf. -мнажеспзо характеристик качества взаимосвязей ( из множества с - множество общесистемных характеристик ЧМИ в целом, шопочающее не только атрибутивные но и прагматические характеристики, как

эффективностъ и качество. К. = { II!, И2, ИЗ }. где: III -множество личных эвристических алгоритмов поиска и обработки информации; 112 - множество факторов определяющих общее физическое состояние оператора (дальтонизм/ астигматизм, потеря слуха и т.д.), КЗ -множество факторов, определяющих моментное состояние человека (декремент бдительности, усталость, возбуждение, частое переключение на различные виды работ и т.д.).

Реализуемая в конкретной АСУТП модель ЧМИ:

Ср = < Ер, Ор, Ир, Рр, Лр > отражает общее представления конструктора - проектировщика об идеальном контроле и управлении и в части задания характеристик описываемых множествами Ср, Рр, (Зр, Яр отличаются от модели, сформулированной выше и по структурам и по содержанию данных. При этом, только множества Е1 и Ер могут быть согласованы на этапе выработай общих требований к модели ЧМИ. Согласование остальных множеств кортежей С и Ср затруднено вплоть до испытания системы на объекте, поэтому в обсуждаемой технологий проектирования предлагаются ' средства доя .адаптации идеальной модели ЧМИ к условиям реального объекта.

Б соответствии с требованиями эталонной модели в индустриальную технологию проектирования АСУТП введена новая потребительская функция - перепрограммируемый пульт с виртуальной клавиатурой. Функция комплексно решает задачу дистанционного воздействия на исполни-тельиые механизмы объекта через систему графического мешо, а также логическую обработку действий оператора, выбирающего объект, блокировки, отображение выбранного объекта, комментарии. Применение новой функции сокращает число ошибок включения в несколько раз, улучшает эргономическое обеспечение системы.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА диссертации посвящена разработке интегрированной системы математическое обеспечения универсального контроллера, поддерживающей качество выполнения базовых по греби гсльскнч функции эталонной модели. Основой пиктрпронанпои спаемы ,

проектирования и исполнения программ АСУТП является виртуальный контроллер, под которым понимается формальное (определенное логически) устройство, обладающее свойством реализовать- любые функции управления некоторым технологическим объектом. Техническое воплощение виртуального контроллера - это совокупность специализированных програм-мных средств для проектирования и реализации задачи' управления и физической Среды, включающей микроЭВМ универсального назначения с необходимым для выполнения задачи УСО и периферии. Концепция СВК базируется на см, приложение 2):

разделении функций взаимодействия вычислительного процесса с .внешней средой и функций преобразования информации о состоянии процесса в управляющие воздействия в соответствии с заданной при проектировании программой;

использования для функционирования всех вычислительных процессов 4 СВК' общего поля памяти (память данных), обращение к которой осуществляется в два такта соответствующими драйверами. При этом, обеспечиваются: в первом такте - обмен данных с внешней средой, а во втором - логические или арифметические преобразования информации в соответствии с кодом алгоритма (программой) и запись результатов вычислений в память данных.

- ' использовании для хранения прикладных, управляющих программ , специально выделенной области памяти, названной памятью программ, а для выполнения кодов прикладных программ - специализированных драйверов, обсспечи-вающих по заданию супервизора СВК загрузку из памяти программ соответствующего кода задачи, а из памяти данных - необходимой для вычислений иниципдизированно:; задачи информации, выполнение соответствующих рдсчешв, запись результатов в память данных, уничтожение е драйвере всех сведений об исполненной задаче ¡1 ожидание очередного вызова супервизора с новыми параметрами настройки;

квазипараллельном режиме выполнения вычислительных процессов на ограниченном пространстве памяти (ОЗУ).

- типизации обработки и хранения информации для каждого такта работы ВК, стандартизации внутренних интерфейсов обмена информации между внешней средой и памятью и наоборот;

- типизации технологических приемов создания управляющих программ для каждого ВК;

- структуризации процессов обработки данных до относительно (формально) независимых блоков (процессов) с уникальной

функцией. Выполнение сложных функций, являющихся композицией уникальных, осуществляется

последовательной ишщи-ализацией соответствующих блоков и передачей данных через общую память;

- использовании при проектировании алгоритмов управления объектно ориентированных языков, создаваемых пользователем непрофессионалом в области вычислительной техники, на первом этапе проектирования системы управления;

- представлении программ и алгоритмов управления в удобной для анализа и модернизации форме непосредственно в объектной микроЭВМ.

Номенклатура виртуальных контрол-леров включает все известные типовые задачи АСУТП и инструментальные средства их адаптации к объекту. СВК позволяет включать любые уникальные задачи, удовлетворяющие внутреннему информаци-оиному интерфейсу. СВК реализована на IBM архитектуру УВК, поставляемых КПО "Электронмаш". Проектирование базовых задач АСУТП включает этапы ввода данных об объекте, интерактивного проектирования видеограмм, записи на объектно-ориентированном языке алгоритмов управления и немедленного их исполнения.

В ПЯТОЙ ГЛАВЕ диссертационной работы приведено два примера использования СВК в проектировании АСУТП объектами химической

промышленносги. АСУТП адсорбции решает уникальную задачу оптимизации дсорбционного разделения солей в водном растворе и задачу маршрутизации материальных поюков. Критерием оптимальности работы адсорбционной колонны для стадий подачи смеси растворов и промывной жидкости принят максимум "посадки" целевого компонента при ограничениях по его потерям: Сг-»тах при:

\сч(ьк_0) < с'(4)]п[су(4)=сЦьЩф^) > сч3(4)]

а для стадии десорбции целевого продукта - наибольшая концентрация целевого компонента в получившемся растворе, что соответствует минимуму подаваемого десорбента:

У3->шт при [Сц(1к.й) > 0]П[СД4+С) - 0]

Решение задачи выполнено для условий равновесной сорбции:

аС. дС, щ а ах а

где е-порозность, р-насыпная плотность, о-линейная скорость жидкофазной среды, Г-время, х -линейная координата, О,а; -концентрация компонента в жидкой и твердой фазах. Кинетика сорбции описывалась уравнением

Глюкауфа: —- = Р^а] - а^ где: В- общий объемный • ^ >

коэффициент массопередачи, и\* -концентрация вещества в твердой фазе, равновесная с текущей концентрацией в жидкой фазе, описывается изотермой: а^РССаСг)

Особенностью автоматизируемого процесса является наличие нескольких различных по динамическим свойствам примесей, являющихся сильными электролитами, во-вторых, многостадийность процесса при формировании адсорбционных фронтов компонентов по слою на первой стадии не позволяет использования, "в принципе", датчиков концентрации целевого компонента, что актуализировало применение ЭВМ для управления адсорбционными режимами. В работе подробно рассмотрено решение задачи,

позволяющее применить результа гы для управления в реальном времени; Автоматизированная система обеспечила снижение бракованных партий растворов с 90% при ручном режиме до 0 в автоматическом, повысить эффективность съема продукта с колонн на 4-6%, фактический эффект от внедрения в 1986 году в размере 230 тыс. рублей. АСУТП подробно описана в литературе.

АСУТП "карат" интересна, как первый потенциально опасный процесс, из технической структуры системы управления которого исключены контактные управляющие элементы (реле) и вторичные приборы. Объект состоит из двух основных фаз: синтеза и очистки УДА. Цех синтеза представляет автоматическую роботизированную линию, включающую пневмотранспортные коммуникации, снаряжа-тельные автоматы, многопозициолый робот-перекладчик. Основной задачей управления является обеспечение инициализации тела, находящегося в свободном полете, вторым телом, пущенным "вдогонку". При этом, область встречи тел ограниченна технологическими условиями, а на полег первого тела вначале траектории "накладываются помехи, в соответствии с которыми следует корректировать момент запуска инициатора. В АСУТП задача решалась как уникальная в составе СВК. Своевременность решения обеспечивалась приоритетом выполнения этой операции при приостанове работы остального оборудования. Цикл подачи изделий на инициализацию составлял до 40 шт/минуту.

АСУТП участка химической очистки шихты УДА, реализованная на трех микроЭВМ, обеспечивает экологическую защиту и утилизацию отходов в зависимости от прогноза режимов работы основного оборудования. Основной операцией процесса является

высокотемпературное окисление примесей см есыо концентрированных кислот.

Особенностью экзотермической реакции окисления является высокий порог её начала (300-330 1рад.С). Поэтому алгоритм управления вначале должен обеспечить н.нрев смеси в реакторе, а затем стабилизировать его температуру в условиях изменяющихся концентраций

примесей и кислот, температуры растворов, состояния оборудования. Высокая агрессивность продуктов делает невозможным применение в процессе управления датчиков. Управление ведется адаптивным регулятором, вкшоченным в систему, как уникальная задача. Трудоемкости разработки рассмотренных АСУТП составили 6-8 чел ./месяца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертации научно обоснованы экономические, технологические и технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса в части разработки

автоматизированных систем управления технологическими процессами промышленных объектов с непрерывно-дискретными режимами работы оборудования в химической, металлургической, пищевой, деревооб-рабатывающей и других отраслях хозяй-ственной деятельности.

Полученные результаты отличаются от известных подходов к проектированию АСУТП единством методологического подхода, в том числе: в формулировании исходных требований к системе управления технологическим объектом с использованием эталонной модели АСУТП; в технологической (методической и инструментальной) поддержке всех этапов разработки системы управления, удовлетворяющей качеству эталонной модели.

Реализованная методология' проектирования позволила сократить этапы разработки программного обеспечения типовых функций и за'дач, ускорить разработку АСУТП, обеспечить заданные потребительские функции при гарантированном уровне их качества, а также улучшить технико-экономические и эксплуатационные характеристики внедренных систем.

Основные научные и практические результаты включают следующее:

!. Разработаны теоретические • основы проектирования автоматизированных систем управления объектами с недрсрывно-дискретшш режимом работы оборудования, которые воплощены в конкретную

технологию индустриального проектирования АСУ'ГП (ИТ-технологию). Основными компонентами ИТ-технологии являются:

- эталонная модель АСУТП, включающая знания н опыт специалистов в области автоматизации,

- инструментальные средства для реализации потребительских функций системы при выполнении характеристик качества эталонной модели

- методическое обеспечение, в соответствии с которым достигается эффективное проектирование управляющей системы.

2. Для исследования эффективности различных вариантов организации технологических процессов проектирования АСУТП предложена методика расчета интегральных затрат и прибыли на всем жизненном цикле системы. Разработана методика анализа эффективности вариантов технологических процессов проектирования АСУТП, включающая пооперационную имитационную модель, средства сё настройки на исследуемый вариант проектирования и модуль оценки' интегральных показателен эффективности. Исследовано более 15 традиционных вариантов проектирования систем управления. Показано влияние длительности и интенсивности затрат по этапам на . стоимостные характеристики системы. Качественный анализ методов снижения влияния анализируемых факторов приводит к выводу о необходимое™ повышения уровня потребительских функций и совершенствования проектных работ.

3. Осуществлен анализ структуры знаний потребителя и разработчика АСУТП. Показано, что основой проблемно ориентированных знаний об свойствах АСУТП являются сведения о потребительских функциях и качество их исполнения. Функции качества АСУТП могут сыть описаны некоторой эталонной моделью, отражающей накопленный опыт пользователей и разработчиков в этой области. Определены требования к эталонной модели АСУТП и разработана методика формирования эталонной модели. Б результате обработки знаний экспертов 35 предприяшй и

-326 отраслевых институтов получено конкретное содержание эталонной модели, в том числе по наукоемкости, человеко-машинному интерфей-су, завершенности, технологичности, уровню технической структуры, эксплуатационным показателям.

4. Предложены и обоснованы методы проектирования технической структуры АСУТЛ. Метод базируется на результатах исследования взаимодействия управляющего контроллера с окружающей средой, под которой понимаются объект управления, человек, смежные элементы управляющей локальной сети (УЛВС), средства хранения .архивированных данных, а также на анализе возможных этапов обработки данных. Показано, что все известные технические структуры АСУТП могут быть формально описаны управляющей вычислительной сетью (УЛВС), состоящей из универсальных микроконтроллеров -УМИКОНТов. Анализ возможных топологий УЛВС, режимов передачи данных, состава функций управляющих узлов, надежностных и стоимостных характеристик показал отличия УЛВС от информационных сетей общего назначения, в том числе, обозримость, стабильность, незначительные объемы передаваемых данных и детерминированность режимов. . Разработан алгоритм синтеза структуры технических средств для топологии тина "звезда".

5. Разработана математическая постановка и алгоритм решения задачи проектирования человеко-машинного интерфейса АСУТП.

Проектирование ЧМИ представлено, как последовательный процесс сближения омпири-ческих знаний операторов и идеальной модели анализа технологической ситуации, разраба-тываемой п)юектировщжом. Эффективное решение задачи достигается, если проекги-ровшик ' будет ; иметь инструментальные средства интерактивного проектирования ЧМИ непосредственно на объекте управления. Разработана методика' проектирования ЧМИ, основанная на последовательной декомпозиции информационного потока от параметров объекта управления по техническим средствам АСУТП. Для оценки мощности информаци-

- зз -

оыюго потока, формируемого аналоговым параметром разработан метод кодирования аналогового сигнала (АС) "особыми состояниями" и описания динамики поведения АС марковской цепыо с непрерывным временем.

6. Впервые введена новая потребительская функция АСУТП перепрог-раммируемый пульт с. виртуальной клавиатурой (ППВК). Функция объединяет графические меню с логической обработкой выбираемых для дистанционного управления исполнительных механизмов. Дополните-льными эффектами от использования ППВК являются диагностика, рекомендующие сообщения и блокирование неверного выбора. -Исследования работы операторов с ППВК подтвердили высокую эффективность функции..

7. Разработана интегрированная система проектирования и исполнения задач АСУТП, поддерживающая эталонную модель и методологически связанной с алгоритмами проектирования техническом структуры и ЧМИ. В основу интегрированной системы положена унифицированная структура информационного обеспечения, раздельное хранение программ и данных. Интегрированная система, названная семейством виртуальных контроллеров (С В 1С),. обеспечивает проектирование программного обеспечения методом заполнения специализи-рованной базы данных сведениями о параметрах объекта и нормативной информацией, соответствующего определения объектно ориентированного языка пользователя, интерактивного проектирования ЧМИ и записи на объектно ориентированном псевдокоде алгоритмов ПЛУ. Исполнение в реальном времени задач опроса, первичной обработки данных, ЧМИ, диагностики, НЦУ, ПЛУ, архивации, межмашинного обмена осуществляется без , дополнительной отладки непосредственно после проектирования.

8. СВК доведена до промышленного образца и поставляется НО "Электронмаш" г. Киев в качестве дополнительного программного обеспечения управляющих комплексов СМ1810. С цслыо совершенствования методов проектирования в среде СВК внедрено более 10 уникальных

АСУТП, различной функцио-нальной направленности и информационной мощности. АСУТП внедрены в управление: стевда НГЮ " Энергия" ( Капигулово, Ленинградской области), цеха выщелачивания золота и стана гальванического покрытия листовой жести (Казахстан), в качестве базового для автоматизированного управления сахарными заводами Украины, для автоматического управления резинотсх-ническими предприятиями, управления электропечами и в других отраслях промышленности. При этом подтверждено, что длительность процессов проектирования в сравнимых системах сокращается в 2-4 раза, затраты снижаются за счет исключения этапов разработки прикладных программ в 1.5- 2.7 раза, время обучения проектировщиков работе г СВК составляет 1-2 недели, в последующем работы проводятся лишь с небольшими консультациями.

9. Результаты практической эксплуатации индустриальной СВК - технологии разработки АСУТП подтверждают высокую эффективность разработанных методов и создают предпосылки для широкого внедрения автоматизированных - систем управления в технологические процессы с непрерывно-дискретным режимом работы оборудования.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Петраков В.М. Титаренко Ю.И. Уланов К>.Б. Диалоговый пульт оператора с микроЭВМ "Электроника-60"

В сб. "Передовой производственный опыт" N3 М.: ЦНИИНТИ, 1985 '

2. Титаренко Ю.И. Степанов В.А. Функционирование автоматизированного комплекса управления И ССР,- В сб. тезисов Всесоюзной конференции "Автоматизация управления сложными системами". Барнаул.: А ГУ 1978

3. Титаренко Ю.И. Вигуль В.А. Глинкин O.S. Технологические аспекты повышения качества АСУТП. В сб. тезисов Всесоюзной конференции "Вопросы теории и принципы построения устройств I. систем автоматизации" Новочеркасск.: НПИ, 1990

4. Титаренко Ю.И. Соотношение мирового уровня и СВК-технологии создания автоматизированных систем управления, - с сб.

Труды третьей юбилейной конференции Бийского технологического института АлтГТУ.- Барнаул: АлтГТУ. 1994.

5. Бондаренко В.Н., Титаренко Ю.И. - Об экономическом обосновании языков высокого уровня в программном обеспечении АСУ'ГП на базе микроЭВМ, - в сб. тезисов Всесоюзной конференции "Автоматизи-рованные системы . управления техноло-гическими процессами дискретных произ-водств".- Пермь, НПО "ПАРМА" 1984

6. Титаренко Ю.И., Левин Б,Я., Атепаева Т.И. -Индустриализация создания АСУТП и проблемы повышения их эффективности, - М: ИнформТЭИ, 1991, с. 96.

7. Бобрышев В.П. Титаренко Ю.И. Кондратенко С,В, Проектирование распределенных систем управления на основе универсальных контроллеров,- В сб "Передовой производственный опыт" N 4,-М: ЦНИИНТИ, 1986

8. Левин Б.Л., Титаренко Ю.И. Паздзерский А.А. Микропроцессорные системы управления химическими производствами. отрасли, обзор, - М: ЦНИИНТИ, 1988, стр.65

9. Варганов В.Б. Титаренко Ю.И. Левин Б.Я. Реализация программно-логического управления оборудованием химических производств, - М.:Химическая промыш-лецность, N 2, 1990.

10. Титаренко Ю.И. Структура имитационной модели для описания производств непрерывно-дискретного типа.- ВСМ (серия 5) N3 (37) М.: ЦНИИНТИ. 1983

11. Балясова Е.М. Титаренко Ю.И. Иерархическая система управления технологическими процессами па основе локальной вычислительной сети,- В сб. - тс:псов Всесоюзной научно-технической конференции " Информационная технология создания интегрированной АСУ на базе автоматизированных рабочих мест". М.: ВНИИТЭМР. 1990

12. Титаренко Ю.И. Чичикин П.А. Применение алгоритмов распознования для диагностики в реальном

времени нетривиальных технологических ситуаций АСУТП,- в сб докладов третьей международной конференции " Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов, ИКАПП-94". Барнаул. АлтГТУ, 1994.

13. Атепаева Т.И., Левин Б.Я., Титаренко Ю.И. Оценка НТУ АСУТП на основе модельных представлений в сб."Передовой производственный опыт" . - 1989 N 4. - М: ЦНИИНТИ

14. Оценка научно-технического уровня автоматизированных систем управления технологическими процессами. Отраслевые методические материалы. М: ЦНИИНТИ. 1989.

15. Титаренко Ю.И. Оптимизация функционала, заданного имитационной моделью.- в сб." Передовой производственный опыт" N 4 М: ЦНИИНТИ, 1986

16. Титаренко Ю.И. Кондратенко С.В., Балясова Е.М., Петраков В.М. Проектирование прикладного программного обеспечения АСУТП для свободнопрограммируемого управляющего модуля.- в сб. тезисы докладов Всесоюзной конференции "Программное, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУТП".-Ташкент, ТПИ, 1985 ; .

17. Афанасьев A.B., Варганов В.Б. Титаренко Ю.И. Индустриализация проектирования про1раммного обеспечения АСУТП химических производств : с использованием концепции виртуальных контроллеров. -Химическая промышленность. N 6 М.: Химия. 1993

18. Титаренко Ю.И. Вигуль В.А. Варганов В.Б. Базовое программное обеспечение семейства виртуальных контроллеров, ориентированное на АСУТП химических производств,- Химическая промышленность N 6 М.: Химия. 1993.

19. Титаренко Ю.И. Левушкин Д.А. Исследование живучести сложного техноло-гического обьекта методом имитационного моделирования и декомпозиции целей. - сб тезисов докладов 1 Всесоюзной конференции " Синтез и проектирование многоуровневых систем управления"-Барнаул,АГУ, 1982

-3720. Сыпин Е.В. Титаренко Ю.И. Высокопадежный управляющий комплекс для объектов химической промышленности.- в сб. тезисов докладов третьей юбилейной конференции БТИ. Барнаул. АлтГТУ. 1994.

21. Афанасьев А.В. Ю.И. Титаренко Особенности локальных вычислительных. сетей, используемых в распределенных системах управления процессами. В сб тезисов докладов "пятнадцатой всесоюзной школы -семинара по вычислительным сетям" М: ВИНИТИ. 1990 стр.263-268

22. Бобрышев В.П., Титаренко Ю.И. Кондратенко . C.B. Свободнопрограммируемый управляющий модуль на

базе микроЭВМ " Электроника-60", в кн: Микропроцессорная техника и электромеханические устройства а автоматических системах. Томск: издательство Томского университета. 1987 стр.8-13

23. Титаренко Ю.И., Левин Б.Я. Печракоз В.М. Система управления автоматизированным технологическим комплексом получения УДА. ? в сб. Взрыв, удар, защита.- N 17 с: 32...36 Новосибирск: Наука.

24. Глинкин О.Б. Вигуль В .А. Титаренко Ю.И. Анализ структуры программного обеспечения для решения задач АСУТП. - В сб. трудов третьей юбилейной конференции БТИ. Барнаул АлтГТУ 1994.

25. Титаренко Ю.И., Петраков В.М. Оптимизация структур технических средств распределенной системы управления. в сб докладов Всесоюзной школы " Оптимальное управление, геометрия, анализ". - Кемерово: КГУ. с. 102.105.198$.

26. Титаренко Ю.И. Заметаев Ф.И. Оценка эффективности организации абонентской сети ВЦКП методом имитационного моделирования. ВСМ (серия 5) N 4 (30) М.:ЦНИИНТИ 1981 cip.22-27

27. Иошпе Е.Д., Калайда Е.И. Титаренко Ю.И. Двухуровневая система, программное обеспечение распределенных иерархических систем управления.- тезисы " доклада международной конференции " Успех в открытой рыночной экономике - комплексная автоматизация производства" Киев, ПО " Электронмаш " 1992.

-3828. Титаренко Ю.И. Динамическое представление информации оператору в системе централизованного контроля ЛСУТП.-в сб. "Передовой производственный опыт" N11. 1980 М: ЦНИИНТИ

29. Титаренко Ю.И,, Петраков В.М., Уланов Ю.Б. -Диалоговый пульт оператора с микроЭВМ Электроника 60 в АСУТП. -сб.Передовой производственный опыт. N 3 с.24-32. М: ЦНИНТИ. 1984.

30. Титаренко Ю.И., Балясова Е.М. Перепрмраммируемый пульт дистанционного управления с виртуальной клавиатурой.-сб тезисов докладов Всесоюзной конференции" Инструментальные ' и программные средства поддержки технологий проектирования АСУТП

" Киев. ПКБ АСУЛ 990

31. Титаренко Ю.Й., Сысоева А А., Глинкин О.Б. АРМ диспетчера на основе микроЭВМ. - сб Передовой производственный опыт N 7 с.15.,17. М.: ЦНИНТИ. 1989.

32. Титаренко Ю.И. Молокеев В.А. Теоретическая оценка перспективности некоторых направлений синтеза новых ВВ.- В

сб. Доклады Юбилейной конференции по вопросам технологии, технологического оборудования и АСУТП. Бюллетень " Информация . о новых поступлениях литературы N7 1982

33. Титаренко Ю.И., Глшпшн О.Б. Левин Б.Я. Виртуализация при проектировании распределенных систем управление. - в сб. докладов Всесоюзной школы " Оптимальное управление, геометрия, анализ". - Кемерово: КГУ. с. 54..57 1988. '

34. Титаренко Ю.И. Калайда Е.И. Индустриальная технология создания программного обеспечения АСУТП на CMIN10.- в сб. тезисов Bcec0j03H0ii конференции " Применение средств вычислительной техники, выпускаемых К ПО "Электронмаш' в различных отраслях народного хозяйства. Киев РЦЯиВ УССР 1991.

35. Титаренко Ю.И., Левин Б.Я. Структура/ . информационного обеспечения универсального

микроконтроллера, - в сб. Передовой производственный опыт N 11 с. 29..32 М.: ЦНИНТИ. 1987.

-39- \

36. Титаренко Ю.И. Уланов Ю.Б. Свободнопрограммируемый управляющий модуль на базе микроЭВМ "Электроника-60" для распределенных систем управления.- В сб. тезисов докладов Всесоюзной конференции "Программное, алгоритмическое и техническое обеспечение АСУТП. Ташкент. ТПИ 1985

37. Балясова Е.М. Титаренко Ю.И. Технологические вопросы программирования универсальных контроллеров для распределенных систем управления.- в сб. "Передовой производственный опыт" N 8 с. 14.. 17. М.: ЦНИИНТИ. 1987.

38. Титареико Ю.И. , Вигуль В.А., Глинкин О.Б. Индустриальное проектирование АСУТП с использованием пакета • "Семейство виртуальных контроллеров".' в сб докладов, третьей международной конференции " Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов, ИКАПП-94". Барнаул. 1994.

39. Вигуль в.А. Титаренко Ю.И. СВК технология проектирования программного обеспечения АСУТП. Концепция и инструментарий.- в сб докладов третьей международной конференции " Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов, ИКАПП-94". Барнаул. 1994.

40. Глинкин О.Б. Титаренко Ю.И. ÇBK технология проектирования программного обеспечения АСУ ТП. Реализация.- в сб докладов третьей международной конференции " Измерения, контроль и автоматизация производственных процессов, ИКАПП-94". Барнаул. 1994.

41. Афанасьев A.B., Вигуль В.А. Титаренко Ю.И. Программирование АСУТП в рамках семейства виртуальных контроллеров.- сб тезисов докладов Всесоюзной конференции " Инструментальные и программные средства поддержки технологий проектирования АСУТП" Киев. ПКБ АСУ. 1990

42. Андриевский В.П. Смирнова Т.И. Титаренко Ю.И. Математическая модель динамики сорбции из двухкомпонентных растворов электролитов.- ЖПХ N9 1983

43. Андриевский В.П., Титаренко Ю.И. Петраков В.М. Диалоговая система задания режимов для периодической многовариантной АСУТП.- в сб. трудов

Всесоюзной конференции "Автоматизироанные системы управления технологическими процессами дискретных производств",-Пермь, НПО "ПАРМА"" 1984 .

44. Андриевский В.П. Титаренко Ю.И. Оптимизация сорбционной очистки воды на основе математической модели процесса. - В сб. тезисов Всесоюзной конференции" Прикладные аспекты управления сложными системами". Кемерово, ЮГУ, 1983.

45. Титаренко Ю.И. Андриевский В.П. Оптимизация разделения компонентов в режиме фронтальной адсорбции. - Химическая

промышленность N 4 М.: Химия 1990

46. Андриевский В.П. Титаренко Ю.И. Расчет хроматографическогоразделения двух-компонентной смеси на основе теорииравновесной сорбции. - Химическая промышленность N 11 М.: Химия 1992.

47. Андриевский В.П., ТитаренкоЮ.И., Петраков

B.М. Диалоговая система управления многопоточным технологическим процессом/- в сб. Микропроцессорная техника и электромеханические устройства в автоматических системах. Томск.: ТГУ. 1987.

48. Молокеев В.А. Титаренко Ю.И. Козырев Н.В. Критерий разбиения ВВ на классы в задачах термодинамического расчета

ВСМ.(З) N 3. с. 31..33. М.: ЦНИИНТИ. 1984.

49. Молокеев В.А., Козырев Н.В., Титаренко Ю.И. Расчет равновесного состава продуктов взрыва в детонационных волнах.- ВСМ (3) N 4 -с. 14.. 16 М.: ЦНИИНТИ. 1984. •

50. Балясова Е.М.,' Титаренко Ю.И., Кондратенко

C.Б. АСУТП синтеза шихты СТМ. - в сб. Боеприпасы N 4 М.: ЦНИИНТИ. I98Ö.

51. A.C. N 706101 от 6.01.78 Способ автоматического управления работой реактора непрерывного действия. / Булгаков О.В.. Сотников В.В,, Титаренко Ю.И., Степанов В*А.

52. A.C. N 262477 от 14.09.87 Способ хроматографического разделения жидкостей. /Булгаков

О.В., Андреев В.Н., Андриевский В.П., Степанов В.А., Титаренко Ю.И. - дсп

53. A.C. N207872 от 20.03.83 Состав для синтеза. / Молокеев В,А., Сатаев P.P., Титаренко Ю.И., Шебалин А.И,- дсп

54. A.C.N262477 от 18.09.86 Способ получения. /Сакович Г.В. Петров Е.А., Молокеев В.А., Титаренко Ю.И., Шебалин А.И.- дсп

55. A.C. N281593 от 4.06.87 Технологический . процесс. / Молокеев В.А.,Сакович Г.В..Лукьяичиков Л.А., Титаренко Ю.И.-дсп

приложение I

пользователь

оаза знании прототипов

н

и е

база знаний нормативов

база знаний об

идеальной модели (ИМ)

исполнитель

база знаний прототипов

У- V.

формирование концептуальной модели АСУТП

оценка возможности испол ьзования индустриальной технологии (ИТ)

оценка стоимости АСУТП 1-

реализация

проект техиич. структуры

проект ЧМИ

проект ПО

ИТ, реали зугощая ИМ

эксплуатация Ь-Ц модернизация ИТ

Технологический процесс индустриального проектирования

АСУТП

приложение 2

| Память программ |

Алгоритм 1 Алгоритм ^ 1 ... Алгоритм N

Внешняя среда

Межмашинны обмен УСО Периферия

| Драйвер 3 Драйвер 2 Драйвер 1 |

-Т—1 у ?. *___

} Память данных |

Структурная схема функционирования виртуального контроллера