автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Измерительно-вычислительный комплекс для диагностики управляющих программируемых логических контроллеров

РТ6

На правах рукописи

Сальников Сергей Николаевич

ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ УПРАВЛЯЮЩИХ ПРОГРАММИРУЕМЫХ ЛОГИЧЕСКИХ КОНТРОЛЛЕРОВ

Специальность: 05.11.16 - Информационно-измерительные

системы (в промышленности)

■Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1996

Работа выполнена о Волгоградском государственном техническом университете.

Научный руководитель -

академик МА РФ, доктор технических наук, профессор Ю. П. Муха.

Официальные оппоненты:

академик МА РФ, доктор техн. наук, профессор Цветков Э. И. кандидат технических наук, доцент А.Н. Шилин.

Ведущее предприятие - АООТ "Волгоградский тракторный завод".

. Защита состоится г. и......часов на заседании

диссертационного совета К 063.Зе.04 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета по адресу: 197376, г.Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан с*?"1996 г.

Ученый секретарь диссертационного сооета

Юрков Ю. В.

ОБОЖАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности и качества производства, управления предприятием во многом определяется своевременным освоением и использованием прогрессивных технических средств на базе электронной вычислительной техники (ЭВТ). Развитие передовой ЭВТ ведет к принципиальным изменениям в структуре вычислительных комплексов, значительному развитию распределенных вычислительных систем (ВС),информационно-управляющих систем (ИУС) и т.д..

Перспективной основой создания прогрессивных унифицированных ИУС, работающих в реальном масштабе времени, является применение промышленных программируемых логических контроллеров (ПЛК) на базе микропроцессоров (МП). Однако, в настоящее время важно, что ИУС на базе ПЛК существенно усложнились, и проблема выбора алгоритмов распределения ресурсов, конфигурации аппаратных средств ПЛК не может быть удовлетворительно разрешена без измерений, анализа и последующей оптимизации параметров вычислительного процесса. Для этих целей требуются измерительные средства, измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) и т.п.. которые обеспечивают сбор данных о ходе вычислительного процесса, при заданных характеристиках внешней среды, структуре ИУС (или ее модели) и параметрах ее компонентов, а также измерение характеристик и диагностику технического состояния устройств ПЛК. Последнее выражается в наличии или отсутствии напряжения на определенной шине, состоянием отдельного триггера, регистра и т. д..

Следовательно, есть актуальная необходимость в решении совокупности задач анализа ИУС на базе ПЛК и синтеза. ИВК, начиная с структурного синтеза, выбора и разработки конкретных типов подсистем ИВК для проведения экспериментальных исследований. Указанные факторы приводят к развитию методов и алгоритмического обеспечения измерений, опирающихся на новые технические возможности процессорных измерительных средств (ПрИС), а также метрологического анализа полученных результатов.

Таким образом, разработка структуры, методов измерения и ал-гооитмов построения ИВК для диагностики ПЛК является актуальной задачей и результаты работы представляют значительный практический интерес для предприятий, использующих и производящих ПЛК.

- г -

Цель и задачи работы. Конечной целью работы является разработка структуры специализированного ИВК встроенного типа и алгоритмов его- функционирования, обеспечивающих измерение характеристик и диагностику технического состояния устройств ПЛК, реализацию подсистем в ИВК. Для этого необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать функциональную область ПЛК на физическом уровне, на уровнях иерархии управления и иерархии полномочий (система прерываний), резидентную область памяти ПЛК;

- провести анализ механизма аппаратной поддержки ь..числения скобочных форм булевых функций, при реализации МП ПЛК логических алгоритмов, анализ системы контроля и диагностики в ПЛК;

- провести анализ известных методов и средств контроля параметров программируемых устройств, анализ формирования информационных потоков в структуре ПЛК, информационных параметров контроля и моделей дефектов устройств ПЛК, структурно-функциональный анализ ПЛК;

- провести структурный синтез ИВК встроенного типа на уровне подсистем, разработать и исследовать информационные модели для программы пользователя и устройства вычисления скобочных форм булевых функций, метод измерения характеристик функциональных состояний устройства вычисления скобочных форм булевых функций;

- разработать и исследовать методы измерения значений функциональных параметров ПЛК и компенсации составляющих инструментальной погрешности при измерениях, метод оперативного контроля процесса выполнения програ.и.ш в ПЛК, вычислительные структуры, реализующие предложенные алгоритмы;

- разработать программные средства для подсистем ИВК.

Методы исследования: структурный анализ ПЛК с использованием

методов и аппарата структурного синтеза ПрИС теории сложных измерительных систем; системный анализ ПЛК на основе системного подхода; использование теории статистических измерений и теории вычислительных систем; метода вычислительной и дискретной математики; машинный эксперимент на основе полученных в работе информационных моделей устройств ПЛК и алгоритмов измерения значений функциональных параметров ПЛК.

Новые научные результаты работы заключаются в следующем:

- предложена методология синтеза структуры ИВК встроенного

- з -

типа, ориентированного на реализацию в вычислительных структурах ЭВМ и ПЛК, для диагностики устройств ПЛК;

- предложен принцип измерения характеристик функциональных состояний устройства булевого вычислителя в ПЛК;

- предложен принцип статистических измерений значений функциональных параметров ПЛК;

- предложен принцип оперативного контроля правильности функциональных действий МП, в процессе выполнения ПЖ программы пользователя.

Практическая ценность работы заключается:

- в результатах исследований и анализа работы устройств ПЛК, резидентного программного обеспечения ПЛК;

- разработана методика формирования структуры и определения характеристик функциональных состояний устройства ПЛК, для вычисления скобочных Форм булевых функций:

- разработана методика и вычислительные структуры, реализующие статистические измерения значений функциональных параметров ПЛК;

- разработана методика и вычислительные структуры, реализующие измерение одномерной интегральной функции распределения вероятности значений Функционального параметра ПЛК, на фиксированном интервале времени;

- разработана методика реализации оперативного контроля процесса выполнения программы пользователя в ПЛК, по результатам измерений интегральной функции распределения вероятности значений времени цикла программы ;

- реализовало алгоритмическое обеспечение подсистем ИВК.

Основные научные полохсния. выносимые на защиту:

- методология синтеза структуры ИВК встроенного типа;

- принцип и метод измерения характеристик функциональных состояний устройства булевого вычислителя в ПЛК;

- принцип и метод статистических измерений значений функциональных параметров ПЛК;

- результаты количественных исследований работы подсистем

ИВК.

Практическая реализация результатов.

Разработанные методики и ИВК реализованы в лаборатории систем автоматического управления Отдела главного технолога и в цехе.

Трансмиссии-1 АООТ "Волгоградский тракторный завод" для диагностики технического состояния устройств ПЛК семейства МикроДАТ, .на кафедре "Вычислительная техника" ВолгГТУ (г. Волгоград) в учебном процессе,' и подтверждены соответствующим актом внедрения. Планируется дальнейшее использование подсистем ИВК при сертификации параметров ИУС с разнотипными ПЛК.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:

- на Всероссийской научной конференции ученых Метрологической академии РФ "Менделеевские научные чтения", 18-19 октября 1995г., С. - Петербург, ВНИИМ им. Д. И. Менделеева:

- на межвузовской научно-практической конференции молодых ученых Волгоградской области "Компьютерное обеспечение и компьютерные технологии", 5-9 декабря 1994г., Волгоград, ВолгГТУ;

- на ежегодных научно-технических конференциях преподавателей и аспирантов "Измерительно-вычислительные сети", 1992-1995 гг., Волгоград, ВолгГТУ ;

- на семинаре кафедры ИИТ, 20 октября 1995 г., С.- Петербург, СПбГЭТУ.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в пяти печатных работах, из них одна - тезисы доклада на Межвузовской научно-практической конференции, четыре работы депонированы в ВИНИТИ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, включающего 83 наименования, и пяти приложений. Основная часть работы изложена на 123 страницах машинописного текста. Работа включает 20 рисунков. 14 таблиц и 46 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш и необходимость разработки ИВК для диагностики ПЛК. Сформулированы цель, задачи исследования и основные положения, выносимые автором на защиту. Дан краткий обзор материала, представленного в работе.

В первом разделе осуществлены систематизация и анализ основных функций ориентации ПЛК, как устройства общего назначения, на предметную область. С информационных позиций рассмотрен объект

диагностирования- ПЛК семейства МикроДАТ, а именно типовые представители семейства МБ57.Х и МУ5$.Х. Дается описание общей организации обработки информации в устройствах и программирования ПЛК.

Для выявления требований к подсистемам ИВК, работающим в реальном масштабе времени, рассмотрены функциональные параметры взаимодействия ПЛК с объектом управления. Проведен анализ организации памяти и разделения адресного пространства в ПЛК.

Рассмотрены особенности работы микропроцессорного модуля (ММ) ПЛК: механизм аппаратной поддержки вычисления скобочных форм булевых функций, при реализации МП ПЛК логических алгоритмов; структура и работа устройства булевого вычислителя (БВ), реализующего механизм. Дан обзор и анализ существующих недостатков в системе контроля и диагностики ПЛК на примере устройства БВ.

Во втором разделе дается определение внутренних и внешних информационных параметров ПЛК. На основе исследования и анализа функциональной области ПЛК предложена иерархическая классификация процесса переработки информации в ПЛК по признакам информационных объектов, ' выполняемых операций и устройств, в которых эти операции реализуются. Процесс переработки информации в ПЛК представлен шестью уровнями иерархии. Расчленение процесса обусловлено степенью развития конструкций входного языка ПЛК (логический уровень пользователя) и архитектурой ПЛК. В свою очередь развитие конструкций языка и архитектура определяются не только числом уровней, но и их содержанием, причем развитие содержания уровня может вызвать выделение в нем подуровней. Уровни процесса переработки информации в ПЛК разделены на две обобщенные категории: алгорит-. мическую (структуры данных и операций) и элементную 1элементарные типы данных и элементарные операции) структуры.

Принятая постановка задачи предполагает исследование моделей дефектов устройств ПЛК. В процессе производства, эксплуатации или хранения в ПЛК могут возникать дефекты, т.е. последствия событий или явлений, которые изменяют параметры одного из его устройств. Входящие в информационный тракт ПЛК функционально самостоятельные устройства, подразделены на два класса: класс программно-управляемых устройств (ПУУ) и класс цифровых устройств (ЦУ), которые не являются программно-управляемыми. Сам ПЛК в целом является ПУУ, в связи с чем возникают задачи создания моделей его диагностирования и дефектов, на основе анализа функционирования ПЛК, разработ-

ки на базе этих моделей методов измерений для выявления (диагностики) правильности текущих значений функциональных параметров (ФП) устройств и ПЛК в целом.

Классификация, терминология и свойства дефектов ПЛК определяются уровнем описания или моделирования его устройств. В работе выделены четыре уровня описания, упорядоченные в следующей последовательности: физический, логический, информационный и внешний (уровень пользователя). Анализ дефектов ПЛК показал, что в каждом из уровней описания его устройств можно выделить состояния, определяющие их правильное или неправильное поведение. При этом правильное поведение и структура вышестоящего уровня могу" оыть описаны и проверены ФП элементов нижестоящего уровня и их взаимодействием. В то ке время дефекты последующих уровней могут появляться независимо от состояния предыдущих низших уровней. Следовательно, необходима мера функциональных состояний для выделенного уровня.

Проведен анализ известных методов и средств контроля параметров программируемых устройств. Из всего многообразия направлений, существующих в этой проблематике, по характеру контроля выделень две обширные области: тестопое диагностирование и функциональное диагностирование. Взаимодействуя между собой объект (например. ПЛК) и средства диагностирования образуют систему диагностирования (контроля). Системы тестового и функционального диагностирования, решая одни и те же задачи, используют совершенно различные методы и средства контроля, обеспечивающие обнаружение ошибок в работе ПЛК, вызванных отказом (систематическая ошибка) или сбоем (случайная ошибка) аппаратуры, ошибкой оператора, ошибкой в программе или другими причинами.

В целях анализа системы контроля и диагностики ПЛК, а также проектирования ИВК, рассмотрены: методы программно-логического контроля, алгоритмического контроля и тестового контроля; методы аппаратного и аппаратно-логического контроля; методы встроенного, профилактического и комбинированного контроля. Определены информационные потоки в структуре ПЛК по результатам анализа формирования: информационных потоков в режиме постоянного доступа к па-гати (ПДП); информационного потока при переходе МП на обработку команд программы пользователя (ПРП).

В третьем разделе разработаны и исследованы информационные

модели ПРП и устройства вычисления скобочных форм булевых функций (БФ). Для формирования информационного образа устройства БВ (в виде кода функциональных состояний) разработан алгоритм, использующий логические уравнения:

1) ФП СРБ31п - значение аргумента в уравнении БФ. на текущем шаге вычисления

[РЕЗЗП - СС" а.УСК1п.,- (х НЗ+х Н0+[РЕЗ]п- ГМ) + £РБЗ]п-Г (КР+Б+ +Й)) + СУСКЗ „., • СРЕЗ] п. 1 • (НВ+КВ),

где СС - выход схемы счетчика скобок;

[УСК]п- выход схемы триггера ускорения;

х - анализируемый бит таблицы данных ПЛК с выхода схемы мультиплексора бита(действительное значение аргумента);

НЗ . - КОП нормально закрытый контакт: -1/|- ;

КОП . - код операции команды ПЛК;

НО т КОП нормально открытый контакт: -I I- ;

[РЕЗ)„- выход схемы триггера результата;

[РЕЗЗ п -1 ~ значение ФП на предыдущем шаге вычисления БФ;

КР ■ - КОП катушка реле без фиксации: -( )- или"»";

Э - КОП катуика реле с фиксацией включения: -($)-;

Я - КОП катушка реле с фиксацией выключения: -(РЛ~;

М '- КОП перенос маркера в начало•ветвления: или"*";

НВ - КОП начало параллельной ветви: ■— или 'Ч";

КВ - КОП конец параллельной ветви:^ или ")

2) ФП [УСК]п - инверсное значение ФП [РЕЗ)П или фиксация условного перехода (запрет на вычисление слагаемых дизъюнкции БФ или сомножителей конъюнкции БФ) для текущего шага вычисления

1УСК] п • СС" [УСК] п -1' (х' НЗ+Х" НО* [РЕ31 п -1' Ш ♦

+- [УСК] п.!' (НВ+КВ' (СС* СРЕЗ] п.!)), где СУСКЗ п-1 - значение ФП на предыдущей шаге вычисления БФ.

3) ФП [-1] и ФП [+1] - условный переход или наличие скобок в уравнении БФ _

[-1] - [УСЮ^-НВ;

[+1] - СС' [yCFCL.j KB. 4) ФП [Y] - результат решения уравнения БФ

[У] = СС' (ГРЕЗ]п' (КР+х' Э+х' М + СРЕЗ]„' Я). Вычисление алгоритмом значений ФП по уравнениям 1-4 обусловлено ФП [БВ]=0, где ФП СБВЗ - параметр режима обработки МП ТД (операндов команд ПЛК) при [БВЗ =0, или кодов операций пои [БВМ. 5) ФП [БЛЗ] - блокировка записи в таблицу данных ('1Д) ПЛК

[БЛЗ] = [БВ]' СС' (РЕЗ]Г/ (S+R) + [БВ]' RST. . где RST; - код i-той команды рестарта МП.

При последовательном вычислении аргументов (в порядке их естественной записи) в уравнении БФ, выполнение условных переходов при [УСКЗГ,=1, зависит от значения ФП [БВ] на текущем шаге (такте) вычисления. При СЕВ]=1 (отсутствие кода команды MOV А, М для МП с выходов Г1ЛМ устройства БВ), состояния ФП [РЕЗ]Г..; и ФП ЕУСК].. : сохраняются.

Коды команд M0V А,М и NOP с выходов ПЛМ. при [БВ)=1, формируются согласно уравнениям:

MOV А.М - 1УСК].,.:- (НВ+КВ+СС- [РЕЗ],. .,' (М+ЧТС*+ЗБМ*) ) +

+ [УСКЗг.., ' СС (НО+НЗ+М);

NOP - [УСКЗ, ., ' (НО+НЗ+М' (СС+ [РЕЗ]. . : ) +ПРС+ПРК+МНШ*) +

♦СС' ([УСЮ,.;' (НВ+КВ+ПРС+ПРК+ [РЕЗ],.. ' (ЧТС* +ЗБМ*))

где ПРС, ПРК - операнды команд ПЛК; МНШ* - КОП группы команд (МНШ); ЧТС",ЗБМ" - КОП группы команд (ЧТС), (ЗБМ).

6) ФП [ЗАП] - запись значения ФП [Y], при ГБВ]»0. в ТД ПЛК по сформированному коду команды INR М для МП

[ЗАП] « INR М = СС (KP+S+R).

7) Программный перезапуск МП осуществляется по коду команды RSTj, обработка команд ПЛК - структурирования, арифметических, таймеров, счетчиков и др. (резидентной программой "Интерпрета-

тор"), осуществляется по кодам команд рестартов РБ^ - КБТ?. выходов ПЛМ устройства БВ, при значении ФП СБВ1-1.

Коды команд рестартов формируются согласно уравнениям:

RST0 - CC' ([УСК5n+[УСЮn ■ (KP +S+R+HCT +НБЛ+ТВД*+ЧТС* +ЗБМ*)>;

RSTt - cc- HCT;

RST2 - CC- НБЛ;

RSTo m cc- [РЕЗ]П-ТВД*:

rst4 cc- [yCK]R'MHffl*;

RSTc * cc- [РЕЗУЧТС*;

RSTe - cc- [РЕЗ]П-ЗБМ*;

RST? - cc- [PE31 n' ТВД*,

где НСТ,НБЛ - КОП команды НСТ,НБЛ; ТВД*- КОП группы команд (ТВД).

Результаты исследования информационной модели устройства БВ подтверждены экспериментально, с использованием разработанных программ на языке Assewbier Intel 8080А. Пример формирования информационного кода состояний устройства БВ представлен в таблице. При этом использовано уравнение БФ: Х; + Х2'(Х3-(Х4 + Х5) + +Х.:'Х->) + Хо' (Хс, + Х; с)' Xi: + Х12 = Y, где действительное значение аргументов Х3, Х-, Х3 и Хо совпадает со значением аргументов, записанным в уравнении, а действительное значение остальных аргументов не совпадает.

Информационный код состояний устройства БВ: [111101000100011101101111].

Временную диаграмму, соответствующую коду состояний устройства БВ, можно представить в следующем виде:

21, 6+4,0+5, 4+12, 0+5, 4+12, 0+16, 2+4, 0+10,8+4,0*21,6 = 117 {мне.) .

U<B.)1

jiriri_jui_j:

t (МКС. )

Т-П7*кс.

Проведенный анализ известных методов н средств диагностирования ПЛК, полученная информационная модель устройства БВ, выявили необходимость разработки новых методов диагностирования, основанных на измерении характеристик функциональных состояний ПЛК, как отображающих правильность выполняемой функции, в расчетный период

Таблица

Формирование информационного кода состояний устройства БВ .

коп Вычис- Состоя- Состоя- Сое Состоя- Выпол- Выра-

Шаг (про ленное ние ние тоя ние нение ботка

вычис- веря значе- триг. триг . ние выхода услов- сиг-

ления емый ние 029. 029. ¿ счет- счет- ных нала

аргу аргу- выв.06 выв.06 чика чика пере- "6В"

мент) мента ГРЕЗ] [УСК] 030 сс ходов МП ■

1 Xi 0 0 1 8 1 НОУ А,М

2 " + " 0 « 8 1 - MOV А,М

3 X2 0 0 1 8 1 . 2х MOV А,И

4! 0 1 И 0 2х MOV А,М

5 Хз X 0 1 7 0 2х NOP

6 .. (... 0 1 6 ' 0 2х MOV А,М

7 Xi ■ X 0 1 6 . 0 2х NOP

8 " +" X 0 1 6 0 2х NOP

Э Х5 X 0 1 6 0 2х NOP

10 ..у. 0 1 7 0 2х MOV A.M

11 " + " X 0 1 7 0 2х NOP

■12 Хв X 0 1 7 0 2х NOP

13 X? X 0 1 7 0 2х NOP

14 0 м 6 1 2х MOV A.M

15 " + " 0 0 е 1 2х 2* MOV A.M

16 Хв 1 1 0 8 1 _ MOV A.M

17 . "Г X 1 0 8 1 - NOP

18 Xs 1 1 0 8 1 - MOV A.M

19 " + " 1 1 8 1х MOV A.M

20 Xi о . X 1 1 8 1 1х 'NOP

21 X 1 0 8 1 1х 1* MOV A.M

22 Xi 1 0 0 1 е - MOV A.M

23 " + " 0 0 8 1 - MOV A,M

24 Xt г 0 0 1 8 1 ' - MOV A.M

Примечание: MOV А,М - ФП [БВ] = 0; NOP - ФП [БВ] = 1; х -действительное значение аргумента в БФ безразлично; 1х - выполнение условного перехода первого типа; 1* - конец дизъюнкции при условном переходе первого типа; 2х - выполнение условного перехода второго типа; 2* - конец конъюнкции при условном переходе вто-' poro типа; - - отсутствие условного перехода.

времени. Задачи оценки таких состояний методами измерений предполагают, как формирование меры для оценки состояний (или значений) отдельных ФП устройства в ПЛК, так и общей меры для оценки состояний данного устройства во всем анализируемом диапазоне выполняв-

- и -

мой функции. В первом случае, в качестве меры целесообразно использовать последовательность временных значений длительностей интервалов, соответствующих информационному коду функциональных состояний устройства в ПЛК, для заданных внешних ФП (например, логических операторов и аргументов БФ), во втором - или совокупность данных последовательностей, или интегральное значение моры функциональных состояний устройства в ПЛК, так как интегральная оценка тоже может быть проведена в функции времени.

Последовательно изложена методология синтеза структуры ИВК встроенного типа. С этой целью, на основании общего принципа структурного синтеза теории сложных измерительных систем (ТСИС), начальный оператор системы (ИВК) представлен в виде:

г

5 : X —» У, (1)

где Х- множество тестовых входных сообщений; У- множество выходных сообщений об оценке состояний устройств ПЛК; {- множество отображений в качестве совокупности алгоритмов функционирования ИВК.

На основе анализа морфизма (1), выявленной топологии графа функциональных связей устройств ПЛК и структурного оператора ПЛК, структура 8 определена последовательностью частичных операторов подсистем совокупных измерений Ф1 П': 8 =■ (Ф( 1',..., Ф( 1'). При этом, измерительный процесс представлен средствами теории категорий в виде конструкций (ФП> ч> (Р), где <р - морфизм, адекватный шкальному отображению; (ФП) - начальный объект морфизма ч>, определяющий его область определения, адекватный измеряемым ФП ПЖ; (П - конечный объект морфизма ф, определяющий его область значений, адекватный измеряемым ФП ПЛК. Основной принцип синтеза подсистем ИВК сводится к тому, что пространство шкального отображения (Р)- 1р(ФП) разбивается на несколько подпространств {?]}. (Р2 >. {Р^ >. между которыми существуют связи по системам конкретных мор-физмов <р;, Ч» и фо. При ЭТОМ, (Р)= {Р]. > и (Р2) и (Р3).

Таким образом, для решения задачи синтеза подсистем ИВК, определены множества шкальных отображений объектов морфизмов ч^, <р2 и <|>з Для 1-го устройства ПЛК в следующем виде: Ч>1 Ч>3 (ФП)1 -» -» (Г2), -» <Р3}!.

где (ФП)) - начальный объект морфизма ч^: множество контроли-

руемых значений ФП(КЗФП) 1-го объекта, в виде исходных данных; {Fj},- начальный объект морфизма f>:: совокупность начальных отображений КЗФП 1-го объекта, в виде начальных (идентифицированных) данных; (Р-), - начальный объект морфизма <р;: совокупность промежуточных (рабочих) отображений реакций i-ro объекта, в виде структу-рированных(форматированных) данных; <F !. - конечный объект морфизма ч>г: совокупность шкальных отображений реакций 1-го объекта, в виде упорядоченной(ранжированной) последовательности данных.

Данный уровень синтеза позволил задать необходимую структуру подсистем ИВК, соответствующую совокупности отображений.

А именно, определить операторы: (ФТС>,- множество операторов формирования входных тестовых сообщений для i-ro объекта (морфизм Ф:), i Р,(t)> - множество операторов формирования результатов реакций i-ro объекта на тестовые сообщения (морфизм <р;), <P:(t)), -множество операторов формирования совокупности результатов реакций i-ro объекта в шкальное отображение (морфизм q>-.) и структуру {ФТС); <P,(t)>, (Рс (t)).

Ф : : (ФП) -> (F- ) -» >." —=-' IF:,},. (2)

Далее структура (2) дополнена множеством операторов-результатов измерения значений ФП i-ro объекта в виде (P(t));.

Для нахождения оптимального варианта реализации структуры S, совокупность операторов <Ф ) дополнена подоператорами, которые позволили дальнейшую структурную запись S и осуществить ряд ее преобразований в соответствии с ТСИС. С этой целью, произведена замена операторов ФТС оператором-вектором СФТС], введен оператор коммутации сформированных тестовых сообщений КТ:, введен оператор коммутации реакций контролируемых устройств ПЛК на тестовые сообщения КРТ., введен оператор формирования оценки состояния контролируемого устройства [Ф0ЦС14.

Дальнейшая детализация структуры S связана с изображением операторов по принципу Месаровича: с помощью декартова произведения области определения оператора и области существования опера-' тора, а также с помощью функционального отображения множества входа на множество выхода. Анализ функциональных отображений осуществлен на основе рассмотренных информационных потоков в ПЛК.

На втором уровне синтеза структуры, установлено оптимальное блочно-функциональное распределение (БФР) ИВК. Для БФР определена

иерархическая блочная структура ИВК в виде спецификации Функций, исполняемых блоками; проведен анализ функционального графа ИВК, к которому осуществлен переход от категорной диаграммы, адекватной обобщенному оператору ИВК. Найдено оптимальное покрытие.функционального графа по минимуму сложности функциональной представимости. С этой целью, для функционального графа, определено минимальное множество внешней устойчивости на основе алгоритма Беряа в следующем виде: БЛ1 ЕЛ} . п БЛ]

Тщт * (УфОЦС. *РС • ХКТ- Р2ЕЛ;|> ^КРГ' Р1БД]' ^КРТ

На множестве (3) построен аппроксимирующий граф, отличающийся оптимальной структурной сложностью функциональной представимости. По аппроксимирующему графу составлена таблица замещений, в целях выявления аппроксимирующих и аппроксимируемых вершин. На основании таблицы -замещений определена спецификация функций, которым наделяются аппроксимирующие вершины. Так как анализируемый функ-' циональный граф адекватен системе в целом, то мнояество (3) содержит подсистемы, а спецификации определяют их функции.

Третий уровень синтеза, продолжающий БФР, связан с детализацией подсистем множества (3). В результате этого синтеза получена блочно-функциональная структура ИВК (изображено на рисунке).

В четвертом разделе осуществлен метрологический анализ ИВК и его характеристик. ИВК реализует алгоритмы измерений на базе, сформулированного в работе метода измерения для диагностики ПЛК. Метод заключается в реализации статистических измерений основной функции контролируемого объекта (ПЛК), с целью установления соответствия отклонений от правильности ее выполнения с состоянием объекта, т. е. с уровнем его работоспособности. В этом смысле, для ИВК определены метрологические характеристики в виде быстродействия непрерывного статистического контроля, методической и инструментальной погрешностей. Быстродействие ИВК характеризуется интервалом времени в течение которого оценивается работоспособность объекта, при его непрерывном контроле. Методическая погрешность определяется методом измерения числа отклонений при контроле правильности выполнения основной функции. Инструментальная погрешность, это погрешность которая проявляется при реализации контроля правильности выполнения основной функции объекта средствами ИВК.

Подсистемы в ЭВМ ■jПодсистемы в ПЛК]Подсистемы в 8ВМ

Блочно-функциональная структура ИВК

Основной функцией правильности работы ПЛК, является реализация МП (на уровне интерпретатору) каждой команды (действия) программы пользователя (ПРП)•в расчетный период времени. Поэтому критерием быстродействия ИВК является интервал времени, внутри которого МП реализуются все действия ПРП. С этой целью, составляется контрольная программа, длительность времени выполнения цикла.которой определяется совокупностью дискретных значений времени вы-полнения/игнорировзяия команд ПЛК. В работе используется ПРП длительность времени выполнения совокупности циклов которой, с учетом прерываний МП, равна 500 мс..

Методическая погрешность в основном определяется значением шага дискретизации контроля (отсчета) длительностей времени функциональных действий МП на уровне интерпретатора, при измерениях основной функции ПЛК. Инструментальная погрешность определяется реальной длительностью времени действия средств измерения ИВК в течение интервалов наблюдения за правильностью выполнения основной функции ПЛК (500 мс.).

Основные результаты и выводы.

Разработаны структура ИВК, ориентированного на реализацию в среде ЭВМ й о среде ПЛК, методы измерений для диагностики технического состояния устройств ПЛК, алгоритмы функционирования подсистем ИВК, обеспечивающих измерение и диагностику в ГШК. Созданы теоретические основы и принципы измерений-для диагностики техни-. ческого состояния ПЛК, использующих интерпретационный подход к преобразованию текста программы, на базе статистических измерений функциональных параметров.

Проведенное исследование показывает, что принципиальная особенность ПЛК, выражающаяся в различной организации программ обработки данных (передачи, формирования, преобразования и т.д.) , их композиция или декомпозиция, возможность управления процессами декомпозиции и композиции в ходе выполнения программ, ставит новые проблемы метрологического характера.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Множества ФП ПЛК принадлежат некоторому общефизическому пространству состояний, наделенному топологическими свойствами. На топологических множествах определены измеримые множества, на которых существуют измеримые функции, в качестве которых, в ходе выполнения программы.' рассмотрены Функции обработки команд и пе-

редачи данных (информационные потоки), которым соответствуют определенные функциональные состояния физических носителей - элементов и блоков, в расчетный период времени.

2. 'Анализ процесса переработки информации в ПЛК, позволил выделить в нем шесть уровней иерархии. Расчленение процесса, обусловлено степенью развития конструкций входного языка ПЛК (логический уровень пользователя) и архитектурой ПЛК. Анализ дефектов ПЛК показал, что в каждом из уровней описания его устройств, можно выделить характеристики функциональных состояний, определяющие их правильное или неправильное поведение. На основе информационных моделей устройств ПЛК, формируется мера функциональных состояний для выделенного уровня.

3. Для измерения временных соотношений значений параметров в ПЛК, формирование меры эффективно осуществляется с помощью эмуляции функционирования ПЛК, программными средствами ИВК.

4. Интегральная метрологическая оценка процесса выполнения программы в ПЛК, по результатам измерений значений 1х, ], позволяет сделать заключение о правильности хода этого процесса, т.е. осуществить оперативный контроль правильности функциональных действий МП на уровне интерпретатора, при выполнении программы пользователя.

5. Проведен детальный анализ механизма аппаратной поддержки вычисления скобочных форы булевых функций, при реализации МП ПЛК логических алгоритмов.

6. На основании структурно-функционального анализа ПЛК, осуществлен структурный синтез ИВК встроенного типа, с оптимальной структурной сложностью функциональной представимости подсистем, ориентированных на реализацию в вычислительных структурах ЭВМ и ПЛК.

7. Разработано и исследовано алгоритмическое обеспечение подсистемы ИВК для измерения характеристик функциональных состояний устройства вычисления скобочных форм булевых функций, при заданных структуре ИУС на базе ПЛК и параметрах ее компонентов.

8. На основе разработанных методов, алгоритмов и структурных решений впервые создан специализированный ИВК для измерения характеристик и диагностики технического состояния устройств ПЛК. ИВК позволяет существенно повысить эффективность диагностики ПЛК по сравнению с традиционным подходом, а именно: увеличить коли-

чсство полученной информации, приходящейся на единицу затраченных средств не менее, чем о 5 раз, а1 такие получить качественно новые данные,

9. Проведены экспериментальные испытания ИВК о АООТ "Волгоградский тракторный завод" и на кафедре "Вычислительная техника" ВолгГТУ (г. Волгоград). Результаты испытаний показали высокую ¿ф-фсктивность ИВК и перспективность продолжения работы d этом направлении.

Публикации по теме диссертации

1. Сальников С.Н. Методы программной реализации преобразования представлений числовых данных в программируемых логических контроллерах семейства МикроДАТ/ ВолгГТУ,- Волгоград, 1994.-33с.- Доп. в ВИНИТИ 05.12.94, N 2791-В94.

2. Сальников С.Н. Технология программирования оптимального преобразования представлений числовых данных в программируемых логических, контроллерах// Новые пром. техника и технологии. Компьютерное-обеспечение! и компьютерные технологии: Тез. докл. I межвуз. научно-практ. конф. студ. и молодых ученых Волгогр. обл./ ВолгГТУ, 5-9 декабря 1994.- Волгоград, 1994,- С.183-184.

3. Сальников С. Н, Статистические измерения функциональных па- • раметров промышленных программируемых логических контроллеров/ ВолгГТУ.-Волгоград, 1996.-42с.- Дел. в ВИНИТИ '21.02. 96, N 543-В96.

4. Сальников С.Н., Муха Ю.П., Сабанова С.Н. Структурирование управляющих программ программируемых логических контроллеров ' семейства МикроДАТ с помощью аппарата блоков/ ВолгГТУ.- Волгоград, • 1994.- 11с.- Деп. в ВИНИТИ 24.08.94, N 2107-В94.

Р.4. Сальников С.Н. разработал методику составления структурированных программ обработки данных в ПЛК семейства МикроДАТ для обеспечения измерений и диагностики технического состояния устройств ПЛК.

5. Сальников С. Н;, Муха Ю. П., Сабанова С. Н. Метрологический, подход к оценке параметров программного обеспечения промышленных программируемых логических контроллеров/ ВолгГТУ.- Волгоград, 1994.- 8с,- Деп.' в ВИНИТИ 10.01.95, N 68-В95.

Р. 5. Сальников С.Н. обосновал метрологический подход к оценке функциональных параметров программы, при их реализации цифровыми и программно-управляемыми устройствами ПЛК.