автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение микропроцессорной системы управления потенциально опасными объектами

На правах рукописи

РГВ од

-¡с г-: ;_у.О

Тучннский Сергей Владимирович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение

вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2000

Работа выполнена на кафедре технической кибернетики и автоматическ< го регулирования Воронежского государственного университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лозгачев Г.И.

Научный консультант: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Подвальный С.Л.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Блюмин С.Л. доктор технических наук, профессор Русинов Л.А.

Ведущая организация: Институт системного анализа РАН

(г.Москва)

Защита состоится 21 декабря 2000г. в 11:00 на заседании дисссртационног Совета К063.81.04 при Воронежском государственном техническом универ« тете по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского госуда{ ственного технического университета.

Автореферат разослан 20 ноября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^—^ Бурковский В..1

№5.Я, -л-пт.о

Общая характеристика работы

Актуальность темы. К системам управления потенциально опасными (взрыво-, пожароопасные и т.п.) технологическими объектами в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности по нормативным документам Госгортехнадзора предъявляются повышенные требования по надежности и точности регулирования, обязательному применению микропроцессорной техники и обеспечению интегрированных средств аварийной сигнализации и блокировки, а также визуализации хода технологического процесса для технического персонала.

Наблюдающееся в последние годы оживление экономической ситуации в нашей стране характеризуется тем, что у предприятий промышленности несмотря на наличие свободных денежных средств очень небольшая их доля тратится на обновление технологического оборудования, большая доля которого является морально устаревшим и находится зачастую в последней стадии изношенности. В связи с этим перед предприятиями очень остро встает вопрос об оснащении средствами аварийной защиты и при этом о выборе недорогой системы аварийного управления, способной удовлетворить целому комплексу жестких требований.

На рынке программного обеспечения существует достаточное количество универсальных программных систем, предлагаемых различными западными фирмами, однако они оказываются чрезвычайно дорогими для российского покупателя. Кроме того, адаптация универсальной программной системы к требованиям конкретного технологического процесса иногда оказывается длительным и трудоемким процессом, требующим наличия высококвалифицированного персонала. К тому же, западные производители программных систем ориентируются на последние достижения в области аппаратного обеспечения персональных компьютеров, что, естественно, не способствует удешевлению аппаратно-программного комплекса. Иногда предприятия закупают импортные системы аварийного управления только из-за отсутствия аналогичных отечественных разработок. В этой ситуации актуальной оказывается задача создания недорогого программного обеспечения, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым государственным комитетом по стандартам (ГОСТ), Гостехнадзором, Министерством по чрезвычайным ситуациям к качеству и надежности системы управления потенциально

опасными технологическими объектами. Технической базой для таких систем могут служить в том числе и однокристальные ЭВМ, например ТМ5370 и их аналоги.

Работа выполнена в рамках научного направления "Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы" Воронежского государственного технического университета.

Цель работы. Целью работы является разработка математического и программного обеспечения микропроцессорной системы аварийного управления потенциально опасными объектами, обеспечивающего высокую точность и низкие требования к аппаратным ресурсам, при сохранении высокого уровня надежности функционирования.

Исходя из этого, в работе решались следующие основные задачи:

- системный анализ актуальных задач организации систем управления 1 V и аварийной защиты и сигнализации для потенциально опасных объектов,

определение наиболее эффективных путей и направлений решения проблемы;

- разработка программного обеспечения системы управления потенциально опасными объектами, включающего поддержку функционирования системы в режиме реального времени, реляционную базу данных состояния системы, подсистемы конфигурирования и пользовательского интерфейса;

- разработка математического обеспечения, включая алгоритмы построения модальных регуляторов для широкого класса объектов, содержащих запаздывание в канале управления;

- построение алгоритмов оптимизации получаемых регуляторов по различным критериям, характерным для режимов аварийного управления;

- практическая реализация и внедрение системы на производстве в у составе комплексов противоаварийной защиты (ПАЗ).

Методы исследования основаны на использовании теории автоматического регулирования, математического и функционального анализа, теории функций комплексного переменного, а также методов модульного, структурного и объектного программирования.

Научная новизна основных результатов, полученных в работе, состоит в следующем:

1) Создано математическое обеспечение управления неминимально фазовыми объектами, содержащими запаздывание в канале управления, от-

личающееся от традиционных методов высокой точностью регулирования и простотой реализации.

2) Доказана теорема об устойчивости получаемого с применением . данного алгоритмического обеспечения модального ри-улятора.

3) Построен алгоритм, позволяющий оптимизировать полученный регулятор по различным выбранным критериям, задаваемым заказчиком.

4) Разработано оригинальное программное обеспечение для синтеза и поддержки функционирования системы аварийного управления потенциально опасными объектами, отличающееся наличием реализации новых алгоритмов построения модальных регуляторов, а также существенно сниженными требованиями к ресурсам базового аппаратного обеспечения при сохранении необходимого уровня качества регулирования и надежности функционирования.

Практическая значимость. Разработанные компоненты математического и программного обеспечения составляют программно-аппаратный комплекс, предназначенный для построения систем управления потенциально опасными объектами. Создан программный комплекс для осуществления всех этапов проектирования и разработки системы: синтез и настройку модального регулятора, учитывающего специфические особенности объекта регулирования; моделирование поведения замкнутой системы, содержащей синтезированный регулятор и объект регулирования; конфигурирование структуры сети устройств нижнего уровня и параметров системы; создание экранных форм интерфейса пользователя. Разработан микропроцессорный программно-аппаратный комплекс, реализованный на однокристальных ЭВМ типа ТМБ370 и осуществляющий управление потенциально опасным технологическим объектом в реальном времени с поддержкой функций автоматической сигнализации и блокировки; ведения базы данных состояния объекта, системы, а также архива информации о динамике параметров объекта. Обе системы взаимосвязаны, отладка системы ведется на уровне реального управляющего комплекса в режиме полунатурного моделирования.

Реализация и внедрение. Разработанные на базе основных положений диссертации системы противоаварийной защиты внедрены и эксплуатируются на установках риформинга №2,3 на ОАО «Куйбышевский НПЗ» (г. Самара), в производствах синтетического каучука на АО «Синтезкаучук» (г. Тольятти) и АО "Каучук" (г. Стерлитамак), в производстве мономеров на АО

«Уфаоргсинтез» (г. Уфа).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научной конференции «Нелинейный анализ и функционально-дифференциальные уравнения» (г. Воронеж, 15-20 мая 2000 г.), международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, июль-август 2000 г.), зимней математической школе при ВГУ (г. Воронеж, 28 января - 4 февраля 2000 г.), научных семинарах Воронежского Государственного университета и Воронежского государственного технического университета.

Публикации." По результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы, содержащего 74 наименования. Она изложена на 106 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков и 1 таблицу.

Основное содержание рабогы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная новизна и приведены основные практические результаты работы.

В первой главе проанализирована типовая структура системы управления. Обоснована целесообразность выделения в общей структуре объекта потенциально опасных участков, и показана актуальность в этой связи задачи создания недорогого, нетребовательного к ресурсам аппаратуры, но быстрого и надежного, удовлетворяющего требованиям ГОСТ программного обеспечения создания систем управления потенциально опасными объектами или участками объектов на базе высокоэффективного математического и алгоритмического обеспечения.

В связи с широким спектром технологических объектов в промышленности, сложной структурной организацией различных объектов потенциально опасные объекты выделены в отдельную специфическую группу, сформулированы особенности данной группы объектов, в частности, наличие запаздывания в канапе управления, а также задачи и требования к системам управления данной группой объектов. Проанализированы подходы и методы

создания алгоритмов регулирования потенциально опасных объектов. Показано, что одним из самых новых и перспективных является метод модальных регуляторов, обеспечивающих желаемое расположение корней характеристического полинома замкнутой системы.

Типовая структура распределенной системы управления объектом, содержащим потенциально опасные участки, приведена на рис. 1. Подобная распределенная структура позволяет организовать виртуальное разделение объекта на «микрообъекты» со своими контурами регулирования, реализо-

В сеть верхнего

ЕЛ, Лгс,...

ПК верхнего уровня

О

115485/232 ЩеМЫш)

Микропроцессорный контроллер

ЛЫк

о

тт

Микропроцессорный контроллер

.зьа

Микропроцессорный контроллер

Модули УСО I Модули УСО Модули УСО

1} Л ....._

Датчики ИУ Датчики I ИУ | Датчики | ИУ

-и- 1> -а

Потенциально опасный участок Потенциально опасный участок * Потенциально опасный участок

Технологический объект

Рис.1. Схема распределенной микропроцессорной сети системы противоаварийной защиты

ванные с применением однокристальных ЭВМ, что приводит к существенному улучшению временных характеристик системы в целом, т.е. повышению качества регулирования и скорости реакции на возможные аварийные ситуации, увеличению степени надежности функционирования.

Проведен анализ существующего на данный момент программного обеспечения построения систем автоматического регулирования, а также базовых операционных систем, в среде которых это программное обеспечение функционирует в свете требований, предъявляемых ГОСТ к системам управления потенциально опасными объектами. Этот анализ позволил выявить недостатки существующих систем, а также сформулировать цель и основные задачи диссертационного исследования.

Во второй главе рассматривается задача построения математического обеспечения, в том числе модального регулятора для неминимально фазового объекта с запаздыванием в канале управления.

Пусть объект с запаздыванием описывается передаточной функцией:

где Р1 (р) — полином степени т, Р2 (р) - полином степени п, п > т.

Задача формулируется следующим образом: необходимо найти передаточную функцию регулятора, обеспечивающего желаемое расположение корней характеристического уравнения замкнутой системы с объектом (1).

Для решения задачи входящее в передаточную функцию объекта звено запаздывания е"т р заменяется на его разложение в ряд Паде степени к,к. Тогда передаточная функция объекта выписывается в виде:

где Рк(р), Ск(р) - полиномы степени к. В этом случае передаточная функция регулятора, обеспечивающего желаемое расположение корней замкнутой системы с передаточной функцией

где СЬ(р) - полином степени 1 (1 < к), СЬ(р) - полином степени г (г > 2п), строится из известных соотношений следующим образом. Передаточная функция замкнутой системы представляется в виде

(1)

К(Р) =

Рг(р)Ок(р)

(2)

(3)

КЛр) =

<2МРг(р)Ок(р)

д2(р)р2(р)ск(р) >

(5)

Полиномы р((р) и (?2(р) выбираются в виде

в, (р)=ш)Рх {р)рк (р) , 02 (р)=а оое* (р) , (б)

где 62 (р) - полином степени (г - к).

В этом случае передаточная функция регулятора будет иметь вид:

аыадх^оо

WAp) = -

(7)

Далее показано, что этот же регулятор обеспечивает желаемое расположение корней характеристического полинома замкнутой системы с объектом (1). Для этого доказана теорема:

ТЕОРЕМА 1: Для любого сколь угодно малого е>0 существует такой достаточно большой номер К числа членов разложения е"т р в ряд Паде, при котором К. и О)) - К, (J&) I < s для любого и > 0. (8) Далее рассматривается задача оптимизации построенного регулятора по заданному интегральному критерию. При рассмотрении реакции системы на единичное воздействие l(t), получается выражение для функции ошибки:

Ь0р+... + b„_2p + bn_] ~ Шр) " (р+лу W

После преобразований получается следующая система линейных уравнений:

s2(+Q) = ps2{p)-si(p)

е„.1(.Щ = ре^1{р)-с„(р) (10)

¿•„(+0 ) = реп{р) + ^СЛ{р)А"-м

i=I

( }= ( —

Считывая, что УР) £\\Р)~ д (где д - решение системы (10) мето-

юм Крамера), путем приравнивания коэффициентов при различных степенях геременной р в полиномах М(р) и Ai(p) получается система линейных урав-1ений, связывающая значения коэффициентов d, и начальные условия е,(+0).

Теперь, выбирая критерий оптимальности в виде

00

minjFFC^O)^ - (11)

о

где W(e(t)) - положительно определенный функционал (например, e2(t)),

функцию Ляпунова можно строить по формуле У(£~(0) = . По-

сле интегрирования получается задача, эквивалентная.задаче (11):

Г(<f(0)) -> min (12)

После определения из (12) значений е,(+0) получается система линейных уравнений относительно коэффициентов d,. Решения данной системы являются оптимальными значениями коэффициентов полинома Qi(p) исходя из выбранного критерия W(e(t)). Таким образом, оптимальные значения параметров d, в этом случае можно получить аналитически по определенному алгоритму. Подробно алгоритм описан в диссертационной работе.

Для решения возникающих при работе с потенциально опасными объектами задач оптимизации кривой и времени переходного процесса применяется следующий алгоритм. Заданная кривая переходного процесса X(t) на отрезке [0;Тпер] аппроксимируется с заданной точностью полиномом PX(t) степени для замкнутой системы вводится требование астатизма порядка !;, в этом случае построенный по формулам (6-7) регулятор будет обеспечивать сходимость переходного процесса в системе к любому полиному степени , в частности, к полиному PX(t). Из условия астатизма получаются выражения для коэффициентов полинома D(p) d№_m... di.k.m^:

Л" ^ CjX"4

'-к'т ~ 0) • '-к~т-х ~ Рх(0)> ■■■ ' Р,(0) <13>

При этом коэффициенты dj-tm-^i ... do остаются свободными. Рассматривая реакцию системы на задающее воздействие

, X, Хс-1

р Р2 р" <14)

получается выражение для функции ошибки с(р), аналогичное (9). Алгоритм нахождения оптимальных значений свободных коэффициентов полинома Б(р) строится теперь по формулам, аналогичным приведенным выше.

и

При решении задачи минимизации времени переходного процесса применяется следующий алгоритм. Учитывая, что согласно теореме о свойствах преобразования Лапласа , в качестве кривои переходного процесса выбирается полином РХ(а1), где а - «сжимающий» коэффициент (а>1). Применение приведенного выше алгоритма в этом случае дает выражение для функции Ляпунова

, по которому можно осуществлять оптимизацию переходного процесса в системе по параметрам ка-

Рис.2. Блок-схема алгоритма оптимизации коэффициентов регулятора.

чества управления и минимизации времени переходного процесса.

На рис. 2. приведена блок-схема алгоритма оптимизации коэффициентов регулятора.

В третьей главе рассматриваются вопросы построения алгоритмического и программного обеспечения синтеза системы управления потенциально опасного объекта. '

Программно-аппаратный комплекс структурно организован в виде двух основных модулей. В функции первого входят синтез и настройка регуляторов, моделирование поведения замкнутой системы, создание и предварительная настройка параметров системы реального времени. Функциональным назначением второго модуля является обеспечение функционирования системы аварийного управления потенциально опасным технологическим объектом в реального времени, включая поддержку функций автоматической сигнализации и блокировки; ведения базы данных состояния объекта, системы, а также архива информации о динамике параметров объекта.

Программное обеспечение системы конфигурирования функционирует в среде операционной системы MS Windows, в качестве основы для построения программного обеспечения реального времени выбрана оптимальная с точки зрения стоимости, скорости и требовательности к аппаратному обеспечению операционная система MS-DOS.

Выделены основные компоненты программного обеспечения системы реального времени:

1) Модуль системы реального времени реализует функции сбора информации от устройств нижнего уровня, передачи получаемой информации модулю базы данных PB и модулю пользовательского интерфейса, первичной обработки получаемой информации, выдачи на исполнительные устройства сигналов регулирования, отслеживания аварийных событий, приема и анализа информации, поступающей по каналам связи верхнего уровня. На языке assembler реализованы входящие в состав модуля программные блоки, обеспечивающие реализацию функций распределения времени, межпроцессной коммуникации, обхода нереентерабельности, а также других необходимых для нормального функционирования системы реального времени задач. При разработке блока планировщика задач использован статический алгоритм монотонной частоты (rate-monotonie, RM), который является оптимальным в том смысле, что он всегда может распределить время исполнения

множества задач, если подобные действия способен осуществить другой статический алгоритм.

2) Модуль алгоритмов регулирования потенциально опасного объекта обеспечивает расчет управляющих воздействий на основе разработанных алгоритмов, с использованием синтезированных на этапе конфигурирования параметров структуры и настроек регуляторов.

3) Модуль пользовательского интерфейса осуществляет функции интерактивного взаимодействия с пользователем, отображения на дисплее, звуковом и печатающем устройстве информации о текущем состоянии и объекта и всей системы, приема от оператора команд управления системой.

4) Модуль базы данных реального времени реализует функции интерфейса с реляционной базой данных, в которой хранится информация о конфигурации системы и объекта регулирования, а также накапливается информация о течении процессов на объекте регулирования.

Кроме того, в состав программного обеспечения системы реального времени входят процедуры настройки и конфигурирования параметров без выхода из режима нормального функционирования.

Общая структура взаимодействия модулей системы приведена на рис 3.

Рис 3. Схема взаимодействия программных модулей системы.

Далее изложены алгоритмы реализации, схемы организации структуры, а также сформулированы особенности функционирования каждого из данных модулей. Приведены блок-схемы алгоритмов и схемы организации взаимодействия модулей в составе пакета программного обеспечения.

В четвертой главе изложена реализация системы противоаварийной защиты, осуществленной на базе разработанного в результате данной работы программно-математического обеспечения, и внедренной на установке ри-формннга на ОАО «Куйбышевский НПЗ».

Технологический объект представляет собой установку риформинга. Она включает в себя компрессоры (ЦК-1, ПК-1, ПК-2, ПК-3), насосы высокого и низкого давления (ВД-1,2, НД-1,2) и блок гидроочистки.

В задачи системы противоаварийной защиты входит обеспечение обязательного по ГОСТ контроля нормального функционирования технологического процесса в соответствии с регламентом. В случае возникновения нарушений должна выдаваться автоматическая световая и звуковая сигнализация. В случае возникновения аварийной ситуации автоматически осуществляется прерывание нормального хода технологического процесса блокировкой.

В соответствии с аппаратной конфигурацией были созданы базовые текстовые файлы системной конфигурации, настройки принтера, а также исходный файл системы подсказки, которые были обработаны модулем первоначальной конфигурации.

С помощью объектного редактора были созданы четыре мнемосхемы («Компрессоры», «Блок гидроочистки», «Блок стабилизации», «Общий вид»), В базу данных конфигурации была внесена информация о технологических параметрах, настройках системы и драйверов. Сформированы следующие экраны стандартных интерфейсов: «Панель сигнализации по УАС-К-24 1-5», «Панель сигнализации по БАЗИС-1 1-5», «Панель управления "Технологические блокировки"».

По окончании первоначального ввода задачи драйверов устройств БАЗИС-1 и УАС-К-24 были запущены на исполнение, после чего произведена комплексная проверка функционирования системы.

Проведено обучение технического персонала работе с системой противоаварийной защиты.

Произведен нуск системы противоаварийной защиты в составе установки риформинга. Нормальное функционирование системы продолжается

до настоящего времени.

В третьем параграфе главы проанализированы результаты и преимущества, полученные в результате внедрения построенной на базе программно-математического обеспечения новой системы противоаварийной защиты.

В приложении приведены фрагменты исходных текстов программ, таблицы, акты, подтверждающие внедрение разработанного по результатам диссертации комплекса программного обеспечения на предприятиях химической и нефтехимической промышленности Российской Федерации.

Основные результаты работы.

1) Проведен системный анализ особенностей задач управления потенциально опасными объектами и показана перспективность с экономической точки зрения работ в области разработки средств создания недорогих и надежных систем такого рода, основанных на микропроцессорной технике, а также необходимость создания математического и программного обеспече-1шя для решения подобных задач.

2) Обосновано использование методов передаточных функций для построения модальных регуляторов, позволившее разработать алгоритм построения передаточной функции регулятора, обеспечивающего желаемое расположение корней характеристического полинома замкнутой системы по передаточной функции объекта, а также управление в режимах, характерных для потенциально опасных объектов.

3) С помощью функций Ляпунова построен алгоритм оптимизации получаемого регулятора по заданному критерию, разработано соответствующее алгоритмическое обеспечение.

4) Разработано математическое и программное обеспечение, предназначенное для построения модальных регуляторов по передаточной функции объекта регулирования, а также моделирования получаемой поведения замкнутой системы на этапе проектирования.

5) Разработано программное обеспечение построения систем управления потенциально опасными объектами, обеспечивающее все необходимые функции, требуемые от подобной системы правилами ГОСТ, при этом предъявляющее минимальные требования к ресурсам персонального компьютера.

6) Разработанное программное обеспечение успешно внедрено и

функционирует в составе систем противоаварийной защиты на предприятиях

химической и нефтехимической промышленности Российской Федерации.

Список работ, опубликованных по теме диссертации.

1. Лозгачев Г.И. Тучинский C.B. Построение модального регулятора для объекта с запаздыванием по передаточной функции замкнутой системы. // Современные, информационные технологии: Тез. докл. Международной научно-технической конференции, август 2000 г. - Пенза, 2000. с.71-73.

2. Лозгачев Г.И., Подвальный С.Л., Тучинский C.B. Математическое и программное обеспечение синтезирования модальных регуляторов для систем, содержащих объекты с запаздыванием в канале управления. Системы управления и информационные технологии. - Изд-во ВГТУ, 2000, с.87-91.

3. Лозгачев Г.И., Подвальный СЛ., Тучинский C.B. Математическое и программное обеспечение синтезирования модальных регуляторов для систем, содержащих объекты с запаздыванием в канале управления. // Современные информационные технологии: Тез. докл. Международной научно-технической конференции, август 2000 г. - Пенза, 2000, с.74-77.

4. Лозгачев Г.И., Тучинский C.B. Построение модального регулятора для объекта с запаздыванием по передаточной функции замкнутой системы. Нелинейная динамика управления - М., изд-во МГУ, 2000, с.54-61.

5. Подвальный СЛ., Тучинский C.B. Программное обеспечение системы управления потенциально опасными объектами. Системы управления и информационные технологии. - Изд-во ВГТУ, 2000, с.87-91.

6. Тучинский C.B. Построение модального регулятора для объекта с запаздыванием по передаточной функции замкнутой системы. // Нелинейный анализ и функционально-дифференциальные уравнения: Тез. докл. Международной научной конференции 15-20 мая 2000 г. - Воронеж, 2000, с. 186-187.

7. Тучинский C.B. Построение модального регулятора для объекта с запаздыванием по передаточной функции замкнутой системы. // Нелинейный анализ и функционально-дифференциальные уравнения: Тез. докл. Воронежской зимней математической школы, 28 января,- 4 февраля 2000 г. -Воронеж, 2000, с.160-161.

ЛР № 625847 от 12.01.2000. Подписано в печать 10.11.2000 Формат 60x48/16. Бумага для множительных аппаратов.

Усл. печ. л. 1,0. Тираж 70 экз. Заказ №112.

Издательство

Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский просп., 14

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНО

МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМИ

ОБЪЕКТАМИ.

1.1. Актуальность задачи регулирования потенциально опасных объектов.

1.2. Задача создания математического обеспечения регуляторов для класса потенциально опасных объектов.

1.3. Задача обеспечения функционирования пакета программного обеспечения в режиме реального времени.

1.4. Построение баз данных реального времени.

1.5. Цель и задачи диссертационного исследования.

Актуальность темы. К системам управления потенциально опасными (взрыво-, пожароопасные и т.п.) технологическими объектами в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности по нормативным документам Госгортехнадзора предъявляются повышенные требования по надежности и точности регулирования, обязательному применению микропроцессорной техники и обеспечению интегрированных средств аварийной сигнализации и блокировки, а также визуализации хода технологического процесса для технического персонала.

Наблюдающееся в последние годы оживление экономической ситуации в нашей стране характеризуется тем, что у предприятий промышленности несмотря на наличие свободных денежных средств очень небольшая их доля тратится на обновление технологического оборудования, большая доля которого является морально устаревшим и находится зачастую в последней стадии изношенности. В связи с этим перед предприятиями очень остро встает вопрос об оснащении средствами аварийной защиты и при этом о выборе недорогой системы аварийного управления, способной удовлетворить целому комплексу жестких требований.

На рынке программного обеспечения существует достаточное колйче-ство универсальных программных систем, предлагаемых различными западными фирмами, однако они оказываются чрезвычайно дорогими для российского покупателя. Кроме того, адаптация универсальной программной системы к требованиям конкретного технологического процесса иногда оказывается длительным и трудоемким процессом, требующим наличия высококвалифицированного персонала. К тому же, западные производители программных систем ориентируются на последние достижения в области аппаратного обеспечения персональных компьютеров, что, естественно, не способствует удешевлению аппаратно-программного комплекса. Иногда пред6 приятия закупают импортные системы аварийного управления только из-за отсутствия аналогичных отечественных разработок. В этой ситуации актуальной оказывается задача создания недорогого программного обеспечения, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым государственным комитетом по стандартам (ГОСТ), Гостехнадзором, Министерством по чрезвычайным ситуациям к качеству и надежности системы управления потенциально опасными технологическими объектами. Технической базой для таких систем могут служить в том числе и однокристальные ЭВМ, например ТМ8370 и их аналоги.

Работа выполнена в рамках научного направления "Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы" Воронежского государственного технического университета.

Цель работы. Целью работы является разработка математического и программного обеспечения микропроцессорной системы аварийного управления потенциально опасными объектами, обеспечивающего высокую точность и низкие требования к аппаратным ресурсам, при сохранении высокого уровня надежности функционирования.

Исходя из этого, в работе решались следующие основные задачи:

- системный анализ актуальных задач организации систем управления и аварийной защиты и сигнализации для потенциально опасных объектов, определение наиболее эффективных путей и направлений решения проблемы;

- разработка программного обеспечения системы управления потенциально опасными объектами, включающего поддержку функционирования системы в режиме реального времени, реляционную базу данных состояния системы, подсистемы конфигурирования и пользовательского интерфейса;

- разработка математического обеспечения, включая алгоритмы построения модальных регуляторов для широкого класса объектов, содержащих запаздывание в канале управления;

- построение алгоритмов оптимизации получаемых регуляторов по 7 различным критериям, характерным для режимов аварийного управления;

- практическая реализация и внедрение системы на производстве в составе комплексов противоаварийной защиты (ПАЗ).

Методы исследования основаны на использовании теории автоматического регулирования, математического и функционального анализа, теории функций комплексного переменного, а также методов модульного, структурного и объектного программирования.

Научная новизна основных результатов, полученных в работе, состоит в следующем:

1) Создано математическое обеспечение управления неминимально фазовыми объектами, содержащими запаздывание в канале управления, отличающееся от традиционных методов высокой точностью регулирования и простотой реализации.

2) Доказана теорема об устойчивости получаемого с применением данного алгоритмического обеспечения модального регулятора.

3) Построен алгоритм, позволяющий оптимизировать полученный регулятор по различным выбранным критериям, задаваемым заказчиком.

4) Разработано оригинальное программное обеспечение для синтеза и поддержки функционирования системы аварийного управления потенциально опасными объектами, отличающееся наличием реализации новых алгоритмов построения модальных регуляторов, а также существенно сниженными требованиями к ресурсам базового аппаратного обеспечения при сохранении необходимого уровня качества регулирования и надежности функционирования.

Практическая значимость. Разработанные компоненты математического и программного обеспечения составляют программно-аппаратный комплекс, предназначенный для построения систем управления потенциально опасными объектами. Создан программный комплекс для осуществления всех этапов проектирования и разработки системы: синтез и настройку модального регулятора, учитывающего специфические особенности объекта ре8 гулирования; моделирование поведения замкнутой системы, содержащей синтезированный регулятор и объект регулирования; конфигурирование структуры сети устройств нижнего уровня и параметров системы; создание экранных форм интерфейса пользователя. Разработан микропроцессорный программно-аппаратный комплекс, реализованный на однокристальных ЭВМ типа ТМ8370 и осуществляющий управление потенциально опасным технологическим объектом в реальном времени с поддержкой функций автоматической сигнализации и блокировки; ведения базы данных состояния объекта, системы, а также архива информации о динамике параметров объекта. Обе системы взаимосвязаны, отладка системы ведется на уровне реального управляющего комплекса в режиме полунатурного моделирования.

Реализация и внедрение. Разработанные на базе пакета программ системы противоаварийной защиты внедрены и эксплуатируются на установках риформинга №2,3 на ОАО «Куйбышевский НПЗ» (г. Самара), в производствах синтетического каучука на АО «Синтезкаучук» (г. Тольятти) и АО "Каучук" (г. Стерлитамак), в производстве мономеров на АО «Уфаоргсинтез» (г. Уфа).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научной, конференции «Нелинейный анализ и функционально-дифференциальные уравнения» (г. Воронеж, 15-20 мая 2000 г.), международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, июль-август 2000 г.), зимней математической школе при ВГУ (г. Воронеж, 28 января - 4 февраля 2000 г.), научных семинарах Воронежского Государственного университета и Воронежского государственного технического университета.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы, содержащего 74 наименования. Она изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит

4.4. ВЫВОДЫ

В четвертой главе представлены результаты внедрения разработанного в данной диссертации программно-математического обеспечения на ОАО «Куйбышевский НПЗ», г. Самара.

Внедрение пакета на реальных объектах промышленности доказало актуальность поставленных задач, практическую полезность и эффективность полученных алгоритмов и программ.

В заключение отметим, что данный пакет успешно применялся для построения систем защиты и управления и на других предприятиях химической и нефтехимической промышленности России, что подтверждено приведенными в приложении актами о внедрении.

97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Проведен системный анализ особенностей задач управления потенциально опасными объектами и показана перспективность с экономической точки зрения работ в области разработки средств создания недорогих и надежных систем такого рода, основанных на микропроцессорной технике, а также необходимость создания математического и программного обеспечения для решения подобных задач.

2. Обосновано использование методов передаточных функций для построения модальных регуляторов, позволившее разработать алгоритм построения передаточной функции регулятора, обеспечивающего желаемое расположение корней характеристического полинома замкнутой системы по передаточной функции объекта, а также управление в режимах, характерных для потенциально опасных объектов.

3. С помощью функций Ляпунова построен алгоритм оптимизации получаемого регулятора по заданному критерию, разработано соответствующее алгоритмическое обеспечение.

4. Разработано математическое и программное обеспечение, предназначенное для построения модальных регуляторов по передаточной функции объекта регулирования, а также моделирования получаемой поведения замкнутой системы на этапе проектирования.

5. Разработано программное обеспечение построения систем управления потенциально опасными объектами, обеспечивающее все необходимые функции, требуемые от подобной системы правилами ГОСТ, при этом предъявляющее минимальные требования к ресурсам персонального компьютера.

6. Разработанное программное обеспечение успешно внедрено и функционирует в составе систем противоаварийной защиты на предприятиях химической и нефтехимической промышленности Российской Федерации.

98

1. С. Liu and J. Leyland. Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment. // Journal of the ACM. January, 1973.

2. CODASYL Data Base Task Group Report. Conf on Data System Languages. -ACM, New York, 1971.

3. D. Stewart and P.Koshla. Real-Time Scheduling of Sensor-Based Control Systems. // Proceedings of Eighth IEEE Workshop on Real-Time Operating Systems and Software. May, 1991.

4. J. Stancovich. Misconcriptions about Real-Time Computing. // IEEE Computer. October, 1988.

5. Kailath T. Linear Systems Englwood Cliffs. -NJ: Prentice Hall, 1980.

6. L. Sha and J. Goodenough. Real Time Scheduling Theory and Ada. // IEEE Computer. April, 1990.

7. QNX Software Systems Ltd. QNX 4 Operating System. System Architecture. Canada, 1993.

8. S. Natarajan and W. Zhao. Issues in Building Dynamic Real-Time Systems. // IEEE Software. September, 1992.

9. Smith O.J.M. Closer Control of Loops with Dead Time. // Chem. Eng. Progr. 53,217, 1957.1

10. Ю.Аваков C.M. Системные функции DOS 4.0 // Библиотека информационной технологии: Вып. 4, 1992.

11. П.Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высш.шк., 1994.

12. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976.

13. И.Бажанов В. USWO новый способ формирования управления для замкнутых систем автоматического регулирования. // Современные технологии автоматизации. 1998. №4. С.28-32.99

14. Бард В.Л., Кузин A.B., Предупреждение опасностей в нефтеперерабатывающей и химической промышленности. М., Химия, 1984

15. Бейкер Дж., Грейвс-Моррис П. Аппроксимации Паде. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

16. Беляков М.И., Рабовер Ю.И., Фридман A.JI. Мобильная операционная система. М.: Радио и связь, 1991.

17. Бесчастнов М.В., Соколов В.М., Предупреждение аварий в химических производствах. М., Химия, 1978

18. Бесчастнов М.В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химико-технологических процессов. -М.: Химия, 1983.

19. Бунин В., Анопренко В. и др. SCADA-системы: проблемы выбора. // Современные технологии автоматизации. 1999. №4.

20. Бушинский В.И., Годынский Э.Г., Сабинин Д.С. Алгоритмический подход к разработке систем безопасного управления потенциально опасными объектами. // Известия ТулГУ. Серия "Подъемно-транспортные машины и оборудование". Выпуск 1. 1997.- С.3-170

21. Волгин JI.H. Диофантово полиномиальное исчисление и его применение для решения математических задач теории управления. // Автоматика. 1987. №1. С.43-52.

22. Волгин J1.H. Оптимальное дискретное управление динамическими системами.-М.:Наука, 1986.

23. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. М.: Энергия, 1965.

24. Воронов A.A. Синтез минимальных модальных регуляторов, действующих от измеримых входа и выхода линейного объекта. // АиТ. 1993. №2. С.34-51.

25. Воронов A.A. Синтез минимальных модальных регуляторов, действующих по выходам. // Дифференц. уравнения. 1992. Т.28. №11. С. 1861-1877.

26. Воронов A.A. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М.: Наука, 1979.100

27. Гориневский Д.М. Стабилизация бесконечномерного линейного объекта с помощью конечномерных регуляторов состояния. // АиТ. 1990. №9. С.27-34.

28. Госгортехнадзор России. Общие правила взрывобезопасности для взрыво-пожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. М.: ПИО ОБТ, 1999.

29. Госгортехнадзор России. Правила безопасности для складов сжиженных углеводородных газов и легковоспламеняющихся жидкостей под давлением. -М., 1997.

30. Григорьев B.J1. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование. — М.: ГРАНАЛ, 1993.

31. Дадашов М. Проектирование пользовательского интерфейса на персональных компьютерах. Вильнюс: DBS LTD, 1991.

32. Дунаев С. UNIX SYSTEM V. Release 4.2. М.: "ДИАЛОГ-МИФИ", 1995.

33. Жданов A.A. Операционные системы реального времени. // PC Week. 1999. №8.

34. Золотарев С. Интегрированные пакеты АСУ ТП в ОС QNX. // Современные технологии автоматизации. 1996. №1. С.36-38.

35. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.

36. Каган Б. М. Электронные вычислительные машины и системы. М.:41. Энергоатомиздат, 1985.

37. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. Пер. с англ. -М.: Мир, 1971.

38. Керниган Б.В., Пайк P. UNIX универсальная среда программирования. Пер. с англ. - М.: Финансы и статистика, 1992.

39. Коффрон Дж., Лонг В. Расширение микропроцессорных систем. Пер. с англ.-М.: Мир, 1987.

40. Кузнецов A. Genesis for Windows графическая SCADA-система для разработки АСУ ТП. // Современные технологии автоматизации. 1997. №3. С. 104-108.101

41. Кузовков Н.П. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1976.

42. Кунцевич В.М., Лычак М.М. Синтез систем автоматического управления с помощью функций Ляпунова. М.: Наука, 1977.

43. Л.Скэнлон. Персональные ЭВМ IBM PC и ХТ. Программирование на языке ассемблера. Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1991.

44. Леондес К.Т. Современная теория систем управления. Пер. с англ. М.: Наука, 1970.

45. Липаев В.В. Проектирование математического обеспечения АСУ (системотехника, архитектура, технология). -М.: Сов. радио, 1997.

46. Липаев В.В., Серебровский Л.А., Гаганов П.Г. и др. Технология программирования комплексов программ АСУ. -М.: Радио и связь, 1983.

47. Лозгачев Г.И Синтез модальных регуляторов по передаточной функции замкнутой системы. // АиТ. 1995. №5. С.49-55.

48. Лозгачев Г.И Синтез регуляторов по передаточной функции замкнутой системы. // Алгоритмы управления и идентификации. М.: Диалог-МГУ, 1997. №5. С.85-93.

49. Лозгачев Г.И. Тучинский C.B. Построение модального регулятора для объекта с запаздыванием по передаточной функции замкнутой системы. //

50. Современные информационные технологии: Тез. докл. Международной » *научно-технической конференции, август 2000 г. Пенза, 2000, с.71-73.

51. Лозгачев Г.И., Тучинский C.B. Построение модального регулятора для объекта с запаздыванием по передаточной функции замкнутой системы. Нелинейная динамика управления М., изд-во МГУ, 2000, с.54-61.

52. Локотков A. GENEZIS32: нечто большее, чем просто SCADA-система. // Современные технологии автоматизации. 1998. №3.

53. Локотков А. Что должна уметь система SCADA. // Современные технологии автоматизации. 1998. №3. С.44-46.

54. Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987.

55. Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. -М.: Гос. издат. физ.-мат. литературы, 1959.

56. Мячев A.A. Интерфейсы средств вычислительной техники. М.: Радио и связь, 1993.

57. Н.Н. Смирнов. Программные средства персональных ЭВМ. Л.: Машиностроение, 1990.59.0зкарахан Э. Машины баз данных и управление базами данных. Пер с англ. М.: Мир, 1989.

58. П.Нортон. Персональный компьютер фирмы IBM и операционная система MS-DOS. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1992.

59. Подвальный С.Л., Тучинский C.B. Программное обеспечение системы управления потенциально опасными объектами. Системы управления и информационные технологии. Изд-во ВГТУ, 2000, с.87-91.

60. Рашковский В.М. Теория и практика разработки и внедрения АСУП. М.: Сов. радио, 1975.

61. Розенвассер E.H. Синтез многомерных линейных систем с заданными характеристиками полиномов. // АиТ. 1996. №8. С.35-53.

62. Рязанов Ю.А. Проектирование систем автоматического регулирования. -М.: Статистика, 1963.

63. Солодовников В.В. Теория автоматического регулирования, т.1. М.:1031. Машиностроение, 1967.

64. Сорокин С. IBM PC в промышленности. // Современные технологии автоматизации. 1996. №1. С.6-13.

65. Сорокин С. Системы реального времени. // Современные технологии автоматизации. 1997. №2. С.22-29

66. Справочное руководство по IBM PC. Авторский коллектив ТПП "СФЕРА". -М.: ТПП "СФЕРА", 1991.

67. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных. Пер. с .англ. -М.: Мир, 1985.

68. Трахтенгерц Э.А. Программное обеспечение автоматизированных систем управления. М.: Статистика, 1974.

69. Федоров А. Особенности программирования на Borland Pascal. Киев: Диалектика, 1994.

70. Шагурин И.И., Бродин В.Б., Мозговой Т.П. 80386: описание и система команд. -М.: МП "Малип", 1992.104