автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы и алгоритмы диагностирования автоматизированных систем управления производством с распределенной структурой

На правах рукописи

_

МАТЮХИН Николай Борисович

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВОМ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

Специальность 05 13 06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□и3445ВВ2

МОСКВА - 2008

003445662

Работа выполнена в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете)

Научный руководитель Александриди Тамара Миновна

канд техн. наук, профессор МАДИ (ГТУ)

Официальные оппоненты. Суворов Дмитрий Наумович

д-р техн наук, профессор МАДИ (ГТУ)

Легович Юрий Сергеевич канд. техн наук, зав лаб. ИПУ РАН

Ведущая организация Московский энергетический институт (технический университет), г Москва

Защита состоится «16» сентября 2008 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д.212.126.05 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность) при Московском автомобильно-дорожном институте (Государственном техническом университете) по адресу. Москва, Ленинградский пр, 64, аудитория № 42

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по адресу 125319, ГСП-47, Москва, Ленинградский пр, 64, ученому секретарю

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ) Автореферат разослан «16» августа 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета канд техн наук, доцент а.

Н.В. Михайлова

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность работы

В настоящее время крупные промышленные объекты, в том числе предприятия строительного назначения, представляют собой сложные территориально-распределенные комплексы зданий и промышленных сооружений В их состав могут входить административные здания, склады, лаборатории, промышленные установки, агрегаты, транспортные подразделения. Очевидно, что автоматизированные системы управления производством (АСУП) таких промышленных объектов имеют также распределенную структуру

В современных условиях повсеместной компьютеризации задачи организации связей в системе информационного обеспечения и управления в распределенных АСУП должны решаться с помощью использования специализированных вычислительных и технологических сетей

Технологические сети распределенной АСУП реализуют различные методы мониторинга, управления технологическими процессами, передачи разнообразной технической информации, задание значений регулируемых параметров, цифровое регулирование, изменение режимов работы промышленных установок и т д

Большинство перечисленных функций, независимо от их целевого назначения, реализуются на основе стандартных средств вычислительной техники, вследствие чего причинами неисправностей АСУП могут являться, в том числе, отказы аппаратуры и ошибки в программном обеспечении сетей передачи информации между техническими средствами и объектами АСУП.

Поэтому очевидно, что работоспособность АСУП с распределенной структурой определяется, в том числе, решением задач диагностирования ошибок в технологических процессах и при передаче технологической информации между объектами системы

Поскольку технологическая сеть представляет собой одну из важных составляющих современной АСУП с распределенной структурой, ввод в строй и дальнейшая эксплуатация самой АСУП в качестве важнейшего этапа содержит решение задач диагностики неисправностей в технологических сетях

Автоматизация методов диагностики неисправностей, связанных с ошибками в приеме и передаче технологической и управляющей информации между техническими средствами АСУП может уменьшить конечное время ввода в эксплуатацию всей системы и решить вопросы поиска неисправностей в дальнейшем Результаты данной работы имеют универсальный характер и могут быть использованы при создании

распределенных АСУП различного назначения В связи с этим, исследование этих проблем представляет собой актуальную научную задачу В настоящей диссертации эти задачи исследуются на примере построения автоматизированного дробильно-сортировочного производства (АДСП)

1.2 Цель и основные задачи исследования

Целью данной работы является исследование методов и алгоритмов диагностирования в автоматизированных системах управления производством с распределенной структурой и создание автоматизированной системы тестирования и диагностики при проведении пусконаладочных работ и в режимах эксплуатации АСУП.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования

1 Анализ структуры распределенной АСУП и постановка задач

2 Исследование особенностей и задач диагностирования АСУП с распределенной структурой на примере автоматизированной системы дробильно-сортировочного производства.

3 Выявление и классификация неисправностей в АСУ технологического производства АДСП

4 Разработка и построение математических моделей объектов диагностирования

5 Исследование и построение алгоритмов диагностирования неисправностей и оценка корректности тестов методами имитационного моделирования

6 Разработка структуры автоматизированной системы диагностирования неисправностей в распределенной АСУП, методов и алгоритмов тестового программного обеспечения

1 3 Методы исследования

Исследования выполнены с использованием методов теории автоматического управления и регулирования, алгоритмирования, имитационного моделирования, теории оптимизации, эквивалентных преобразований и верификации.

1 4 Научная новизна

Научная новизна состоит в том, что автором

- предложена новая структура системы диагностирования распределенных АСУП с целью автоматизации процессов поиска неисправностей,

- предложены методы и алгоритмы диагностирования в таких системах;

- разработаны соответствующие математические модели и программы тестирования и диагностики

1 5 Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием метода эквивалентных преобразований в процессе анализа, согласованностью результатов функциональных и имитационных моделей процессов работы системы, верификацией программного обеспечения Достоверность рекомендаций и выводов диссертации подтверждена полученными актами о положительных результатах внедрения.

1 б Практическая ценность и реализация результатов работы

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до создания программного комплекса, который реализован в виде переносного узла, использующегося на реальных АСУП

1 7 Апробация работы

Содержание разделов всей диссертации было доложено и получило одобрение

- на семинарах кафедры АСУ в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете),

- на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» Московского государственного университета приборостроения и информатики, 2007 г,

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований при построении ПО автоматизированной системы диагностирования представляет собой новое решение в области практической реализации АСУП с распределенной структурой

1 8 Публикации.

По результатам диссертационной работы опубликовано 5 статей

1 9 Структура и объем

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего в себя 53 наименования и приложения Она содержит 143 страницы текста, в том числе 37 рисунков и таблиц.

2. Содержание работы

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, моделей, алгоритмов и структур

Во введении обосновывается актуальность работы Определяются основные цели и задачи системы, в которой будут проводиться исследования

В первой главе диссертации проводится системный анализ предметной области

Рассматриваются принципы построении АСУП с распределенной структурой на примере дробильно-сортировочного производства.

В ряде работ, посвященных дробильно-сортировочному производству, проведен анализ АДСП как сложной многоуровневой системы, разработана структурная схема, определены верхний и нижний уровни решаемых задач. Однако практически не рассматривались вопросы организации технологических и управленческих связей, а также взаимодействия в рамках АСУП между различными уровнями и объектами распределенной АДСП.

Рассматриваются принципы построения вычислительных и технологических сетей, структуры серверов, физические каналы связи, топология сетей и способы их использования при проектировании АСУП с распределенной структурой (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Структура распределенной АСУП на примере АДСП

При построении системы АДСП выделяются два уровня: верхний уровень автоматизированной системы управления производством (АСУП), причем объекты этого уровня связаны между собой вычислительными связями, обеспечивающими задачи планирования, управления

производством и передачу технологической информации на нижний уровень, который представляет собой автоматизированную систему управления технологическим производством (АСУТП) (рис. 1.2).

Дробильно-* -"сортировочное оборудование

. Склад -исходных материалов

Верхний уровень АДСП

Нижний уровень АДСП

Рис. 1.2. Обобщенная схема автоматизированного дробильно-сортировочного производства

На нижнем уровне связи между объектами подсистемы обеспечиваются технологической сетью, по которой передается технологическая и управленческая информация на производственные объекты.

Информация между АСУТП и микропроцессорными системами управления циркулирует только в цифровом виде (рис. 1.3).

Рис 1 3 Структурная схема АСУТП дробильно-сортировочного производства

Микропроцессорные системы управления технологическими процессами работают по командам от ЭВМ АСУТП Поскольку расстояния между ЭВМ АСУТП и технологическими агрегатами могут быть достаточно значительными, то в сети передачи технологической информации, прежде всего, осуществляется диагностирование правильности приема переданных сигналов Самый простой способ данного контроля - проверка по четности.

В составе микропроцессорного программного обеспечения имеются программы контроля состояния технического оборудования, которые запускаются по команде от ЭВМ АСУТП после включения технологического оборудования В случае обнаружения неисправностей в оборудовании, включается набор тестовых программ, которые последовательно или параллельно проверяют фунцкионирование агрегатов и МП-системы Далее, для определения места неисправности, используются диагностические программы Алгоритмы этих программ приведены в следующих главах

На рис 14 приведена микропроцессорная система контроля и управления технологической установкой.

Рис 1 4 Микропроцессорная система контроля и управления технологической установкой

Регулируемый параметр в схеме управления технологической установкой является аналоговым (к примеру, размер щели дробления в дробильном агрегате), а исполнительный механизм может быть как аналоговым (в случае использования ЦАП и двигателя постоянного тока), так и дискретным (в случае использования шагового двигателя). При такой реализации схемы управления технологической установкой целесообразно использование методов цифрового регулирования

В данной работе рассматривается регулирование по ПИ закону, в соответствии со следующим выражением

ы

при пТ<К (п+1)Т,

где х\[пТ] - рассогласование для канала I в и-ом цикле регулирования, Т- время цикла,

К, - коэффициент пропорциональности, К2 - коэффициент интегрирования,

- управляющее воздействие Заданные значения регулируемых величин (размер продукта дробления, состав фракций) вычисляются в ЭВМ АСУТП

Реализация технологической связи в АСУП на различных уровнях в цифровом виде позволяет стандартизовать процессы обмена,

тестирования и поиска неисправностей и сделать предлагаемую методологию независимой от конкретного типа производства

На основе исследования данных структур сформулированы требования к системам тестирования и диагностики АСУП с распределенной структурой

Во второй главе исследуются основные этапы проведения пусконападочных работ АСУП и выявляются типовые неисправности, возникающие на различных этапах существования системы Помимо неисправностей в самом дробильно-сортировочном оборудовании, имеют место неисправности в технологических сетях связи, которые до настоящего времени в АСУП с распределенной структурой не исследовались

Цифровые информационные сигналы, являющиеся технологическими параметрами и командами и передаваемые по технологическим сетям от дробильно-сортировочного производства в ЭВМ АСУТП, представляют собой достаточно сложную структуру Задача обработки и декодирования сигналов выполняется на уровне МП-контроллеров и специализированного программного и аппаратного обеспечения ЭВМ АСУТП

Показано, что после окончания пусконападочных работ при стандартном программном обеспечении в системе может остаться значительное количество неисправностей, носящих случайный характер Некоторые сбои могут возникать достаточно редко, вследствие чего создаются существенные трудности для их поиска и дальнейшего исправления Так как зачастую система, находящаяся в эксплуатации, сложно диагностируема, то в настоящее время поиск ошибок и исправления делаются вручную при минимальной загрузке в ночное время или при остановке системы

Сложность диагностирования состоит в том, что оборудование для построения технологических сетей и микропроцессорных систем управления, датчиков, исполнительных механизмов и самих агрегатов выпускается множеством производителей и оказывается зачастую недостаточно соответствующим стандартам, как по уровням сигналов, так и по форматам Это обстоятельство затрудняет проведение пусконападочных работ и саму эксплуатацию, заставляет вести вручную диагностику неисправностей

Предложено проводить анализ информационных сигналов, передаваемых в технологических сетях, с целью обнаружения ошибок и места их возникновения с помощью специализированного аппаратно-программного диагностического комплекса

Для этой цели разработаны специальные методы, алгоритмы и программное обеспечение для тестирования и диагностики ошибок в системе

В технологической сети циркулируют информационные сигналы, представляющие собой многоразрядные цифровые коды. Они имеют следующий формат (рис. 21).

Направление передачи

АП АИ К ИП ^ . 4 КС

Рис 2 1 Формат цифрового информационного сигнала

Информационный сигнал можно представить в виде

ИС = АПГ\АИПКПИППКС,

где АП - адрес принимающего МП-контроллера или узла,

АИ - адрес источника сигнала,

К - код команды, указывающий какая операция должна быть выполнена,

ИП - информационное поле с дополнительными параметрами операции Поле может быть необязательным в зависимости от типа операции,

КС - контрольная сумма, использующаяся для контроля правильности передачи сообщения

В зависимости от кода команды информационный сигнал представляет собой либо некоторую технологическую операцию, к примеру, пуск, останов, загрузка, установка заданных значений регулируемых параметров агрегатов, либо данные технологических параметров, например, размер щели дробления, крупности продукта дробления

Алгоритмы обработки и формирования информационных сигналов в ЭВМ АСУТП и в МП-контроллерах приведены в главе 4

Рассмотрена математическая модель тестового обмена при поиске неисправностей

№ = {!¥,} - множество входных и выходных тестовых сигналов, соответствующих цифровым сигналам в технологической сети.

^((О'СО) - где Х'вх - входной тестовый сигнал, У1вЬ1Х -выходной тестовый сигнал, при этом х, , у, <=Ш 1

В безошибочно работающей системе Ух1а => (у1шх) В реальной системе возможно существование =>(/,„„), который может отличаться от у,шх вследствие случайных ошибок, и при этом формируется ответный ошибочный сигнал у',я£г = {у'1а,т,у'1а,т)■ Сигналу можно представить как кортеж, который в соответствии с тестом должен получиться на выходе проверяемого функционального узла, у',№и -действительный ответ данного функционального узла на поступивший тест, который получается в процессе тестирования

Обнаружение ошибки может быть выполнено за счет поразрядной операции суммирования по модулю 2 Ошл -у, Ф у',

х ' 1ВЫХ ' 'вых

Предусмотрены различные методы минимизации объемов программного обеспечения за счет следующих алгоритмов компоновки ПО

- производится посылка тестовых сигналов разной длины,

- производится посылка тестовых сигналов с заданными ошибками,

- производится диагностика функционального узла при заданном ограниченном наборе типов сигналов,

- производится анализ обмена на наличие ошибок

Для проверки работоспособности системы за заданный период времени формируется заданный набор функциональных тестов Заданный набор функциональных тестов ФТ = {ФТ,,ФТ2)...ФТ,...ФТ„}

Количество наборов в данном тесте ФТ| и множество команд в соответствующей программе теста Ф~П Ф = {Ф„Ф2,.ФГ..ФИ}, Ф,ао.

Сформулированы возможные критерии оптимизации процесса тестирования- минимизация числа тестовых наборов с учетом возможности использования одних и тех же наборов в различных функциональных тестах

Ф^ПП^п+Фя-ФпиФз),

М 1=2

где ФГ(- 1-ый функциональный тест, Фт> - .1-ый функциональный тест,

Фг, и Фч - функция объединения функциональных тестов с учетом использования совпадающих наборов,

п, т - количество наборов в каждом функциональном тесте,

- минимизация по суммарному количеству команд

п

Ф2 = ^Фг,,л-»тт1

где Фг, - ¡-ый функциональный тест, п - общее количество наборов в функциональном тесте,

- минимизация по времени тестирования - возможность выполнять несколько тестов одновременно

п

ФЗ = ^ФГ()Г->тт1

где Фл- 1-ый функциональный тест, Т - суммарное время выполнения тестов

Для дальнейшего рассмотрения и реализации выбран метод оптимизации процесса тестирования на основе использования одних и тех же тестовых наборов в различных функциональных тестах

В третьей главе рассматриваются математические модели и методы технической диагностики Рассмотрены виды технического состояния объектов диагноза, введены классы неисправностей

В диссертации рассмотрены два класса неисправностей постоянный ноль и постоянная единица

В диссертации предложено использование методов имитационного моделирования на ЭВМ в качестве инструмента, позволяющего разрабатывать и использовать средства контроля работоспособности Рассмотрены математические модели объектов диагноза (ОД) Предложен метод построения структурно-автоматной модели логической схемы в произвольном логическом базисе

Основным достоинством метода является сочетание универсальности с относительно малой размерностью модели

С практической точки зрения более удобной для решения задач синтеза, анализа и диагноза реальных дискретных устройств являются структурно-автоматные модели, которые позволяют лучше учесть свойства реальных систем, чем теоретико-автоматные модели Структурные автоматы отражают реальную структуру входных и выходных сигналов, а также состояний дискретных устройств в алфавите В={0,1}

Функционирование структурного автомата описывается системой пяти объектов

5 = 0,17, А}, где

X = {х1}х2,. .,хп] - множество входных переменных структурного автомата в алфавите В,

¥ -{УиУгу >Уп) ~ множество выходных переменных структурного автомата в алфавите В,

й = {Ч\>Чг>—><?/} - множество переменных, описывающих состояние структурного автомата в алфавите В Отображения п и Л являются 77: <2х X 0 - функцией переходов, Я: X -> Г - функцией выходов структурного автомата Это уравнение можно представить эквивалентным образом, как систему четырех объектов £ = где

И:()хХ->()х.¥ - отображение, являющееся произведением отображений т} и Л И - совмещенная функция переходов-выходов

Поведение структурного автомата эквивалентно описывается таблицей истинности вместо совмещенной функции переходов-выходов

5" = {X, Г, £?,//}, где таблица истинности ^сЛ^.а^ЯиМ.где

х е {0,1} - неизвестное состояние

В современных схемах организации технологических сетей нашла широкое применение шинная организация передачи сигналов, в которой вместо алфавита 5е{0,1} используется алфавит Се{0,1,2}, где 1 -высокоимпедансное состояние. Соответственно, расширим понятие структурного автомата, введя вместо алфавита В алфавит С на входах и выходах структурного автомата

В таблицах истинности описывается поведение элемента в терминах сигналов и состояний структурных автоматов Каждая строка таблицы содержит описание одного из возможных переходных процессов, заданное сочетанием входных, внутренних состояний и входных сигналов элемента в соседних тактах времени t и (М)

Таким образом, структурный автомат представляет из себя четырехкомпонентный кортеж, три первых компоненты X, У и О описывают его структуру, а четвертая компонента п описывает его функционирование Здесь алфавит Се{0,1,2} применим к множествам входных и выходных переменных, а алфавит В 6 {0,1} к множеству состояний структурного автомата

При использовании большинства алгоритмов генерации тестов (в том числе и предложенных в диссертации), полученные тестовые последовательности часто оказываются чрезмерно длинными, что на практике может привести к значительному увеличению времени и трудоемкости испытания логической аппаратуры на стенде. С другой стороны, эти же тесты в большинстве случаев избыточны, что объясняется как спецификой алгоритмов, так и необходимостью многократной исходной установки последовательных схем перед контролем Большинство алгоритмов представляют входные тестовые наборы в алфавите

В -{Х,0,1} ^ _ безразличное логическое значение 0 или 1), что увеличивает избыточность тестовых проверок Особенно громоздки диагностические тесты

Предлагается метод сокращения длины тестовых экспериментов над логическими схемами, не использующий таблиц неисправностей и описания структуры рассматриваемого объекта При этом сокращенные тесты сохраняют корректность и полноту исходных тестов Метод применим к последовательностным схемам практически произвольной структуры и, в частности, к комбинационным схемам

Предложен метод склейки двух тестов С = {с1,с2,...,с1,...,с1} и

В = Таблицей 31 введем бинарную операцию склейки

на множестве значений набора <а:В'хВ'->В, где#- пустая

буква алфавита

' < ' 7Ш; , :„ ' X ..." р. т т

Е I < X " я: 0 1

;г ~ Л 0 0 в

_ - -Г:- - 1 в 1

Таблица 31 Бинарная операция

Будем говорить, что наборы С и £> находятся в отношении склейки Я, если^{ргрсоргёсеВи,аеВМ.

Результатом бинарной операции сЫ будем называть кортеж F = {ргхс(орг^, рггс(орг^,...,ргтс(орг^)

Содержательный смысл этой операции состоит в замене, если это возможно, безразличных значений одного кортежа существенными значениями другого кортежа

На рис 31 представлен пример склейки двух тестов С (рис 31а), состоящего из трех тестовых наборов и И (рис 3 16), состоящего из четырех тестовых наборов На рис 3 1в представлен процесс склейки двух тестов в виде монотонного пути На рис 3.1 г представлен результирующий тест Р, который короче исходных тестов на 2 тестовых набора

Сг X / £ X

X о X /

/ 0 X /

4 У 0 / X

£ / X /

О X X i

4 О 1> / /

а) тест С

б) тест £>

Ср я (ы Сз с*

У ' \

\

\

К

X 0 г X

1 / X У

О о * /

а 0 / /

/ о X /

в) монотонный путь и матрица склейки Рис 3 1 Пример склейки двух тестов

В четвертой главе рассматриваются принципы построения диагностического программного обеспечения АСУП с распределенной структурой

Для решения этой задачи рассмотрены варианты возможных решений построения систем диагноза

Выбрана следующая последовательность этапов создания диагностического программного обеспечения.

- разработка типовой структуры аппаратных средств передачи данных в технологической сети,

- создание структурных и программных моделей узлов системы тестирования и диагноза,

- разработка тестовой программы для реализации функциональных тестов,

- формирование входных и выходных тестовых наборов,

- получение выходных реакций контролируемых узлсз,

- сравнение выходных тестовых наборов и выходных реакций контролируемых узлов,

- поиск места ошибки и диагностика места неисправности

Разработаны и отлажены на имитационной модели функциональные

тесты, соответствующие алгоритмам функционирования микропроцессорной системы управления технологическими установками

При обнаружении ошибок в результате функционального тестирования для их диагностирования используется ПО тестирования и диагностики аппаратных средств технологической сети

С этой целью разработана и представлена типовая структура аппаратных средств технологической сети, в которой также циркулирует тестовая и диагностическая информация (рис 4 1)

У1вых1 Мвыхк

Рис 4 1 Типовая структура аппаратных средств

Разработана структурная модель функционального узла системы диагноза (рис 4 2) В системе диагноза (СД) в соответствии с алгоритмами тестирования (АТ) вырабатываются установочные (УП) и тестовые

последовательности (ТП) в виде тестов, которые через устройство сопряжения (УС) подаются на объект диагноза (ОД) и модель объекта диагноза (МД) В блоке АТ в соответствии с алгоритмами тестирования происходит сравнение выходных ответных реакций (ОР) от объекта диагноза (ОД) с эталонными, полученными на выходе блока МД На этом этапе происходит обнаружение ошибки

Рис 4 2 Модель функционального узла системы диагноза

На рис 4 3 представлен алгоритм обнаружения ошибки в многоразрядном сигнале на выходе ОД и обнаружения места неисправности В соответствии с алгоритмом, тестовый набор

9<я¡(х1>х2>х1>хп) подается на модель диагноза и объект диагноза

Действительный ответ ОД &вых] (У, ,у'2,у\ ,/„) сравнивается по модулю

2 с ответом, полученным на выходе МД ^«^(УиУггУпУп) и соответствующим правильному функционированию схемы В случае отсутствия ошибки происходит переход к следующему тестовому набору. Если определена ошибка, запускается алгоритм диагностирования места неисправности (правая часть на рис 4 3)

Поскольку обнаружена ошибка в информационном сигнале, который в общем случае представляет собой многоразрядный двоичный код, то необходимо диагностировать разряд этого кода, в котором возникла неисправность

Полученный на выходе МД ответ ^,ых/(.У1>У2>У1>Уп) сравнивается поразрядно с инвертированными значениями в реальном ответе от ОД в'юц)(У1гУг>У1>Уп) ДО тех пор пока они не совпадают. В случае совпадения диагностируется ошибка в 1-м разряде Далее можно перейти к дальнейшему диагностированию логических схем, формирующих значение в данном разряде ОД

Рис 4 3 Алгоритм диагностирования места неисправности

На основе разработанных методов и алгоритмов создан комплекс программного обеспечения для диагностирования АСУП с распределенной структурой, который прошел опытную эксплуатацию и принят к внедрению В заключении представлены основные результаты работы Приложение содержит акты внедрения и листинги программ.

Основные выводы и результаты работы.

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме построения и практической реализации методов и алгоритмов диагностирования АСУП с распределенной структурой Обобщая результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, можно сформулировать основные выводы и результаты работы

1 На основе исследования функционирования АСУП с распределенной структурой на примере дробильно-сортировочного производства поставлены задачи построения методов и алгоритмов системы диагностирования

2 Выполненная классификация типовых неисправностей в системе позволила разработать методы тестирования и диагностики

3. Разработаны математические модели объектов диагноза и алгоритмов функционирования тестового программного обеспечения

4 Показано, что для построения многоуровневой автоматизированной системы необходима организация технологических связей в виде специализированных цифровых сетей

5. Разработаны структура, алгоритмы и программное обеспечение системы диагностирования АСУП с распределенной структурой

6 Реализация технологических связей в АСУП на различных уровнях в цифровом виде позволяет стандартизовать процессы обмена информацией и управления, тестирования и диагностики, что обеспечивает независимость разработанной методологии от конкретного типа производства

7. Получены акты о внедрении результатов выполненных исследований от НИИАА им академика В С Семинихина и от МГУПИ

Основные публикации по теме диссертации.

1 Александриди Т М , Матюхин Н.Б., Реализация физических линий связи в локальных вычислительных сетях/ Интегрированные технологии автоматизированного управления Сборник научных трудов. - М, МАДИ (ГТУ), 2005

2 Матюхин Н Б, Структура и функции серверов в локальных вычислительных сетях/ Автоматизация управления предприятиями промышленности и транспортного комплекса Сборник научных трудов. -М МАДИ (ГТУ), 2006

3 Александриди Т М , Матюхин Н Б , Алгоритмы диагностики в процессе пусконаладочных работ в корпоративных сетях / Инновационные технологии в науке, технике и образовании. Сборник трудов международной научно-технической конференции - М.- МГУПИ, 2007

4. Апександриди Т М , Матюхин Н Б, Математическая модель поиска неисправностей в вычислительных системах / Вестник МАДИ (ГТУ), №1 2008

5 Матюхин Н.Б, Выбор и обоснование методов диагностики состояния ЛВС / Сборник научных трудов - М : МАДИ (ГТУ), 2008

Отпечатано в ООО «Компания Спутник^» ПД № 1-00007 от 25.09.2000 г. Подписано в печать 13 08 08. Тираж 100 экз. Усл. п. л 1,31 Печать авторефератов (495) 730-47-74,778-45-60

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Построение АСУП с распределенной структурой.

1.1. Дробильно-сортировочное производство.

1.2. Автоматизация процессов дробления.

1.3. Структура технологической сети.

1.4. Реализация физических линий связи в технологических сетях.

1.5. Реализация АДСП на основе АСУП с распределенной структурой.

1.6. Выводы.

Глава 2. Функционирование технологической сети АСУП.

2.1. Пусконаладочные работы в технологических сетях.

2.2. Программный анализатор протоколов.

2.3. Формат информационного сигнала в технологической сети.

2.4. Модель информационного обмена.

2.5. Функциональные тесты.

2.6. Анализ типовых неисправностей в технологических сетях.

2.7. Выводы.

Глава 3. Модели и методы технической диагностики.

3.1. Основные положения.

3.2. Математические модели ОД.

3.3. Структурно-автоматная математическая модель базисного элемента.

3.3.1. Понятие базисного элемента.

3.3.2. Таблица истинности базисного элемента.

3.4. Минимизация тестов.

3.4.1. Введение.

3.4.2. Постановка задачи.

3.4.3. Метод склейки двух тестов.

3.5. Алгоритм склейки пары тестов.

3.6. Алгоритм склейки множества тестов.

3.6.1 Общее решение задачи минимизации контролирующего теста.

3.6.2. Эвристический алгоритм склейки множества тестов.

3.7. Выводы.

Глава 4. Построение ПО тестирования и диагностики.

4.1. Типовая структура аппаратных средств МП-системы.

4.2. Струетурная модель системы тестирования и диагностики.

4.3. Методы и алгоритмы тестирования и диагностики.

4.4. Обобщенная структурная схема системы диагностирования.

4.5. Программное обеспечение.

4.6. Выводы.

В настоящее время крупные промышленные объекты, в том числе предприятия строительного назначения, представляют собой сложные территориально-распределенные комплексы зданий и промышленных сооружений. В их состав могут входить административные здания, склады, лаборатории, промышленные установки, агрегаты, транспортные подразделения. Очевидно, что автоматизированные системы управления производством (АСУП) таких промышленных объектов имеют также распределенную структуру.

В современных условиях повсеместной компьютеризации задачи организации связей в системе информационного обеспечения и управления в распределенных АСУП должны решаться с помощью использования специализированных вычислительных и технологических сетей.

Технологические сети распределенной АСУП реализуют различные методы мониторинга, управления технологическими процессами, передачи разнообразной технической информации, задание значений регулируемых параметров, цифровое регулирование, изменение режимов работы промышленных установок и т.д.

Большинство перечисленных функций, независимо от их целевого назначения, реализуются на основе стандартных средств вычислительной техники, вследствие чего причинами неисправностей АСУП могут являться, в том числе, отказы аппаратуры и ошибки в программном обеспечении сетей передачи информации между техническими средствами и объектами АСУП.

Поэтому очевидно, что работоспособность АСУП с распределенной структурой определяется, в том числе, решением задач диагностирования ошибок в технологических процессах и при передаче технологической информации между объектами системы.

Поскольку технологическая сеть представляет собой одну из важных составляющих современной АСУП с распределенной структурой, ввод в строй и дальнейшая эксплуатация самой АСУП в качестве важнейшего этапа содержит решение задач диагностики неисправностей в технологических сетях.

Автоматизация методов диагностики неисправностей, связанных с ошибками в приеме и передаче технологической и управляющей информации между техническими средствами АСУП может уменьшить конечное время ввода в эксплуатацию всей системы и решить вопросы поиска неисправностей в дальнейшем. Результаты данной работы имеют универсальный характер и могут быть использованы при создании распределенных АСУП различного назначения. В связи с этим, исследование этих проблем представляет собой актуальную научную задачу. В настоящей диссертации эти задачи исследуются на примере построения автоматизированного дробильно-сортировочного производства (АДСП).

Целью данной работы является исследование методов и алгоритмов диагностирования в автоматизированных системах управления производством с распределенной структурой и создание автоматизированной системы тестирования и диагностики при проведении пусконаладочных работ и в режимах эксплуатации АСУП.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:

1. Анализ структуры распределенной АСУП и постановка задач.

2. Исследование особенностей и задач диагностирования АСУП с распределенной структурой на примере автоматизированной системы дробильно-сортировочного производства.

3. Выявление и классификация неисправностей в АСУ технологического производства АДСП.

4. Разработка и построение математических моделей объектов диагностирования.

5. Исследование и построение алгоритмов диагностирования неисправностей и оценка корректности тестов методами имитационного моделирования.

6. Разработка структуры автоматизированной системы диагностирования неисправностей в распределенной АСУП, методов и алгоритмов тестового программного обеспечения.

Исследования выполнены с использованием методов теории автоматического управления и регулирования, алгоритмирования, имитационного моделирования, теории оптимизации, эквивалентных преобразований и верификации.

Научная новизна состоит в том, что автором:

- предложена новая структура системы диагностирования распределенных АСУП с целью автоматизации процессов поиска неисправностей;

- предложены методы и алгоритмы диагностирования в таких системах;

- разработаны соответствующие математические модели и программы тестирования и диагностики.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием метода эквивалентных преобразований в процессе анализа, согласованностью результатов функциональных и имитационных моделей процессов работы системы, верификацией программного обеспечения. Достоверность рекомендаций и выводов диссертации подтверждена полученными актами о положительных результатах внедрения.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до создания программного комплекса, который реализован в виде переносного узла, использующегося на реальных АСУП.

Содержание разделов всей диссертации было доложено и получило одобрение:

- на семинарах кафедры АСУ в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете);

- на международной научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, технике и образовании» Московского государственного университета приборостроения и информатики, 2007 г.;

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований при построении ПО автоматизированной системы диагностирования представляет собой новое решение в области практической реализации АСУП с распределенной структурой.

По результатам диссертационной работы опубликовано 5 статей.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего в себя 53 наименования и приложения. Она содержит 115 страниц текста, в том числе 39 рисунков и таблиц.

4.6. Выводы

1. Предложена и реализована последовательность основных этапов при разработке системы диагноза.

2. Предложены типовые структуры аппаратных средств и рассмотрены принципы взаимодействия между между отдельными узлами МП-системы.

3. Разработан принцип реализации алгоритмов структурной модели в предложенной конструкции аппаратных средств.

4. Приведены алгоритмы тестирования и диагностики и предложена методика определения места неисправности в аппаратных средствах МП-системы.

5. На основе разработанных методов и алгоритмов создан комплекс программного обеспечения для диагностирования АСУП с распределенной структурой, который прошел опытную эксплуатацию и принят к внедрению.

Заключение

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме построения и практической реализации методов и алгоритмов диагностирования АСУП с распределенной структурой.

1. На основе исследования функционирования АСУП с распределенной структурой на примере дробильно-сортировочного производства поставлены задачи построения методов и алгоритмов системы диагностирования.

2. Выполненная классификация типовых неисправностей в системе позволила разработать методы тестирования и диагностики.

3. Разработаны математические модели объектов диагноза и алгоритмов функционирования тестового программного обеспечения.

4. Показано, что для построения многоуровневой автоматизированной системы необходима организация технологических связей в виде специализированных цифровых сетей.

5. Разработаны структура, алгоритмы и программное обеспечение системы диагностирования АСУП с распределенной структурой.

6. Реализация технологических связей в АСУП на различных уровнях в цифровом виде позволяет стандартизовать процессы обмена информацией и управления, тестирования и диагностики, что обеспечивает независимость разработанной методологии от конкретного типа производства.

7. Получены акты о внедрении результатов выполненных исследований от НИИАА им. академика B.C. Семенихина и от МГУПИ.

1. Аверьянов Н.Н., Березенко А.И., Борщенко Ю.И. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник. М.: Радио и связь, 1988. -Т.2.

2. Автушко В.П. Автоматика и автоматизация производственных процессов. М.: Высшая школа, 1985.

3. Апександриди Т.М. Автоматизация проектирования цифровых устройств: уч. пос. М. МАДИ, 1983.

4. Апександриди Т.М. Некоторые вопросы выбора структуры многоканального цифрового регулятора. Автоматика и телемеханика №2. -М., 1968.

5. Апександриди Т.М., Матюхин Н.Б., Алгоритмы диагностики в процессе пусконаладочных работ в корпоративных сетях. Инновационные технологии в науке, технике и образовании. Сборник трудов международной научно-технической конференции. М.: МГУПИ, 2007.

6. Апександриди Т.М., Матюхин Н.Б., Математическая модель поиска неисправностей в вычислительных системах. Вестник МАДИ (ГТУ), №1 2008.

7. Апександриди Т.М., Матюхин Н.Б., Реализация физических линий связи в локальных вычислительных сетях. Интегрированные технологии автоматизированного управления. Сборник научных трудов. -М.; МАДИ (ГТУ), 2005.

8. Баловнев В.И., Ермилов А.Б., Новиков А.Н. и др. Дорожно-строительные машины и комплексы: Учебник для вузов: под общ. ред. В.И. Баловнева. М.: Машиностроение, 1988.

9. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Советское радио, 1980.

10. Богомолов A.M., Твердохлебов В.А. Диагностика сложных систем. Киев: Наукова думка, 1974.

11. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука,1978.

12. Бутрименко А.В. Разработка и эксплуатация сетей ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1981.

13. Вайнер Р., Пинсон Л. С++ изнутри: пер. с англ. К.В. Сулема: под ред. И.В. Хижняк. Киев: Диасофт, 1993.

14. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа,1999.

15. Вихров Н.М., Гаскаров Д.В., Грищенков А.А., Шнуренко А.А. Управление и оптимизация производственно-технологических процессов / Под ред. Д.В. Гаскарова. СПб.: Энергоатомиздат, 1995.

16. Воробьев В.А., Васьковский A.M. Автоматизация технологических процессов землеройных машин и связанной с ними строительной техники.// Изв. вузов. Строительство. 1993. №2, с. 60-67.

17. Воробьев В.А., Надиров А.Г. Оптимизация процесса дробления каменных строительных материалов на основе математической модели.// Изв. вузов. Строительство. 2001. №6, с. 48-51.

18. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М: Наука, 1966.

19. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Физматгиз,1961.

20. Гридман Т.В. Об одном методе проверки схем с памятью в сб. «Вычислительная техника» материалы конференции, Каунас, 1974.

21. Гробман Д.М. О построении тестов для схем с элементами памяти в сб. Труды II Всесоюзного совещания по технической диагностике. Л, 1972.

22. Дроздов Е.А., Пятибратов А.П. Основы построения и функционирования вычислительных систем. М.: Энергия, 1973.

23. Каган Б.М., Сташин В.М. Микропроцессоры в цифровых системах. М.: Энергия, 1979.

24. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987.

25. Каравай М.Д. Построение полных диагностических тестов для кратных неисправностей комбинационных устройств произвольного базиса. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1973.

26. Карибский В.В. О построении входной последовательности, обнаруживающей заданную неисправность дискретного устройства. Автоматика и телемеханика №5, 1972.

27. Кейн В.М. Оптимизация систем управления по минимаксному критерию. М.: Наука, 1985.

28. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. М.: Форум - Инфра-М, 2002.

29. Клингман Э. Проектирование микропроцессорных систем: пер. с англ. В.А. Зинченко: под ред. С.Д. Пашкеева. М.: Мир, 1980.

30. Кофман А. Введение в теорию нечетких множеств. М.: Радио и связь, 1982.

31. Круг Е.К., Апександриди Т.М., Дилигенский С.И. Цифровые регуляторы. -М.: Госэнергоиздат, 1965.

32. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. М.: Энергия, 1980.

33. Мамиконов А.Г. Теоретические основы автоматизированного управления. М.: Высшая школа, 1994.

34. Маркушевич Н.С. Автоматизированная система диспетчерского управления. М.: Энергоатомиздат, 1986.

35. Марсов В.И., Слуцкий В.А. Автоматическое управление технологическими процессами на предприятиях строительной индустрии. -Л.: Стройиздат, 1975.

36. Матюхин Н.Б. Выбор и обоснование методов диагностики состояния ЛВС. Сборник научных трудов. М.: МАДИ (ГТУ), 2008.

37. Матюхин Н.Б. Структура и функции серверов в локальных вычислительных сетях. Автоматизация управления предприятиями промышленности и транспортного комплекса. Сборник научных трудов. М.: МАДИ (ГТУ), 2006.

38. Матюхин Н.Я. Применение вычислительных машин для проектирования цифровых устройств. М.: Советское радио, 1968.

39. Надиров А.Г. Автоматизация технологических процессов дробильно-сортировочного производства с управлением по крупности продукта дробления. М: Техполиграфцентр, 2002Л

40. Надиров А.Г. Моделирование одномерного оптимального управления для щековой дробилки.// Сб. научных трудов. Автоматизированные системы автотранспортного и строительного ^ комплексов. М.: МАДИ, 2002, с.

41. Надиров А.Г. Одномерное оптимальное управление крупностью продукта дробления.// Сб. научных трудов. Автоматизированные системы автотранспортного и строительного комплексов. М.: МАДИ, 2002, с.

42. Надиров А.Г. Оценка эффективности автоматизации дробильно-сортировочного производства.// Сб. научных трудов. Комплексные системы автоматизированного управления автотранспортным комплексом. М.: МАДИ, 1998, с. 100-104.

43. Оре О. Теория графов: пер. с англ. И.Н. Врублевской: под ред. Н.Н. Воробьева. М.: Наука, 1980.

44. Пархоменко П.П. Основы технической диагностики. М.: Энергия, 1976.

45. Потапова Т. Б. Информационно-управляющие системы. Эволюция. Проблемы. Решения. / Промышленные АСУ и контроллеры. -М.: Мир компьютерной автоматизации №7, 2002.

46. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. М.: Наука, 1992.

47. Словарь-справочник автора. Сост. J1.A. Гильберг и Л.И. Фрид. -М.: Книга, 1979.

48. Таненбаум Э. «Компьютерные сети. 4 -е изд.».-СПб.:Питер,2005.

49. Хетагуров Я.А., Древе Ю.Г. Проектирование информационно-вычислительных комплексов. М.: Высшая школа, 1987.

50. Чжен Г., Мэннинг Е., Метц Г., Диагностика отказов цифровых вычислительных систем М., «Мир» 1972.

51. Шаракшанэ А.С., Халецкий А.К., Морозов И.А. Оценка характеристик сложных автоматизированных систем. М.: Машиностроение, 1993.

52. Шиханович Ю.А. Введение в современную математику, М. «Наука», 1965.

53. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. М.: Статистика, 1980.