автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Методы и модели проектирования программируемых контролеров для задач управления технологическими процессами и оборудованием

Введение. Общая характеристика работы

Глава 1.Концептуальные основы построения современных систем автоматизации управления технологическими процессами и оборудованием

1.1 .Предпосылки перехода к распределенному управлению

1.2. Программируемые микропроцессорные контроллеры

1.3. Прикладное математическое и программное обеспечение промышленных контроллеров

1.3.1. Алгоритмы регулирования и управления

1.3.2. Средства автоматизации программирования для контроллеров

1.4. Архитектура систем автоматизации

1.4.1 Локальные сети программируемых контроллеров

1.4.2. Архитектура "клиент - сервер" систем локальной автоматики

1.4.3. Координация процессов функционирования

Появление высоконадежных и недорогих при массовом производстве микропроцессорных устройств привело к созданию и повсеместному распространению микропроцессорных средств и систем локальной автоматики с широкими функциональными и вычислительными возможностями, позволяющими программно реапизовывать разнообразные алгоритмы контроля и управления практически любой сложности и точности. Для управления технологическими процессами и оборудованием предназначены регулирующие программируемые контроллеры - ПК -(например, микроконтроллеры типа Ремиконт), реализующие алгоритмы цифрового и аналогового управления, в том числе оптимизационные, с адаптацией и перестройкой структуры; управление технологическим оборудованием осуществляется с помощью ПК логического управления (типа Ломиконт), решающих задачи логического и программного управления. Для реализации рабочих алгоритмов контроля и управления предназначены специализированные средства автоматизированного проектирования (типа Soft Logic ISaGRAF фирмы CJ International), позволяющие производить требуемую настройку микроконтроллеров для конкретных объектов в соответствии с заданными требованиями качества управления.

Наряду с этим в последнее время ПК все более широко используются в качестве средств бытовой автоматики - для управления бытовой электроникой (телевизорами и видеомагнитофонами, стиральными машинами и устройствами водоподогрева, холодильником и микроволновыми печами, климатическими установками, гаражом и автомобилем в нём, системы обеспечения безопасности и т.д.). Новый импульс это направление получило в связи с возможностью объединения ПК в локальную домашнюю сеть и доступа к ним через Интернет, для чего в них предусмотрены встроенные устройства доступа по протоколу TCP/IP, обеспечивая тем самым дистанционный доступ к приборам и оборудованию.

Подобные ПК представляют собой новый класс интеллектуальных (smart) устройств, реализующих указанные функции в полном объеме и позволяющих создавать на их основе распределенные информационно-управляющие системы с использованием современных сетевых и телекоммуникационных технологий.

В соответствии с изложенным решение задач анализа, проектирования и использования устройств рассматриваемого класса представляет несомненный интерес и имеет большое значение для расширяющейся практики их применения во многих сферах производства и быта.

Целью диссертационной работы является разработка методов анализа, проектирования и применения программируемых устройств рассматриваемого класса в задачах автоматизированного управления технологическими процессами и оборудованием. В соответствии с этим в работе решаются следующие задачи:

- разработка и совершенствование средств математического обеспечения контроллеров, направленные на повышение эффективности и качества регулирования и управления (точности, надежности, качества переходных процессов и т.д.), включая: типизацию логических алгоритмов управления и разработка обобщенной динамической модели исследуемой системы с ПК в контуре управления/регулирования; алгоритмизацию логических законов управления на программируемых контроллерах; разработку прикладных методов исследования динамики автоматических систем с логическими алгоритмами управления. разработка и совершенствование инструментальных средств, обеспечивающих моделирование динамики автоматических систем предложенными методами на ЭВМ, в целях эффективной программной реализации алгоритмов регулирования и управления непосредственно на рабочих местах размещения контроллеров;

- разработка и совершенствование методов и средств создания сетевых систем на базе ПК, реализованных на основе архитектуры "клиент - сервер" и обеспечивающих доступ через Интернет в целях достижения высокой гибкости подобных систем для разнообразных приложений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- обобщены и обоснованы концептуальные основы построения современных систем автоматизации управления технологическими процессами и оборудованием на основе концепции открытых систем, использования программируемых контроллеров, применения сетевых архитектурных решений и новых информационных технологий;

- проведена типизация логических алгоритмов управления определенного класса (нечеткие системы, системы с переменной структурой) для их реализации с помощью ПК; разработана методология прикладного исследования динамики подсистем и отдельных задач' АСУ ТП с логическими алгоритмами управления, реализуемыми на программируемых контроллерах;

- для исследованных логических алгоритмов определены требования к частотным характеристикам объекта управления из условий абсолютной устойчивости динамики подсистем и/или задач АСУ ТП.; в качестве основных выбраны: метод Попова, и метод круговых диаграмм Якубовича;

- определена типовая совокупность коэффициентов гармонической линеаризации исследованных логических алгоритмов; разработана методология реализации логических алгоритмов управления на ПК; разработаны демонстрационные версии программных средств моделирования динамики систем предложенными методами; обоснованы и разработаны теоретические основы построения математических моделей систем автоматизации на базе ПК. в виде систем массового обслуживания, основывающиеся на построении вложенных цепей Маркова и полумарковских процессов, описывающих пребывание системы в отдельных состояниях. 9

Результаты диссертационной работы позволяют научно обоснованно решать такие важные в практике разработки, создания и развития устройств рассматриваемого класса как оценка проектных решений при выборе алгоритмов и программ контроля и управления технологическими процессами и оборудованием, конфигурации системы.

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке средств математического и программного обеспечения для проектирования микропроцессорных систем контроля и управления технологическими процессами и оборудованием в рамках программы "Автоматизация технологических процессов на основе концепции открытых систем" отделения "Открытые системы" Международной Академии информатизации, а также в учебном процессе кафедры "Вычислительных систем и сетей" МГИЭМ (по дисциплинам "Теория управления" и "Локальные вычислительные сети").

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Проведен анализ предпосылок и условий перехода к распределенному управлению обобщены и обоснованы концептуальные основы построения современных систем автоматизации управления технологическими процессами и оборудованием на основе концепции открытых систем, использования программируемых контроллеров, применения сетевых архитектурных решений и новых информационных технологий. Применение ПК позволило ликвидировать разрыв между теорией и практикой автоматического управления технологическими процессами и объектами благодаря возможности программной реализации самых разнообразных алгоритмов сбора данных, их обработки, контроля и регулирования (управления) практически любой точности и сложности, в том числе оптимизационных, с адаптацией, нечеткой логикой, перестройкой структуры. Особенностью нового подхода является развитие коммуникационных возможностей программируемых контроллеров, благодаря которым они получили возможность обмениваться информацией с другими компонентами управляющих систем.

2. Разработаны средства математического обеспечения контроллеров, направленные на повышение эффективности и качества регулирования и управления (точности, надежности, качества переходных процессов и т.д.), включая: типизацию логических алгоритмов управления и разработка обобщенной динамической модели исследуемой системы с программируемым контроллером в контуре управления/регулирования; алгоритмизацию логических законов управления на программируемых контроллерах; разработку прикладных методов исследования динамики систем автоматизации с логическими алгоритмами управления.

3. Разработаны и усовершенствованы инструментальные средства, обеспечивающие моделирование динамики систем автоматизации предложенными методами, в целях эффективной программной реализации

108 алгоритмов регулирования и управления непосредственно на рабочих местах размещения контроллеров;

4. Разработаны и развиты методы и средства создания сетевых систем на базе программируемых контроллеров, реализованных на основе архитектуры "клиент - сервер" и обеспечивающих доступ через Интернет в целях обеспечения высокой гибкости подобных систем для разнообразных приложений.

4.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным принципом организации систем автоматизации на базе программируемых контроллеров является использование сетевой архитектуры "клиент/сервер", в которой программируемые контроллеры играют роль узлов-клиентов, а супервизорная ЭВМ является узлом-сервером (как баз данных реального времени, так и рабочих станций - контроллеров). Этот подход

106 базируется на концепции открытой модульной архитектуры контроллеров ОМАС (Open Modular Architecture Controls). Сформулированы основные требования этой концепции, позволяющие удовлетворить требованиям системной интеграции, подразумевающей (в рамках рассматриваемого подхода), что аппаратно-программные средства различных фирм-производителей совместимы снизу доверху (на основе соответствующих интерфейсов) и допускают возможность повторного использования существующих программ и информационных ресурсов; кроме того, пользователи получают новые возможности сохранения сделанных ранее инвестиций путем эволюции системы без ее полной перестройки.

Обоснован подход к построению математических моделей систем рассматриваемого класса в виде систем массового обслуживания специального "типа с многими входящими потоками и переключаемыми очередями заявок, конечным (отличным от нуля) временем переключения ОП, при достаточно широких предположениях относительно законов распределения случайных переменных. Обоснован метод исследования СМО рассматриваемого типа, базирующийся на построении вложенных цепей Маркова и полумарковских процессов. На основе этого метода получены выражения, позволяющие вычислять основные характеристики систем автоматизации рассматриваемого класса.

1. Сазонов А.А. и др. Автоматизация технологического оборудования микро электроники. М., Высшая школа, 1991.

2. Бессекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М., Наука, 1975 г.

3. Хабаров B.C., Нерода В.Я. Исследование динамики систем автоматического управления с логическими контроллерами. Проблемы машиностроения и автоматизации (международный журнал, ISSN 0234 6205) №4, 1998.

4. Емельянов С.В., Уткин В.И. Системы с переменной структурой. М., Наука , 1970 г.

5. Хабаров B.C. Об одной задаче оптимального управления системами с переменной структурой. М., А и Т, №10, 1969.

6. Алекперов В.П., Браславский Д.А. Фильтры переменной структуры на основе "кворум-фильтра". М.: АиТ, №5, 1970.

7. Рекламные проспекты фирм с международных тематических выставок по автоматизации предприятий за 1997-99 годы.

8. Технология реализации компьютерных систем управления на базе структурно программируемых контроллеров: уч. пособие по курсу «Управление в технических системах». Деменков Н.П., Лобусов Е.С., Панин Е.Д. Под ред. Пупкова. К.А. - М.: Изд-во МГТУ, 1995.

9. Воронов А.А. Основы теории автоматического управления. Особые линейные и нелинейные системы. -М. Энергоиздат, '1981.

10. Лурье А.И. Некоторые нелинейные задачи теории автоматического регулирования. -М. -Л. . • Гостехиздат, 1951.

11. Барбашин Е.А. Введение в теорию устойчивости. -М. Наука, 1967.

12. Попов В.М. Об абсолютной устойчивости нелинейных систем автоматического регулирования. -М :А u Т N8, 1961

13. Воронов А.А. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. -М.: Наука,1979.

14. Якубович В.А. Методы теории абсолютной устойчивости. -В кн. Методы исследования нелинейных систем автоматического управления /Под ред. Нелепина Р.А. -М Наука, 1975.

15. Цыпкин ЯЗ. Релейные автоматические системы. -М. Наука, 1974.

16. Емельянов С. В. Системы автоматического управления с переменной структурой. -М. Наука, 1967.

17. Mamdani Е.Н., Application of fuzzy algorithm for control of simple dynamic plant. Proc. IEEE, vol.2, no. 12, pp 1585-1888, 1974.

18. Criteria for stability Analysis of Zinear SISO and MIMO Systems Associated with Fuzzy Logic Controller, Transactions on System:,, man, cybernetics, vol.14, no.2,984

19. Сборник трудов: «Системы с переменной структурой и их применение в задачах автоматизации полета». Под ред. Петрова В.А. и ЕмельяноваС.В. -М.: Наука, 1968.

20. Automation Europe 98. Official Catalogue. The Conference CNIT. Paris La Defance, France, 1998.

21. Байцер Б. Архитектура вычислительных комплексов. В 2-х частях. М.: Мир, 1974.

22. Брусиловский Р.Д. Децентрализованная АСУ ТП водораспределения на базе микроЭВМ. Электронная промышленность, №11-12, 1979.

23. Вальков В.М., Вершин В.Е. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. Л.: Машиностроение, 1977.

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

25. Горбатов В.А. Теория частично упорядоченных систем. М.: Сов. Радио, 1976.

26. Горбатов В.А., Кафаров В.В., Павлов П.Г. Логическое управление технологическими процессами. М.: Энергия, 1978.

27. Жданов B.C. Основы теории и проектирования распределенных микропроцессорных систем локальной автоматики, регулирования и управления технологическим оборудованием. Дисс. на соиск. уч. степени доктора технических наук.- М.: МИЭМ, 1984.

28. Жданов B.C., Саксонов Е.А. Условия существования установившихся режимов в циклических системах массового обслуживания. Автоматика и телемеханика, № 2, 1979.

29. Кендалл Д. Стохастические процессы, встречающиеся в теории очередей, и их анализ методом вложенных цепей Маркова. Математика, 1959, № 3.

30. Кемени Дж., Снелл Дж. Конечные цепи Маркова. М.: Наука, 1970.

31. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Мир, 1979.

32. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979.

33. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973.

34. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука,1981.

35. Основы автоматизации управления производственными процессами. Под. Ред. Овчинникова В.В. и Рякина О.М. М.: Сов. Радио. 1980.

36. Основы теории вычислительных систем. Под. ред. Майорова С.А. М.: Высшая школа, 1978.

37. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и микроЭВМ. М.: Энергия, 1979.

38. Сипсер Р. Архитектура связи в распределенных системах. М.: Мир, т.1, 2. 1981.

39. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. -М.: Наука,1982.

40. Чеклецов К.М. Использование кругового критерия абсолютной устойчивости для исследования систем с переменной структурой. // Проблемы машиностроения и автоматизации. Междунардный журнал. Институт машиноведения РАН. -№ 1,1999 г.

41. Чеклецов К.М., Хабаров B.C., Нерода В.Я. Структурные преобразования управляющих устройств с логическими контроллерами (на примере гармонической линеаризации "кворум фильтра") // Международный журнал. Институт машиноведения РАН,- №2, 1999г.

42. Чеклецов К.М., Хабаров B.C., Лукьянов С.Л. Программируемые контроллеры в задачах автоматизации производства. // Международный журнал. Институт машиноведения РАН. №3, 1999г.

43. Чеклецов К.М. Математические модели для анализа систем в архитектуре " клиент-сервер".// Материалы второго научно-практического семинара "Новые информационные технологии"; Моск. Гос. Ин-т. электроники и математики. М: МГИЭМ, 1999г.

44. Ядыкин И.Б. Принципы построения, архитектура и программные средства автоматизированных систем настройки промышленных регуляторов. -Вычислительная техника и системы управления. № 1, 1990.

45. Богуславский Л.Б., Дрожжинов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем. М.: Энергоатомиздат, 1990.

46. Богуславский Л.Б., Ляхов А.И. Оценка производительности распределенных информационно-вычислительных систем архитектуры "клиент-сервер". Автоматика и телемеханика, №9, 1995.

47. Ботуз С.П. Модели эволюции информационных технологий средств промышленной автоматизации. М.: Радиотехника, 1998.

48. Ботуз С.П. Автоматизированные технологии экспертизы позиционных систем программного управления. "Новые информационные технологии". Материалы второго научно-практического семинара. - М.: МГИЭМ, 1999.

49. Липаев В.В., Филинов Е.Н. Мобильность программ и данных в открытых информационных системах. М.: Научная книга, 1997.

50. Боэм Б.У. Инженерное проектирование программного обеспечения. Пер. с англ./ Под. ред. Е.К.Масловского,- М.: Мир, 1988.

51. Ладыженский Г.М. Технология "клиент-сервер" и мониторы транзакций./ Открытые системы. Вып.7. 1994

52. Лезер Н. Архитектура открытых распределенных систем. Открытые системы, вып. 3. 1993.

53. Липаев В.В. Управление разработкой программных средств. Методы, стандарты, технология. М.: Финансы и статистика, 1993.

54. Вендров A.M. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1988.

55. Козлов В.А. Открытые информационные системы. М.: Финансы и статистика, 1999.

56. Функциональные стандарты в открытых системах. В 2-х т. М.: МЦНТИ,1997.

57. Бобровски С. Oracle 7: вычисления клиент/сервер. Пер. с англ. С.Орлова. -М.: "Лори"., 1996.

58. Нистратов Э.В. "Умные" здания, офисы, квартиры? Далекое будущее или уже настоящее? "УралИнформатика", №5, 1997.

59. Мячев А.А. Организация управляющих вычислительных комплексов. -М.: Энергия, 1980.

60. Информационное законодательство правовая база информационных процессов и информатизации. // тематич. сб., т.14, М.:ВНИИПВТИ, 1997.

61. Calculateurs industriels et Acquisitijn de Donntts// Advamech. Paris, France,1998.

62. Конвей. P.В., Максвелл В.Л., Миллер Л.В. Теория расписаний. М.: Наука, 1975.

63. Афанасьев В.Н., Фуфлыгин М.Д. Информационные технологии в социально-экономической сфере. М.: МГИЭМ, 1998.

64. Прикладные нечеткие множества. Под. ред. Т.Тэрано, К.АСАИ, М. Сугано. -М.: Мир, 1993.

65. Мидзумото М. Нечеткая логика и нечеткие выводы.// Сурн. Кагау, 1987.

66. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения. Под. ред. Р.Ягера. М.: Радио и связь, 1966.

67. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений. А.Н.Борисов и др. М.: Радио и связь, 1989.

68. Липаев В.В. Направления развития методов и стандартов открытых систем.// Информатика и вычислительная техника. Научно-технический сб. Вып. 1-2. 1995.

69. Васьков С.Т., Вьюхин В.И., Коршевер И.Н. Открытые системы реального времени.// Информатика и вычислительная техника. Научно-технический сб. Вып. 1-2. 1995.

70. Модели среды открытых систем. В.С.Жданов и др V Информатика и вычислительная техника. Научно-технический сб. Вып. 1-2. 1995.

71. Золотарев С.В. Построение АСУ ТП на базе концепции открытых систем. -М.: Мир ПК, №1, 1998.

72. Ладыженский Г.М., Леонтьев В.В., Пуха Ю.В. Принципы построения распределенных информационных систем.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.

73. Кузнецов С.Д. Открытые информационные системы и стандарты: взгляд практика.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.

74. Бочаров П. П., Рыков В.В. Проблемы анализа устойчивости и производительности открытых систем.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.

75. Журавлев Е.Е., Олейников А.Я. Разработка технических требований к аппаратным и программным средствам открытых систем.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.115

76. Васьков С.Т., Коршевер И.И. Функциональные профили научных исследований.// Развитие и применение открытых систем. Тезисы докладов Ш международной конференции. М.: МЦНТИ, 1996.

77. Вишневский В.М., Дмитриев В.П. Жданов B.C. Основы передачи информации в вычислительных системах и сетях. М.: МГИЭМ. 1998.

78. Зам. генерального директора, к.т.н.1. Фандеев М.Ю.