автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Моделирование и управление технологическими объектами с дискретным поведением с использованием теории супервизорного управления

На правах рукописи

005531831

ХАДЕЕВ АНТОН СЕРГЕЕВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ С ДИСКРЕТНЫМ ПОВЕДЕНИЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ СУПЕРВИЗОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-1 АВГ 2013

Москва - 2013

005531831

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» на кафедре «Автоматизированные системы управления»

Ведущая организация: ОАО «НПО «Промавтоматика», г. Москва.

Защита диссертации состоится .£" сон ™ ■ ?£>/3 г в со ° на заседании диссертационного совета £) яг./гь.оГ при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)». по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42.

Телефон для справок: (499) 155-93-24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Текст автореферата размещен на сайте Высшей аттестационной комиссии: www.vak.edu.gov.ru.

Автореферат разослан Э и «-Ол-О 2 О /-3 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@madi.ru

Научный руководитель

Бернер Леонид Исаакович доктор технических наук, доцент

Официальные оппоненты

Илюхин Андрей Владимирович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов» МАДИ

Ковалёв Андрей Александрович кандидат технических наук, директор департамента нефти и газа ООО «ПСИ», г. Москва

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Михайлова Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования

Решение задачи комплексного управления современными производственными предприятиями в настоящее время предполагает определённую динамичность в формировании управленческих алгоритмов. Современное промышленное предприятие должно быть гибким, должно уметь адаптироваться к изменившимся требованиям к технологическому процессу. Традиционное программирование может оказаться недостаточным в условиях изменяющихся целей управления.

В последние годы ведутся активные исследования особого класса моделей систем, в основном технических, динамика развития в которых происходит по возникновению событий, как внешних, так и внутренних. Данный класс носит название дискретно-событийных систем (Discrete-Event Systems, ДСС). ДСС нашли применение в вычислительной технике, робототехнике, управлении трафиком, логистике и пр. Столь широкое распространение объясняется развитой методологией, включающей в себя методы моделирования и анализа. Стремительно развивается теория супервизорного управления, исследующая методы логического управления в дискретно-событийных системах. Однако, несмотря на большой объём теоретических исследований в области супервизорного управления, практическому применению методологии уделено значительно меньше внимания.

Некоторыми из возможных областей применения ДСС являются промышленная автоматизация и диспетчерское управление. Дискретно-событийные модели хорошо подходят для описания работы и взаимодействия промышленного оборудования. Типичным промышленным устройством управления является программируемый логический контроллер (ПЛК). Существует набор стандартов, описывающих техники программирования для создания программ для ПЛК, но эти техники относятся скорее к формальному описанию методов программирования, тогда как логика управления программы контроллера формируется программистом в меру его знаний и представлений, в том числе и о работе системы.

Актуальной становится задача поиска и исследования методики моделирования и управления работой технологических объектов, предусматривающей изменение целей управления. Методики, включающей моделирование технологического оборудования для дискретных объектов и доводящей управление до конкретных управляющих алгоритмов для ПЛК.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение гибкости технологического оборудования, его адаптация к изменяющимся требованиям технологического процесса за счет разработки и использования методики моделирования и управления технологическими объектами, описывающей логику функционирования промышленной системы с учётом желаемого её поведения. Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать применение дискретно-событийных систем и сетей Петри для моделирования промышленной системы, состоящей из различных устройств.

2. Сформировать супервизорную модель системы, обеспечивающую её желаемое поведение в соответствии с заданными ограничениями.

3. Исследовать традиционные методы программирования ПЛК, обосновать использование языка релейно-контактных схем.

4. Разработать алгоритм синтеза программы на языке релейно-контактных схем для ПЛК на основе имеющейся модели технологического объекта, представленной сетью Петри.

5. Провести исследование работы алгоритма синтеза применительно к сложным системам, состоящим из совместно работающих устройств.

6. Рассмотреть практическое применение предложенных методов для технологического оборудования.

Объект исследования - технологическое оборудование с дискретным поведением (промышленная автоматика, вычислительная техника, робототехника, управление трафиком, логистика и пр.).

Предмет исследований - методика, включающая моделирование технологического оборудования с дискретным поведением при условии динамического изменения целей управления и синтез логического управления для него.

Методы исследования базируются на основе теории дискретно-событийных систем, теории супервизорного управления и сетей Петри.

Большую помощь по избранной тематике оказали труды российских и зарубежных авторов, среди которых следует отметить таких исследователей, как A.A. Амбарцумян, П.Дж. Рамадж, В.М. Вонхэм, К. Кассандрас, Г. Лафортун, Дж. Питерсон, В.Е. Котов, К. Ямалидоу, П. Дж. Антсаклис, О. Дж. Муди, Л.Е. ХоЛловэй, Б. X. Крогх, А. Гия и др.

Научная новизна работы в оригинальном алгоритме преобразования сети Петри в язык РКС, в комплексном подходе, включающем в себя все этапы, начиная от моделирования объекта и заканчивая синтезом программы на языке РКС. В методике, которая предусматривает работу с вложенными моделями, объединёнными в цельное логическое условие согласно исходной модели и предложенным правилам композиции, что позволяет повысить уровень автоматизации при проектировании промышленных систем, а также обеспечить защиту от ошибок программиста.

На защиту выносятся следующие результаты:

- Комплексная методика моделирования и синтеза управления для технологических объектов с дискретным поведением, включая схему формирования спецификации ограничений для исследуемой системы, обеспечивающую её желаемое поведение. Ограничения могут быть выражены как уравнения или неравенства. В качестве инструмента моделирования используются сети Петри;

- Алгоритм преобразования модели, построенной с использованием инструмента сетей Петри, в программу для вычислительных устройств, управляющих технологическим оборудованием - программируемых логических контроллеров;

- Методика композиции вложенных моделей, которая предполагает разбиение сложной модели на ряд вложенных (условно принимаемых за отдельные устройства), применение метода преобразования отдельно для каждой из простых моделей (синтез для них логических условий) и, наконец, композиции их в исходную модель, с соблюдением заданных правил объединения.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработанные модели, механизмы, схема и концепция методики синтеза логического управления для различных дискретно-событийных систем создают методологическую базу для модернизации действующих систем управления технологическими объектами и разработки новых, путём синтеза программного обеспечения для ПЛК.

Апробация и внедрение результатов исследования

Основные результаты работы были доложены и одобрены на 13-м симпозиуме 1РАС по проблемам информационного управления, проходившем в Москве в 2009 г., а также семинарах ИПУ РАН.

Основные положения диссертации были использованы в проекте системы линейной телемеханики ООО «Газпром трансгаз Чайковский», а также проекте АСУТП объекта управления железнодорожной эстакады налива товарно-сырьевой базы №1 (ТСБ-1) Омского нефтеперерабатывающего завода (ОНПЗ), реализованных компанией ЗАО «АтлантикТрансгазСистема» (Москва). Для оборудования технологических объектов автором были разработаны алгоритмы, определяющие их поведение, включая алгоритмы противоаварийных защит и блокировок (ПАЗ). На основании этих алгоритмов были построены модели поведения оборудования и сформулированы спецификации, обеспечивающие поведение оборудования в соответствии с алгоритмами, построены супервизорные модели. С помощью предложенной методики супервизорные модели были преобразованы к языку релейно-контактных схем, далее используемому в качестве программ для программируемых логических контроллеров оборудования ПАЗ.

Публикации

По материалам диссертации опубликованы семь печатных работ, из них две в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертационной работы 95 страниц машинописного текста, включает 12 таблиц и 45 рисунков.

Содержание работы

В главе 1 приводится обзор существующих методов моделирования дискретно-событийных систем и методов логического управления в них.

Класс систем, пространство состояний которых описывается дискретным набором, а переход между состояниями происходит через неопределённые и возможно неодинаковые моменты времени по возникновению событий, называется дискретно-событийным. Данный класс систем применяется в широком диапазоне областей, от компьютерных операционных систем до комплексных многорежимных процессов. Эти приложения требуют контроля и координации, для обеспечения последовательности потока событий.

Будучи потенциально управляемыми, дискретно-событийные системы являются подходящим предметом для теории управления. Теория логического управления в ДСС была представлена в работах П. Рамаджа и В. Вонхэма как теория супервизорного управления. В ней предложена методология

логического управления в ДСС посредством концепции супервизорного управления. '

Применение моделей на основе ДСС для задач автоматизации производства исследовано в ряде работ A.A. Амбарцумяна. Производственные системы рассматриваются как комплексные системы, интегрирующие контуры автоматического управления и функции супервизорного управления. A.A. Амбарцумяном исследована задача построения динамических дискретно-событийных моделей производственных систем с учётом их структурных свойств. Полученная модель названа структурированной динамической дискретно-событийной системой (СДДСС, или упрощенно, СД2С2) - The Structured Discrete Events Dynamic Systems (SDEDS). В данной модели события структурируются по их роли в функционировании реальных объектов и по их роли в определении спецификации на требуемое поведение.

Моделированию дискретно-событийных систем с помощью аппарата конечных автоматов уделено много внимания. Однако, данный метод моделирования обладает существенным недостатком - с ростом количества состояний системы, количество состояний модели растёт экспоненциально. Данное явление получило название «взрыва состояний». Использование в качестве инструмента моделирования сетей Петри помогает решить эти трудности, и к тому же обладает большей наглядностью. Сети Петри особенно удобны для моделирования распределённых систем, т.е. систем, в которых несколько процессов выполняются одновременно.

Традиционно, для программирования ПЛК используют язык релейно-контактных схем. Язык РКС или, иначе говоря, язык лестничной логики (Ladder Diagram) позволяет инженеру в наглядной и интуитивно понятной графической форме представить логические операции как электрическую цепь с замкнутыми и разомкнутыми контактами. Программа в ПЛК состоит, в рассматриваемом случае, из набора булевых выражений. Схема взаимодействия ПЛК с производственным объектом показана на рисунке 1.

Датчики

J Исполнительные I механзимы

Рисунок 1 - Схема взаимодействия ПЛК с производственным объектом

В главе 2 приведён подробный анализ применения теории супервизорного управления для моделей в сетях Петри.

Метод синтеза супервизора позволяет вычислить управляющий элемент в сети Петри для дискретно-событийной системы, смоделированной в независящей от времени сети Петри. В основе метода лежит концепция инвариант позиций. Метод применим к системам, ограничения для которых могут быть выражены как логические уравнения или неравенства.

Супервизор содержит позиции, которые соединены к переходам сети Петри модели таким образом, что это предотвращает переход модели в запрещённое состояние. Размер супервизора прямо пропорционален количеству ограничений, накладываемых на работу системы.

Покажем применение метода синтеза супервизора на примере железнодорожного стрелочного перевода. Стрелка, как показано на рисунке , имеет два конечных положения: на первом и на втором путях, а также два промежуточных, в которых стрелка находится во время перестановки между путями. Смена состояния происходит после получения соответствующей команды извне. Помимо этого, перевод оснащён датчиком, распознающим нахождение на стрелке вагона. Задача управления в данном случае заключается в том, чтобы предотвратить переключение стрелочного перевода в момент нахождения на нём вагона (Рис.2).

Дискретно-событийная модель стрелки в виде сети Петри представлена на рисунке 3 .

Рисунок 2 - Ж.д. стрелочный перевод

Рисунок 3 - Дискретно-событийная модель стрелки Приведём описание позиций и переходов в сети Петри:

рг - стрелка указывает на путь 1 р2 - стрелка переводится на путь 2 р3 - стрелка указывает на путь 2 р4 - стрелка переводится на путь 1 р5 - стрелка свободна р6 - на стрелке находится вагон

^ - перевод стрелки на путь 2 Ь2 - стрелка переведена на путь 2 £3 - перевод стрелки на путь 1 ¿4 - стрелка переведена на путь 1

- нахождение вагона на стрелке £:6 - вагон покинул стрелку

Для осуществления поставленной задачи управления стрелочный перевод не должен выполнять переключение между путями (позиции р2 и р4), когда на стрелке находится вагон (позиция р6). Согласно заданным условиям, ограничения для данной сети Петри состоят в том, что позиции р2 и р4 достижимы только при отсутствии маркировки в позиции р6, т.е. фишка может находиться только в одной из этих трёх позиций одновременно. Зададим ограничения в виде неравенства.

ц2 + aí4 + ß6 < 1

После добавления подстановочной переменной рс ограничения примут вид

Р2 + /¿4 + ß6 + ^с = 1 Подстановочная переменная рс является маркировкой позиции рс, принадлежащей сети контроллера. В данном примере введено одно ограничение, поэтому матрица состоит из одной строки.

Dc = -LDp = [-1 1-11-1 1] Начальная маркировка позиции контроллера рс0 Рс0 = 1 ~ LHpo = 1

Полная матрица инцидентности О сети Петри с супервизором приведена ниже.

-1 0 0 1 0 0

1 -1 0 0 0 0

0 1 -1 0 0 0

0 0 1 -1 0 0

0 0 0 0 -1 1

0 0 0 0 1 -1

-1 1 -1 1 -1 1

Тогда как начальная маркировка

Ло = Й = [1 0 0 0 1 о 1Г

Синтезированный супервизор в сети Петри представляет собой дополнительные позиции, которых будет столько же, сколько ограничений предъявлено модели. Для исследуемого примера сеть Петри с синтезированным супервизором приведена на рисунке 4 .

В главе 3 описана методика преобразования модели в сети Петри в язык релейно-контактных схем. Сам метод представлен в виде подробного пошагового алгоритма, что позволяет реализовать его в виде программного инструмента в дальнейшем.

Составленная модель системы с организацией желаемого её поведения путём синтеза супервизора позволяют перейти к практической реализации, ' путем превращения модели в программный алгоритм, выполняемый устройством управления - программируемым логическим контроллером.

Отправной точкой для сопряжения формальной модели с устройством ПЛК является согласование модели и сигнальной базы ПЛК.

Формальное описание сопоставлений будет следующим: хЦО, ь е Р£С/,у(рк), рк е РЬС0

где:

— множество входных сигналов на ПЛК РЬС0 - множество сигналов телеуправления, подаваемых с ПЛК Данные выражения говорят о том, что условиям для срабатывания переходов в модели сопоставляются сигналы, подаваемые на ПЛК (такие сигналы называются входными сигналами), а позициям - выходные команды, которые с ПЛК поступают на исполнительные механизмы. Приведённая схема моделирования взаимодействия с внешним миром является комбинацией схем моделирования входных-выходных сигналов как позиций и как переходов раздельно (описание дано в главе 1).

Далее приведён пошаговый алгоритм преобразования модели сети Петри с сопоставленными позициями и переходами в язык релейно-контактных схем.

Шаг 1. Сопоставление

Данный шаг выражает основной принцип построения программ для ПЛК на языке РКС, который состоит в том, чтобы начинать программу от определения количества выходных сигналов и выстраивать соответственно им такое же количество ступенек.

\/ьи и е 1(рк), рк е РЬС0 Переход ^ учитывается в программе на языке релейно-контактных схем в виде ступеньки, если одна из выходных позиций для него рк отмечена как выход ПЛК. Далее, для каждой такой позиции составляется отдельная ступенька в программе РКС.

Шаг 2. Вычисление логических условий

Выполнение ступеньки в программе на языке РКС означает выполнение логического условия, сформулированного для этой ступеньки, что позволяет сработать выходной «катушке».

Для сети Петри срабатывание перехода возможно, только если во всех входных для него позициях есть фишки, т.е. они разрешены.

I

хИд = *(гг)Л Д , К е /(Р;), II 6 0(р;)

У=1

Для перехода ti формулируется логическое условие x(t;), необходимое для подачи команды управления в рк. Логическое условие формулируется по принципу конъюнкции условий всех входных переходов для каждой из позиций pi, от которой идёт дуга к переходу th включая и условия для самого перехода

Шаг 3. Исключение лишних условий

События, порождаемые выходной позицией должны быть исключены из логического условия для того, чтобы исключить возможность превращения логического условия в ловушку.

x(t}), tj G 0(pk)

Из x(td исключаются условия, принадлежащие переходам, к которым идут дуги из рк.

Шаг 4. Преобразование логического условия в язык РКС

На первом шаге определилось количество ступенек в программе РКС, оно будет равно количеству позиций Рк, сопоставленных выходам ПЛК. Для каждой такой позиции составляется отдельная ступенька, условия срабатывания которой которых заданы в x(ti)> t; £ КРк)- Схема сопоставления элементов логических условий элементам нотации приведена в таблице 1.

Таблица 1 - Сопоставление условий элементам РКС

Элемент логического условия Элемент РКС

x(tj) -1Ь

x(tj) -и-

У(Рк) -()

Формально, срабатывание логического условия можно определить как:

Х^д => У(рк)

т.е. результат вычисления условия записывается в сопоставленный рк выход ПЛК.

Метод подстановок. При моделировании системы, состоящей из множества компонент, исследователь сталкивается с пропорциональным увеличением сложности модели сети Петри, что затрудняет её анализ и восприятие. Решить проблему сложности можно, применив модульный подход с подстановками, изложенный в данном разделе.

Рассматривая общее множество событий и условий в системе часть из них структурно можно выделить в отдельные устройства и описать частными моделями. Представив каждую из таких моделей с применением концепции «чёрного ящика», можно выделить для неё входные и выходные сигналы, являющиеся соответственно выходами и входами для других моделей. На этапе моделирования исследователь создаёт частные модели таким образом, чтобы попадая в состояние, сопоставленное выходному сигналу, частная модель тем самым создавала условие для срабатывания переходов в других моделях, входящих в ту же систему.

Х~*х,х £ М1,х Е М2 Использование предложенного подхода заключается в том, что цепочки логических условий, необходимых для формирования выходного воздействия в частной модели (М2), подставляются в логические условия общей модели (Мх). Подстановка условий в сети Петри представлена на рисунке 5 .

При подстановке, если несколько моделей определяют условие, возможны две формы их взаимодействия:

Форма конкурирующих моделей. Для возникновения события в подстановочной системе достаточно того, чтобы одна из подставляемых моделей перешла в соответствующее выходное состояние. В этом случае, форма взаимодействия определяется по формуле:

Рисунок 5 - Подстановка условий в сети Петри

ХхУхг -* х,х е М1,х1 ем2|2е м■

з

где

М1 - подстановочная модель М2,М3- подставляемые модели

В программе на языке релейно-контактных схем конкурирующие модели представляются отдельными ступеньками, соединяющимися с основной ступенькой в местах подстановки, как показано на рисунке 6 .

Рисунок 6 - Формирование программы для конкурирующих моделей

В сети Петри подстановка формы конкурирующих моделей представлена на рисунке 7.

- Форма совместных моделей. Для возникновения события в подстановочной системе необходимо, чтобы все подставляемые модели перешли в соответствующее выходное состояние.

Рисунок 7 - Подстановка формы конкурирующих моделей в сети Петри В этом случае, форма взаимодействия определяется по формуле:

В программе на языке РКС совместные модели объединяются в одной ступеньке с основной, как показано на рисунке 8 .

х

(у)

Хг

Хг^Х2 -» Х,х е Мг,Х1 ем2х2е М3

X: Хг

х

(V)

Рисунок 8 - Формирование программы для совместных моделей

В сети Петри подстановка формы совместных моделей представлена на рисунке 9 .

Рисунок 9 - Подстановка формы совместных моделей в сети Петри

При подстановке также возможны две формы введения новых условий в уравнение логического условия ху.

Замена. XI заменяет X] в общем условии X)

Добавление. XI вводится с отношением конъюнкции к х) в общем условии

Форму подстановки выбирает исследователь при составлении модели.

В главе 4 рассмотрен полный алгоритм железнодорожного стрелочного перевода, взятый из проекта конструкторской документации на систему автоматизации железнодорожной эстакады налива ТСБ №1 ОНПЗ. Алгоритм разбит на ряд моделей, построенных в сетях Петри, для которых далее сформированы логические условия. Заключительным этапом разбора примера стала программа на языке РКС, реализующая работу приведённого алгоритма.

Шаг 1. Сопоставление.

Сопоставление входов и выходов ПЛК модели объекта в сети Петри для рисунка приведено в таблице 2 и таблице 3.

Таблица 2 - Сопоставление входов ПЛК событиям

х(и) + н Описание

11.1 Команда на перевод стрелки на путь 2

11.2 ¿2 Стрелка переведена на путь 2

11.3 Команда на перевод стрелки на путь 1

11.4 и Стрелка переведена на путь 1

11.5 ч Вагон находится на стрелке

11.5 ч Вагон на стрелке не находится

Таблица 3 - Сопоставление выходов ПЛК состояниям

у(Рк) 1 Рк Описание

01.1 Р4 Подача телеуправления на исполнительный механизм стрелки для перевода на путь 1

01.2 Р2 Подача телеуправления на исполнительный механизм стрелки для перевода на путь 2

Сеть Петри с сопоставленными условиями и состояниями приведена на рисунке 10.

и

Рисунок 10 - Сопоставление входов и выходов ПЛК позициям и переходам

сети Петри

Шаг 2. Вычисление логических условий

Модель ж.д. стрелки включает в себя две позиции, сопоставленные выходным сигналам, это позиции р2 и р4, соответственно, логические условия будут состоять из двух уравнений.

Пример определения входных условий для перехода ^ приведён на рисунке 11.

Шаг 3. Исключение лишних условий

Из позиции р2 ведёт дуга к переходу Ь2, входящему в уравнение логических условий, следовательно, из х&г) будет исключён элемент х(£2), как показано на рисунке 12.

Из позиции р4 ведёт дуга к переходу £4, следовательно, из уравнения логических условий будет исключён элемент х(£4).

Х(Ь) = х(А) Л х(Ь2) Л Л х(С6) х(ьд = х(ь3) ллф2) лх(с4) лх(е6)

Рисунок 11 - Определение условий для перехода t1

Рисунок 12 - Исключаемые условия для перехода tx В окончательном виде логические условия для модели ж.д. стрелки, примут следующий вид:

X(tt) = x(tt) Л x(t4) Л x(t6) = /1.1 Л /1.4 Л Шэ

X(t3) = x(t2) Л x(t3) Л x(t6) = /1.2 Л /1.3 Л /Г5

В правой части формул приведены сопоставленные логическим условиям входы ПЛК из таблицы 2.

Шаг 4. Преобразование логического условия в язык РКС.

Преобразованные в язык РКС логические условия, полученные на третьем шаге, примут вид, как показано на рисунке 13.

11.1 11.5 11.4

•i/Ь

(01.2)

11.2 11.5 11.3

Ч- ЫЙЫ; ь

(01.1)

Перевод на путь 2

Перевод но путь 1

Рисунок 13 - Алгоритм переключения стрелки на языке РКС

Программа состоит из двух ступенек, верхняя предполагает по приходу команды на перевод стрелки на второй путь (11.1), отсутствию вагона на весах (11.5), а также по проверке о нахождении вагона на втором пути (11.4) осуществить подачу телеуправления на исполнительный механизм стрелки для перевода на путь 2. Условиями нижней ступеньки являются приход команды на перевод стрелки на первый путь (11.2), отсутствие вагона на весах (11.5), а также проверка о нахождении вагона на первом пути (11.3), выходной командой является подача телеуправления на исполнительный механизм стрелки для перевода на путь 1.

Система автоматизации железнодорожной эстакады выполняет функцию управления множеством технологических устройств, каждое из которых должно работать в соответствии с определённым конкретно для него алгоритмом. Одним из таких устройств является ж.д. стрелочный перевод, алгоритм для которого включает в себя последовательность проверок на возможность выполнения перевода стрелки. Команды управления могут подаваться с одного из двух пунктов: либо с пульта управления стрелкой (ПУ), либо с блока управления стрелкой (БУ). Для предотвращения возникновения конфликта при управлении с двух пунктов одновременно, любой из них может быть заблокирован для подачи команд. Алгоритм должен учитывать возможность блокировки при подаче команды, и в том случае, если команда подаётся с заблокированного пункта, игнорировать её. Модель сети Петри с сопоставленными конкурирующими условиями приведена на рисунке 14.

Существует ряд условий, при котором стрелочный перевод переключать нельзя. Первым таким условием является наличие аварийной блокировки, возникающей вследствие нештатной ситуации в системе. Другим условием, уже рассмотренным ранее, является нахождение на стрелочном переводе вагона.

Каждая из проверок может быть представлена моделью сети Петри. Покажем, как можно использовать модульный подход с подстановками в сетях Петри. Для последовательности в рассмотрении задачи, применим сначала подстановку одной модели.

После формирования программы на языке РКС и подстановки, результирующая программа на языке релейно-контактных схем для управления стрелкой при подставленных моделях аварийной блокировки, проверки подачи команды от блока управления и пульта управления стрелкой примет вид как на рисунке 15.

14.1 12.1 12.2 12.3 11.5 11.4

14.1 13.1 13.2 13.3

14.1 12.3 12.2 12.1 11.5 11.3

14.1 13.3 13.2 13.1

Рисунок 15 - Программа для модели предусловия с конкурирующими

моделями

Заключение

В диссертации поставлена и решена задача повышения надёжности создания программных средств для управления технологическими процессами вследствие снижения риска человеческих ошибок при разработке программных средств. Это достигнуто путём разработки методики моделирования и управления технологическими объектами с дискретным поведением, включающей в себя алгоритм синтеза программ для устройств управления технологическими процессами - программируемых логических контроллеров. Методика основана на известных теориях сетей Петри и супервизорного управления для дискретно-событийных систем, для которой исследованы и развиты новые методы преобразования моделей в язык релейно-контактных схем — традиционный язык программирования ПЛК.

Цель работы достигнута благодаря следующим теоретическим и практическим результатам:

1. Рассмотрено практическое применение активно развивающейся теории дискретно-событийных систем для моделирования промышленных технологических объектов. Этот результат тем более важен, что, несмотря на большое количество теоретических исследований в данной области, практическому их применению уделено гораздо меньше внимания.

2. Исследована концепция супервизорного управления и предложено её применение к синтезу управления в модели технологического объекта, в

~(01.2) Перевод на путь 2

(01.1) Перевод на путь 1

сетях Петри. Супервизор также представляет собой сеть Петри, дополняющую исходную сеть Петри модели объекта таким образом, что она ограничивает поведение объекта. Необходимые ограничения для задания желаемого поведения задаются в виде спецификации и могут представлять из себя логические равенства или неравенства.

3. Традиционная схема программирования ПЛК предполагает разработку программного кода специалистом на основе его знаний о технологическом объекте и своей профессии. Развитие методов программирования ПЛК сводится к совершенствованию нотации языков программирования, тогда как развитию формальных правил для логики поведения уделено мало внимания. Наиболее популярным языком для программирования ПЛК является язык релейно-контактных схем, иначе называемый языком лестничной логики. Разработан метод преобразования модели объекта, представленной сетью Петри в программу на языке релейно-контактных схем.

4. Разработана методика применения метода преобразования для сложных моделей, которые разбиваются на ряд простых, представляющих собой отдельные модели устройств. Для каждой простой модели применяется алгоритм преобразования, после чего полученные логические условия простых моделей объединяются в соответствии с приведёнными правилами объединения. Возможны две схемы композиции множественных логических условий: для конкурирующих простых моделей и для совместных простых моделей.

5. Предложенная методика исследована на реальном технологическом объекте - железнодорожном стрелочном переводе, входящем в проект железнодорожной эстакады налива товарно-сырьевой базы №1 Омского нефтеперерабатывающего завода. В рамках проекта автоматизации для данного технологического объекта был разработан алгоритм поведения железнодорожного стрелочного перевода, основываясь на котором была разработана его модель и логические условия для его поведения. Конечным итогом применения методики стала программа на языке релейно-контактных схем, реализующая поведение, предусмотренное алгоритмом. Программа синтезирована в том виде, в каком может быть задана в ПЛК.

Предложенная методика может быть реализована в виде программного

инструмента, позволяющего разработчику программ для ПЛК составить в нём

модель технологического объекта и получить готовый код для конкретного

типа контроллера. Для этого методика приведена в виде подробного

пошагового алгоритма.

Основные результаты, выносимые на защиту, представлены в семи

публикациях.

Статьи в журналах ВАК:

1. Амбарцумян А.А., Хадеев А.С. Анализ функциональности систем управления техническим обслуживанием и ремонтом оборудования // Проблемы управления, №.6. - М., 2005. - с. 2-12.

2. Хадеев А.С., Браништов С.А. Метод синтеза LD-программ для ПЛК на основе концепции супервизорного управления дискретно-событийными системами, представленными в сетях Петри // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности, №1. - М., 2013. - с. 42-48.

Статьи в сборниках научных трудов и других изданиях:

3. Ambartsumyan, A.A., Tomilin, Е.Е., Branishtov, S.A., Khadeev, A.S. Direct Method of Supervisor Implementation for Structured Discrete Dynamic Event System // 13 th IF AC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing. - M., 2009. - Vol. 13 Part 1. - p. 486-491.

4. Браништов С.А., Хадеев А.С. Разработка функциональности системы поддержки принятия решений для диспетчерского управления транспортом газа на основе событийного моделирования. // Тр. 3 междунар. конф. «Проблемы управления» / Ин-т пробл. упр. - М., 2006. - с. 730-738.

5. Бернер Л.И., Богданов Н.К., Хадеев А.С. Системы реального времени. Курс лекций. Изд. 2-е, перераб. и дополн. - М.гМАДИ, 2011. - 169 с.

6. Хадеев А.С. Обзор средств автоматического управления процессом взвешивания на железнодорожной эстакаде налива // Автоматизация & IT в нефтегазовой области, №. 3. - М., 2012. - с. 67-69.

7. Bogdanov N.K., Zamytskikhy P.V., Khadeev A.S. New approaches to the choice of architecture for a supervisory system of gaz transportation // Science Journal of Transportation, №.4. - M., 2012. - p. 61-64.

Подписано в печать: 04.07.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 518 Отпечатано в типографии «Реглет» Москва, Ленинградский проспект д.74 (495) 790-47-77 www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (МАДИ)

На правах рукописи

04201360789

Хадеев Антон Сергеевич

Моделирование и управление технологическими объектами с дискретным поведением с использованием теории супервизорного управления

Специальность 05.13.06. - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н. Л.И. Бернер

Москва - 2013

Оглавление

Оглавление...........................................................................................................2

Введение 4

Глава 1. Исследование инструментов моделирования промышленных систем ............................................................................................................12

1.1. Дискретно-событийные системы.........................................................12

1.2. Теория супервизорного управления.....................................................13

1.3. СД2С2.......................................................................................................14

1.4. Основные понятия сетей Петри............................................................15

1.5. Анализ сетей Петри с помощью матричных уравнений....................19

1.6. Моделирование ДСС с помощью сетей Петри...................................20

1.7. Общие сведения о ПЛК.........................................................................24

1.8. Язык релейно-контактных схем...........................................................28

1.9. Обзор методов синтеза программы для ПЛК......................................30

1.10. Выводы по главе, постановка цели и задач диссертации................32

Глава 2. Супервизорное управление в сети Петри......................................35

2.1. Метод синтеза супервизора..................................................................35

2.2. Моделирование и синтез супервизора для стрелочного перевода... 38

2.3. Трансформация ограничений................................................................43

2.4. Выводы по главе....................................................................................48

Глава 3. Преобразование супервизорной модели в язык РКС...................49

3.1. Метод преобразования сети Петри в язык РКС..................................49

3.2. Преобразование супервизорной модели в язык РКС.........................53

3.3. Метод подстановок................................................................................58

3.1. Выводы по главе....................................................................................65

Глава 4. Применение метода синтеза на примере ж.д. перевода...............66

4.1. Подстановка одной модели...................................................................68

4.2. Подстановка нескольких конкурирующих моделей..........................79

4.3. Выводы по главе....................................................................................88

Заключение........................................................................................................90

Список литературы...........................................................................................93

Введение

Актуальность исследования

Решение задачи комплексного управления современными производственными предприятиями в настоящее время предполагает определённую динамичность в формировании управленческих алгоритмов. Современное промышленное предприятие должно быть гибким, должно уметь адаптироваться к изменившимся требованиям к технологическому процессу [1]. Традиционное программирование может оказаться недостаточным в условиях изменяющихся целей управления.

В последние годы ведутся активные исследования особого класса моделей систем, в основном технических, динамика развития в которых происходит по возникновению событий, как внешних, так и внутренних. Данный класс носит название дискретно-событийных систем (Discrete-Event Systems, ДСС). ДСС нашли применение в вычислительной технике, робототехнике, управлении трафиком, логистике и пр. Столь широкое распространение объясняется развитой методологией, включающей в себя методы моделирования и решения задач логического управления. Основные математические модели ДСС - это конечно-автоматные модели, сети Петри и модели случайных процессов, такие, как Марковские цепи и теория последовательностей.

Стремительно развивается теория супервизорного управления, исследующая методы логического управления в дискретно-событийных системах. Однако, несмотря на большой объём теоретических исследований в области супервизорного управления, практическому применению методологии уделено значительно меньше внимания.

Некоторыми из возможных областей применения ДСС являются промышленная автоматизация и диспетчерское управление. Дискретно-событийные модели хорошо подходят для описания работы и взаимодействия промышленного оборудования. Типичным промышленным устройством управления является программируемый логический контроллер (ПЛК). Существует набор стандартов, описывающих техники программирования для создания программ для ПЛК, но эти техники относятся скорее к формальному описанию методов программирования, тогда как логика управления программы

контроллера формируется программистом в меру его знаний и представлений, в том числе и о работе системы.

Роль управляющего элемента (супервизора - внешнего агента, управляющего системой) в моделях систем промышленной автоматизации сводится к координации дискретных действий механизмов. Алгоритм подобных взаимодействий представляет из себя программу для программируемых логических контроллеров, написанную на стандартизованном языке. Традиционно, для программирования ПЛК используют язык релейно-контактных схем (РКС), известный также как язык лестничной логики или Ladder Diagram (LD).

Часто в качестве инструмента для моделирования ДСС используются конечные автоматы и формальные языки, что обусловлено выбором данного инструмента в фундаментальных исследовательских работах теории супервизорного управления [2]. Однако при увеличении размерности системы этот инструмент сталкивается с проблемой «взрыва состояний», состоящей в том, что конечный автомат должен описывать все возможные состояния системы. Использование в качестве инструмента моделирования сетей Петри помогает решить эту проблему. Сети Петри просты для понимания, обладают хорошим аппаратом математического анализа, включающим в себя линейную матричную алгебру. Вдобавок, они обладают удобным графическим представлением, что делает возможным визуализацию процесса выполнения сети, а также позволяет наглядно увидеть взаимосвязи частей системы.

Задача исследования и разработки методики синтеза программы для ПЛК на основе модели, описывающей работу системы с учётом желаемого её поведения, является актуальной и востребованной задачей, включающей в себя как прикладную, так и научную составляющие.

Современное промышленное предприятие должно быть гибким, должно уметь адаптироваться к изменившимся требованиям к технологическому процессу. Методика позволяет автоматически формировать программу поведения для ПЛК при изменении задачи управления. Также нужно отметить, что использование предложенного подхода должно снизить вероятность человеческой ошибки, упростить их поиск и исправление.

Методологическая и теоретическая основа исследования

Подробное описание дискретно-событийных систем, а также обобщение

известных методов для анализа данных систем дано в работе К. Кассандраса и Г. Лафортуна [3]. Логическое управление дискретными процессами рассмотрели Юдицкий С.А. и Магергут В.З. [4].

Основные положения теории супервизорного управления в дискретно-событийных системах сформулированы в работах П. Рамаджа и В. Вонхэма [2]. В дальнейшем теория была расширена и развита как самими авторами, так и другими исследователями, рассмотревшими такие аспекты теории управления, как наблюдаемость, контролируемость, модульный, децентрализованный и иерархический подходы, применение сетей Петри и пр.

Теория сетей Петри системно изложена в монографиях Д. Питерсона [5] и В.Е. Котова [6].

В работе К. Ямалидоу, Д. Муди и П. Антсаклиса [7] предложен метод синтеза супервизора сетью Петри для ДСС, также смоделированной сетью Петри. Метод основан на концепции инварианты позиций в сети Петри и применим к системам, ограничения для которых могут быть выражены логическими формулами, алгебраическими уравнениями или неравенствами. Размер супервизора пропорционален количеству налагаемых на систему ограничений. Позже, Д. Муди и П. Антсаклис расширили этот метод для работы с неконтролируемыми и ненаблюдаемыми переходами [8].

Жанг Яо-Яо и Ян Ганг-Фенг [9] рассмотрели расширенные ограничения для синтеза супервизора. Хонг-Йе Су, Вей-Мин Ву и Джиан Чу в обзоре [10] рассмотрели проблемы тупиков.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является повышение гибкости технологического оборудования, его адаптация к изменяющимся требованиям технологического процесса за счёт разработки и использования методики моделирования и управления технологическими объектами, описывающей логику функционирования промышленной системы с учётом желаемого её

6

поведения. Для достижения этой цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследовать применение дискретно-событийных систем и сетей Петри для моделирования промышленной системы, состоящей из различных устройств.

2. Сформировать супервизорную модель системы, обеспечивающую желаемое поведение системы в соответствии с заданными ограничениями.

3. Исследовать традиционные методы программирования ПЛК, обосновать использование языка релейно-контактных схем.

4. Разработать алгоритм синтеза программы на языке релейно-контактных схем для ПЛК на основе имеющейся модели технологического объекта, представленной сетью Петри.

5. Провести исследование работы алгоритма синтеза применительно к сложным системам, состоящим из совместно работающих устройств.

6. Рассмотреть практическое применение предложенных методов для технологического оборудования.

Объект исследования - технологическое оборудование с дискретным поведением (промышленная автоматика, вычислительная техника, робототехника, управление трафиком, логистика и пр.).

Предмет исследований - методика, включающая моделирование технологического оборудования с дискретным поведением при условии динамического изменения целей управления и синтез логического управления для него.

Научная новизна работы в оригинальном алгоритме преобразования сети Петри в язык РКС, в комплексном подходе, включающем в себя все этапы, начиная от моделирования объекта и заканчивая синтезом программы на языке РКС.

Методика предусматривает работу со сложными моделями, которые делятся на несколько упрощённых, для каждой из которых формируются отдельные логические условия (и программа на языке РКС), наконец, упрощённые модели объединяются в цельное логическое условие согласно исходной модели и предложенным правилам композиции. С помощью

7

предлагаемой методики появляется возможность повысить уровень автоматизации при проектировании промышленных систем за счёт элементов автоматизированного создания программного обеспечения, а также обеспечить защиту от ошибок оператора.

На защиту выносятся следующие результаты:

- Комплексная методика моделирования и синтеза управления для технологических объектов с дискретным поведением, включая схему формирования спецификации ограничений для исследуемой системы, обеспечивающую её желаемое поведение. Ограничения могут быть выражены как уравнения или неравенства. В качестве инструмента моделирования используются сети Петри;

- Алгоритм преобразования модели, построенной с использованием инструмента сетей Петри, в программу для вычислительных устройств, управляющих технологическим оборудованием — программируемых логических контроллеров;

- Методика композиции вложенных моделей, которая предполагает разбиение сложной модели на ряд вложенных (условно принимаемых за отдельные устройства), применение метода преобразования отдельно для каждой из простых моделей (синтез для них логических условий) и, наконец, композиции их в исходную модель, с соблюдением заданных правил объединения.

Практическая ценность результатов работы заключается в том, что разработанные модели, механизмы, схема и концепция методики синтеза логического управления для различных дискретно-событийных систем создают методологическую базу для модернизации действующих систем управления технологическими объектами и разработки новых, путём синтеза программного обеспечения для ПЛК.

Апробация и внедрение результатов исследования

Основные результаты работы были доложены и одобрены на 13-м

симпозиуме 1БАС по проблемам информационного управления, проходившем в Москве в 2009 г., а также семинарах ИПУ РАН.

Основные положения диссертации были использованы в проекте системы линейной телемеханики ООО «Газпром трансгаз Чайковский», а также проекте АСУТП объекта управления железнодорожной эстакады налива товарно-сырьевой базы №1 (ТСБ-1) Омского нефтеперерабатывающего завода (ОНПЗ), реализованных компанией ЗАО «АтлантикТрансгазСистема» (Москва). Для оборудования технологических объектов автором были разработаны алгоритмы, определяющие их поведение, включая алгоритмы противоаварийных защит и блокировок (ПАЗ). На основании этих алгоритмов были построены модели поведения оборудования и сформулированы спецификации, обеспечивающие поведение оборудования в соответствии с алгоритмами, построены супервизорные модели. С помощью предложенной методики супервизорные модели были преобразованы к языку релейно-контактных схем, далее используемому в качестве программ для программируемых логических контроллеров оборудования ПАЗ.

Публикации

По материалам диссертации опубликованы семь печатных работ, из них две в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертационной работы 95 страниц машинописного текста, включает 12 таблиц и 45 рисунков.

Содержание работы

В главе 1 приводится обзор существующих методов моделирования

дискретно-событийных систем и методов логического управления в них.

Уделено внимание методологии СД С , как оригинальному пути развития идей

9

супервизорного управления. Сделан краткий обзор основных понятий и определений сетей Петри, методов анализа сетей Петри с помощью матричной алгебры и применения сетей Петри для моделирования ДСС.

В главе 2 рассмотрены программируемые логические контроллеры и традиционные методы программирования логики ПЛК. Рассмотрен также язык релейно-контактных схем как традиционно наиболее применяемый для разработки программ для ПЛК. Обозначена основная проблема современных методов программирования, заключающаяся в том, что развиваются в основном технические схемы формирования программ, тогда как логике поведения уделено внимания гораздо меньше.

В главе 3 приведён подробный анализ применения теории супервизорного управления для моделей в сетях Петри. Супервизор, построенный в сети Петри представляет из себя дополнительные позиции, включаемые о исходную сеть Петри, представляющую модель технологического объекта. Количество позиций (размер супервизора) прямо пропорционально количеству наложенных на модель объекта ограничений. Ограничения могут быть заданы как логические равенства или неравенства. Приведён пример формирования супервизора для части алгоритма железнодорожного стрелочного перевода. Описана методика преобразования модели в сети Петри в язык релейно-контактных схем. Сам метод представлен в виде подробного пошагового алгоритма, что позволяет реализовать его в виде программного инструмента в дальнейшем. Подробно разобран метод преобразования сложной модели объекта, заключающийся в предварительном разбиении её на ряд простых (обозначенных как устройства), преобразовании каждой из них в набор логических условий (промежуточное звено для программы на языке РКС), наконец, приведён метод подстановок для дальнейшей композиции логических условий этих моделей в цельное логическое условие и формирования итоговой программы на языке РКС.

В главе 4 рассмотрено применение методики к полному алгоритму

железнодорожного стрелочного перевода, взятому из проекта рабочей

10

документации для автоматизации железнодорожной эстакады налива ТСБ №1 ОНПЗ, разработанной автором. Алгоритм разбит на ряд моделей, построенных в сетях Петри, для которых далее сформированы логические условия. Заключительным этапом разбора примера стала программа на языке РКС, реализующая работу приведённого алгоритма.

В заключении приводятся результаты диссертационной работы и возможные направления для дальнейшего развития.

Глава 1. Исследование инструментов моделирования промышленных систем

1.1. Дискретно-событийные системы

Система - одна из тех примитивных концепций, понятие которых определяется скорее интуитивно, чем формально. В общепринятом представлении, система - это некое единство составляющих, которые сообща обладают большим функционалом, чем по отдельности. В этом опреде�