автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Программный инструментарий для моделирования вычислительных средств управления

На правах рукописи

Захарова Ольга Владимировна

ПРОГРАММНЫЙ ИНСТРУМЕНТАРИЙ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЙ 2013

Орёл-2013

005060746

005060746

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет -учебно-научно-производственный комплекс»

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Раков Владимир Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Косчинский Станислав Леонидович профессор кафедры «Электроника, вычислительная техника и информационная безопасность» (ЭВТИБ) ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК»

кандидат технических наук, доцент Бондарь Олег Григорьевич

доцент кафедры конструирования и технологии электронно-вычислительных средств ФГБОУ ВПО «Юго-Западный государственный университет»

Ведущая организация:

Орловский филиал федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем информатики Российской академии наук (ОФ ИЛИ РАН).

Защита диссертации состоится 13 июня 2013 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при ФГБОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК» по адресу 302020, г.Орёл, Наугорское шоссе 29, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК»

Автореферат разослан 13 мая 2013 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета ---В.Н. Волков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Несмотря на значительные достижения в построении микро- , процессорных средств автоматизации (программируемые логические контроллеры (ПЛК) от Modicon, Allen Bradley, Honey Well, Fanuc, Mitsubishi Electric, Siemens, Octagon Systems, «Завод электроники и механики», ОАО «Электропривод», ВНИИЭМ; цифровые контурные регуляторы (ЦКР) от Taylor Instrument, НПО; «Светлана», Doric Scientific, Honeywell, Robertshaw; интеллектуальные датчики от HoneyWell, Siemens, Moeller, Finder, Block, Pfannenberg, Phoenix, ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова, интеллектуальные исполнительные механизмы от Schneider Electric, «АБС ЗЭиМ Автоматизация», SEW-EURODRIVE), до настоящего времени остаются открытыми вопросы построения быстродействующих цифровых контурных регуляторов, используемых в нижних уровнях систем автоматизации и управления технологическими процессами. В частности, это касается цифровых систем управления технологическими процессами разрушения горных пород бу- : ровыми станками взрывных скважин.

Одним из основных видов оборудования в комплексах открытых горных работ при добыче полезных ископаемых являются буровые станки серии СБШ- 1 250МН (Рудгормаш, тиристорный привод постоянного тока) и СБШС-250Н (НКМЗ, транзисторный привод переменного тока). В технологических процессах разрушения горных пород буровыми станками взрывных скважин в приводе вращения става используются двигатели и постоянного тока, и асинхронные двигатели. В системе привода: «Тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока» предельная частота управляющих импульсов составляет величину 1/300 сек, что определяется трехфазной системой электроснабжения. Эта величина непосредственно определяет интервал времени, в течение которого цифровые вычислительные средства могут формировать управляющие воздействия. Качество выходного напряжения преобразователя напрямую зависит от частоты работы. Поскольку дальнейшее повышение частоты управляющих импульсов в тиристор-ном преобразователе ограничено, то для дальнейшего повышения быстродействия 1 потребовался переход на транзисторные преобразователи на базе IGBT-транзисторов. Такое повышение быстродействия стало возможным при использовании широтно-импульсных модуляторов, для которых выполняется закономерность: чем выше частота, тем ближе реализуется на входе исполнительного асинхронного двигателя требуемый синусоидальный сигнал напряжения.

В современных широтно-импульсных преобразователях достигнута частота 40 тыс. герц, что определяет системе управления интервал времени в величину 1/40000 сек для вычисления всех параметров управления как преобразователя, так и котурных регуляторов. Это более, чем на два порядка меньше, чем интервал времени 1/300 сек для формирования управляющих параметров в тиристорном приводе. Таким образом, для поддержания требуемой высокой частоты работы преобразователя потребовался переход на современную IGBT-транзисторную силовую базу, что привело к необходимости решения проблемы повышения быстродействия цифровой системы управления, в связи с чем вопросы существенного

повышения производительности цифровых контурных регуляторов становятся актуальными.

Однако, потребность повышения производительности вычислительных средств управления не исчерпывается (не ограничивается) повышением частоты коммутации силовых ключей преобразователя. При современной тенденции увеличения массы исполнительных механизмов снижаются их собственные частоты колебания, что приводит к появлению резонансных всплесков в полосах пропускания контуров управления. Такие явления отмечены в буровых станках СБШС-250Н (акад. Г.Г. Пивняк, 2004; проф. A.C. Бешта, 2004). Разрешение возникшей проблемной ситуации возможно организацией регулирования во внутреннем контуре тока и внешних по отношению к нему технологических контурах частоты вращения и давления путём учета возникающих и изменяющихся собственных частот колебания буровой штанги в зависимости от её длины. Чтобы следить за изменением собственных частот, их надо вычислять на каждом интервале времени 1/40000 сек, то есть в такте частоты используемых широтно-импульсных преобразователей. Учитывая, что расчёт собственных частот колебаний бурового става связан с решением уравнений в частных производных, описывающих продольные, крутильные и поперечные колебания и имеющих громоздкие вычислительные алгоритмы (метода сеток), быстродействие контурного регулятора должно быть как минимум на порядок выше, поскольку за интервал времени надо успеть не только решить уравнения в частных производных с соответствующими граничными условиями, но и после вычисления собственных частот колебаний буровой штанги в каждом интервале времени надо изменить и выставить новые уставки регуляторов тока, скорости вращения и давления и затем определять соответствующие управляющие воздействия (проф. B.C. Хилое, 2011). Причём делать это для обоих электроприводов подачи (давления) и вращения бурового станка теперь уже во временном интервале соответственно на порядок меньше, то есть примерно в 1/400000 сек. Таким образом, время, за которое цифровая система управления может обсчитывать регуляторы, уменьшилось с 1/300 сек для формирования всех параметров при тиристорном управлении до 1/400000 сек при транзисторном управлении. Поскольку разработчики будут уменьшать время дискретизации ши-ротно-импульсных преобразователей для улучшения динамических характеристик электропривода, то время формирования управляющих воздействий для цифровых систем управления будет резко снижаться и актуальным становится не просто существенное повышение производительности контурных регуляторов, а актуальным становится вопрос создания предельно быстродействующих (сверхбыстродействующих) цифровых контурных регуляторов или, в общем, промышленных контроллеров (ПК).

В свою очередь, актуальность создания предельно быстродействующих ЦКР есть ни что иное, как актуальность создания нового: а) арифметико-логического устройства одновременного формирования всех разрядов результата вычислительной onepaifuu и б) программного инструментария для моделирования вычислительных средств цифровых контурных регуляторов, обеспечивающих методически максимальное быстродействие при реализации вычислительных операций.

Объект исследования: структуры программно-технических средств управления в системах автоматизации (шахтных) карьерных буровых станков.

Предмет исследования: алгоритмы, модели и методы формирования и моделирования управляющих воздействий в цифровых контурных регуляторах (промышленных контроллерах) в указанных системах.

Цель диссертационной работы: повышение быстродействия отработки управляющих воздействий в цифровых контурных регуляторах (промышленных контроллерах).

Научная проблема: создание математических моделей вычислительных операций и формирования логических функций, обеспечивающих методически максимальное быстродействие их отработки в структуре вычислительных средств цифровых контурных регуляторов.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Выбор показателей оценки качества функционирования.

2. Разработка математических моделей вычислительных операций.

3. Разработка формальных средств моделирования.

4. Апробация программного инструментария вычислительных средств цифровых контурных регуляторов для буровых станков.

Методы исследования: теория цифровых автоматов, математический анализ, методы автоматизации производственных процессов, теория подобия и моделирования, вычислительная математика, теория автоматического управления.

Достоверность и обоснованность результатов исследования подтверждается обоснованностью сделанных допущений и корректностью использованных апробированных теорий, подходов, методов, алгоритмов и согласованностью программных экспериментов и реальных результатов.

Научная новизна:

1. Разработанная математическая модель вычислительных операций в АЛУ, основанная на представлении разрядов операндов в АЛУ в виде логических переменных и разрядов результата в виде логических функций от этих логических переменных, отличающаяся независимым формированием значений всех разрядов результатов операций.

2. Разработанная логическая структура АЛУ на основе предложенной математической модели вычислительных операций, отличающаяся регулированием последовательности и одновременности исполнения вычислительных операций.

3. Разработанная структура цифрового контурного регулятора, основанная на структуре гибридного сигнального процессора, включающая функции по отработке вычислительных операций и функции по организации исполнения программ, отличающаяся формированием всех логических функций арности не выше, чем количество входных логических переменных.

4. Разработанная методика моделирования цифрового контурного регулятора на основе предложенной математической модели вычислительных операций и типовой методики моделирования структуры процессора.

Теоретическая значимость работы заключена в расширении методов синтеза арифметико-логических устройств ЭВМ посредством предложенного фор-

мального аппарата построения предложенной математической модели вычислительных операций и предложенной логической структуры АЛУ на основе этой математической модели.

Практическая значимость работы заключается в 9-и разработанных программных системах, зарегистрированных в Роспатенте.

На защиту выносятся положения, составляющие научную новизну диссертационного исследования.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на 9-и международных конференциях: на III Международной научно-технической конференции «ИТНОП 2008», ОрелГТУ, г. Орел, 24-25 апреля 2008 г.; на IV Международной научно-технической конференции «ИТНОП 2010», ОрелГТУ, г. Орел, 22-23 апреля 2010 г.; на VII Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития», г. Тамбов, 30 ноября 2010 г.; на Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах», г. Пенза, 19-22 апреля 2011 г.; на Международной научно-технической интернет-конференции «Информационные системы и технологии 2011», Госуниверситет - УНПК, г. Орел, апрель-май 2011 г.; на V Международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве», г. Протвино, 4-8 июля 2011 г.; на XXI Международной конференции «Новые технологии в машиностроении», Харьков-Рыбачье, сентябрь 2011 г.; на V Международной научно-технической конференции «ИТНОП 2012», Госуниверситет - УНПК, г. Орел, 17-18 мая 2012 г.; на Международной молодежной конференции «Прикладная математика, управление и информатика», Белгородский национальный исследовательский университет, г. Белгород, 3-5 октября, 2012 г.

Результаты работы внедрены в трех научно-производственных организациях и одном ВУЗе:

1. Научно-производственное предприятие «Центр электромеханической диагностики», г. Днепропетровск, 2011 г.

2. ООО «Логистика и информация для производства» (ЛИПРО Р), г. Москва, 2011 г.

3. ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Орел, 2012 г.

4. ЗАО «Электротекс», г. Орел, 2012 г.

Диссертационная работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.132.21.1367 «Моделирование сверхбыстродействующих вычислительных средств управления».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 29 работ, в том числе, 10 статей в журналах, рекомендованных ВАК, включая 5 самостоятельных работ, 10 публикаций в трудах Международных конференций, 9 Свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ в Реестре программ для ЭВМ Роспатента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 10 приложений и имеет 150 страниц основного текста, 94 страницы приложений, 189 наименований списка литературы (в том числе 38 ссылок на электронные интернет-ресурсы), 60 рисунков и 16 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная проблема, цель, задачи, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Выбор показателей оценки качества функционирования» проведен анализ состояния вопроса:

1. Предложен показатель эффективности с дополнительной функциональной нагрузкой: способностью формирования общего числа логических функций и отработки вычислительных операций в моделях управления с методически максимальным быстродействием.

2. Проведена оценка и установлены возможности типовых инструментальных средств моделирования систем автоматизации OrCAD (Cadence Design Systems), CADSTAR (Zuken), WebPack ISE (Xilinx), Active-HDL (Aldec), Workview Office (Viewlogic Systems), P-CAD и Altium Designer (Altium), MAX+PLUS II (Altera), Quartus II (Altera) и MicroCap (Spectrum Software).

3. Проведена постановка задачи диссертационного исследования, включающая: а) проведение ретроспективного анализа прогресса в повышении производительности вычислительных средств управления по технической (технологической) и методической составляющим; б) исследование формы представления программного инструментария и выделение основных компонент реализация программного инструментария.

Во второй главе «Формальные модели вычислительных операций»:

1. Сделано обоснованное заключение о том, что наибольшее быстродействие АЛУ возможно достигнуть, не ограничиваясь проблемами сложности устройств, отказавшись от поразрядных вычислений, отказавшись от реализации принципа полусумматора, то есть отказавшись фактически от алгоритмической идеи вычислений в АЛУ.

2. Исходя из идеи представления вычислительной операции в машинной арифметике в виде таблиц соответствия исходных операндов (А,В) и результата (С), предложено представление разрядов операндов (а,,Ь,) вычислительных операций в виде совокупности логических переменных, а разрядов результата (С,) в виде логических функций от всех логических переменных с последующим представлением этих функций в виде логических форм и реализацией в виде комбинационных схем, обеспечивая тем самым методически одновременное формирование разрядов результата операции за один такт задающего генератора (Рисунок 1).

3. Для реализации предложенного представления разрядов операндов и результата для проведения вычислительных операций предложено использовать дизъюнктивные и конъюнктивные совершенные нормальные формы (ДСНФ и КСНФ), предварительно их модифицировав в виде представления с разложением по всей совокупности характеристических функций единицы (<Р/(*1>*2>-..,*т-|,-Тт))или нуля (i//j(xl,x2,...,xm_],xw), j = 0,1,...,2'" -1, т = 2п, п-количество разрядов операнда, .v, = ,:кг = =Ь],хт = 60.):

fl(xí,xг,...,xJ = f¡(QЛ■.ЛO)■<p<¡(.xt,x1,...,xm,l,xш)v

_/Д0,0,...,0,1) |(дг,, Х2>—>Хт-1>Х,„)^ /¡(и^-^ио)2т_2(х1,х2,...,хт^,хт) V

У/Д1,1,...Д,1)-¥» ..,*,„_,,хт), (1)

f■, )=[У/(0>0>--АО) VI// 0 (*|,х2!*,„)] & [/¿(0,0,...,0,1) V vv/ ,(*„лг2,...,*„,_„*„,)] &...& [/(1,1,...,1,0) VI// г.2(х1,х2>...,^„х1„)]&

£ £ к-рюря/т«»м Ь

а'-1) <*> ел Ъ-1 О'"1) >1 С1) *• <1-1 о-1) Ч-З «1 сЬ ч О')

I О 0 0 0 9 9 0 0 • » л 0

1 9 0 0 0 • 0 9 1 0 9 • 0 1

3 О 0 0 0 0 0 1 0 0 % • ] 0

... ...

„. _.

а" 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0

Новый метод организации

выполнения вычислительных операций: одновременное формирование разрядов результата

Комбинационная схема (КСц)

Комбинационная схема {КС,)

Комбинационная схема (КС„ _2)

Комбинационная схема )

с,.

1 = 0,1,...,и — 1; Традиционно: гх~и-гр р_1=0;п = к. Новый метод: тТ~тр Щ-;

С,- --б) -/¿(а0,Ь0,Ьх,...,Ъп-х)

р1 — перенос, тр,г£ — соответственно время формирования значения разряда и операции в целом, /,/?,. - логические функции трёх переменных, f■l -логическая функция от 2к переменных Рисунок 1 — Отличия традиционного и предлагаемого методов

Представление логической функции по всей совокупности её характеристических функций предложено именовать унифицированными дизъюнктивными (1) и конъюнктивными (2) совершенными нормальными формами (УДСНФ, УКСНФ или обобщенно - УСНФ), которые отличаются от традиционных ДСНФ и КСНФ формированием всего множества логических функций (2г ) на заданной разрядности п входных операндов. Каждый разряд результата (С,) представляется своей УСНФреализация которой в традиционном базисе «&,у,(не)>> определит соответствующую комбинационную схему (КС¡) для формирования значения /-о разряда результата (Рисунок 1).

4. На основе УСНФ разработана математическая модель построения результатов всех проектируемых вычислительных операций .................е,„_|,ет}

(Таблица 1). АЛУ, реализующее предложенную математическую модель, названо АЛУ непосредственного формирования результата (АЛУ НФ).

Таблица 1 — Математическая модель вычислительных операций

Логические формы для формирования результатов вычислительных операции УСНФ (УДСНФ или УКСНФ) Комбинационные схемы логической реализации Операция

сп(е|)" ж«.,, хи; с,), с, {е,) = (.т,, -г2....., хи ■ е,), .. (е1) = /„-I . *2...... х2к;.е,) УСНФ* УСНФ": УСНФ кс;, КС?, ...,

СЛ("2) = /О(*|.*2.-,ДС2*-|.*2*<?2). ^(е1) = Мх„х2.....х2к_„х1к;е2), .... с»-|(е2)= /„-,(*, ,хг.....хи_х, х2к; е2) УСНФ',; УСНФ?..... УСНФЦ, КС?, КС?..... щи

с'| (О = /¡(*|. *2.-.-г24-1> х2к;ет)..... «VI (е„,) = /»-1 (*|. .....^24-1. Х1к; е„) УСНФ? УСНФ? ,..., УСНФ, КС1-, КС?. ..., л'С":, (О

5. Для реализации в цифровых контурных регуляторах технологических защит и организации блокировок предложено расширить функционал ЦКР логическими функциями, зависящими как от всей совокупности логических переменных, используемых в ЦКР, так и от любой га комбинации.

Для этого разработана единая (унифицированная) математическая модель формирования логических функций с переменной структурой, для чего построена общая логическая форма (УЛФ):

* = U[Fmj ■ D ] ■ &(х, © I v d )}, (3)

h | ;=i ' ' '

в которой структурообразующими параметрами являются вектор {/,„, }, определяющий инверсность переменных, вектор {rf, }, задающий наличие переменной в форме и вектор D , определяющий наличие j-й конъюнкции в форме (3) (где © - операция сложения по модулю 2):

Для реализации (3) с методически максимальным быстродействием («жесткой логики»), предложены логические WR- и EVR- элементы, адекватные логическим компонентам структур (3) и (4).

В третьей главе «Формальные средства моделирования» осуществлен поиск адекватных структур для реализации вычислительных операций и представления АЛУ НФ. Для этого проведён анализ классических представлений о логической реализации вычислительных операций по проф. М.А. Карцеву (1969). Д.А. Поспелову (1970), A.M. Шауману (1979), С.С. Ершову (1999), С.Б-М. Базаровой (2002), В.И. Зуеву (2006). Отмечены причины, порождающие задержки в про-

цессе вычислений (проф. A.M. Шауман, 1979) и фатальные ограничители производительности (проф. В.И. Раков, 2012). Оценены алгоритмические, программные и архитектурные методы повышения производительности вычислительных систем (д-р А. Ахо, 1974; В.А. Тихомиров, 2004; В.В. Смолий, 2011; С.А. Лунёв, 2002; И.А. Колмыков, 2009; Ю.А. Цветкова, 2011).

Сделано обобщающее заключение о том, что максимальная производительность процессора с АЛУ НФ может быть достигнута лишь в случае отказа от организации и совершенствования структур конвейера и таблиц предсказания, то есть отказа от упорядоченного и последовательного размещения команд в программе и соответствующего их исполнения в порядке размещения, что означает отказ от контекстно-свободного представления программы и переход к контекстно-связанному представлению команд по аналогии с организацией синпьютера Н.В. Стрельцова (Уральская архитектурная лаборатория, 2003).

Разработаны логическая структура АЛУ НФ, отличающаяся регулированием последовательности и одновременности исполнения вычислительных операций (Рисунок 2) и обеспечивающая наибольшее быстродействие в отработке операций и программ (Рисунок 3), а также вариант структуры цифрового контурного регулятора, реализующего функции предложенных АЛУ НФ и УЛФ (3) (Рисунок 4), отличающейся формированием всех логических функций арности не выше, чем количество входных логических переменных.

Схематичное представление логической структуры АЛУ

Возможности: регулирование последовательности и одновременности «исполнения» вычислительных _операций

Структура блока операции

Традиционно: fj-N' п • Тр Новая струшура: г£~г

Рисунок 2 - Новая структура АЛУ

На основе предложенных структур разработана методика моделирования цифрового контурного регулятора в части организации структур АЛУ на основе предложенной математической модели вычислительных операций и типовой методики моделирования структуры процессора, в которой исключены этапы моделирования конвейеров и схем предсказания ветвлений и реализовано варьирование времени исполнения вычислительных операций.

Ри_к

си

- мг;,

РМ к

вПр

ос»

»

АЛУНФ №301-

з:

СС/-устройство управления к-м ядром процессора;

ЯЛ/_А-память программ в к-м ядре; АС/Р-регистры в £-м ядре процессора; ЛЛау), ЛЯ02(1) - операнды для ¡-й команды;

ОС'О) - код операции для 1-й команды; ЛЕ9(/') - результат операции /-й команды

Рисунок 3 - Место АЛУ НФ в процессорных ядрах (условно 1 структурной аналогии ядра мультиклета МСр0411100101)

Микроконтроллер

Периферийные устройства микроконтроллера

Память

микроконтроллер

к-е ядро процессора

ллу н*

Шина данных

- УЛФ

* .V

ч>- V ЯП,, .от 1ЛЦ е/1|п ./<(„.))

тгф-

V

Контекстно-зависимое представление команд

Интерфейс обмена

Общая двухпортовая память

Схемы передачи сообщений

Сигнальный процессор

Память процессора

Шина данных ^

Ядро процессора: МАС, сопроцессоры (фильтр, циклического кода), С11

Фон Неймановская организация исполнения программ (контекстно-свободное представление команд)

Рисунок 4 - Логическая структура цифрового контурного регулятора на основе АЛУ НФ, УЛФ и контекстно-зависимого представления команд

В главе разработан программный инструментарий (Рисунок 5) для моделирования процессов построения структуры АЛУ НФ, наиболее соответствующий отрабатываемым задачам и процессам вычисления нелинейной формы законов управления (регулирования) с тем, чтобы оценить накапливаемые погрешности вычислений и время обсчёта функций.

Рисунок 5 - Функционал программного инструментария

Проведены программные эксперименты использования предложенного инструментария по формированию главной формы системы моделирования, формы с изображениями структур блоков операций и автоматных таблиц, формы с изображением структуры блока операции и формул УДСНФ (УКСНФ) для отдельного разряда, форм для оценки погрешностей проводимых операций и оценки вре-мённых затрат, а также моделирования работы посредством анимации сигналов в логической структуре.

Сделаны выводы: а) разработанные инструментальные средства обладают , полнотой для моделирования АЛУ непосредственного формирования; б) разработанный интерфейс обеспечивает выбор из множества действий и задание требуемых данных в удобной форме; в) отображение структуры АЛУ является многооконной и позволяет просматривать автоматные таблицы для каждой операции и состав блоков, реализующих операции, для эмпирического или эвристического выбора подходящей структуры АЛУ; г) для каждого разряда результата формируются совершенные нормальные формы УДСНФ и УКСНФ и структура устройства реализации совершенных нормальных форм, что существенно упрощает и формальное представление всего АЛУ, и визуальную оценку полученных результатов моделирования; д) моделирование потока данных в АЛУ с тремя законами распределения позволяет оценить накопленную погрешность при округлении ре-

зультатов, что позволяет оценить сложность отрабатываемых нелинейных функций и тем самым выбрать наиболее подходящую структуру АЛУ.

В четвёртой главе «Апробация программного инструментария вычислительных средств управления» показано применение разработанного программного инструментария для моделирования регуляторов приводов бурового станка (Рисунок 6).

WMU1 (р)

регулятор линейной скорости перед виже кия става (трубы)

Wp'Kjip) регулятор частоты вращения

Wriwip) регулятор потоко-сцепления

—И®— *

регулятор •тока

Широтно-импульсный преобразователь

х

Ш

гн

гд.

кпе

ГН - гидрогенератор, ГД - гидродвигатель, КПС - канатно-полиспастная система Рисунок б - Регуляторы электропривода бурового станка серии СБШС-250Н {проф. B.C. Хилое, 2010)

Для этого: 1) построены вычислительные формулы цифрового регулирования с минимальным числом вычислительных операций; 2) предложена логическая структура цифрового регулятора на базе АЛУ НФ; 3) создана программная система моделирование процессов регулирования посредством предложенного в предыдущей главе программного инструментария; 4) проведено моделирование регуляторов для разных настоечных параметров и задержек в блоках АЛУ НФ.

В приложениях проведены исследования тенденций по созданию многопроцессорных вычислительных систем внутри кристалла, оценки возможностей структурной реализации АЛУ НФ, описаны инструментальные средства моделирования, представлен вывод и анализ формул цифрового ПИД регулятора, представлены семантические схемы процедуры «Построение регулятора», построение блока «Настроечные параметры регулятора», процедуры «Тактовый генератор», приложены девять свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, четыре справки о внедрении результатов диссертационной работы и лист-ссылка на грант Минобрнауки РФ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложен показатель оценки качества функционирования вычислительного средства управления на основе набора системных показателей качества, отличающийся оценкой формирования общего числа логических функций и оцен-

кой отработки вычислительных операций в моделях управления с методически максимальным быстродействием.

2. Разработана математическая модель вычислительных операций в АЛУ, основанная на представлении разрядов операндов в АЛУ в виде логических переменных и разрядов результата в виде логических функций от этих логических переменных, отличающаяся независимым формированием значений всех разрядов результатов операций.

3. Разработана логическая структура АЛУ на основе предложенной математической модели вычислительных операций, отличающаяся регулированием последовательности и одновременности исполнения вычислительных операций.

4. Разработана структура цифрового контурного регулятора, основанная на структуре гибридного сигнального процессора, включающая функции по отработке вычислительных операций и функции по организации исполнения программ, отличающаяся формированием всех логических функций арности не выше, чем количество входных логических переменных.

5. Разработана методика моделирования цифрового контурного регулятора на основе предложенной математической модели вычислительных операций и типовой методики моделирования структуры процессора.

6. Разработана логическая структура ПИД регулятора на основе математических моделей «формула прямоугольников» и «формула трапеций», отличающаяся использованием структур арифметико-логических устройств непосредственного формирования для обеспечения высокой производительности вычислений управляющих воздействий.

7. Разработанная математическая модель вычислительных операций обеспечивает методически максимальное быстродействие отработки вычислительных операций в разработанной логической структуре АЛУ с производительностью «жесткой логики», что на несколько порядков быстрее, чем при использовании традиционных ПЛК.

8. Предложенный программный инструментарий позволяет организовывать моделирование процессов управления для вычислительных средств цифровых контурных регуляторов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых журналах, входящих в перечень БАК РФ:

1. Захарова, О.В. О научной необходимости и технической целесообразности создания новых. систем моделирования вычислительных средств управления [Текст] / В.И. Раков, О.В. Захарова// Промышленные АСУ и контроллеры. - 2013. -№ 2.-С. 7—21 (личный вклад 50 %).

2. Захарова, О.В. Программный инструментарий для моделирования вычислительных средств управления [Текст] / О.В. Захарова // Информационные системы и технологии. —2012. — №6 (74).-С. 90-99.

3. Захарова, О.В. Формула ПИД-регулятора для АЛУ непосредственного формирования [Текст] / О.В. Захарова // Информационные системы и технологии. -2012. - № 2 (70). - С. 1125.

4. Захарова, О.В. О факторах уровня локального управления, влияющих на структуру промышленного контроллера / О.В. Захарова // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2012. - № 4. -С. 38—47.

5. Захарова, О.В. Формальные средства организации вычислительных операций для быстродействующих промышленных контроллеров [Текст] / О.В. Захарова // Промышленные АСУ и контроллеры. -2012. -№ 1. -С. 51-60.

6. Захарова, О.В. О системном показателе качества функционирования промышленного контроллера для процессов моделирования [Текст] / О.В. Захарова // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2011. - № 12. - С. 20-27.

7. Захарова, О.В. Анализ особенностей автоматизированной системы научных исследований для быстродействующих промышленных контроллеров [Текст] / В.И. Раков, О.В. Захарова // Информационные системы и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2010. - № б (62). - С. 44-54 (личный вклад 50 %).

8. Захарова, О.В. Моделирование комбинационных структур для реализации вычислительных операций [Текст] / О.В. Захарова, В.И. Раков // Известия ОрелГТУ. Информационные системы и технологии. - Орел: ОрелГТУ, 2009. - № 1/51 (562). - С. 91-98 (личный вклад 50 %).!

9. Захарова, О.В. Синтез средств логического управления [Текст] / В.И. Раков, О.В. Захарова // Известия ОрелГТУ. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. ,-Орел: ОрелГТУ, 2007. - X» 4-2/268 (535). - С. 110-125 (личный вклад 50 %).

10. Захарова, О.В. Реализация быстрых вычислений посредством комбинационных структур [Текст] / В.И. Раков, О.В. Захарова // Вестник компьютерных и информационных технологий. - 2007. - № 8. - С. 51-55 (личный вклад 50 %).

Публикации в материалах Международных конференций:

11. Захарова, О.В. О направлении использования троичной логики при создании вычислительных средств управления [Текст] / В.И. Раков, О.В. Захарова, С.С. Солдатов // Прикладная математика, управление и информатика: материалы Международной молодежной конференции, 3-5 октября, 2012 г.: в 2 т. - Белгород: ИД «Белгород», 2012. - 2 т. - С. 569-573 (личный вклад 33 %).

12. Захарова, О.В. Программные средства моделирования быстродействующих вычислителей [Электронный ресурс] / О.В. Захарова // Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП): материалы V Международной научно-технической конференции, 17-18 мая 2012 г. - Орёл: Госуниверситет - УНПК, 2012. - Режим доступа: http://irsit.rU/files/article/l 12.pdf. - 9 с.

13. Захарова, О.В. Методика использования инструментальных средств для моделирования быстродействующих вычислителей [Текст] / О.В. Захарова // Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве: материалы V Международной научно-практической конференции, 4-8 июля 2011 г : в 2 т. - Протвино: Управление образования и науки, 2011.-2 т. - С. 24-26.

14. Захарова, О.В. Системные требования для моделирования быстродействующих вычислителей [Текст] / О.В. Захарова // Новые технологии в машиностроении: материалы XXI Международной конференции, сентябрь 2011 г.: в 2 т. - Харьков-Рыбачье, 2011. - 2 т. - С. 190-197.

15. Захарова, О.В. Моделирование вычислительных операций для быстродействующих контроллеров [Текст] / О.В. Захарова // Информационные системы и технологии: материалы Международной научно-технической интернет-конференции, апрель-май 2011 г.: в 3 т. - Орел: Госуниверситет - УНПК, 2011. - 3 т. - С. 50-56.

16. Захарова, О.В. О необходимости разработки АСНИ моделей промышленных контроллеров [Текст] / О.В. Захарова, В.И. Раков // Проблемы автоматизации и управления в технических системах: материалы Международной научно-технической конференции, 19-22 апреля 2011 г.: в 2 т. - Пенза: ПГУ, 2011. - 1 т. - С. 19-26 (личный вклад 50 %).

17. Захарова, О.В. Инструментальные средства автоматизированной системы научных исследований моделей быстродействующих АЛУ для промышленных контроллеров [Текст] / О.В. Захарова // Прогрессивные технологии развития: материалы VII Международной научно-практической конференции, 30 ноября 2010 г. - Тамбов: Тамбовпринт, 2010. - С. 99-102.

18. Захарова, О.В. К вопросу о повышении производительности промышленных контроллеров [Текст] / О.В. Захарова, В.И. Раков // Информационные технологии в науке, образовании

и производстве (ИТНОП): материалы IV Международной научно-технической конференции, 22-23 апреля 2010 г.: в 5 т. - Орел: ОрёлГТУ, 2010. - 3 т. - С. 256-269 (личный вклад 50 %).

19. Захарова, О.В. Моделирование и формирование логических структур [Текст] / О.В. Захарова, А Н. Савенков // Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП): материалы III Международной научно-технической конференции, 24-25 апреля 2008 г. - Орел: ОрелГТУ, 2008. - № 1-3/269 (544). - С. 79-84 (личный вклад 50 %).

20. Захарова, О.В. О причинах, ограничивающих возможности построения АЛУ с методически максимальным быстродействием [Текст] / А.А. Марушенков, О.В. Захарова // Информационные технологии в науке, образовании и производстве (ИТНОП): материалы III Международной научно-технической конференции, 24-25 апреля 2008 г. - Орел: ОрелГТУ, 2008. - № 13/269 (544). -С. 156-161 (личный вклад 50 %).

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ в Реестре программ для ЭВМ Роспатента:

21. Захарова, О.В. Построение унифицированных совершенных нормальных форм [Текст] / О.В. Захарова // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012612286,2012.

22. Захарова, О.В. Формирование автоматных таблиц вычислительных операций и логических функций [Текст] / О.В. Захарова // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012612285, 2012.

23. Захарова, О.В. Программа перевода десятичной системы в систему счисления в остаточных классах с заданным основанием для АЛУ непосредственного формирования [Текст] / Д.А. Самойлов, О.В. Захарова, С.С. Солдатов, В.И. Раков И Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012617182, 2012 (личный вклад 25 %).

24. Захарова, О.В. Унифицированные программно-инструментальные средства для моделирования автоматных таблиц комбинационных схем [Текст] / О.В. Захарова, С.С. Солдатов, Д.А. Самойлов, В.И. Раков // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012618592,2012 (личный вклад 25 %).

25. Захарова, О.В. Программа перевода чисел из системы счисления в остаточных классах с произвольным основанием в десятичную систему для АЛУ непосредственного формирования [Текст] / Д.А. Самойлов, О.В. Захарова, С.С. Солдатов, В.И. Раков // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013610070, 2013 (личный вклад 25 %).

26. Захарова, О.В. Построение автоматных таблиц вычислений троичной логики для арифметико-логических устройств непосредственного формирования [Текст] / С.С. Солдатов, О.В. Захарова, Д А. Самойлов, В.И. Раков // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013611763, 2013 (личный вклад 25 %).

27. Захарова, О.В. Программные средства поддержки структурного моделирования АЛУ для троичной логики непосредственного формирования [Текст] / С.С. Солдатов, О.В. Захарова, ДА Самойлов, В.И. Раков // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013611764,2013 (личный вклад 25 %).

28. Захарова, О.В. Программный инструментарий для моделирования вычислительных средств управления [Текст] / О.В. Захарова, В.И. Раков // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2012612287,2013 (личный вклад 50 %).

29. Захарова, О.В. Программный инструментарий ПИД регулирования на базе арифметико-логического устройства непосредственного формирования [Текст] / О.В. Захарова, С.С. Солдатов, ДА. Самойлов, В.И. Раков // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2013611762,2012 (личный вклад 25 %).

Подписано в печать 06.05.2013 г. Формат 60x84 1/16.

Печатных листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 160.

ФГБОУ «Госуниверсите - УНПК» 302020, г. Орёл, Наугорское шоссе, 29.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ - УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

ПРОГРАММНЫЙ ИНСТРУМЕНТАРИЙ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ

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

На правах рукописи

04201357845

ЗАХАРОВА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент Раков Владимир Иванович

Орёл-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ВЫБОР ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ 19

Постановка задачи к главе 1 19

1.1 Системный показатель качества 19

1.2 Оценка типовых инструментальных средств моделирования 24

1.2.1 Возможности традиционного инструментария 24

1.2.2 Аналитическая оценка программных инструментальных средств 29

1.2.3 Выводы 31

1.3 Постановка задачи 33

1.3.1 Выбор приоритетного направления 34

1.3.1.1 Техническая составляющая повышения производительности 35

1.3.1.2 Методическая составляющая повышения производительности 38

1.3.1.3 Направления по выделению системного механизма, обеспечивающего достижение наименьшего времени отработки целевой функции вычислительным средством управления 41

1.3.2 Форма программного представления инструментария 43

1.3.2.1 Условная методическая оценка АСНИ 43

1.3.2.2 Нормативная составляющая АСНИ 46

1.3.2.3 Основные компоненты АСНИ как реализация программного инструментария 48 Основные результаты главы 1 50

2 ФОРМАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ 51 Постановка задачи к главе 2 51

2.1 Логические формы для построения процесса вычисления 55

2.2 Математическая модель построения результата вычислительной операции 63 2.3. Формальная модель формирования произвольных логических функций 67 2.3.1. Унифицированная логическая форма 69

2.3.2 Однородные структуры реализации 76

2.3.3 Выводы 84 Основные результаты главы 2 84

3 ФОРМАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ 85 Постановка задачи к главе 3 85

3.1 Поиск адекватной структуры для реализации вычислительной операции 88

3.2 Компонентный состав модельного процесса 101

3.3 Структура цифрового контурного регулятора 105

3.4 Моделирование АЛУ НФ 108

3.5 Обоснование осуществимости структурных решений 124

Основные результаты главы 3 127 4 АПРОБАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ИНСТРУМЕНТАРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ

СРЕДСТВ ЦИФРОВЫХ КОНТУРНЫХ РЕГУЛЯТОРОВ 130

Постановка задачи к главе 4 130

4.1 Формулы вычисления управляющих воздействий 131

4.2 Логическая структура цифрового ПИД регулятора на база АЛУ НФ 135

4.3 Программный инструментарий ПИД регулирования 135

4.3.1 Структура программной системы 138

4.3.2 Функционал программной системы 138 Основные результаты главы 4 148 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 149 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 151 ПРИЛОЖЕНИЕ А «Контуры» однородной вычислительной среды 164 ПРИЛОЖЕНИЕ Б Образы «универсальной» процессорной структуры 178 ПРИЛОЖЕНИЕ В Изменения сложности взаимодействия компонент АЛУ НФ 192 ПРИЛОЖЕНИЕ Г Инструментальные средства моделирования 208 ПРИЛОЖЕНИЕ Д Формулы ПИД регулятора для АЛУ НФ 224 ПРИЛОЖЕНИЕ Е Семантическая схема процедуры «Построение регулятора» 237 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж Семантическая схема построения блока «Настроечные параметры регулятора» 240 ПРИЛОЖЕНИЕ И Семантическая схема процедуры «Тактовый генератор» 241 ПРИЛОЖЕНИЕ К Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ 244 ПРИЛОЖЕНИЕ Л Справки о внедрении 253

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В последнее десятилетие происходит масштабное оснащение промышленных предприятий разнообразными системами автоматизации. Только в настоящее время технические разработки средств автоматизации по переоснащению производств подошли к миллионному рубежу предложений (рисунок 1). Причём, прежде всего это касается промышленных автоматизированных систем управления (АСУ), включая все производственные и обеспечивающие подразделения структуры предприятия [1].

Fir.

Промышленные систе> х .

С '«ww.google.ru -

it Яндекс № Fctc.Miit.Ru Gc.Mail.Ru [у Mail.Ru Video.Miil.Rj

+Вы Поиск Картинки Карты Play YouTube Новости Почта Диск Календарь Рщё -

Go gle Промышленные системы автоматизации Ш

Яга ngiyrjMaibi-■Е<ца " ИНСТРУМЕНТЫ почет

^^^^ > 'V

Реклама по запросу Промышленн ... ф

Системы автоматизации - siemens ru

■кт. semenslU'Auicmavcn-system

Использование систем автоматизации зданий с 4впью энергосбереж ения

Промышленные системы автоматизации SIMATIC - IADT Sign";

Jdt s «mens -у proem ts>auton efcci s тан

Сегодня под именем SffMTIC мы представляем системы комплексной автоматизации (Totally integrated Automation • НА! позволяющие создавать ...

Промышленные системы автоматизации iASi - - Siemens

ittps: *■>№. сееSiemens r.on vyeb-ua ч. IADT «аулкхЬе asp "ИНФОКОМ ЛТД ООО ! яЛсзт .-.v.v. ¡n!ocom-ltd com Solution Partner Automation System SIMAT1C Human Machine Interface SIMATiC Hf.1l Партнер ...

Ж ISoft ru;

Проектирование и внедрение комплексных систем автоматизации различного прикладного назначения Каталог продукции

ГРОМСАТ Промышленные системы автоматизации

л .« pronsat cor»

ДОБРО ПОЖАЛОВАТЬ! Компания "ПРОМСАГ специализируется в области разработки и производства современных систем и средств автоматизации ... Продукция Контакты Обзор продукции Фсрт/э ееода данные для входа

Компания ПРОСРФТ - все нербкмииое дп? промышленных ■„

йлуд prosaft ru'

Реыения дгя автоматизации технологически* пкцессов от компании ПРОСОФТ ... АСУ ТП Встраиваемые системы Компьютеры комплектующие ...

Промышленные системы автоматизации SIMATjC_

Рисунок 1 - Пример результатов запроса «Промышленные системы автоматизации» в информационно-поисковой системе Google (от 31.03.2013 г.)

Реальности автоматизации. Сложившийся порядок создания АСУ промышленным предприятием [2-6] в рамках традиционных представлений [7-1 1] наиболее выразительно отображается 5-уровневой (ярусной) структурой промышленных систем автоматизации [12-14]: уровень учёта и планирования (ресурсов предприятия, включая финансовые, материально-

технические и человеческие ресурсы) ERP - Enterprise Resource Planning; уровень управления производственными процессами MES - Manufacturing Execution Systems; уровень оперативного управления технологическими процессами MMI -Men-Maching Interface; уровень оперативного управления технологическими операциями или так называемый уровень локального управления - Control; уровень датчиков и исполнительных механизмов I/O — Input/Output, охватывающий различные средства систем автоматического управления (САУ).

На разных ярусах такой системы могут использоваться разные средства автоматизации: большие ЭВМ на вычислительных центрах АСУП; персональные компьютеры в конструктор-ско-технологических службах; индустриальные компьютеры на испытательных полигонах и в заводских лабораториях; промышленные контроллеры (ГТК) и программно-технические комплексы (ПТК) на их основе в системах управления производственными и технологическими процессами, включая уровень локального управления и уровень (интеллектуальных) датчиков и (интеллектуальных) исполнительных механизмов.

Промышленные контроллеры (ПК) отрабатывают функции, соответствующие их положению в структуре автоматизированных систем управления: 1) в высоких ярусах иерархии управления, как правило, - функции индустриальных компьютеров или индустриальных микроЭВМ по организации ярусной структуры управления и решению вопросов уровней ERP и MES; 2) в средних и нижних ярусах (MMI и Control) - функции программируемых логических контроллеров (ПЛК) по организации требуемой работы технологической автоматики и её согласованному функционированию с регуляторами нижнего уровня; 3) в нижних ярусах (Control и I/O) - функции цифровых контурных регуляторов (ЦКР) и регуляторов с экспертной технологией (нечётких регуляторов) по отработке законов регулирования и оперативной идентификации при управлении технологическими процессами (в структурах АСУТП).

Роль и место ПК в структуре АСУ обуславливают и все соответствующие сложности проектирования, внедрения и эксплуатации контроллеров. Здесь к сдерживающим применение факторам традиционно относятся способности ПК: а) «обслужить» многочисленные контуры управления, отработав для каждого контура свой закон регулирования или свои функции технологической автоматики; б) вычислить или требуемым образом отработать сложные функции, непосредственно и опосредованно связанные с последующим формированием управляющих воздействий; в) обработать сложные алгоритмы автоматизации процессов диспетчеризации, контроля, учёта и планирования для обеспечения требуемого функционирования системы. В промышленном аспекте на преодоление таких ограничивающих факторов и ориентирован рынок производимых промышленных контроллеров: их типаж, номенклатура и исполнения.

Так для оценки возможности «обслужить» многочисленные контуры управления используется конструкторский признак способности ПК к обработке определенного количества аналоговых и цифровых входов/выходов, например, СРМ2А, СРМ2С на 120-192 дискретных вхо-

до в/выходов, CQM1H на 512 дискретных входов/выходов (компания «OMRON»); SCADA Раск32Р на 512 дискретных входов и 512 дискретных выходов («ПЛКСистемы»); VersaPoint на 1024 входов/выходов, VersaMax на 2048 входов/выходов («Адвантек инжиниринг»); GW-2 на 4000 элементов на систему (НПФ ООО «JTMT»); GE Fanuc series 90-30 на 4096 дискретных входов/выходов, 2048 аналоговых входов и 512 аналоговых выходов («GE Fanuc»); CSID Duplex System на 5120 входов/выходов (НПФ ООО «Ракурс»); TREI-5B-05 на 6000 входов/выходов («ТРЭЙ ГМБХ», Пемза); DL205 и DL405 на 8192 дискретных входов/выходов («ПЛКСистемы»); GE Fanuc series 90-70 на 12000 дискретных .входов/выходов («Адвантек инжиниринг»); Modicon TSX Momentum на 26048 дискретных входов/выходов ( ЗАО «Шнейдер электрик»); ICPCON с i-7000 процессором на 32000 дискретных и 16000 аналоговых входов/выходов («ПЛКСистемы»); PACSystems RX3i на 64000 дискретных входов/выходов («Адвантек инжиниринг»); Modicon TSX Quantum на 64000 дискретных и 7000 аналоговых входов/выходов (ЗАО «Шнейдер электрик»); ICPCON с WinCON на 64000 дискретных и 16000 аналоговых входов/выходов («ПЛКСистемы») [15].

Для осуществления сложных вычислений или требуемой обработки сложных функций, сложных алгоритмов в процессах диспетчеризации, контроля, учёта и планирования системы управления представляются композициями промышленных контроллеров и средств технологической автоматики, как правило, в виде наборов конструктивных модулей, инструментальных средств оснащения и методических указаний по проектированию и сборке, называемых программно-техническими комплексами (ПТК), из которых создаются объектно-ориентированные системы управления. Другими словами, с одной стороны, промышленные контроллеры объединяют в ПТК, чтобы комплексно решать вопросы управления, а с другой, - ПТК создают, ориентируясь на возможности промышленных контроллеров.

Для оценки возможности вычисления или возможности требуемой обработки сложных функций или сложных алгоритмов автоматизации используются уже не конструкторские признаки, а попросту приводится полный перечень функциональных возможностей ПТК в соответствующих технических условиях и эксплуатационной документации: перечисляются воплощённые методы, реализованные законы, конкретные алгоритмыи конкретные функции интерфейса [15].

ПТК проектируются с ориентацией на «классы» производственных структур и процессов, а последующая адаптация ПТК под конкретные производственные условия ведёт к созданию требуемой конкретной АСУ. В свою очередь создание конкретных АСУ обеспечивается использованием традиционных средств автоматизации проектирования (САПР) [16]. При этом системы автоматизации проектирования фактически используются для выбора, интеграции и «подгонки» имеющегося парка приборов, процессорных модулей, приводных устройств и элементов технологической автоматики под конкретные требования заказчика [17].

Особенности нынешнего этапа автоматизации. В последние годы прогрессируют процессы организации функционирования организационно-технических систем, которые в известной степени способствуют изменению сложившихся представлений о проблематике разработки и использования промышленных контроллеров. Условно их можно разделить на три группы: 1) по организации функционирования инженерных объектов, в целом; 2) по организации систем автоматизации, в целом; 3) по организации цифровых контурных регуляторов

(ЦКР).

1. Организация функционирования инженерных объектов.

Исследования этой группы процессов организации функционирования организационно-технических систем показали {Раков В.И., Захарова О.В., 2013 [18, С. 13]), что современному этапу автоматизации в плане функционирования инженерных объектов характерна потребность в реализации на каждом шаге формирования управляющих воздействий:

- моделирования текущей оценки качества регулирования по всему объёму пространства состояний объекта управления, основанного на построении аналитического описания текущей поверхности состояний, и отличающегося от известных решений сравнением построенного аналитического описания текущей поверхности состояний с ожидаемыми, эталонными или граничными априорно известными характеристиками (поверхностями, функциями) при работе с «распределёнными» датчиками или сенсорными сетями; (1)

- моделирования процессов изменения регулируемых параметров, основанного на экстраполяции предыдущих значений, и отличающегося от известных решений построением формулы прогноза для определения текущего значения регулируемого параметра при распределённом управлении; (2)

- организации процесса неоднократного моделирования реакции объекта управления на сформированное управляющее воздействие для превентивной оценки возможности его применения на текущем шаге управления или регулирования. (3)

При этом существенно важным сопутствующим фактором отмеченных процессов моделирования является то, что количество операций, исполняемых промышленным контроллером для каждого момента времени опроса датчиков или формирования управляющего воздействия увеличивается не менее, чем в к3 (к - число «сетевых» датчиков) и в пг (п - предыстория (количество) полученных с датчика значений регулируемого параметра для проведения процессов экстраполяции) (Захарова О.В., 2012 [19, С. 41, 44]).

2. Организация систем автоматизации. /

Исследования этой группы процессов организации функционирования организационно-

технических систем показали {Раков В.И., Захарова О.В., 2013 [18, С. 15]), что динамически изменяющаяся локально организованная среда промышленного предприятия влечёт перемен-

ность структуры производства (то есть переменность моделей всех компонент, связей и отношений в структуре), что естественно требует регулярного (текущего) участия таких систем автоматизации, как АСНИ (автоматизированных систем научных исследований), САПР (систем автоматизированного проектирования) и АСТПП (автоматизированных систем управления технологической подготовкой производства) во всех текущих производственных процессах промышленного предприятия (рисунок 2).

Всё это обуславливает потребность организации новых процессов моделирования «на регулярной основе» в реальном времени возникающих изменений в «замкнутой» структуре производства (рисунок 2):

локально организованная

=> ТП или ОУ => схемы идентификации АСНИ =>

среда

АСТПП „ ТП локально организованная

=> => АСУП => АСУГАП АСУТП => => И (4)

САПР ОУ среда

где АСУГАП - АСУ гибкого автоматизированного производства. Время проведения процессов моделирования (г ) всех этапов (4) составит ту «регулярную основу» реального времени, которое должно систематически тратиться на изменение всех процессов управления в соответствующих АСУТП, АСУГАП, АСУП, АСТПП, САПР и АСНИ под влиянием динамически изменяющейся локально организованной среды промышленного предприятия, потому что моделирование в АСНИ совместно со схемами идентификации необходимо для формирования адекватных в текущих обстоятельствах моделей всех компонентов производственной системы (например, за время тАСИИ ); моделирование в САПР необходимо для корректирования необходимой конструкторской и технологической документации под текущие обстоятельства фактических изменений в моделях компонент системы; моделирование в АСТПП необходимо для проведения того комплекса мероприятий, который обеспечит полную технологическую готовность предприятия для выпуска требуемых изделий в текущих условиях переменности структуры (например, за время тСАПР ); моделирование в АСУП необходимо для соответствующей корректировки систем ERP и MES под текущие изменения (например, за время rERP +tmes). В

зависимости от текущих обстоятельств это время может быть ограничено даже одним минимальным тактом опроса датчиков среди всех контуров управления, в котором, может быть зафиксировано изменение регулируемого объекта управления и требуется оперативная корректировка его математической модели (5):

Т = ТАСНИ + ТСЛПР + *ERP + ^ MES ^ mjn 1 j » (5)

где j