автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Разработка алгоритмического и программного обеспечения распределенной системы управления резинотехническим производством

На правах рукописи

ОД

»1 о

/ п

?щ

КОРОВИН Константин Валерьевич

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИМ ПРОИЗВОДСТВОМ

Специальности: 05.13.14 - «Системы обработки информации и управления»

05.13.07- «Автоматизация технологических процессов и производств (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ

*

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 2000

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Бурковский В. Л.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Матвеев М.Г. кандидат технических наук Бобровников Н.Р.

Ведущая организация

Федеральный научно-производственный центр НПК(О) «Энергия» (Воронеж)

Защита диссертации состоится 29 июня 2000 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета К063.81.04 при Воронежском государственном техническом университете по адресу: 394026 г. Воронеж, Московский проспект, 14, ВГТУ, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Воронежского государственного технического униве-рситета.

Автореферат разослан «29» мая 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Бурковский В.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка и модернизация систем оперативного управления является одной из приоритетных задач нашей науки и промышленности, так как направлено на повышение экономической эффективности производства.

Современные системы оперативного управления промышленным производством, в том числе и резинотехническим, должны обеспечивать сбор и обработку больших объемов информации, ее хранение и представление в удобном для обслуживающего персонала виде. Кроме того, они предназначены для постоянного отслеживания состояния объекта управления и своевременного реагирования на все его изменения.

Важно отметить, что современное резинотехническое производство представляет собой систему территориалъно-распределенных технологических объектов, что требует создания распределенных систем управления. Такие системы должны обладать свойствами повышенной надежности и отказоустойчивости, а также быть гибкими и легко настраиваемыми.

В связи с этим актуальным является проблема разработки средств алгоритмического и программного обеспечения для распределенных систем управления резинотехническим производством, обладающими необходимыми таким системам свойствами.

Тематика диссертации связана с реализацией разделов комплексной программы Министерства'образования Российской Федерации «Информатизация России» и соответствует научному направлению Воронежского государственного технического университета «Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы для управления технологическими процессами».

Целью работы явля-.тся разработка моделей и алгоритмов, реализующих высоконадежное функционирование распределенной системы управления резинотехническим производством, а также средств информационного обеспечения.

Исходя из цели работы, определены следующие основные задачи:

исследование методов и алгоритмов моделирования и управления распределенными технологическими объектами, структурно-функциональный анализ резинотехнического

производства, а также средств программного обеспечения АСУ распределенными производственными системами;

разработка структуры и состава системы управления распределенными объектами резинотехнического производства;

разработка алгоритмов управления аппаратом приготовления резиновых смесей и адаптивного алгоритма высокоточного взвешивания;

создание программного обеспечения информационно-управляющей системы распределенными технологическими объектами резинотехнического производства.

Методы исследования основаны на использовании математической теории систем, системного анализа, вычислительной математики, теории графов, математического моделирования, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

результаты структурно-функционального анализа объекта исследования как системы с территориально-распределенными технологическими объектами, положенные в основу при разработке системы управления;

структура распределенной информационно-управляющей системы, обеспечивающей высоконадежное функционирование всех компонентов резинотехнического производства;

алгоритм высокоточного дозирования компонентов резинотехнических смесей, отличающийся повышенной точностью процесса взвешивания, а также существенным сокращением обработки информации;

алгоритм управления аппаратом приготовления резиновых смесей, отличающийся воспроизведением технологичес:,ж рецептов в виде последовательной обработки логических операций;

структура проблемно-ориентированной СУБД, позволяющей реализовать режим распределенного управления;

средства программного обесечения автоматизи): званного тер-риториально-распределенного резинотехнического производства.

Практическая ценность. Предложенная универсальная трехуровневая система моделирования позволяет создавать модели сложных систем из набора одинаковых элементов и дает возможность быстрого перехода от модели к системе управления, которая строится по тем же самым принципам и из того же набора элементов.

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение распределенной системы управления резинотехническим производством может быть использовано при создании информационно-управляющих систем различных распределенных технологических процессов. В частности, оно может применяться для автоматизации различных процессов смешения по технологическим рецептам, для управления системами транспортировки сырья и готовой продукции.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в виде распределенной информационно-управляющей системы

приготовления резиновых смесей ОАО «Воронежшина».

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет двести десять тысяч рублей в ценах мая 2000 г. Эффект достигается за счет рационального использования материалов, увеличения производительности работы и уменьшения времени простоя оборудования подготовительного цеха.

Апробация работы. Положения работы доложены и обсуждены на Третьей Всероссийской конференции «Разработка АСУТП в системе Трейс Моуд: Задачи и Перспективы» (Москва, 1997); II Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1997); III Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1998); IV Международной электронной научной конференции «Современные проблемы .информатизации» (Воронеж, 1999), а также на научных семинарах кафедры ABC ВГТУ в 1997-2000 гг.

Публикации. По теме диссертационных исследований опубликовано 11 печатных работ.

Структура :: объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня библиографических источников из 110 наименований и содержит 113 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 4 таблицы и приложения на 56 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационного исследования, дается краткая характеристика работы и излагается ее основное содержание.

В первой главе анализируются методы моделирования распределенных технологических объектов, проводится сравнение аналитического и имитационного методов моделирования, приводятся основные способы построения имитационных моделей. Проведены структурно-функциональный анализ резинотехнического

производства как объекта управления и анализ средств программного обеспечения АСУ распределенными производственными системами. Сформулированы основные цели и задачи исследования.

К настоящему времени сложилось два подхода к исследованию реальных сложных систем и построению их математических моделей: аналитический и имитационный.

Ввиду того, что явления в технологическом объекте сложны и многообразны, на алгоритмы формирования аналитической модели накладываются жесткие ограничения, которые становятся слишком грубым приближением к действительности. В этом случае используются имитационные модели, реализующие состояния реальной системы.

Имитационное моделирование, самой постановкой задачи ч и определением возможных методов ее решения, предполагает алгоритмическую и, соответственно, программную реализацию. Моделирующие алгоритмы позволяют по исходным данным, содержащим сведения о начальном состоянии системы, и фактическим значениям ее параметров отобразить реальные явления в объекте и получить сведения о возможном его поведении в данной конкретной ситуации, на основании которых возможно принятие соответствующего решения по управлению.

Современное резинотехническое производство можно описать как сложную систему управления, в которой в качестве объекта управления выступает материально-производственная система, а роль регулятора выполняет информационно-упра шлющая система.

При описании технологического процесса приготовления резинотехнических смесей каждую операцию можно характеризовать производственными звеньями. Этими звсньх яи могут быть весы, смесители, транспортные средства, склады и т.п. Производственный процесс связан с движением продуктов производства через звенья от входов к выходам. Процессы перемещения продукта оцениваются затратами времени на выполнение технологических операций в производственных звеньях. Такое представление производственного процесса соответствует понятию материального потока, характеристиками ко-

торого являются интенсивности перемещения единиц потока и временные задержки в звеньях.

Характер преобразования продуктов в производственных звеньях позволяет отнести их к трем различным группам: обрабатывающим звеньям, звеньям хранения и звеньям манипулирования.

Рассматривая резинотехническое производство как совокупность технологических звеньев, можно четко выделить отдельные технологические линии и транспортные системы. Каждая такая линия или система представляет собой самостоятельный технологический объект, который связан с другими объектами материальными потоками. Таким образом, резинотехническое производство представляет собой систему с территориально-распределенными технологическими объектами.

Производство резинотехнических смесей является дискретным производством и характеризуется дискретным по времени изменением характеристик единиц материального потока. Таким образом, описание предметной области моделирования резинотехнического производства связано с анализом материальных потоков и состояний оборудования в системе.

ТРЕЙС МОУД созданная фирмой AdAstra Research Group, является инструментальной системой предназначенной для разработки распределенных АСУТП широкого назначения. Система содержит обширный набор инструментов, автоматизирующих наиболее сложные этапы создания системы управления, - процесс приема и обработки сигналов, организации автоматического управления исполнительными устройствами, графической визуализации измеренных величин, ведения архивов и генерирования отчетов.

При помощи ТРЕИС МОУД возможно разрабатывать распределение сетевые системы реального времени, на базе любых, контроллеров. Сетевые комплексы могут работать под управление>. практически любых сетевых ОС, включать в себя до 200 станций с обменом в режиме «точка-точка». Кроме того, в системе предусмотрены сотни других функций, способных подчинить воле разработчик л любой технологический процесс.

Это позволяет использовать данное программное обеспечение как основу для создания распределенной системы управления резинотехническим производством.

Вторая глава посвяш\щена анализу структуры распределенной системы управления резинотехническим

производством в целом, а также подсистемы управления линией смешения и подсистемы управления материальными потоками

Одной из основных задач в рамках создания АСУТП резинотехническим производством является разработка структуры распределенной системы управления технологическим процессом (Рис. 1). При этом основными критериями являются отказоустойчивость системы, достоверность получаемой оперативной и архивной информации, совместимость с имеющимися техническими средствами и их максимальное использование в новой АСУ ТП.

Рис. 1. Структура распределенной системы управления Для облегчения разработки, создания и отладки все алгоритмы подсистемы управления линией смешения были разбиты на логически и функционально законченные части, каждая из которых отвечает за выполнение определенной задачи управления. Например, в рамках подсистемы управления линиями смешения выделено 9 алгоритмических модулей управления (Рис. 2).

Все модули функционируют параллельно в режиме реального времени и используют общую систему ввода-вывода (дискретные и аналоговые сигналы) для обмена информацией с объектом управления. Связь между различными модулями управления

осуществляется через систему флагов и общих глобальных переменных.

Рис. 2. Структура подсистемы управления линией смешения

Транспортная система представляет собой асинхронную систему, в математической модели которой в качестве базовой информации используются данные о логической взаимосвязи событий в системе. Необходимые в модели моменты и интервалы времени также представляются в виде событий, а их взаимосвязи с другими событиями описываются в форме логических отношений.

Формализованное описание процессов функционирования транспортной системы реализует аппарат сетеч Петри.

Сеть Петри формально описывается набором вида N = <Р, Т, Е, Мо>, где Р - непустое конечное множество позиций; Т - непустое конечное множество переходов; Е с (Р х Т) (Т у. Р) - отношение инцидентности позиций и переходов; Л/0 - начальная маркировка, Ма: />->N,N={0, 1,2,...}.

Рассмотрим процесс создания модели ка примере элемента транспортной системы с помощью сетей Петри. В качестве элемента моделирования выберем конвейер как наиболее распространенный. Сеть Петри, представляющая модель конвейера, показана на рис.3, где Р1 - конвейер свободен, р? - тележка загружена, рз - тележка у конеч-

ника, р4 - имеется тележка для загрузки, р5 - можно разгружать конвейер, ¡1 ~ загрузка тележки, 6 - перевозка тележки, tз ~ выгрузка тележки.

Рис. 3. Модель конвейера в виде сети Петри

После построения моделей отдельных элементов, синтезируется общая модель материальных потоков в транспортной системе, на основе которой строится система управления.

В третьей главе приводится формализованное описание процессов функционирования распределенной системы обработки информации и управления. Рассматриваются алгоритмы управления аппаратом приготовления резиновых смесей и адаптивный алгоритм высокоточного взвешивания.

Рассматриваемая здесь имитационная модель реализует модульный принцип моделирования, что позволяет создавать модели объектов управления из набора однотипных модулей, каждый из которых представляет собой модель определенного технологического оборудования.

Каждый модуль структурно описывается совокупностью четырех векторов:

М; = а О, Б, С}, (1)

где I - вектор входных сигналов, О - вектор выходных сигналов, 8 - вектор внутренних состояний модуля, С - вектор алгоритмов поведения модуля.

Главной особенностью предлагаемой системы моделирования является ее универсальность и возможность быстрого перехода от модели к системе управления, которая строится по тем же самым принципам и из того же набора элементов.

Переход от модели к системе управления, которая в общем виде описывается формулой:

М' = {1',0',8',С'}, (2)

может быть осуществлен на основе следующих преобразований: Г = О, О' = I, в' = в, где I, О, Б - вектора из модели, описываемой формулой (1).

Данная методика построения моделей технологического оборудования и соответствующих им систем управления является основой для построения общей модели распределенного объекта управления. Для решения этой задачи реализованы также сети Петри, примененные ранее как средства моделирования материальных потоков (Рис. 4).

Рис. 4. Модель технологической линии в виде сети Петри Данная технологическая линия включает двое весов, два конвейера и смеситель.

Временная диаграмма работы модели технологическая линии » представлена на рис. 5. Следует обратить внимание, что технологическое оборудование работает параллельно, что позволяет сократить общее время цикла смешения.

Весы 1 Весы 2 Конвейер 1 Конвейер 2 Смеситель

1ЧМ

!6 1 | Ь, / | '.-М-

М 14 14 1*3 | 14 |

М ъ N0 N '<, |

Первый замес

К

1М : I

Цо ГЦТГН

.152

Ш

Второй замес

Рис. 5. Временная диаграмма работы модели технологической

линии

1з

I

Построение моделей систем с распределенными технологическими объектами позволяет изучить их основные свойства, необходимые для создания информационно-управляющих систем, а также использовать данные модели в качестве эталона правильной работы объ-скта.управления.

Современная технология резинотехнического производства для обеспечения высокого качества продукции требует наличия высококачественных маточных резиновых смесей. Основным технологическим элементом линии по изготовлению маточных резиновых смесей является смеситель закрытого типа.

Программно-алгоритмическое обеспечение системы управления должно поддерживать трансляцию последовательности технологических операций в соответствующие им минимальные логические действия оборудования (минилоги) (Рис. 6).

Рис. 6. Структура алгоритмов управления смесителем Это достигается решением следующих задач:

1. Представление объекта динамическими векторами управления и состояния.

2. Декомпозиция векторов на программно-алгоритмические составляющие, эквивалентные технологическим минилогам.

3. Создание программы-диспетчера, которая обрабатывает коды команд и управляет векторами состояния.

4. Создание системы слежения за совпадением требуемого состояния оборудования с действительным.

Получение многокомпонентной смеси по заданному рецепту с высокой точностью является актуальной проблемой для многих отраслей промышленности (пищевая, шинная, химическая). При этом суммарная навеска составляет от 15 до 1000 кг.

Основным показателем процесса дозирования любых веществ является производительность системы подачи материала на весы. Определение производительности по аналитическим формулам практически невозможно из-за неизвестности ряда законов её изменения и их параметров.

Создание алгоритма точного дозирования, при условии неизменности характеристик взвешиваемого вещества, основывается на предварительном тестировании работы оборудования. Для этого производят два контрольных взвешивания и на основании полученных данных определяют зависимость показаний весов от времени:

(3)

12 г,

Данная формула учитывает все статические погрешности, которые возникают при взвешивании. Однако, при реальной работе оборудования возникают случайные погрешности, связанные с изменением параметров материала в процессе дозирования. Это приводит к тому, что производительность системы в стационарном режиме не является постоянной, а изменяется по случайному закону.

» Решением данной проблемы является расчет значения произ-

водительности на основании показаний весов во время процесса дозирования.

Динамическое вычисление производительности системы позволяет компенсировать неравномерность поступления материала на весы и организовать процесс управления взвешиванием на основе расчета времени окончания дозирования. По формуле „ _ ^ ~ ^о опрс-

деляется производительность в любой момент времени . Зная требуемый вес (7, расчитывается время окончания дозирования у _ ^ .

Применение данного метода определения момента завершения взвешивания повышает точность дозирования и позволяет уменьшить частоту опроса показаний весов.

Четвертая глава содержит подробные описания структуры распределенной информационно-управляющей системы

приготовления резиновых смесей, структуры средств технического обеспечения и структуры программного обеспечения.

Приготовление резиновых смесей является основой шинного производства. Данный технологический процесс осуществляет сложная территориально-распределенная производственная система, которая состоит из нескольких технологических линий смешения, транспортной системы и складских помещений (Рис. 7).

Ж

•. резп>ювых:; .....раиуп ;

I Дозатор:-, I

УСО . . Трйнсп. сьибй

л... _;

I Д« ]

[ лез 1 | Яса

Комо: КОМП; 2.

трд.нсп- Храясл..:

. систем' •■ри<ггем '

■:.усо

ЛС2

£___

у у

УСО ■ЛСЗ"

■УСО * ЯСМ

мш

Рис. 7. Структурная схема системы приготовления резиновых смесей и распределенной АСУТП

Информационно-управляющая система реализует следующие функции:

• своевременное получение всей необходимой для технологического процесса информации;

• синхронизация работы всех агрегатов в распределенной технической системе;

• обеспечение максимальной надежности и отказоустойчивости системы, т.е. возможность работы ее частей в автономном режиме.

Система, структура программного обеспечения которой изображена на рис. 8, а структура технических средств - на рис. 9, представляет собой совокупность самостоятельных, имеющих возмож-

ность работать автономно подсистем, которые, в то же время, тесно интегрированы между собой, и представляют собой строгую единую информационно-управляющую структуру.

"п^ррл-'^шн-и''утгряк К'Щ] Я |

ш \jipir <ашя |>Ы(|>..к> 1 Мич

М 411 1 1

Ч< 1\ 1 г<

]•> > II

М.-ч\ I' I '.

*>*.! 111

Рис. 8. Структура программного обеспечения распределенной системы управления

Щ

Активная мнемосхема

Сервер

Подсистема верхнего уровня Подсистема распределения

Технологическое оборудование цеха

Рис. 9. Структура средств технического обеспечения Разработанная информационно-управляющая система представляет собой многоуровневую распределенную систему, которая позволяет собирать и хранить всю необходимую в ходе технологического процесса информацию, а также обеспечивает

максимальную надежность и отказоустойчивость работы. Эффективность работы системы управления подтверждается данными сравнительного анализа, приведенными в табл. 1.

Таблица 1.

Параметры системы Традиционные системы управления Распределенная информационно-управляющая система

'лруктура системы Многоуровневая, централизованная. иерархическая Многоуровневая, распределенная, равноправная

возможность ручно-о управления Имеется Имеется

'озможность авто-омной работы под- истем Отсутствует Имеется

"Структура базы дан- 1ЫХ Единая централизованная база данных Многоуровневая распределенная база данных с автоматической репликацией

Унификация используемого оборудования Только для систем ввода-вывода Взаимозаменяемость аппаратуры всех подсистем на любом уровне

Вероятность останова всей системы при 95% надежности подсистем 5% - из-за вероятности останова центральной подсистемы управления 1% - для системы, состоящей из 5 подсистем управления линиями и центральной подсистемы

Производственные потери при аварии «центрального» компьютера 100% - без перехода на ручной режим, 50-70% -при переключении всей системы на ручной 0% - при переводе оставшихся подсистем в автономный режим работы

Внедрение системы в опытную эксплуатацию на ОАО «Воро-

нежшина» позволило получить ожидаемый годовой экономический эффект в объеме два ти десять тысяч рублей в ценах мая 2000 г.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе структурно-функционального анализа резинотехнического производства как объекта управления предложена структура распределенной системы управления, которая учитывает дискретность, периодичность и серийность рассматриваемого технологического процесса.

2. Предложена универсальная модульная имитационная модель для описания процессов функционирования распределенной системы обработки информации и управления, которая является совокупностью одинаковых элементарных универсальных объектов - каналов.

3. Разработаны алгоритмы управления аппаратом приготовления резиновых смесей, которые позволяют выполнять технологические рецепты, то есть транслировать последовательность технологических операций в соответствующие им минимальные логические действия оборудования.

4. Разработан адаптивный алгоритм высокоточного взвешивания, использующий динамическое вычисление производительности системы, которое позволяет компенсировать неравномерность поступления материала на весы и организовать процесс управления взвешиванием на основе расчета времени окончания дозирования, что повышает его точность и позволяет уменьшить частоту опроса показаний весов.

5. Реализована распределенная информационно-управляющая система приготовления резиновых смесей, которая состоит из главной диспетчерской инфрмационной подсистемы, подсистемы управления транспортным оборудованием и пяти подсистем управления линиями смешения.

6. Распределенная система управления технологическим процессом приготовления резиновых смесей внедрена в опытную эксплуатацию на ОАО «Воронежшина» с ожидаемым годовым экономическим эффектом двести десять тысяч рублей в ценах мая 2000 г.

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

1. Гусев С И., Коровин К.В., Чепелев С.А., Бурковский В.Л. Алгоритмизация задачи управления аппаратом приготовления резиновых смесей для шинного производств* // Межвузовский сборник научных трудов «Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах». Воронеж, 1997. С. 109-113.

2. Гусев С.И., Коровин К.В., Чепелев С.А., Бурковский В.Л. Алгоритмизация оптимального управления в промышленной микропроцессорной системе многокомпонентного взвешивания. // Межвузовский сборник научных трудов «Оптимизация и моделирование в автоматизированных системах». Воронеж, 1997. С. 114-118.

3. Гусев С И., Коровин К.В., Бурковский B.JI. Управление сложным технологическим оборудованием на основе пакета TRACE MODE. // Межвузовский сборник научных трудов «Системы управления и информационные технологии». Воронеж, 1997. С. 120-123.

г. Гусев С.И., Коровин К.В., Чепелев С.А. Система управления линией производства резиновых смесей. И Тезисы докладов II Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1997. С. 35. Гусев С.И., Коровин К.В. Информационная модель технологического процесса производства маточных резиновых смесей. // Тезисы докладов II Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1997. С. 124.

6. Коровин К.В. Программно-аппаратный комплекс управления технологическим процессом изготовления резинотехнических смесей // Тезисы докладов III Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1998.С. 47.

7. Бурковский B.JI., Коровин К.В. Имитационная модель процессов высокоточного дозирования и изготовления резинотехнических смесей // Тезисы докладов III Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1998. С. 54.

8. Коровин К.В. Структура программного обемпечения системы управления производством резинотехнических смесей // Межвузовский сборник научных трудов «Информационные технологии моделирования и управления». Воронеж, 1998. С. 24-29.

9. Бурковский B.JL, Коровин К.В. Математическое моделирование технологического процесса приготовления смесей для резинотехнического производства. // Межвузовский сборник научных трудов «Системы управления и информационные технологии». Воронеж,

1998. С. 32-36.

10. Корова К.В., Гусев С.И. Особенности построения распределенной системы управления технологическим процессом изготовления резинотехнических смесей // Тезисы докладов IV Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1999.С. 45.

11. Коровин К.В., Бурковский B.JI. Применение сетей Петри в математической модели системы изготовления резинотехнических смесей // Тезисы докладов IV Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизашйл/. Вбррнсж,

1999.С. 120.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ

ОБЪЕКТАМИ.

1Л. Методы моделирования распределенных технологических объектов.

1.2. Структурно-функциональный анализ резинотехнического производства как объекта управления.

1.3. Анализ средств программного обеспечения АСУ распределенными производственными системами.

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. СТРУКТУРА И СОСТАВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИМ ПРОИЗВОДСТВОМ.

2.1. Структура распределенной системы управления.

2.2. Подсистема управления линией смешения.

2.3. Подсистема управления материальными потоками в транспортной системе.

Выводы.

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИМ ПРОИЗВОДСТВОМ.

3.1. Формализованное описание процессов функционирования распределенной системы обработки информации и управления.

3.2. Алгоритмы управления аппаратом приготовления резиновых смесей.

3.3. Адаптивный алгоритм высокоточного взвешивания.

Выводы.

ГЛАВА 4. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРИГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ.

4.1. Структура распределенной информационно-управляющей системы приготовления резиновых смесей.

4.2. Структура средств технического обеспечения системы управления.

4.3. Структура программного обеспечения распределенной системы управления.

Выводы.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Разработка и модернизация систем оперативного управления является одной из приоритетных задач нашей науки и промышленности, так как направлено на повышение экономической эффективности производства.

Современные системы оперативного управления промышленным производством, в том числе и резинотехническим, должны обеспечивать сбор и обработку больших объемов информации, ее хранение и представление в удобном для обслуживающего персонала виде. Кроме того, они предназначены для постоянного отслеживания состояния объекта управления и своевременного реагирования на все его изменения.

Важно отметить, что современное резинотехническое производство представляет собой систему территориально-распределенных технологических объектов, что требует создания распределенных систем управления. Такие системы должны обладать свойствами повышенной надежности и отказоустойчивости, а также быть гибкими и легко настраиваемыми.

В связи с этим актуальным является проблема разработки средств алгоритмического и программного обеспечения для распределенных систем управления резинотехническим производством, обладающими необходимыми таким системам свойствами.

Тематика диссертации связана с реализацией разделов комплексной программы Министерства образования Российской Федерации «Информатизация России» и соответствует научному направлению Воронежского государственного технического университета «Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы для управления технологическими процессами».

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является разработка моделей и алгоритмов, реализующих высоконадежное функционирование распределенной системы управления резинотехническим производством, а также средств информационного обеспечения.

Исходя из цели работы, определены следующие основные задачи: исследование методов и алгоритмов моделирования и управления распределенными технологическими объектами, структурно-функциональный анализ резинотехнического производства, а также средств программного обеспечения АСУ распределенными производственными системами; разработка структуры и состава системы управления распределенными объектами резинотехнического производства; разработка алгоритмов управления аппаратом приготовления резиновых смесей и адаптивного алгоритма высокоточного взвешивания; создание программного обеспечения информационно-управляющей системы распределенными технологическими объектами резинотехнического производства.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ основаны на использовании математической теории систем, системного анализа, вычислительной математики, теории графов, математического моделирования, объектно-ориентированного программирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В диссертации получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной: результаты структурно-функционального анализа объекта исследования как системы с территориально-распределенными технологическими объектами, положенные в основу при разработке системы управления; структура распределенной информационно-управляющей системы, обеспечивающей высоконадежное функционирование всех компонентов резинотехнического производства; алгоритм высокоточного дозирования компонентов резинотехнических смесей, отличающийся повышенной точностью процесса взвешивания, а также существенным сокращением обработки информации; алгоритм управления аппаратом приготовления резиновых смесей, отличающийся воспроизведением технологических рецептов в виде последовательной обработки логических операций; структура проблемно-ориентированной СУБД, позволяющей реализовать режим распределенного управления; средства программного обесечения автоматизированного территориаль-но-распределенного резинотехнического производства.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Предложенная универсальная трехуровневая система моделирования позволяет создавать модели сложных систем из набора одинаковых элементов и дает возможность быстрого перехода от модели к системе управления, которая строится по тем же самым принципам и из того же набора элементов.

Разработанное алгоритмическое и программное обеспечение распределенной системы управления резинотехническим производством может быть использовано при создании информационно-управляющих систем различных распределенных технологических процессов. В частности, оно может применяться для автоматизации различных процессов смешения по технологическим рецептам, для управления системами транспортировки сырья и готовой продукции.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в виде распределенной информационно-управляющей системы приготовления резиновых смесей ОАО «Воронежшина».

Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет двести десять тысяч рублей в ценах мая 2000 г. Эффект достигается за счет рационального использования материалов, увеличения производительности работы и уменьшения времени простоя оборудования подготовительного цеха.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Положения работы доложены и обсуждены на Третьей Всероссийской конференции «Разработка АСУТП в системе Трейс

Моуд: Задачи и Перспективы» (Москва, 1997); II Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1997); III Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1998); IV Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 1999), а также на научных семинарах кафедры ABC ВГТУ в 1997-2000 гг.

Разработанная распределенная система управления технологическим процессом приготовления резиновых смесей проходит опытную эксплуатацию на ОАО «Воронежшина».

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационных исследований опубликовано 11 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня библиографических источников из 110 наименований и содержит 113 страниц машинописного текста, 44 рисунка, 4 таблицы и приложения на 56 страницах.

Выводы

1. Предложенные в работе подходы к созданию систем управления позволяют реализовать все функции распределенной системы управления технологическим процессом приготовления резиновых смесей.

2. Сформированная структура комплекса технических и программных средств обеспечивает практическое применение распределенной информационно-управляющей системы.

3. Разработанные алгоритмы управления реализованы в программном обеспечении подсистем линий смешения и позволяют организовать рациональную работу технологического оборудования.

102

4. Универсальная библиотека, реализованная на языке С, является базовым элементом при построении сложных систем дискретного управления в реальном времени на основе SCADA-системы Trace Mode.

5. Распределенная система управления технологическим процессом приготовления резиновых смесей в рамках действующего производства позволяет существенно сократить простои технологического оборудования и повысить качество выходного продукта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе поставлена и решена задача разработки алгоритмического и программного обеспечения распределенной системы управления резинотехническим производством.

В рамках проведенных исследований получены следующие результаты:

1. На основе структурно-функционального анализа резинотехнического производства как объекта управления предложена структура распределенной системы управления, которая учитывает дискретность, периодичность и серийность рассматриваемого технологического процесса.

2. Предложена универсальная модульная имитационная модель для описания процессов функционирования распределенной системы обработки информации и управления, которая является совокупностью одинаковых элементарных универсальных объектов - каналов.

3. Разработаны алгоритмы управления аппаратом приготовления резиновых смесей, которые позволяют выполнять технологические рецепты, то есть транслировать последовательность технологических операций в соответствующие им минимальные логические действия оборудования.

4. Разработан адаптивный алгоритм высокоточного взвешивания, использующий динамическое вычисление производительности системы, которое позволяет компенсировать неравномерность поступления материала на весы и организовать процесс управления взвешиванием на основе расчета времени окончания дозирования, что повышает его точность и позволяет уменьшить частоту опроса показаний весов.

5. Реализована распределенная информационно-управляющая система приготовления резиновых смесей, которая состоит из главной диспетчерской инфрмационной подсистемы, подсистемы управления транспортным оборудованием и пяти подсистем управления линиями смешения.

6. Распределенная система управления технологическим процессом приготовления резиновых смесей введена в опытную эксплуатацию на ОАО

104

Воронежшина». Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет двести десять тысяч рублей в ценах мая 2000 г.

1. Анзимиров Л., Айзин В., Фридлянд А. Новая версия TRACE MODE для Windows NT // СТА. 1998. №3. С. 56-59.

2. Антонов В.Н., Скоробогатый A.C., Терехов В.А. Комплексы технических средств АСУ ТП. Л.: ЛЭТИ, 1984. 76 с.

3. Атовмян И.О., Вайрадян A.C., Руднев Ю.П. и др. Надежность автоматизированных систем управления. М.: Высшая школа, 1989. 287 с.

4. Баранов ГЛ., Макаров A.B. Структурное моделирование сложных динамических систем. К.: Наукова думка, 1986. 272 с.

5. Барский А.Б. Планирование параллельных вычислительных процессов. М.: Машиностроение, 1980. 190 с.

6. Богуславский Л.Б., Дрожжинов В.И, Петров Ю.А. Принципы конструирования распределенных автоматизированных систем управления // Проблемы информационных систем / МЦНТИ, 1985. №3. С.7-37.

7. Богуславский Л.Б., Дрожжинов В.И. Основы построения вычислительных сетей для автоматизированных систем. М.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.

8. Бойченко Е.В., Кальфа К., Овчинников В.В. Локальные вычислительные сети. М.: Радио и связь, 1995. 304 с.

9. Ю.Бунин В., Анопренко В., Ильин А., Салова О., Чибисова Н., Якушев А. SCADA-системы: проблема выбора// СТА. 1999. №4. С. 6-24.

10. Бусленко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. 256 с.

11. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. 399 с.

12. Вайрадян A.C., Коровин A.B., Удалов В.Н. Эффективное функционирование управляющих мультипроцессорных систем. М.: Радио и связь, 1984. 328 с.

13. Васильев Д.В., Сабинин О.Ю. Ускоренное статистическое моделирование систем управления. JL: Энергоатомиздат, 1987. 136 с.

14. Вельбицкий И.В. Технология программирования. Киев: Техшка, 1984. 376 с.

15. Верлань А.Ф., Москалюк С.С. Математическое моделирование непрерывных динамических систем. К.: Наукова думка, 1988. 288 с.

16. Герхардт Х.-Д. Комби-сети обобщение сетей Петри для развития и представления комбинированных математических моделей / Теория сложных систем и методы их моделирования // Тр. семинара / ВНИИСИ. АН СССР. М., 1983. С.49-57.

17. Головкин Б.А. Надежное программное обеспечение // Зарубежная радиоэлектроника. 1978. №12. С.3-61.

18. Головкин Б.А. Параллельная обработка информации. Программирование, вычислительные методы, вычислительные системы // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, 1979. №2. С. 116.

19. Гусев С.И., Коровин К.В. Информационная модель технологического процесса производства маточных резиновых смесей. // Тезисы докладов II Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1997. С. 124.

20. Гусев С.И., Коровин К.В., Бурковский B.JI. Управление сложным технологическим, оборудованием на основе пакета TRACE MODE. // Межвузовский сборник научных трудов «Системы управления и информационные технологии». Воронеж, 1997. С. 120-123.

21. Гусев С.И., Коровин К.В., Чепелев С.А. Система управления линией производства резиновых смесей. // Тезисы докладов II Республиканской электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1997. С. 35.

22. Дейт К. Введение в системы баз данных: Пер. с англ. М.: Наука, 1990. 574 с.

23. Денисов A.A., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления: Учебное пособие для вузов. JL: Энергоиздат, 1982.

24. Деруссо П., Рой Р., Клоуз Ч. Пространство состояний в теории управления. М.: Наука, 1980. 620 с.

25. Директор С., Рорер Р. Введение в теорию систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. 674 с.

26. Думлер С.А. Управление производством и кибернетика. М.: Машиностроение, 1969. 424 с.

27. Емельянов C.B., Калашников B.B. Исследование сложных систем с помощью моделирования // Итоги науки. Сер. Техн. кибернетика / ВИНИТИ. М., 1981. Т.14. С.158-209.

28. Заде J1.A. Понятие состояния в теории систем // Общая теория систем, Мир, 1976. С.49-65.

29. Зайцев A.B. Новый уровень интеграции систем управления производством // СТА. 1997. №1. С. 22-26.35.3елковиц М., Шоу А., Геннон Дж. Принципы разработки программного обеспечения: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 547 с.

30. Зингер И.С., Куцык Б.С. Обеспечение достоверности данных в автоматизированных системах управления производством. М.: Наука, 1984. 132 с.

31. Золотарев C.B. Интегрированные пакеты АСУ ТП в ОС QNX // СТА. 1996. №1. С. 36-40.

32. Имитационное моделирование производственных систем / Под ред. A.A. Васильева. М.: Машиностроение, 1983. 416 с.

33. Кадыров A.A. Машинные методы моделирования и исследования структурно-сложных систем. Ташкент: Фан, 1989. 100 с.

34. Казаков И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. М.: Наука, 1985. 432 с.

35. Козлов С.С. Отказоустойчивые вычислительные системы // Техника средств связи. Сер. ВТСС. 1983. Вып.1. С.3-9.

36. Коровин A.B., Удалов В.Н. Рациональная организация решения взаимосвязанных задач в мультипроцессорной вычислительной системе // Вопросы теории и построения АСУ. М.: Атомиздат, 1986. Вып.1. С.30-36.

37. Коровин К.В. Программно-аппаратный комплекс управления технологическим процессом изготовления резинотехнических смесей // Тезисы докладов III Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1998. С. 47.

38. Коровин K.B. Структура программного обеспечения системы управления производством резинотехнических смесей // Межвузовский сборник научных трудов «Информационные технологии моделирования и управления». Воронеж, 1998. С. 24-29.

39. Коровин К.В., Бурковский B.JI. Применение сетей Петри в математической модели системы изготовления резинотехнических смесей // Тезисы докладов IV Международной электронной научной конференции «Современные проблемы информатизации». Воронеж, 1999.С. 120.

40. Котов В.Е. Сети Петри. М.: Наука, 1984. 160 с.

41. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: Мир, 1978. 432 с.

42. Крот A.M. Дискретные модели динамических систем на основе полиномиальной алгебры. Мн.: Навука i тэчшка, 1990. 312 с.

43. Кузнецов А.Ю. SCADA-системы: программистом можешь ты не быть. // СТА. 1996. №1. С. 32-35.

44. Липаев В.В. Надежность программного обеспечения АСУ. М.: Энергоатом-издат, 1991. 435 с.

45. Локотков A.B. GENESIS32: нечто большее, чем просто SCADA-система // СТА. 1998. №3. С. 72-81.

46. Локотков A.B. GENIE 3.0: гармония простоты и эффективности // СТА. 1998. №3. С. 62-68.

47. Локотков A.B. Что должна уметь система SC ADA // СТА. 1998. №3. С. 4446.

48. Майерс Г. Надежность программного обеспечения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 367 с.

49. Макарьев К. Разрешите представить: RTWin // СТА. 1998. №3. С. 48-53.

50. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988. 232 с.

51. Максимей И.В. Математическое моделирование больших систем. Мн.: Вы-шэйшая школа, 1985. 119 с.

52. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. 479 с.

53. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач / А.Н. Тихонов, В.Д. Кальнер, В.Б. Гласко и др. М.: Машиностроение, 1990. 264 с.

54. Моделирование материальных потоков в гибких производственных системах / Метод. Указания 299044-05-М-85 / ЦНИИ «Румб». Л., 1985. 76 с.

55. Музыкин С.Н., Родионова Ю.М. Моделирование динамических систем. Ярославль: Верх.-Волж. кн. изд-во, 1984. 304 с.

56. Мясников В.А., Игнатьев М.Б., Покровский A.M. Программное управление оборудованием. Л.: Машиностроение, 1984. 540 с.

57. Мячев A.A. Организация управляющих вычислительных комплексов. М.: Энергия, 1990. 269 с.

58. Надежность технических систем: Справочник / Ю.К. Беляев, В.А. Богатырев, В.В. Болотин и др.; Под ред. И.А. Ушакова. М.: Радио и связь, 1985. 453 с.бб.Оре О. Теория графов. М.: Наука, 1980. 336 с.

59. Основы автоматизированного управления производством / Под ред. И.М. Макарова. М.: Высшая школа, 1983. 504 с.

60. Основы моделирования сложных систем / Под ред. И.В. Кузьмина. Киев: Вища школа, 1981. 653 с.

61. Отказоустойчивые вычислительные системы / И.А. Мамзелев, М.Ю. Русаков, Е.Д. Часовников, H.H. Николаенко // Зарубежная радиоэлектроника, 1983. №1. С.3-28.

62. Первозванский A.A. Математические модели в управлении производством. М.: Наука, 1975.616 с.

63. Петелин Б.В. Динамика материальных потоков в задачах управления дискретным производством / Ленинградский электротехн. ин-т. М., 1984. С. 136.

64. Петров Б.Н., Поспелов Г.С. О путях развития больших систем управления. Изв. АН СССР // Техническая кибернетика, 1976. №2, С.3-10.

65. Пешель М. Моделирование сигналов и систем: Пер. с нем. М.: Мир, 1981. 386 с.

66. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. М.: Мир, 1984. 264 с.

67. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронно-вычислительных машинах. М.: Сов. радио, 1971. 399 с.

68. Прангишвили И.В. Микропроцессоры и локальные сети микроЭВМ в распределенных системах управления. М.: Энергоатомиздат, 1985. 272 с.

69. Радойков Е. Логические сети Петри, одна обобщенная модель параллельного вычисления // Проблемы кибернетики и роботики, 1990. №12. С.21-26.

70. Родионов В.Д., Терехов В.А., Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП: Учеб. Пособие для вузов. / Под ред. В.Б. Яковлева. М.: Высш. шк., 1989. 263 с.

71. Саломатин H.A., Беляев Г.В. Имитационное моделирование в оперативном управлении производством. М.: Машиностроение, 1984. 119 с.

72. Смит Дж. М. Математическое и цифровое моделирование для инженеров и исследователей. М.: Машиностроение, 1980. 271 с.

73. Солнечный Э.М. Математическое описание динамики линейных систем с помощью обобщенных функций и их преобразования Фурье // Автоматика и телемеханика. 1995. №10. С. 180.

74. Сорокин С.А. Как много ОС PB хороших. // СТА. 1997. №2. С. 7-11.

75. Сорокин С.А. Системы реального времени // СТА. 1997. №2. С. 22-29.

76. Таль A.A., Юдицкий С.А. Иерархия и параллелизм в сетях Петри // АиТ. 1982. №7. С.113-123.

77. Тейер Т., Липов М., Нельсон Э. Надежность программного обеспечения. Пер. с англ. М.: Мир, 1981. 468 с.

78. Управление ГПС: Модели и алгоритмы / Под общ. ред. Академика АН СССР C.B. Емельянова. М.: Машиностроение, 1987. 368 с.

79. Флинт Д. Локальные сети ЭВМ: архитектура, принципы построения, реализация. М.: Финансы и статистика, 1986. 366 с.

80. Халявка A. OS-9 // СТА. 1997. №2. С. 14-15.

81. Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К., Филиппов В.А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1985. 174 с.

82. Шаракшанэ A.C., Железнов И.Г., Ивницкий В.А. Сложные системы. М.: Высшая школа, 1987. 437 с.

83. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. Пер. с англ. М.: Мир, 1988. 634 с.

84. Шеффлер Д.Д. Распределенные компьютерные системы для управления производственными процессами // Computer, 1984. Т.17. №2 С.11-18.

85. Шнейдерман Б. Психология программирования: человеческие факторы в вычислительных и информационных системах. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1984. 439 с.

86. Шураков В.В. Надежность программного обеспечения систем обработки данных. М.: Финансы и статистика, 1991. 324 с.

87. Эффективность сложных систем. Динамические модели / В.А. Виноградов, В.А. Грущанский, С.И. Довгодуш и др. М.: Наука, 1989. 285 с.

88. Ющенко С. QNX // СТА. 1997. №2. С. 12-13.

89. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. М.: Статистика, 1990. 279 с.

90. Якубайтис Э.А. Классификация вычислительных сетей // Автоматика и вычислительная техника, 1993. №3. С.3-6.

91. Coolahan J.E. Timing Requirements for Time-Driven System Using Augmented Petri Nets // IEEE Trans. On SE. 1983. Vol.9. N5. P.603-616.

92. InBatch User's Guide Wonderware Corporation, 1996.

93. InControl New Features Notes - Wonderware Corporation, 1997.

94. InSupport User's Guide Wonderware Corporation, 1996.

95. InTouch User's Guide Wonderware Corporation, 1995.

96. InTrack User's Guide Wonderware Corporation, 1996.

97. Jensen K. Colored Petri Nets and the Invariant Method // Theor. Comput. Sci. 1981. Vol.14. N3.P.317-336.

98. Magot J. Performance Evaluation of Concurrent Systems Using Petri Nets // Inf. Process. Leti. 1984. Vol.18. N1. P.590-599.

99. Reference Guide Wonderware Corporation, 1995.

100. Sifakis J. Use of Petri Nets for Performance Evaluation Measuring, Modeling and Evaluation of Computer Systems / Proc. Of the Third Workshop on Modeling and Performance Evaluation of Computer Systems. Amsterdam. North-Holland. 1977. P.75-93.

101. Suzuki J., Murata T. A Method for Stepwise Refinement and Abstraction of Petri Nets // Journ. Comput. And Syst. Sci. 1983. Vol.27. P.51-76.

102. Valette R. Analysis of Petri Nets by Stepwise Refinements // Journ. Comput. And Syst. Sci. 1979. Vol.18. N1. P.35-46.114