автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка и исследование графоаналитических моделей алгоритмов управления технологическими процессами

Введение.

Глава 1. Применение современных технологий проектирования для систем диспетчерского управления.

1.1. Обоснование разработки СИП.

1.2. Общая структура SCAD А - системы и ее особенности.

1.3. Области применения SCADA-систем.

1.4 Методологии построения СИП.

1.4.1 Методология функциональной модели оператора (Operator Function Model - OFM).

1.4.2 Методология проектирования диалогового управления (Interactive Monitoring and Control -IMaC ).

1.4.3 Методология накопления знаний (Case-Based Reasoning -CBR).

1.4.4 Методология пошаговой автоматизации (Incremental Automation Methodology - IA).

Глава 2. Модель описания многошаговых процессов на объекте управления.

2.1 Пример описания технологической системы.

2.2 Основные определения.

2.2.1 Иерархическая модель многошагового процесса.

2.2.2 Графоаналитическая форма модели процесса.

2.3 Представление поведения процесса в виде ГФ.

2.3.1 Описание примера ГФ процесса.

2.3.2 Процедура структуризации LC процесса.

2.4 Оптимизация жизненных циклов процессов.

Глава 3. Анализ корректности поведения жизненных циклов процессов.

3.1 Критерии корректности описания процесса.

3.2. Моделирующая сеть ГФ.

3.3 Методика проверки ГФ порцесса на корректность.

3.3.1 Методика проверки.

3.3.2. Уменьшение сложности анализа динамических моделей.

Глава 4. Применение объектно-ориентированного подхода к проектированию СИП.

4.1 Основные свойства объектно-ориентированной системы.

4.1.1. Отношения между объектами.

4.2 Архитектура СИП и основные этапы ее разработки.

4.2.1 Общая архитектура СИП.

4.2.2. Конструирование объектов.

4.2.3. Проектирование реализации.

4.2.4. Проектирование данных.

4.2.5. Использование среды ООП для создания пользовательского интерфейса СИП.

4.3 Функционирование СИП.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) составляют на сегодняшний день основу управления сложным промышленным производством, осуществляя контроль за состояниями процессов и оборудования и обеспечивая обслуживающий персонал необходимой информацией. Создание АСУ ТП для сложных технологических производств и предприятий с повышенным риском является одним из основных средств повышения безопасности работы на таких объектах и служит более эффективному управлению ими. Важную роль в успешном выполнении функций управления в АСУ ТП играет человеческий фактор. Повышение уровня автоматизации и последующее развитие в сторону применения диспетчерского управления в значительной степени повлияло на участие человека-оператора в системах управления такими объектами [1, 2, 3].

Современное технологическое производство с точки зрения управления характеризуется в первую очередь большим количеством контролируемых параметров и управляющих воздействий, большинство из которых автоматически отслеживается и задается АСУ ТП в ходе работы технологического процесса. Например, на энергоблоке АЭС необходимо контролировать в процессе управления до 30 тыс. аналоговых и дискретных сигналов. При обычном протекании технологического процесса роль человека - диспетчера сводится, как правило, к пассивному наблюдению за состоянием объекта и минимальному вмешательству в его управление. Однако существует значительное количество особых режимов работы, когда роль диспетчера в управлении становится основной. Такие режимы характеризуются, прежде всего, относительно простыми последовательностями дискретных шагов - операций, требующих интерактивного общения с оператором. Далее будем называть такие режимы работы переходными или многошаговыми. Это могут быть, например, режимы запуска или останова технологического процесса, вывод оборудования в резерв или подключение дополнительного оборудования. На каждом шаге такого режима оператор вынужден принимать решение по выбору того или иного управления, руководствуясь информацией о текущем состоянии объекта управления и исходя из своего предыдущего опыта работы иногда за очень ограниченное время. Особенно это касается аварийных нештатных ситуаций.

При одновременной работе на объекте управления множества взаимодействующих многошаговых режимов человеку, осуществляющему общий мониторинг, необходимо контролировать весь протекающий процесс (процессы) в целом, а не только состояния отдельных его частей или исполнительных механизмов. Без анализа общего состояния управляемого процесса на объекте оператор не может качественно оценить текущую ситуацию и принять правильное решение в реальном времени. Для решения этой задачи разрабатываются специальные системы информационной поддержки (СИП), функционирующие в составе АСУ ТП и обеспечивающие показания от отдельных параметров до интегральной оценки всего состояния объекта управления [4].

В диссертационной работе рассматриваются задачи и методы построения такой СИП на основе специально разработанных моделей для описания взаимодействующих многошаговых технологических процессов. Целью работы является:

1) Разработка графоаналитической формы модели алгоритма управления взаимодействующими процессами для их последующего мониторинга и управления в режиме реального времени.

2) Разработка эффективного интерфейса оператора в СИП с возможностью представления на экране многошаговых процессов большой размерности (с большим числом операций) в удобной для визуальной обработки форме (диаграммы автоматов с регулярной структурой).

3) Разработка методов анализа данной модели с целью ее оптимизации и проверки корректности построения.

4) Разработка методики построения на основе данной модели прототипа СИП, как инструмента для мониторинга и управления многошаговыми процессами в переходных режимах с использованием объектно-ориентированных методов проектирования.

Методы исследования и разработки основаны на применении методологии построения функциональной модели диспетчерского управления операторов (OFM) [5], использовании теории структурированных конечных автоматов [6] и применении механизма моделирования сетями Петри [7] для анализа на корректность описания исходной модели. Кроме того, в методике проектирования СИП использованы основные принципы объектно-ориентированного проектирования сложных программных комплексов [8].

Научная новизна работы состоит в попытке представить класс многошаговых технологических процессов в графоаналитическом виде для последующего использования в СИП оператора АСУ ТП. Данное представление дает компактное иерархическое отображение взаимодействующих процессов, что облегчает действия оператора и позволяет ему осуществлять мониторинг и управление сложными технологическими объектами в реальном времени. Кроме того, использование алгебры алгоритмов с регулярной структурой для описания графоаналитической модели позволяет эффективно применять методы проверки ее корректности, не строя моделирующую сеть для всего исходного описания, а только для отдельных заранее определенных областей (контекстов).

Практическая ценность. Результаты работы включены в информационную технологию сквозного проектирования, разрабатываемую Институтом проблем управления совместно с НПО «Автоматика» (г.Омск) для поддержки управляющего комплекса СПА-ПС. Работы проводятся в соответствии с программой МинАтома РФ по созданию перспективной АСУ ТП АЭС нового типа. Предлагаемая графоаналитическая модель технологических многошаговых процессов и методы проверки корректности их описания позволяют существенно сократить временные затраты на процедуру анализа и повысить эффективность управления за счет компактного и наглядного представления алгоритмов в интерфейсе оператора.

На защиту выносятся:

1. Графоаналитическая модель описания алгоритма управления многошаговыми процессами, позволяющая одновременно представлять в рамках СИП работу нескольких взаимодействующих процессов в графическом и аналитическом виде для их мониторинга и управления в режиме реального времени.

2. Методы анализа графоаналитической модели с целью ее оптимизации и проверки корректности описания, основанные на построении моделирующих сетей Петри для определенных контекстов исходного алгоритма.

3. Методика построения на основе данной модели прототипа СИП, как инструмента для мониторинга и управления процессами в многошаговых режимах с использованием объектно-ориентированных методов проектирования.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на ряде конференций и совещаний, в том числе:

1. XXX Всесоюзная Школа-семинар им. М.А. Гаврилова. Кишинев, 1988.

2. II Международная конференция по автоматизации проектирования дискретных систем. Минск, 1997.

3. Международная конференцию по проблемам управления. М., ИПУ, 1999.

4. XXXIV международная Школа-семинар им. М.А. Гаврилова. Тирасполь, 2000.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и одного приложения.

В первой главе приводится развернутая постановка задачи, описывается типовая структура 8САБА-системы, ее основные компоненты и дается краткий обзор современных технологий проектирования систем диспетчерского управления с использованием ЭСАБА-систем.

Во второй главе на примере работы одной из технологических систем энергоблока АЭС рассматривается графоаналитическая форма (ГФ) модели алгоритма управления многошаговым процессом запуска и вывода на рабочий режим объекта. Рассматривается способ приведения произвольной модели к регулярному виду при изменении технологии исходного процесса. Предлагаются способы оптимизации модели с целью более компактного ее представления в интерфейсе оператора.

В третьей главе обсуждаются вопросы корректного описания процесса в данной модели и предлагаются методы проверки такого описания с помощью построения моделирующих сетей Петри. Показывается, что для анализа описания на корректность работы достаточно строить моделирующие сети только для заранее определенного контекста, а не для всей исходной модели.

Четвертая глава посвящена вопросам архитектуры проектируемой СИП и этапам ее построения. На примере методики объектно-ориентированного 9 проектирования описываются этапы построения прототипа предлагаемой СИП и его программная реализация.

В заключении перечислены основные результаты работы. Приложение содержат пример анализа на корректность рассматриваемой в работе технологической системы энергоблока АЭС в виде графического представления скелетной сети Петри.

Выводы. С помощью методики объектно-ориентированного проектирования был реализован прототип СИП для интерфейса оператора АСУ ТП сложным промышленным объектом. Данная методика является эффективным средством, позволяющим в любое время расширять и модифицировать ПО системы. Это особенно важно для объектов, где смена технологии выполнения процессов влечет смену или модификацию операторского интерфейса.

В настоящее время большинство инструментальных средств (БСАОА-системы) так или иначе, применяют методику объектно-ориентированного проектирования с использованием универсального языка моделирования ЦМЬ.

Заключение.

Как уже отмечалось, создание единой информационной технологии проектирования для АСУ ТП сложных производств является одним из основных средств повышения безопасности работы и служит более эффективному управлению. Применение СИП в рамках АСУ ТП является частью данной информационной технологии и направлено, прежде всего, на повышение эффективности работы операторского персонала при многошаговых режимах работы объекта управления за счет дружественного человеко-машинного интерфейса. Управление данными режимами составляет значительную часть от общих управленческих задач технологическими процессами и имеет ярко выраженный интерактивный характер. Поэтому в проектируемых СИП для оператора необходимы поддержка соответствующей модели многошаговых алгоритмов управления и инструментальные средства для ее анализа. Кроме того, учет особенностей объекта в СИП помогает диспетчеру при мониторинге и в оперативном управлении.

С другой стороны построение СИП на принципах объектно-ориентированного проектирования, и соблюдение модульной архитектуры позволяют легко проводить последующую модернизацию системы, а также упрощают поддержание дисциплины обмена информацией по локальной сети.

В этой связи развитие методов и общих подходов к проектированию СИП в рамках АСУ ТП для сложных объектов представляется достаточно актуальным.

К основным результатам данной работы можно отнести следующие:

1. Рассмотрены и проанализированы основные существующие методики проектирования систем управления процессами на основе БСАОА-систем. Для класса многошаговых технологических процессов показана необходимость представления человеку-оператору полной картины функционирования объекта управления с использованием иерархической модели взаимодействующих процессов в рамках ММ1 интерфейса СИП.

2. Разработана графоаналитическая модель представления взаимодействующих многошаговых технологических процессов в виде алгоритмов регулярной структуры с параллельностями. Преимуществом данной модели является удобное и компактное представление функционирующих процессов одновременно в графическом и аналитическом виде, что упрощает их дальнейший анализ. Каждый процесс представляется в интерфейсе оператора в виде иерархической системы графов (диаграмм) и формулы, указывающей порядок соединения отдельных фрагментов данных графов.

3. Разработан метод проверки данной модели при функциональном изменении процесса с сохранением свойства регулярности его структуры. При изменении последовательности работы агрегатов в многошаговом процессе или конфигурировании нового процесса СИП в автоматизированном режиме проверяет соблюдение свойства структурированности соответствующей модели и предлагает оператору варианты его сохранения. Показана необходимость учета конкретной технологии процесса при его изменении (например, при оптимизации его графического представления).

4. Разработан метод анализа ГФ, основанный на регулярных подстановках сетей Петри, позволяющий определить правильность функционирования процесса. Сети строятся для каждого типа агрегатов процесса, функций с зависимыми переменными в явных условиях перехода между состояниями и для самого ЬС процесса (скелетная сеть). Их совместное выполнение позволяет выявить некорректные места при построении исходной модели. Для уменьшения сложности вычисления построенных

128 сетей предложен метод их редукции, в соответствии с которым сети строятся не для всей модели, а только для окрестности заранее локализованной некорректности на графе процесса. Это позволяет значительно упростить анализ технологического процесса.

5. Разработана методика проектирования СИП на основе применяющихся в существующих CASE-системах с использованием объектно-ориентированного подхода и запрограммирован прототип данной СИП. При проектировании использованы CASE-системы: Rose Business Process Link и Rational Rose, а также ERwin для проектирования потоков данных.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в разработке общей методики к проектированию СИП для объектов такого класса на основе объектно-ориентированного подхода, что существенно облегчает работу оператора и снижает риск возникновения аварийных ситуаций при оперативном управлении сложными объектами.

Таким образом, описанный подход к проектированию СИП в рамках АСУ ТП позволяет решить задачу повышения эффективности оперативного управления сложными системами и тем самым увеличить надежность работы таких систем.

1.В., Амбарцумян А.А. Основы построения АСУ сложными технологическими процессами. М. Энергоатомиздат, 1994.

2. Bainbridge L. Ironies of automation // J. Rasmussen, K. Duncan, & J. Leplat (Eds.), New Technology and Human Error. New York: John Wiley & Sons Ltd., 1987, pp. 271-283.

3. Sheridan T.B. Telerobotics, Automation, and Human Supervisory Control. Cambridge, Massachusetts: The MIT Press, 1992.

4. Прагишвили И.В., Ильюков В.Д. и др. Постановка комплекса задач интеллектуализированной системы информационной поддержки операторов АЭС // Моделирование и контроль технологических процессов АЭС. М.: Институт Проблем Управления, 1991, с.5-27.

5. Mitchell С.М. GT-MSOCC: Operator models, model-based displays, and intelligent aiding // W. B. Rouse (Ed.), Human/technology interaction in complex systems. Greenwich, CT: JAI Press Inc. 1996, Vol. 8, pp. 67-172.

6. Прангишвили И.В., Амбарцумян А.А. Научные основы построения АСУ ТП сложных энергетических систем. М.: Наука, 1992.

7. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. Пер. с англ., М.: Мир, 1984, 260с.

8. Курата Д. Работа с объектами в Microsoft VB4.0 М. СК Пресс, 1997.

9. Жарко Е.Ф., Ильюков В.Д. и др. Опыт разработки систем информационной поддержки операторов АЭС // Принятие решения при управлении сложными объектами: системы, методы, алгоритмы. М.: Институт Проблем Управления, 1997, вып.4, с.7-3 5.

10. Юдицкий С.А., Магергут В.З. Логическое управление дискретными процессами. М.: Машиностроение, 1987, 175с.

11. Endsley M.R., Kiris Е.О. The out-of-the-loop performance problem and level of control in automation // Human Factors, 1995, №37(2), pp. 381-394.

12. Бабиков B.M., Панасенко И.М. Роль человеческого фактора в обеспечении безопасности АЭС // Атомная техника за рубежом. 1989, №12,с.З-10.

13. Wickens C.D., Kessel С. Failure detection in dynamic systems // J. Rasmussen & W. B. Rouse (Eds.), Human Detection and Diagnosis of System Failures. New York: Plenum Press, 1981, pp. 155-169.

14. Машин B.A. Компьютеризированные системы поддержки операторов АЭС (психологические проблемы) // Электрические станции. 1995, №7, с.2-7.

15. Rasmussen J. Information processing and human-machine interaction: An approach to cognitive engineering. New York: North Holland, 1986.17Аншина М.Л. Предприятие как единый объект автоматизации. Размышления на тему // и системы связи, №1, 1998, с.48-55.

16. Кунцевич Н. Компонентные технологии в системах промышленной автоматизации // Открытые системы, 1999, №4.19Альперович И., Толмасская И. АСУ ТП из коробки // Компьютерная неделя №8 (82), 1997.

17. Ицкович Э.Л. и др. Опыт использования открытых SCADA-программ // Промышленные АСУ и контроллеры. 1999, №11, с.36-38.

18. Леонтьев С.А. Комплексы программ FIX для верхнего уровня систем контроля и управления // Автоматизированные системы, М.: «Диалог-Инвест», 1998.

19. Амбарцумян А.А., Искра С.А. и др. Структура системы автоматизированного проектирования логического управления, реализуемого на программируемых контроллерах // Проектирование устройств логического управления. М.: Наука, 1984.

20. Искра С.А., Невзоров В.Н. Программное обеспечение трансляции исходного описания во внутреннюю модель алгоритма управления в 111 III

21. ФОРУМ-2» // Тезисы докладов на конф. Проблемы создания программного обеспечения комплексной автоматизации. Калинин, НПО ЦПС, 1987, с. 104106.

22. Амбарцумян А.А., Искра С.А. САПР управления технологическими линиями // Тезисы докладов на конф. «Системы автоматизированного проектирования и их информационное обеспечение». М., ЦНИИТЭИ приборостроения, 1985.

23. Амбарцумян А.А. и др. Проблемно-ориентированный язык описания поведения систем логического управления ФОРУМ-М // Проектирование устройств логического управления. М.: Наука, 1984.

24. Искра С.А. Программное обеспечение САПР систем логического управления ФОРУМ-М // Тезисы докладов на XXX Конференции молодых ученых ИПУ, 1984.

25. Sanders, M.S. , McCormick, E.J. Human factors in engineering and design. New York: McGraw Hill, 1987.

26. Thurman D.A., Mitchell C.M. A design methodology for operator displays of highly automated supervisory control systems // Proceedings of the 6th IFAC/IFIP/IFOR/SEA Symposium on Analysis, Design, and Evaluation of Man Machine Systems, Boston, MA, 1995.

27. Thurman D.A. The interactive monitoring and control (IMaC) design methodology: application and empirical results // Proceedings of the 41st Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomics Society, Albuquerque, NM, 1997.

28. Hutchins E.L., Hollan J.D., Norman D.A. Direct manipulation interfaces // D.A. Norman & S.W. Draper (Eds.), User centered system design. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1986, pp. 87-124.

29. Norman D.A. The psychology of everyday things. New York: Basic Books, 1988.

30. Klein G.A. A Recognition-Primed Decision (RPD) Model of Rapid Decision Making // G.A. Klein, J. Orasanu, R. Calderwood, & С. E. Zsambok, (Eds.)

31. Decision Making in Action: Models and Methods. Norwood, NJ: Ablex Publishing Corp, 1993, pp. 138-147 .

32. Калянов Г.Н. CASE структурный системный анализ. M.: «ЛОРИ», 1996, 242с.

33. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. Пер. с англ. Киев: «Диалектика», 1993.

34. Амбарцумян А.А., Искра С.А. Структурированные модели систем логического управления // Тезисы докладов на IX Всесоюзное совещание по проблемам управления, Ереван, 1983.

35. Коваленко В. Современные индустриальные системы // Открытые системы, 1997, №5, с.29-34.

36. Оре О. Теория графов. Пер. с англ., М.: Наука, 1968, 352с.

37. Юдицкий С.А., Кутанов А.Т. Технология проектирования архитектуры информационно-управляющих систем. // Препринт ИПУ, М. 1993.

38. Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях. Пер. с англ., Киев: «Диалектика», 1993.

39. Судов Е. Информационная поддержка жизненного цикла продукта // PC Week/RE 1998.

40. Искра С.А. Применение объектного подхода к анализу диспетчерского управления сложными технологическими системами // Тезисы докладов на межд. конференцию по проблемам управления. М., ИПУ, 1999.

41. Амбарцумян А.А., Потехин А.И., Запольских Е.Н. Программируемые логические контроллеры и их применение // Измерения. Контроль. Автоматизация, 1979, №4, с. 17-25.

42. Мишель Ж., Лоржо К., Эспью Б. Программируемые контроллеры: Пер. с франц., М.: Машиностроение, 1986, 172с.

43. Баранов С.И. Синтез микропрограммных автоматов. Л.: Энергия, 1974, 216с.

44. Шоу А. Логическое проектирование операционных систем. Пер. с англ., М.: Мир, 1981,360с.

45. Шоломов JI.A. Основы теории дискретных логических и вычислительных устройств. М.: Наука, 1980, 400с.

46. Гаврилов М.А. Применение теории конечных автоматов при проектировании дискретных устройств // Проблемы управления и теории конечных автоматов, 1975, №3, с.451-470.

47. Гилл А. Введение в теорию конечных автоматов., Пер. с англ., М.: Мир, 1966, 270с.

48. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. М.: Энергоатомиздат, 1988, 480с.

49. Искра С.А. Метод проектирования быстродействующей управляющей программы с регулярной структурой // Труды XI Всесоюзного совещания по проблемам управления, Ташкент, 1989, с.491 492.

50. Искра С.А. Минимизация состояний структурированных конечных автоматов // Системы автоматизированного контроля и управления судовыми процессами. Ленинград, ЛИВТ, 1988.

51. Искра С.А. Метод минимизации числа состояний структурированных конечных автоматов // Тезисы докладов XXX Всесоюзной Школы-семинара им. М.А. Гаврилова. Кишинев, 1988, с.60-61.

52. Амбарцумян A.A., Пороцкий JI.B., Девятериков В.А. Модель локального управления и ее коррректность в распределенных системах управления // Системы автоматизированного контроля и управления судовым процессом. Л.: ЛИВТ, 1988, с.157-171.

53. Семенов A.C. Использование объектно-эволюционного анализа при решении задач технологического типа. // АР №3, 1998.

54. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. М.: Мир, 1979, 536с.

55. Закревский А.Д. Проверка корректности параллельных алгоритмов логического управления // Программирование, 1987, №5, с.31-35.

56. Анишев П.А. Редукция сетей Петри // Архитектура вычислительных систем с программируемой структурой. Новосибирск, Вып.82, 1980, с.41-53.134

57. Марка Д., Оуэн М.К. Методология структурного анализа и проектирования. М.: «Метатехнология»,1993.

58. Аджиев В. Объектная ориентация: философия и футурология // Открытые системы. 1996 № 6 (20), с. 40-45 .

59. Маклаков C.B. Bpwin и Erwin CASE-средства разработки информационных систем. М.: «Диалог-МИФИ», 1999.

60. Гайсарян С.С. Объектно-ориентированные технологии прикладных программных систем. Уч. пособие. М.: МГУ, Центр Информационных технологий, 1996.

61. Волик Б.Г. Автоматизация управления подводными лодками. // Автоматика и телемеханика. 1999, №6, с.23-30.

62. Искра С.А. Анализ графоаналитических моделей алгоритмов управления технологическими процессами //Тезисы докладов (в печати) на XXXIV Школе-семинаре им. М.А. Гаврилова. Приднестровский гос. Университет им. Т.Г.Шевченко, Тирасполь, 2000.

63. Котик М.А., Емельянов A.M. природа ошибок человека оператора. М.: «Транспорт», 1993.

64. Искра С.А. Графоаналитическая форма представления моделимногошагового технологического процесса // ВИНИТИ, М., 2001, деп. № 72482O0S.

65. Искра С.А. Анализ корректности графоаналитической формы описания технологических процессов // ВИНИТИ, М., 2001, деп. № 723 ~S200i.