автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка и реализация методики проектирования технических средств для АСУТП на примере СМ ЭВМ

ВВЕДЕНИЕ.:.

ГЛАВА 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АСУТП. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Описание и анализ существующей методики проектирования аппаратных средств.

1.2. Применение объектно-ориентированного подхода к проектированию технических средств АСУТП.

1.3. Набор объектов для проектирования технических средств АСУТП

1.4. Задача оптимальной компоновки и обзор методов ее решения.

1.5. Постановка задачи работы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА АНАЛИЗА ИЕРАРХИЙ ДЛЯ КОМПОНОВКИ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АСУТП.

2.1. Нейронные сети, нечеткие системы и генетические алгоритмы. Общее описание.

2.2. Модифицированный метод анализа иерархий.

2.3. Требования к аппаратным средствам АСУТП, свойства объектов, ответственные за удовлетворение этих требований, общие требования и экспертная оценка их важности.

2.4. Нечеткая система нахождения синаптических весов входов нейронов и выбора объектов.

2.5. Реализация модифицированного метода анализа иерархий в среде MATLAB.

Актуальность темы. Развитие современных высоких технологий сопровождается внедрением новых автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТТ1). Автоматизация новых технологических процессов требует разработки специфического оборудования, причем выбор проектных решений в инженерной практике, как правило, представляет значительные трудности из-за многообразия вариантов и большого числа трудно учитываемых и плохо формализуемых факторов.

Разработка нового поколения управляющих вычислительных комплексов СМ ЭВМ является важным шагом в создании отечественной технологической базы автоматизации управления и обработки информации. Разработка и серийное производство конкурентоспособной и лицензионно-чистой отечественной продукции данного класса снижает зависимость российской промышленности и особенно оборонного комплекса от зарубежных производителей, обеспечивает возможность последующей модернизации и техническую поддержку этой продукции на всем жизненном цикле ее эксплуатации.

СМ ЭВМ - это комплекс технических и программных средств, включающий в себя ряд процессоров различной производительности, устройства оперативной и внешней памяти, набор устройств связи с объектом (УСО), устройств отображения информации, операционных систем, прикладных программных пакетов и т.п., обеспечивающий возможность создания многоуровневых АСУТП в различных отраслях промышленности.

Комплексы технических и программных средств (КТПС) СМ ЭВМ, разрабатываемые в ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука» (ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука»), в течение многих лет являются технической базой для построения АСУТП в России. КТПС СМ ЭВМ применяются на предприятиях энергетики, металлургии, транспорта, химии, машиностроения.

КТПС СМ ЭВМ предназначен для применения в составе промышленных систем двойного назначения, в том числе на предприятиях оборонно-промышленного комплекса, объектах использования атомной энергии и авиационно-космической промышленности. В этой связи КТПС СМ ЭВМ должен не только обеспечивать высокие технические характеристики, но и удовлетворять требованиям по долговременной доступности использованных технических средств, контролю над применяемыми техническими решениями и элементной базой. Поэтому только самостоятельная разработка и производство технических средств для КТПС СМ ЭВМ могут обеспечить выполнение данных требований и одновременно гарантировать высокие технические характеристики, полностью соответствующие высоким требованиям, предъявляемым к продукции двойного назначения.

Разработка технических средств для КТПС СМ ЭВМ должна обеспечивать удовлетворение основных требований государственной политики в области технической независимости и информационной безопасности, а также обеспечивать значительный экономический эффект за счет импорто-замещения, снижения соотношения производительность/стоимость при создании различных информационно-управляющих систем и комплексов (в том числе встроенных) и существенного повышения качественных показателей систем контроля и управления, включая надежность и безопасность. Такие проекты сопряжены со значительными временными и материальными затратами, требуют нескольких циклов корректировки и во многих случаях не могут быть эффективно реализованы с помощью традиционных подходов. Решение сложных задач, связанных с обеспечением конкурентоспособности отечественных технических средств АСУТП, требует совершенствования методики их проектирования, прежде всего схемотехнического, которое является одним из главных этапов разработки и оказывает решающее влияние на ее качество и срок.

В этой связи разработка эффективной и научно обоснованной методики проектирования технических средств для использования в АСУТП является важной и актуальной задачей.

Научная новизна диссертационной работы заключается в решении ряда вопросов, связанных с проектированием технических средств АСУТП:

- разработаны библиотека объектов и дерево классов на ее основе, реализующие методику объектно-ориентированного проектирования;

- предложен модифицированный метод анализа иерархий, формализующий выбор схемотехнической реализации проектируемых технических средств АСУТП;

- разработана методика проектирования технических средств АСУТП с использованием аппарата объектно-ориентированного проектирования и математических методов теорий нейронных сетей и нечетких множеств.

Практическая реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы получены в ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука» в процессе выполнения ОКР и договорных работ в 2000 - 2010 гг., в частности ОКР «Визуализация», проводившейся по Государственному контракту № РС/07/636/ОПК/к, заключенному между ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука» и Минпромэнерго России.

Разработанные автором методики и технические решения применены в следующих проектах:

- в системе мониторинга радиационной обстановки для Бушерской АЭС (Иран);

- в системе мониторинга радиационной обстановки для АЭС «Ку-данкулам» (Индия);

- в «Системе контроля технологических параметров реактора ИБР-2М на базе средств контроля и управления СМ1820М» для Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна;

- в программно-техническом комплексе для управления установкой «КЭУ-10», разработанной предприятием НТЦ ЭПУ ОИВТ РАН, и других.

Практическая реализация результатов работы подтверждается прилагаемыми к диссертации документами.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научных семинарах и технических совещаниях ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука» в период 2007 - 2009 гг.;

- Международной молодежной научной конференции XXXIII «Га-гаринские чтения», МАТИ-РГГУ им. К. Э. Циолковского, г. Москва, апрель 2007 г.;

- 58-й научно-технической конференции Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета), май 2009 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в б печатных работах: опубликовано 5 статей, из них 3 в журналах, рекомендуемых ВАК; тезисы научного доклада.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В итоге проведенных исследований и разработок, направленных на совершенствование методов схемотехнического проектирования аппаратных средств для применения в составе нового поколения комплекса технических и программных средств СМ ЭВМ для автоматизированных систем управления технологическими процессами, получены следующие основные результаты:

1. Определены на основе анализа современного состояния перспективные подходы и технические принципы проектирования аппаратных средств для применения в системах АСУТП, которые положены в основу разработки нового поколения технических средств, отвечающих современным требованиям.

2. Усовершенствован с использованием аппарата ООП классический функционально-модульный принцип разработки аппаратных средств. Разработана библиотека объектов и предложено дерево классов объектов, использующиеся при схемотехническом проектировании аппаратных средств для АСУТП.

3. Разработана методика проектирования аппаратных средств для АСУТП с использованием математического аппарата нейронных сетей и нечетких множеств. Методика позволяет формализовать схемотехническое проектирование аппаратных средств в условиях неполной и экспертной информации о требованиях к проектируемому устройству и принимать обоснованные решения при анализе многочисленных альтернатив, возникающих в процессе разработки.

4. Разработан с использованием предлагаемой методики проектирования ряд аппаратных средств для применения в составе комплекса технических и программных средств СМ ЭВМ нового поколения. Разработанные модули применяются в коммуникационных процессорах СМ1820М КП5 и промышленных контроллерах СМ1820М КПДЗ, использованных в ряде реальных систем АСУТП.

5. Проведена апробация предлагаемой методики проектирования аппаратных средств при эксплуатации разработанных аппаратных средств в реальных подсистемах АСУТП, показавшая и подтвердившая эффективность методики, позволяющей принимать рациональные решения при компоновке разрабатываемых аппаратных средств.

1. Фридмен М., Ивенс J1. Проектирование систем с микрокомпьютерами: Пер. с англ. -М.: Мир, 1986.

2. Швец В.А., Шестакова В.В., Бурцева Н.В., Мелешко Т.В. Одноплатные микроконтроллеры. Проектирование и применение. К.: МК-Пресс, 2005.

3. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. -М.: ЭКОМ, 1999.

4. Уилкинсон Б. Основы проектирования цифровых схем.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004.

5. Бабич Н.П., Жуков И.А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования: Учебное пособие. К.: «МК-Пресс», 2004.

6. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987.

7. Бибило П.Н. Синтез логических схем с использованием языка VHDL. М.: СОЛОН-Р, 2002.

8. Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. 2-е изд., стереотип. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

9. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. 2-е изд., пере-раб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006.

10. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей редакцией Новикова Ю.В. Практ. пособие М.: ЭКОМ, 1997.

11. Intel386EX Embedded Microprocessor User's Manual, 1996.

12. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах. Пер. с англ. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993.

13. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982.

14. Разевиг В.Д. Проектирование печатных плат в P-CAD 2001. М.: СОЛОН-Р, 2003.

15. Разевиг В.Д. ORCAD 9.2. М.: СОЛОН-Р, 2003.

16. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. М.: ДО ДЕКА, 2000.

17. Глотова Т.В. Объектно-ориентированная методология разработки сложных систем. Учебное пособие. Пенза: Изд-во ПГУ, 2001.

18. Зыков С.В. Современные языки программирования. 4.II. Объектно-ориентированный подход к программированию. М.:МИФИ, 2004.

19. Sanjaya Kumar, James J. Aylor, Barry W. Johnson, Wm. A. Wulf, «Object-Oriented Techniques in Hardware Design,» Computer, vol. 27, no. 6, pp. 64-70, Jun., 1994.

20. Галахов И.В. Объектно-ориентированная технология проектирования больших информационно-вычислительных систем : Дис. . канд. техн. наук : 05.13.13 М„ 1996.

21. Яблонский А.С. Разработка моделей и методов синтеза объектно-ориентированных систем с открытой архитектурой : Дис. . канд. техн. наук : 05.25.05 М., 2004.

22. Арефьева Е.А. Объектно-ориентированная система моделирования в автоматизированном управлении : Дис. . канд. техн. наук : 05.13.06 Тула, 1999.

23. Колесов Ю.Б. Развитие метода объектно-ориентированного анализа для задач проектирования гибридных систем управления : Дис. . д-ра техн. наук : 05.13.01 СПб., 2003.

24. Управляющие вычислительные комплексы //Н.Л. Прохоров, Г.А. Егоров, В.Е. Красовский и др., М.: Финансы и статистика, 2003.25. http://www.asutp.ru

25. ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения».

26. Матвеевский В.Р. Надежность технических систем. Учебное пособие. М.: Московский государственный институт электроники и математики, 2002.

27. Кабалевский А.Н. Малые ЭВМ: функциональное проектирование. М.: Наука, 1986.

28. Авен О.И., Гурин Н.Н., Коган Я.А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. М.: Наука, 1982.

29. Авен О.И., Коган Я.А. Математические модели сложных вычислительных систем. // Автоматика и телемеханика. 1971. - №1, с. 109-127.

30. Жигулин Г.П., Серебров А.И., Яковлев А.Д. Прогнозирование устойчивости. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004.

31. Драммонд М. Методы оценки и измерения дискретных вычислительных систем. -М.: Мир, 1977.

32. Ростокин Б.И. Разработка средств проектирования вычислительных процессов в комплексах СМ ЭВМ с магистральной архитектурой. -Дис. . канд. техн. наук. М.: 1982.

33. Шеннон Р.Ю. Имитационное моделирование систем искусство и наука. - М.: Мир, 1978.

34. Балыбин В. М., Лунев В. С., Муромцев Д. Ю., Орлова JT. П. Принятие проектных решений. Учебное пособие Ч. 1 Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003.

35. Анкудиров И.Г. Микропроцессорные системы. Архитектура и проектирование: Учебное пособие. СПб.: СЗТУ, 2003.

36. Трайнев В.А., Трайнев О.В. Параметрические модели в экспертных методах оценки при принятии решений. М.: Прометей, 2003.

37. Трайнев О.В. Методика моделирования и разработки программно-технических комплексов для систем принятия решений. Дис. . канд. техн. наук. - М.: 2006.

38. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. Пер. с англ. М.: «Радио и связь», 1993.

39. Юдин Д.Б. Вычислительные методы теории принятия решений. -М.: Наука, 1989.

40. Шкамарда А.Н. Исследование и реализация метода построения МикроЭВМ функционально-модульной архитектуры. Дис. . канд. техн. наук. - М.: 1986.

41. Шкамарда А.Н. Методы описания и оценки функционально-модульных микропроцессорных структур СМ1810-20Х // Информационные технологии. 2000. - № 7.

42. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.: Мир, 1976.

43. Глухов А.В. Методика разработки программно-технических комплексов СМ ЭВМ для АСУТП. Дис. . канд. техн. наук. - М.: 2006.

44. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский JI. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: Пер. с польск. М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

45. Яхъяева Г.Э. Основы теории нечетких множеств. М.: БИНОМ,2006.

46. Прилипко В.А., Карпов В.Я., Красовский В.Е. Модификация метода анализа иерархий для задач проектирования аппаратных средств АСУТП // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ. 2009 г., вып. 3.

47. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский диалект, 2001.

48. Петров И.В. Программируемые контроллеры. / Под ред. Проф. В.П. Дьяконова. М.: СОЛОН-Пресс, 2004.

49. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Физматлит, 2001.

50. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Нейронные сети. MATLAB 6. М: Диалог-МИФИ, 2002.

51. Дьяконов В., Круглов В.В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001.

52. Бабанов И.И., Глухов А.В., Прилипко В.А. и др. СМ1820М в системах автоматизации атомных станций // ControllEngeneering. 2007. - №5.

53. Глухов В.И., Прилипко В.А., Глухов А.В. СМ1820М: все для автоматизации технологических процессов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2007. - №7.

54. Прохоров H.JL, Глухов В.И., Прилипко В.А. и др. Программно-технические комплексы СМ1820М в системах автоматизации технологических процессов на атомных станциях // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ. 2008. вып. 2.

55. Глухов В.И., Прилипко В.А., Каневский В.Г. Коммуникационный процессор СМ1820М КПД // Приборы. 2007. - №6.

56. Прилипко В.А. Процессорный модуль МП3.2 для промышленных систем телемеханики и контроля // Сборник научных трудов Международной молодежной научной конференции XXXIII «Гагаринские чтения». -М.: МАТИ, 2007.