автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Система сквозного проектирования автоматизированных систем управления промышленными объектами на примере энергетических станций

<5 псковский ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ с^ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

^ ФАКУЛЬТЕТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ

И КИБЕРНЕТИКИ

На правах рукописи Менделевии Владимир Анатольевич

Система сквозного проектирования автоматизированных систем управления промышленными объектами на примере энергетических станций

специальность 05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на кафедре системного программирования факультета вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук, доцент Задыхайло И.Б.

доктор физико-математических наук, профессор Жоголев Е.А.,

кандидат технических наук, Зайденберг Л.М.

Институт проблем управления Российской Академии Наук

Защита состоится "jffi" 2, 1997 г.

в /У ч .00 Мин. На заседании диссертационного совета Д.053.05.36 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, факультет ВМиК, ауд. 665.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета ВМиК МГУ.

Автореферат разослан "/3" -{4 1997 г.

.Ученый секретарь диссертационного совета профессор

Н.П.Трифонов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Актуальность темы работы обусловлена острой потребностью российской промышленности в современных отечественных j средствах проектирования АСУ ТП сложных промышленных объектов. Традиционные методы проектирования имеют очень высокую трудоемкость и не позволяют проектировать современные АСУ ТП высокого уровня сложности. Существующие импортные системы имеют цены, недоступные для отечественных разработчиков и ориентированы на применение в проектируемых АСУ ТП импортных же средств автоматизации. Существующие отечественные системы не решают всего комплекса проблем проектирования.

Цель работы заключается в создании системы сквозного проектирования современных автоматизированных систем управления промышленными объектами (АСУ ТП), позволяющей проектировать и внедрять АСУ ТП на современном уровне.

Научная новизна. Автором предложен новый подход к проектированию АСУ ТП и структура системы проектирования, позволяющая объединить известные ранее и разработанные автором элементы, что обеспечило единство информационной базы проекта и впервые позволило единообразным способом решать все задачи проектирования АСУ ТП.

Для реализации предложенного подхода автором был разработан непроцедурный язык "HABT".

На базе языка "HABT" разработана система сквозного проектирования "HABT", включающая интегрированную среду проектирования и компилятор с непроцедурного языка.

Система сквозного проектирования "HABT" полностью реализована и внедрена для проектирования АСУ ТП энергетических объектов

высокого уровня сложности,... что демонстрирует . правильное™ предложенного подхода и обоснованность решений.

Практическая ценность. Система сквозного проектированш "HABT" используется для создания современных автоматизированные систем управления энергетическими объектами уровня установки, цеха станции (производства). Ее применение позволяет:

• снизить трудоемкость и стоимость разработки АСУ ТП;

• сократить сроки разработки и внедрения АСУ ТП;

• увеличить уровень сложности проектируемых систем;

• увеличить уровень типизации проектируемых систем, уменьшит! их зависимость от конкретных типов технических и программны; средств;

• повысить конкурентоспособность программно-технически; комплексов автоматизации отечественного производства, т.к. одним и: главных их недостатков является отсутствие развитых средсг проектирования

• облегчить последующие модификации АСУ ТП в процесс эксплуатации.

Предложенное решение универсально для широкого круг промышленных производств. Адаптация системы сквозной проектирования АСУ ТП к объектам другой отрасли промышленное^ производится путем замены справочников и незначительно; модификации языка проектирования.

Апробация работы. Первая законченная версия системы "HABT" ориентированная на проектирование АСУ ТП энергетических установо; на базе микропроцессорных контроллеров семейства "Ломиконт", был внедрена в АО "Центроэнергочермет" в 1991г.

В ходе работ 1991-1996 годов система "HABT" была успешна применена при создании АСУ ТП энергетических установок различны

типов: турбоагрегатов, компрессорных агрегатов, котлоагрегатов, распределительных устройств и электрооборудования, рабочих мест начальников цехов и руководства энергетических станций.

В настоящий момент АО "Центроэнергочермет" и АО "НВТ-Автоматика" используют четвертую версию системы "HABT", рассчитанную на проектирование АСУ ТП энергетических объектов уровня станции/производства и предусматривающую возможность использования любых вычислительных средств автоматизации.

В 1996-1997г с помощью "HABT" была спроектирована и внедрена АСУ ТП ТЭЦ-21 АО МОСЭНЕРГО, включающая десять энергетических блоков суммарной электрической мощностью более 1300 МВт. Весь комплекс работ (от составления ТЗ до внедрения в промышленную эксплуатацию) был выполнен в течении года при типовом времени выполнения таких работ более трех лет.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на 109 страницах машинописного текста, и списка литературы, содержащего 27 названий.

Краткое содержание работы

В соответствии с ГОСТ 17194-76, стандартизирующим основные термины по АСУ ТП:

• технологическим объектом автоматизации называется совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства;

• автоматизированным технологическим комплексом (АТК) называется комплекс, включающий технологический объект автоматизации и АСУ ТП этого объекта.

АСУ ТП представляет собой совокупность технических и программных средств, обеспечивающих безопасное и эффективное функционирование технологического объекта в реальном времени в соответствии с заданными условиями при непосредственном участии человека в процессе управления технологическим объектом.

В состав технических средств (ТС) АСУ ТП входят измерительные устройства и первичные преобразователи, датчики-сигнализаторы состояния оборудования, преобразователи сигналов, микропроцессорные контроллеры, устройства связи с объектом автоматизации и другими АСУ ТП, компьютеры, другая вычислительная техника и средства отображения, исполнительные механизмы, обеспечивающие перемещение управляющих органов, входящих в состав объекта управления. Неотъемлемой составной частью АСУ ТП является программное обеспечение (ПО): системное, инструментальное, прикладное.

Совокупность вычислительных технических средств и программного обеспечения, предназначенная для решения задач при совместной эксплуатации, называется программно-техническим комплексом (ПТК). Основой ПТК являются микропроцессорные контроллеры и компьютеры. В случаях, когда различия между контроллерами и компьютерами, входящими в состав ПТК, несущественны, будем обобщенно называть их вычислительными узлами.

Современная АСУ ТП объекта уровня энергетической станции имеет до семи уровней объектной иерархии, управляет работой нескольких тысяч исполнительных устройств, обрабатывает десятки тысяч сигналов. В управлении и обработке информации участвуют сотни вычислительных узлов, объединенных в многоуровневую вычислительную сеть, в том числе несколько десятков автоматизированных рабочих мест (АРМ). Каждое вычислительное

устройство, как правило, ведет одновременно несколько процессов: защиту, регулирование, сигнализацию, управление, расчеты и т.д.

До последнего времени разработка АСУ ТП крупных объектов велась большими проектными организациями при помощи института главных специалистов, координирующих работу специализированных подразделений (технологов, электриков, автоматчиков, программистов и т.д.) в соответствии с нормативными документами, определяющими систему технических заданий, документооборот, планы-графики, стадийность и т.д. Такой механизм позволял выполнять проекты АСУ ТП предыдущих поколений, хотя и требовал выпуска очень большого объема внутренней документации.

При возрастании сложности разрабатываемых систем проблема взаимодействия специалистов различного профиля резко обострилась, сроки взаимных согласований технических решений стали недопустимо большими. Трудность отслеживания изменений, вносимых в одну часть проекта в одном из подразделений, в связанных с ней частях проекта в других подразделениях привела к массовым ошибкам в создаваемых системах. Значительный рост трудозатрат на взаимное согласование элементов проекта привел к многократному росту стоимости разрабатываемых АСУ ТП.

В конце 80-х и начале 90-х годов произошло массовое внедрение АРМ проектировщиков на базе САПР типа AutoCAD. Но при значительном увеличении производительности труда конструкторов, эти АРМ не решили наиболее сложные проблемы обеспечения единства процесса проектирования, т.к. связаны с выполнением лишь небольшой части общего объема работ.

Ведущие мировые производители средств автоматизации (ABB, Siemens, Н&В, Telemechanic и др.) в составе поставляемых программно-технических комплексов предлагают программные средства для автоматизированного проектирования АСУ ТП.

Эти средства, однако: ................ . ....

• не поддерживают очень важные начальные этапы проектирования системы, связанные с описанием объекта автоматизации;

• ориентируют на проектирование от "средств", а не от объекта;

• не решают проблемы создания единой среды проектирования для специалистов различного профиля;

• привязаны к конкретному семейству контроллеров и практически не применимы для других.

Таким образом, ни использование самых современных импортных программно-технических комплексов автоматизации, ни применение традиционных конструкторских САПР не решает большей части проблем создания АСУ ТП сложных объектов.

Для решения этих проблем в диссертации предложена структура системы сквозного проектирования, позволяющая объединить известные ранее и разработанные автором элементы на основе следующих принципов:

• при проектировании АСУ ТП она должна рассматриваться совместно с автоматизируемым объектом как единый автоматизированный технологический комплекс (АТК),

• все элементы АТК должны рассматриваться как взаимодействующие между собой модели,

• базовой моделью для всех элементов является модель конечного автомата,

что обеспечило единство информационной базы проекта и впервые позволило единообразным способом решать все задачи проектирования АСУ ТП. В диссертации описана реализация подхода в виде разработанного непроцедурного языка и основанной на нем системы сквозного проектирования,

На рис. 1 изображена взаимосвязь основных понятий АСУ ТП. Пунктирными линиями показана традиционная декомпозиция АТК, сплошными - используемая в языке "HABT". Прямоугольниками с закругленными краями показаны понятия, не участвующие в иерархии ГОСТ, но существенно используемые в "HABT". Изменено разделение средств АСУ ТП на технические и программные без учета их назначения, т.к. технические вычислительные средства неразрывно связаны с программными средствами и значительно слабее - со средствами автоматизации нижнего уровня (датчиками, исполнительными механизмами и т.п.).

Рнс.1 Взаимосвязь основных понятий АСУ ТП

Во введении рассмотрены особенности АСУ ТП как объекта проектирования, изложены требования к ее проектированию, показана недостаточность традиционных средств проектирования, обоснована необходимость создания системы сквозного проектирования АСУ ТП.

В первой главе рассмотрены принципы построения системы сквозного проектирования HABT, состав системы сквозного

проектирования, проведено сравнение с другими системами автоматизированного проектирования АСУ ТП.

В п.1 рассмотрены базовые принципы построения системы "HABT":

• объектный подход; !

• ■ .еткая классификация объекта и средств автоматизации;

• единый непроцедурный язык описания проектируемой системы;

I- дружественный интерфейс р,ля всех разработчиков;

» поддержка всех этапов! проектирования и сопровождения, контроль стадии проектирования; i

• единство информационной базы проекта;

• максимальная автоматизация процесса проектирования, автоматизированное тиражирование проектных решений;

• ориентация на использование типовых моделей и алгоритмов с возможностью расширения библиотеки типовых моделей;

• переносимость - легкость адаптации к новым типам объектов и средств автоматизации, к новым типам контроллеров и систем технологическо го программирования;

• автоматизированное конфигурирование АРМ операторов и цифровых информационных потоков для разрабатываемых АСУ ТП;

• одновременное сопровождение большого числа проектов с одного АРМ "HABT" и поддержка коллективной работы над проектом (сетевой характер "HABT"). ! ,

В п.2 рассмотрена структура системы сквозного проектирования "HABT", дана краткая характеристика ее компонентов. Система включает: i >

• непроцедурный язык проектирования "HABT";

• интегрированную среду разработки проектов;

• компилятор языка "НАВТ"| '

i

I I I

В п.З проведено сравнение системы сквозного проектирования "HABT" с существующей системой фирмы Siemens и разрабатываемой НИИТЕПЛОПРИБОР системой "САПР-КВИНТ".

В п.4 рассмотрены результаты использования системы сквозного проектирования "HABT".

Во второй главе рассмотрен язык проектирования HABT, созданный автором, который является базовым языком системы сквозного проектирования

Одной из главных задач, возлагаемых на систему автоматизированного проектирования АСУ ТП, является обеспечение непосредственной работы с системой специалистов всех профилей без посредничества программистов.

В системе сквозного проектирования «HABT» эти задачи решаются через использование специализированного непроцедурного языка.

Непроцедурный язык «HABT»представляет собой язык табличного типа, предоставляющий средства для описания всех классов элементов АТК и связей между элементами:

• система соглашений об именах и обозначениях;

• система взаимосвязанных табличных форм для хранения, просмотра, модификации и печати описаний;

• правила заполнения исходных таблиц;

• структура и правила формирования промежуточных таблиц и выходных форм.

Описательный характер языка не требует навыков программирования от пользователей, поэтому проектировщики всех специальностей могут непосредственно заполнять соответствующие их профилю разделы таблиц. Таким образом, язык "HABT" становится "общим языком проекта".

Необходимым свойством Системы является дружественный интерфейс для всех пользователей системы. Дружественность интерфейса обеспечивается применением в экранных и отчетных формах языка проектирования понятий и терминов, используемых соответствующими специалистами.

Стыковка различных описаний между собой осуществляется интегрированной средой проектирования и компилятором "HABT".

Основой построения непроцедурного языка является система классификации предметной области.

Система классификации АТК отражает все основные свойства и отношения между разнородными компонентами и содержит:

1. Классификацию объектных уровней

2. Классификацию иерархических уровней АСУ ТП

3. Классификацию состояний объекта автоматизации

4. Классификацию функциональных уровней АСУ ТП

5. Классификацию событий и реакций АСУ ТП

6. Классификацию элементов АТК.

Классификация элементов АТК изображена на рис.2.

В третьей главе в терминах языка «НАВТ»рассмотрено описание типовой модели элемента АТК, приведен пример описания модели натриевого фильтра химводоочистки ТЭЦ.

В традиционных АСУ ТП (построенных не по объектной технологии) важной частью проектирования является построение и конфигурирование типовых алгоритмов. В системе, построенной по объектной технологии, алгоритмы рассматриваются всегда в совокупности со структурами обрабатываемых данных. Поэтому, основным проектным элементом в "HABT" является типовая модель, имеющая характерный набор, связанных с ней алгоритмов.

Объект автоматизации

Элементы структуры объекта

Исполнительные устройства

Защиты

Датчики

Устройства индикации

Контуры регулирования

Модели и сигналы

Программно-технический комплекс

Типовые модели

Контроллеры

Модели

Сигналы

Шкафы и клеммники

Компьютеры

Локальные вычислительные. сети

Переменные вычислительных узлов

Информационные блоки

Рис.2 Классификация элементов автоматизированного технологического комплекса (АТК)

Новый подход, примененный в "HABT", рассматривает не только модели объекта управления и средств автоматизации, но и модели всех элементов ПТК: вычислительных узлов, каналов связи, массивов данных, выполняемых задач и т.д. При этом базовым классом модели является простая реализация дискретного автомата - все модели элементов АТК имеют Состояние, метод его идентификации, метод периодического обновления, воспринимают команды, находятся в одном из режимов управления (режим управления - перечислимый тип).

Для каждого элемента АТК в "HABT" создается модель с уникальным идентификатором и описываются ее связи с другими моделями. Сквозной характер системы обеспечивает использование этой модели с корректным отслеживанием связей во всех проектных и

исполняемых формах: в проектных базах данных, проектной документации, исполняемых программных модулях, в интерфейсе с операторами, в базах истории технологического процесса и т.д.

Технология "HABT" ориентирована на использование типовых моделей, адаптируемых к условиям конкретного проекта. Для этого описание внутренней логики функционирования модели (алгоритмов типовой модели) четко отделяется от указаний о ее использовании и связях с другими моделями. Для обеспечения высокой переносимости алгоритмов типовых моделей на новые контроллеры они сформулированы, как правило, в ' терминах теории автоматов и комбинационных схем. Перекодировка такой формы на конкретный

технологический язык программирования не составляет принципиальной

j

проблемы. I

'г

Использование типовых моделей и параметры их настройки описываются в таблицах языка "HABT".

В языке "HABT" предусматривается возможность как расширения библиотеки типовых моделей, так и| создание набора типовых моделей проекта, имеющих отличия от библиотечных.

'I

>

В четвертой главе рассмотрена программная реализация типовой модели HABT.

Программная реализация моделей и алгоритмов для современных микропроцессорных систем выполняется, как правило, на языках технологического программирования, входящих в состав программно-технических комплексов, т.е. поставляемых вместе с микропроцессорными контроллерами.

Современные системы технологического программирования поддерживают использование в программах символических имен

переменных и констант, значения которых описываются, как правило в специальных файлах конфигурации.

При использовании типовых моделей взаимодействие системы "HABT" и систем технологического программирования строится следующим образом:

• задание на программирование алгоритмов типовых моделей выдается на основе табличного описания моделей, формируемого "HABT";

• алгоритмы функционирования типовых моделей кодируются на требуемом языке технологического программирования;

• привязка типовых программных моделей к объекту производится через файлы конфигурации, автоматически формируемые "HABT" в требуемом формате.

Высокая переносимость типовых моделей "HABT" на новые контроллеры и системы программирования обеспечивается:

• первоначальной формулировкой алгоритмов типовых моделей в терминах теории автоматов;

• локализацией системно-зависимых частей и легкостью их расширения.

Высокая переносимость на новые типы объектов обеспечивается:

• легкостью расширения библиотеки типовых моделей;

• универсальностью языка проектирования в рамках предметной области.

При функционировании АСУ ТП должны быть четко организованы передача, прием и исполнение команд. Распределенный и параллельный характер АСУ ТП создает значительные сложности в управлении этими процессами. При этом система передачи и исполнения команд должна занимать минимум вычислительных ресурсов, чтобы помещаться в

маломощных вычислительных узлах, и допускать технологически естественное конфигурирование.

Для удовлетворения указанному набору требований была разработана и программно реализована спецификация СПИК (Система Передачи и Исполнения Команд), с учетом использования которой создавались описания моделей.

В пятой главе описаны интегрированная среда проектирования и компилятор языка HABT, обеспечивающие автоматизацию процесса проектирования АСУ ТП и дружественный интерфейс для разработчиков

В п.1 описана интегрированная среда проектирования. Интегрированная среда проектирования "HABT" обеспечивает удобство разработки проектов АСУ ТП на языке "HABT" путем реализации дружественного интерфейса к проектировщикам различного профиля, заложенного в структуре языка.

Она обеспечивает единообразные механизмы поиска, выборки, быстрого просмотра, редактирования, удаления информации о проекте АСУ ТП, формирования требуемых отчетов.

Принципиальной особенностью интегрированной среды проектирования "HABT" является использование языка "HABT" для ее описания.

Конфигурирование интегрированной среды проектирования производится средствами специального раздела языка "HABT".

Базы данных раздела "Справочники/Системные" описывают элементы системы сквозного проектирования:

1. Трехуровневое главное меню системы сквозного проектирования

"HABT".

2. Компоненты баз данных системы сквозного проектирования "HABT":

• реляционные таблицы;

• броузеры;

• отчеты;

• конструкторы и деструкторы записей.

3. Структуру и состав системы сквозного проектирования "HABT":

• разделы;

• подразделы;

• базы данных;

• реляционные таблицы.

4. Структуру реляционных таблиц справочников и проектных баз.

5. Типовые индексы баз данных

6. Типовые выборки из баз данных.

7. Связи между базами данных:

• по исполнению;

• по изменению;

• по удалению;

• по просмотру.

8. Типовые этапы проектирования АСУ ТП (стадии, шаги):

• метод выполнения шага;

• метод отмены шага;

• группировка шагов в стадию.

В п.2 описан компилятор языка "HABT", который обеспечивает автоматизацию процесса проектирования АСУ ТП в системе сквозного проектирования:

1. Контроль полноты и непротиворечивости информации о проекте;

2. Автоматизацию многих этапов проектирования и автогенерацию промежуточных и выходных форм;

3. Автоматическое отслеживание изменений, вносимых в элементы, во всех описаниях проекта;

4. Контроль стадий проектирование при выполнении всех операций;

5. Автоматизированное тиражирование проектных решений.

Основой всех процедур компилятора являются SQL-запросы к базам данных проекта. i

Реализация интегрированной среды проектирования'и компилятора

"HABT" выполнены на СУБД FoxPro]

i

В шестой главе описана методика применения системы сквозного проектирования HABT, рассмотрены результаты внедрения и применения

HABT. I

; 1

Одним из главных преимуществ использования технологии "HABT" является поддержка всех этапов проектирования АСУ ТП объекта. Заполнение таблиц языка проектирования начинается еще на стадии анализа технологических схем объекта при составлении технических предложений или технического задания (ТЗ).

Списки оборудования, защит, сигнализации и т.д., прилагаемые к ТЗ,

формируются уже как выходные формы языка.

I

При окончании этапа проектирования, а также после проведении корректировки проекта в ходе пуско-наладочных работ и промышленной эксплуатации, могут быть автоматически сформированы выходные данные проекта: описания структуры и элементов АТК, таблицы привязки технических средств автоматизации, описания программ, файлы конфигурации программного обеспечения контроллеров и АРМ операторов.

Методика применения "HABT" описывает последовательность действий, выполняемых коллективом разработчиков АСУ ТП, и средства системы, используемые ими на каждом шаге проектирования.

Последовательность шагов проектирования задается разработчикам АСУ ТП в окне контроля этапов проектирования. Из этого окна запускаются все автоматические процедуры проектирования. Основные этапы проектирования изображены на рис.3.

В заключении сделаны выводы, характеризующие научную новизну и практическую важность выполненной работы.

Рис.3 Этапы проектирования АСУ ТП

Основные результаты диссертации

1) Автором предложена структура системы проектирования, позволяющая объединить известные ранее и разработанные автором элементы на основе следующих принципов:

• при проектировании АСУ ТП она должна рассматриваться совместно с автоматизируемым объектом как единый автоматизированный технологический комплекс (АТК),

• все элементы АТК должны рассматриваться как взаимодействующие между собой модели,

• базовой моделью для всех элементов является модель дискретного конечного автомата,

что обеспечило единство информационной базы проекта и впервые позволило единообразным способом решать все задачи проектирования АСУ ТП.

2) Для данного представления элементов АТК и связей между ними автором был разработан непроцедурный язык "HABT", на базе которого разработана система сквозного проектирования "HABT", включающая язык, интегрированную среду проектирования и компилятор.

3) Система сквозного проектирования "HABT" полностью реализована и внедрена для проектирования АСУ ТП энергетических объектов высокого уровня сложности.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1) Менделевич В.А, Палицын Д.Б. "О создании цифровых систем автоматизации энергетических объектов", Москва, "Промышленная энергетика", №6 1994.

2) Менделевич В.А, Палицын Д.Б. "Системы станционного уровня", Москва, "Промышленная энергетика", №7 1994.

3) Менделевич В.А, Палицын Д.Б. "Системы автоматизации энергетических агрегатов: состав и структура", Москва, "Промышленная энергетика", №8 1994.

4) Менделевич В.А, Палицын Д.Б. "Организационные и кадровые вопросы внедрения и эксплуатации систем автоматизации энергетических объектов", Москва, "Промышленная энергетика", №9 1994.

5) Менделевич В.А. Доклад на региональном семинаре УралВНИПИэнергопром "Система автоматизированного проектирования для АСУ ТП", Екатеринбург, декабрь 1995.