Математическое и программное обеспечение микропроцессорной системы управления потенциально опасными объектами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Тучинский, Сергей Владимирович

• Тучинский, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тучинский, Сергей Владимирович

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНО

МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СИСТЕМЫ

УПРАВЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫМИ

ОБЪЕКТАМИ.

1.1. Актуальность задачи регулирования потенциально опасных объектов.

1.2. Задача создания математического обеспечения регуляторов для класса потенциально опасных объектов.

1.3. Задача обеспечения функционирования пакета программного обеспечения в режиме реального времени.

1.4. Построение баз данных реального времени.

1.5. Цель и задачи диссертационного исследования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и программное обеспечение микропроцессорной системы управления потенциально опасными объектами»

Актуальность темы. К системам управления потенциально опасными (взрыво-, пожароопасные и т.п.) технологическими объектами в химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности по нормативным документам Госгортехнадзора предъявляются повышенные требования по надежности и точности регулирования, обязательному применению микропроцессорной техники и обеспечению интегрированных средств аварийной сигнализации и блокировки, а также визуализации хода технологического процесса для технического персонала.

Наблюдающееся в последние годы оживление экономической ситуации в нашей стране характеризуется тем, что у предприятий промышленности несмотря на наличие свободных денежных средств очень небольшая их доля тратится на обновление технологического оборудования, большая доля которого является морально устаревшим и находится зачастую в последней стадии изношенности. В связи с этим перед предприятиями очень остро встает вопрос об оснащении средствами аварийной защиты и при этом о выборе недорогой системы аварийного управления, способной удовлетворить целому комплексу жестких требований.

На рынке программного обеспечения существует достаточное колйче-ство универсальных программных систем, предлагаемых различными западными фирмами, однако они оказываются чрезвычайно дорогими для российского покупателя. Кроме того, адаптация универсальной программной системы к требованиям конкретного технологического процесса иногда оказывается длительным и трудоемким процессом, требующим наличия высококвалифицированного персонала. К тому же, западные производители программных систем ориентируются на последние достижения в области аппаратного обеспечения персональных компьютеров, что, естественно, не способствует удешевлению аппаратно-программного комплекса. Иногда пред6 приятия закупают импортные системы аварийного управления только из-за отсутствия аналогичных отечественных разработок. В этой ситуации актуальной оказывается задача создания недорогого программного обеспечения, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым государственным комитетом по стандартам (ГОСТ), Гостехнадзором, Министерством по чрезвычайным ситуациям к качеству и надежности системы управления потенциально опасными технологическими объектами. Технической базой для таких систем могут служить в том числе и однокристальные ЭВМ, например ТМ8370 и их аналоги.

Работа выполнена в рамках научного направления "Вычислительные и информационно-телекоммуникационные системы" Воронежского государственного технического университета.

Цель работы. Целью работы является разработка математического и программного обеспечения микропроцессорной системы аварийного управления потенциально опасными объектами, обеспечивающего высокую точность и низкие требования к аппаратным ресурсам, при сохранении высокого уровня надежности функционирования.

Исходя из этого, в работе решались следующие основные задачи:

- системный анализ актуальных задач организации систем управления и аварийной защиты и сигнализации для потенциально опасных объектов, определение наиболее эффективных путей и направлений решения проблемы;

- разработка программного обеспечения системы управления потенциально опасными объектами, включающего поддержку функционирования системы в режиме реального времени, реляционную базу данных состояния системы, подсистемы конфигурирования и пользовательского интерфейса;

- разработка математического обеспечения, включая алгоритмы построения модальных регуляторов для широкого класса объектов, содержащих запаздывание в канале управления;

- построение алгоритмов оптимизации получаемых регуляторов по 7 различным критериям, характерным для режимов аварийного управления;

- практическая реализация и внедрение системы на производстве в составе комплексов противоаварийной защиты (ПАЗ).

Методы исследования основаны на использовании теории автоматического регулирования, математического и функционального анализа, теории функций комплексного переменного, а также методов модульного, структурного и объектного программирования.

Научная новизна основных результатов, полученных в работе, состоит в следующем:

1) Создано математическое обеспечение управления неминимально фазовыми объектами, содержащими запаздывание в канале управления, отличающееся от традиционных методов высокой точностью регулирования и простотой реализации.

2) Доказана теорема об устойчивости получаемого с применением данного алгоритмического обеспечения модального регулятора.

3) Построен алгоритм, позволяющий оптимизировать полученный регулятор по различным выбранным критериям, задаваемым заказчиком.

4) Разработано оригинальное программное обеспечение для синтеза и поддержки функционирования системы аварийного управления потенциально опасными объектами, отличающееся наличием реализации новых алгоритмов построения модальных регуляторов, а также существенно сниженными требованиями к ресурсам базового аппаратного обеспечения при сохранении необходимого уровня качества регулирования и надежности функционирования.

Практическая значимость. Разработанные компоненты математического и программного обеспечения составляют программно-аппаратный комплекс, предназначенный для построения систем управления потенциально опасными объектами. Создан программный комплекс для осуществления всех этапов проектирования и разработки системы: синтез и настройку модального регулятора, учитывающего специфические особенности объекта ре8 гулирования; моделирование поведения замкнутой системы, содержащей синтезированный регулятор и объект регулирования; конфигурирование структуры сети устройств нижнего уровня и параметров системы; создание экранных форм интерфейса пользователя. Разработан микропроцессорный программно-аппаратный комплекс, реализованный на однокристальных ЭВМ типа ТМ8370 и осуществляющий управление потенциально опасным технологическим объектом в реальном времени с поддержкой функций автоматической сигнализации и блокировки; ведения базы данных состояния объекта, системы, а также архива информации о динамике параметров объекта. Обе системы взаимосвязаны, отладка системы ведется на уровне реального управляющего комплекса в режиме полунатурного моделирования.

Реализация и внедрение. Разработанные на базе пакета программ системы противоаварийной защиты внедрены и эксплуатируются на установках риформинга №2,3 на ОАО «Куйбышевский НПЗ» (г. Самара), в производствах синтетического каучука на АО «Синтезкаучук» (г. Тольятти) и АО "Каучук" (г. Стерлитамак), в производстве мономеров на АО «Уфаоргсинтез» (г. Уфа).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международной научной, конференции «Нелинейный анализ и функционально-дифференциальные уравнения» (г. Воронеж, 15-20 мая 2000 г.), международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, июль-август 2000 г.), зимней математической школе при ВГУ (г. Воронеж, 28 января - 4 февраля 2000 г.), научных семинарах Воронежского Государственного университета и Воронежского государственного технического университета.

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы, содержащего 74 наименования. Она изложена на 103 страницах машинописного текста, содержит

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Тучинский, Сергей Владимирович

4.4. ВЫВОДЫ

В четвертой главе представлены результаты внедрения разработанного в данной диссертации программно-математического обеспечения на ОАО «Куйбышевский НПЗ», г. Самара.

Внедрение пакета на реальных объектах промышленности доказало актуальность поставленных задач, практическую полезность и эффективность полученных алгоритмов и программ.

В заключение отметим, что данный пакет успешно применялся для построения систем защиты и управления и на других предприятиях химической и нефтехимической промышленности России, что подтверждено приведенными в приложении актами о внедрении.

97

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты диссертационного исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Проведен системный анализ особенностей задач управления потенциально опасными объектами и показана перспективность с экономической точки зрения работ в области разработки средств создания недорогих и надежных систем такого рода, основанных на микропроцессорной технике, а также необходимость создания математического и программного обеспечения для решения подобных задач.

2. Обосновано использование методов передаточных функций для построения модальных регуляторов, позволившее разработать алгоритм построения передаточной функции регулятора, обеспечивающего желаемое расположение корней характеристического полинома замкнутой системы по передаточной функции объекта, а также управление в режимах, характерных для потенциально опасных объектов.

3. С помощью функций Ляпунова построен алгоритм оптимизации получаемого регулятора по заданному критерию, разработано соответствующее алгоритмическое обеспечение.

4. Разработано математическое и программное обеспечение, предназначенное для построения модальных регуляторов по передаточной функции объекта регулирования, а также моделирования получаемой поведения замкнутой системы на этапе проектирования.

5. Разработано программное обеспечение построения систем управления потенциально опасными объектами, обеспечивающее все необходимые функции, требуемые от подобной системы правилами ГОСТ, при этом предъявляющее минимальные требования к ресурсам персонального компьютера.

6. Разработанное программное обеспечение успешно внедрено и функционирует в составе систем противоаварийной защиты на предприятиях химической и нефтехимической промышленности Российской Федерации.

98

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тучинский, Сергей Владимирович, 2000 год

1. С. Liu and J. Leyland. Scheduling Algorithms for Multiprogramming in a Hard-Real-Time Environment. // Journal of the ACM. January, 1973.

2. CODASYL Data Base Task Group Report. Conf on Data System Languages. -ACM, New York, 1971.

3. D. Stewart and P.Koshla. Real-Time Scheduling of Sensor-Based Control Systems. // Proceedings of Eighth IEEE Workshop on Real-Time Operating Systems and Software. May, 1991.

4. J. Stancovich. Misconcriptions about Real-Time Computing. // IEEE Computer. October, 1988.

5. Kailath T. Linear Systems Englwood Cliffs. -NJ: Prentice Hall, 1980.

6. L. Sha and J. Goodenough. Real Time Scheduling Theory and Ada. // IEEE Computer. April, 1990.

7. QNX Software Systems Ltd. QNX 4 Operating System. System Architecture. Canada, 1993.

8. S. Natarajan and W. Zhao. Issues in Building Dynamic Real-Time Systems. // IEEE Software. September, 1992.

9. Smith O.J.M. Closer Control of Loops with Dead Time. // Chem. Eng. Progr. 53,217, 1957.1

10. Ю.Аваков C.M. Системные функции DOS 4.0 // Библиотека информационной технологии: Вып. 4, 1992.

11. П.Амосов А.А., Дубинский Ю.А., Копченова Н.В. Вычислительные методы для инженеров. М.: Высш.шк., 1994.

12. Андреев Ю.Н. Управление конечномерными линейными объектами. М.: Наука, 1976.

13. И.Бажанов В. USWO новый способ формирования управления для замкнутых систем автоматического регулирования. // Современные технологии автоматизации. 1998. №4. С.28-32.99

14. Бард В.Л., Кузин A.B., Предупреждение опасностей в нефтеперерабатывающей и химической промышленности. М., Химия, 1984

15. Бейкер Дж., Грейвс-Моррис П. Аппроксимации Паде. Пер. с англ. М.: Мир, 1986.

16. Беляков М.И., Рабовер Ю.И., Фридман A.JI. Мобильная операционная система. М.: Радио и связь, 1991.

17. Бесчастнов М.В., Соколов В.М., Предупреждение аварий в химических производствах. М., Химия, 1978

18. Бесчастнов М.В. Взрывобезопасность и противоаварийная защита химико-технологических процессов. -М.: Химия, 1983.

19. Бунин В., Анопренко В. и др. SCADA-системы: проблемы выбора. // Современные технологии автоматизации. 1999. №4.

20. Бушинский В.И., Годынский Э.Г., Сабинин Д.С. Алгоритмический подход к разработке систем безопасного управления потенциально опасными объектами. // Известия ТулГУ. Серия "Подъемно-транспортные машины и оборудование". Выпуск 1. 1997.- С.3-170

21. Волгин JI.H. Диофантово полиномиальное исчисление и его применение для решения математических задач теории управления. // Автоматика. 1987. №1. С.43-52.

22. Волгин J1.H. Оптимальное дискретное управление динамическими системами.-М.:Наука, 1986.

23. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. М.: Энергия, 1965.

24. Воронов A.A. Синтез минимальных модальных регуляторов, действующих от измеримых входа и выхода линейного объекта. // АиТ. 1993. №2. С.34-51.

25. Воронов A.A. Синтез минимальных модальных регуляторов, действующих по выходам. // Дифференц. уравнения. 1992. Т.28. №11. С. 1861-1877.

26. Воронов A.A. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М.: Наука, 1979.100

27. Гориневский Д.М. Стабилизация бесконечномерного линейного объекта с помощью конечномерных регуляторов состояния. // АиТ. 1990. №9. С.27-34.

28. Госгортехнадзор России. Общие правила взрывобезопасности для взрыво-пожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств. М.: ПИО ОБТ, 1999.

29. Госгортехнадзор России. Правила безопасности для складов сжиженных углеводородных газов и легковоспламеняющихся жидкостей под давлением. -М., 1997.

30. Григорьев B.J1. Микропроцессор i486. Архитектура и программирование. — М.: ГРАНАЛ, 1993.

31. Дадашов М. Проектирование пользовательского интерфейса на персональных компьютерах. Вильнюс: DBS LTD, 1991.

32. Дунаев С. UNIX SYSTEM V. Release 4.2. М.: "ДИАЛОГ-МИФИ", 1995.

33. Жданов A.A. Операционные системы реального времени. // PC Week. 1999. №8.

34. Золотарев С. Интегрированные пакеты АСУ ТП в ОС QNX. // Современные технологии автоматизации. 1996. №1. С.36-38.

35. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.

36. Каган Б. М. Электронные вычислительные машины и системы. М.:41. Энергоатомиздат, 1985.

37. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. Пер. с англ. -М.: Мир, 1971.

38. Керниган Б.В., Пайк P. UNIX универсальная среда программирования. Пер. с англ. - М.: Финансы и статистика, 1992.

39. Коффрон Дж., Лонг В. Расширение микропроцессорных систем. Пер. с англ.-М.: Мир, 1987.

40. Кузнецов A. Genesis for Windows графическая SCADA-система для разработки АСУ ТП. // Современные технологии автоматизации. 1997. №3. С. 104-108.101

41. Кузовков Н.П. Модальное управление и наблюдающие устройства. М.: Машиностроение, 1976.

42. Кунцевич В.М., Лычак М.М. Синтез систем автоматического управления с помощью функций Ляпунова. М.: Наука, 1977.

43. Л.Скэнлон. Персональные ЭВМ IBM PC и ХТ. Программирование на языке ассемблера. Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1991.

44. Леондес К.Т. Современная теория систем управления. Пер. с англ. М.: Наука, 1970.

45. Липаев В.В. Проектирование математического обеспечения АСУ (системотехника, архитектура, технология). -М.: Сов. радио, 1997.

46. Липаев В.В., Серебровский Л.А., Гаганов П.Г. и др. Технология программирования комплексов программ АСУ. -М.: Радио и связь, 1983.

47. Лозгачев Г.И Синтез модальных регуляторов по передаточной функции замкнутой системы. // АиТ. 1995. №5. С.49-55.

48. Лозгачев Г.И Синтез регуляторов по передаточной функции замкнутой системы. // Алгоритмы управления и идентификации. М.: Диалог-МГУ, 1997. №5. С.85-93.

49. Лозгачев Г.И. Тучинский C.B. Построение модального регулятора для объекта с запаздыванием по передаточной функции замкнутой системы. //

50. Современные информационные технологии: Тез. докл. Международной » *научно-технической конференции, август 2000 г. Пенза, 2000, с.71-73.

51. Лозгачев Г.И., Тучинский C.B. Построение модального регулятора для объекта с запаздыванием по передаточной функции замкнутой системы. Нелинейная динамика управления М., изд-во МГУ, 2000, с.54-61.

52. Локотков A. GENEZIS32: нечто большее, чем просто SCADA-система. // Современные технологии автоматизации. 1998. №3.

53. Локотков А. Что должна уметь система SCADA. // Современные технологии автоматизации. 1998. №3. С.44-46.

54. Лю Ю-Чжен, Гибсон Г. Микропроцессоры семейства 8086/8088. Архитектура, программирование и проектирование микрокомпьютерных систем. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987.

55. Мееров М.В. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. -М.: Гос. издат. физ.-мат. литературы, 1959.

56. Мячев A.A. Интерфейсы средств вычислительной техники. М.: Радио и связь, 1993.

57. Н.Н. Смирнов. Программные средства персональных ЭВМ. Л.: Машиностроение, 1990.59.0зкарахан Э. Машины баз данных и управление базами данных. Пер с англ. М.: Мир, 1989.

58. П.Нортон. Персональный компьютер фирмы IBM и операционная система MS-DOS. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1992.

59. Подвальный С.Л., Тучинский C.B. Программное обеспечение системы управления потенциально опасными объектами. Системы управления и информационные технологии. Изд-во ВГТУ, 2000, с.87-91.

60. Рашковский В.М. Теория и практика разработки и внедрения АСУП. М.: Сов. радио, 1975.

61. Розенвассер E.H. Синтез многомерных линейных систем с заданными характеристиками полиномов. // АиТ. 1996. №8. С.35-53.

62. Рязанов Ю.А. Проектирование систем автоматического регулирования. -М.: Статистика, 1963.

63. Солодовников В.В. Теория автоматического регулирования, т.1. М.:1031. Машиностроение, 1967.

64. Сорокин С. IBM PC в промышленности. // Современные технологии автоматизации. 1996. №1. С.6-13.

65. Сорокин С. Системы реального времени. // Современные технологии автоматизации. 1997. №2. С.22-29

66. Справочное руководство по IBM PC. Авторский коллектив ТПП "СФЕРА". -М.: ТПП "СФЕРА", 1991.

67. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных. Пер. с .англ. -М.: Мир, 1985.

68. Трахтенгерц Э.А. Программное обеспечение автоматизированных систем управления. М.: Статистика, 1974.

69. Федоров А. Особенности программирования на Borland Pascal. Киев: Диалектика, 1994.

70. Шагурин И.И., Бродин В.Б., Мозговой Т.П. 80386: описание и система команд. -М.: МП "Малип", 1992.104