Системно-ориентированный подход к проектированию АСУ ТП с применением структурных методов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Лебедев, Владислав Олегович

• Лебедев, Владислав Олегович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Лебедев, Владислав Олегович

Введение.

Глава 1. Особенности проектирования АСУ ТП.

1.1. Основные трудности создания АСУ ТП. 1.2. Особенности автоматизации экологически опасных объектов промышленности.

1.3. Современные технические и программные средства АСУ ТП и их характеристики

1.4. Структурный подход к описанию систем.

1.5. Постановка задачи диссертационной работы.

1.6. Выводы.

Глава 2. Системно-ориентированный подход.

2.1. Основные требования к средствам построения и сопровождения АСУ ТП.

2.2. Основные понятия и определения, сущность системно-ориентированного подхода.

2.3. Анализ описания АСУ ТП различными структурными конструкциями.

2.4. Основные элементы системно-ориентированного подхода к программированию при построении систем реального времени.

2.5. Необходимость оптимального выбора структурных единиц ("алфавита") и порядка их взаимодействия ("грамматики") при создании базовых программных средств АСУ ТП.

2.6. Организация взаимодействия задач реального времени и случайного доступа на основе системно-ориентированного подхода.

2.7. Основные отличия предлагаемых походов.

2.8. Выводы.

Глава 3. Построение комплекса программно-технических средств АСУ ТП на основе системно-ориентированного подхода.

3.1. Организация управления вычислительным процессом АСУ ТП.1.

3.2. Организация и построение комплекса технических средств.

3.3. Основные структурные представления и компоненты комплекса программных средств.

3.4. Технологический язык программирования.

3.5. Инструментальные средства программирования.

3.6. Сетевое программное обеспечение.

3.7. Средства поддержки интерфейса оператора.

3.8. Средства расчета технико-экономических показателей и генерации отчетов.

3.9. Организация взаимодействия с внешними программными средствами.

3.10. Средства разграничения доступа к ресурсам и защита информации.

3.11. Резервирование и другие средства повышения надежности АСУ ТП.

3.12. Тестирование и проверка технических характеристик ПТК АСУ ТП.

3.13. Средства обучения и трепировки.

3.14 Выводы.

Глава 4. Реализация принципов системно-ориентированного подхода в рамках программно-технического комплекса УМИКОН.

4.1. КПО МикСИС.

4.2. КТС МикКОН.

4.3 Реализация алгоблочной системы программирования верхнего уровня.

4.4. Реализация алгоблочной системы программирования среднего уровня.

4.5. Реализация алгоблочной системы программирования нижнего уровня.

4.6. Реализация алгоблочной системы программирования для подсистемы расчета технико-экономических показателей.

4.7. Сравнительные характеристики различных систем программирования при создании технологических программ.

4.8. Выводы.

Глава 5. Анализ практической реализации системно-ориентированного подхода к построению автоматизированных систем реального времени

5.1. АСУ ТП ТЭЦ Реакторного завода Горно-химического комбината, г. Железногорск Красноярского края.

5.2. АСУ ТП заводов Сибирского химического комбината, г.Северск Томской области

5.3. АСУ ТП производств ОАО «Каустик», г.Волгоград.

5.4. Малые системы и системы обучения.

5.5. АСУ ТП ФОК Михайловского ГОК.

5.6. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системно-ориентированный подход к проектированию АСУ ТП с применением структурных методов»

Исследования, проведенные в диссертации, посвящены задаче создания системно-ориентированного подхода к проектированию АСУТП с применением структурных методов путем применения системного похода.

Актуальность:

Неизбежное развитие атомных, химических и других опасных, но необходимых для

• : I существования современной экономики, производств, вызывает растущую потребность в совершенствовании средств управления для обеспечения их эффективной и безопасной эксплуатации. Одним из очевидных путей решения этой задачи является широкое привлечение специалистов в области технологии и автоматики непосредственно к разработке и модернизации автоматизированных систем управления и, прежде всего, их программной части как наиболее быстро поддающейся модификации. Но при этом использование наиболее доступных для специалистов без специального образования в области программирования графических средств технологического программирования сужается по сравнению с текстовыми языками (например, в рамках применения языков стандарта МЭК 61131-3). Вызывает также проблемы широкое использование в АСУ ТП программных и аппаратных решений, характерных для офисных систем, но не эффективных для систем реального времени. Отсюда возникает потребность в новых средствах проектирования систем управления. Для их поиска целесообразно применение системного подхода, изучающего объекты и явления как системы с целью вывода общесистемных закономерностей на основе структурного сходства законов, установленных в отдельных областях знания. Применение данного подхода позволило выработать новые методы проектирования систем управления путем преодоления фрагментарности событийно-объектного подхода.

Цель работы:

Целью работы является выработка эффективных методов создания и организации АСУ ТП. Для достижения поставленной цели были сформулированы и поставлены следующие задачи:

- разработка на основе принципов системного подхода средств проектирования АСУ ТП путем формирования типовых методов и элементных структур;

- проверка эффективности разработанных методов при построении и эксплуатации конкретных АСУ ТП, в том числе в атомной и химической промышленности.

Научная новизна работы.

1. На основе системного подхода как общеметодического принципа и системного структурного анализа опыта проектирования и эксплуатации различных систем управления выработан системно-ориентированный подход к построению АСУ ТП.

2. Исходя* из системно-ориентированного подхода развиты основные принципы проектирования АСУ ТП с учетом специфики систем с повышенными требованиями к надежности.

3. Созданы средства проектирования АСУ ТП на базе системно-ориентированного подхода - технологическая алгоблочная система программирования, позволяющая найти оптимальное сочетание трудоемкости проектирования и эксплуатационной эффективности создаваемых систем.

Практическая значимость работы.

Созданы инструментальные средства проектирования АСУ ТП, пригодные для применения в различных отраслях народного хозяйства и обладающие техническими характеристиками, превосходящими аналоги.

С помощью созданных инструментальных средств спроектирован и внедрен ряд АСУ ТП, том числе с учетом особенностей атомной и химической промышленности. Внедренные системы позволили повысить надежность и эффективность технологических процессов, что подтверждается актами о внедрении. При этом инструментальные средства были освоены специалистами по автоматизации предприятий.

На основе данных инструментальных средств подготовлены средства автоматизированного обучения, которые использованы в лабораторном практикуме по курсу «Проектирование систем управления» на кафедре «Автоматика» МИФИ.

Результаты, выносимые на защиту. 1. Системно-ориентированный подход к созданию как инструментальных средств проектирования АСУ ТП, так и самих АСУ ТП, то есть комплексный подход с выделением типовых элементных структур и алгоритмов, особенно эффективный для потенциально опасных производств (химическая и атомная промышленность, энергетика и др.). 2. Классификация систем с точки зрения открытости и закрытости, что позволяет правильно учесть такие свойства и характеристики систем, как изменчивость, инерционность, наблюдаемость, тактреального времени.

3: Принципы организации вычислительного процесса и построения структуры аппаратных средств системы реального времени, в том числе:

- сочетание последовательного программного цикла без прерываний с общим информационным пространством системы; необходимость выделенного арбитра при организации резервирования систем с наличием программного обеспечения.

4. Алгоблочная система технологического программирования, представляющая собой базу данных с записями постоянной длины с исполняющей средой в виде системы управления базой данных, и включающая алгоритмы обработки данных, управления, резервирования и другие как операторы технологического алгоблочного языка.

5. Возможность реализации функций операционной системы реального времени в рамках исполняющейсреды алгоблочной системы.

6. Результаты создания и внедрения ряда АСУ TTI различного масштаба. •

7. Применение алгоблочной системы технологического программирования в качестве средства обучения.

Апробация:

Вопросы данной работы докладывались в пята докладах на научных семинарах в ИПУ РАН и трех докладах на научной сессии МИФИ. Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 13 печатных научных работах, написанных лично или в соавторстве, в том числе в 10 изданиях, рекомендованных ВАК. Основные внедрения результатов работы:

1. Радио-химический завод. Сибирский химический комбинат, г.Северск Томской области.

2. АТЭЦ Реакторного завода. Горно-химический комбинат, г.Железногорск Красноярского края.

3. ОАО «Каустик», г.Волгоград.

4. ОАО «Михайловский ГОК», г.Железногорск Курской области.

5. РНЦ «Курчатовский институт», г.Москва.

Структура работы:

- в первой главе поясняется необходимость данной работы, ставиться ее задача;

- вторая глава отвечает на вопрос о принципиальной возможности разрешения поставленной задачи, то есть что надо делать;

- третья глава предлагает способы решения задачи, то есть как надо делать;

- в четвертой главе описана практическая реализация предлагаемых путей решения;

- в пятой главе описаны результаты внедрений и дан их анализ.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Лебедев, Владислав Олегович

Результаты работы показывают, что поставленную цель применения принципов системного подхода при создании средств проектирования АСУ ТП и использования их для разработки и внедрения конкретных АСУ ТП в т.ч. для атомной и химической промышленности можно считать достигнутой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ существующих программно-технических средств построения АСУ ТП показал, что они обладают рядом недостатков (недостаточно удовлетворены требования реального времени, отсутствуют самодостаточные средства графического технологического программирования), что ограничивает совершенствование технических характеристик АСУ ТП.

2. Установлено, что преодоление этих трудностей возможно путем системно-ориентированного похода к созданию АСУ ТП.

3. Разработана алгоблочная среда технологического программирования, которая позволяет:

- сократить время проектирования и освоения,

- полностью исключить синтаксические ошибки и значительно сократить алгоритмические.

4. Показано, что построенные на основе системно-ориентированного похода программно-аппаратные средства АСУ ТП (ПТК УМИКОН) и, прежде всего, средства алгоблочного технологического программирования позволяют создавать, эксплуатировать и развивать весь комплекс современных автоматизированных систем (АС):

- по масштабу: от локального регулятора до распределенной системы на тысячи каналов ввода-вывода и сотни контуров управления;

- по функциям и степени их автоматизации: от информационно-учетной системы до полностью автоматической системы управления и регулирования;

- по доступности для пользователей: многие системы не только сопровождаются и развиваются, но и создаются технологическим и сопровождающим персоналом объектов внедрения.

5. Разработаны автоматизированные средства обучения как технологическому программированию, так и построению АС в целом, которые использовались при создании реальных систем.

6. С применением данного подхода разработаны и внедрены следующие АСУ ТП:

- Радио-химический и Реакторный заводы Сибирского химического комбината, г.Северск Томской области,

- АТЭЦ Реакторного завода Горно-химического комбината, г. Железногорск

Красноярского края,

- ОАО «Каустик», г.Волгоград,

- ОАО «Михайловский ГОК», г.Железногорск Курской области,

- РНЦ «Курчатовский институт», г.Москва.

Внедренные системы позволили повысить надежность и эффективность технологических процессов, а инструментальные средства были освоены специалистами по автоматизации предприятий, что ускорило внедрение и облегчило сопровождение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Лебедев, Владислав Олегович, 2009 год

1. Артад хан, Люшль Ланглуа, Марк Испру. Обнадеживающие перспективы: Вклад верной энергии. Бюллютень МАГАТЭ, том 39, N1, 1997, Вена, Австрия.

2. Зигель А., Вольф Дж. Модели группового поведения в системе человек -машина. М.: Мир, 1973, с.261.

3. Чачко А.Г. Подготовка операторов энергоблока. М.: Энергоиздат, 1986.

4. Макаренко В.В., Андроненко А.В. Эффективность диалога "Группа управлениявычислительный комплекс АСУ ТП" на этапе внедрения ПО в опытную эксплуатацию. р

5. В кн. "Интерактивные системы" тез. докл. второй школы семинара. Боржоми, февраль 1980, с.72.

6. Макаренко В.В., Власов В.А. Применение имитационной модели оператора при разработке информационного обеспечения АСУ ТП АЭС. В кн. Опыт и задачи использования АСУ ТП на АЭС: тез.доклада Всесоюзного НТС, Полярные Зори, Кольская АЭС, 1979, с.53 - 54.

7. Малашипин И.И., Сидорова Н.Н. Тренажеры для операторов АЭС. М.: Атомиздат 1979.

8. Филипчук Е.В., Потапенко П.Т., Постников В.В. Управление нейтронным полем ядерного реактора. М.: Энергоиздат, 1981.

9. Емельянов И.Я., Дроздов А.В., Константинов Л.В., Назарян В.Г., Постников В.В. Дискретный контроль полей энерговыделения в активных зонах ядерных реакторов. — М.: Атомная энергия, 1974, т.37, с. 451 454.

10. Емельянов И.Я., Назарян В.Г., Постников В.В. Оптимизация энергораспределения в активной зоне большого энергетического реактора. — М.: Атомная энергия, 1978, т. 44, №4, с.310.

11. Емельянов И.Я., Постников В.В., Юркин Г.В. Алгоритм экспериментального регулирования энергораспределения в энергетическом реакторе. Атомная энергия1979, т. 47, вып. 1, с.8 13.

12. Власов В.А. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, МИФИ, 1990, инв.№ 880.

13. АСУ ТП установки "Руслан'.' Математическое обеспечение задачи. Вывод информации и управление вычислительным процессом. МИФИ, 1986.

14. Beraha D., Lupas U., Strohbach P., Power clitribution controle Within the scope cfodvanud nuclean perdiction for boiling, Wates reactors "Kuntechik", 1987,50, №2,109 113.

15. Асмолов B.C., Боровой A.A., Демин В.Ф. и др. Авария на Чернобыльской АЭС: год спустя. М.: Атомная энергия, 1988, т.64, с. 3 - 23.

16. Пономарев-Степной Н.Н., Слесарев Н.С. Безопасность и эффективностьядерной энергетики основа в работах над реакторами нового поколения. — М.: Атомная энергия, 1988, т. 64, вып. 1, с. 40 - 46.

17. Ланкастер П. Теория матриц, М.: Наука, 1978.

18. Международный стандарт МЭК 61131-3. Программируемые контроллеры. Часть 3. Языки программирования. ISBN 5-93481-046-4,2003.

19. Петров И. В. Программируемые контроллеры. Стандартные языки и приемы прикладного проектирования// Солон. ISBN 5-98003-079-4, 2004.

20. Петров И.В. Отладка прикладных ПЛК программ в CoDeSys// Промышленные АСУ и Контроллеры. 2006. №2-4.

21. Зюбин В.Е. Программирование ГОЖ: языки МЭК 61131-3 и возможные альтернативы// Промышленные АСУ и Контроллеры. 2005. №11.

22. Бекетов А.С., Дубнинский В Л. Язык технологического программирования TechnoC // Промышленные АСУ и контроллеры. 2007. № 5.26. www.adastra.ru

23. Лидсей П., Норман Д. Переработка информации у человека. М.: Мир, 1974.28. www.WinCC.com29. www.iconics.com30. www.osp.ru

24. Попадько В. Е., Андреев Е. Б. Разработка операторских интерфейсов в пакете FIX DMAX: Учеб. пособие. М.: РГУ нефти и газа, 1999.32. www.insat.ru33. www.krug2000.ru

25. Lab VIEW для всех / Джеффри Тревис: Пер.с англ.Клушин Н.А. М.: ДМК Пресс; Приборкомплект, 2005. с.33-49.

26. Векслер Л.М. Разработка вероятностных критериев безопасности атомных станций. Атомная энергия за рубежом, 1986, И4, с.14 17.

27. Сивоконь В.И., Хромов В.К. Вычислительные системы важные для безопасности АЭС. Атомная техника за рубежом, 1988, И1, с.З 9.

28. Ф. Капра. Паутина Жизни. Новое научное понимание живых систем. К.: "София", 2002.

29. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989.

30. Исследования по общей теории систем./Сборник переводов. Общая редакция и вступит, статья Садовского В.Н. и Юдина Э.Г.- М.: «Прогресс», 1969.

31. Качала В.В. Основы теории систем и системного анализа. М.: «Горячая линия -Телеком», 2007.

32. Лебедев В.О. Опыт создания и применения семейства ал го блочных языков технологического программирования как результат системно-ориентированного похода к инструментальным средствам разработки АСУ ТП // Промышленные АСУ и контроллеры. 2007. № 3,4.

33. Ludwig von Bertalanffy,Theoretische Biologie, General system theory. Foundations, development, applications //N. Y., 1968.

34. Г. Николис, И.Пригожин. Познание сложного. Введение,- М.: Едиториал УРСС, 2003.

35. Д.Э.Кнут «Искусство программирования» Том1, М.: «Наука» 1984.

36. Власов В.А., Лебедев В.О. и др. Системно-ориентированное программирование как средство решения задач реального времени // Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. №1

37. Егоров А.А. Обзор Конференции «Промышленные контроллеры от А до Я» // Промышленные АСУ и контроллеры. 2007. № 3.

38. Ю. Н. Федосеев. Методы анализа систем массового обслуживания. М.: МИФИ 1982.48. www.tver.mesi,ru

39. О.В.Ануфриев. О методике обучения основам событийного программирования. Новосибирский государственый педагогический университет, ict.edu.ru

40. Ицкович И.Л. История развития отечественных средств автоматизации // Промышленные АСУ и контроллеры. 2007. № 6, с.58.

41. Ю. А. Розанов. Случайные процессы. М.: «Наука», 1971.

42. В. С. Вентцель, Л. А. Овчаров. Теория вероятностей. М.: «Наука», 1973.

43. Эйхкофф П. Основы идентификации систем управления// Пер. с англ. М.: Мир,1979.

44. Сейдж Э.П., Мелса Дж. Идентификация систем управления// М.: Наука, 1974.

45. Методы классической и современной теории автоматического управления под редакцией профессора К.А. Пупкова, Том 2, Статистическая динамика и идентификация систем автоматического управления, М.: «Издательство'МГТУ им. Н.Э.Баумана», 2004.

46. Власов В.А., Лебедев В.О. и др. Программно-техническая реализация системы раннего обнаружения и устранения чрезвычайных технологических ситуаций в системах управления экологически опасным производством // Приборы и системы управления. 1997. № 8.

47. Коваленко М.А., Комиссарчук С.Ю., Лебедев В.О., Обносов А.В., Фесенко В.В., От комплекса МикСИС к ПТК УМИКОН. Особенности, внедрение, развитие // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. № 5.

48. Комиссарчук С.Ю., Лебедев В.О., Обносов А.В. Структура и основные особенности программного комплекса создания систем управления «МикСИС» ПТК «УМИКОН» // Промышленные АСУ и контроллеры. 2004. № 1 с.35-41

49. Методы классической и современной теории автоматического управления, под редакцией профессора К.А. Пупкова, Том 3, Синтез регуляторов автоматического управления. М.: «Издательство МГТУ им. Н.Э.Баумана», 2004.

50. Дорф Р., Бишоп Р. Современные системы управления. М.: «Лаборатория базовых знаний», Юнимедиастайл, 2002.

51. Власов В.А., Комиссарчук С.Ю., Лебедев В.О. и др. Особенности организации сетевого обмена в АСУТП реального времени // Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. №4.

52. Власов В.А., Лебедев В.О. и др. Методы повышения надежности информационного обмена в АСУТП реального времени // Промышленные АСУ и контроллеры. 1999. № 12.

53. Комиссарчук С.Ю., Лебедев В.О., Обносов А.В. и др. Прикладной пакет создания АСУТП и конструирования интерфейса оператора MikSys // Приборы и системы управления. 1999. № 9.

54. Власов В.А., Комиссарчук С.Ю., Лебедев В.О., Обносов А.В. Программные средства построения АСУ 111 MikSys // Приборы и системы управления. 1997. № 8.

55. Лебедев В.О и др. Построение надежных и производительных многоплатформенных АСУТП на базе комплекса ПО МикСис// Промышленные АСУ и контроллеры. 2003. № 2.

56. Гнеденко Б. В., Беляев Ю. К., Соловьев А. Д. «Математические методы в теории надежности». М.: «Наука», 1964.

57. ПТК УМИКОН. КПО МикСИС. Система технологического программирования. Руководство пользователя. Группа УМИ ЗАО ИНКОММЕТ, 1999-2007.

58. ПТК УМИКОН. КПО МикСИС. Комплекс программного обеспечения расчета ТЭП. Руководство пользователя. Группа УМИ ЗАО ИНКОММЕТ, 1995-2007.