CC BY
77
2. Система тестирования включает вопросы по технологическим процессам, взаимодействует с базами данных локального и сетевого назначения и обеспечивает функциональную взаимосвязь с математической моделью производства линейных алкилбензолов, что позволяет рассчитывать оптимальную подачу диметилди-сульфида в реактор гидрирования.
3. Программно реализована фреймовая модель анализа и устранения аварийных ситуаций. С ее помощью путем обучения инженерно-технического персонала будет обеспечен высокий уровень безопасности эксплуатации установок производства. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (11-07-98001-р-си-бирь-а, Региональный конкурс СИБИРЬ).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кравцов А.В., Ивашкина Е.Н., Юрьев Е.М., Иванчина Э.Д. IT-технологии в решении проблем промышленного процесса дегидрирования высших парафинов. - Томск: STT, 2008. -230 с.
2. Иванчина Э.Д., Ивашкина Е.Н., Шарова Е.С. Системный анализ химико-технологических процессов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 95 с.
3. Архангельский А.Я. Программирование в Delphi 7. - М.: ООО «Бином-Пресс», 2003. - 1152 с.
4. Сорокин А.В. Delphi. Разработка баз данных. - СПб.: Питер, 2005. - 477 с.
5. Кравцов А.В., Иванчина Э.Д. Интеллектуальные системы в химической технологии и инженерном образовании: Нефтехимические процессы на Pt-катализаторах. - Новосибирск: Наука, 1996. - 200 с.
6. Долганов И.М., Францина Е.В., Афанасьева Ю.И., Иванчина Э.Д., Кравцов А.В. Моделирование промышленных нефтехимических процессов с использованием объектно-ориентированного языка Delphi // Известия Томского политехнического университета. - 20l0. - Т 317. - № 5. - С. 53-57.
УДК 004.422.8:004.043
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УПРАВЛуЕМОГО ПРОГРАММНОГО КОДА НА ПЛАТФОРМЕМТ FRAMEWORK ПРИ РАЗРАБОТКЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТЫ ДОМЕННОГО ЦЕХА
В.В. Лавров, Н.А. Спирин, А.А. Бурыкин, В.Ю. Рыболовлев*, А.В. Краснобаев*
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург *ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», г. Магнитогорск E-mail: lv@tim.ustu.ru
Отражены особенности применения управляемого программного кода при разработке современных информационных систем на платформе NET Framework (CLR). Представлены варианты построения архитектур автоматизированной информационной системы анализа и прогнозирования производственных ситуаций доменного цеха ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат».
Ключевые слова:
Технология разработки программного обеспечения, Common Language Runtime, .NET Framework, SQL Server, системы поддержки принятия решений, доменное производство, технологические задачи в металлургии.
Key words:
So ftware engineering, Common Language Runtime, .NET Framework, SQL Server, decision support systems, blast furnaces, technological problems in metallurgy.
Создание и успешное внедрение в практику работы металлургических предприятий современных автоматизированных информационных систем во многом зависит от используемых технологий разработки и выбора инструментальных средств их программной реализации.
В доменном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» разработана и проходит опытно-промышленные испытания автоматизированная информационная система анализа и прог-
нозирования производственных ситуаций (АИС АППС), которая помогает инженерно-технологическому персоналу решать комплекс технологических задач, направленных, в конечном итоге, на повышение эффективности доменной плавки [1, 2].
Разработка системы проводилась поэтапно в течение длительного времени, при этом были рассмотрены и частично реализованы несколько архитектур ее построения. Упрощенная архитекту-
ра первоначальной версии АИС АППС представлена на рис. 1, где отражены ее основные подсистемы.
1. Подсистема визуализации показателей работы доменных печей. Основной функцией подсистемы является предоставление пользователю возможностей отображения в удобном виде показателей работы доменных печей за определенный период (смена, сутки), формирования отчетов и экспорта численных данных в стандартном формате для дальнейшего анализа программными средствами. Визуализация данных производится в двух режимах: динамика изменения данных по всем доступным показателям для отдельной доменной печи; динамика изменения величины по одному выбранному показателю для всех доменных печей.
2. Подсистема формирования технического отчета о работе доменных печей и цеха. Подсистема служит для предоставления пользователю возможности автоматизированного ввода, хранения, обработки, манипулирования и представления в удобном виде всех отчетных данных о: состоянии печей доменного цеха; количестве и качестве полученного чугуна; выполнении графиков выпусков; расхо-
де, остатках, химическом составе сырья; качестве кокса и др. В подсистеме предусмотрены автоматизированный сбор и подготовка необходимых отчетных данных о работе доменного цеха за нормативный период (месяц), а также произвольно указанный пользователем период работы (оперативный период). В качестве источников данных могут выступать не только отчетные данные в виде твердых копий документов, но и результаты работы АРМов доменных печей, централизованные информационные ресурсы комбината (корпоративная информационная система, центральная диспетчерская комбината и др.).
3. Подсистема сопоставительного анализа работы доменных печей и цеха. Обеспечивает возможность сравнения работы цеха или печи по комплексу выбранных параметров на основе автоматического извлечения отчетных показателей из базы данных Информационно-вычислительного центра доменного производства и сравнения результатов работы печей и цеха по фактическим данным за два произвольно выбранных периода работы цеха. Содержанием данных являются разделы технического отчета доменного цеха.
с^,
Серверы АСУ ТП
Серверы АСУ ДЦ
База данных информационно-вычислительного центра доменного цеха
АИС инженерно-технологического персонала доменного цеха
Рис. 1. Архитектура АИС инженерно - технологического персонала доменного цеха с использованием внешних математических библиотек
Остальные подсистемы (расчета материальных и тепловых балансов доменных печей, диагностики и моделирования газодинамического и шлакового режимов доменной плавки) построены на основе алгоритмов расчета с использованием математических моделей доменного процесса для выбранного пользователем периода работы отдельных печей или цеха в целом. Реализация математических алгоритмов расчета выполнена в виде программных библиотек динамической компоновки (DLL-библиотек) для каждой из подсистем.
Динамическая компоновка представляет способ вызова функции, который не является частью исполняемого кода приложения. Исполняемый код функции расположен в библиотеке DLL, которая содержит несколько компилированных, связанных и отдельно сохраненных функций в используемых процессах. Динамическая компоновка позволяет исполняемым модулям, например, exe-файлу, включать только необходимую информацию в среду выполнения и размещать исполняемый код в функции DLL.
Механизм DLL-библиотек появился вместе с операционной системой Windows и является ее неотъемлемой частью. Суть этого механизма в том, что в процессе компоновки исполняемого модуля приложения с использованием внешних процедур (например, математических алгоритмов расчета) в него помещаются не сами процедуры, а только их названия (номера) вместе с названиями DLL-библиотек, в которых они содержится. Динамическая компоновка имеет следующие основные преимущества:
- экономия оперативной памяти и дискового пространства. Одну библиотеку DLL могут использовать одновременно несколько программных процессов, при этом в оперативной памяти хранится только один ее экземпляр для всех процессов. Кроме этого, многие приложения совместно используют одну копию библиотеки DLL на диске;
- простора внесения обновлений в библиотеку DLL. При изменении функций в библиотеке DLL не требуется перекомпиляция или перекомпоновка приложений, использующих эти библиотеки, если аргументы функций и возвращаемые значения остались прежними.
Однако за десятилетия использования DLL-библиотек программисты столкнулись с существенными проблемами, которые получили обобщенное название «DLL hell» [3]. Суть проблемы сводится к следующему - поддержка обратной совместимости DLL-библиотек и взаимозаменяемость в обе стороны никак не регламентирована, несовместимые DLL легко замещают друг друга или отключают друг друга. Отсутствие стандарта на процедуру установки приводит к тому, что установка новых программ приводит к замещению работающих DLL на несовместимые версии. Поскольку каждый программист решает эти задачи по-своему, в конечном итоге это приводит к полнейшей не-
разберихе и вызывает существенные сложности в поддержке программных продуктов. Эта проблема явилась одним из основных факторов создания платформы.КЕТ Framework.
Появление и широкое распространение современной платформы создания, развертывания и исполнения распределенных приложений Microsoft.NET Framework позволяет использовать в практике разработки информационных систем преимущества общеязыковой исполняющей среды (Common Language Runtime, CLR). Программный код, исполняемый под управлением CLR, называют управляемым кодом. Microsoft.NET Framework включает в себя средства организации взаимодействия с операционной системой и прикладными программами, методы доступа к базам данных, средства поддержки распределенных (сетевых) приложений, языки программирования, унифицированные интерфейсы пользователя.
Начиная с версии SQL Server 2005, сервер базы данных обеспечивает интеграцию с компонентами CLR платформы.NET Framework для Microsoft Windows [4]. Это означает, что для создания объектов базы данных и извлечения и обновления данных в базах данных Microsoft SQL Server помимо традиционного языка программирования Transact-SQL можно использовать языки.ЖТ Framework. В частности, на Microsoft Visual C# можно создать хранимые процедуры, триггеры, статистические выражения, пользовательские функции и пользовательские типы
С учетом вышесказанного разработана усовершенствованная архитектура АИС АППС, которая в настоящее время реализована и внедрена в доменном цехе ОАО «ММК» (рис. 2).
Как видно из рис. 2, все математические библиотеки информационно-моделирующих подсистем реализованы в виде программных сборок (assembly), которые зарегистрированы на сервере базы данных Microsoft SQL Server и осуществляют доступ к внешним хранимым процедурам CLR.
Для примера приведем фрагмент листинга Transact-SQL создания внешней хранимой процедуры EXTDLL_Balances для подключения модуля расчета теплового баланса из управляемого кода (сборки) Balances.DLL.
CREATE PROCEDURE [dbo].[EXTDLL_Balances] (@dtFirstDay [nvarchar](1024), @NPech [int])
As EXTERNAL NAME Balances.StoredProcedu-res.BalanceTeplo
В качестве параметров процедуры указаны два: @dtFirstDay (первый день отчетного месяца) и @NPech (номер печи). Параметры, передаваемые в хранимую процедуру CLR, могут быть любого собственного типа Microsoft SQL Server, имеющего эквивалент в управляемом коде. Параметры, возвращающие табличные значения, передаются в процедуру или функцию CLR, предоставляя эффективный способ передачи на сервер нескольких
АИС инженерно-технологического персонала доменного цеха
Ґ N Модуль визуализации показателей работы доменных печей Модуль формирования технического отчета доменного цеха Ґ N Модуль сопоставления отчетных показателей работы доменного цеха
Г Л Модуль расчета материальных и тепловых балансов Г Л Модуль диагностики и моделирования газодинамического режима Ґ" N Модуль диагностики и моделирования шлакового режима V У
Графический пользовательский интерфейс (GUI)
Рис. 2. Архитектура АИС инженерно-технологического персонала доменного цеха с использованием объектов управляемого кода базы данных
строк данных. Возвращающие табличное значение параметры выполняют функции, аналогичные массивам параметров, но обладают большей гибкостью и лучше интегрируются с Transact-SQL. Они также обеспечивают возможность повышения производительности. Кроме того, возвращающие табличное значение параметры способствуют сокращению циклов приема-передачи данных с сервера и на сервер.
На рис. 3 представлена диаграмма взаимодействия объектов в ходе работы программного модуля диагностики и моделирования газодинамики доменных печей. Пользователь работает с системой через клиентское приложение с двумя основными формами: «Диагностика газодинамики в базовом периоде» и «Оценка газодинамики в проектном периоде». Взаимодействие клиентского приложения с сервером базы данных осуществляется только с хранимой процедурой GazDin, все остальные операции по извлечению данных, расчету газодинамических показателей и др. скрыты от приложения и производятся сервером базы данных в фоновом режиме. Хранимая процедура GazDin
имеет два входных параметра: @dtFirstDay и @IsBa-se (логическая переменная, отражающая необходимость расчета газодинамики в базовом или проектном периодах). Расчет газодинамических показателей по математической модели производится путем обращения в сборке GazDin.DLL, написанной на Microsoft Visual C# и расположенной на сервере базы данных Report в ядре Microsoft SQL Server.
Среди основных преимуществ построения АИС АППС на основе реализации объектов управляемого кода базы данных на языке.№Т Framework вместо Transact-SQL отметим следующие:
- Расширенная модель программирования. Языки.NET Framework предлагают конструкции и возможности, ранее недоступные для разработчиков Microsoft SQL Server в Transact-SQL, например выполнение математических вычислений с использованием сложных формул, новые пользовательские типы и статистические выражения, создание массивов, обработка сложных исключений и повторное использование кода, расширяющие возможности Microsoft SQL Server по созданию запросов;
Клиентское
приложение
Форма диагностики газодинамики для базового периода
Форма оценки газодинамики для проектного периода
@dtFirstDay, @lsBase
Показатели газодинамики всех доменных печей за отчетный месяц
Формирование проектного периода (добавление и/или корректировка новых видов ЖРМ, дутьевых параметров и др.)
MS SQL Server 2005 База данных Report
Хранимая процедура сІЬо.ОагОіп
@dtFirstDay, @lsBase
Показатели газодинамики всех доменных печей в проектном периоде
Временная
таблица
@Report
Таблица
сІЬоХЗагОіп
Хранимая процедура с1Ьо.ЕХТ01_1_ вагОіп
Сборка
GazDin.DLL
@dtFirstDay OK
Create
@dtFirstDay
OK
Insert
Данные о работе доменных печей за отчетный месяц
Расчет показателей газодинамики всех доменных печей за отчетный месяц
иОК
Расчет показателей газодинамики всех доменных печей в проектный период
"Т~ОК
Рис. 3. Диаграмма взаимодействия объектов в ходе расчета газодинамики доменных печей в базовом и проектном периодах
Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319. N2 5
- Улучшенная стабильность и повышенная надежность. Объекты базы данных, создаваемые с помощью Microsoft Visual C#, являются более безопасными, стабильными и надежными, чем расширенные хранимые процедуры, которые могут вызывать утечки памяти или другие проблемы, снижающие производительность и надежность сервера базы данных. При запуске хранимых процедур, созданных в Microsoft Visual C#, управление памятью и работа с потоками хранимой процедурой не выполняются и, таким образом, обрабатываются более надежно;
- Улучшенная безопасность. Управляемый код выполняется в общеязыковой среде выполнения CLR, размещенной в ядре базы данных. Это делает объекты базы данных платформы.NET Framework более безопасными по сравнению с расширенными хранимыми процедурами в более ранних версиях Microsoft SQL Server. При использовании объектов базы данных, созданных в Microsoft Visual C#, управление доступом для кода в этих языках сочетается с пользовательскими разрешениями в Microsoft SQL Server;
- Общая среда разработки систем. Разработка баз данных полностью интегрирована в среду разработки Microsoft Visual Studio. Для создания и отладки объектов баз данных и скриптов использованы те же средства, что и для написания компонентов и служб платформы.NET Framework промежуточного или клиентского уровня;
- Повышенная производительность. Отдельные функции, например выполняющие математические операции над каждой строкой в базе данных, будут выполняться эффективнее за счет того, что они представляют собой скомпилированные сборки, построенные на языке Microsoft Visual C#, в отличие от традиционного языка базы данных Transact-SQL, который представляет собой интерпретируемый код. Разработанная система полностью интегрирована в информационную структуру предприятия, в процессе эксплуатации взаимодействует с другими программно-аппаратными информационными
системами комбината. Обеспечение отдельных функций системы производится на основе автоматического выполнения задач по расписанию, например функции сбора производственных данных и подготовки отчетных документов за истекший отчетный период [5].
Опыт эксплуатации АИС АППС показал, что ее применение в доменном производстве имеет несомненные преимущества и приносит положительный эффект. Это обусловлено повышенными рисками от принятия необоснованных, неправильных управленческих решений с учетом относительно больших масштабов потребления сырьевых и топливно-энергетических ресурсов, а также выпуска продукции доменного цеха. Инженерно-технологический персонал доменного цеха с помощью программного комплекса имеет возможность оперативно производить анализ работы металлургических агрегатов, оценивать текущее состояние хода технологического процесса, производить изучение и анализ наметившихся отклонений ключевых показателей, выявлять причины, повлекшие эти отклонения и разрабатывать мероприятия по повышению эффективности металлургического производства.
Выводы
В доменном цехе ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» реализована усовершенствованная автоматизированная информационная система анализа и прогнозирования работы доменного цеха, включающая базу данных Microsoft SQL Server и клиентские приложения информационно-моделирующих подсистем на платформе.Net Framework. Показаны преимущества использования управляемого программного кода (CLR) при создании математических библиотек информационно-моделирующих подсистем в виде программных сборок (assembly) на сервере базы данных Microsoft SQL Server. Применение предложенного подхода позволило снизить трудозатраты на реализацию и сопровождение компьютерной системы поддержки принятия решений за счет повышения надежности и стабильности работы отдельных подсистем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Спирин Н.А., Лавров В.В., Рыболовлев В.Ю., Краснобаев А.В., Онорин О.П., Косаченко И.Е. Модельные системы поддержки принятия решений в АСУ ТП доменной плавки / под ред. Н.А. Спирина. - Екатеринбург: УрФУ, 2011. - 462 с.
2. Лавров В.В., Спирин Н.А., Бурыкин А.А., Краснобаев А.В. Создание программного комплекса «АРМ технолога доменного цеха» на основе современных информационных технологий // Сталь. - 2010. - №1. - С. 17-21.
3. DLL hell / Материал из Википедии - свободной энциклопедии. 2011. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/DLL_hell (дата обращения: 09.08.2011).
4. Нильсен П. SQL Server 2005. Библия пользователя. - М.: Вильямс, 2008. - 1232 с.
5. Спирин Н.А., Лавров В.В., Бурыкин А.А., Краснобаев А.В., Быков А.Г Технология и средства разработки информацион-но-моделирующих систем для решения технологических задач в металлургии // Известия Томского политехнического университета. - 2010. - Т. 316. - № 5. - С. 156-162.
Поступила 09.08.2011 г.
