CC BY
14
УДК 681.5.015 DOI: 10.30977/ВиК2219-5548.2019.86.1.42
СИНТЕЗ ЕЛЕМЕНТНО1 БАЗИ СИСТЕМИ ФУНКЦЮНАЛЬНО-ПЛАНУВАЛЬНОГО КЕРУВАННЯ ТЕХНОЛОГ1ЧНИМ ПРОЦЕСОМ
Плугша Т. В., Кудирко О. М. Харкчвський нацюнальний автомобшьно-дорожнш ун1верситет
Анотаця. Розглянуто завдання тдвищення ефективност1 системи функщонально-планувального керування (СФПУ) технолог1чним процесом. Запропоновано структурну модель ШформацШног технолога синтезу та модел1 параметричного синтезу елементног бази системи функцгонально-планувального керування.
Ключов1 слова: ефективмсть, тформацтна технолог1я, параметричний синтез, елементна база, сенсори, оптим1зац1я, модель, програмно-техтчний комплекс.
Вступ
Важливе значення тд час проектування програмно-техшчного комплексу технолоп-чного процесу мае завдання тдвищення ефе-ктивносп системи керування. З одного боку, необхщно враховувати вимоги на зниження витрат на експлуатащю, з шшого, полшшен-ня якосп функщонування елементно! бази. Прикладом такого комплексу може бути роз-подшена система керування. З ростом юль-косп сенсорiв, виконавчих механiзмiв, збь льшенням площi територи, на яюй розташована автоматизована система, й ускладненням алгоршмв керування стае бь льше ефективним застосування розподiлених систем, яю складаються з множини територь ально рознесених контролерiв i модулiв вве-дення-виведення. У разi використання такого тдходу структура розподшено1 системи й структура алгоритму И роботи уподiбнюють-ся структурi самого об'екта автоматизации а функцп збирання, оброблення даних, керування й обчислення виявляються розподше-ними серед множини контролерiв [1]. Кож-ний контролер працюе зi своею групою пристро!в введення-виведення й обслуговуе певну частину об'екта керування, зокрема, технолопчне устаткування зазвичай випус-каеться iз вже вбудованими лопчними контролерами. Тенденщя децентралiзацil керування й наближення контролерiв до об'ектiв керування е загальною для всiх систем авто-матизацп й створена завдяки устхам об'ектно-орiентованого програмування. Крiм того, локальна система е частиною або част-кою розподшено1, тому поява розподiлених систем е наслщком природного розвитку вiд часткового до загального.
Таю системи використовуються у рiзно-манiтних технологiчних процесах, операщ-
ях, на техногенних об'ектах. Функщональ-нiсть програмно-технiчного комплексу бага-то в чому залежить вщ ефективносп обрано1 елементно1 бази системи керування.
Спостертаеться iнтеграцiя алгоритмiчних методiв керування складними об'ектами й методiв штучного iнтелекту для завдань з невизначенютю вихщно1 шформацп. До таких завдань належить ощнка ситуацп, прогноз поводження об'екта в штатному ре-жимi та розвитку аварiйних ситуацш, синтез i оцiнка можливих дш оператора й вибiр найкращих [2]. Таю штелектуальш системи здатнi до планування поведшки, адаптацп й навчання. Одшею з пiдсистем структури ш-телектуально1 системи е пiдсистема матема-тичних моделей оптимiзацil параметрiв та режимiв роботи об'екта.
ос
ПЛК МЬсоп-СЕ
Рис. 1. Елементна база системи керування
B^ip елементно! бази належить до за-вдань функцюнально-планувального проек-тування. Функци технологiчного процесу визначають вхiднi данi для вибору програм-ного та технiчного забезпечення, елементно! бази системи управлшня. Це складний про-цес, вiд його результата залежить зручнють, кiлькiсть робочих операцш, надiйнiсть функ-цiонування та безпека. Це багатоpiвнева система, що мiстить множини piзноpiдних компонента (рис. 1). Для тдвищення ефек-тивностi СУ необхiдно розробити моделi системного проектування, що дозволить структурувати цей процес, роздшивши його на послiдовнiсть часткових завдань.
Аналiз публiкацiй
Найвiдомiшi виробники електронних компонента й програмного забезпечення IBM, HP, National Instruments i Microsoft по-вщомляють про створення шдроздшв, що займаються впровадженням MES-технологiй (Manufacturing Execution System - система виконання виробництва), що поеднують роз-piзненi "шматочки автоматизаци" технолоп-чного процесу [3]. Доведено тдвищення конкурентоспроможносп тдприемства за рахунок пiдвищення гнучкостi виробництва й зниження витрат, детального планування й моделювання робочих пpоцесiв. Викорис-товуючи цi piвнi планування й контролю, MES-системи керують поточною виробни-чою дiяльнiстю вiдповiдно до замовлень, вимог конструкторсько! i технолопчно! документации актуальним станом устаткуван-ня з метою максимально! ефективносп й мтмально! ваpтостi виконання технолопч-ного процесу [4].
Аналiз публшацш [5] щодо проектування системи керування (СУ) - сукупносп мшро-процесорних засобiв автоматизацi! демон-струе, що принципи системного синтезу ви-користовувалися не повною мipою, як i методи математичного моделювання та ав-томатизованого проектування, дискретного програмування, багатокpитеpiально! оцшки та оптимiзацi! для вибору структури, !! бло-юв, та елементiв [6].
Визначення мети й завдань
Мета роботи — тдвищити ефективнють системи керування технолопчним процесом за рахунок вибору рацюнального комплекту пpогpамно-технiчних засобiв елементно! бази за розробленими моделями параметричного синтезу.
У робой виршуються таю завдання:
- аналiз i структуризащя функцiй системи керування;
- розроблення шформацшно! технологii системного синтезу, обгрунтування методiв багатокритерiальноi оцiнки та оптимiзацiя елементноi бази системи керування;
- розроблення узагальнених i часткових моделей багатокритерiальноi оцiнки та оптимь зацй елементноi бази системи керування ТП.
Загальне завдання параметричного синтезу
Основним змютом функцiонування параметричного синтезу е обгрунтування необхщ-ноi та достатньоi сукупностi показникiв, що дозволяють оцiнювати бажанi властивостi ро-зроблювано!' системи та !! сумарний ефект [7]. Це комплексне визначення узгоджених i зба-лансованих за рiвнями дослiдження системи необхiдних значень и показникiв, зокрема за-гальних показникiв ефективностi керування, а також часткових показниюв структури та процесiв функцюнування iнформацii.
Загальним завданням параметричного синтезу елементноi бази СФПУ е:
- множина титв СФПУ;
- множина видiв у кожному тит СФПУ;
- множина рiзних елемента СУ;
- множина рiзних титв елемента СУ;
- множина рiзних видiв у кожному типi елемента СУ.
Необхщно визначити:
- тип i вид СФПУ;
- типи та види елемента СУ.
Структура пристрою визначаеться в про-
цес структурного синтезу, а параметри - в процес параметричного синтезу.
Структурно-параметричний синтез - це процес, в результат якого визначаеться структура об'екта i знаходяться значення па-раметрiв складових г! елементiв таким чином, щоб були дотриманi умови завдання на синтез (вимоги техтчного завдання). Пщ структурою будемо розумгги множину елементiв i зв'язкiв мiж ними.
Задача системного синтезу проектування СФПУ ускладнюеться багатомiрнiстю характеристик, якi мають елементи СУ.
Таким чином, загальна задача, яка мае ве-лику розмiрнiсть, була декомпозована на ча-стковi задачi оцiнки та вибору типiв i видiв елементiв СУ [8].
Розроблено структурну модель шформа-цiйноi технологи синтезу СФПУ, що дозволило структурувати процес проектування та визначити послщовтсть проектних процедур (рис. 2).
Обгтеження об'скта
Выявления особливостей та вимог до рипень з синтезу елементноТ бази СФГГУ ТП
Bnoip мети та декомпознщя
структурна тополопчна —с параметрична
Модет tí аг а т окрит epia льнш оцшкн та оптпмпащя
Гнформацшне забезпечення
Модеш с трук турно! оптимкаци
Моделх топологгчно! оптнмпацц
Визначення топологш жнш канал!в зв'язку нлнмннтш СУ Визначення топологш жнш канал!в зв'язку елемент1в ТП
Модеш параметричноТ оптимгзацц
Bllíip ТИШЕ: i ЕНДШ
програмного забезпечення
Bllíip ТИШВ Í ВИДШ техшчного забезпечення
Biiíip керуючого контролеру
Ощнка результата
Рис. 2. Структурна модель шформацшно! технологи синтезу СФПУ
Загальне завдання синтезу СФПУ полягае у таких компонентах: Вщомо:
- множина типiв СФПУ:
ПТК = {пТКе}, e = 1, e';
- множина видiв у кожному типi СФПУ: ПТКе ={пткеп}, n = 1, ne ;
- множина рiзних елементiв СУ: ES = {ESm }, m = 1,m';
- множина рiзних типiв елементiв СУ: ESm = {ESom }, o = 1, om ;
- множина рiзних видiв у кожному типi елементiв СУ: ESm = ÍESm }, w = 1,wo .
o i ow f y y
Введемо змiннi Xen ={0;1}, де Xen = 1, як-що обрано СФПУ e-го типу n-го виду, а Xen = 0 у протилежному випадку;
Xmow ={0;1}, де Xmow = 1, якщо m-й елемент СУ обраний o-ro типу w-го виду, а Xmow = 0 у
протилежному випадку.
Необхщно визначити тип i вид СФПУ, елеменпв СУ за обраними критерiями i об-меженням.
Частковими критерiями можуть бути такi: - мшмальна вартiсть:
(
C = minХЕXen ЕЕЕC,^,
m tí" w
л
m=1 o=1 w=1
, (1)
де Cmow - вартiсть m-того елемента СУ o-ого типу w-ого виду;
- максимальна надшнють елементiв СУ:
(
N = max ЕЕ X ТУТ N X
/ j / j en / j / j / j mow i
\
m=1 o=1 w=1
(2)
де Nmow - надшнють m-го елемента СУ o-го типу w-го виду.
e=1 n=1
e=1 n=1
Щц надiйнiстю розушеться наробггок на вiдмовy елементiв СУ.
Складовi в дужках piBHHHb (1)—(2) характеризуют оцiнкy i вибiр елеменпв СУ — мiкроконтролера (МК), цвигуна та вимiрюва-льних перетворювачiв, ceHCopiB, що належать до складу СФПУ.
Область припустимих рiшень у разi вибо-ру СФПУ визначасться такими обмеження-ми:
- витрати на елементи СУ повинт бути не бшьше зацаних — СЗ:
(
e=1 n=1
mow
\
Z Z Xen Z Z Z CmowXm
m=1 o=1 w=1
< C3, (3)
— нацiйнiсть елементiв СУ повинна бути не менше зацаного значення:
щентифшаци деяких характеристик тiльки в процес фyнкцiонyвання.
Отже, була проведена декомпозищя зага-льно! зацачi параметричного синтезу та вста-новлена така послщовтсть часткових за-вдань:
— визначення функцш та структури СФПУ;
— ощнка i вибiр елеменив СУ:
1) оцiнка i вибiр типу i виду контролера;
2) ощнка i вибiр типу i виду сенсорiв;
3) оцiнка i вибiр типу i виду виконавчих механiзмiв.
Зацачi параметричного синтезу, у яких необхщно оцiнити множину титв i вицiв на-явних компонента СФПУ та iз ще! множини вибрати ращональний комплект, максимально вщповщт прийнятим частковим критерi-ям та обмеженням.
ZZNmm>Xmow N;m = 1,m',
(4)
— з множини вицiв i титв СФПУ може бути обрано тшьки один:
ZZ Xen = 1;
(5)
— з множень видав i типiв кожного елеме-нта СУ може бути обраний тшьки один:
ZZ X = 1; Vm = 1, m'; (6)
/ ' / ' mow ' ' ' v '
o=1 w=1
Розроблена модель (1)—(6) належить до задач дискретного програмування з булеви-ми змшними. I! розв'язання в загальному вида створюе значнi ускладнення як через складтсть обчислень, так i через можливiсть
Висновки
Розроблено структуру моделi шформацш-но! технологи системного синтезу елемент-но! бази, що на вщмшу вiц традицшно! технологи дае можливiсть вести функщонально-планувальне проектування елементно! бази системи керування ТП з единих системних i критерiальних позицiй. Це дозволило струк-турувати процес проектування i визначити послщовтсть проектних процедур. Наведемо приклад моделi вибору мiкроконтролера (МК) для керування технолопчним проце-сом. Умова задач: вщомо:
— множина титв МК:
МК1 ={МК1}, n = 1, n1;
— множина видав у кожному тит МК:
мКп = {мк1пЬ }, b = 1, bn.
Критери, обмеження та реалiзацiя моделей у МS Excel подат на рис. 3—4.
o =1 w =1
e =1 n =1
Показ ники Kpiiiepni Обмеження
Обсяг Flash О1 11 ГТ^тах^Г Т„Хоа 0=1 W=1 о1 w° _,_row-lat ~ ' r3 o-l w-l
l.i П.И.. и. робочих координат о1 w° A'P-.nmVV^ 0=1 W=1 o1 У VA'P X <KP.f* 0=1 W=1
Температурний дыпазон робота О1 W° Г/^ШХ^АД» 0=1 W-l o1 0=1 W=1
Споживання енергц о1 / £VM = mmVV£\'rVoB 0=1 W=1 o1 V V FN X > FNш 0=1 W=1
Варпеть о1 w° CMK = mmYYCowX„ 0=1 VP=1 o1 w" VVf V CMK . / ,l- 1 ow - l- 3 0=1 .1' 1
Рис. 3. Критери та обмеження вибору МК
Показ ники Вартастъ Кшыастъ робочих координат Обсяг Flash, Мб Температур ний щапазон робота, С° Споживання енерш, Вт
DSP160M RZNC-5416 967,72 6 123 6'."' 2
RZNC-0501 1560,33 10 512 75 4
RZNC-0508 HSBE 1243,32 256 65 ?
DSP140M RZNC-5214 1038,24 7 256 65 ?
DSPL40M RZNC-0507 1310,54 512 7'."' ?
А 0,35 '."',16 0,24 '."',17 '."',08
Найкращий 967,72 1'."' 512 75 2
Найпрший 1560,83 6 123 6'."' 4
Критери DSP160M RZNC-5416 RZNC-0501 RZNC-0508 HSBE DSP140M RZNC-5214 DSP140M RZNC-0507
Mi ri мальна еарт сть 1,00 0,00 0,5? 0,88 0,42
М а к сима л ь на Ki лью стъ робочи* координат 0,00 1,00 0,75 0,25 0,75
Максимальний '."'i?'^; Flash 0,00 1,00 0,?? 0,?? 1,00
Максимальний температур ний д1апазон 0,00 1,00 0,?? 0,?? 0,67
Mi н мал ь не споживання енерпТ 1,00 0,00 0,50 0,50 0,50
Узагальнений критерш 0,4? 0,57 0,43 0,52 0,66
Рис. 4. Реалiзацiя моделей у MS Excel
Розроблеш моделi на вщмшу вiд тих, що створеш ранiше, дозволяють комплексно ви-ршити завдання параметричного синтезу елементно! бази СУ за багатьма критерiями. Це дае можливiсть пiдвищити ефективнiсть та оперативнють прийняття рiшень за раху-нок обгрунтованого вибору И елеменив.
Лiтература
1. Плупна Т. В. Задача штелектуал1заци сучас-них буд1вельно-дорожшх машин /Т.В. Плуп-на, В. О. Стоцький. Технология приборостроения. - 2014. - С. 40-43.
2. Грешилов А. А. Математические методы принятия решений. Учебное пособие. - М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2014. - 647 с.
3. Zhong, R. Y., Xu, X., Klotz, E., & Newman, S. T. Intelligent manufacturing in the context of
industry 4.0: a review //Engineering. - 2017. - V. 3. - N. 5. - P. 616-630. DOI: https://doi.Org/10.1016/J.ENG.2017.05.015
4. Kletti J. Manufacturing Execution System-MES.
- Springer Science & Business Media, 2007, 272 p. ISBN 978-3-540-49744-8, DOI: 10.1007/9783-540-49744-8.
5. Parsaye K. A. Characterization of Data Mining Technologies and Processes [Текст] / K. A. Parsaye // The Journal of Data Warehousing. - 1998.
- № 1. - Р. 12-24.
6. Tukey J. W. Exploratory Data Analysis [Текст] / J.W.Tukey . - PA: Addison-Wesley, 1977. -689 p.
7. Гурко А. Г. Повышение точности оценки состояния динамичных объектов комплексом MATLAB-Arduino при проектировании кибер-физических систем А. Г. Гурко, А.П. Плахте-ев, П. А. Плахтеев // Радиоэлектроника, ин-
форматика, управление. — 2016 — №1. — C. 84— 91. DOI 10.15588/1607-3274-2016-1-10.
8. Нефьодов Л. И. Обобщенная модель системного синтеза автоматической трансмиссии / Л. И. Нефьодов, А. А. Осьмачко, ВосточноЕвропейский журнал передовых технологий 6/4 (42) 2009 г., с. 10—14.
References
1. Pluhina T. V. Zadacha intelektualizatsiyi suchasnykh budivelno-dorozhnikh mashyn / T.V. Pluhina, V.O. Stotskyi // Tekhnolohyia pryborostroenyia: spets. vyp. — 2014. — S. 40—43. [The task of intellectualization of modern road-construction machines] [in Ukrainian].
2. Greshilov A. A. Matematicheskie metody' prinyatiya reshenij. Uchebnoe posobie. — M.: MGTU im. N.E'.Baumana, 2014. — 647 s. [Mathematical decision making methods] [in Russian].
3. Zhong, R. Y., Xu, X., Klotz, E., & Newman, S. T. Intelligent manufacturing in the context of industry 4.0: a review //Engineering. — 2017. — V.
— N. 5. — P. 616—630. DOI: https://doi.org/10.1016/J.ENG.2017.05.015.
4. Kletti J. Manufacturing Execution System-MES.
— Springer Science & Business Media, 2007, 272 p. ISBN 978-3-540-49744-8, DOI: 10.1007/9783-540-49744-8.
5. Parsaye K. A. Characterization of Data Mining Technologies and Processes [Текст] / K. A. Parsaye // The Journal of Data Warehousing. — 1998.— № 1. — Р. 12—24.
6. Tukey J. W. Exploratory Data Analysis [Текст] / J.W.Tukey .- PA: Addison-Wesley, 1977. —689 p.
7. Gurko A.G. Povysheniye tochnosti otsenki so-stoyaniya dinamichnykh ob"yektov kompleksom MATLAB-Arduino pri proyektirovanii kiber-fizicheskikh sistem A.G. Gurko, A.P. Plakhteyev, P.A. Plakhteyev // Radioelektronika, informatika, upravleniye. — 2016 — №1. — C. 84-91. DOI 10.15588/1607-3274-2016-1-10. [Improving the accuracy of assessing the state of dynamic objects by the MATLAB-Arduino complex when designing cyber-physical systems]. [in Russian].
8. Nefodov L. I. Obobshchennaya model' sistemno-go sinteza avtomaticheskoy transmissii / L.I. Nefodov, A.A. Os'machko, Vostochno-Yevropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy 6/4 (42) 2009 g., s. 10—14. [A generalized model of systemic synthesis of automatic transmission] [in Ukrainian].
Плупна Тетяна BiKTopiBHa, к.т.н., доцент,
+380(99) 903-38-82, plutan2016@ukr.net
Кудирко Ольга МиколаТвна, асистент,
+380(50)698-24-35, uolya_kud@ukr.net.
Харшвський нацюнальний автомобшьно-
цорожнiй yнiверситет
Synthesis of element base of the system of functionally planning control for technologies process
Abstract. The task of the synthesis of element base of the system of functionally planning control for technologies process was carried out. The analysis of existing researches and publications, in which the main problem is highlighted, namely that the concept project of element base control system of software and hardware complex at this time is not enough. As a result of the analysis of existing researches and publications, the purpose of research is set, namely: to increase efficiency control system of software and hardware complex for technological process using parametric synthesis and choice of rational complex of element base. The concept ofparametric synthesis, set of indicators for assessing the properties of a design system and its total effect have been substantiated. In the result of the research the structural model of an information technology of synthesis has been developed. The mathematical model of selecting the means of control systems, which has been built, will, unlike the existing ones, select the best set of means of control systems by the specified criteria and restrictions that will significantly reduce the time for objects and increase the efficiency of the enterprise performance. The practical value lies in the fact that the parametric synthesis makes it possible to design in unified system and criteria positions, structure and determine the sequence of design procedures, and affect decision time. The originality is in the fact that in the result the mathematical model of parametric synthesis of selecting the equipment of control systems for optimization technologies process and continuous monitoring quality is used.
Keywords: efficiency, information technology, parametric synthesis, electronic components, sensor, optimization, model, software and hardware complex.
Pluhina Tetiana, PhD, Associate Professor, tel. +380(99) 903-38-82, plutan2016@ukr.net, Kudyrko Olha, assistent, tel. +380(50) 698-24-35, uolya_kud@ukr.net.
Kharkiv National Automobile Road University, Ya-roslava Mudrogo ave., 25, Kharkiv, Ukraine, 61002.
Синтез элементной базы системы функционально-планировочного управления технологичным процессом
Аннотация. Проведено исследование задачи синтеза элементной базы систем функционально-планировочного управления технологическим процессом. Проведен анализ существующих исследований и публикаций, в которых выделена основная проблема, а именно то, что концепция проектирования элементной базы систем управления в настоящее время разработана недостаточно. В результате анализа выделена цель исследования: повышение эффективности системы управления технологическим процессом за счет выбора рационального комплекта элементов по
моделям параметрического синтеза. Обоснована концепция параметрического синтеза, необходимая и достаточная совокупность показателей, позволяющих оценивать свойства проектируемой системы и ее суммарный эффект. Результатом исследования являются структурная модель информационной технологии синтеза, а также математические модели проектирования элементной базы по многим критериям. Параметрический синтез дает возможность проектировать в единых системных и критериальных позициях, структурировать и определять последовательность проектных процедур. Оригинальность заключается в том, что полученные результаты свидетельствуют об использовании параметрического синтеза для проектирования
элементной базы системы управления технологическим процессом, оптимизации и мониторинга качества.
Ключевые слова: эффективность, информационная технология, параметрический синтез, элементная база, сенсоры, оптимизация, модель, программно-технический комплекс.
Плугина Татьяна Викторовна, к.т.н., доцент, +380(99) 903-38-82, plutan2016@ukr.net Кудырко Ольга Николаевна, ассистент, +380(50) 698-24-35, uolya_kud@ukr.net. Харковський национальный автомобильно-дорожный университет, улиця Ярослава Мудрого, 25, Харьков, Харьковская область, 61002.
