CC BY
106
Data processíng facílítíes and systems
resursoraspredelitel'noi organizatsii promyshlennogo regiona // Vestnik UGATU. — 2013. — T. 17. — № 5 (58). — S. 122-128.
5. Biktashev T.U., Pavlov A.S., Saiduganov A.R. Razrabotka metodov sovmestnoi obrabotki pro-stranstvennoi, atributivnoi i setevoi informatsii dlya podderzhki prinyatiya upravlencheskikh reshenii na
predpriyatiyakh neftegazovogo kompleksa // Geoinformatsionnye tekhnologii v proektirovanii i sozdanii korporativnykh informatsionnykh sistem. — 2015. — C. 127-133.
v T'Ai Павлова А С.
't- Pavlova A. S.
' чСияЖ аспирант кафедры «Системы управления и контроля химических
ЯкМиЪ производств», ФГБОУ ВО «Московский государственный
íP^bW^ машиностроительный университет» (МАМИ),
■ЧчЕШЬт, г. Москва, Российская Федерация
УДК 004.58
СТАНДАРТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ МНОГОСВЯЗНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Эффективное управление технологическими объектами является важнейшим фактором при проектировании систем. В статье рассмотрен комплекс вопросов по созданию элементов управления для объектов многосвязного регулирования на примере разделительного производства. Указаны ключевые стадии для успешного создания автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП). Дана краткая характеристика разделительного производства, описываются основные единицы оборудования и их компоновка. Представлены структурная схема разделительного производства и параметры, используемые для диагностики технического состояния объекта и управления технологическими процессами разделительного производства.
Для контроля и управления объектами применяются промышленные контроллеры, имеющие программную модель согласно стандарту IEC 61131-3. Эта модель характеризуется такими свойствами, как структурированное программирование, иерархическая организация, программные интерфейсы. Важнейшим аспектом контролирования объектов является четко спроектированная система сбора и анализа данных. Для поддержки считывания больших объемов данных за очень короткое время для разделительного производства реализована функция статических регистров. Под статическими регистрами понимают четко заданную последовательность регистров, хранящую в себе номера для считывания и фактические значения. Функция статических регистров позволяет унифицировать метод управления рабочими данными по технологическому объекту и стандартизировать подход к проектированию АСУТП. В статье представлена структурная схема передачи данных и алгоритм конвертации статических регистров для аналоговых и дискретных значений. Главная задача — это корректная передача данных на систему верхнего уровня. Для этого отправляется циклическая телеграмма, которая содержит заголовок, метку времени и данные. На основе анализа управления сделаны выводы о применении единой методологии для реализации систем управления процессами с многосвязной структурой.
Ключевые слова: автоматизированная система управления технологическими процессами, регистры, статические регистры, стандарты, память процессора, производительность, унификация.
STANDARDIZATION OF TECHNOLOGICAL OBJECTS OF THE MULTICOUPLING REGULATION
Effective management of technological objects is the major factor in case of design of systems. In article the complex of questions on creation of controls for objects of the multicoupling regulation on the example of separating production is considered. Key stages for successful creation of the automated control system for technological process (PCS) are specified. The short characteristic is given to separating production, fundamental units of the equipment and their configuration are described. The skeleton diagram of separating production and parameters used for diagnostics of technical condition of object and control of technological processes of separating production is provided. The industrial controllers having program model according to the IEC 61131-3 standard are used to monitoring and object management. This model is characterized by such properties as the structured programming, hierarchical arrangement, program interfaces. The most important aspect of monitoring objects is accurately designed system of
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 12, 2016
collection and data analysis. For support of reading of large volumes of data in very short time, for separating production function of static registers is realized. Understand as static registers accurately the given sequence of registers, storing in itself numbers for reading and the actual values. Function of static registers allows to unify a method of management of working data from technological object and to standardize the design approach PCS. In article the skeleton diagram of data transfer and algorithm of conversion of static registers for analog and discrete values is provided. The main task, is correct data transfer on system of the top level. For this purpose the cyclic telegram which contains title, a time stamp and data goes. On the basis of the analysis of control conclusions are drawn on application of uniform methodology for implementation of management systems by processes with the multicoupling structure.
Key words: automated process control system, registers, static registers, standards, memory of the processor, productivity, unification.
Введение
Ключевыми стадиями для успешного создания АСУТП являются самые первые стадии, в которых определяются начальные условия всего процесса создания будущей системы, и в значительной степени определяется результат, а именно:
1. Формирование требований к АСУТП;
2. Разработка концепции АСУТП;
3. Разработка технического задания на создание АСУТП.
Тщательное выполнение этих стадий позволяет избежать множества проблем в последующей реализации проекта.
В данной статье уделяется внимание второй стадии проектирования — разработке концепции АСУТП. Для современных систем управления актуально применение систем с возможностью «открытости» [1]. Под этим качеством понимается возможность объединения в рамках общей системы оборудования и программного обеспечения самых разных производителей. Этот подход эффективен, но в обмен на возможность применения разнородного оборудования приобретается множество проблем, связанных с эксплуатацией и обслуживанием, а также проблема защиты от внешнего вмешательства и проникновения вирусов. В связи с развитием кибератак и политической ситуацией в мире основным требованием к оборудованию и программному обеспечению АСУТП выступает не абстрактная «открытость», а напротив, детерминированность (строгая определенность и предсказуемость) поведения, а также жесткость, устойчивость и закрытость программно-технического конструкции для конкретного применения.
В нашей стране находится достаточно большое количество объектов с многосвязно повторяющейся структурой. Представителями многосвязных объектов в нашей стране являются всевозможные разделительные производства, ткацкие производства, металлургические производства и т.д.
Объектами многосвязного регулирования служат агрегаты и процессы, в которых имеются несколько подлежащих регулированию величин, связанных между собой так, что изменение какой-либо из них вызывает изменение некоторых или всех остальных [2]. Взаимное влияние регулируемых величин может возникнуть за счет искусственно создаваемых внешних связей между отдельными параллельно работающими агрегатами. Сложную многосвязную систему обычно рассматривают как состоящую из отдельных
элементарных подсистем (сепаратных систем), связанных между собой [3]. Существуют работающие комплексы, которые нуждаются в модернизации, внедрении новых средств автоматизации с учетом современных требований к безопасности управления технологическим процессом.
В данной статье рассмотрен вопрос эффективности управления объектов с многосвязной структурой на примере разделительного производства.
Существует четыре основных метода разделения (обогащения): магнитная сепарация, газодиффузионный метод, центрифужный и лазерный. Методы разделения различаются по степени селективности. Высокая селективность не всегда приводит к лучшим экономическим показателям. Соотношение капитальных вложений и энергетических затрат может сделать предпочтительными процессы с малой селективностью. Если селективность мала, требуемая концентрация конечного продукта может быть достигнута путем последовательного обогащения в установках, состоящих из большого числа ступеней. Основной единицей оборудования разделительного производства являются газовые центрифуги [4].
Разделительное производство в целом характеризуется значительной территориальной распределенностью и большим числом однотипного технологического оборудования [4].
Разделительное производство сегодня — это каскады из сотен тысяч центрифуг, непрерывный режим работы, большое количество точек контроля, территориальная рассредоточенность точек контроля в пределах цеха, удаленность оборудования от диспетчерского пункта до 1 км, высокий уровень электрических помех, высокая стоимость оборудования, повышенные требования к надежности.
Большое количество данных является результатом наличия многократно повторяющихся структур. Каждая центрифуга имеет набор параметров, за которыми осуществляется контроль по границам, пересчет различных параметров, а также выявление различных групповых сигналов. Одной из важнейших задач реализации концепции построения системы является унификация технических решений.
Модель разделительного производства
Разделительное производство в целом характеризуется значительной территориальной распределенностью и большим числом однотипного технологического оборудования [4].
КОНТРОЛЛЕР
E
с
2
блоки АЭ
H
E.ljKii
iwqwi
im m
ГИ
S
БЛйЮН
A3
БПО№
ПОДЯЧИ
и
ГЦ
nz=
ГЦ
zizz
ГЦ
zez ГЦ
ZLl-
гц
_L_
ГЦ
ru
1
ГЦ
1
ГЦ
1
*
ru
}-
33 гч
ZEH
zez ni
ni ni
S
J
Б#шт A3
БПСМЯФ-пплашь
zez ni
zezz гц
zcz ni
zez ni
st: ni
ni
ni
zcz
гъ
ZC_
ГЦ
Рисунок 1. Структурная схема разделительного производства
Структурная схема разделительного производства показана на рисунке 1.
Наименьшей единицей оборудования является газовая центрифуга (ГЦ), контролирующий элемент у ГЦ — это датчик сигнализации вращения и датчик питания сети. Датчик сигнализации вращения формирует периодический сигнал, частота и напряжение которого зависят от скорости вращения ротора. Сигнал питающей сети формируется путем понижения линейного или фазного напряжения питания электродвигателя ГЦ. Анализ двух указанных сигналов позволяет определить параметры, используемые для диагностики технического состояния ГЦ и управления технологическими процессами разделительного производства.
В таблице 1 показаны данные, которые рассчитываются в программном контролере по заранее заданным расчетным формулам.
В данной таблице представлена упрощенная модель регулирования без учёта всех параметров управления.
Согласно таблице с одной ГЦ выходит 3 аналоговых сигнала и 6 дискретных. За получение сигналов от процесса и генерацию выходных сигналов отвечает система управления оборудованием. Для реализации управления разделительного производства в качестве программного модуля используется метод регистрового чтения.
Метод регистрового чтения
Программным модулем является информационная, состоящая из процедур структура, которая может взаимодействовать с другими аналогичными структурами. Для построения информационной структуры используются промышленные контроллеры (ПЛК), имеющие стандартную архитектуру.
В архитектуре ПЛК находятся следующие основные компоненты: процессорный модуль, блок питания и модули ввода/вывода [5]. Процессорный модуль состоит из собственно процессора (CPU) и памяти. Модули ввода/вывода бывают дискретными и аналоговыми. Стандарт IEC 61131-3 задает программную модель, соответствующую современным принципам разработки программных продуктов. Эта модель характеризуется такими свойствами, как структурированное программирование, иерархическая организация, программные интерфейсы. Важнейшим параметром ПЛК является емкость памяти, характеризующаяся количеством переменных, которые можно обработать за время функционирования ПЛК. Время доступа к памяти — один из наиболее существенных показателей, способных ограничить быстродействие. Из-за этого происходит деление памяти на уровни иерархии с учетом частоты и скорости использования имеющихся в ней данных.
Основные типы памяти ПЛК:
• ПЗУ — постоянное запоминающее устройство;
• ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.
ОЗУ — это оперативная память, которая используется только во время выполнения программы, при
Таблица 1. Расчет параметров газовой центрифуги
Название сигнала Условие формирования/описание Обозначение сигнала Тип сигнала
Частота вращения Сигнал с датчика F аналог.
Частота питающей сети Сигнал с датчика F„„ аналог.
Модуль биения Техническая диагностика состояния газовой центрифуги A аналог.
Одиночный выход Частота входного сигнала ниже установленного порогового значения 1В дискрет.
Одиночное разрушение Отсутствие частоты входного сигнала датчика 1Р дискрет.
Одиночный обрыв связи Сопротивление источника сигнала выше порогового значения 1С дискрет.
Групповые сигналы Количество сформированных сигналов «1В», «1Р», «1С» ГВ, ГР, ГС дискрет.
62-
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 12, 2016
отключении питания информация, хранившаяся в памяти, пропадает. ОЗУ представляет собой набор регистров. Существуют регистры специального назначения и общего назначения.
Регистры общего назначения — это просто пустые ячейки памяти, которые могут использоваться программистами для хранения в оперативной памяти какой-то пользовательской информации.
Основная задача, стоящая перед программистом-проектировщиком, — эффективно распределить количество сигналов в соответствии с пропускной способностью сети и ОЗУ контроллера. Для поддержки считывания больших объемов данных за очень короткое время для разделительного производства реализована функция статических регистров. Статические регистры — это четко заданная последовательность регистров, хранящая в себе номера для считывания и фактические значения.
Программирование ПЛК имеет отличие от традиционного программирования. Это связано с тем, что ПЛК исполняют бесконечную последовательность программных циклов, в каждом из которых происходит вычисление выходных сигналов и проверка логических условий, а также выдача управляющих сигналов и при необходимости управление индикаторами интерфейса оператора.
Суть метода статических регистров заключается в задании каждому сигналу с технологического объекта определенного места в памяти и присваивании сигналу не бинарной единицы, а десятичного числа. Пример реализации алгоритма представлен ниже.
Управление неполадками
Важнейшим аспектом контролирования объектов является четко спроектированная система сбора и анализа данных. Функция статических регистров позволяет унифицировать метод управления рабочими данными от технологического объекта и стандартизировать подход к проектированию АСУТП. Структурная схема передачи данных разделительного производства показана на рисунке 2.
Таблица 2. Неполадки и аварийные сигналы
1В
1Р
1С
Алгоритм суммирования и конвертация в DEC
на СВУ
Bit Hex Dec Регистр 40026
0 0001 1 1В
1 0002 2 1Р
2 0004 4 1С
3 0008 8 Резерв
4 0010 16 Резерв
5 0020 32 Резерв
6 0040 64 Резерв
7 0080 128 Резерв
8 0100 256 Резерв
9 0200 512 Резерв
10 0400 1024 Резерв
11 0800 2048 Резерв
12 1000 4096 Резерв
13 2000 8192 Резерв
14 4000 16384 Резерв
15 8000 32768 Резерв
Рисунок 2. Структурная схема передачи данных
С объекта на процессорный модуль поступают дискретные сигналы неисправностей 1В, 1Р, 1С, в памяти процессора хранится алгоритм конвертации булевых значений в соответствующие им десятичные значения (поле DEC в таблице 2), у каждого сигнала есть свое определенное место в памяти согласно полю Bit в таблице 2. Полное заполнение регистра представлено в таблице 2.
Расшифровка полей таблицы 2: «Bit» — означает по IEC 60027-2 двоичное число, равное соответствующему разряду в двоичной системе; «Hex» — обозначение шестнадцатеричной системы счисления; «Dec» — обозначение десятичной системы счисления; «Регистр 40026» — регистр с номером 40026.
В одном регистре можно передавать до 32 сигналов (32 бита). Сигналы от процессорного модуля поступают в виде числа в десятичной системе измерения. Алгоритм суммирования подразумевает сумму пришедших за один цикл опроса с датчиков вращения логических единиц. Результат от суммирования представляется в десятичной форме и передается на сверхбыстрое вычислительное устройство (СВУ) для отображения на экране, записи в архив или дальнейшей обработки. На систему верхнего уровня приходит десятичное значение, которое формируется методом суммирования чисел в колонке DEC.
Пример работ
На СВУ с регистра 40026 приходит значение 6. Значение 6 получается в результате суммирования чисел 4 и 2. Значит за один цикл у определённой газовой центрифуги наличие двух сигналов неисправностей. Согласно заранее определенной таблицы это сигналы 1Р и 1С.
Данный метод не имеет жестко заданной структуры, она свободно проектируемая, каждый проектировщик системы управления может решать, как, что и в каких регистрах ему хранить.
Согласно нашему производственному процессу на основе одиночных сигналов формируются групповые сигналы. На рисунке 3 изображена структурная схема метода формирования групповых сигналов.
Рисунок 3. Структурная схема метода формирования групповых сигналов
Управление аналоговыми значениями
Для передачи аналоговых значений и расшифровки используется аналогичный способ. Пример реализации показан в таблице 3.
Таблица 3. Аналоговые сигналы
Bit Hex Dec Регистр 40038
0 0001 1 рвр,щ
1 0002 2 р„„
2 0004 4 А
3 0008 8 Резерв
4 0010 16 Резерв
5 0020 32 Резерв
6 0040 64 Резерв
7 0080 128 Резерв
8 0100 256 Резерв
9 0200 512 Резерв
10 0400 1024 Резерв
11 0800 2048 Резерв
12 1000 4096 Резерв
13 2000 8192 Резерв
14 4000 16384 Резерв
15 8000 32768 Резерв
Процессорный модуль записывает в каждый регистр аналоговое значение и время и хранит его в течение одного цикла. Алгоритм анализа аналоговых значений осуществляется на СВУ Главная задача — это корректная передача данных на СВУ Для этого отправляется циклическая телеграмма, которая содержит заголовок, метку времени и данные. В заголовке циклической телеграммы формируется технический адрес секции ГЦ, который преобразуется по определенным правилам в логический адрес. Данные в телеграмме имеют строго упорядоченную последовательность аналоговых значений технологического параметра и их регистровых индексов (сопроводителей) для всех ГЦ, входящих в состав технологической секции.
Пример телеграммы представлен на рисунке 4.
Длина ТЛГ — это длина полезных данных телеграммы.
Код операции — идентификатор для определения типа отправляемой телеграммы.
Errors — код ошибки, в случае наличия ошибки в ПЛК.
Номер главного объекта — принадлежность объекта к определенной группе или зданию.
Номер объекта — номер объекта в группе или здании.
DEC — идентификатор сигнала.
Значение DEC — текущее аналоговое значение определенного сигнала.
Данный тип телеграмм может отправляться циклически, а может — по запросу пользователя.
Заключение
Процесс становления систем управления данными в промышленности не только давно начался и установился, а идет постоянно нарастающим потоком. Однако, большая часто неприятностей, связанных с системами управления технологическими процессами, предопределяется ошибками при неформальном отношении к разработке концепции обработки и управления данными процесса. Постоянно появляются новые способы систематизации, конвертации и передачи данных от технологического процесса. Управление большим объемом данным — это задача, требующая четкой структуры организации и анализа этих данных. Существует большое количество иностранных и отечественных программных пакетов для проектирования систем контроля и управления технологическими процессами. В данных программных обеспечениях имеются определенные подходы для организации структур с большим объемом, такие как применение эталонных схем или использование одинаковых функциональных блоков.
Однако на данный момент специалистами не достигнуто однозначного соглашения, каким образом наиболее эффективно работать с одинаковым набором параметров. Применение единой методологии, предложенной в статье для реализации систем управления процессами с многосвязной структурой, позволило бы унифицировать процесс разработки, сократить время на разработку концепции системы, тем самым увеличить коэффициент эффективности.
Рисунок 4. Вид телеграммы
Номер бита Состав телеграммы
0 Длина ТЛГ (TlgLen)
1 Код операции (219)
2 Errors
3 Номер главного объекта
4 Номер объекта
5 DEC
6 Значение DEC
7 DEC
8 Значение DEC
n Битовые флаги событий измерения для n-ой ГЦ
n+1 Контрольная сумма
Список литературы
1. Федоров Ю.Н. Справочник инженера по АСУТП: Проектирование и разработка. — М.: Инфра-Инженерия, 2008. — 928 с.
2. Зайцева Е.В., Кравцов А.Ф. Многосвязное регулирование в черной металлургии. — Киев: Техника, 1978. — 134 с.
3. Зырянов Г.В. Системы управления многосвязными объектами: учеб. пособие. — Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ 2010. — 112 с.
4. Обогащение урана / Е. Беккер, Ф. Босхотен, Б. Бриголи, Р. Дженсен, Д. Массиньон, Н. Натрат, К. Робинсон, Суббарамайер, С. Виллани; под. ред.
Electrical and data processing facilities and systems. № 2, v. 12, 2016
С. Виллани; пер. с англ. под ред. И.К. Кикоина. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 320 с.
5. Минаев И.Г., Самойленко В.В. Программируемые логические контроллеры: практическое руководство для начинающего инженера. — Ставрополь: АГРУС, 2009. — 100 с.
References
1. Fedorov Yu.N. Spravochnik inzhenera po ASUTP: Proektirovanie i razrabotka. — M.: Infra-Inzheneriya, 2008. — 928 s.
2. Zaitseva E.V., Kravtsov A.F. Mnogosvyaznoe regulirovanie v chernoi metallurgii. — Kiev: Tekhnika, 1978. — 134 c.
3. Zyryanov G.V Sistemy upravleniya mnogosvyaz-nymi objektami: ucheb. posobie. — Chelyabinsk: Izdatel'skii tsentr YuUrGU, 2010. — 112 s.
4. Obogashchenie urana / E. Bekker, F. Boskhoten, B. Brigoli, R. Dzhensen, D. Massin'on, N. Natrat, K. Robinson, Subbaramaier, S. Villani; pod. red. S. Villani; per. s angl. pod red. I.K. Kikoina. — M.: Energoatomizdat, 1983. — 320 s.
5. Minaev I.G., Samoilenko V.V. Programmiruemye logicheskie kontrollery: prakticheskoe rukovodstvo dlya nachinayushchego inzhenera. — Stavropol': AGRUS, 2009. — 100 s.
I»
иР
Хакимов Д. В. Khakimov D. V
аспирант кафедры «Измерительно-вычислительные комплексы», ФГБОУВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск, Российская Федерация
/
1.1, 1 Л I 1г
Киселев С. К. ^кг S. K.
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Измерительно-вычислительные комплексы», ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», г. Ульяновск, Российская Федерация
УДК 629.7.05
ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ НА РАННИХ
СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В статье рассмотрены основные положения оптимизации структуры комплексов бортового оборудования (КБО) летательных аппаратов (ЛА). Выявлена необходимость смены основных принципов проектирования функциональной структуры КБО. Поставлена задача проведения процессов оптимизации на ранних стадиях проектирования КБО. Предложен метод оптимизации функциональной структуры КБО. Введены и описаны основные принципы построения дерева функций изделия (ДФИ), основные условные графические обозначения (УГО), даны основные понятия и определения. Определены цели оптимизации ДФИ. В качестве основного критерия оптимизации выбран критерий отказобезопасности функций КБО. При создании системы автоматизированного проектирования (САПР) возможно создание нескольких путей оптимизации ДФИ методом смены приоритетов критериев оптимизации. Сформирован перечень данных, необходимых для проведения процесса оптимизации ДФИ, определены основные документы, являющиеся источниками данных. Предложен метод оптимизации ДФИ. Определены основные этапы процесса оптимизации ДФИ. Выделены условия идентичности функций. Предложен алгоритм проведения первого этапа процесса оптимизации функциональной структуры КБО. Данный алгоритм разработан в общем виде и в дальнейшем может быть использован как один из основополагающих для разработки САПР по оптимизации ДФИ. Описаны возможности изменения глубины оптимизации ДФИ. Показана необходимость проведения оценки безопасности систем и бортового оборудования ЛА параллельно с процессом оптимизации функциональной структуры КБО. Для оценки качества процесса оптимизации предложено использовать результаты проведения процесса оценки безопасности систем и бортового оборудования ЛА в соответствии с ВС ГА-Р4761 «Руководство по методам оценки безопасности систем и бортового оборудования воздушных судов гражданской авиации».
