1 - 2005

Построение информационного поля при формализованном выборе функциональных задач АСУТП

Виктория Халимон

АСУТП — это сложная система множества связанных между собой разнотипных элементов, объединенных структурно и функционально в многоуровневую совокупность подсистем (подмножеств).

Ввиду сложности описываемого объекта при создании его формализованного описания используются принцип декомпозиции и упрощенный метод описания АСУТП. В функциональном плане декомпозиция общей задачи управления приводит к выделению типовых функций, каждая из которых реализуется совокупностью типовых программных модулей (ТПМ). При этом каждая из выделенных функциональных подсистем может быть, в свою очередь, разделена на более мелкие элементы в зависимости от принятой степени детализации. Наряду с чисто информационной целесообразностью декомпозиции последняя существенно повышает надежность системы управления в целом, так как отдельные локальные подсистемы содержат меньше аппаратуры. Кроме того, при формировании структуры верхнего уровня можно обеспечить дублирование наиболее ответственных функций управления.

Любой процесс проектирования представляет собой процесс управления — получение, сбор, передачу, обработку и представление информации для принятия решений, направленных на устранение отклонений от цели проектирования, определяемой техническим заданием.

При разработке АСУТП применяется метод машинного моделирования. При этом можно выделить следующие основные этапы моделирования:

• построение модели системы и ее формализация — для этого необходимо разработать перечень всех функций АСУТП и алгоритмов, реализующих эти функции, сформировать модель системы управления, состоящей из набора взаимосвязанных функциональных задач в виде функциональной блок-схемы задач АСУТП;

• алгоритмизация модели системы и ее машинная реализация — необходимо описать обработку информационных потоков по всем входным и выходным каналам системы управления с помощью функциональных операторов;

• получение результатов машинного моделирования и проверка на реальном технологическом процессе разработанной методики выбора функциональных задач.

На этапе построения модели существует необходимость создания полного перечня функциональных задач АСУТП для конкретного ТП, пользуясь которым проектировщик мог бы произвести выбор действительно актуальных задач.

Функциональные задачи АСУТП подразделяются на информационные и управляющие. К информационным относятся следующие:

1 — прямое измерение;

2 — косвенное измерение;

3 — лабораторный анализ;

4 — подготовка данных;

5 — хранение данных;

6 — расчет технико-экономических параметров;

7 — отображение и регистрация информации;

8 — контроль отклонений;

9 — прогнозирование хода ТП;

10 — анализ срабатывания блокировок и защит;

11 — сигнализация;

12 — диагностика состояния оборудования.

Управляющие функциональные задачи АСУТП таковы:

13 — моделирование;

14 — оптимальное управление в установившемся режиме;

15 — оптимальное управление в переходном режиме;

16 — адаптация;

17 — регулирование отдельных параметров;

18 — многосвязанное регулирование;

19 — однотактное логическое управление;

20 — программное и многотактное логическое управление;

21 — контроль исполнения управляющих воздействий.

Составление полного перечня функциональных задач с указанием связей между задачами является непременным этапом работ, связанным с автоматизацией проектирования АСУТП.

Взаимосвязь функциональных задач представлена на обобщенной блок-схеме задач АСУТП (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная блок-схема задач АСУТП

Рис. 1. Функциональная блок-схема задач АСУТП

Автоматизация выполнения функций требует их расчленения на более мелкие части — функциональные подзадачи. Именно для функциональных подзадач разрабатываются алгоритмы, на основе которых создается программное обеспечение. Таким образом, используя перечисленные подзадачи, мы получим детальную схему каждой функциональной задачи, которая показывает, какой набор алгоритмов следует осуществить для выполнения данной функции. Каждый алгоритм разрабатывается отдельно, что обеспечивает надлежащую гибкость при отладке и эксплуатации разрабатываемой системы.

Алгоритм управления представляет собой совокупность функциональных операторов, определяющих протекание процесса управления и связывающих его параметры с параметрами состояния производственной системы. Исходя из этого общую проблему синтеза алгоритма управления можно сформулировать следующим образом: требуется построить потенциально реализуемый на конкретных вычислительных средствах алгоритм, который должен в каждый момент времени tj для любого подмножества исходных (входных) данных , характеризующих состояние элементов АСУ и производства, находить такие управляющие сигналы Uj , выполнение которых обеспечивает достижение цели функционирования АСУ.

Для объяснения алгоритма управления вводится несколько определений: функциональным оператором q системы управления называется некоторая совокупность алгоритмов, осуществление которых путем выполнения конечного числа операций над данными о состоянии производства приводит к одному (группе) обобщающему или к новому показателю состояния производства.

Задачи, последовательное решение которых приводит к осуществлению функционального оператора, называются координатами функционального оператора. Каждая задача, решаемая в системе управления, может быть координатой нескольких различных функциональных операторов, которые характеризуются не отдельными задачами, а их совокупностью, то есть информационными потоками, которые определяются связью задач между собой.

Рассмотрим способ описания АСУТП с помощью упорядоченной таблицы координат функциональных операторов, геометрическим образом которой является блок-схема взаимосвязи задач АСУТП. Вершины блок-схемы соответствуют отдельным задачам (или группам задач) (см. рис. 1), а дуги характеризуют информационные связи между задачами.

Для реализации алгоритма построения информационного поля в качестве исходных данных берется разработанный выше набор функциональных задач, обозначаемых аji , где i  — номер функциональной задачи, а j  — номер подзадачи в этой задаче. Представим исходные данные в виде, показанном в табл. 1.

Таблица 1. Представление исходных данных

Таблица 1. Представление исходных данных

Расшифруем понятия задач, непосредственно существенных и непосредственно зависящих от данной.

Задача a 1i называется существенной для задачи a 2i , если результаты решения a 1i   служат исходными данными для решения a 2i . Одновременно говорят, что задача a 2i зависит от a 1i . Задачи a 1i и a 2i также называют функционально смежными.

Задача a 0i (первая в представленной таблице) является первичной информацией. Под первичной информацией будем подразумевать данные, поступающие от датчиков системы сбора информации, от оператора и из разных документов и т.д.

Рассмотрим пример заполнения данной таблицы. Пусть необходимо описать схему, представленную на рис. 2.

Рис. 2. Пример описания схемы

Рис. 2. Пример описания схемы

На первый блок данной схемы поступает информация, передаваемая от других функциональных модулей (первичная информация), а значит, неизвестен номер задачи, входящий в данную ячейку. Поэтому во второй столбец мы ставим прочерк или любой другой знак, показывающий, что информация идет извне. От первого блока зависят две задачи (№ 2 и 3); следовательно, в третьем столбце таблицы указываем эти номера.

Переходим к описанию второго блока. Информация на этот блок поступает от блока № 1 (записываем этот номер во второй столбец), а выходит с этого блока в № 3 и 4 (пишем эти номера в третий столбец таблицы).

Блоку № 3 предшествуют два блока: № 1 и 2 (записываем эти номера во второй столбец), а зависит от него только один столбец — № 5, так что мы указываем его номер в третьем столбце и т. д. В результате получим заполненную таблицу 2.

Таблица 2. Данные к примеру 1

Таблица 2. Данные к примеру 1

Алгоритм построения информационного поля состоит из двух частей:

• в первой части алгоритма выделяются классы задач для упорядочивания множества задач по уровням;

• во второй части строится упорядоченная таблица координат функциональных операторов, расширенная до прямоугольной формы. Данная таблица является также таблицей задач, распределенных по классам.

Рис. 3. Граф-схема взаимосвязи функциональных задач

Рис. 3. Граф-схема взаимосвязи функциональных задач

На этапе алгоритмизации мы выяснили, что построенная информационная модель (см. рис. 1) не удовлетворяет требованиям, предъявляемым в процессе машинной реализации алгоритма построения информационного поля, поскольку разработанный алгоритм не реализует циклическую взаимосвязь между двумя сложными блоками. Следовательно, информационная модель должна быть изменена путем введения дополнительных ячеек — к ним относятся такие ячейки: № 0 (для нее введена дополнительная — № 1), № 5 (для нее введена дополнительная — № 22), № 8 (для нее введена дополнительная — № 24), № 12 (для нее введена дополнительная — № 23).

Взаимосвязь функциональных задач в табличном виде описана в табл. 3.

Таблица 3. Взаимосвязь функциональных задач

Таблица 3. Взаимосвязь функциональных задач

Взяв за основу таблицу взаимосвязей функциональных задач АСУТП, можно по определенному алгоритму построить распределение по классам множества этих задач (табл. 4).

Таблица 4. Выделенные классы задач

Таблица 4. Выделенные классы задач

Практически классы представляют собой уровни граф-схем, на которых нет информационных связей между задачами каждого уровня.

Теперь на основе этой таблицы можно построить граф-схему взаимосвязи задач, представляющую собой геометрический образ установившегося информационного поля на плоскости (рис. 3). Граф-схему взаимосвязи задач можно использовать для изучения функциональной и информационной структур СУ и для повышения ее эффективности на основе применения теории графов и потоков в сетях. Другим способом описания граф-схемы взаимосвязи задач является матрица смежности.

Представленная выше информационная модель функциональной структуры АСУТП является обобщенной схемой для всех видов технологических процессов, так как здесь рассматривается полный набор функциональных задач, которые на практике не всегда реализуются полностью, причем в управлении участвуют лишь некоторые задачи из этого перечня.

С целью конкретного технологического процесса можно выделить подграф взаимосвязи функциональных задач исходя из информационного описания объекта управления, при этом такое описание в дальнейшем может использоваться при функционировании разрабатываемой АСУТП.

Виктория Халимон

Канд. техн. наук, доцент кафедры систем автоматизированного проектирования и управления (САПРиУ) Санкт-Петербургского государственного технологического института (СПбГТИ).

В начало В начало

«САПР и графика» 1'2005