Методология автоматизированного проектирования технического обеспечения асутп

На правах рукописи

АХРЕМЧИК Олег Леонидович МЕТОДОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУТП Специальности 05.13.12. Системы автоматизации проектирования 05.13.06. Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности) Отрасль наук

: технические науки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Тверь 2009

Работа выполнена в Тверском государственном техническом университете

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Курейчик В. М.

доктор технических наук, профессор Балакирев В. С.

доктор технических наук, профессор Модяев А. Д.

Ведущая организация: Волгоградский государственный технический университет

Защита состоится “ “ 2009 г. в часов на заседании диссертацион ного совета Д 212. 262. 04 в Тверском государственном техническом универси тете по адресу: 170026, г. Тверь, наб. Аф. Никитина, 22 (ауд. Ц-212).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета.

Автореферат разослан “” _2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Филатова Н. Н.

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования определяется существующими противоре чиями в области проектирования технического обеспечения автоматизирован ных систем управления технологическими процессами (АСУТП):

- изменение модификаций составляющих АСУТП программно-технических средств автоматизации происходит за время, соизмеримое со временем проек тирования АСУТП и ее технического обеспечения, - совершенствование программно-технических средств обуславливает не обходимость постоянной модернизации типовых решений по автоматизации технологических объектов определенного класса, сама же модернизация произ водится темпами, приводящими к отставанию возможностей проектных реше ний от принципиально достижимых, - большая номенклатура технических элементов АСУТП соответствует не большому количеству функциональных элементов, - возрастает число степеней свободы при выборе управляющих воздействий и их технических реализаций за счет: моделирования динамики системы управ ления, роста информационных массивов баз данных (БД), автоматизированного поиска элементов в БД и сохраняется значительное количество эвристических приемов при разработке принципиальных электрических схем и выборе техни ческой реализации АСУТП, - методология построения систем автоматизированного проектирования (САПР) технического обеспечения АСУТП направлена на их использование как CAD (control aided design) систем для автоматизации процесса разработки и выпуска технической документации, что позволяет снизить число ошибок, свя занных с маркировкой и нумерацией элементов в схемных описаниях при от сутствии диагностики семантических ошибок, связанных с определением на значения устройства, его входов-выходов и возможных связей в составе техни ческого обеспечения, в то время как в других областях техники широко приме няются CAE (control aided engineering) системы (например, технология и САПР «СПРУТ»), обеспечивающие автоматическую генерацию отдельных видов про ектной документации.

Выделенные противоречия позволяют осуществить постановку проблемы, имеющей важное значение для отечественной промышленности и хозяйства – создание систем автоматизированного проектирования технического обеспе чения АСУТП и повышение эффективности их функционирования, заключаю щееся в сокращении времени проектирования, снижении числа ошибок на на чальных стадиях проектирования при повышении точности стоимостных оце нок в ходе расширения множества допустимых решений по технической реали зации различных способов и алгоритмов управления.

В рамках данной проблемы актуальны постановка и решение научной про блемы – создание теоретических основ для построения систем автоматического синтеза схем технического обеспечения АСУТП и применения методов авто матизированного проектирования при его разработке, позволяющих осущест вить автоматизацию и интеллектуализацию решения задач технической реали зации функциональной структуры АСУТП.

Область исследования – разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов для синтеза и анализа проектных решений по технической реализации различных способов и алгоритмов управления непрерывными технологически ми процессами.

Объект исследования – процесс разработки схемных решений на началь ных стадиях создания технического обеспечения АСУТП на базе элементов электрической ветви государственной системы приборов, техническое обеспе чение АСУТП.

Цель диссертационной работы – совершенствование существующей мето дологии проектирования технического обеспечения АСУТП на основе разра ботки совокупности моделей, положений и методов, создающих предпосылки для автоматизации и интеллектуализации начальных стадий создания техниче ского обеспечения АСУТП.

Для достижения цели в работе осуществлялись постановка и решение ос новных исследовательских задач:

1) выбор и анализ объекта проектирования, анализ существующей методо логии и систем автоматизированного проектирования технического обеспече ния выделенных АСУТП, 2) анализ моделей технического обеспечения и моделей представления зна ний в САПР, разработка методов и алгоритмов построения моделей техниче ского обеспечения с использованием компьютерных систем, систематизация межэлементных отношений, 3) построение иерархического теоретико-множественного описания техни ческого обеспечения для информационных массивов САПР, 4) систематизация эвристик и иерархическое представление процесса про ектирования, разработка методики автоматизированного проектирования тех нического обеспечения АСУТП, 5) формализация эвристических приемов проектирования цепей техниче ского обеспечения, разработка моделей и алгоритмов для автоматического по строения и преобразования функциональных и принципиальных схем техниче ского обеспечения в частично выбранном элементно-параметрическом базисе, 6) разработка архитектуры и составляющих компьютерного комплекса как представителя класса интеллектуальных систем, предназначенных для автома тизации решения задач преобразования функциональной структуры системы управления в описания схемных решений при технической реализации с ис пользованием частично заданного элементно-параметрического базиса, 7) программная реализация концепций построения компьютерного ком плекса, разработка методик работы с ним и проведение на их базе эксперимен тальных исследований предложенных моделей и методов при решении задач проектирования подсистем технического обеспечения АСУТП.

Научная новизна. В настоящей работе:

1. Для предложенной и запатентованной автором функциональной структу ры системы управления непрерывной технологической линией осуществлена интерпретация задачи синтеза технической структуры АСУТП в виде построе ния и преобразования графовых моделей функциональной структуры в выбран ном базисе, отражающих процесс создания и детализации межэлементных свя зей при рассмотрении ограничений в виде бинарных запретов на сочетание структурных элементов технического обеспечения АСУТП на разных уровнях иерархического описания.

2. Развита концепция извлечения, структуризации и формализации знаний в области автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП на основе предложенных: методики создания моделей знаний, преду сматривающей использование в качестве эксперта компьютерной системы, осуществляющей синтез вариантов технической структуры;

систематизации межэлементных отношений с выделением класса композиционных отношений, характеризующегося вариацией свойств при изменении формы представления проектных описаний.

3. Предложен комплекс моделей технического обеспечения для информа ционных массивов САПР в виде иерархического описания уровней: системно го, подсистем, цепей, приборного с организацией межуровневых переходов на базе отношений «часть-целое» », раскрытием каждого уровня с использовани ем отношений «род-вид», «иметь свойства», «иметь значения свойств» с введе нием на системном и приборном уровнях классов свойств, характеризующих удобство проектирования АСУТП, особенности программирования техниче ских средств и выражением функций элементов через свойства передаваемых в цепи сигналов.

4. Разработаны модели технических средств автоматизации, включающие:

теоретико-множественное описание свойств, методику снижения размерности пространства свойств на основе статистических методов, логическую систему обобщенных операций при программировании, объектно-ориентированное описание взаимосвязей входов-выходов, определяемое функциональным на значением проектируемой системы, и построенные на их базе интерактивные средства для изучения процедур программирования средств автоматизации.

5. Предложена методика автоматизированного проектирования техническо го обеспечения, новизна которой заключается в систематизации и формализа ции эвристических приемов создания проектных описаний технического обес печения;

автоматической генерации вариантов технической реализации различ ных управляющих воздействий на основе введенных классов правил разработ ки функциональных схем в частично заданном элементно-параметрическом ба зисе и модели разработки принципиальных схем;

анализе вариаций приведен ных затрат на основе принципиальных схем по всем вариантам с учетом кри териев управления, свойств АСУТП и ее элементов.

6. Разработаны формальная система для построения функциональных схем, модели и алгоритмы преобразования схем технического обеспечения на основе агрегативно-декомпозиционной технологии, отличающиеся использованием предложенных правил синтеза межэлементных связей, определяемых классами элементов и видами сигналов в цепи, являющихся значениями и аргументами функций элементов.

7. Предложены архитектура, методики применения и программная реали зация компьютерного комплекса, отражающие связь прикладного и предста вительного уровней САПР с физическим уровнем АСУТП и обеспечивающие автоматизацию и интеллектуализацию решения задач разработки схемных ре шений по технической реализации функциональных цепей АСУТП, выражаю щихся в автоматическом построении описаний технического обеспечения, в яв ном виде не содержащихся в системе.

Методы исследования. В работе используются методы теорий: управле ния, множеств, графов, формальных систем, баз данных, искусственного интел лекта, а также методы инженерии знаний, системного моделирования, эвристи ческих решений, математической статистики. Работа выполнена в рамках меж дисциплинарной отрасли научных знаний, охватывающей теорию проектиро вания, схемотехнику АСУТП и технических средств автоматизации,.

Достоверность полученных результатов подтверждается эксперименталь ными исследованиями на действующем прототипе компьютерного комплекса, доказывающими сходимость процесса автоматического синтеза описаний ме жэлементных связей в частично заданном элементно-параметрическом бази се, соответствующих функциональным и принципиальным схемам, существо вание интерпретации формальной системы для проектирования описаний функциональных схем технического обеспечения АСУТП и правил перехода к принципиальным схемам на булеане универсума предложенной таксономии элементов. Результаты автоматического синтеза межэлементных связей схем ных описаний технического обеспечения полностью согласуются с решениями, полученными в ходе проектирования подсистем различных АСУТП в проект ных организациях.

Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности человеко-машинных систем при проектировании технического обеспечения АСУТП, выражающейся в автоматизации процессов синтеза межэлементных связей и информационной поддержке процессов принятия решений при выборе вариантов. В ходе выполнения исследований:

1. Доказана возможность снижения времени поиска множества допустимых решений при повышении числа учитываемых показателей на базе применения систем автоматизации синтеза межэлементных связей и программных средств для оценки вариантов технической реализации с учетом системных свойств, а также осуществлено снижение роли субъективных оценок при проектировании, выражающееся в использовании набора схем для всех оцениваемых вариантов.

2. Сформированы концептуальная схема и информационная база, зарегист рированные в едином реестре баз данных РФ и используемые при автоматиче ском синтезе схем технического обеспечения АСУТП, показано, что продукци онные правила, использующие данную базу обеспечивают генерацию вариан тов связей при организации взаимодействия элементов на физическом уровне, превышающую возможности опытного специалиста.

3. Разработаны интерактивные средства в виде мультимедийных программ ных приложений, позволяющие использовать знания непрограммирующего специалиста как инструмент при разработке моделей инженерных знаний.

Предложена и апробирована методика извлечения экспертных знаний в области проектирования технического обеспечения АСУТП с применением компьютер ной системы и набор вопросов для диалога при извлечении знаний и построе нии моделей.

4. Разработаны алгоритм диагностики семантических ошибок на начальных стадиях проектирования технического обеспечения и набор учебно тренировочных заданий для обучения начальным стадиям проектирования технического обеспечения АСУТП.

5. Сформирован набор эвристик, используемых на начальных стадиях про ектирования технического обеспечения АСУТП, представлены теоретически и практически обоснованные формализованные операции и процедуры, позво ляющие автоматически получать проектные описания схемных решений по технической реализации функциональных цепей.

6. Предложено разработку проектных описаний технического обеспечения осуществлять начиная со стадии исследования объекта управления при исполь зовании расширенного набора функций программируемых приборов.

7. Представлены примеры моделей для БД САПР, включающие: разверну тое описание свойств программируемого контроллера и методику получения обобщенных факторов, определяющих наиболее значимые свойства, по кото рым осуществляется выбор подкласса и модификации прибора.

8. Доказаны существование интерпретации предложенной формальной сис темы для автоматического построения функциональных схем в частично задан ном элементном базисе на булеане предложенной таксономии элементов и ис тинность формул в данной интерпретации.

9. Разработаны и переданы в эксплуатацию действующие прототипы ком пьютерных комплексов, обеспечивающих интеллектуализацию и автоматиза цию прикладных задач построения и преобразования схемных решений по тех нической реализации измерительных и управляющих цепей технического обес печения с аналоговыми и импульсными сигналами.

На защиту выносятся:

1. Методика создания моделей знаний в области автоматизированного про ектирования технического обеспечения АСУТП, основанная на применении компьютерной системы и включающая: алгоритмы обобщения понятий, извле чения и расширения знаний, систематизацию отношений рассматриваемой об ласти с выделенным классом композиционных отношений.

2. Совокупность моделей технического обеспечения АСУТП для информа ционных массивов САПР в виде иерархического описания с использованием отношений «часть-целое» на уровнях: системном, подсистем, цепей и элемен тов и раскрытием каждого уровня на основе отношений «род-вид», «иметь свойства», «иметь значения свойств» с описанием основных функций элемен тов на основе предложенных шкал для представления сигналов. Модели про мышленного контроллера, датчика температуры и клеммного соединителя как примеры моделей элементов.

3. Методика автоматизированного проектирования технического обеспече ния АСУТП, основанная на: иерархии положений, обобщающей эвристические приемы проектирования;

генерации многообразия вариантов технической реа лизации способов и алгоритмов управления;

расчете оценок для всех рассмат риваемых вариантов и учете дополнительных системных свойств, характери зующих особенности программирования элементов и сложность проектирова ния технического обеспечения.

4. Формальная система для автоматического построения функциональных схем технического обеспечения в частично заданном элементно параметрическом базисе, правила вывода которой связаны с классами элемен тов и видами сигналов в цепи. Модели и алгоритмы преобразования функцио нальных схем технического обеспечения АСУТП в принципиальные, основан ные на декомпозиции элементов до контактов разъемов, свойства которых на следуются от компонент верхних иерархических уровней.

5. Архитектура, составляющие и методики применения компьютерного комплекса, являющегося представителем нового класса компьютерных систем, ориентированных на интеллектуализацию и автоматизацию решения задач по строения схемных описаний технического обеспечения АСУТП и включающе го базу данных на основе многоуровневой модели технического обеспечения, базу знаний на основе правил вывода межэлементных связей, программные средства для анализа дополнительных свойств.

Связь работы с научными темами и программами. Результаты работ получены в ходе проведения: госбюджетных НИР Тверского государственного технического университета (ТГТУ) по теме «Научные основы разработки мультимедиа тренажеров на основе рефлексивного подхода» (2002-2006 гг., на правление «Информационная деятельность» научно-исследовательской дея тельности Высшей школы РФ), НИР в рамках федеральной целевой программы "Развитие единой образовательной информационной среды" (2001-2005 гг.) и межвузовской комплексной программы «Наукоемкие технологии образования» (2001-2004 гг.).

Апробация работы. Результаты работ докладывались и обсуждались на:

международных научно-практических и научно-технических конференциях:

"Математические методы в интеллектуальных информационных системах" (г.

Смоленск, 2002), "IEEE international conference on advanced learning technologies" (г. Казань, 2002), 2-ой и 4-ой "Дистанционное обучение - образо вательная среда XXI века" (г. Минск, 2002, г. Тверь, 2004), «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (г. Тверь, 2002), «Акту альные проблемы науки и образования» (г. Пенза, 2003), «Information Theories and Applications» и «KDS07» (г. Варна, Болгария, 2004, 2007), 4-ой «Современ ные сложные системы управления СССУ-HTCS» (г. Тверь, 2004), 19-ой, 22-ой, 23-ей "AIS'04;

07;

09" (п. Дивноморское, 2004, 2007, 2009), 6-ой «Компьютер ное моделирование 2005» (г. Санкт-Петербург, 2005), 2-ой конференции по когнитивной науке «CogSci2006» (г. Санкт-Петербург, 2006), X-ой «Системный анализ в проектировании и управлении» (г. Санкт-Петербург, 2006), конферен ции федерации по обработке информации (IFIP) «Sorucom2006» (г. Петроза водск, 2006), 1-ой и 2-ой "Информационные технологии в образовании, технике и медицине" (г. Волгоград, 2006, 2009), IX-ой "Интеллектуальные системы и компьютерные науки" (г. Москва, 2006), «Качество образования: системы, тех нологии, инновации» (г. Барнаул, 2007), 9-ой, 12-ой, 20-ой, 21-ой, 22-ой "Математические методы в технике и технологиях" (гг. Тверь, 1995, Новгород, 1999, Ярославль, 2007, Саратов 2008, Псков 2009), 4-ой конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, 2007);

симпозиуме «Интеллектуальные системы INTELS 2008» (г. Н. Новгород, 2008), всероссийских научно-технических и научно-методических конференциях: 1-ой "Автоматизация технологических процессов и управление производством на предприятиях пищевой промышленности" (г. Москва, 1996), 9-ой конференции по искусственному интеллекту КИИ 2004 (г. Тверь, 2004), «Повышение качест ва непрерывного профессионального образования» (г. Красноярск, 2006), 7-ой и 8-ой «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (г. Улан-Удэ, 2006, 2007), «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения УКИ’08» (г. Москва, 2008), регио нальных конференциях и семинарах (гг. Киев, Калининград, Рязань, Тверь).

Высокий научно-технический уровень разработок отмечен дипломом 2 сте пени международного союза машиностроителей на 13 международной конфе ренции «Машиностроение и техносфера XXI века», (г. Донецк, Украина, 2006).

Компьютерные комплексы, реализованные на основе разработанных техно логий, моделей и алгоритмов экспонировались на 4 и 5 выставках-ярмарках "Современная образовательная среда" (Москва, ВВЦ, 2002 – 2003 гг.).

Внедрение результатов. Результаты работ используются в ведущих про ектных организациях Тверского региона: ООО «ИнтерПромАвтоматика», про ектно-конструкторском бюро ООО «ПКБ автоматизации производства», ОАО «Редкинское опытно-конструкторское бюро автоматики». Методика автомати зированного проектирования использована при разработке системы управления температурой в канале печи ЗАО «Востек». Результаты работы переданы в экс плуатацию и используются при выполнении НИР и подготовке специалистов по направлению «Автоматизация и управление» в Тверском, Калининград ском, Кузбасском государственных технических университетах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 печатных науч ных работ, общим объемом около 30 печатных листов, в том числе две моно графии. Свыше 70 процентов публикаций выполнены без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация включает: введение, шесть глав, заключение, библиографический список из 197 наименований, изложенных на 303 страницах машинописного текста, включающих 39 рисунков, 29 таблиц;

приложений, содержащих 29 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определяется объект исследования. Рассматриваются этапы научных исследований в области создания технического обеспечения АСУТП, сформулированы цель исследований и защищаемые результаты. Приводится краткое содержание работы по главам.

В первой главе проводится анализ АСУ непрерывной технологической ли нии как объекта проектирования и на ее примере рассматривается существую щая методология проектирования технического обеспечения АСУТП.

Современные АСУТП характеризуются (Охтилев М. Ю.): многоцелевым характером, функциональной избыточностью и структурным подобием элемен тов, многовариантной реализацией функций, наличием пространственно рас пределенной сети обмена данными, гибкими технологиями управления. Всеми перечисленными свойствами обладают автоматизированные системы управле ния линиями по производству малосоленых рыбных продуктов (пресервов), техническое обеспечение систем управления которыми выбирается в качестве прототипа объекта проектирования.

Особенностями данных АСУТП являются: оснащение системы средствами автоматизации и контроля различных изготовителей, выпускаемых в разные периоды времени;

модернизация приборов как локального, так и верхнего уровня управления в процессе эксплуатации АСУТП, длительное время форми рования показателей качества готового продукта и взаимосвязь отклонений ре жимных параметров на локальных участках.

На уровне технической реализации рассматриваемая система управления относится к многоуровневой АСУТП малой информационной мощности с ма гистральной топологической структурой взаимодействия подсистем и блочно модульным принципом реализации функционально-алгоритмической структу ры. Организация связи с измерительными и управляющими устройствами но сит индивидуальный характер с преимущественной радиальной реализацией, что приводит к трудностям при синтезе многообразия вариантов в процессе привязки типовых проектных решений в условиях изменения приборного ряда.

В отличии от традиционного подхода (Солодовников В. В.) выделяются две составляющих критерия управления технологическим оборудованием линии: в режиме пуска и в рабочем режиме. Данная особенность определяет необходи мость применения в качестве локальных систем автоматизации как систем ре гулирования, так и систем логического управления.

Для рассматриваемого примера автором совместно с Сердобинцевым С. П.

предложена функциональная структура АСУТП, позволяющая применять ме тоды адаптивного управления и обеспечивающая изменение состава техноло гического оборудования и структуры системы управления при невозможности достижения экстремума критерия управления за счет функционирования сис тем стабилизации режимных параметров на отдельных участках и обеспечения контроля температуры в промежуточных точках (на участке набивки). АСУТП включает как типовые структуры систем управления различными физическими параметрами (температурой, уровнем, давлением и др.), так и изменяющиеся на основе принципов адаптивного управления структуры. На локальных участках линии возможно использование различных управляющих воздействий (напри мер, на участке дефростации: температура орошающей воды, расход орошаю щей воды, скорость технологического конвейера), варианты и свойства техни ческой реализации которых значительно варьируются. Запатентованный совме стно с Сердобинцевым С. П. способ управления участком дефростации преду сматривает расчет задания локальному регулятору температуры орошающей воды на основе эталонной модели с коррекцией невязки по результатам изме рения отклонения режимного параметра (температуры полуфабриката).

Задача проектирования технического обеспечения АСУТП линией разби вается на задачи синтеза множеств технических реализаций алгоритмов управ ления при использовании различных управляющих воздействий и многокрите риального выбора варианта с учетом экономических оценок, надежности сис темы и ее элементов, динамических свойств. Задача синтеза осложнена много стадийностью проектирования и многовариантной реализацией функциональ ной структуры. В существующих методах синтеза структуры системы управле ния комплекс технических средств является заданным. Построение многообра зия вариантов рассматривается в аспекте применения и расширения типовых проектных решений (Емельянов С. В.) и их привязки к конкретному объекту управления с учетом особенностей объекта, предпочтений заказчика, измене ния приборного ряда и модификаций программно-технических средств.

Формализация выбора базируется на базе И/ИЛИ дерева (А графа) и сво дится к применению методов математического программирования или поиска допустимого подграфа на графовой модели (Саати Т., Курейчик В. М., Емелья нов С. В., Шапиро Ю. З. и др.). Задача автоматизированного генерирования множества вершин графа при разработке и выборе технической реализации АСУТП не решена.

Методы синтеза схем систем управления из набора априори известных эле ментов ориентированы на реализацию алгоритмов логического управления, за данных булевыми функциями и графами переходов (Шалыто А. А., Шидлов ский С. В.) и не могут быть распространены на задачи синтеза технической структуры всех подсистем АСУТП. Известная модель синтеза технической структуры систем управления (Волик Б. Г.) не конкретизируется в части про верки совместимости технических элементов в зависимости от свойств состав ляющих ее компонентов при детализации описаний.

Производственный подход к проектированию технического обеспечения АСУТП сводится к рассмотрению правил оформления и разработки проектной документации (Клюев А. С., Федоров Ю. Н.). Работы в направлении создания баз данных (БД) типовых элементов АСУТП (Прангишвили И. В., Амбарцумян А. А.) учитывают в качестве основных свойства надежности элементов, не по зволяющих обеспечить автоматический синтез технической структуры.

Основой существующей методологии проектирования АСУТП является:

системный подход (Скурихин В. И., Смилянский Г. Л.), агрегативно-декомпо зиционная технология (Цвиркун А. Д., Кульба В. В.), принцип информационно го взаимодействия элементов системы посредством передачи сигналов (Бус ленко Н. П), метод последовательных итераций (Мамиконов А.Г., Балакирев В.С.). Укрупненными этапами применения методологии являются (Стефани Е.

П.): исследование технологического процесса как объекта управления;

по строение математической модели объекта;

формулирование целей управления;

синтез алгоритмов управления;

реализация решений по управлению на основе выбранного комплекса технических средств.

Методология проектирования технического обеспечения АСУТП обогаща ется за счет применения методов и систем автоматизированного проектирова ния. В развитии САПР выделяются этапы разработки: теоретических основ для представления эвристических методов поиска решений (Альтшуллер Г. С., Хан зен Ф., Джонс К.), автоматизированных систем эскизного проектирования (По ловинкин А. И., Глушков В. М., Мясников В. А., Лазарев И. А., Нуждин В. Н.), систем проектирования, основанных на знаниях (Поспелов Г. С., Тыугу Э. Х., Салин А. Г., Филатова Н. Н., Андрейчиков А. В.).

В области проектирования технического обеспечения АСУТП методы авто матизированного проектирования и программные средства для их реализации применяются в основном на стадии технического проектирования при разра ботке принципиальных схем, перечней элементов для них и трансляции данных описаний в монтажные схемы и заказные спецификации на материалы и обору дование (Компас Электрик, САПР Альфа, Shematics (РФ);

AutoCAD Electrical (США);

E3.CADdy (Германия);

CADElectro (Беларусь)). Построение функцио нальных и принципиальных схем в частично заданном элементно параметрическом базисе во всех САПР осуществляется вручную.

Анализ САПР в других областях (например, САПР «СПРУТ» в сфере про ектирования технологических процессов) показывает их стремительный пере ход к связям CAD-CAM и CAD-CAE на основе CALS и RAD технологий (Mar tin J.), когда знания заказчика используются как инструмент проектирования (Евгенев Г. Б.) при систематизации и формализации эвристик (Nielsen J.). Тео ретической основой данных САПР служат иерархические модели процесса проектирования технологических процессов, разрабатываемые с использовани ем технологии структурного моделирования (Цветков В. Д.).

Рассмотрение информационных сигналов в существующей методологии проектирования в области технического обеспечения проводится без детализа ции до уровня представления реальных электрических сигналов и не решает проблемы типизации элементов, используемых при технической реализации функциональных задач АСУТП. Задача типизации элементов автоматики впервые поставлена Колосовым С. П. и развита членом- корреспондентом АН СССР Сотсковым Б. С., который выделил четыре базовых признака: функцио нальные задачи, конструктивная схема, статические и динамические характери стики, величина входной и выходной мощности. Данные модели ориентирова ны на применение методов теории автоматического управления (Иващенко Н.

Н.) при проведении инженерных расчетов параметров динамики создаваемой системы и не содержат описания совокупности свойств, необходимой для ав томатического построения принципиальной схемы технического обеспечения.

Во второй главе проводится анализ моделей технического обеспечения АСУТП, моделей представления знаний в САПР. Развиваются концепции из влечения, структуризации и формализации знаний в исследуемой области.

На основе принципов системного подхода при разработке моделей знаний для САПР (Евгенев Г. Б.) для представления абстрактных понятий и связей ме жду ними выделяются три базовых координаты в евклидовом пространстве XYZ: X – отражает уровни иерархии системности описания технического обес печения по Клиру, Y – отражает уровни детализации описания, Z – отражает уровни структурированности представления технического обеспечения.

Модели системы управления при построении ее структуры на основе ран гов неопределенности (Яковлев В. Б.) не позволяют обеспечить автоматиче ское формирование схемных описаний в связи с тем, что не раскрывают прин ципы и методы преобразования моделей друг в друга на основе детализации свойств элементов.

Анализ схемной проектной документации на техническое обеспечение АСУТП в разных сферах промышленного производства позволяет выделить четыре уровня представления описаний технического обеспечения, отличаю щихся средствами выражения базовых отношений и детализацией свойств объ ектов, вступающих в отношения. С учетом применения для описания техниче ского обеспечения множества языков (естественный, языки: функциональных, принципиальных, монтажных схем, моделирования, программной конфигура ции разных технических средств и т. д.) процесс проектирования может быть представлен в виде:

ISm (i, Kl) П( i, i+1) ISm (i+1, Kl), Sm S, i = 1,…, N, l=1,…, L, где ISm(i) – модель m-й системы на i-м этапе проектирования в терминах ис пользуемых языков Kl, П( i, i+1) – оператор проектирования, отражающий соз дание модели системы в терминах соответствующих языков, N – число этапов, L – число языков описания.

Если модели ISm (i, Kl) и ISm (i+1, Kl) могут быть представлены в виде информационных массивов ЭВМ, а П( i, i+1) – в виде пакета программ для ЭВМ, то достигается значительное ускорение создания технического обеспече ния за счет разработки и коррекции документации с помощью средств автома тизации проектирования.

В основу построения моделей ISm закладываются условия совместимости элементов (Половинкин А. И., Бусленко Н. П., Лазарев И. А.):

I ={Ai1, B i1, C i1}, O={Aj1, B j1, C j1}, Ai {Aim}, Aj{Ajn}, (1) где: I, О – входы и выходы элемента, A, В, С – условия, обеспечивающие про странственную, энергетическую, параметрическую совместимость элементов и потоков на входах-выходах.

Модели (1) ранее не рассматривались применительно к разработке схемных описаний технической реализации АСУТП. В процессе построения моделей ISm и П с применением технологий инженерии знаний и искусственного интеллек та (Поспелов Д. А., Вагин В. Н., Осипов Г.С., Ханзен Ф., Джонс К., Гаврилова Т. А. и др.) при реализации концепций извлечения, структуризации, формали зации знаний предлагается использование в качестве эксперта компьютерной системы, являющейся инструментальным средством синтеза межэлементных связей. Исследования процесса извлечения знаний в области АСУТП с исполь зованием компьютерных систем (Швецов А. Н., Котов С. С., Сорокин С. И., Че репанов А. В. и др.) акцентируются на применении известных программных сред (Agent Builder, Visual Prolog) для моделирования систем управления без ориентации на разработку и преобразование схем.

Для представления знаний и формализации П в исследуемой области пред лагается использовать гибридные модели, отражающие как процедурную, так и декларативную составляющие знаний. Методика извлечения знаний в области построения технического обеспечения АСУТП включает разработанные авто ром алгоритмы формирования и обобщения понятий;

извлечения и расширения знаний.

Алгоритм формирования обобщенного понятия базируется на подходе Гла дуна В. П., развитого Вагиным В. Н., использованного Филатовой Н. Н. и пре дусматривающим выделение в качестве определяющих понятий свойства объ ектов. Отличие алгоритма от существующих заключается в том, что: в качестве базовых выбираются свойства, определяющие возможность совместимости технических элементов (1), производится последовательное рассмотрение свойств, выделенных в количественных и порядковых шкалах, обобщаются ли нейно связанные свойства.

Алгоритм извлечения и расширения знаний использует в области проекти рования технического обеспечения подход Ньюэлла А. и Саймона Г. к опреде лению эмпирических методов и правил, выведенных на основе анализа решения проблем человеком в ходе построения программ для ЭВМ.

На этапах концептуализации и структуризации при применении алгоритма анализируется переход от языковых терминов к схемной документации:

Ex-Na-Sc ({Eа}{(Ei, Ei+1)}), Nai = Sim(Naj), Nai = Dif (Nak), (2) где: Ex – примеры схемных описаний, генерируемые программной системой, Nai, Naj, Nak – термины, используемые для кодирования основных понятий и отношений, Dif – операторы поиска различий, Sim – операторы поиска подо бия, {Eа} – множество типов абстрактных элементов, {(Ei, Ei+1)} – множество межэлементных связей на поле схемы.

Новизной подхода является рассмотрение примеров (2) на разных уровнях абстрагирования и детализации. Решаемые при диалоге с программной систе мой задачи формулируются в виде: «даны четыре формы представления описа ний технического обеспечения одной АСУТП: в чем различие описаний? Что одинакового в описаниях?»;

«дан набор схем технического обеспечения разных АСУТП, отыскать соответствие в схемных описаниях и соответствующих им технических реализациях». В ходе применения методики осуществляется нако пление информации об условиях выделенных задач, процессе их решения, тре буемых конкретных элементах. Апробация методики показала необходимость сочетания системного, приборного и параметрического уровней представления технического обеспечения в базе данных компьютерной системы.

При рассмотрении технического обеспечения на верхнем уровне абстракции классификация отношений (Поспелов Д. А.) расширяется в исследуемой облас ти композиционными отношениями («измерять», «регулировать», «получать энергоснабжение» и т.д.). Формирование композиционного отношения осуще ствляется как набор функциональных преобразований результатов входящих в него бинарных отношений. Пример композиционного отношения «измерять»:

R81 =R21 R51 R42(R43(xj)) R41(R24(R22(R91 R25(xj)))) где R – отношения: R81 – «измерять», R21 – часть – целое;

R25 – соответствия;

R22 – соединяться с;

R24 – настраиваться;

R41 – иметь свойство;

R43 – быть при чиной;

R42 – целевого назначения;

R51 – частичного порядка;

R91 – род – вид.

На примере исследования входящего в композицию отношения «соединять ся с» при изменении языка описания выявлено, что отношение меняет свойства:

Atr(Rф22) = {Аtr1, Аtr2}, Atr(Rп22) = {Аtr2, Аtr3}, Atr(Rф22) Atr(Rп22) = {Аtr2}, где: Atr(Rф22), Atr(Rп22) – свойства отношения «соединяться с» на функцио нальной и принципиальной схемах, Аtr1 - несимметричность, Аtr2 – нетранзи тивность, Аtr3 - симметричность.

Это свидетельствует о необходимости формализации перехода между сис темами отношений при преобразовании описаний функциональных схем в опи сания принципиальных схем технического обеспечения.

В третьей главе разрабатывается комплекс моделей технического обеспе чения АСУТП для реализации информационных массивов баз данных САПР.

В основу структуризации технического обеспечения закладывается иерар хия с использованием отношений «часть-целое» на уровнях: систем, подсистем, цепей, элементов и раскрытием каждого уровня на основе отношений «род вид», «иметь свойства», «иметь значения свойств». С использованием интерак тивных сред и экспертных методов выделены как сами иерархические уровни, так и рассматриваемые на них свойства. Для верхнего уровня описания наряду со свойствами, определяющими динамику функционирования системы управ ления, расширена группа системных свойств и введена группа свойств удобст ва проектирования, которая включает свойства, отражающие наличие инфор мации об особенностях наладки, эксплуатации и реинжиниринга элементов в составе системы. На верхнем уровне техническое обеспечение рассматривается:

S(Е) = EС, E = {EHW ESW ED(Сij )}, Сij = {Сi, Сj }, (3) где: E – набор элементов, С – набор связей, EHW – технические средства, ESW – программные модули, ED – модули проектного описания и технической доку ментации, Сij – набор связей между техническими элементами, Сi – связи ин формационные, Сj – связи энергетические (питания).

На втором уровне техническое обеспечение представляется:

Sui Rcv SubCSubI SubR SubDTSubPSSubD, где: Sui – техническое обеспечение системы управления на i-м участке, Rcv – от ношение включения, SubC, SubI, SubR, SubDT, SubPS, SubD – подсистемы: изме рения;

контроля, сигнализации и индикации;

регулирования и логического управления;

передачи данных;

энергопитания;

аварийной защиты.

При рассмотрении свойств подсистем выделяются:

Atr1:SubSu, Atr2j: (Еi Sub, ЕjSub) (ЕiSu, ЕjSu), i j, Atr3: Sub: FSUB= const, FSUB{F}, Atr4: Sub: I {I}, O {O}, Atr5 {Atr}, где: Е – элементы в смысле (3);

FSUB – функция подсистемы, определяемая ре шаемой задачей, {F} – множество функций, {I}, {O} – множества: входов, вы ходов подсистем;

Atr5 – динамические свойства (точность регулирования, быст родействие, устойчивость и др.).

Свойства Atr3 подсистемы наследуют свойства АСУТП. По свойствам Atr подсистемы отличаются друг от друга вариациями программно-технической реализации. Отклонение свойств Atr5 от заданных значений приводит к необ ходимости рассмотрения другого управляющего воздействия. Каждая функция подсистемы соответствует отдельному контуру и представляется совокупно стью цепей:

Suk Rcv Сh1 Сh2… Сhl, F{F}, F Со, Со Rcv Сh1 Сh2… Сhk, Сh = N, Ef,…, Ei,…, Ej, …, El, С1, С2, …, Cij,…, Сnl, Cl,Cij = (Еi, Еj), где: Сh – обозначение цепи, l число цепей i-й подсистемы, Со – контур, k – число цепей, обеспечивающих реализацию одной функции посредством обра зования контура, N – тип цепи, Ef – начальный элемент, Ei, Ej – промежуточные элементы, El – конечный элемент, Cij – межэлементная связь, Сl – замыкание в контуре (через объект, оператора, ЭВМ верхнего уровня).

Область значений для множества типов цепей включает цепи: измерения, управления, сигнализации, передачи данных, питания.

Свойства цепи в ходе структурного синтеза формально определяются:

AtrCh = {Name, AtrCh0, AtrCh1,…, AtrCh6}, AtrCh0: Сh ={Cha, Chd}, AtrCh1: Ch Rcv ЕТ1… ЕТk, AtrCh2: FCh Со, FCh = const, AtrCh3: FChi FChj, i j,AtrCh4: Сh I, O, I {I}, O {O}, AtrCh5: Ch = {Chac, Ch dc}, AtrCh6: Chac ={Chac1;

Chac3}, где: Name – имя цепи, Cha, Chd - цепи с аналоговым и дискретным информаци онными сигналами, k – число типов элементов в цепи, FCh - функция цепи, Етi – элементы из класса Тi, Chac, Ch dc - цепи переменного и постоянного тока, Chac1, Chac3 - однофазные и трехфазные цепи.

Свойства AtrCh0, AtrCh5, AtrCh6 задают виды сигналов в цепи. Выделяется три вида шкал для представления сигналов: количественная [МU] – единицы изме рения физической переменной на входе-выходе, количественная [МU1]+[МU2] – шкалы для представления составляющих дискретных релейных и импульс ных сигналов (напряжения и тока в цепи при замыкании и размыкании), каче ственная [QU] – для представления статической характеристики датчика или стандарта передачи сигнала, регламентирующего его физические характери стики (например – 50М, ХК, RS232 и др.). На основе предложенных шкал раз работана база данных технических средств автоматизации для САПР, исполь зуемая при автоматическом построении межэлементных связей, зарегистриро ванная в едином реестре баз данных РФ.

При формировании классов элементов по признаку функционального на значения с использованием известных алгоритмов построения иерархий на ос нове динамических ядер для построения технического обеспечения АСУТП ис пользуются элементы множеств: Cl1 -{измерительные преобразователи};

Cl2 {преобразователи измерительной информации в управляющий сигнал (регуля торы)};

Cl3 - {преобразователи управляющего сигнала в воздействие на объект (исполнительные устройства)};

Cl4-{элементы сигнализации и индикации};

Cl - {интерфейсные преобразователи и устройства передачи данных};

Cl6 - {линии связи и соединительные элементы (блоки зажимов и клеммники)};

Cl7 {источники питания};

Cl8 -{отключающие и элементы защиты};

Cl9 {электрорадиоэлементы}, Cl10 -{вычислительные устройства}, Cl11 – {неклас сифицированные}. Каждое из подмножеств универсума Cl1 - Cl10 является счет ным, что позволяет осуществлять построение базы данных САПР технического обеспечения АСУТП конечной размерности.

Построение модели элемента осуществляется при использовании подходов Хейеса Ф. и Квиллиана М. (рис. 1). Пример интерпретации отношения «род вид» для промышленного контроллера: Со1 (специализированный контрол лер), Со21 (Термодат), Со31 (Термодат12), Е11 (Термодат12/2P/1C/RS485). Вы деление свойств элементов (Atr) на нижних уровнях и соответствующего им числа концевых вершин графа осуществляется из условий совместимости эле ментов и анализа альтернативных вариантов технического обеспечения АСУТП при организации физических связей. При этом обеспечиваются минимум типа вершин дерева и минимум максимального удаления графа, соответствующего иерархии свойств.

Рис.1. Иерархическое представление понятия «элемент» Проверка ограничений на непосредственную совместимость структурных элементов при рассмотрении уровня технических элементов осуществляется на основе свойств входа-выхода: тип сигнала, значения тока и напряжения для пе редачи сигнала, конструктивная реализация соединения.

Примеры моделей элементов при построении модулей знаний в САПР при водятся для технических средств, используемых в большинстве систем управ ления: датчика температуры, промышленного малоканального контроллера, клеммного соединителя.

Модель датчика температуры для информационных массивов САПР вклю чает три пространства свойств: свойства для выбора датчика на основе требо ваний со стороны объекта, характеристики сигналов и адресация контактов на входах-выходах с указанием функции, свойства, применяемые для проведения сравнительного анализа альтернатив. Связь свойств проектируемого техниче ского обеспечения и свойств датчика находит отражение в аддитивном вхожде нии набора технико-экономических показателей (стоимость, надежность, мет рологические и динамические свойства, масса, энергопотребление и др.) в од нотипные показатели системы управления.

Промышленный контроллер является составляющей большинства цепей:

Мпк = Аtr, F, Alg, где: Аtr – теоретико-множественная (атрибутивная), F – функционально логическая, Alg – структурно-алгоритмическая составляющие модели.

В результате анализа свойств промышленных контроллеров они разделяют ся на группы: отражающие основные и дополнительные функции контроллера;

динамические;

описывающие входы и выходы контроллера;

экономические показатели;

определяющие особенности программирования;

энергопотребле ния;

надежности;

конструктивного исполнения;

метрологические;

характери зующие изготовителя контроллера. Вводятся новые группы свойств, характери зующие особенности эксплуатации (трудоемкость монтажа, изучения, длитель ность жизненного цикла и др.);

особенности настройки (связаны с возможно стью взаимодействия с оператором как с пульта оператора, так и с использова нием ЭВМ).

Учет всех свойств приводит к экспоненциальному нарастанию числа рас сматриваемых вариантов при выборе контроллера. Предлагаемая методика сни жения размерности пространства свойств позволяет значительно сократить чис ло учитываемых свойств на начальных стадиях проектирования. Методика включает: выбор функционального признака для выделения класса элементов, получение выборки, анализ свойств, применение методов главных компонент и факторного анализа для получения и дискриминации модели, отражающей связь новых признаков с исходными.

Подобный подход позволяет выделить доминирующие признаки при подбо ре и оценке элемента в выделенной по функциональному признаку группе тех нических средств. В процессе апробации методики на примере контроллеров для регулирования температуры на участках линии по производству пищевых рыбных продуктов для выборки из тридцати одного контроллера, характери зующихся двенадцатью исходными свойствами, осуществлен переход к при знаковому пространству из трех новых факторов, описывающих свыше 80 про центов разброса исходных признаков, представленных с использованием коли чественных шкал (рис.2).

Рис. 2. Расположение группировки контроллеров для регулирования температуры в новом признаковом пространстве На основе применения эквимаксных методов вращения матрицы для двух новых нормированных факторов при их представлении в виде аддитивного со четания исходных свойств получены значения коэффициентов kji:

Fj = kj1 Atr1пк1 + kj2 Atr2пк1 +…+ kjiAtriпкj.

где Atr1пк1, Atr2пк1 – нижняя и верхняя граница диапазона измеряемых темпера тур, Atr3пк9 – класс точности, Atr4пк4 – цена изготовителя, Atr5пк2, Atr6пк2 - число входов-выходов.

Для первого обобщенного фактора, позволяющего оценить свыше 50 про центов разброса исходных свойств k11 = 0.437;

k12 = 0.026;

k13 = 0.394;

k14 = 0.93;

k15 = 0.964;

k16 = 0.957. Это свидетельствует о том, что фактор F1, отражает комбинированное влияние стоимости и числа входов-выходов контроллера.

Предложенный подход позволяет осуществить визуализацию разброса вы бираемых технических средств в трехмерном пространстве новых факторов.

Использование его в сочетании с методом районирования обеспечивает по сравнению с существующими методами анализа технических структур при реа лизации координатного управления (Волик Б. Г.) снижение субъективности при оценке важности свойства. Кроме того, при построении моделей знаний в виде таксономий на основе результатов факторного анализа может быть сфор мирована обучающая выборка, применяемая для расчета коэффициентов дис криминантных функций.

Функционально-логическая составляющая модели контроллера является объектно-ориентированной, что выражается в преобразовании модели форми рования управляющих воздействий, сигналов сигнализации и индикации на языке программирования контроллера, обеспечивающего параметризацию функции или алгоритма преобразования. Составляющая с одной стороны опре деляется типом эталонной модели для расчета управляющих воздействий, реа лизуемой контроллером, с другой стороны – наличием встроенных алгоритмов преобразования информации в выбранной модификации контроллера.

Структурно-алгоритмическая модель контроллера используется на этапе анализа системных свойств при выборе составляющих технической структуры с использованием интерактивной среды и отражает последовательность пере хода из одного состояния в другое:

Alg Т: С0 Тi Сi, (4) где Т – набор операций, которые отражают смысл процедуры преобразования обобщенных функционально-логических модулей в программные модули в со ставе системы управления, С0 - С10 – состояния контроллера, i=1,…, 10 – номер операции и состояния, Т1, Т2 – установки типа выходов и типа входов, Т3 – выбор закона регулирования и/или способа формирования сигнала сигнализа ции, Т4 – установка сетевого адреса, Т5, Т6, Т7, Т8, Т9 – настройки: уставок, со ответствия «вход-выход», параметров закона преобразования «вход-выход», параметров модулей, дополнительных функций (таймер, разрешение, встроен ная память и др.), Т10 – перевод контроллера в рабочее состояние.

Операции группы Т1 - Т5 являются инвариантными к типу контроллера и предшествуют операциям из группы Т7 - Т9.

В составе клеммных соединителей выделяются: разъемные магистральные соединители без детализации линий связи, клеммные соединители с детализа цией линий связи, соединители, выполняющие дополнительные функции. Ха рактеристическими свойствами, отражаемыми в модели соединителей для ин формационных массивов БД САПР являются: входные/выходные сигналы, ко торые определяются свойствами элементов, входящих в состав цепи. Основное свойство соединителя, используемое в процедурах автоматического синтеза можно сформулировать следующим образом: соединитель предназначен для обеспечения конструктивной совместимости линий связи и технических уст ройств в любом сочетании при передаче сигналов в цепях системы управления.

Набор остальных свойств соединителя включает: наименование, тип техниче ского устройства, к которому присоединяется соединитель, число контактов со единителя, тип присоединяемых проводов, сечение присоединяемых проводов, характеристики сигналов, передаваемых через соединитель, поддержка резер вирования, категория пожаро- и взрывоопасности, габаритные размеры, стои мость, способ установки, характеристики надежности.

Разработанный комплекс моделей технического обеспечения АСУТП пред ставляет собой иерархическую организацию, используемую для построения метода автоматического синтеза межэлементных связей при разработке схем технического обеспечения. БД САПР. Созданная на основе предложенных мо делей база данных зарегистрирована в едином реестре БД РФ.

Четвертая глава посвящается выделению, представлению иерархии эври стик, используемых при создании схемных описаний технического обеспече ния, разработке методики автоматизированного проектирования технического обеспечения.

В ходе выделения и систематизации операций, выполняемых проектиров щиком при разработке задания на проектирование, набора схем, алгоритмов на стройки технического обеспечения выделяется набор эвристик, представленных в виде дедуктивной системы положений и утверждений. Положения отражают организацию информационных, энергетических и конструктивных связей ме жду элементами технического обеспечения при реализации заданных функций.

Утверждения устанавливают способы установления связей и сравнения вариан тов технического обеспечения на основе достижения требуемой степени дета лизации при разработке схемных описаний. Фрагмент системы в виде положе ний первого уровня:

…………….

Po3 :De {fi}, Subi Su fi, fi+1,…;

Po4: fi fi1 fi2 fij...fim, EjF Subi fij;

Po5: {EjF} {EkT}, Po6: ({AtrE} {AtrCon}) {AtrSu};

Po7: Del : Coij = (Еi, Еj);

Po8: Subi = {Coin}{Copo}{Cocons};

………,Po14: Еj = R21 (Еi), Еi, Еj : ОЕi = IЕj;

Atr(I Еi) Atr(ОЕj);

Po15: Еj = R22 (Еi), Еi, Еj : IЕj = U = IOj, IЕi IЕoj +,…….

где Роk – положение, De – требования к проектируемой системе и ее элемен там, {fi} – множество реализуемых функций, Subi – i-ая подсистема техническо го обеспечения системы Su, fij – функция j-го функционального элемента EjF в i-ой подсистеме, m – число элементов для реализации функции, {EkT} – множе ство технических элементов, {AtrE}, {AtrCon}, {AtrSu} – множества свойств эле ментов, контура, технического обеспечения системы, Coij – связь элементов Еi и Еj, {Coin},{Copo},{Cocons} – множества информационных, энергетических и кон структивных связей, Cl1in1, Cl2in1, Cl1 out1, Cl2 out1 – клеммы входов и выходов тех нических элементов, {AtrE} – множество свойств элементов, входящих в кон тур, I11, I12, I13 …, О11, О12 – набор входов-выходов элементов, Y, X – выход и вход элементов Еk, Atr(I Еi), Atr(ОЕj) – свойства входов-выходов элемента, R21, R22 – отношения установления информационной, энергетической связи, – отклонение сигнала, IЕi, IЕoj – уровни входного и выходного сигналов.

Основанная на выдвинутых положениях методика автоматизированного проектирования технического обеспечения включает восемь этапов, каждый из которых содержит набор неэлементарных шагов: декомпозиция системы управ ления;

конкретизация связей системы управления с окружающей средой;

разра ботка топологической структуры;

разработка модели технической структуры;

построение модели принципиальной схемы;

расчет технико-экономических по казателей;

формирование морфологической матрицы для поиска эффективного решения и его выбор;

ведение БД элементов и типовых решений САПР, кор ректировка типовых проектных решений.

Модель процесса построения схем технического обеспечения АСУТП с ис пользованием предложенной методики (этапы разработки модели технической структуры и построения модели принципиальной схемы) представляет собой граф с двумя типами вершин (рис. 3).

S1 Op {Ei (Atr)} Op S2 S Op S {Ruj} Op Op S4 S Рис. 3. Модель процесса построения схем технического обеспечения Вершины типа Sl соответствуют моделям технической структуры. Вершины типа Opk соответствуют операторам преобразования моделей Sl. Среди моде лей технической структуры выделяются классы: S0 – модель системы, постро енная по техническому заданию, S1 – модель базовой структуры, определяю щая порядок следования элементов и основные элементы, S2 – модель техниче ской структуры, соответствующая функциональной схеме в заданном элемент но-параметрическом базисе, S3 – модель, соответствующая принципиальной схеме, S4 – модель, соответствующая монтажной схеме (соединений), S5 – мо дель программной конфигурации технических средств для реализации функций в соответствии с моделями S1 – S 4.

Преобразование моделей базируется на наборах правил:

Ор = М, Alg, Ор0 Alg0 {Ru0}, Ор1 Alg1 {Ru1, Ru2}, Ор2 Alg2 {Ru3}, Ор3 Alg3 {Ru4}, Ор4 Alg4 {Ru5}, где: М – описание вектора признаков (Atr) рассматриваемой структуры и ее элементов {Ei(Atr)}, Alg – алгоритм преобразования структуры, использующий правила Ruj, Ru0 – правила формирования технического задания, Ru1 – пра вила проверки области поиска элементов, Ru2 – правила проверки ограниче ний, Ru3 – правила преобразования функциональной структуры в принципи альную схему, Ru4 – правила преобразования принципиальной в схему соеди нений, Ru5 – правила создания алгоритмической и программной конфигураций.

На основе анализа выборки из 240 учебных проектов по разработке систем управления температурой в различных технологических объектах выделено типов распространенных ошибок, которые можно разделить на два класса:

ошибки при разработке функциональной структуры с учетом элементно параметрического базиса и ошибки, связанные с разработкой принципиальных схем, соответствующих разработанной функциональной структуре. На началь ной стадии допускаются семантические ошибки, связанные с выходом за зону ограничений, определяемых совместимостью элементов и наличием у них не обходимых свойств.

Для диагностики семантических ошибок необходимым условием является наблюдаемость объекта проектирования и его элементов средствами автомати зированного проектирования:

Е{Atr},Atr*{Atr}, Pr{Pr}: { Atr 1,…, Atr m}, где Е – технический элемент, {Atr} – множество свойств элемента, Atr* – свой ство, обеспечивающее формирование связи на поле схемы, {Pr} – множество программ средств автоматизированного проектирования, применяемых при разработке, m – число наблюдаемых свойств в программном средстве автома тизированного проектирования Pr.

Для исправления допущенных ошибок необходимо выполнение условия управляемости объекта проектирования:

Е{Atr},Atr*{Atr}, Pr{Pr} Alg{Alg}: Atri* Atri+1*, где Alg – алгоритм изменения значений свойства элемента Atri* в значение Atri+1* с применением программных средств Pr.

Первый шаг диагностики заключается в проверке обязательного вхождения элемента в состав системы S и осуществляется на уровне функциональной структуры, разрабатываемой при декомпозиции функционального назначения:

S = {E1, E2,…, Ei,,…, Ek} {(E1, E2),…, (Ei, Ej)}, S Ei TD, где Ei – элемент, (Ei, Ej) – межэлементная связь i-го и j-го элементов, TD – класс элементов в универсуме технических средств автоматизации для реали зации определенной функции.

Проводные межэлементные связи в ходе диагностики при их иерархиче ской декомпозиции в базе знаний предлагается представлять:

(Ei, Ej) = Number, Ch, Signal, (O(Ei), I(Ej)), где: Number – индивидуальный номер, Ch – фиксация принадлежности связи цепи (определенному контуру функциональной структуры), Signal – вид пере даваемого сигнала, O(Ei), I(Ej) – диапазоны изменения сигналов выходов и вхо дов технических элементов Ei и Ej.

Завершением начальной диагностики семантических ошибок является фик сация принадлежности выбранного из базы данных элемента определенным контуру и цепи, а затем проверка возможности вхождения элемента в данный контур, данную цепь. На втором шаге диагностики семантической ошибки оп ределяется вид входных и выходных сигналов для аргументов и значений функций преобразования технических элементов при сравнении шкал и диапа зонов изменения сигналов в данных шкалах. Третий шаг диагностики заключа ется в проверке адресов контактов при декомпозиции элемента на соответст вие им сигналов в определенных шкалах, задаваемых видом сигнала в цепи.

В качестве целевой функции в задаче анализа и синтеза технической струк туры системы управления выбирается полином второго порядка, аргументами которого являются приведенные затраты на систему управления по базовым стадиям жизненного цикла системы:

d n m kx, xi = xil + xij, (5) E= ii i =1 l =1 j= где: Е – целевая функция, ki – коэффициент, отражающий важность рассмотре ния i-й стадии жизненного цикла, xi – приведенные затраты на систему управ ления на i-й стадии, xil – приведенные затраты на элементы l-го типа, n – число элементов, xlj – приведенные затраты на связи j-го типа, m – число связей, d – число учитываемых стадий.

В качестве цели управления процессом проектирования технической структуры АСУТП выделяется получение экстремума целевой функции. Выбор начальной точки поиска осуществляется на основе типового решения, пред почтений проектировщика и пожеланий заказчика. Управление рассматривает ся как сочетание структурного и параметрического управлений. Это проявляет ся в том, что производится изменение параметров выбранного комплекса тех нических средств (например, модификаций приборного ряда) и связей между ними, а затем при изменении комплекса технических средств возможны ва риации технической и алгоритмической структур системы управления.

Методика анализа чувствительности целевой функции (5) при выборе эф фективного решения к вариациям технической структуры включает три стадии.

На первой осуществляется решение задачи безусловной оптимизации для на хождения теоретически достижимого решения. На второй стадии осуществля ется синтез вариантов технической реализации, разработка схем технического обеспечения и на их основе расчет значений (5) для всех вариантов. Решение задачи условной минимизации проводится на третьей стадии при изменении набора ограничений. В случае нечувствительности целевой функции при вне сении параметрического управления на подмножестве множества допустимых решений вводится изменение технической структуры.

На второй и третьей стадиях анализа возникает необходимость решения NP полных задач на множестве дискретных переменных. Требования минимизации числа ограничений заставляют выбрать в качестве обязательно рассматривае мых ограничения на совместимость структурных элементов при их техниче ской реализации. В качестве ограничений учитываются: динамические свойства создаваемой системы, число рассматриваемых вариантов и число технических средств разных изготовителей. Дополнительными ограничениями в задаче вы бора технических средств являются: возможность реализации требуемой мате матической и топологической структур проектируемой системы, наличие необ ходимых свойств сигналов входов-выходов для подключения других устройств, входящих в состав системы, свойства, выражающиеся в числе иерархических связей программных модулей и числе настраиваемых в них параметров при реализации требуемой функционально-логической моделью конфигурации уст ройства в составе проектируемой системы с учетом используемого программ ного обеспечения.

Пятая глава посвящена выделению и формализации эвристик, исполь зуемых при построении функциональной структуры АСУТП в частично задан ном элементно-параметрическом базисе, разработке алгоритмов преобразова ния функциональных схем в описания принципиальных схем.

При построении формальной системы для разработки функциональных схем технического обеспечения вводятся ограничения: элемент имеет сколь угодно много входов и выходов;

между входом и выходом элемента нет одно значного соответствия;

функционирование элемента осуществляется без внеш них источников энергии (питания). Алфавит формальной системы включает элементы четырех типов, содержащих: контур в виде прямоугольника, цифры от 0 до 9, стрелки и обозначения входов-выходов над ними. Данный алфавит ориентирован на схемотехническую реализацию технического обеспечения на приборном уровне (в отличии от алфавита, используемого при схемотехниче ском построении самих приборов (Казанцев Ю.М.)) и отличается от алфавита функциональных схем автоматизации (Клюев А.С.) наличием обозначений входов-выходов (I, O). Первый класс аксиом формальной системы позволяет осуществлять построение схем технического обеспечения, второй класс аксиом определяет элементы для построения схем на высоком уровне абстракции, учи тывающем функциональное назначение системы и ее элементов Процедуры синтеза межэлементных связей основаны на положениях:

- каждому элементу устанавливается в соответствие технический элемент, задающий значения для переменных I, O и правила их преобразования;

- реализация отношений соединения обеспечивается передачей физических сигналов между входами и выходами, соответствующими переменным I, O;

- при передаче электрического информационного сигнала между входами и выходами необходимо соответствие физических разъемов и логических прото колов передачи;

- значения переменных I и О соединяемых элементов должны представлять ся в одной шкале, определенной видом сигнала в цепи, - для соединяемых элементов правила соответствия значений I и О, изме ренных в количественных шкалах, определяются типом цепи.

Система правил, предназначенная для построения функциональных схем включает правила: общие;

описания технического обеспечения по заданию;

синтеза межэлементных связей с учетом типа цепи и вида сигналов в ней (включают правила проверки ограничений на информационную и конструктив ную совместимость элементов), поиска элементов в БД. Дополнительные клас сы правил связаны с объединением элементов при наличии у них свойства мно гоканальности и установкой клеммных соединителей.

Каждая межэлементная связь (Ei, Ej) при формализации операций ее по строения представляется в виде логической функции:

(Ei, Ej) = (yi 1 yi 2 yi 3… yi n) (xj 1 xj 2 xj 3… xj m), где xj m – m-ый входной сигнал j-ого элемента, yi n – n-ый входной сигнал i-ого элемента.

Правила поиска промежуточных элементов при запрете на установление связи (Ei, Ej) определяются видом цепи и свойствами элемента:

If Ei Chs, Ej Chs, than Ej-1 Chs.

Конкретизация отношений, отражающих установление и детализацию ме жэлементных связей, в нотации Бэкуса-Наура представляется:

S {E} {C}, C (Еi, Еj),{E} { Е1, Е2, …, Еi,…, Еn}, Еi NAMEi,{C} {C1, C2, C3,…}, Cj NAMCj, NAME: {Atr1, Atr2,…, Atrm}, Atri IEl, IEi Ii, Ii V1 V2 …. Vn, Atrj OEl, OEi Oi, Oi W1 W2 … Wn, С {(Oi1 RcIj1), (Oi1 RcIj1),…}, где: {Е}, {С} – множества элементов и межэлементных связей, Еi, Еj – элемен ты системы, NAMEi, NAMCj – имена элемента и связи, Vi – вид сигнала для вхо да Ii элемента Еi, Wi – вид сигнала для выхода Oi элемента Еi, Atr – свойства элементов, Rc – отношение соединения.

Задание доменов атрибутам входов и выходов приводит к выражениям:

V1j: SCALE 1j = {V11j,V12 j,…,V1rj}, V2j SCALE 2j = {V21j,V22 j,…,V2pj}, SCALE 3j = {V31j,V32 j,…,V3lj}, SCALE3k V3[ Vmin, Vmax], SCALEi [MU], W1j SCALE 1j = {W11j,W12 j,…,W1rj}, W2j SCALE 2j = {W21j,W22 j,…,W2pj}, SCALE 3j = {W31j,W32 j,…,W3lj}, SCALE3k W3[ Wmin, Wmax], где SCALEi – шкала для представления сигнала на соответствующем входе или выходе, MU – единицы измерения в данной шкале.

Правило вывода для процедур автоматического синтеза связей в частично заданном элементно-параметрическом базисе представляется:

(Еi, Еj): Oi {AtrEi}, Ij {AtrEj},Oi Wi, IjVj, WiRHVj (Oi Rc Ij) FALSE(Еi,Еj) ((Еi, Еr), (Еr, Еj)), (6) где RН – отношение несоответствия, отражающее непосредственную несовмес тимость технических элементов, Еr – дополнительный элемент, устанавливае мый в разрыве связи для обеспечения совместимости соединяемых элементов.

Формализация проверки RН проводится на основе решения системы логиче ских уравнений, устанавливающих истинность конъюнкции дизъюнктов сигна лов на входах-выходах соединяемых элементов. В случае ложности логических выражений (6) элементы Еr подбираются по формализованным правилам, соот ветствующим типу цепи и виду сигналов в ней. Детализация модели элемента осуществляется до рассмотрения конструктивных свойств:

FE ={ F1, F2, …,Fl,…, Fv}, Fl Oli = G (Ilj), C: [MU(Oi)]= [MU(Ij)], Ei Rcv So1 So2…Sok, Soi Rcv Cli1 Cli2…Clij …Clin, So = NameSo, AtrSo, NameSo ={XS1, XR1, X1, …., XSN, XRN,XN}, где FЕ – множество функций элемента, v – число функций, G – оператор пре образования входов в выходы элемента, Soi – разъем, i = 1,…, k, k – число разъемов элемента, Clij – j-й контакт i-ого разъема, n – число контактов, AtrSo – свойства разъема.

Представление входов и выходов элементов, используемое для разработки алгоритмической и программной реализаций процедур автоматического синте за цепей функциональных схем:

Oi j=1mClj, Ij k=1mClk, Cl = Sign, NameSo, Num, AtrCl, Сh = Cha AtrCl = (DUDI), Сh = Chd AtrCl = (DUDI), С =CОС AtrCl = D[MU], где: СОС - взаимосвязь системы с окружающей средой на границе раздела, Sign – обозначение элемента с именем «Name» на схеме, соответствующее классу таксономии, к которому относится элемент, DU, DI – интервал, определяющий границы изменения сигналов на входах –выходах в шкалах [МU1], [МU2].

При переходе с уровня элементов на уровень контактов цепь получает свой ство четности числа контактов q, входящих в ее состав:

Ch: Cli=q, q = 2n, n = 1, 2, …, N.

В ходе исследований в рассмотрение было принято три вида сигналов: ана логовые, дискретные релейные, дискретные импульсные, и три вида цепей: из мерительные, управляющие, сигнализации.

Для измерительных цепей с аналоговым потенциальным сигналом посто янного тока правило поиска промежуточного элемента (6) конкретизируется:

Ch {Сh1}, Sig = IDCU;

(Е1, Е2): (YFE1= XFE2) (DU1 = DU2) (DI1 DI2 ), (7) где: YFE1, XFE – значение и аргумент функций соединяемых элементов, {Сh1} – множество измерительных цепей, Е1, Е2 – источник и приемник сигнала, IDC – сигнал постоянного тока, DU1, DU2 –интервал изменения напряжения постоян ного тока для выхода первого и входа второго элементов, DI1, DI2 – интервал изменения постоянного тока для выхода первого и входа второго элементов.

Если конъюнкт (7) ложный, то:

(Е1, Е2) {(Е1, Е3) (Е3, Е2)}, Е1 Е3 Е2, Sig (Е1, Е3) Sig (Е3, Е2), где Sig (Е1, Е3), Sig (Е3, Е2) – передаваемые сигналы.

Для измерительных цепей с дискретным релейным сигналом правило по строения межэлементной связи (6) имеет вид:

Ch {Сh1}, Sig = IDC;

(Е1, Е2) {(Е11, Е21) (Е12, ЕPSI2) (ЕPSI1, Е22)} ;

(Е1, Е2): (YFE1= XFE2)(DU2 DU1)(DI2 DI1)(DPSU=DU2)(DI2DPSI), (8) где DU2, DU1 –интервал изменения напряжения на входе приемника и выходе источника сигнала, DI2, DI1 – интервал изменения тока на входе приемника и выходе источника сигнала, DPSU – напряжение источника питания для получе ния измерительного сигнала, DPSI – ток источника, Е11, Е12, Е21, Е22, ЕPSI1, ЕPSI2 – физические связи, получаемые в ходе декомпозиции соединения.

Алгоритм построения межэлементных связей на основе формальной систе мы и правил типа (6)-(8) в отличии от известных (Цвиркун А. Д., Целищев Е.

С., Салин А.Г.) предусматривает перевод функций в функциональную структу ру в частично заданном базисе и декомпозицию связей при агрегировании эле ментов, необходимую для представления принципиальной схемы.

Алгоритм преобразования функциональной схемы технического обеспече ния АСУТП в принципиальную электрическую включает построение и детали зацию модели схемы в виде орграфа, выполняемые на основе: проверки согла сования формы, мощности и вида передаваемого сигнала для каждого соедине ния контактов, учета условий конструктивной совместимости и введения в со став системы клеммников;

подбора элементов для подачи энергии, выделении входов и выходов для обмена энергией, проверки энергетической совместимо сти входов-выходов, добавление и детализацию связей питания. Пример пре образования рассматривается для фрагмента функциональной схемы техниче ского обеспечения системы управления температурой орошающей воды на уча стке дефростации линии по производству малосоленых продуктов (рис.4).

а) 3a 3б 3 3с б) 3a 3б 3 3с 3д в) 3с 3 3с’ 3a 3д’ 3б 3a’ 3д г) Рис. 4. Преобразование моделей схем технического обеспечения АСУТП Функциональная структура включает: ИП – измерительные преобразовате ли, РП – промышленный контроллер, ИУ – исполнительное устройство (рис.

4а). Трансформация функциональной схемы в принципиальную производится детализацией связей соответствующего ей орграфа (рис.4б), добавлением в граф вершин, соответствующих обеспечению потребностей элементов системы в энергии (рис. 4в) и добавлением вершин, соответствующих техническим уст ройствам для обеспечения конструктивной совместимости (рис. 4г). В качестве элементно-параметрического базиса в примере использован регулятор БК1-П 01-14 комплекса «Контраст 300» (РП) (соответствует вершине 3), исполнитель ный механизм МЭО40 (ИУ) (соответствует вершине 4), термоэлектрические преобразователи ТХК 9414 (ИП1, ИП2) (соответствуют вершинам 1, 2). В ходе синтеза схемных описаний технического обеспечения на основе продукций (6), (7) и (8) происходит установка дополнительных элементов (нормирующих пре образователей, соответствующих вершинам 3а, 3б графа, усилителя выходного сигнала, соответствующего вершине 3с). Вершина 5 графа соответствует ис точнику питания.

Исследования операций преобразования схемных описаний позволили сформулировать и доказать теорему: нуль-граф, вершины которого соответст вуют вершинам таксономии элементов, является инвариантом для всех моделей технической структуры АСУТП. Действительно: если M0-M5 – модели техни ческого обеспечения, отражающие его структуру (рис. 3), то {1, 2, 3, 4}M0, {1, 2, 3, 4}M1, {1, 2, 3, 4}M2, {1, 2, 3, 4}M3, {1, 2, 3, 4}M4, {1, 2, 3, 4}M5, т.е. Mi: {1, 2, 3, 4}=const, i= 0, 1,…,5.

При необходимости установки клеммного соединителя для конструктивной совместимости происходит его добавление в перечень элементов, при этом свойства соединителя наследуют свойства клемм разъема соединяемого эле мента и осуществляется учет вида сигнала в цепи.

Рассмотрение предложенных правил показывает, что они применимы в слу чае биекции соответствия множеств входов и выходов. В случае использования технических средств с универсальным входом нарушается инъективность со ответствия. Восстановление инъективности производится посредством приме нения процедур настройки программно-технического средства на определен ный тип входного сигнала в соответствии с шагами, определенными (4).

Шестая глава посвящена планированию, проведению и анализу результа тов экспериментальных исследований, направленных на апробацию и опреде ление степени достоверности предложенных моделей и методов.

Для проведения исследований разрабатывается архитектура и программная реализация составляющих специализированного компьютерного комплекса (СКК), обеспечивающего интеллектуализацию и автоматизацию задач по строения описаний межэлементных связей при разработке функциональных и принципиальных схем подсистем технического обеспечения АСУТП. Результа ты автоматического синтеза многообразия вариантов технической реализации сопоставляются с экспертными решениями. СКК является иерархической сис темой, рассматриваемой на нескольких уровнях.

Уровень формирования описаний технического обеспечения содержит ре дакторы для автоматизированного составления технических заданий, чертежей и схем, правил проверки совместимости технических элементов и их поиска в базе данных, а также модули для автоматической генерации схемных решений и проверки схемных описаний.

Уровень баз данных содержит базы: технических заданий на проектирова ние, типовых проектных решений, структурных схем подсистем технического обеспечения, технических элементов, правил логического вывода.

Уровень подсистем для оценки сложностей технической реализации вклю чает три типа программных средств: для подбора вариантов и оценки сложно стей при монтаже технического обеспечения АСУТП и прокладке кабельных трасс (с интерфейсом в виде 2D изображения монтажного пространства и реа листичных изображений технических средств), для выбора отдельных техни ческих средств и схем подключения внешних устройств к ним (с интерфейсом в виде изображения технических средств на принципиальной схеме и упрощен ного изображения подключаемых к ним внешних устройств), для оценки сложности процедур программирования технических средств с использованием модели (4) для работы в составе технического обеспечения (с интерфейсом в виде изображения клавиатуры и панели индикации, применяемых для настрой ки и программирования технического средства).

Новизна предлагаемого подхода при использовании СКК состоит в провер ке соответствия требованиям заказчика (технического задания) области рабо чих вариантов, отражающих многообразие автоматически полученных вариан тов технической реализации межэлементных связей, отвечающих ограничениям на совместимость структурных элементов.

Программная реализация предложенных моделей, обеспечивающих интел лектуализацию и автоматизацию задач синтеза межэлементных связей выпол няется на языке С++ с использованием методов объектно-ориентированного программирования, библиотеки стандартных шаблонов STL. Созданный ком плекс сочетает в себе функции клиентской части системы управления реляци онной базой данных, графического редактора структурных схем и клиентскую и серверную части реализации алгоритмов автоматического синтеза описаний функциональных и принципиальных схем.

Программная реализация имеет три модификации. Первая – для автомати зации и интеллектуализации прикладных задач создания схемных описаний технического обеспечения АСУТП, вторая – для автоматизации создания вари антов заданий и проверки решений. Последняя модификация является элемен том технологии извлечения знаний для построения моделей технического обес печения АСУТП. Работа СКК происходит в диалоговом режиме, точками ветв ления которого являются: задание элементно-параметрического базиса, выбор варианта функциональной схемы из автоматически сгенерированного многооб разия, сохранение результатов.

Экспериментальные исследования проводились по тридцати четырем вари антам элементно-параметрического базиса для семи видов обобщенных функ циональных структур технического обеспечения. В ходе экспериментальных исследований в 100 % случаях компьютерная система за конечное время уста навливала соединения между заданными элементами и осуществляла выбор необходимых согласующих элементов из базы данных для организации межэ лементных связей. Все полученные варианты при экспертной оценке отмечены как правильные и соответствующие проектным решениям, разработанным в ходе выполнения реальных проектов. Набор полученных вариантов является основой для построения И/ИЛИ дерева (А-графа) и позволяет осуществить по становку и решение задачи выбора эффективного варианта.

Новизной при оценке вариантов схемных решений является использование программных средств второго и третьего типа, позволяющих моделировать ус тановку связей в рамках монтажно-коммутационного пространства с использо ванием заданного базиса и операции программирования технических средств.