Структурный синтез самоконтролируемых автоматов управления технологическими процессами

Автоматизация технологических процессов и производств в различных отраслях народного хозяйства, в том числе электронной, радиотехнической промышленности и предприятиях железнодорожного транспорта, связана с внедрением информационных технологий и информационно-управляющих систем. Реализация автоматизированных систем осуществляется на базе микропроцессорных средств и современных контроллеров, больших интегральных схем (БИС) памяти, программируемых логических матриц (ПЛМ), специализированных интерфейсов и автоматов управления Г1А13,16,18,23,34,73,139,149J 53,154,166,189,206].

Информационно-управляющие системы в каждой из служб железной дороги, например, работают на основе оперативной информации, получаемой через системы приема и передачи цифровой информации. Повышение скорости и достоверности передачи информации достигается за счет автоматизации технологических процессов передачи, архивирования и обработки информации. В еще большей мере подвержены модификации средства сигнализации, централизации и блокировки при внедрении системы электрической централизации, опознавания номеров вагонов (системы класса САЙД), дистанционного измерения нагрева букс (системы ДИСК, КТСМ), автоматизированных систем управления энергоснабжением и теплоснабжением [10,171]. В перечисленных системах автоматизации управления технологическими процессами с целью обеспечения безопасности движения поездов широко используются операционные устройства на базе контроллеров и цифровые автоматы управления. Микропроцессорные системы автоматизации технологического процесса приема и обработки информации для работы в реальном масштабе времени требуют реализации алгоритмов управления программными и микропрограммными автоматами. Системы проектирования для автоматов управления развивались, как правило, на элементной базе средней интеграции. Некоторые зарубежные системы проектирования (фирмы Altera, Xilinx и др.) созданы и для автоматов на базе сверхбольших интегральных схем (СБИС). Несмотря на кажущуюся всестороннюю проработку вопросов автоматизации проектирования автоматов на СБИС, как правило, они ориентированы на классические структуры автоматов, такие же, как и для элементной базы средней интеграции. Автоматизация развивалась в основном в направлении моделирования временных диаграмм, минимизации комбинационных схем и создании специальной графики, обеспечивающей отображение информации. Для БИС и СБИС вопросы структурного проектирования автоматов управления в реальном масштабе времени требуют поиска новых структурных решений в организации как самих автоматов, так и систем встроенного контроля. При переводе систем автоматики, телемеханики и телекоммуникаций на новую интегральную элементную базу особенно актуальными становятся проблемы анализа и структурного проектирования информационно-управляющих систем, а также встроенных систем контроля и диагностики.

Область применения информационно-управляющих систем (ИУС), как и сфера применения вычислительной техники, практически неограниченна. Это системы управления приемом и передачей информации, автоматы кодирования и декодирования сигналовконтроллеры, осуществляющие протоколы обмена информацией в цифровых сетях передачи данныхмногопрограммные системы управления интерфейсами и вычислительными блокамисистемы управления исполнительными механизмамисистемы для диагностики оборудованиясистемы обработки в измерительных устройствахсистемы контроля и проверки состояния аппаратуры управления движением транспортасистемы управления кондиционированием воздухаподсистемами метрополитена и др.

В информационно-управляющей системе микропроцессор (МП) -это типовой блок системы, наряду с которым в системе имеются постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), элементы логики, функциональные преобразователи сигналов, устройства распределения информации (коммутаторы, мультиплексоры и др.). При проектировании ИУС неясно обычно, какие элементы, кроме оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), ПЗУ и микропроцессоров, должны обеспечить функционирование всей информационно-управляющей системы, сколько таких элементов, сколько шин передачи сигналов (шина адреса, управляющая, информационная или вообще одна общая шина для всех видов сигналов) и как они должны быть организованы в систему вместе с шинами. Решение этих вопросов возможно на базе системного подхода.

Системный подход применительно к проектированию на микропроцессорном базисе реализуется при двух способах организации системы управления:

• при организации управления МП и ОЗУ от единого микропрограммного автомата (МПА) с привязкой к датчикам через аналого-цифровые преобразователи;

• при распределенном управлении всей системой.

Распределенный характер управления предполагает разделение функций обработки, коммутации сигналов, использование различных типов функционального преобразования и т. п. В каждой из подсистем требуется организация блоков логического преобразования сигналов, локальных микропрограммных автоматов, блоков запоминания информации и др. Причем при «оптимальном» варианте структурной организации ИУС функции управляющей части каждой из подсистем окажутся несложными, однако вся система в целом будет представлять конструкцию, степень сложности которой соответствует заданной задаче управления.

В настоящее время широко используется принцип модульного конструирования ИУС из типовых БИС, СБИС, микропроцессоров, интерфейсов и контроллеров. Единственная подсистема, которая связывает все эти интегральные узлы и блоки в систему, является подсистема управления. Автоматы обеспечивают правильное функционирование информационноуправляющей системы во времени при реализации алгоритмов переработки информации. Обеспечение безотказности и высокой степени готовности ИУС требуют решения вопросов оптимизации структурной организации автоматов и устройств встроенного контроля.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы

диссертации.

Решение вопросов структурного проектирования управляющих устройств автоматизированных систем относится к актуальным задачам не только в научно-методическом плане, но и в практическом плане для построения надежных информационно-управляющих систем, обеспечивающих высокий уровень безопасности и соответствующий уровень эффективности управления процессами в промышленных технологиях.

Теория проектирования и контроля работоспособности автоматов развивалась главным образом применительно к микропрограммным автоматам (МПА) для управления вычислительным процессом ЭВМ или процессом обработки информации в машинных комплексах.

Для таких МПА одними из важнейших задач являются: 1. комплексирование десятков и даже сотен микрокоманд по условию совместимости;

2. выбор типа структурной организации автомата по принципу горизонтального, вертикального или смешанного типа кодирования;

3. распределение полей адресности;

4. определение оптимального числа регистров и мультиплексоров;

5. минимизация булевых функций вложимых в ПЛМ;

6. поиск организации структуры автомата с минимальным временным циклом.

Эти задачи достаточно глубоко исследованы и практически решены для ЭВМ и вычислительных комплексов. Основополагающие положения опубликованы в работах [5, 27, 36, 38, 39, 43, 45, 50, 52, 67, 132, 187, 190].

Для специальной техники [55, 59, 109, 160, 198, 207] и для автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) [1, 16, 41, 60, 149, 189, 206] автоматы управления, хотя и относятся к классу микропрограммных автоматов, но имеют столь существенную специфику, что в принципе их можно рассматривать как особый класс управляющих автоматов.

Постановка задачи исследований.

Специфика средств автоматики для управления АСУ ТП определяется следующими особенностями:

• управление в реальном масштабе времени, что не оставляет возможности для многократного просчета и промежуточного тестирования в «перерывах» между просчетами;

• непрерывный характер работы во времени и длительный срок службы;

• сложные климатические, динамические и электромагнитные условия работы, обуславливающие высокие требования к надежности;

• высокие требования к коэффициенту готовности и функциональной отказоустойчивости определяют необходимость встроенных систем оперативного контроля и диагностики неисправностей;

• требования к обеспечению безопасности системы, определяющей отсутствие опасного воздействия на объект управления при возникновении неисправностей в элементах структуры.

Появление в элементной базе БИС и СБИС с одновременным использованием существовавшего ранее базиса средней интеграции позволяет решать более сложные задачи автоматизации, в которых наряду с основными функциями управления присутствуют функции автоматического контроля, сервисные операции и др. В этом случае в алгоритме управления не только увеличивается число операторов действия, но и резко растет число логических условий. Если в 1960; 1980 гг. рассматривались автоматы с 10−15 состояниями и 4 -6 логическими условиями [ I 6,1 7,36, 54, 64, 72, 170], то в настоящее время в алгоритмах управления технологическими процессами содержится, как правило, 12 -18 логических условий при числе состояний > 32. Это приводит к необходимости применять ПЗУ с объемом памяти до одного мегабита или ИЛМ большого объема при классических структурах. По применение сложных БИС связано с высокими экономическими и энергетическими затратами, снижением надежности и возможностями контроля в действии. Упрощение структурной организации автомата за счет минимизации булевых функций или переход от одной ПЛМ к каскад} малых ПЛМ не всегда возможны или неэффективны при большом числе переменных [5, 28, 36, 44]. Эти аспекты заставляют использовать другие критерии оптимизации, а также ставить и решать новые задачи структурного синтеза автоматов. Для АСУ ТП методы синтеза автоматов управления должны быть ориентированы на создание таких структурных организаций, в которых обеспечение надежности и безотказности решается за счет включения ограниченного числа элементов, сложность и количество которых значительно меньше общих затрат на автомат управления. Однако сегодня в технике наблюдается другая тенденция. Стремясь к полной диагностируемое&trade-, разрабатываются средства контроля по сложности, иногда превосходящие сам объект контроля. В этом случае неизбежно возникает проблема «кто будет сторожить сторожей?». При принятии решений о выборе той или иной структурной организации автомата управления для АСУ ТП предпочтение необходимо отдать тому варианту, в котором задача управления реализуется на более простых БИС. Переход к реализации на СБИС для АСУ ТП может оказаться неприемлемым, т. к. при этом, несмотря на снижение числа корпусов БИС, увеличивается энергопотребление и снижается надежность управления за счет ненадежности СБИС в экстремальных условиях.

Рассматривая задачи структурной организации систем управления технологическими процессами в той же последовательности, что и для МП А, можно сделать следующие заключения:

1. для автоматов управления технологическими процессами чаще всего речь идет не о совместной реализации многих алгоритмов, называемых микропрограммами, а о реализации одного-двух сложных алгоритмов управления единого технологического цикла [1, 16, 23, 189, 206];

2. горизонтальность или вертикальность кодирования микрокоманд не рассматривается, т.к. тип кода в памяти автоматов определяется требованиями контролепригодности [31, 91, 119, 131];

3. распределение полей адресности является малосущественным аспектом оптимизации [59, 61, 149];

4. минимизация булевых функций на уровне структурного проектирования не является определяющей, т.к. структурная организация сводится к использованию малого числа типовых БИС [9, 40, 42, 136, 139];

5. временной цикл выполнения алгоритма не всегда может быть минимизирован, т.к. он не может быть ускорен или замедлен, а определяется технологической схемой процесса [1, 20, 42, 149, 189, 191].

Список публикаций по «проблемно-ориентированному» проектированию автоматов для АСУ ТП ограничен [1, 13, 15, 16, 20, 61, 68, 149, 189, 206]. Структурная оптимизация автоматов управления АСУ ТП с учетом определенной выше специфики становится самостоятельной задачей и является на сегодня актуальной в научном и практическом плане, несмотря на развитие и применение типовых решений современной микропроцессорной техники.

Целью исследований являются разработки:

• методик структурного синтеза автоматов управления технологическими процессами;

• методов динамического контроля автоматов управления;

• методов проектирования автоматов управления неординарными коммутаторами технических средств АСУ ТП.

Методы исследования базируются на теории графов, теории автоматов, положений технической диагностики и системного анализа. В работе сочетаются как формальные, так и содержательные подходы. В исследовательском и практическом плане задача заключалась:

• в научном анализе современных методов проектирования автоматов управления по заданным схемам алгоритмов;

• в поиске рациональных способов структурной организации автоматов, допускающих применение БИС меньшей сложности (с малым энергопотреблением и более высоким уровнем надежности);

• в построении необходимых для внедрения в промышленности надежных самоконтролируемых устройств управления технологическими процессами, стендами контроля и информационно-измерительными системами АСУ ТП.

Научная новизна работы определяется следующими положениями.

— дан системный анализ организации и методов структурного синтеза автоматов для АСУ ТП на основе исследования основных публикаций;

— исследованы методы структурного синтеза автоматов АСУ ТП, основанные на декомпозиции алгоритма управления с последующим объединением логических условий;

— по результатам исследования предложена методика динамического контроля автоматов управления, основанная на специальном кодировании памяти автомата и использовании типовых аппаратных средств регистрации ошибки;

— предложен метод синтеза автоматов для алгоритмов управления АСУ ТП с несколькими последовательностями операторов, основанный на использовании взаимодействия двух автоматов с динамическим контролем по функциям переходов и функциям реберного покрытия графов переходов;

— предложена методика проектирования управления неординарными многозвенными коммутаторами, основанная на системном анализе структурной организации коммутатора.

Практическая значимость полученных результатов заключается в создании нового подхода для анализа и структурного синтеза автоматов управления АСУ ТП и специальными системами новой техники.

Результаты внедрения. Перечисленные структуры внедрены в практические системы управления дискретным приводом, системы технологического контроля параметров БИС ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием, в системы опознавания образов на фотоматрицах, в системы производственного контроля параметров радиотехнических изделий. Основной эффект от выполненной работы заключается в создании нового подхода для анализа и синтеза автоматов управления технологическими процессами и специальными системами новой техники.

Связь работы с научными программами, темами.

Тема диссертации связана с планом хоздоговорных работ кафедр «Автоматизации технологических процессов и производств» ВосточноСибирского технологического института (1980 -1990) и «Микропроцессорной техники и информационных систем» (1994 — 2003) Иркутского института железнодорожного транспорта, с 2002 г. -Иркутского государственного университета путей сообщения. Исследования проводились по заказам ведущих НИИ и промышленных организаций России: НПО «Восток», НПО «Союз», НПО «Алтай», Улан — Удэнского приборостроительного объединения, Восточно — Сибирской железной дороги и некоторых других организаций. Большинство НИР выполнялось по координационным планам Академии наук или в соответствии с целевыми комплексными программами «Микропроцессоры и микроЭВМ», «Датчик», «Системы автоматизации проектирования», специальным постановлениям Совета Министров СССР (Комплексная программа ГКНТ № 474 (250) 133 от 12.12.1980). В соответствии с постановлением правительства Российской федерации от 8 ноября 2001 № 779 с дополнениями от 13. 11. 2002 № 816 «Национальная технологическая база на 2002 — 2006 годы» исследования относятся к программе «технологического перевооружения отечественной промышленности на основе передовых технологий» в области «Технологии информационных систем», соответствующих приоритетному направлению науки, технологии и техники Российской Федерации, «Космические и авиационные технологии», «Новые транспортные технологии», «Перспективные вооружения, военная и специальная техника», «Производственные технологии» .

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие результаты работы: -метод структурного синтеза автоматов, основанный на последовательном применении способа дихотомии для различных типов алгоритмов управления технологическими процессами;

— метод динамического контроля декомпозированных автоматов через сравнение правильности функций переходов в автомате и выбранного пути в графе переходов;

— модифицированный метод динамического контроля с уменьшенным числом разрядов памяти автомата, относящийся к классу кодов с фиксированным числом единиц;

— методика структурного проектирования системы управления неординарными многозвенными коммутаторами.

Апробация работы проводилась на ежегодных научных конференциях Восточно — Сибирского технологического института (19 801 990гг.) и Иркутского института инженеров железнодорожного транспорта (1994 — 2003 гг.), на международной конференции «Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов» (Барнаул, 1988 г.), на II Всесоюзном симпозиуме «Методы и программы оптимизации на графах и сетях» (Новосибирск, 1988 г.), на Всероссийской конференции «ТрансибВУЗ 2000» (Омск, 2000 г), на областном научнотехническом семинаре «Информационные технологии в образовании и науке» (Иркутск, 2003), на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (Иркутск, 2003) и Всероссийской научной конференции «Математические и информационные технологии в энергетике, экономике, экологии» (Иркутск, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы, в том числе 2 авторских свидетельства на изобретения, 7 работ в едином авторстве. В работах с соавторами соискателю принадлежит 40 — 60% результатов (приложение).

Достоверность результатов подтверждается.

— результатами теоретических расчетов по типовым методикам;

— патентной экспертизой ВНИИГПЭ;

— результатами практического внедрения ряда управляющих устройств в АСУ ТП промышленных предприятий.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения. Работа содержит 100 страниц основного текста, 53 рисунка, 20 таблиц и список литературы из 209 наименований.

Выводы.

Разработанная в диссертации методика структурного синтеза систем управления в реальных задачах управления технологическими процессами и специальными оптоэлектронными системами реализована следующим обра зим:

1.Предложена структурная организация оптоэлектронной системы с фотоматрицей и коммутаторами строк и столбцов, позволяющая повысить быстродействие обработки сигналов для фотоматрицы размером 1024×1024 почти в 10 тысяч раз без использования памяти в 3 Мбайт и контроллера.

2. Решена задача существенного упрощения устройств управления дискретным приводом и системой технологического контроля параметров ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации (количество входов в ПЗУ или ПЛМ сокращено в 1.5 раза).

3. Разработана микропроцессорная система допускового контроля параметров радиотехнических блоков с применением неординарного коммутатора.

4. Предложена структурная организация кодера для защиты информации от несанкционированной расшифровки.

5. По разработкам, представленных в пунктах 1, 3 получены авторские свидетельства, по разработке 4 подана заявка на полезную модель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Исследованы методы структурного синтеза автоматов управления технологическими процессами и предложен новый подход, основанный на декомпозиции алгоритма управления и введении коммутатора логических условий в схему автомата. Метод структурного синтеза позволяет уменьшить число входов в ПЗУ или ПЛМ, реализующих комбинационные схемы, в 1,3−1,5 раза, что позволяет реализовать автомат на одной БИС с добавлением нестандартной части, сложностью менее 1% от общих затрат на реализацию автомата.

2. Предложена методика проектирования устройств управления неординарными коммутаторами, основанная на представлении структурной схемы пятиблоковой моделью, которая позволяет определить структуру операционного устройства автомата управления. Устройство управления коммутатором защищено авторским свидетельством.

3. Разработана формализованная методика структурного синтеза автоматов управления АСУ ТП на основе введенной классификации и декомпозиции алгоритмов.

4 Разработан метод динамического контроля автомата управления, основанный на сравнении правильности переходов с использованием информации о выбранном пути в графе переходов. Для реализации метода структурная схема автомата декомпозируется с выделением автомата переходов и автомата генерации линейной последовательности команд.

5 Предложен метод динамического контроля автоматов, относящийся к классу кодов «mCn», позволяющий строить самоконтролируемые автоматы с меньшим объемом памяти и простой схемой динамического контроля на трехвходовых дешифраторах. В методе для промежуточного представления кодов памяти используются модифицированный геометрический и соседний коды.

6. llo разработанной в диссертации методике структурного синтеза автоматов управления в реальных задачах управления технологическими процессами и оптоэлектронными системами предложены:

— структурная организация оптоэлектронной системы с фотоматрицей и коммутаторами строк и столбцов, позволяющая повысить быстродействие обработки сигналов для ФМ размером 64 хб4 в 7500 раз без использования памяти и контроллера;

— устройство управления дискретным приводом и система технологического контроля параметров ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием информации (количество входов в ПЗУ или ПЛМ уменьшается в 1.5, а количество комбинаций в 64 раза);

— автоматизированная система допускового контроля параметров с применением управляемого неординарного коммутатора;

— структурная схема кодера для защиты информации от несанкционированной расшифровки.

На сегодня для СВЧ диапазона не достигнута интеграция уровня ПЛМ и ПЛИС. Предложенные методы управления многокаскадными коммутаторами и методы структурного синтеза автоматов позволяют расширить возможности программируемой СВЧ техники.

Новые структурные способы организации самоконтролируемых автоматов и формализованные методики структурного синтеза по заданной схеме алгоритма позволяют ставить вопрос о развитии программно управляемых систем для опасных технологических процессов на основе коммутируемых матриц пневмо и струйной техники.