Микроконтроллерная система взвешивания танков с жидким хлором

Микроконтроллерная система взвешивания танков с жидким хлором

-              ситуационный анализ состояния технологического процесса;

-              подсистема документирование технологического процесса;

-              подсистема формирование и реализации управляющих воздействий;

-              диагностика состояния технологического оборудования.

Отображение текущих параметров на мониторе оператора позволяет следить за ходом процесса. Здесь производится отображение текущих значений, которые при необходимости выводятся на печать или отправляются в  архив  данных.

 Контроль состояния оборудования и текущих значений параметров производит УВМ автоматически. Он анализирует сложившуюся ситуацию и вовремя сигнализирует критическое отклонение параметров. Здесь же производится формирование автоматического управляющего воздействия.

Графическое представление сигнализации на мнемосхеме  помогает быстро реагировать на отклонение параметров и вовремя принять решения по ее устранению, т.е. самостоятельно изменить значение параметров.

2.4 Техническая структура АСУТП

Состав технических средств АСУТП показан на чертеже 5502. Д05.275 - АТХ-034. Основными компонентами технического обеспечения рассматриваемой АСУ являются вычислительный комплекс, устройство связи с объектом и устройство связи с оператором. Устройство связи с объектом обеспечивает сбор информации с участков производства и ее предварительную обработку. Здесь таковыми выступают: датчики, нормирующий преобразователь, модули ввода,  модули вывода и исполнительный механизм.  Показания снимаются с датчиков и обрабатываются для дальнейшей работы. А готовые управляющие воздействия преобразовываются модулями вывода  и поступают на исполнительный механизм.

Вычислительный комплекс состоит из УВМ. Он обеспечивает обработку информации в реальном времени. Производит автоматический контроль, отображает информацию на мониторе оператора. Выводит на печать нужные параметры в реальном времени. Оператор при необходимости с помощью УВМ может вмешаться в ход процесса.

2.5 Структурная схема АСУТП

Исходя из выбранных функций, сначала выбираем структуру системы автоматизации, а затем средства реализации этой структуры.

В данном дипломном проекте для автоматизации технологического производства водорода предлагается использовать двухуровневую структуру системы контроля и управления.

Первый уровень представляет собой систему датчиков контроля или первичных преобразователей технологических параметров, исполнительных механизмов и модулей удаленного сбора данных. На этом уровне происходит измерение и преобразование значений технологических параметров в информационный сигнал. Обязательным требованием к таким приборам является наличие стандартных электрических сигналов на выходе преобразователей.

На этом же уровне системы автоматизации используются микроконтроллеры либо модули удаленного сбора данных. Они осуществляют прием, нормирование, согласование, первичную обработку и передачу сигналов в управляющий компьютер (РС), который по функциональному признаку относится к второму уровню.

На втором уровне происходит обработка, анализ и выдача оператору информации о значении технологических параметров процесса. Благодаря полученной информации РС в режиме непосредственного цифрового управления при помощи программного алгоритма вырабатывает управляющее воздействие на исполнительные механизмы, приводы аппаратов и другие устройства взаимодействия с технологическим объектом автоматизации. При наличии на производстве нескольких РС, встроенные в них устройства обмена позволяют осуществлять передачу информации друг другу для совместной и более эффективной работы.

Для построения схемы автоматизации производства водорода произведен выбор технических средств контроля и управления технологическим процессом. В качестве сетевого контролера выбрано устройство серии ICOS-8000, предназначенные для построения территориально-распределенных систем сбора данных и управления, обеспечивающие выполнение следующих функций:

-              аналоговый ввод-вывод;

-              дискретный ввод-вывод;

-              первичное преобразование информации;

-              прием команд от удаленной вычислительной системы и передача в ее адрес преобразованных данных с использованием интерфейса RS-485.

ICOS-8000 состоит из трех модульных компонентов: процессор, кросс-плата, модули ввода-вывода. Каждое устройство может содержать до 8 модулей (64 канала ввода-вывода). Имеется возможность гибкого конфигурирования системы и входящих в ее состав устройств в зависимости от количества и вида контролируемых параметров, а также от расположения контролируемых объектов. Устройства серии ICOS-8000 могут объединяться в многоточечную сеть на базе интерфейса RS-485, управляемую центральным компьютером. Применение локально устанавливаемых модулей ввода-вывода позволяет существенно снизить затраты на монтаж, а также обеспечивает повышенные удобства в процессе обслуживания.

Каждая система ICOS-8000 использует 2-проводную линию для связи с управляющим компьютером по мультиабонентским сетям на базе интерфейса RS-485. Благодаря использованию символьного протокола обмена в качестве управляющей может быть применена любая вычислительная платформа.

Повышенные удобства монтажа и простота изменения конфигурации устройства обеспечены применением специальной объединительной панели, предназначенной для установки модулей. Кроме того, имеется возможность установки на отдельную панель или на DIN-рельс. Для подключения источников сигналов используется терминальный соединитель с винтовой фиксацией, обеспечивающий возможность оперативного присоединения и повышенные удобства при обслуживании.

К особенностям контроллеров ICOS-8000 относится:

-                             подключение до 256 систем к одному последовательному порту;

-                             до 64 каналов цифрового ввода-вывода или  аналоговых канала;

-                             удаленная настройка диапазонов и типов входных аналоговых сигналов;

-                             гальваноразвязка по входу/выходу/питанию и контроль с помощью сторожевого таймера;

-                             двухпроводные мультиабонентские сети на базе интерфейса RS-485;

-                             протокол обмена на базе ASCII-кодов;

-                             скорость передачи данных до 115 кбит;

-                             напряжение питания от +10 до +30 В;

-                             легкая установка на DIN-рельс или панель;

-                             фронтальное подключение, характерное для программируемых логических контроллеров;

-                             программа настройки включена в комплект поставки;

-                             диапазон рабочих температур от –10 до +70°С;

-                             диапазон температур хранения от –25 до +85°С;

-                             влажность: от 5 до 95% без конденсации влаги.

В данном дипломном проекте используется совместимый программируемый микроконтроллер ICOS-8811.

Микроконтроллер ICOS-8811 предназначен для использования в локальных и распределенных системах автоматизации в качестве автономного контроллера. Он обеспечивает прием и выдачу аналоговых и дискретных сигналов, первичное преобразование сигналов по запрограммированным пользователем алгоритмам и обмен информацией по

Рисунок 2.7 - Контроллер I-8811

последовательным каналам связи на базе интерфейса RS-485. Контроллер имеет открытую архитектуру и может программироваться как с помощью традиционных языков программирования (С, ассемблер), так и с помощью языков логического программирования в соответствии со стандартом МЭК-61131 (в настоящий момент поддержка ICOS-8811 реализована в системах программирования UltraLogik и Paradym-31). Таким образом, ICOS-8811 удачно сочетает в себе качества программируемого логического контроллера (PLC) с простой и открытой архитектурой IBM PC совместимых компьютеров.

Характеристика микроконтроллера:

-         процессор: 80188, 16-разрядный;

-         память ОЗУ: 256 кбайт;

-         флэш-ПЗУ: 256 кбайт;

-         операционная система: ROM-DOS;

-         часы реального времени: встроенные;

-         сторожевой таймер: встроенный;

-         количество обслуживаемых модулей ввода-вывода:8;

-         последовательных порта: RS-232 и RS-485;

-         напряжение изоляции: 3000 В;

Для сбора сигналов с датчиков используются 8-канальные модули аналогового ввода  ICOS 87017:

Каналы: 8 дифференциальных;

Эффективное разрешение: 16 бит;

Типы входного сигнала: мВ, В, мА ;

Входной диапазон: ±150, ±500 мВ, ±1, ±5, ±10 В; 0…20 мА ;

Напряжение изоляции: 1000 В (пост.)

Частота выборки: 10 Гц (общая)

Входное сопротивление: 2 МОм

Полоса пропускания: 13,1 Гц

Точность не хуже: ±0,1%

Дрейф нуля: ±0,3 мкВ/°С

Дрейф диапазона: ±25 РРМ/°С

Ослабление сигнала при 50/60 Гц — 92 дБ/мин

Потребляемая мощ ность: 1,0 Вт

Рисунок 2.8 - I-87017

4-канальный модуль аналогового вывода

Каналы: 4

Эффективное разрешение: 12 бит

Типы выходного сигнала: мА, В

Выходной диапазон: 0…20, 4…20 мА, 0…10 В

Напряжение изоляции: 500 В (пост.)

Точность:

    ±0,1% для токового выхода; 

   ±0,1% для выхода напряжения

Разрешающая способность: 0,015%

Дрейф нуля: 

   выход напряжения: ±30 мкВ/°С;   

токовый выход: ±0,2 мкА/°С

Рисунок 2.9 I-87024

Программируемая скорость нарастания выходного сигнала: 0,125…0,128 мА/с;  0,0625…64,0 В/с

Токовый нагрузочный резистор: 0…500 Ом (источник)

Потребляемая мощность: 2,5 Вт

В качестве удаленного сбора информации  и управления технологическим процессом выбраны микроконтроллеры серии ICOS-7000 представленные на рисунке 2.10

Характеристика микроконтроллера I-7017:

Модуль аналогового ввода на 8 каналов;

16-разрядный АЦП;

6 дифференциальных и 2 однополюсных канала;

Программная настройка для работы с мВ, В или мА;

Гальваническая изоляция: 3000 В.

Характеристика микроконтроллера I-7024:

Модуль аналогового вывода на 4 канала;

 12-разрядный ЦАП;

 Программная настройка выхода на В или мА; Контроль состояния выхода;

 Программируемая скорость изменения сигнала навыходе:

от 0,125 до 128,0 мА/с или от 0,0625 до 64 В/с;

Гальваническая изоляция: 3000 В.

Рисунок 2.10 - Микроконтроллеры удаленного доступа

Характеристика микроконтроллера I-7022:

Модуль аналогового вывода на 2 канала;

 12-разрядный ЦАП                                                     

 Программная настройка выхода на В или мА

_ Контроль состояния выхода;

 Программируемая скорость изменения сигнала на выходе:

от 0,125 до 128,0 мА/с или от 0,0625 до 64 В/с;

Гальваническая изоляция: 3000 В.

Для обработки полученной информации, контроля за технологическим процессом и управления им необходим персональный  компьютер:

-                   дисплей: цветной с диагональю 15 дюймов и разрешением 1024 ×768 точек;

-                   процессор: Intel Pentium III до 850 МГц;

-                   память ОЗУ: до 256 Мбайт;

-                   CD ROM: 57 скоростной;

-                   контроллер Ethernet.

Порты ввода вывода: 4 последовательных порта (3 ×RS 232, 1 ×RS 232/422/485), 1 универсальный параллельный порт, 2 порта USB, порты для подключения клавиатуры и мыши (PS/2), входы и выходы звуковой подсистемы.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

3.1 Построение функциональной модели автоматизированной системы и алгоритмов обеспечения безопасности методом объектно-ориентированного моделирования

3.1.1 Описание метода моделирования

Для анализа и проектирования, рассматриваемого технологического процесса, целесообразно использовать методы объектно-ориентированного подхода с применением UML, который представляет собой общецелевой язык визуального моделирования, разработанный для спецификации, визуализации, проектирования и документирования компонентов программного обеспечения и других систем. Язык UML одновременно является простым и мощным средством моделирования, который может быть эффективно использован для построения концептуальных, логических и графических моделей сложных систем самого различного целевого назначения. Этот язык вобрал в себя наилучшие качества методов программной инженерии.

Базовые понятия языка UML комбинируются и расширяются таким образом, что специалисты объектного моделирования получают возможность самостоятельно разрабатывать модели систем в самых различных областях приложений [12-14].

Конструктивное использование языка UML основывается на понимании общих принципов моделирования систем и особенностей процесса объектно-ориентированного анализа и проектирования. Выбор выразительных средств для построения моделей сложных систем предопределяет те задачи, которые могут быть решены с использованием данных моделей. При этом одним из основных принципов построения моделей систем является принцип абстрагирования, который предписывает включать в модель только те аспекты проектируемой системы, которые имеют непосредственное отношение к выполнению системой своих функций или своего целевого предназначения.

При этом все второстепенные детали опускаются, чтобы чрезмерно не усложнять процесс анализа и исследования полученной модели.

Другим принципом построения моделей сложных систем является принцип многомодельности. Этот принцип представляет собой утверждение о том, что никакая единственная модель не может с достаточной степенью адекватности описывать различные аспекты системы. Наиболее общими представлениями сложной системы принято считать статическое и динамическое представления, которые, в свою очередь, могут подразделяться на другие более частные представления. Феномен сложной системы как раз и состоит в том, что никакое ее единственное представление не является достаточным для адекватного выражения всех особенностей моделируемой системы [15].

Еще одним принципом прикладного системного анализа является принцип иерархического построения моделей сложных систем. Этот принцип предписывает рассматривать процесс построения модели на разных уровнях абстрагирования или детализации в рамках фиксированных представлений. При этом исходная или первоначальная модель сложной системы имеет наиболее общее представление (метапредставление). Такая модель строится на начальном этапе проектирования и может не содержать многих деталей и аспектов моделируемой системы.

При разработке часто возникает проблема изменения функциональности системы, заключающаяся как в добавлении новых функций, так и в модификации уже существующих. Использование объектных методов позволяет локализовать изменения таким образом, чтобы изменение функциональности одного модуля не привело к ошибкам в работе других, а также быстро и четко выделить модули, поведение которых изменится в результате данного изменения.

Использование UML облегчает проблему сопровождаемости проекта, поскольку основная информация о проекте хранится в визуальной форме. Средства визуального моделирования, поддерживающие UML, позволяют автоматизировать анализ и проектирование программных систем, а интегрированные в них средства автоматической кодогенерации дают возможность привязывать исходный код объектно-ориентированных языков программирования (C++, Java, Delphi, Power Builder, Visual Basic, Forte, Ada, Smalltalk и других) прямо к элементам модели и вести разработку кода внутри построенной модели.

Язык UML определяет набор диаграмм, описывающих модели, и базовую нотацию. Он включает в себя описание семантики, расширения и комментарии по применению. В документации семантика представлена как на естественном языке, так и в нотации UML в виде метамодели. Описание графической нотации сопровождается примерами диаграмм.

Моделирование сложной системы средствами UML сводится к ее описанию в различных проекциях. Каждая проекция описывает определенный аспект разрабатываемой системы, а все вместе они определяют систему с должной степенью полноты, правильности и адекватности. В UML для описания системы при анализе и проектировании предусмотрены следующие графические диаграммы.

Диаграммы прецедентов (Use Case Diagram) применяются для анализа проблемной области и разработки функциональной структуры системы. Эта методология в настоящее время широко применяется для анализа бизнес-систем и реинжиниринга деятельности компаний.

На основании  диаграмм прецедентов строятся модели поведения системы (Interaction Diagrams). Они позволяют рассмотреть выполнение определенных функций системы и спроектировать поведенческие свойства классов. Это осуществляется с помощью диаграмм последовательности (Sequence Diagrams) и диаграмм взаимодействия (Collaboration Diagrams), которые в совокупности отображают трехмерную модель взаимодействий между классами, с учетом временных параметров этих взаимодействий.

Диаграммы классов (Class Diagrams) применяются для проектирования иерархической структуры классификации объектов системы. Кроме атрибутивной и поведенческой структуры классов, диаграммы классов позволяют выделить связи и зависимости между классами и объектами системы.

Диаграммы состояний (State Diagram) позволяют описать иерархическую структуру состояний объектов системы и переходы между состояниями под воздействием определенных событий. Особый вид диаграмм состояний -диаграммы активности (Activity Diagrams) позволяют описать алгоритмы выполнения отдельных операций.

Диаграммы размещения (Deployment Diagrams) позволяют спроектировать архитектуру системы и обозначить процессы, выполняемые на отдельных вычислительных узлах системы, что особенно важно для проектирования распределенных систем, использующих интернет-технологии.

Диаграммы компонент (Component Diagrams) предназначены для грамотного разделения приложения на модули, что является очень сложной задачей. Это позволяет эффективно распределить работу внутри коллектива разработчиков и избежать ошибок несовместимости компонент приложения, правильно работающих в отдельности. Использование грамотного разделения программы на компоненты дает возможность накопления наработок в отдельных областях (создания библиотек готовых компонентов), их повторного использования и сборки готовых программ из ранее разработанных компонентов.

Разные разработчики могут применять UML по своему усмотрению в зависимости от своих проблемных областей и используемых технологий.

3.1.2 Разработка функциональной модели системы

Результаты анализа требований к системе формализуются с помощью функциональной модели, которая определяет, какие функции должны выпол­няться системой, вне зависимости от ее структуры. Наполнение (реализация) функций происходит в терминах объектов, обладающих определенными свойствами и поведением.

Создание функциональной модели, как правило, начинается с представления проектируемой системы в виде наборов актеров, взаимодействующих с системой с помощью так называемых прецедентов, то есть сначала мы определяем, что взаимодействует с системой. Примерами таких «действующих лиц», или внешних актеров, могут быть: пользователь системы, оператор, оборудование, система, внешняя по отношению к данной. В свою очередь прецедент описывает, что система предоставляет актеру - то есть определяет некоторый набор транзакций или услуг, совершаемый актером при диалоге с системой, при этом ничего не говорится о том, каким образом будет реализовано взаимодействие. Диаграмма прецедентов несет в себе высокий уровень абстракции, что позволяет еще на ранних этапах проекта определить и зафиксировать функциональные требования к системе и обеспечить гибкий и эффективный механизм взаимодействия между разработчиком и заказчиком проекта.

Каждый из случаев использования системы может быть рассмотрен, как функция системы и подвергнут дальнейшей декомпозиции в терминах функ­ций. В результате возникает дерево функциональной декомпозиции. Каждая функция может быть разбита на несколько более мелких. Такое разбиение обычно соответствует либо структурной декомпозиции функциональных требований (на фазе анализа), либо выделению подзадач, решение которых требуется для осуществления основной цели (на фазе проектирования). На диаграмме прецедент обозначается овалом, внутри которого или под ним указывается его имя. Актер также представляется в виде условного обозначения. Взаимодействие между актером и прецедентом обозначается линией.

Для построения модели прецедентов необходимо сформулировать требования к рассматриваемой системе и провести их декомпозицию. Целью технологического процесса в целом считаем достижение максимальной производительности технологической линии при обеспечении безопасности процесса и заданного качества изделий. Для решения глобальной цели необходимо обеспечить достижение максимальной производительности при обеспечении безопасности и заданного качества изделий на каждой фазе технологического процесса. Так, для фазы электролиза цель формализуется следующим образом [9]:

Где Q – производительность процесса электролиза;

х1,х2,…,хn – технологические параметры;

n – количество параметров, влияющих на производительность электролиза:

К – качество полученного газа;

Кmin, Кmax – соответственно минимальные и максимальные значения качества;

Б, Бmin – соответственно безопасность и допустимый уровень безопасности.

К={к1, к2, …кm}

где к1, к2, …кm – показатели качества.

Для достижения каждой из полученных целей  необходимо реализовать другие подцели, и т.д. На рисунке 3.1 Обобщенная функциональная модель обеспечения безопасности ТП получения водорода, представленная в виде формализованной декомпозиции целей..

Рисунок 3.1 – Обобщенная функциональная модель обеспечения безопасности ТП получения водорода

 Обеспечение безопасности процесса электролиза достигается за счет, во-первых, осуществления прогноза опасных и критических ситуаций, и, во-вторых, своевременного принятия решения и реализации управляющих воздействия на ТП для недопущения и (или) устранения опасных ситуаций.

Указанные цели представлены на рисунке 3.2 в виде диаграммы прецедентов. В качестве актеров выступает оператор системы, следящий за ходом ТП и технолог задающий технологический регламент.

Рисунок 4.2 – Представление целей управления ТП в виде диаграммы прецедентов

Основные прецеденты определяются целями процесса электролиза (рисунок 3.1). Обобщенная модель реализации цели «Обеспечение безопасности» приведена на рисунке 3.3 в виде расширенной диаграммы данного прецедента.

Рисунок 3.3 – Обобщенная модель реализации цели (прецедента) «Обеспечения безопасности»

В результате анализа технологического процесса выявлены следующие критические ситуации

-           S1 повышение содержимого кислорода в водороде ;

-           S2 повышение содержимого водорода в кислороде;

-           S3 повышение температуры электролита на выходе из разделительных колон;

-           S4 одновременное повышение удельных энергозатрат и температуры в электролизере;

-           S5  повышение давления в колоннах регулирования давления

Отсюда,   Б={S1,S2,S3,S4,S5}.

В качестве показателей распознавания критических ситуаций выбраны следующие параметры:

-           удельные энергозатраты, определяемые отношением энергии,
подводимой электролизерам, к производительности, (Еэлек);

-           температура газов на выходе из разделительных колон (Тгаз);

-           резкое уменьшение текущей производительности (Q) электролизера;

-     давление водорода (Рводор) и кислорода (Ркисл.)

 При достижении текущими показателями безопасности предельно допустимых значений режим работы электролизера  считается критическим.

Величины предельно допустимых значений показателей безопасности могут быть взяты из технологического регламента, либо из анализа аварий.

Таким образом, система обеспечения безопасности процесса получения водорода методом электролиза предназначена для распознавания (по величине и характеру изменения показателей) и устранения критических ситуаций при работе электролизера путем изменения его режимов.

Функциональная модель предоставляет средства для спецификации требований к системе. Дальнейшая детализация этих требований, а также их проекция на ее структуру, осуществляется с помощью диаграмм классов и последовательностей.

3.1.3 Разработка алгоритмов функционирования системы

Диаграмма последовательности делает упор на временную последовательность передаваемых сообщений, важен порядок, вид и имя сообщения, на диаграмме изображаются исключительно те объекты, которые непосредственно участвуют во взаимодействии, и не показываются возможные статические ассоциации с другими объектами.

Диаграмма последовательности имеет два измерения, первое - слева направо, в виде вертикальных линий, изображающих объекты, участвующие во взаимодействии. Верхняя часть линий дополняется прямоугольником, содержащим имя класса объекта или имя экземпляра объекта. Второе изме­рение - вертикальная временная ось. Сообщения, посылаемые одним объектом другому, изображаются в виде стрелок с именем сообщения и упорядочены по времени возникновения.

Алгоритм управления локальным прецедентом «Устранение опасных и критических ситуаций», представлена на рисунке 3.4 в виде обобщенной диаграммы последовательности.

Рисунок 3.4 - Алгоритм управления локальным прецедентом «Устранение опасных и критических ситуаций» в виде обобщенной диаграммы последовательности

Диаграммы деятельности - это один из пяти видов диаграмм, применяемых для моделирования динамических аспектов поведения системы. Диаграмма деятельности это по существу блок-схема, которая показывает, как поток управления переходит от одной деятельности к другой.

Диаграммы деятельности можно использовать для моделирования динамических аспектов поведения системы. Как правило, они применяются, чтобы промоделировать последовательные (а иногда и параллельные) шаги вычислительного процесса. С помощью диаграмм деятельности можно также моделировать жизнь объекта, когда он переходит из одного состояния в другое в разных точках потока управления. Диаграммы деятельности могут использоваться самостоятельно для визуализации, специфицирования, конструирования и документирования динамики совокупности объектов, но они пригодны также и для моделирования потока управления при выполнении некоторой операции. Если в диаграммах взаимодействий акцент делается на переходах потока управления от объекта к объекту, то диаграммы деятельности описывают пере­ходы от одной деятельности к другой. Деятельность - это некоторый относительно продолжительный этап выполнения в автомате. В конечном итоге деятельность сводится к некоторому действию, которое составлено из атомарных вычислений, приводящих к изменению состояния системы или возврату значе­ния. Диаграмма деятельности может содержать простые и составные состояния, точки ветвления, разделения и слияния.

В потоке управления, моделируемом диаграммой деятельности, происходят различные события: вычисление выражения, в результате чего изменяется значение некоторого атрибута или возвращается некоторое значение. Также можно выполнить операцию над объектом, послать ему сигнал или даже создать его или уничтожить. Все эти выполняемые атомарные вычисления называются состояниями действия, поскольку каждое из них есть состояние системы, представляющее собой выполнение некоторого действия. Состояния действия изображаются прямоугольниками с закругленными краями. Внутри такого символа записывается произвольное выражение (текст или математическая формула).

Состояния действия не могут быть подвергнуты декомпозиции. Кроме того, они атомарны. Это значит, что внутри них могут происходить различные события, выполняемая в состоянии действия работа не может быть прервана. Обычно предполагается, что длительность одного состояния действия занимает неощутимо малое время.

В противоположность этому состояния деятельности могут быть подвергнуты дальнейшей декомпозиции, вследствие чего выполняемую деятельность можно представить с помощью других диаграмм деятельности. Состояния деятельности не являются атомарными, то есть могут быть прерваны. Предполагается, что для их завершения требуется заметное время. Можно считать, что состояние действия - это частный вид состояния деятельности, а конкретнее - такое состояние, которое не может быть подвергнуто дальнейшей декомпозиции. А состояние деятельности можно представлять себе как составное состояние, поток управления которого включает только другие состояния дея­тельности и действий. Состояния деятельности и действий обозначаются оди­наково, с тем отличием, что у первого могут быть дополнительные части, такие как действия входа и выхода (то есть выполняемые соответственно при входе в состояние и выходе из него), и оно может сопровождаться спецификациями по­давтоматов.

Когда действие или деятельность в некотором состоянии завершается, управления сразу переходит в следующее состояние действия или деятельно­сти. Для описания этого потока используются переходы, показывающие путь из одного состояния действия или деятельности в другое. Переход представляется простой линией со стрелкой.

Поток управления должен где-то начинаться и заканчиваться. Начальное состояние обозначается закрашенным кружком, конечное - закрашенным круж­ком внутри окружности.

Простые последовательные переходы встречаются наиболее часто, но их одних достаточно для моделирования любого потока управления. Как и в блок-схеме, в модель включаются ветвления, которые описывают различные пути выполнения в зависимости от значения некоторого булевского выражения. Точка ветвления представляется ромбом. В точку ветвления может быть ровно один переход, а выходить - два или более. Для каждого исходящего перехода задастся булевское выражение, которое вычисляется только один раз при входе в точку ветвления. Ни для каких двух исходящих переходов эти сторожевые условия не должны одновременно принимать значение «истина», иначе поток управления окажется неоднозначным. Но эти условия должны покрывать все возможные варианты, иначе поток остановится.

Для удобства разрешается использовать ключевое слово иначе для пометки того из исходящих переходов, который должен быть выбран в случае, если условия, заданные для всех остальных переходов, не выполнены.

Реализовать итерацию можно, если ввести два состояния действия - в первом устанавливается значение счетчика, во втором оно увеличивается - и точку ветвления, вычисление в которой показывает, следует ли прекратить итерации.

Простые и ветвящиеся последовательные переходы в диаграммах деятельности используются чаще всего. Однако можно встретить и параллельные потоки. В UML для обозначения разделения и слияния таких параллельных по­токов выполнения используется синхронизационная черта, которая рисуется в виде жирной вертикальной или горизонтальной линии. Каждый из параллельно выполняющихся потоков управления существует в контексте независимого активного объекта, который, как правило, моделируется либо процессом, либо вычислительной нитью.

Точка слияния представляет собой механизм синхронизации нескольких параллельных потоков выполнения. В эту точку входят два пли более перехода, а выходит ровно один. Выше точки слияния деятельности, ассоциированные с приходящими в нее путями, выполняются параллельно. В точке слияния параллельные потоки синхронизируются, то есть каждый из них ждет, пока все остальные достигнут этой точки, после чего выполнение продолжается в рамках одного потока.

Помимо потока управления на диаграммах деятельности можно изображать поток объектов-значений. В потоке объектов-значений участвует объект, являющийся входным параметром для одной деятельности и выходным — для другой.

Объект-результирующее значение изображается в виде пунктирной стрелки, идущей от деятельности к состоянию объекта, а входное значение - в виде пунктирной стрелки, идущей в обратном направлении, то есть от состояния объекта к деятельности. Если результатом выполнения деятельности является несколько объектов-значений или если за ней следует несколько потоков управления, то стрелки начинаются от знака развилки (ромб). Точно так же, в случае наличия нескольких входных значений, стрелки заканчивайся на знаке слияния.

Рассмотрим более подробно прогнозирование и анализ опасных и критических ситуаций. Алгоритм функционирует следующим образом. Производится опрос текущих параметров процесса электролиза в том числе: давления водорода (Рводорi;) и кислорода (Pкислi), производительности (Qi), тока Ij и напряжения Ui на электролизере, температуры электролита Тэлекi. Вычисляется текущее значение энергозатрат:

Еудi=Ui(Ii-Iхх)/Qi , кВт·ч/м3,

где         Ui,Ii – текущее значение напряжения и тока;

Iхх – ток пуска электролизера;

Qi – текущее значение производительности процесса;

Производится последовательное сравнение текущих значений производительности Qi, давления Рводорi; и Pкислi с предшествующей производительностью Qi-i и давлениями Рводорi-i и Pкислi-i, а также указанных текущих показателей безопасности (ЕУДi) с предельными.

Если текущее значение любого параметра приближается к предельному, то рекомендуется изменить режим работы пресса. Если же критическую ситуацию устранить невозможно, выдается рекомендация  по остановке процесса.

Рассмотрим критическую ситуацию, превышения давления кислорода  и водорода в разделительных  колоннах. Алгоритм безопасности в виде диаграммы деятельности для этой ситуации приведена на рисунке 3.5. Эта ситуация характеризуется резким падением производительности по сравнению с предшествующей при одновременном возрастании давления в зоне Pкислi. Повышением содержания кислорода в водороде. Выдается рекомендация о наличии возможной аварийной ситуации. При повторном прохождении по этой же ветви (то есть ситуация сохраняется в течение цикла опроса) рекомендуется аварийный останов электролизера.

В случае отсутствия критической ситуации, проверяется наличие критической ситуации, характеризуемой повышением текущих удельных энергозатрат. Степень опасности и соответствующие рекомендации устанавливаются в зависимости от того, в какой из зон находится величина Еудi: опасной - (Ераб < Еудi < Еудпред) или  критической - (Еудi > Еудпред + 0,3), а также и от величины текущих параметров процесса электролиза и возможности их изменения с целью устранения данной критической ситуации. Алгоритм безопасности для этой ситуации приведен на рисунке 3.7.

Аналогично действуют и алгоритмы для ситуаций S3 и S4. Характер рекомендаций, предупреждающих о ситуации S4 в электролизере, зависит от величины  температуры (T) и уровня Lэлектролита в электролизере. При достижении I предельного значения режим работы  считается опасным. Рекомендуется изменить режим подачи электролита, в критический ситуации  произвести аварийное отключение.

 Рисунок 3.6 – Алгоритм безопасности в виде диаграммы деятельности для ситуации «Повышение давления газов»

Рисунок 3.7 – Алгоритм безопасности в виде диаграммы деятельности для ситуации «Повышение удельных энергозатрат»

3.1.4 Разработка информационной структуры системы

Диаграмма классов (class diagram) служит для представления статиче­ской информационной структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Диаграмма классов отражает различные информационные взаимосвязи между отдельными страницами учеб­ника, такими как главная страница и страницы учебника, а также описывает их внутреннюю структуру и типы отношений. На диаграмме не указывается ин­формация о временных аспектах функционирования системы. С этой точки зрения диаграмма классов является дальнейшим развитием концептуальной модели проектируемой системы. Диаграмму классов принято считать графиче­ским представлением таких структурных взаимосвязей логической модели системы, которые не зависят или инвариантны от времени.

Класс в языке UML служит для обозначения множества объектов, которые обладают одинаковой структурой, поведением и отношениями с объектами из других классов. В нашем случае классами являются окна пользователя: главное окно, страница тестирования, страница словаря терминов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, который дополнительно может быть разделен горизонтальными линиями на разделы или секции. В этих разделах указываются имя класса, например, электролизер, атрибуты (переменные или параметры), и операции (методы, действия), например уменьшить ток питания .

Кроме внутреннего устройства или структуры классов на диаграмме, изображенной на рисунке 3.7, указываются различные отношения между классами в виде направленных прямых линий. В UML физические либо логические связи сущностей друг с другом моделируются с помощью отношений:

-           зависимость - это отношение использования (обозначаются пунктирной линией со стрелкой);

-           обобщение связывает общие классы с более специализированными, что известно под названием отношением типа подкласс\суперкласс или потомок\родитель (линия с треугольником);

-           ассоциация является структурным отношением между сущностями;

Рисунок 3.8 - Информационная структура системы управления процессом электролиза в виде обобщенной диаграммы классов

Таким образом, в соответствии с поставленными целями и на основе разработанных функциональных моделей процесса и системы построен алгоритм обеспечения безопасности в виде диаграмм последовательности и деятельности, а также информационная структура системы управления. Тем самым показана возможность применения объектно-ориентированного моделирования для формализации целенаправленной разработки эффективных алгоритмов и прикладных программ для управления потенциально опасными процессами в составе АСУ реального времени.

3.2 Техническое моделирование технологического процесса

3.2.1 Цели и задачи технического моделирования технологического процесса

На этапе проектирования АСУТП производства водорода целесообразно использовать техническую модель имитации сигналов технологического процесса. Это вызвано тем, что производство является взрывоопасным, а применение модели позволит протестировать разработанную систему на работоспособность, создавая различные варианты аварийного  состояния производства, что невозможно произвести на реальном оборудовании.

В диссертационной работе разработан имитатор сигналов осиновых контролирующих параметров (таблица. 3.1) стадии приготовления дистиллята и электролиза воды. Функциональная схема данных участков представлена на рисунке 3.7.

Таблица 3.1 - Осиновые контролируемые параметры

Структурная схема модели является двухуровневой. Нижний уровень - уровень объекта имитирует датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам.

В качестве сетевого контроллера выбрано устройство серии ICOS-8000, предназначенные для построения территориально-распределенных систем сбора данных и управления.   Устройства серии ICOS-8000 могут объединяться в многоточечную сеть на базе интерфейса RS-485, управляемую центральным компьютером.

Верхний уровень  - включает, прежде всего, одну станцию управления, представляющую собой автоматизированное рабочее место (АРМ)  оператора. В качестве рабочей станции используется ПЭВМ типа IBM PC. Станция управления предназначена для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи реализуются с помощью SCADA - системы. SCADА - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между оператором и системой управления.

 IBM PC совместимый программируемый микроконтроллер.

    Программируемый микроконтроллер ICOS-8411 обеспечивает прием и выдачу аналоговых и дискретных сигналов, первичное преобразование сигналов по запрограммированным пользователем алгоритмам и обмен информацией по последовательным каналам связи на базе интерфейса RS-485. Контроллер имеет открытую архитектуру и может программироваться как с помощью традиционных языков программирования (С, ассемблер), так и с помощью языков логического программирования в соответствии со стандартом МЭК-61131 (в настоящий момент поддержка ICOS-8411 реализована в системах программирования UltraLogik и Paradym-31). Таким образом, ICOS-8411 удачно сочетает в себе качества программируемого логического контроллера (PLC) с простой и открытой архитектурой IBM PC совместимых компьютеров.

Страницы: 1, 2, 3