WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

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 диссертационного совета Д 212. 262. 04 в Тверском государственном техническом университете 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 противоречиями в области проектирования технического обеспечения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП):

- изменение модификаций составляющих АСУТП программно-технических средств автоматизации происходит за время, соизмеримое со временем проектирования АСУТП и ее технического обеспечения, - совершенствование программно-технических средств обуславливает необходимость постоянной модернизации типовых решений по автоматизации технологических объектов определенного класса, сама же модернизация производится темпами, приводящими к отставанию возможностей проектных решений от принципиально достижимых, - большая номенклатура технических элементов АСУТП соответствует небольшому количеству функциональных элементов, - возрастает число степеней свободы при выборе управляющих воздействий и их технических реализаций за счет: моделирования динамики системы управления, роста информационных массивов баз данных (БД), автоматизированного поиска элементов в БД и сохраняется значительное количество эвристических приемов при разработке принципиальных электрических схем и выборе технической 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, связанных с маркировкой и нумерацией элементов в схемных описаниях при отсутствии диагностики семантических ошибок, связанных с определением назначения устройства, его входов-выходов и возможных связей в составе технического обеспечения, в то время как в других областях техники широко применяются CAE (control aided engineering) системы (например, технология и САПР «СПРУТ»), обеспечивающие автоматическую генерацию отдельных видов проектной документации.

Выделенные противоречия позволяют осуществить постановку проблемы, имеющей важное значение для отечественной промышленности и хозяйства – создание систем автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП и повышение эффективности их функционирования, заключающееся в сокращении времени проектирования, снижении числа ошибок на начальных стадиях проектирования при повышении точности стоимостных оценок в ходе расширения множества допустимых решений по технической реализации различных способов и алгоритмов управления.

В рамках данной проблемы актуальны постановка и решение научной проблемы – создание теоретических основ для построения систем автоматического синтеза схем технического обеспечения АСУТП и применения методов автоматизированного проектирования при его разработке, позволяющих осуществить автоматизацию и интеллектуализацию решения задач технической реализации 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 технологическими процессами.

Объект исследования – процесс разработки схемных решений на начальных стадиях создания технического обеспечения АСУТП на базе элементов электрической ветви государственной системы приборов, техническое обеспечение АСУТП.

Цель диссертационной работы – совершенствование существующей методологии проектирования технического обеспечения АСУТП на основе разработки совокупности моделей, положений и методов, создающих предпосылки для автоматизации и интеллектуализации начальных стадий создания технического обеспечения АСУТП.

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

1) выбор и анализ объекта проектирования, анализ существующей методологии и систем автоматизированного проектирования технического обеспечения выделенных АСУТП, 2) анализ моделей технического обеспечения и моделей представления знаний в САПР, разработка методов и алгоритмов построения моделей технического обеспечения с использованием компьютерных систем, систематизация межэлементных отношений, 3) построение иерархического теоретико-множественного описания технического обеспечения для информационных массивов САПР, 4) систематизация эвристик и иерархическое представление процесса проектирования, разработка методики автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП, 5) формализация эвристических приемов проектирования цепей технического обеспечения, разработка моделей и алгоритмов для автоматического построения и преобразования функциональных и принципиальных схем технического обеспечения в частично выбранном элементно-параметрическом базисе, 6) разработка архитектуры и составляющих компьютерного комплекса как представителя класса интеллектуальных систем, предназначенных для автоматизации решения задач преобразования функциональной структуры системы управления в описания схемных решений при технической реализации с использованием частично заданного элементно-параметрического базиса, 7) программная реализация концепций построения компьютерного комплекса, разработка методик работы с ним и проведение на их базе экспериментальных 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 структуры системы управления непрерывной технологической линией осуществлена интерпретация задачи синтеза технической структуры АСУТП в виде построения и преобразования графовых моделей функциональной структуры в выбран ном базисе, отражающих процесс создания и детализации межэлементных связей 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, предусматривающей 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 информационных массивов САПР в виде иерархического описания уровней: системного, подсистем, цепей, приборного с организацией межуровневых переходов на базе отношений «часть-целое» », раскрытием каждого уровня с использованием отношений «род-вид», «иметь свойства», «иметь значения свойств» с введением на системном и приборном уровнях классов свойств, характеризующих удобство проектирования АСУТП, особенности программирования технических 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 назначением проектируемой системы, и построенные на их базе интерактивные средства для изучения процедур программирования средств автоматизации.

5. Предложена методика автоматизированного проектирования технического обеспечения, новизна которой заключается в систематизации и формализации эвристических приемов создания проектных описаний технического обеспечения; автоматической генерации вариантов технической реализации различных управляющих воздействий на основе введенных классов правил разработки функциональных схем в частично заданном элементно-параметрическом базисе и модели разработки принципиальных схем; анализе вариаций приведенных затрат на основе принципиальных схем по всем вариантам с учетом критериев 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 реализация компьютерного комплекса, отражающие связь прикладного и предста вительного уровней САПР с физическим уровнем АСУТП и обеспечивающие автоматизацию и интеллектуализацию решения задач разработки схемных решений по технической реализации функциональных цепей АСУТП, выражающихся в автоматическом построении описаний технического обеспечения, в явном виде не содержащихся в системе.

Методы исследования. В работе используются методы теорий: управления, множеств, графов, формальных систем, баз данных, искусственного интеллекта, а также методы инженерии знаний, системного моделирования, эвристических решений, математической статистики. Работа выполнена в рамках междисциплинарной отрасли научных знаний, охватывающей теорию проектирования, схемотехнику АСУТП и технических средств автоматизации,.

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями на действующем прототипе компьютерного комплекса, доказывающими сходимость процесса автоматического синтеза описаний межэлементных связей в частично заданном элементно-параметрическом базисе, соответствующих функциональным и принципиальным схемам, существование 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 схемных описаний технического обеспечения полностью согласуются с решениями, полученными в ходе проектирования подсистем различных АСУТП в проектных 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, зарегистрированные в едином реестре баз данных РФ и используемые при автоматическом синтезе схем технического обеспечения АСУТП, показано, что продукционные правила, использующие данную базу обеспечивают генерацию вариантов связей при организации взаимодействия элементов на физическом уровне, превышающую возможности опытного специалиста.

3. Разработаны интерактивные средства в виде мультимедийных программных 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 построении моделей.

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

5. Сформирован набор эвристик, используемых на начальных стадиях проектирования технического обеспечения АСУТП, представлены теоретически и практически обоснованные формализованные операции и процедуры, позволяющие 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 использовании расширенного набора функций программируемых приборов.

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

8. Доказаны существование интерпретации предложенной формальной системы для автоматического построения функциональных схем в частично заданном элементном базисе на булеане предложенной таксономии элементов и истинность формул в данной интерпретации.

9. Разработаны и переданы в эксплуатацию действующие прототипы компьютерных комплексов, обеспечивающих интеллектуализацию и автоматизацию прикладных задач построения и преобразования схемных решений по технической реализации измерительных и управляющих цепей технического обеспечения с аналоговыми и импульсными сигналами.

На защиту выносятся:

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

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

3. Методика автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП, основанная на: иерархии положений, обобщающей эвристические приемы проектирования; генерации многообразия вариантов технической реализации способов и алгоритмов управления; расчете оценок для всех рассмат риваемых вариантов и учете дополнительных системных свойств, характеризующих особенности программирования элементов и сложность проектирования технического обеспечения.

4. Формальная система для автоматического построения функциональных схем технического обеспечения в частично заданном элементнопараметрическом базисе, правила вывода которой связаны с классами элементов и видами сигналов в цепи. Модели и алгоритмы преобразования функциональных схем технического обеспечения АСУТП в принципиальные, основанные на декомпозиции элементов до контактов разъемов, свойства которых наследуются 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 построения схемных описаний технического обеспечения АСУТП и включающего 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., направление «Информационная деятельность» научно-исследовательской деятельности 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 - образовательная среда XXI века" (г. Минск, 2002, г. Тверь, 2004), «Компьютерные технологии в управлении, диагностике и образовании» (г. Тверь, 2002), «Актуальные проблемы науки и образования» (г. Пенза, 2003), «Information Theories and Applications» и «KDS07» (г. Варна, Болгария, 2004, 2007), 4-ой «Современные 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 «Компьютерное 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), конференции федерации по обработке информации (IFIP) «Sorucom2006» (г. Петрозаводск, 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, технологии, 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 качества 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), региональных конференциях и семинарах (гг. Киев, Калининград, Рязань, Тверь).

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

Компьютерные комплексы, реализованные на основе разработанных технологий, 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 проектных организациях Тверского региона: ООО «ИнтерПромАвтоматика», проектно-конструкторском бюро ООО «ПКБ автоматизации производства», ОАО «Редкинское опытно-конструкторское бюро автоматики». Методика автоматизированного проектирования использована при разработке системы управления температурой в канале печи ЗАО «Востек». Результаты работы переданы в эксплуатацию и используются при выполнении НИР и подготовке специалистов по направлению «Автоматизация и управление» в Тверском, Калининградском, Кузбасском государственных технических университетах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 печатных научных работ, общим объемом около 30 печатных листов, в том числе две монографии. 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 линии как объекта проектирования и на ее примере рассматривается существующая методология проектирования технического обеспечения АСУТП.

Современные АСУТП характеризуются (Охтилев М. Ю.): многоцелевым характером, функциональной избыточностью и структурным подобием элементов, многовариантной реализацией функций, наличием пространственно распределенной сети обмена данными, гибкими технологиями управления. Всеми перечисленными свойствами обладают автоматизированные системы управления 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 формирования показателей качества готового продукта и взаимосвязь отклонений режимных параметров на локальных участках.

На уровне технической реализации рассматриваемая система управления относится к многоуровневой АСУТП малой информационной мощности с магистральной топологической структурой взаимодействия подсистем и блочномодульным принципом реализации функционально-алгоритмической структуры. Организация связи с измерительными и управляющими устройствами носит 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 необходимость применения в качестве локальных систем автоматизации как систем регулирования, так и систем логического управления.

Для рассматриваемого примера автором совместно с Сердобинцевым С. П.

предложена функциональная структура АСУТП, позволяющая применять методы адаптивного управления и обеспечивающая изменение состава технологического оборудования и структуры системы управления при невозможности достижения экстремума критерия управления за счет функционирования систем 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 (например, на участке дефростации: температура орошающей воды, расход орошающей воды, скорость технологического конвейера), варианты и свойства технической реализации которых значительно варьируются. Запатентованный совместно с Сердобинцевым С. П. способ управления участком дефростации предусматривает расчет задания локальному регулятору температуры орошающей воды на основе эталонной модели с коррекцией невязки по результатам измерения отклонения режимного параметра (температуры полуфабриката).

Задача проектирования технического обеспечения АСУТП линией разби вается на задачи синтеза множеств технических реализаций алгоритмов управления при использовании различных управляющих воздействий и многокритериального выбора варианта с учетом экономических оценок, надежности системы и ее элементов, динамических свойств. Задача синтеза осложнена многостадийностью проектирования и многовариантной реализацией функциональной структуры. В существующих методах синтеза структуры системы управления комплекс технических средств является заданным. Построение многообразия 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, изменения приборного ряда и модификаций программно-технических средств.

Формализация выбора базируется на базе И/ИЛИ дерева (А графа) и сводится к применению методов математического программирования или поиска допустимого подграфа на графовой модели (Саати Т., Курейчик В. М., Емельянов 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 элементов ориентированы на реализацию алгоритмов логического управления, заданных булевыми функциями и графами переходов (Шалыто А. А., Шидловский 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 проверки совместимости технических элементов в зависимости от свойств составляющих 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 позволяющих обеспечить автоматический синтез технической структуры.

Основой существующей методологии проектирования АСУТП является:

системный подход (Скурихин В. И., Смилянский Г. Л.), агрегативно-декомпозиционная технология (Цвиркун А. Д., Кульба В. В.), принцип информационного взаимодействия элементов системы посредством передачи сигналов (Бусленко 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; построение математической модели объекта; формулирование целей управления;

синтез алгоритмов управления; реализация решений по управлению на основе выбранного комплекса технических средств.

Методология проектирования технического обеспечения АСУТП обогащается за счет применения методов и систем автоматизированного проектирования. 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 (Половинкин 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 автоматизированного проектирования и программные средства для их реализации применяются в основном на стадии технического проектирования при разработке принципиальных схем, перечней элементов для них и трансляции данных описаний в монтажные схемы и заказные спецификации на материалы и оборудование (Компас Электрик, САПР Альфа, Shematics (РФ); AutoCAD Electrical (США); E3.CADdy (Германия); CADElectro (Беларусь)). Построение функциональных и принципиальных схем в частично заданном элементнопараметрическом базисе во всех САПР осуществляется вручную.

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

Рассмотрение информационных сигналов в существующей методологии проектирования в области технического обеспечения проводится без детализации 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: функциональные задачи, конструктивная схема, статические и динамические характеристики, величина входной и выходной мощности. Данные модели ориентированы 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 автоматического построения принципиальной схемы технического обеспечения.

Во второй главе проводится анализ моделей технического обеспечения АСУТП, моделей представления знаний в САПР. Развиваются концепции извлечения, 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 между ними выделяются три базовых координаты в евклидовом пространстве XYZ: X – отражает уровни иерархии системности описания технического обеспечения по Клиру, Y – отражает уровни детализации описания, Z – отражает уровни структурированности представления технического обеспечения.

Модели системы управления при построении ее структуры на основе рангов неопределенности (Яковлев В. Б.) не позволяют обеспечить автоматиче ское формирование схемных описаний в связи с тем, что не раскрывают принципы 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, отличающихся средствами выражения базовых отношений и детализацией свойств объектов, вступающих в отношения. С учетом применения для описания технического обеспечения множества языков (естественный, языки: функциональных, принципиальных, монтажных схем, моделирования, программной конфигурации 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 используемых языков Kl, П( i, i+1) – оператор проектирования, отражающий создание 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 обеспечения за счет разработки и коррекции документации с помощью средств автоматизации 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 пространственную, 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 интеллекта (Поспелов Д. А., Вагин В. Н., Осипов Г.С., Ханзен Ф., Джонс К., Гаврилова Т. А. и др.) при реализации концепций извлечения, структуризации, формализации знаний предлагается использование в качестве эксперта компьютерной системы, являющейся инструментальным средством синтеза межэлементных связей. Исследования процесса извлечения знаний в области АСУТП с использованием компьютерных систем (Швецов А. Н., Котов С. С., Сорокин С. И., Черепанов 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 предлагается использовать гибридные модели, отражающие как процедурную, так и декларативную составляющие знаний. Методика извлечения знаний в области построения технического обеспечения АСУТП включает разработанные автором алгоритмы формирования и обобщения понятий; извлечения и расширения знаний.

Алгоритм формирования обобщенного понятия базируется на подходе Гладуна В. П., развитого Вагиным В. Н., использованного Филатовой Н. Н. и предусматривающим выделение в качестве определяющих понятий свойства объектов. 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 линейно связанные свойства.

Алгоритм извлечения и расширения знаний использует в области проектирования технического обеспечения подход Ньюэлла А. и Саймона Г. к определению 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 подобия, {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 системой задачи формулируются в виде: «даны четыре формы представления описаний 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 накопление информации об условиях выделенных задач, процессе их решения, требуемых 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 области композиционными отношениями («измерять», «регулировать», «получать энергоснабжение» и т.д.). Формирование композиционного отношения осуществляется 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 причиной; R42 – целевого назначения; R51 – частичного порядка; R91 – род – вид.

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

Atr(Rф22) = {Аtr1, Аtr2}, Atr(Rп ) = {Аtr2, Аtr3}, Atr(Rф22) Atr(Rп ) = {Аtr2}, 22 где: Atr(Rф22), Atr(Rп ) – свойства отношения «соединяться с» на функциональной и принципиальной схемах, Аtr1 - несимметричность, Аtr2 – нетранзитивность, Аtr3 - симметричность.

Это свидетельствует о необходимости формализации перехода между системами отношений при преобразовании описаний функциональных схем в описания принципиальных схем технического обеспечения.

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

В основу структуризации технического обеспечения закладывается иерархия с использованием отношений «часть-целое» на уровнях: систем, подсистем, цепей, элементов и раскрытием каждого уровня на основе отношений «родвид», «иметь свойства», «иметь значения свойств». С использованием интерактивных 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 управления, расширена группа системных свойств и введена группа свойств удобства проектирования, которая включает свойства, отражающие наличие информации об особенностях наладки, эксплуатации и реинжиниринга элементов в составе системы. На верхнем уровне техническое обеспечение рассматривается:

(3) S(Е) = EС, E = {EHW ESW ED(Сij )}, Сij = {Сi, Сj }, где: E – набор элементов, С – набор связей, EHW – технические средства, ESW – программные модули, ED – модули проектного описания и технической документации, Сij – набор связей между техническими элементами, Сi – связи информационные, 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 – отношение включения, SubC, SubI, SubR, SubDT, SubPS, SubD – подсистемы: измерения; 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 решаемой задачей, {F} – множество функций, {I}, {O} – множества: входов, выходов подсистем; Atr5 – динамические свойства (точность регулирования, быстродействие, устойчивость и др.).

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

Suk Rcv Сh1 Сh2… Сhl, F{F}, F Со, Со Rcv Сh1 Сh2… Сhk, Сh = ,Cij = (Еi, Еj), где: Сh – обозначение цепи, l число цепей i-й подсистемы, Со – контур, k – число цепей, обеспечивающих реализацию одной функции посредством образования 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 информационными 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 измерения физической переменной на входе-выходе, количественная [МU1]+[МU2] – шкалы для представления составляющих дискретных релейных и импульсных сигналов (напряжения и тока в цепи при замыкании и размыкании), качественная [QU] – для представления статической характеристики датчика или стандарта передачи сигнала, регламентирующего его физические характеристики (например – 50М, ХК, RS232 и др.). На основе предложенных шкал разработана база данных технических средств автоматизации для САПР, используемая при автоматическом построении межэлементных связей, зарегистрированная в едином реестре баз данных РФ.

При формировании классов элементов по признаку функционального назначения с использованием известных алгоритмов построения иерархий на основе динамических ядер для построения технического обеспечения АСУТП используются элементы множеств: Cl1 -{измерительные преобразователи}; Cl2 {преобразователи измерительной информации в управляющий сигнал (регуляторы)}; 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 – {неклассифицированные}. Каждое из подмножеств универсума Cl1 - Cl10 является счетным, 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 «родвид» для промышленного контроллера: Со1 (специализированный контрол лер), Со21 (Термодат), Со31 (Термодат12), Е11 (Термодат12/2P/1C/RS485). Выделение свойств элементов (Atr) на нижних уровнях и соответствующего им числа концевых вершин графа осуществляется из условий совместимости элементов 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 передачи сигнала, конструктивная реализация соединения.

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

Модель датчика температуры для информационных массивов САПР включает три пространства свойств: свойства для выбора датчика на основе требований со стороны объекта, характеристики сигналов и адресация контактов на входах-выходах с указанием функции, свойства, применяемые для проведения сравнительного анализа альтернатив. Связь свойств проектируемого технического обеспечения и свойств датчика находит отражение в аддитивном вхождении набора технико-экономических показателей (стоимость, надежность, метрологические и динамические свойства, масса, энергопотребление и др.) в однотипные показатели системы управления.

Промышленный контроллер является составляющей большинства цепей:

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

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

динамические; описывающие входы и выходы контроллера; экономические показатели; определяющие особенности программирования; энергопотребления; надежности; конструктивного исполнения; метрологические; характеризующие изготовителя контроллера. Вводятся новые группы свойств, характеризующие особенности эксплуатации (трудоемкость монтажа, изучения, длительность жизненного цикла и др.); особенности настройки (связаны с возможностью взаимодействия с оператором как с пульта оператора, так и с использованием ЭВМ).

Учет всех свойств приводит к экспоненциальному нарастанию числа рассматриваемых вариантов при выборе контроллера. Предлагаемая методика снижения размерности пространства свойств позволяет значительно сократить число 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 подборе и оценке элемента в выделенной по функциональному признаку группе технических 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, характеризующихся двенадцатью исходными свойствами, осуществлен переход к признаковому пространству из трех новых факторов, описывающих свыше 80 процентов разброса исходных признаков, представленных с использованием количественных 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 Atr1 + kj2 Atr2 +…+ kjiAtri.

пк1 пк1 пкj где Atr1, Atr2 – нижняя и верхняя граница диапазона измеряемых темперапк1 пктур, Atr3 – класс точности, Atr4 – цена изготовителя, Atr5, Atr6 - число пк9 пк4 пк2 пквходов-выходов.

Для первого обобщенного фактора, позволяющего оценить свыше 50 процентов 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 выбираемых технических средств в трехмерном пространстве новых факторов.

Использование его в сочетании с методом районирования обеспечивает по сравнению с существующими методами анализа технических структур при реализации 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 сформирована обучающая выборка, применяемая для расчета коэффициентов дискриминантных функций.

Функционально-логическая составляющая модели контроллера является объектно-ориентированной, что выражается в преобразовании модели формирования управляющих воздействий, сигналов сигнализации и индикации на языке программирования контроллера, обеспечивающего параметризацию функции или алгоритма преобразования. Составляющая с одной стороны определяется типом эталонной модели для расчета управляющих воздействий, реализуемой 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 перехода 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 составе 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 сигнализации, Т4 – установка сетевого адреса, Т5, Т6, Т7, Т8, Т9 – настройки: уставок, соответствия «вход-выход», параметров закона преобразования «вход-выход», параметров модулей, дополнительных функций (таймер, разрешение, встроенная 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 детализацией линий связи, соединители, выполняющие дополнительные функции. Ха рактеристическими свойствами, отражаемыми в модели соединителей для информационных массивов БД САПР являются: входные/выходные сигналы, которые 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 устройств в любом сочетании при передаче сигналов в цепях системы управления.

Набор остальных свойств соединителя включает: наименование, тип технического устройства, к которому присоединяется соединитель, число контактов соединителя, тип присоединяемых проводов, сечение присоединяемых проводов, характеристики сигналов, передаваемых через соединитель, поддержка резервирования, категория пожаро- и взрывоопасности, габаритные размеры, стоимость, способ установки, характеристики надежности.

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

Четвертая глава посвящается выделению, представлению иерархии эвристик, используемых при создании схемных описаний технического обеспечения, разработке методики автоматизированного проектирования технического обеспечения.

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

Утверждения устанавливают способы установления связей и сравнения вариантов технического обеспечения на основе достижения требуемой степени детализации при разработке схемных описаний. Фрагмент системы в виде положений 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: Е = R21 (Е ), Е, Е : ОЕ = IЕj;

j i i j i Atr(I Еi) Atr(ОЕ ); Po15: Е = R22 (Е ), Е, Е : IЕj = U = IOj, IЕi IЕoj + ,…….

j j i i j где Роk – положение, De – требования к проектируемой системе и ее элементам, {fi} – множество реализуемых функций, Subi – i-ая подсистема технического обеспечения системы Su, fij – функция j-го функционального элемента EjF в i-ой подсистеме, m – число элементов для реализации функции, {EkT} – множество технических элементов, {AtrE}, {AtrCon}, {AtrSu} – множества свойств элементов, 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 технических элементов, {AtrE} – множество свойств элементов, входящих в контур, 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 управления; конкретизация связей системы управления с окружающей средой; разработка топологической структуры; разработка модели технической структуры;

построение модели принципиальной схемы; расчет технико-экономических показателей; формирование морфологической матрицы для поиска эффективного решения и его выбор; ведение БД элементов и типовых решений САПР, корректировка типовых проектных решений.

Модель процесса построения схем технического обеспечения АСУТП с использованием 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)} OpS2 SOpS {Ruj} OpOpS4 SРис. 3. Модель процесса построения схем технического обеспечения Вершины типа Sl соответствуют моделям технической структуры. Вершины типа Opk соответствуют операторам преобразования моделей Sl. Среди моделей технической структуры выделяются классы: S0 – модель системы, построенная по техническому заданию, S1 – модель базовой структуры, определяющая порядок следования элементов и основные элементы, S2 – модель технической структуры, соответствующая функциональной схеме в заданном элементно-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 – правила проверки области поиска элементов, Ru2 – правила проверки ограничений, Ru3 – правила преобразования функциональной структуры в принципиальную схему, Ru4 – правила преобразования принципиальной в схему соединений, 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 элементнопараметрического базиса и ошибки, связанные с разработкой принципиальных схем, соответствующих разработанной функциональной структуре. На начальной стадии допускаются семантические ошибки, связанные с выходом за зону ограничений, определяемых совместимостью элементов и наличием у них необходимых свойств.

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

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

Проводные межэлементные связи в ходе диагностики при их иерархической 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 передаваемого сигнала, O(Ei), I(Ej) – диапазоны изменения сигналов выходов и входов технических элементов Ei и Ej.

Завершением начальной диагностики семантических ошибок является фиксация 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 определяется вид входных и выходных сигналов для аргументов и значений функций преобразования технических элементов при сравнении шкал и диапазонов изменения сигналов в данных шкалах. Третий шаг диагностики заключается в проверке адресов контактов при декомпозиции элемента на соответствие им сигналов в определенных шкалах, задаваемых видом сигнала в цепи.

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

d n m E = ixi, (5) xi = il + ij, k x x i=l=1 j=где: Е – целевая функция, ki – коэффициент, отражающий важность рассмотрения i-й стадии жизненного цикла, xi – приведенные затраты на систему управления 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, предпочтений проектировщика и пожеланий заказчика. Управление рассматривается как сочетание структурного и параметрического управлений. Это проявляется в том, что производится изменение параметров выбранного комплекса технических средств (например, модификаций приборного ряда) и связей между ними, а затем при изменении комплекса технических средств возможны вариации технической и алгоритмической структур системы управления.

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

На первой осуществляется решение задачи безусловной оптимизации для нахождения теоретически достижимого решения. На второй стадии осуществляется 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 внесении 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 рассматриваемых ограничения на совместимость структурных элементов при их технической реализации. В качестве ограничений учитываются: динамические свойства создаваемой системы, число рассматриваемых вариантов и число технических средств разных изготовителей. Дополнительными ограничениями в задаче выбора технических средств являются: возможность реализации требуемой математической и топологической структур проектируемой системы, наличие необходимых 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 устройства в составе проектируемой системы с учетом используемого программного обеспечения.

Пятая глава посвящена выделению и формализации эвристик, используемых при построении функциональной структуры АСУТП в частично заданном элементно-параметрическом базисе, разработке алгоритмов преобразования 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 однозначного соответствия; функционирование элемента осуществляется без внешних 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 схемотехническом 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, учитывающем 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 протоколов передачи;

- значения переменных I и О соединяемых элементов должны представляться 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 конструктивную совместимость элементов), поиска элементов в БД. Дополнительные классы правил связаны с объединением элементов при наличии у них свойства многоканальности и установкой клеммных соединителей.

Каждая межэлементная связь (Ei, Ej) при формализации операций ее построения 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 межэлементных 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 – элементы системы, NAMEi, NAMCj – имена элемента и связи, Vi – вид сигнала для входа 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 несовместимость технических элементов, Еr – дополнительный элемент, устанавливаемый в разрыве связи для обеспечения совместимости соединяемых элементов.

Формализация проверки RН проводится на основе решения системы логических уравнений, устанавливающих истинность конъюнкции дизъюнктов сигналов на входах-выходах соединяемых элементов. В случае ложности логических выражений (6) элементы Еr подбираются по формализованным правилам, соответствующим 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 ={XS1, XR1, X1, …., XSN, XRN,XN}, где FЕ – множество функций элемента, v – число функций, G – оператор преобразования 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 синтеза 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 свойство 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: аналоговые, дискретные релейные, дискретные импульсные, и три вида цепей: измерительные, управляющие, сигнализации.

Для измерительных цепей с аналоговым потенциальным сигналом постоянного 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 постоянного 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 построения 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 получения 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 системы и правил типа (6)-(8) в отличии от известных (Цвиркун А. Д., Целищев Е.

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

Алгоритм преобразования функциональной схемы технического обеспечения АСУТП в принципиальную электрическую включает построение и детализацию модели схемы в виде орграфа, выполняемые на основе: проверки согласования формы, мощности и вида передаваемого сигнала для каждого соединения контактов, учета условий конструктивной совместимости и введения в состав системы клеммников; подбора элементов для подачи энергии, выделении входов и выходов для обмена энергией, проверки энергетической совместимости входов-выходов, добавление и детализацию связей питания. Пример преобразования рассматривается для фрагмента функциональной схемы технического обеспечения системы управления температурой орошающей воды на участке 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 преобразователи, 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 устройствам для обеспечения конструктивной совместимости (рис. 4г). В качестве элементно-параметрического базиса в примере использован регулятор БК1-П01-14 комплекса «Контраст 300» (РП) (соответствует вершине 3), исполнительный 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 преобразователей, соответствующих вершинам 3а, 3б графа, усилителя выходного сигнала, соответствующего вершине 3с). Вершина 5 графа соответствует источнику питания.

Исследования операций преобразования схемных описаний позволили сформулировать и доказать теорему: нуль-граф, вершины которого соответствуют вершинам таксономии элементов, является инвариантом для всех моделей технической структуры АСУТП. Действительно: если M0-M5 – модели технического 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 элемента и осуществляется учет вида сигнала в цепи.

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

Шестая глава посвящена планированию, проведению и анализу результатов экспериментальных исследований, направленных на апробацию и определение степени достоверности предложенных моделей и методов.

Для проведения исследований разрабатывается архитектура и программная реализация составляющих специализированного компьютерного комплекса (СКК), обеспечивающего интеллектуализацию и автоматизацию задач построения описаний межэлементных связей при разработке функциональных и принципиальных схем подсистем технического обеспечения АСУТП. Результаты автоматического синтеза многообразия вариантов технической реализации сопоставляются с экспертными решениями. СКК является иерархической системой, 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 проектирование, типовых проектных решений, структурных схем подсистем технического обеспечения, технических элементов, правил логического вывода.

Уровень подсистем для оценки сложностей технической реализации включает три типа программных средств: для подбора вариантов и оценки сложностей при монтаже технического обеспечения АСУТП и прокладке кабельных трасс (с интерфейсом в виде 2D изображения монтажного пространства и реалистичных изображений технических средств), для выбора отдельных технических средств и схем подключения внешних устройств к ним (с интерфейсом в виде изображения технических средств на принципиальной схеме и упрощенного 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 настройки и программирования технического средства).

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

Программная реализация предложенных моделей, обеспечивающих интеллектуализацию и автоматизацию задач синтеза межэлементных связей выполняется на языке С++ с использованием методов объектно-ориентированного программирования, библиотеки стандартных шаблонов STL. Созданный комплекс сочетает в себе функции клиентской части системы управления реляционной 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 автоматизации и интеллектуализации прикладных задач создания схемных описаний технического обеспечения АСУТП, вторая – для автоматизации создания вариантов заданий и проверки решений. Последняя модификация является элементом технологии извлечения знаний для построения моделей технического обеспечения АСУТП. Работа СКК происходит в диалоговом режиме, точками ветвления которого являются: задание элементно-параметрического базиса, выбор варианта функциональной схемы из автоматически сгенерированного многообразия, сохранение результатов.

Экспериментальные исследования проводились по тридцати четырем вариантам элементно-параметрического базиса для семи видов обобщенных функциональных 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 межэлементных 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 постановку и решение задачи выбора эффективного варианта.

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

Опыт эксплуатации программных средств, входящих в состав СКК в процессе учебного проектирования подсистем измерения и управления температуры, расхода, давления, уровня (период 2000-2007 гг.), показал, что для пятнадцати типов выделенных широко распространенных ошибок, допускаемых при проектировании технического обеспечения в результате применения СКК наряду с количественным уменьшением числа ошибок (в два раза) достигается качественный результат – резко (в четыре и более раз) снижается число проектировщиков, допустивших три и более ошибок. Программные средства являются основой компьютерных тренажеров и тренажерных комплексов, применяемых при подготовке специалистов по проектированию АСУТП.

Оценка трудозатрат на применение программной реализации предложенных моделей и методов в трех проектных организациях Тверской области показала, что при сохранении качества проектных решений на уровне экспертных время на разработку схемных описаний технического обеспечения АСУТП сокращается более чем в три раза при повышении числа рассматриваемых вариантов и анализируемых показателей более чем в два раза (рис.5). Одновременно обеспечивается снижение роли субъективных оценок при выборе множества допустимых решений за счет автоматизации разработки принципиальных электрических схем по всем вариантам, появляется возможность анализа технических реализаций различных управляющих воздействий и усовершенствования типовых проектных решений.

1- число рассматриваемых вариантов, 2 - число 7 анализируемых показателей, 3- сроки проектирования (дни), 4- число рассматриваемых управляющих воздействий Первый столбец – без 12САПР, второй столбец – с САПР Рис. 5. Диаграмма усредненных оценок для процесса проектирования систем управления температурой на участках технологических линий ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ В ходе выполнения исследований получены результаты, обеспечивающие решение крупной научно-технической проблемы, имеющей важное значение для отечественной промышленности и хозяйства: создание теоретических основ для построения систем автоматического синтеза схем технического обеспечения АСУТП и применения методов автоматизированного проектирования при его разработке, позволяющих осуществить автоматизацию и интеллектуализацию решения задач технической реализации функциональной структуры АСУТП, а именно: для предложенной и запатентованной автором функциональной структуры системы управления непрерывной технологической линией, предназначенной для реализации как типовых законов регулирования, так и методов адаптивного управления и относящейся к широко распространенным АСУТП малой информационной мощности с радиальной организацией связей на локальном уровне, разработаны:

1. Комплекс моделей и методов, позволяющих исследовать влияние вариаций технической реализации функциональной структуры на технико-экономические показатели АСУТП на основе построения и преобразования графовых моделей функциональной структуры, отражающих процесс создания и детализации межэлементных связей при рассмотрении ограничений в виде бинарных запретов на сочетание структурных элементов технического обеспечения АСУТП.

2. Методика создания моделей знаний на базе методов интроспекции, искусственного интеллекта, инженерии знаний, предусматривающая использование в качестве эксперта компьютерной системы и включающая алгоритмы формирования и обобщения понятий; извлечения и расширения знаний; систематизацию межэлементных отношений с выделением класса композиционных отношений.

3. Модели технического обеспечения АСУТП для информационных массивов САПР в виде иерархического описания уровней: системного, подсистем, цепей, приборного с организацией межуровневых переходов на базе отношений «часть-целое», раскрытием каждого уровня с использованием отношений «родвид», «иметь свойства», «иметь значения свойств» отличающаяся рассмотрением на системном и приборном уровнях классов свойств, характеризующих удобство проектирования АСУТП и особенности программирования технических средств и выражением свойств функционального назначения элементов через свойства передаваемых в цепи сигналов. Примеры моделей технических средств автоматизации в виде теоретико-множественных описаний свойств датчика температуры, клеммного соединителя, промышленного малоканального контроллера, дополненные методикой снижения размерности пространства свойств и логической системой обобщенных операций при программировании.

4. Методика автоматизированного проектирования технического обеспечения АСУТП и заложенные в ее основу: дедуктивная система для описания эвристических приемов, используемых в процессе проектирования; алгоритмы синтеза и анализа вариантов технической реализации функциональной структуры, предусматривающие поиск эффективного и корректировку типовых проектных решений на основе автоматической генерации межэлементных связей и анализа чувствительности приведенных затрат к вариациям управляющих воздействий и обеспечивающего их реализацию технического обеспечения с учетом значений критериев управления, свойств АСУТП и ее элементов.

5. Формальная система для построения функциональных схем, модели и алгоритмы разработки и 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.

6. Архитектура, методики применения и программная реализация компьютерного комплекса отражающие связь прикладного и представительного уровней САПР с физическим уровнем АСУТП, обеспечивающие автоматизацию и интеллектуализацию решения задач разработки схемных решений по технической реализации функциональных цепей АСУТП, являющиеся частью интерактивной среды для разработки моделей, ввода инженерных знаний и позволяющие осуществить визуализацию процедуры «анализ через синтез».

7. Алгоритм диагностики семантических ошибок на начальных стадиях проектирования, предусматривающий последовательную проверку при разработке функциональных и принципиальных схем ограничений на совместимость элементов, входящих в состав определенных контура и цепи, набор учебнотренировочных заданий для обучения автоматизированному проектированию технического обеспечения АСУТП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ:

в изданиях, рекомендованных в перечнях бюллетеней ВАК РФ (БВАК) 1. Ахремчик О. Л. Программная система для анализа технических решений при проектировании //Программные продукты и системы.- 2009.- №1, с. 29 - 31. (по перечню БВАК 2008 - №4, с. 51) 2. Ахремчик О. Л. Особенности моделей средств автоматизации для диагностики семантических ошибок при проектировании // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2009.- №4, с. 17-20 (по перечню БВАК 2008 - №4, с. 49) 3. Ахремчик О. Л. Описание датчиков при автоматизированном проектировании систем управления технологическими объектами // Датчики и системы. - 2009.- №4, с. 1821 (по перечню БВАК 2008 - №4, с. 25) 4. Ахремчик О. Л. Программная система функционального проектирования аппаратных комплексов АСУТП // Программные продукты и системы. - 2007. - №2, с. 39 - 41.

(по перечню БВАК 2007- №1, с. 30) 5. Ахремчик О. Л. Исследование приборного ряда регуляторов температуры для биомедицинских приложений// Известия Таганрогского государственного радиотехнического университета. - 2006. - № 11 (66), с. 36 - 38. (по перечню БВАК 2005- №4, с. 11) 6. Ахремчик О.Л. Представление клеммных соединителей при решении задач автоматического синтеза схем АСУТП // Автоматизация в промышленности. – 2008. - №12, с.

64 - 66. (по перечню БВАК 2008 - №4, с. 2) 7. Ахремчик О. Л. Основы технологии построения моделей объекта проектирования для дистанционного обучения// Известия Томского политехнического университета. - 2007. - N 1 (Т. 310), с. 290 - 294. (по перечню БВАК 2005-№4, с. 11, принята к печати в октябре 2006г.) 8. Ахремчик О.Л. Унификация разработки функциональных схем АСУ// Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006. - №9, с. 9 - 11. (по перечню БВАК 2005- №4, с. 17) 9. Ахремчик О. Л. Некоторые тенденции в области создания и применения промышленной автоматики // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006- №11, с. 4 - 7. (по перечню БВАК 2005 - №4, с. 17) 10. Ахремчик О. Л. Особенности логической структуры системы управления на базе малоканального контроллера// Промышленные АСУ и контроллеры. - 2006.- № 4, с.37 - 39. (по перечню БВАК 2005- №4, с. 17) 11. Ахремчик О. Л. Модель промышленного малоканального контроллера// Промышленные АСУ и контроллеры. - 2005. - № 12, с. 51 - 54. (БВАК 2005- №4, с. 17) 12. Ахремчик О.Л., Сердобинцев С.П. Способ управления процессом дефростации мороженых пищевых продуктов. Патент России, N 2016518// Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели».- 1994.-№ 14, с. 9. (по перечню БВАК 2002-№1, с. 11) 13. Ахремчик О. Л., Сердобинцев С.П. Линия для производства пресервов из разделанной рыбы. А.С. N 1824151// Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели».- 1993.-№ 24, с. 19. (по перечню БВАК 2002-№1, с. 11) Монографии 14. Ахремчик О. Л. Эвристические приемы проектирования локальных систем автоматизации. - Тверь, издательство Тверского государственного технического университета, 2006. – 160 с.

15. Филатова Н. Н., Ахремчик О. Л., Вавилова Н. И. Проектирование тренажерных комплексов для технического образования. - Тверь, издательство Тверского государственного технического университета, 2005. – 160 с.

Программы для ЭВМ 16. Система проектирования функциональных схем/Филатова Н. Н., Бодрин А. В., Ахремчик О. Л., Куприянов О. В. Программа для ЭВМ № 2007612724.- Зар. в реестре программ для ЭВМ 22.06.07.

17. Технические средства автоматизации/Филатова Н. Н., Бодрин А. В., Ахремчик О.

Л., Куприянов О. В. База данных № 2007620224. - Зар. в реестре баз данных 27.06.07.

18. Филатова Н. Н., Бодрина Н. И., Ахремчик О.Л. Техническая реализация схем автоматизации. Программа для ЭВМ № 2008610006.- Зар. в реестре программ для ЭВМ 9.01.08.

Публикации в других изданиях, сборниках трудов, материалах конференций 19. Ахремчик О. Л. Учет свойств программируемых контроллеров при автоматизированном проектировании систем автоматизации // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2009.- №2, с. 44-48.

20. Ахремчик О.Л. Применение математических методов при разработке интеллектуальных САПР // Сб. трудов 22 межд. конф. "Математические методы в технике и технологиях".– Псков, 2009.- Т. 6. С.44-47.

21. Ахремчик О.Л. Снижение размерности пространства свойств промышленного контроллера // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2008.- №3, с. 42-44.

22. Ахремчик О.Л. Перспективы класса малоканальных контроллеров и развитие методов проектирования систем управления на их базе// Материалы российской конф. с межд. участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения УКИ’08». – Москва, ИПУ РАН, 2008. С. 15-23. Ахремчик О.Л. Основы построения интеллектуальной системы для разработки технического обеспечения АСУТП//Труды 8 межд. симпозиума «Интеллектуальные системы INTELS 2008».- М.: Русаки, 2008. С. 219-221.

24. Ахремчик О.Л. Построение моделей синтеза схемных решений по автоматизации технологических процессов // Сб. трудов 21 межд. конф. "Математические методы в технике и технологиях".– Саратов, 2008.- Т. 6. С.206-208.

25. Ахремчик О.Л. Использование приборов "Термодат" для получения динамических характеристик тепловых объектов // Промышленные АСУ и контроллеры. - 2007.- №2, с. 36 - 38.

26. Ахремчик О. Л. Оценка возможностей применения модификаций технических средств автоматизации при построении АСУТП// Сб. материалов 4 межд. конф. "Методы и средства управления технологическими процессами", Саранск, изд-во МордГУ, 2007.- С.163-165.

27. Ахремчик О.Л. Подход к созданию информационной базы в области технического обеспечения АСУТП // Материалы 6 научно-практ. конф. "Современные информационные технологии в науке, образовании и практике". – Оренбург, 2007. - С. 423-424.

28. Ахремчик О.Л. Формальная система для функционального проектирования технического обеспечения АСУТП// Сб. трудов 20 межд. конф. "Математические методы в технике и технологиях", Ярославль, изд-во ЯГТУ, 2007.- Т. 7. С.180-181.

29. Ахремчик О. Л., Филатова Н. Н. Построение тренажерного комплекса для обучения проектированию АСУТП// Труды 22 межд. научн-техн. конф."AIS'07" и "CAD07". – Москва, Физматлит, 2007. Т.1. С. 224 -228.

30. Филатова Н. Н., Ахремчик О. Л., Куприянов О. В. Автоматический синтез функциональных схем// Сб. материалов XIII межд. конф. KDS, Varna, Bulgary. – Sofia, FOI ITHEA, 2007. V1. P. 338-345.

31. Ахремчик О. Л. Выделение классификационных признаков данных для интеллектуальных учебных САПР// Материалы 8 Всероссийской научно-техн. конф. "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ, изд-во ВСГТУ, 2007. – С. 217-218.

32. Ахремчик О. Л. Интроспективная методология в парадигме извлечения специальных знаний для обучения специалистов по проектированию// Материалы межд. научно-практ. конф. «Качество образования: системы, технологии, инновации», Барнаул, изд-во АлтГТУ, 2007. – С. 169-170.

33. Ахремчик О. Л. Построение таксономии "элементы" для интеллектуальных систем автоматизированного проектирования// Сб. трудов IX межд. конф. "Интеллектуальные системы и компьютерные науки", Москва, изд-во мех. мат. факультета МГУ, 2006. – Т.2, Ч. 1. С. 51-53.

34. Ахремчик О. Л. Система автоматизации как составляющая машин сельскохозяйственного назначения// Сборник трудов межд. XIII научно-техн. конф. «Машиностроение и техносфера XXI века». – Донецк: ДонНТУ, 2006. Т.1. С. 55 – 58.

35. Akhremchik O. L. Designing of the computing system for the automated control of production processes // The materials of IFIP world conference on perspectives on soviet and russian computing, 3 – 7 July 2006, Russia, Petrozavodsk, 2006. – Part 1. Р. 112 – 115.

36. Ахремчик О. Л. Задачи перехода к формальным процедурам при функциональном проектировании систем управления// Сб. труд. X межд. научно-практ. конф. «Системный анализ в проектировании и управлении».- С.-Петербург, изд-во политехнического университета, 2006. – С. 152 - 154.

37. Ахремчик О. Л. Формирование иерархий для проектирования систем управления технологическими процессами// Сб. тез. докладов 2 межд. конф. по когнитивной науке CogSci2006.–С.-Пб., С.-Петербургский гос. университет, 2006. – Т. 2. С.565–566.

38. Akhremchik O. L., Kiselev A. N., Gromilin V.A. Designing of the automated monitoring system of the electric power for a hothouse enterprise/ / Proc. of 5th international Carpatian control conference IССС2004, Zakopane, Poland, May 25-28, 2004.-V. 2. - Р. 205-208.

39. Ахремчик О.Л. Выбор интерфейса физического уровня открытых систем// Сб. научных трудов "Программные и технические средства медико-биологических и технических систем". - Тверь, 1998. - С.96-98.

40. Ахремчик О. Л., Сердобинцев С. П., Семенов А. А. Автоматизация линии по производству пресервов// Рыбное хозяйство.- 1992.- № 5, с. 35-37.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.