книги / Проектирование систем управления технологическими процессами и производствами

-в конструкция DO WHILE проверяются как условия повто­ рения цикла, так и условия прекращения цикла;

-в конструкциях CASE проверятся каждое условие вы­

полнения.

Обычно контрольный лист имеет вид, представленный на рис. 6.12.

Программа (модуль):		Дата:
		Автор:
№	Описание проверки	Файл/запись	Дата проверки
проверки

Рис. 6.12. Контрольный лист тестирования модуля

Существуют три альтернативных варианта тестирования: нисхо­ дящее, восходящее и раздельное. Они отличаются порядком кодирования модулей и процедурой передачи данных тестируемым компонентам с использованием модулей-заглушек.

Модули-заглушки имитируют работу реальных модулей. Модулизаглушки обычно содержат описание данных для связи с тести­ руемыми компонентами, описание ввода данных, переданных моду­ лю, и описание возвращения данных в вызывающую программу.

Нисходящее тестирование

В соответствии с принципом нисходящего проектирования первым кодируется управляющий модуль. Вместо всех модулей второго уровня ставятся модули-заглушки. Производится тестиро­ вание управляющего модуля с привлечением файлов, назначенных ему операторами управления заданием, и модулей-заглушек. После отладки управляющего модуля модули-заглушки второго уровня расширяются до их полной спецификации, а вместо всех модулей третьего уровня ставятся модули-заглушки. Производится тестирова­ ние модулей второго уровня с помощью данных, передаваемых через управляющий модуль, и с использованием заглушек для модулей третьего уровня. Так процесс тестирования по нисходящему прин­ ципу тестирования продолжается до полного кодирования и тестиро­

вания всех модулей. Достоинством нисходящего тестирования явля­ ется то, что при тестировании модулей нижних уровней данные проходят через всю программу и поэтому специального комплексного тестирования программы не требуется.

Восходящее тестирование

Принцип восходящего проектирования и соответственно тести­ рования логически противоположен принципу нисходящего тести­ рования. Используется в тех случаях, когда программа состоит из отдельно компилируемых физических модулей. При использовании восходящего принципа первыми кодируются и с помощью программтестировшиков вызывающих модулей тестируются физические мо­ дули нижнего уровня. Имитация вызывающих модулей ведется при помощи программ-тестировщиков, которые имитируют работу вызы­ вающих модулей и обеспечивают передачу данных в тестируемый физический модуль. После того как оттестированы нижние модули, тестируются физические модули следующего за ним верхнего уровня, причем совместно с только что проверенными модулями нижнего уровня. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будут оттес­ тированы все физические модули. Управляющий модуль тестируется последним.

Проведение комплексной отладки программы

Программа тестируется как единое целое, а не как совокупность отдельных модулей. Все тестовые данные используются одновре­ менно. Основное достоинство этого метода —его простота. Простота тестирования определяется отсутствием модулей-заглушек и про­ грамм-тестировщиков.

Принцип тестирования выбирают исходя из трудозатрат на проверку программы и расхода машинного времени.

Локализация и исправление ошибок

При обнаружении в программе ошибки ее необходимо локализо­ вать и исправить. После локализации ошибки целесообразно внима­ тельно проверить весь модуль: возможно, локализованная ошибка спровоцирует следующие. Если корректировка ошибки требует серьезных изменений, то необходимо проанализировать весь текст программы и заново провести тестовые испытания программы в полном объеме.

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

7.1.Основные понятия автоматизированных систем управления технологическими процессами

Динамический компонент - это компонент для отображения состояния технологических переменных или для изменения их.

Мнемоническая схема - это совокупность сигнальных устройств и сигнальных изображений оборудования и внутренних связей контролируемого объекта, размещаемых на диспетчерских пультах, специальных панелях или выполненных на персональном ком­ пьютере. Облегчает запоминание структуры объекта, контроль режи­ мов его действия и управление им. Применяется на промышленных предприятиях, в энергетических системах и др.

Программируемый логический контроллер (ПЛК) - это элект­ ронное устройство, содержащее в составе один или несколько микро­ процессоров, модули памяти, порты ввода/вывода, предназначенное для сбора данных о состоянии технологического процесса, а также для автоматического управления им.

Программный компонент - это часть программного обеспечения, модуль, подсистема, которая выполняет ясную функцию, имеет ясную границу и может быть интегрирована в чётко определённой архи­ тектуре.

Технологическая переменная ш и Тэг - это переменная в базе данных реального времени, содержащая значение одного из технологических параметров, снимаемого с датчика, или несущая дополнительною информацию.

Технологический процесс - это процесс обработки или перера­ ботки (изменения состояния, свойств, формы) сырья, материалов и полуфабрикатов в процессе производства продукции.

ActiveX - это торговая марка компании Microsoft для технологий, которые предоставляют возможности взаимодействия между прило­ жениями, использующими технологию СОМ. Технология ActiveX также включает OLE автоматизацию.

ActiveX Data Objects - это набор объектов доступа к данным без иерархической библиотеки объектов. ADO позволяет писать клиент­ ские приложения для доступа и управления данными в сервере баз данных через провайдера (интерфейс БД).

Component Object Model (COM) - это открытая архитектура для кросс-платформенных разработок приложений клиент-сервер. Бази­ руется на объектно-ориентированной технологии от компаний Digi­ tal Equipment и Microsoft.

Distributed COM - это технология, предоставляющая возмож­ ность взаимодействия между приложениями по сети персональных компьютеров. DCOM независимый по отношению к языкам программирования, поэтому любой язык, который может создавать ActiveX элементы, может создавать приложения DCOM.

Open Database Connectivity (ODBC) - это стандартный протокол доступа к серверам баз данных.

Object Linking and Embedding (OLE) - это объектная технология для скрытия информации и предоставления сервисов по взаимо­ действию между процессами и компьютерами.

ОРС (OLE for Process Control) - этсГ стандартный механизм доступа программных приложений к данным технологического процесса. Механизм основан на технологии взаимодействия между приложениями COM/DCOM. Архитектура - клиент/сервер.

ОРС DataAccess сервер - это программное приложение, выпол­ няющее предоставление возможности обмена данными с устрой­ ствами технологического процесса в реальном времени клиентским приложениям по интерфейсам ОРС DA.

ОРС Alarms&Events сервер - это программное приложение, выполняющее оповещение клиентских приложений о критических и аварийных ситуациях по интерфейсам ОРС А&Е.

ОРС Historical DataAccess сервер - это программное приложение, выполняющее предоставление данных из архива истории изменения параметров технологического процесса по интерфейсам ОРС HDA.

ОРС-клиент - это приложение, которое имеет возможность осуществлять взаимодействие с ОРС-сервером.

Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) - это система супервизорного управления и сбора данных. Система управления и мониторинга, содержащая программно-аппаратные средства, взаимо­ действующие между собой через локальные и глобальные сети,

SQL (Structured Query Language) - это язык запросов и програм­ мирования в базах данных.

7.2. Классификация промышленных технологических объектов управления

По характеру протекания технологических процессов объекты управления делятся на:

-циклические;

-непрерывно-циклические;

-непрерывные.

Локальные системы наиболее широко применяются для управ­ ления объектами второго и третьего типов.

По характеру установившегося значения выходной величины объекта при действии на его вход ступенчатого сигнала выделяют объекты с самовыравниванием и без самовыравнивания.

По количеству входных и выходных величин и их взаимосвязи объекты делятся на:

-одномерные (один вход и один выход);

-многомерные.

Последние могут быть многосвязными, когда наблюдается взаим­ ное влияние каналов регулирования друг на друга, либо несвязными, когда взаимосвязь между каналами мала.

Статические характеристики объекта управления определяют связь между установившимися значениями входа и выхода объекта. По виду статических характеристик объекты делятся на линейные и нелинейные. В последних статическая характеристика может быть гладкой, линеаризуемой в окрестности заданной точки, либо носить существенно нелинейный характер. При наличии в объекте несколь­ ких нелинейностей графическим методом определяется его суммар­ ная нелинейная характеристика. Большинство систем регулирования относится к классу систем автоматической стабилизации режима работы объекта относительно его рабочей точки (относительно номи­ нального режима работы). В этом случае в процессе работы отклоне­ ния переменных относительно рабочей точки будут малы, что позво­ ляет использовать линейные модели объекта управления. Однако при смене рабочей точки происходит изменение коэффициента усиления о&ьекта, что будет негативно влиять на динамику замкнутой системы.

Для систем автоматической стабилизации не обязательно опреде­ ление полной статической характеристики объекта. Достаточно знать лишь динамический коэффициент усиления в окрестности рабочей

точки. В то же время на некоторых объектах управления необходимо знание всей статической характеристики процесса. Если она носит нелинейный характер, то с целью стабилизации общего коэффициента усиления системы в замкнутый контур включают дополнительную нелинейность, обратную статической характеристике объекта. На практике такой подход реализуется путем использования регулиру­ ющих клапанов с различными видами расходной характеристики.

Реальные объекты занимают в пространстве какой-либо объем, поэтому регулируемая величина зависит не только от времени, но и от текущих координат точки измерения. Полное описание объекта управления будет состоять из системы дифференциальных уравнений с частными производными. При использовании точечного метода из­ мерения одним датчиком, система дифференциальных уравнений с частными производными переходит в систему уравнений с обычными производными. Это существенно упрощает построение матема­ тической модели объекта, позволяя определить его передаточную функцию. Однако при наличии множества датчиков, распреде­ ленных, например, по длине объекта, может возникнуть необхо­ димость использования множества управляющих сигналов (распре­ деленное управление).

Объекты могут быть как стационарные, так и нестационарные. В нестационарных объектах параметры изменяются с течением времени (дрейфуют). Примерами таких объектов могут быть хими­ ческий реактор с катализатором, активность которого падает с тече­ нием времени, или аэрокосмический аппарат, масса которого по мере выгорания топлива уменьшается. Такие явления должны учитываться при проектировании соответствующих систем управления.

В зависимости от интенсивности случайных возмущений, действующих на объект, они делятся на стохастические и детерми­ нированные. В реальных условиях часто точно неизвестны ни точка приложения возмущения F, ни его характер (рис. 7.1).

i	F
Объект		х
у п р а в л е н и я		-------------^

Рис. 7.1. Внешние возмущения в объектах управления

Известно, что лишь при наличии достаточно точной математичес­ кой модели объекта можно спроектировать высококачественную систему управления этим объектом. Причем, согласно принципу Эшби, сложность управляющего устройства должна быть не ниже сложности объекта управления. Поэтому основной целью построения математической модели объекта управления является определение структуры объекта, его статических и динамических характеристик. Особенно важно определение структуры для многомерных и многосвязных объектов управления. В то же время для локальных объектов управления определение струкгуры может быть сведено к определению порядка дифференциального уравнения, описывающего объект. Кроме того, оцениваются входные сигналы и возмущения, действующие на объект (их статистические характеристики, точки приложения, максимальные амплитуды). Значение этих хара­ ктеристик позволяет выбрать структуру регулятора и рассчитать пара­ метры его настройки, ориентируясь также на критерий качества работы этой системы.

Наряду с динамической частью W(p) в структуре объекта могут содержаться различные запаздывания в сигналах управления, измерения и состояния (рецикла) (рис. 7.2).

*
1		е~Ьр	Y(p)
(
^ управление	^ ЩР)	^ измерение
А
	,-тр
	рецикл

Рис. 7.2. Объект управления с запаздыванием

В промышленных объектах под рециклом понимается возврат части продукта с выхода объекта на его вход с целью повторной пе­ реработки. Большинство промышленных объектов управления имеют запаздывания. Наличие запаздывания объясняется конечной ско­ ростью распространения потоков информации в технологических объектах (транспортное запаздывание). Наряду с этим при пони­ жении порядка модели объекта вводят дополнительное динамическое

запаздывание. Для этого выделяют одну наибольшую постоянную времени, а все остальные малые постоянные времени заменяют звеном динамического запаздывания.

Существуют аналитические, экспериментальные и комбиниро­ ванные методы получения математического описания объектов управления.

Аналитические методы базируются на использовании уравнений, описывающих физико-химические и энергетические процессы, про­ текающие в исследуемом объекте управления. Это, например, законы сохранения вещества и энергии (уравнения материального баланса). В настоящее время для многих классов объектов управления полу­ чены их математические модели: в частности для аэрокосмических объектов (ракет, самолетов, вертолетов), для технологических объектов (химические реакторы), для энергетических процессов (ядерные реакторы, паровые турбины, генераторы, двигатели). При получении таких описаний обычно оперируют с дифференциальными уравнениями в частных производных, так как переменные изме­ няются как во времени, так и в пространстве.

Экспериментальные методы предполагают проведение серии экспериментов на реальном объекте управления. Обработав резуль­ таты экспериментов, оценивают параметры динамической модели объекта, задавшись предварительно ее структурой.

Наиболее эффективными оказываются комбинированные методы построения математической модели объекта, когда, используя аналитически полученную структуру объекта, ее параметры опре­ деляют в ходе натурных экспериментов.

7.3. Проектирование автоматизированных систем управления технологическими процессами

Проектирование (разработка) автоматизированной системы управления технологическими процессами включает в себя:

-изучение объекта автоматизации;

-разработку и согласование с заказчиком технического задания

на систему автоматического управления; - выбор оптимального по критерию “цена - качество” состава

технических средств, необходимых для решения поставленной задачи (приборов, датчиков, исполнительных механизмов, средств сбора и

обработки информации, средств для реализации человеко-машинного интерфейса), и составление заказной спецификации;

-разработку проектной документации (схемы автоматизации, электрических принципиальных схем и схем соединений, чертежей видеокадров, схем компоновки оборудования, описания базы данных системы, алгоритмов управления);

-разработку программ, реализующих алгоритмы управления технологическим оборудованием (нижний уровень управления) и алгоритмы сбора и обработки информации (верхний уровень управ­ ления);

-поставку оборудования, согласно заказной спецификации;

-монтажные и пуско-наладочные работы.

7.4.Определение надежности автоматизированных систем управления технологическими процессами

На сегодняшний день применение средств автоматизации тех­ нологических процессов очень широко распространено практически во всех отраслях промышленности. Возникает необходимость повы­ шения точности показаний датчиков, их нормальной работо­ способности, качественного и бесперебойного слежения и управления технологическими процессами.

Для начала необходимо выяснить, что представляет под собой надежность, как и чем она описывается.

Под элементом в теории надежности понимают некоторое само­ стоятельное техническое устройство, рассматриваемое в данной за­ даче как единое целое. Так, например, при исследовании надежности АСУТП к числу элементов можно отнести датчики, преобразователи сигналов, аналоговые регуляторы, микроконтроллеры, управляющие ЭВМ исполнительные механизмы и т.п. Каждое из перечисленных устройств может быть разделено на ряд более мелких узлов и деталей, но в соответствии с договоренностью при исследовании надежности АСУТП эти устройства считают неделимыми и называют элементами системы.

Системой в теории надежности называют несколько вза­ имодействующих между собой элементов, соединенных оп­ ределенным образом для выполнения тех или иных системных функций.

Понятия элемента и системы носят условный, договорной харак­ тер: каждый элемент может рассматриваться как система при более детальном изучении его надежности; каждая система может оказаться элементом при решении более “масштабных” задач надежности. АСУТП может рассматриваться как “элемент” автоматизированной системы управления предприятием.

Надежность элемента, понимаемая как его способность выпол­ нять заданные функции в течение определенного отрезка времени, в указанных условиях эксплуатации, базируется на определениях безотказности (работоспособности, исправности) и отказа.

Пусть поведение конкретного элемента в процессе его эксплу­ атации характеризуется набором ряда координат или переменных

Уг У? —' Уг —'У* изменяющихся во времени t под действием некоторых контролируемых факторов {xt x r ...f хJ = хк и большого числа неизвестных и (или) неконтролируемых переменных

Элемент можно назвать работоспособным (исправным), если в данный момент времени / при хкеХ справедливы неравенства:

y;<=y fi)<=yf. ‘ =1.... п-

( 7 -1)

где у:, у} - нижняя и верхняя грани допустимых или “нормальных” флуктуаций^, при вариациях в е к т о р а в заранее указанной области X (граниу:,у.' I = и X обычно оговариваются в технических условиях или паспортах элемента).

Например, стабилизатор напряжения переменного тока можно считать работоспособным, если при вариациях входного напряжения Xj в области Х= [180, 260]В выходное напряжение у удовлетворяет неравенству 210<=у<=230В. Помимо контролируемого внешнего факторах1напряжение^ зависит от неконтролируемых переменных - температуры х2 и влажности х3 окружающей среды, частоты переменного тока х4и т.п.

Автоматическая система регулирования (АСР), являясь неотъ­ емлемой частью АСУТП, считается работоспособной, если при сту­ пенчатых возмущениях по нагрузке xI в {x j,x +} и малых изменениях коэффициента усиления объеета х2 выходная координата у не будет выходить за границы интервала [у,у*], где у* - у - диапазон допус­ каемых технологическим регламентом изменений у (необходимо отметить, что и в данном примере у зависит не только от xJt ху но и 170