Конструирование виртуальных технологических процессов для системы компьютерной поддержки подготовки инженеров-системотехников

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах

Конструирование виртуальных технологических процессов для системы компьютерной поддержки подготовки инженеров-системотехников

Панфилов Александр Эдуардович

Астрахань 2007

Работа выполнена в Волгоградском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Камаев Валерий Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Халилов Абдурахман Исмаилович

кандидат технических наук, доцент Ветрова Анжелика Амировна

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет»

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ.212.009.03 д.т.н., профессор И.Ю. Петрова

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы

Одним из эффективных направлений использования вычислительной техники является создание виртуальных (компьютерных) средств для обучения, в том числе моделей и тренажеров различного назначения.

Распространенные виды тренажеров, применяемых в обучении студентов - системотехников, используются для получения и отработки практического опыта управления технологическими процессами (ТП). Такие тренажеры отвечают потребностям подготовки студентов к работе в производственных условиях, но мало пригодны для приобретения квалификации в творческих вопросах разработки теоретических аспектов автоматизированного управления и проектирования систем автоматизации. Тренажеры, позволяющие студентам получить навыки работ такого характера, в практике подготовки студентов-системотехников в настоящее время отсутствуют.

Сферы профессиональной деятельности и спрос на специалистов в области проектирования АСУТП интенсивно расширяются в связи с быстрым ростом объемов производства и необходимостью его интенсификации. Но в кризисные 90-е годы традиции и опыт проектирования АСУТП оказался во многом утраченным, кадровый состав проектных институтов был ослаблен, и выпускники вуза, приступая к работе в проектной организации, не всегда могут рассчитывать на помощь более опытных коллег. Поэтому имеется объективная потребность в модернизации процесса подготовки студентов к проектированию АСУТП.

Традиционная методика подготовки специалистов в вопросах проектирования АСУТП недостаточно эффективна. Студенты даже после прослушивания лекционного курса и выполнения лабораторных, практических и курсовых работ часто обнаруживают, что без помощи старших специалистов им трудно самостоятельно сформулировать цели, критерии и принципы управления объектом, если аналог проекта АСУТП или типовые проектные решения отсутствуют. Наибольшие трудности вызывает самая творческая часть работы - формулирование цели, критериев и состава задач автоматизации и определение степени охвата технологических и производственных процессов контуром автоматизации. Другой трудностью является ограничение доступа для исследования студентами реальных ТП.

Трудности, указанные выше, могут быть частично преодолены на базе создания и внедрения в учебную практику своеобразных тренажеров, направленных, в отличие от распространенных, не на моделирование реальных объектов, а на имитацию обстановки, в которой происходит принятие проектных решений на основе последовательного ознакомления студентов с задачами обследования ТП, с выявлением потребности в автоматизации ряда задач, с обоснованием эффекта от автоматизации, с выбором идеи и алгоритмов управления.

Перспективы создания таких специализированных тренажеров затруднены недостаточной разработанностью научных основ построения виртуальных технологических процессов, структура и свойства которых были бы, с одной стороны, достаточно универсальными (чтобы научить студентов общим приемам проектирования АСУТП) и, с другой стороны, обладали уровнем сложности и разнообразия, делающими процесс принятия проектных решений нетривиальным. Ряд вопросов разработки научных основ построения виртуальных технологических процессов для использования в обучении проектированию АСУТП рассматривается в представляемой работе.

Цель работы

Повышение эффективности и качества подготовки инженеров-системотехников в вузах, что позволит повысить востребованность выпускников на рынке труда и готовность их выполнять квалифицированные работы по проектированию АСУ.

Для достижения цели решены следующие задачи:

Формирование множества задач учебных дисциплин специализации инженеров-системотехников для выявления и систематизации особенностей технологических объектов, отвечающих целям обучения проектированию систем автоматизации;

Анализ и классификация требований к виртуальным технологическим объектам и комплексу для конструирования виртуальных ТП, необходимых для эффективного применения при обучении проектированию АСУТП;

Разработка метода автоматизированного конструирования виртуальных ТП для заданных задач;

Разработка программного комплекса по конструированию и имитационному моделированию виртуальных ТП;

Анализ и выбор основных программных средств и информационных технологий для построения интерфейсов оператора ТП и интерфейса согласования систем управления ТП;

Разработка методики обучения студентов-системотехников основам и приемам проектирования АСУТП с использованием комплекса виртуальных ТП.

Методы исследования

Разработка методики обучения студентов основам проектирования АСУТП базируется на требованиях образовательного стандарта высшего профессионального образования подготовки инженеров по направлению 654600 - «Информатика и вычислительная техника». При разработке комплекса виртуальных ТП использовались методы имитационного моделирования, теории вероятности, теории автоматического управления. В разработке программного обеспечения использовалась технология объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна

Новизна диссертационной работы заключается в следующих положениях, выносимых автором на защиту:

Предложен подход использования виртуальных ТП, ориентированный на получение и закрепление приемов и навыков решения задач проектирования АСУТП;

Предложен метод автоматизированного конструирования виртуальных ТП с использованием множества задач учебных дисциплин, позволяющий улучшить изучение акцентированных положений учебной дисциплины;

Разработана модель технологического объекта ТП, обеспечивающая возможность исследования различных вариантов структур и алгоритмического обеспечения задач АСУТП на основе конструирования виртуального ТП;

Разработан алгоритм расчета модели ТП, позволяющего учитывать время запаздывания в технологических объектах ТП, тем самым, обеспечивая исследования для проектирования систем управлений распределенными ТП.

Практическая значимость

Результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, могут быть применены в сфере образования при обучении проектированию АСУТП.

Реализация и внедрение результатов работы

Разработанный комплекс виртуальных ТП используется в учебном процессе Волгоградского государственного технического университета и его филиале - Камышинском технологическом институте при изучении учебных дисциплин: «Проектирование АСОИУ», «Междисциплинарный курсовой проект», «Алгоритмическое обеспечение АСОИУ», «Локальные системы управления», «Специальные главы кибернетики», «Основы теории управления», «Моделирование систем». Разработанная методика обучения студентов-системотехников приемам проектирования АСУТП на основе комплекса виртуальных ТП используется при проведении лабораторных практикумов, в курсовом и дипломном проектировании, для моделирования ТП и систем регулирования ТП.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на VIII Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград 2003), XI, XII, XIII международных конференциях «Математика. Компьютер. Образование» (Дубна 2004, Пущино 2005, Дубна 2006), II, III Всероссийской конференции «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2004, Камышин 2005), Первом Саратовском Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов 2005, работа получила 3 призовое место и бронзовую медаль), конкурсе научно-методических работ в Волгоградском государственном техническом университете (Волгоград 2005, работа получила второе призовое место), международной конференции «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград 2006).

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 5-х статьях и материалах конференций, в том числе 2 публикация в центральной печати. Всего по теме диссертации опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 128 страницах. Диссертация содержит 17 рисунков, 7 таблиц, список литературы из 97 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов.

2. Основное содержание работы

Во введении показаны актуальность и практическая значимость исследования, изложены задачи диссертационной работы, представлены полученные автором основные научные результаты и положения, вынесенные на защиту, сведения об апробации работы и о структуре диссертации.

В первой главе изложены результаты анализа обучающих систем и существа проблемы обучения проектированию АСУТП.

Проведен анализ публикаций, посвященный компьютерным обучающим системам, в частности, компьютерным тренажерам. Научные проблемы, связанные с исследованиями и разработкой программного и аппаратного обеспечения компьютерных тренажеров, отражены в работах Соловова А.В., Дозорцева В.М., Чистяковой Т.Б., Довгялло А.М., Marie-Michele Boulet, E. Wayer, P. Brusilovsky и других отечественных и зарубежных ученых.

На данный момент в России и за рубежом, преимущественно в университетах, разработаны сотни моделей ТП, как программных, так и аппаратно-программных, используемых в качестве тренажеров, основное назначение которых - закрепить навыки работы с конкретным ТП. При работе с ними не изучаются вопросы проектирования АСУ (формирование критериев, выбора средств и методов автоматизации, определение необходимых переменных), однако именно они важны для подготовки студентов-системотехников к практической деятельности.

Обучение навыкам проектирования является основной целью подготовки студентов-системотехников, однако традиционные средства ее достижения недостаточно эффективны, в основном, из-за слабости экспериментальной базы и методического обеспечения. Имеющиеся лабораторные стенды с моделями отдельных процессов не позволяют исследовать систему в целом, а эксперименты на действующей системе в современных условиях могут быть проведены лишь в очень ограниченном объеме. Из-за отсутствия конкретных примеров студенты затрудняются в решении вопросов, возникающих практически на всех стадиях разработки проектов АСУТП - от обследования объекта и обоснования состава задач до анализа функционирования системы.

Одной из возможностей научить студентов вопросам, связанным с построением АСУТП, является «погружение» студента в обстановку, приближенную к условиям реального проектирования. Средством, обеспечивающим данный методический прием, является виртуальный ТП, уровень сложности которого отвечает цели обучения проектированию. Под виртуальным ТП будем понимать имитационную модель ТП, структура которого может произвольно варьироваться (согласно требованиям конкретной изучаемой специальной дисциплины), а показатели функционирования и содержательные постановки задач управления допускают интерпретацию на языке реального технологического процесса-прототипа.

Использование виртуальных ТП позволит:

для обучаемых:

детально ознакомиться с применением технологии проектирования АСУТП (от этапа обследования производства до этапа оценки фактических значений показателей качества работы системы) на примере решения содержательной практической задачи;

привить навыки нахождения способа структуризации задачи автоматизации, сформулированной на содержательном уровне, методов ее формализации и алгоритмизации;

стимулировать заинтересованность выпускников в постоянном совершенствовании уровня подготовки в области теории автоматического и автоматизированного управления;

для преподавателей:

эффективно использовать научно-практический опыт, накопленный инженерами-проектировщиками АСУТП и практиками в учебном процессе, посредством формализации этого опыта в виде банка моделей технологических объектов;

производить автоматизированную генерацию различных вариантов рассматриваемого ТП для выдачи персональных заданий обучаемым.

На основании вышеизложенного делается вывод о необходимости разработки метода конструирования виртуального ТП и его программного сопровождения, позволяющего проводить имитационное моделирование сконструированного виртуального ТП для поддержки обучения проектированию АСУТП инженеров-системотехников.

Вторая глава посвящена определению и формированию множества задач учебных дисциплин, методике формального описания ТП и разработке метода автоматизированного конструирования виртуального ТП, с использованием множества задач.

При обучении проектированию АСУТП используются знания из различных смежных учебных дисциплин (Алгоритмическое обеспечение АСОИУ, Моделирование систем, Основы теории управления и др.). Каждая отдельная учебная дисциплина рассматривает АСУТП со своей точки зрения, делая упор на задачах, специфичных данной дисциплине. Для учета этой особенности предлагается конструировать виртуальные ТП под желаемые задачи, которые могут быть исследованы на полученном ТП. Совокупность всех задач, изучаемых в учебных дисциплинах подготовки инженеров-системотехников, образует множество задач.

При определении множества задач учебных дисциплин использовался Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования подготовки инженеров по направлению 654600 - «Информатика и вычислительная техника». В рамках данного направления включены 4 образовательные программы (специальности):

220100 - Вычислительные машины, комплексы, системы и сети;

220200 - Автоматизированные системы обработки информации и управления;

220300 - Системы автоматизированного проектирования;

220400 - Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем.

В результате анализа государственного образовательного стандарта выделены 3 группы задач, при решении которых могут быть использованы виртуальные ТП:

1) задачи, которые решаются с использованием программно реализованной модели ТП (идентификация объекта, выбор системы управления и т.п.);

2) задачи, которые требуют только проверку на программно реализованной модели ТП (задачи, решаемые независимо от программной модели ТП, но результаты или исходные данные которых используются для экспериментов с виртуальным ТП, например, анализ и синтез топологической структуры вычислительной сети);

3) задачи, которые не зависят от программно реализованной модели ТП, но связаны с описанием ТП (качество программного обеспечения, проектирование баз данных, документирование и стандартизация и т.п.).

Выделенное множество задач учебных дисциплин отображается на множество моделей виртуального ТП путем соотнесения каждой модели виртуального ТП множества задач, которые могут быть на ней поставлены.

Технологический процесс - это совокупность взаимосвязанных процессов по получению и переработке сырья и материалов, направленных на изготовление определенной продукции. Структурно ТП состоит из технологических объектов - элементов ТП, под которыми понимаются технологические установки и устройства, агрегаты.

Поскольку в реальном ТП можно выделить отдельные структурные элементы ТП, естественно формировать виртуальный ТП путем компоновки локальных имитационных моделей таких же структурных элементов - элементов виртуального ТП. Однако цели использования математических моделей ТП в реальном проектировании и в обучении проектированию различны. Для целей реального проектирования основным требованием является адекватность моделей реальному процессу. Для целей обучения важно сходство постановок (и, следовательно, сходство методов формализации, алгоритмизации и решения) задач управления, которые могут быть поставлены на виртуальном ТП, с задачами управления реальным процессом-прототипом. Адекватность моделей прототипа и виртуального ТП не только не требуется: с целью обеспечения охвата возможно большего числа позиций обучения основам проектирования АСУТП в виртуальный ТП могут быть включены элементы, не присущие прототипу. Именно в этом состоит главное отличие предлагаемого подхода от известных подходов к построению тренажеров.

Таким образом, общим требованием к виртуальному ТП является обеспечение сходства постановок задач управления виртуальным ТП с задачами управления технологическим процессом-прототипом.

Требование к элементам виртуального ТП состоит в обеспечении возможности автоматизированной компоновки различных вариантов моделей ТП на основе сопряжения элементов виртуального ТП путем унификации их входов и выходов.

Модель элемента i-го виртуального ТП M_ij описывается множеством атрибутов:

M_ij = <S_ij, P_ij, X_ij, C_ij, Z_ij>, j = 1 .. N_i, i = 1 .. Q,

где S_ij - математическая модель функционирования j-го технологического объекта ТП;

P_ij - множество параметров j-ой математической модели (константы в уравнении математической модели);

X_ij - множество переменных (входных, выходных, состояний) j-ой математической модели;

C_ij - множество описательных параметров j-го элемента i-го виртуального ТП (название модели, тип модели, комментарий);

Z_ij - множество задач из множества задач учебных дисциплин, для которых может использоваться j-ая модель;

N_i - количество различных моделей элементов, применяемых для i-го ТП;

Q - количество видов виртуальных ТП.

Для математического описания элементов ТП применяется подход, разработанный Абдулаевым А.А., Алиевым Р.А., Улановым Г.Н., согласно которому ТП рассматривается как система движения и преобразования материальных и энергетических потоков. Согласно этому подходу каждый технологический объект ТП может быть отнесен к звену одного из четырех типов:

- звено-имитатор источник сырья;

- звено-имитатор приемника готовой продукции;

- преобразующее звено, имитирующее процесс на конкретной технологической установке, агрегате;

- интегрирующее звено, имитирующее емкости и склады.

Данный подход позволяет отвлечься от детальных особенностей динамики отдельных агрегатов, полагая их существенно менее инерционными, чем процессы транспортирования материальных потоков и накопления/сработки складов. Соответственно структура АСУТП предполагается многоуровневой, задачи управления малоинерционными агрегатами поручаются локальным системам автоматизации, а основная цель, критерии и функционирование автоматизированного ТП рассматривается без учета их динамики.

Принятый подход представления ТП на базе материальных и энергетических потоков достаточен для обучения проектированию АСУ, так как хорошо описывают медленную составляющую динамики ТП как наиболее важную для выработки основных проектных решений.

Схеме материальных потоков ТП ставится в соответствие некоторый ориентированный граф, вершинами которого являются звенья, а ребра показывают направление движения материальных потоков (рис. 1).

Ребро орграфа из вершины i в вершину j в дискретный момент времени s характеризуется величиной вектора потока - P_ij[s] (расход, состав, температура и т.п.).

Вершина i орграфа в дискретный момент времени s характеризуется величиной вектора потенциала - X_i[s] (запас продукта).

Однако в приведенном подходе не учитывается время запаздывания в передаче материальных потоков от агрегата к агрегату, что является недостатком при применении этого подхода для распределенных ТП.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1. Пример описания ТП через схему материальных потоков

Это устраняется путем расширения аргументов функции описания преобразующего звена:

где u_i[s] - вектор управляющих воздействий на i-ое звено в s-ый такт времени, f_i() - вектор-функция, t₁, t₂ - количество тактов запаздывания по управлению и потокам соответственно, A(i) - множество звеньев, из которых исходящие ребра входят в i-ое звено.

Компоновка виртуального ТП из перечисленного состава звеньев базируется на использовании матрицы сопряжения элементов виртуального ТП.

Соединение элементов (звеньев) виртуального ТП возможно, если выходной поток одного звена совпадает хотя бы по одной составляющей с входным потоком другого звена.

Элементы матрицы сопряжения L = {l_i,j}, i, j = 1 .. N имеют смысл наличия/отсутствия потенциальной возможности соединения между собой моделей элементов ТП M_ik и M_ij. Элементы матрицы сопряжения могут принимать два возможных значения:

= 0, если модели M_ik и M_ij нельзя соединить между собой;

= 1, если выходы модели M_ik можно соединить с входами модели M_ij.

Для конструирования виртуального ТП используется подмножество желаемых задач z_{заданное} из множества всех задач учебных дисциплин Z (z_{заданное} Z), которые можно исследовать на полученном ТП, информация об элементах виртуального ТП и матрица сопряжения элементов виртуального ТП.

Процесс конструирования сводится к задаче поиска цепочек элементов виртуального ТП, отвечающих ограничению на наличие задач z_{заданное}, на орграфе, соответствующем матрице сопряжения (орграфе сопряжения ТП).

Метод конструирования виртуального ТП состоит из четырех этапов:

Для орграфа сопряжения ТП найти кратчайшие пути между всеми парами вершин;



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. Структурно-функциональная модель комплекса виртуальных ТП

2) Для каждой задачи z_i из множества желаемых задач z_{заданное} определить и сгруппировать множества W(z_i) вершин орграфа сопряжения ТП, которые соответствуют задаче z_i (i=1..k, k - количество желаемых задач);

3) Вершины орграфа сопряжения ТП, соответствующие моделям элементов ТП - звеньям-источникам, сгруппировать в множество V;

4) Определить такие вершины v_j V, w_l W(z_i), i = 1..k, которые могут быть соединены единой цепочкой. Данная цепочка и будет одной из найденных структур виртуального ТП, удовлетворяющей желаемым задачам z_{заданное}. Эту структуру виртуального ТП можно использовать для имитационного моделирования ТП.

В третьей главе описана структура программного комплекса и алгоритмы имитационного моделирования виртуального ТП, механизм взаимодействия комплекса со SCADA-системой.

Требования к программному комплексу виртуальных ТП как моделирующей среде:

- обеспечение возможности внесения различных структур и алгоритмов управления исследуемым ТП;

- обеспечение возможности наблюдения изменения параметров исследуемого ТП;

- обеспечение функционирования моделирующей среды в реальном и ускоренном масштабах времени;

- обеспечение открытости среды для использования в ней реализованных и функционирующих программ.

Структурно-функциональная модель комплекса виртуальных ТП включает в себя модуль редактирования БД комплекса, модуль конструирования виртуального ТП, модуль имитационного моделирования виртуального ТП и модуль имитации системы управления (рис. 2).

Посредством модуля редактирования банка данных комплекса (БД комплекса) осуществляется запись информации о формализуемом ТП в банк моделей ТП (БМ ТП) и базу данных сопряжения (БД сопряжения). Данный модуль позволяет просматривать и редактировать данные об уже имеющихся в БД комплекса ТП. Используя этот модуль, можно работать с БД систем управления - добавлять новые модели управления, просматривать и редактировать уже имеющиеся.

Модуль конструирования виртуального ТП, используя информацию из БМ ТП и матрицу сопряжения элементов ТП (БД сопряжения), создает структуру виртуального ТП, с учетом покрытия множества задач z_{заданное}, заданных перед его генерацией (рис. 3).

В соответствии со структурой виртуального ТП и переменных, участвующих в его описании, генерируется файл описания ОРС-тегов (файл формата CSV). Этот файл используется ОРС-сервером для создания ОРС-тегов, соответствующих технологическим переменных виртуального ТП.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3. Алгоритм конструирования виртуального ТП

Модуль имитационного моделирования виртуального ТП занимается пересчетом переменных в уравнениях элементов виртуального ТП, обеспечивая имитацию функционирования данного ТП (рис. 4).

Для расчета модели функционирования элемента виртуального ТП используется трансляция уравнений с представлением на базе бинарного дерева. Пример такого представления приведен на рисунке 5.

Модуль имитации системы управления аналогичен модулю имитационного моделирования виртуального ТП. Он предназначен для пересчета управляющих переменных виртуального ТП в соответствии с уравнением используемого управляющего устройства (регулятора), хранящихся в БД систем управления.

Изменение системного времени s при имитационном моделировании виртуального ТП происходит по «принципу t», то есть системное время виртуального ТП меняется с постоянным шагом t.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. Алгоритм имитационного моделирования виртуального ТП

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5. Представление алгебраического уравнения на базе бинарного дерева

Для возможности изменения масштаба времени функционирования виртуального ТП (ускорения/замедления моделирования) в основной цикл расчета переменных ТП введен программный оператор задержки выполнения программы. Время задержки задается на этапе задания параметров структуры виртуального ТП.

Совместно с разработанным комплексом виртуальных ТП используется SCADA-система. Задача комплекса виртуальных ТП заключаться в конструировании ТП и его дальнейшем имитационном моделировании, а задача SCADA-системы - в отображении, визуализации и архивации технологических данных виртуального ТП.

Для обмена данными между комплексом виртуальных ТП и SCADA-системой используется стандарт ОРС (OLE for Process Control - технология встраивания и внедрения для промышленных процессов). ОРС-сервер как специализированная программа драйвер выступает в качестве передаточного звена между SCADA-системой и комплексом виртуальных ТП (рис. 6) и отвечает за передачу технологических данных виртуального ТП.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 6. Схема взаимодействия комплекса со SCADA-системой

В четвертой главе изложена методика работы с комплексом виртуальных ТП, методика обучения приемам проектирования АСУТП с использованием комплекса виртуальных ТП, а также примеры ее использования.

Разработанный комплекс виртуальных ТП предназначен для создания и имитационного моделирования виртуальных ТП.

При работе с комплексом виртуальных ТП можно выделить три режима:

1) Режим пополнения БД комплекса. Для добавления нового ТП в БД комплекса необходимо: а) выделить структурные элементы ТП; б) для каждого элемента ТП указать соответствующую ему модель элемента виртуального ТП; в) составить матрицу сопряжения элементов виртуального ТП. Формализацию ТП производит эксперт (преподаватель, инженер с производства) проблемной области - выбранного ТП. Занесение описания моделей элементов ТП в БД комплекса производится через специально разработанный программный модуль. Для каждого виртуального ТП создается своя БД комплекса.

2) Режим конструирования. При конструировании структуры виртуального ТП, пригодной для дальнейшего имитационного моделирования, необходимо: а) указать БД комплекса созданную для желаемого вида виртуального ТП; б) сконструировать структуру виртуального ТП; в) задать значения параметров ТП и начальные значения для переменных ТП. Полученное таким образом описание структуры виртуального ТП сохраняется в файл. Процедуру конструирования проводит преподаватель с тем, чтобы сокрыть от обучаемых математические модели и параметры виртуального ТП (имитация работы обучаемых с виртуальным ТП как с реальным процессом, где параметры ТП заранее неизвестны).

3) Режим имитационного моделирования. Имитационное моделирование проводится обучаемым, путем запуска соответствующего программного модуля комплекса с загрузкой структуры виртуального ТП полученного от преподавателя. Так как передача технологических данных виртуального ТП происходит с использованием технологии ОРС, то для доступа и наблюдения за технологическими данными необходимо использовать SCADA-систему. В этом режиме обучаемый проводит наблюдения и измерения технологических параметров виртуального ТП, собирает исходные данные для решения задач по проектированию АСУ данного ТП, проводит проверку полученных решений автоматизации.

Использование комплекса виртуальных ТП позволяет упростить проведение имитационного моделирования ТП, быстро и просто разрабатывать различные варианты моделей ТП выбранного типа.

Преподавание большинства предметов общепрофессионального и специального циклов в технических вузах построено по схеме «метод - задача»: излагается научный подход, изучается методика, построенная на его базе, приводятся примеры инженерных задач, для решения которых эта методика эффективна. Опыт решения инженерных проблем проектирования по «обратной» схеме («задача - метод») осваивается студентами недостаточно.

Предлагаемая методика обучения приемам проектирования АСУТП использует «обратную» схему и в основном следует общепринятой методике (изучение объекта автоматизации - формирование целей автоматизации - выработка идей по достижению целей - их начальный технико-экономический анализ - формализация - выбор методов решения частных задач автоматизации - решение задач - моделирование - анализ результатов - при необходимости корректировка предшествующих этапов), но она дополнена рядом положений:

1) Наличие содержательной постановки задачи, т.е. описание ТП с понятными студентам целями автоматизации. Работа с содержательными, а не абстрактными задачами лучше усваиваются в процессе обучения. Имитируется ознакомление разработчика АСУТП с ТП, осуществляемое заказчиком, который, являясь специалистом в предметной области, может дать разъяснения по существу заказа только с позиций технолога и/или экономиста, непривычных для специалистов по АСУТП;

2) Предоставление студенту информации о ТП большей, чем того требует автоматизация. Это позволяет сымитировать реальную производственную обстановку, в которой студент самостоятельно пробует определить, какие технологические данные следует использовать в АСУТП, а какие нет, т.е. определить функции, подлежащих включению в контур автоматизации;

3) Наличие программной среды, имитирующей работу реального ТП, посредством которого можно производить моделирование и оценку показателей качества разработанной АСУТП;

4) Выбор ТП с нетривиальными (неочевидными) решениями, позволяющих показать будущему инженеру-системотехнику различные пути решения автоматизации.

Виртуальный ТП выступает в качестве инструмента, позволяющего решать и исследовать задачи, возникающие при проектировании АСУТП:

- выбор цели и критериев АСУТП;

- формирование функциональной структуры АСУТП и определение степени охвата функций управления ТП контуром автоматизации;

- нахождение источников экономических и технологических эффектов автоматизации;

- определение ограничений производственного, экономического и экологического характера.

Применение методики обучения приемам проектирования АСУТП на базе комплекса виртуальных ТП показано на примере ТП водораспределения в гидромелиоративной системе (ГМС). ГМС включает взаимосвязанную сеть из каналов, емкостей, естественных стохастических источников водоподачи и водорегулирующих сооружений (рис. 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 7. Структура виртуального ТП водораспределения в ГМС

Рисунок 8. Экранные формы для ТП водораспределения в ГМС

Процесс водораспределения в ГМС характеризуется наличием многокритериальности управления (обеспечение заданной водоподачи в определенные каналы, поддержание страхового запаса воды в системе, минимизация финансовых издержек связанных с технологическим управлением), распределенности ТП, наличием запаздывания в элементах ТП и стохастичности технологических данных. Интрига, положенная в основу сценария разработки проекта: потребители, закупающие воду у ГМС, имеют существенные различия в системе оплаты и соответственно различные приоритеты при распределении воды. Логическая цепь, ведущая к структуризации задачи проектирования: «повысить прибыль ГМС обнаружить, что штрафы за недоподачу воды по сравнению с предусмотренной договором у потребителей разной подчиненности отличаются многократно обнаружить, что подача воды сверх предусмотренной договором у ряда потребителей не оплачивается, а у других оплачивается частично сформулировать критерий автоматизации: повышение прибыли ГМС за счет управления запасами воды в резервных емкостях на основе оперативного планирования подачи потребителям и прогноза поступления воды». Такая логическая цепь позволяет сформировать перечень функциональных задач АСУ, что и является результатом структуризации задачи проектирования.

Виртуальный ТП водораспределения в ГМС используется в учебных дисциплинах «Проектирование АСОИУ» и междисциплинарный курсовой проект по этой дисциплине, «Алгоритмическое обеспечение АСОИУ», «Локальные системы управления», «Специальные главы кибернетики», «Основы теории управления», «Моделирование систем» для решения задач:

Освоение SCADA-пакета, путем создания набора экранных форм для отображения ТП;

Идентификация отдельных элементов ТП;

Оценка показателей качества управления (в том числе экономических), достигаемых при ручном управлении ТП;

Разработка и реализация алгоритмов автоматического управления ТП;

Статистическая обработка и оценка показателей качества управления, достигаемых при автоматическом управлении ТП;

Проектирование и оценка системы сбора данных функционирования ТП;

Исследование показателей качества управления, достигаемых в АСУ с различной функциональной структурой и различными вариантами декомпозиции задач.

Рисунок 9. Процент проектов инженеров-системотехников связанных с АСУТП

Эффективность применения комплекса виртуальных ТП подтверждается ростом числа курсовых и дипломных проектов, связанных с проектированием АСУТП, в общем числе проектов, относящихся к специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления». За последние 3 года, с момента внедрения комплекса в учебный процесс, количество работ связанных с АСУТП увеличилась в среднем на 18% (рис. 9).

Естественно, использование виртуального ТП для обучающих целей не может полностью заменить работу с реальным ТП. Но оно позволяет заинтересовать обучаемых задачами автоматизации ТП, позволяет привить и закрепить навыки проектирования систем управления, что повышает качество обучения.

В заключении обобщены результаты работы.

Основные результаты работы

Показана эффективность применения виртуального комплекса ТП для обучения студентов-системотехников основам проектирования АСУТП.

Сформулированы требования к виртуальным ТП и комплексу для их конструирования.

Разработан метод формализации элементов ТП, основанный на представлении движения материальных потоков, с учетом времени запаздывания.

Предложена процедура выделения множества задач учебных дисциплин для его последующего применения при конструировании виртуального ТП.

Разработан метод автоматизированного конструирования виртуальных ТП для заданных задач.

Программно реализован комплекс по конструированию и имитационному моделированию виртуальных ТП.

Разработана методика обучения студентов-системотехников приемам проектирования АСУТП и его предпроектному исследованию.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс подготовки инженеров-системотехников по специальности 220200 («Автоматизированные системы обработки информации и управления») в Волгоградском государственном техническом университете и его филиале Камышинском технологическом институте.

Литература

инженер системотехник учебный дисциплина

1. Крушель Е.Г., Панфилов А.Э., Семенов В.Г. Компьютерная поддержка обучения студентов-системотехников основам проектирования АСОИУ// Известия ВолгГТУ. Серия: Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах: межвузовский сборник научных статей. - Волгоград, 2007. - №2 - с.72-75.

2. Панфилов А.Э., Камаев В.А. Методика формального описания объектов технологического процесса для автоматизированной системы конструирования АСУТП // Известия ВолгГТУ. Серия: Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах: межвузовский сборник научных статей. - Волгоград, 2007. - № 3.

3. Ершов А.Я., Панфилов А.Э. Использование SCADA-пакета GENESIS32 для исследования зависимости качества управления технологическим процессом от характеристик системы сбора данных // Прогрессивные технологии в обучении и производстве: материалы Всероссийской конференции. - Камышин, 2002. - C. 128.

4. Ершов А.Я., Панфилов А.Э. Автоматизированная система управления водонагревательным котлом (АСУ ВНК) на базе SCADA-системы // Информационные технологии в образовании, технике и медицине: сборник научных трудов II международной конференции. Часть 1. - Волгоград, 2002. - C. 123.

5. Панфилов А.Э. Задача управления в двухуровневой системе в условиях ненадежной техники // Современные технологии в обучении и образовании: материалы II Всероссийской конференции, Том 2. - Камышин, 2004. - C. 159-161.

6. Крушель Е.Г., Панфилов А.Э. Учебная модель иерархической АСУТП на базе SCADA-пакета ICONICS GENESIS32 // Современные технологии в обучении и образовании: материалы II Всероссийской конференции, Том 2. - Камышин, 2005. - C. 127-130.

7. Крушель Е.Г., Панфилов А.Э Виртуальная среда для обучения проектированию АСУТП // Первый Саратовский Салон изобретений, инноваций и инвестиций: материалы салона. - Саратов, 2005. - C. 67.

8. Панфилов А.Э. Виртуальный комплекс для обучения проектированию АСУТП // Фундаментальные исследования. - 2006. - № 7. - C. 86.

9. Панфилов А.Э. Обучение проектированию АСУТП на основе виртуального комплекса // Информационные технологии в образовании, технике и медицине: материалы международной конференции. - Волгоград, 2006. -C. 95.

Размещено на Allbest.ru