Моделирование систем автоматизации технологических комплексов с транспортным запаздыванием

Технологические комплексы с транспортным запаздыванием относятся к достаточно распространенному оборудованию, работающему в различных отраслях промышленности (кожевенной, швейной, автомобильной, пищевой, электронной и т. д.), системы управления которых характеризуются операциями автоматического измерения, обработки, синхронно с движущимся объектом осуществляют перенесение обработанной информации и автоматическое управление работой исполнительных органов. Специфические свойства движущихся объектов (ткани, кожи, лекала, тестовые заготовки) в таких комплексах предъявляют жесткие требования к измерительным устройствам в части точности к динамической погрешности измерений — к устройствам обработки — в части оптимальных и быстрых алгоритмов с использованием МП, МЭВМ и персональных компьютерова к устройствам автоматического управления — в части синхронного и точного выполнения команд по технологической обработке движущихся объектов.

Такие системы управления достаточно объемны, сложны и определяют во многом качественные показатели всего технологического комплекса.

Объем и сложность современных технологических комплексов, их систем и подсистем автоматизации в совокупности с системами программного обеспечения постоянно растут. Успешное функционирование таких систем решающим образом зависит от нашей способности предварить их создание и внедрение описанием всего комплекса проблем, связанных с дальнейшей работой, указанием функций: системы, которые должны быть автоматизированы, определением интерфейсов человек — компьютер, описанием способов взаимодействия системы с ее окружением. Иными словами, этап проектирования является критическим при создании сложных и надежных систем.

Системное проектирование — это процесс, который включает в себя формулировку требований к системе и определение ограничений, влияющих на 6 ее функционирование, разложение системы на подсистемы, выделение на каждом уровне разложения системных компонент и описание связей между ними.

Опытом применения традиционных подходов к проектированию доказано, что после внедрения системы возникали многие проблемы. При создании технической системы (ТС), будь то отдельное изделие или сложная система управления объектом, зачастую заказчик ориентируется на свой собственный опыт и старается изложить максимум общих технических требований при возможно малых затратах на её проектирование и изготовление. Проходит достаточно много времени, пока ТС будет создана, но это уже не та система, которая была задумана. Отчасти из — за невозможности реализовать заданные параметры, отчасти из-за слабой производственной базы и большой трудоемкости подготовки производства, а отчасти из-за уже изменившихся условий эксплуатации созданная ТС становится жизненно неспособной. Выброшены средства, потеряно время.

Многие эксперты справедливо связывали рост эксплуатационных расходов с природой ошибок, допущенных в процессе создания системы. Стоимость обнаружения и исправления ошибок увеличивается по мере прохождения этапов разработки (чем более поздний этап, тем выше стоимость) [1].

Часто ошибки, возникающие на ранних этапах создания системы, являлись следствием неполноты функциональных спецификаций или несогласованности между спецификациями и проектом, выполненным по ним. Однако эксперты понимали, что это не неизбежность, а следствие неадекватности методов создания систем.

Из изложенного вытекает, что самым ответственным и главным этапом при создании ТС является начальный этап, который слабо формализован и, соответственно, мало автоматизирован.

Одним из методов реализации начального этапа создания ТС, и в том числе системы автоматизации технологическими комплексами с транспортным запаздыванием, является имитационное моделирование (ИМ). 7.

В трудах Орловского НИИЛЕГМАШ, в работах Суздальцева А. И., Овчинникова М. А., Прудова В. А. по автоматизации технологических комплексов с транспортным запаздыванием акцент делался на предпроектное техническое моделирование отдельных операций и исследование таких моделей [2,3,4] .

В последнее время в Орловском ГТУ в работах Светкина С. В., Мосиной Е. В. по автоматизации аналогичных комплексов предпринята попытка создания имитационных моделей отдельных операций (задач-функций) в виде программного продукта с частичной визуализацией процесса в динамике [5],[6]. Эта попытка безусловно прогрессивный шаг в предпроектном моделировании, ускоряющий процедуру получения объективных исходных данных для проектирования. Однако каждая такая модель включает в себя собственную минибазу данных, соответствующие языковыесредства и оригинальный пользовательский интерфейс. Создание полной имитационной модели системы автоматизации технологическим комплексом данного класса из созданных и создаваемых описанным образом моделей является бесперспективным занятием из-за специфики языковых средств баз данных и пользовательских интерфейсов этих моделей, приводящим к неоправданным сложным межмодельным связям и, как следствие, к большим временным и интеллектуальным затратам.

Целью работы является сокращение временных и интеллектуальных затрат на имитационное моделирование систем и подсистем автоматизации ТК с транспортным запаздыванием за счет создания единого инструментария, базирующегося на иерархическом представлении задач-функций системы управления и объектно-ориентированной методологии построения базы данных.

Основные задачи исследований:

1) Проведение анализа и представление систем автоматизации технологических комплексов (САТК) с транспортным запаздыванием в виде иерархии задач — функций. г.

2) Разработка концепции имитационного моделирования САТК с транспортным запаздыванием.

3) Разработка обобщенной структуры базы данных для имитационного моделирования САТК.

4) Разработка пользовательского интерфейса.

5) Разработка и исследование ИМ САТК клеймения кож и ИМ САТК обнаружения металлических частиц в движущемся материале.

Методы и средства исследований.

При решении диссертационных задач использовались системный анализ, элементы теории нечетких множеств, методы структурной лингвистики и представление знаний в человеко-машинных Системах, теория принятия решений, программные и языковые средства современных компьютерных технологий, персональные компьютеры.

Научная новизна.

1. Сформулирована концепция имитационного моделирования САТК с транспортным запаздыванием.

2. В рамках сформулированной концепции разработаны спецификации задач-функций САТК, структура и модели базы данных (БД), системы управления базой данных (СУБД) и пользовательского интерфейса, позволившие разработать ИМ ряда САТК с транспортным запаздыванием.

3) На базе спецификации задач-функций, созданной структуры БД и пользовательского интерфейса разработаны расширенные имитационные модели системы автоматизации технологического комплекса клеймения кож (САТК КК) и системы автоматизации технологического комплекса обнаружения и удаления металлических частиц (САТК ОУМЧ). позволяющие проводить исследование как отдельных, так и объединенных задач-функций. э.

4. На основе исследований ИМ САТК КК и САТК ОУМЧ разработаны способы управления клеймением кож и способ обнаружения и удаления металлических частиц из движущегося материала, защищенные патентами РФ.

5. Разработаны функциональная и принципиальная электрические схемы системы управления клеймением кож с использованием микропроцессорных элементов и записанных в ПЗУ программ функционирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Общая структура БД, СУБД и пользовательского интерфейса, основанные на принципе объектно-ориентированного подхода к созданию программного продукта.

2. Имитационные модели САТК КК и САТК ОУМЧ, базирующиеся на иерархическом представлении задач-функций и разработанных БД, СУБД и пользовательского интерфейса с визуальным отображением динамики функционирования ТК.

3. Способ управления клеймением кож, созданный на базе имитационной модели САТК КК и защищенный патентом РФ.

4. Способ обнаружения и удаления металлических частиц в движущемся материале, созданный на базе оптимизированной ИМ САТК ОУМЧ и защищенный патентом РФ.

5. Принципиальная электрическая схема системы управления клеймением параметров кож.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическую ценность работы составляют :

• разработанные в рамках предложенной концепции БД, СУБД и пользовательский интерфейс, позволяющие быстро в диалоговом режиме строить ИМ СА из класса САТК с транспортным запаздыванием с визуальным отображением динамики функционирования ТК. Ю.

• способы управления клеймением параметров кож и способ обнаружения и пометки металлических частиц в движущемся материале.

Результаты работы используются в учебном процессе ОрелГТУ для студентов специальности 200 820 «Компьютерное проектирование РЭС», в АО «ОРЛЭКС» при проектировании различных систем автоматизации.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы были обсуждены и одобрены на Международной научной конференции «Пользовательский интерфейс в современных компьютерных системах «(г. Орел, ОрелГТУ, 1999), Всероссийской научно-технической конференции «Диагностика веществ, изделий и устройств (г.Орел, ОрелГТУ, 1999), а также на научно-технических конференциях в ОрелГТУ 1997;2000 гг.

Публикации.

По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа изложена на 150 страницах машинописного текста, содержит 45 рисунков и 10 таблиц. Состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемых источников, включающего 90 наименований, и 11 приложений.

ВЫВОДЫ:

1. На основе разработанного инструментария синтезирована имитационная модель САТК КК, в составе которой реализована имитационная модель измерения площади плоских фигур.

2. На имитационной модели измерения площади плоских фигур проведены экспериментальные исследования, в результате которых установлена зависимость изменения относительной погрешности измерения площади от величины и формы элемента разложения площади, причем проведены эксперименты для трех режимов: простой проходсимметричный проходнесимметричный проход.

3. Установлено, что во всех случаях режим симметричного прохода дает наименьшую относительную погрешность измерения площади.

4. Эксперименты подтвердили рекомендации Госстандарта в том, что для поверки реальных систем измерения площади движущихся плоских изделий контрольные шаблоны должны иметь конфигурацию круга или квадрата, ориентированного одной из диагоналей перпендикулярно измерительной линейки.

5. Результаты исследований имитационной модели позволили разработать принципиальную электрическую схему СА для всего ТК КК, основные идеи которой защищены Патентом РФ.

1|9.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате исследований и анализа абстрактной структуры задачи синтеза имитационной модели ряда САТК с транспортным запаздыванием предложена концепция построения имитационной модели СА для большой группы технологических комплексов.

Основу концепции составляет оригинальный инструментарий, который структурно включает БД, СУБД, пользовательский интерфейс и спецификации задач-функций, организованный на основе методологии ОМТ в единый программный модуль.

В соответствии с поставленными задачами разработаны:

1. объектная модель БД и СУБД на основе объектно—ориентированной методологии, включающая в качестве основных классов имитационную модель, алгоритм, диспетчер файлов, диспетчер формирования модели, диспетчер графического отображения, диспетчер придания динамизма и т. д.;

2. принцип формирования БД при построении имитационных моделей САТК на основе аппарата нечетких множеств;

3. спецификации задач-функций, ММ и ИМ для двух САТК;

4. пользовательский интерфейс на основе библиотеки визуальных компонентов С++ BUILDER, включающий систему окон, управляющих кнопок, «мышь»;

5. две имитационные модели САТК ОУМЧ и проведены их исследования по предложенным критериям (Ks" KR, КР) на случайном массиве и случайном расположении металлических частиц в матрице 8×8, а также проведена сравнительная оценка двух моделей;

6. имитационная модель САТК КК, включающая в качестве одного из элементов имитационную модель измерения площади плоских фигур.

1⁰.

По результатам экспериментальных исследований ИМ САТК ОУМЧ проведена оптимизация объема памяти и количества вычислений, позволившая осуществить техническую реализацию СА и защитить ее Патентом РФ.

Показано, что разработанная ИМ, в отличие от существующей, дает возможность отображения структурной схемы устройства обнаружения, результатов статистических расчетов как с хранением в файл, так и с построением графиков, визуальное отображение процесса обнаружения металлических частиц в динамике с выводом значений коэффициентов К КР в окно динамической модели. Время расчета и визуального наблюдения значительно меньше (значение времени снималось с таймера ПК). Варианты выбора исследования предлагаются в меню интерфейса. Сравнительный анализ возможностей новой имитационной модели с существующей подтверждает ее более широкие возможности, а значит^ и эффективность использования именно этого варианта моделирования.

Экспериментальные исследования измерения площадей плоских фигур на ИМ позволили установить зависимость измерения относительной погрешности измерения площади от величины и формы элемента разложения площади для трех режимов (простой проход, симметричный проход, несимметричный проход), причем во всех случаях режим симметричного прохода дает наименьшую относительную погрешность измерения площади. Этот режим может быть рекомендован для измерения площадей малых размеров (например, швейных и обувных лекал).

Результаты экспериментальных исследований одной из имитационных моделей САТК КК позволили разработать и технически реализовать С, А для всего ТК КК, основные идеи которой защищены Патентом РФ.

Принципы построения и функционирования базы данных и пользовательского интерфейса используются при проектировании различных систем автоматизации в АО «Орлэкс» (г.Орел), а разработанные имитационные модели САТК ОУМЧ и САТК КК — в учебном процессе ОрелГТУ по специальности 200 820 «Компьютерное проектирование РЭС» .