Опыт применения универсального языка моделирования при проектировании системы автоматизированного управления и контроля технологических процессов “HEPS”.

С.н.с., к.т.н. С.А.Искра

М.н.с. С.А.Чернов

ИПУ РАН, Москва

Во многих отраслях современного промышленного производства технологические процессы (ТП) реализуются путем создания и поддержания в заданном режиме некоторой совокупности потоков. Под потоком будем понимать форму организации процесса, основанную на ритмичной повторяемости согласованных по времени операций, расположенных по ходу следования материалов в потоке.

Одной из основных задач, решаемых в автоматизированных системах управления данным классом объектов, является управление структурой самих потоков, которая может изменяться в зависимости от технологии производства. Для конкретных ТП это отображается в смене той или иной конфигурации используемого оборудования (технологических агрегатов и исполнительных механизмов).

Традиционные системы сбора данных и оперативного диспетчерского управления (SCADA системы), хотя и представляют много средств для ведения БД параметров и их визуализации, не удовлетворительны с точки зрения автоматизации управления формированием структуры потоков, снижения нагрузки на оперативный персонал, аккумуляции «умений», генерации исходных данных для корпоративных систем управления вышестоящих уровней.

В этой связи несомненный интерес представляют системы автоматизированного проектирования управления т.н. «верхнего уровня», представляющие собой надстройку над SCADA системой и позволяющие создавать управление всей совокупностью ТП на объекте в целом в соответствии с указанным регламентом (должностными инструкциями) работ.

Для построения и моделирования работы таких систем необходимо иметь удобное формальное описание как всей структуры пары «объект – АСУ ТП», так и её поведения, включая управляющие алгоритмы.

Используемый ниже универсальный язык моделирования UML [1] является одним из таких инструментов. Он обладает богатым набором изобразительных средств и в сочетании с соответствующим программным обеспечением (в данном случае использовался пакет для моделирования Rational Rose) позволяет эффективно проводить процесс проектирования. На сегодня он является международным стандартом для описания систем моделирования и управления.

рис. 1 Обобщенная структура АСУ ТП

Структура типовой АСУ ТП представлена на рис.1. Связь с процессами технологического объекта управлении (ТОУ) выполняется системой автоматики (СА), реализуемой, например, в виде локальной сети программируемых логических контроллеров (ПЛК). Здесь реализуются функции (блоки) индивидуального управления: локальные регуляторы, защиты, блокировки. Верхний уровень системы реализует: MMI - человеко-машинный интерфейс с данными; дистанционное управление исполнительными механизмами, блоками СА; и ведет базу данных (БД) системы на основе SCADA.

С помощью языка UML можно представить структуру, функции управляющей системы и ее поведение в графическом виде (совокупность взаимосвязанных диаграмм), что при использовании соответствующих инструментальных средств (CASE – системы пакета) может служить скелетом для программирования моделей систем с потоковым управлением, а так же способствовать единому пониманию системы всех участников проекта. С помощью средств данного языка удобно представлять как структуру отдельных компонентов объекта управления, так и их поведение в динамике. В докладе описан опыт проектирования системы управления и контроля ТП HEPS - ориентированной на поточные технологии средствами языка UML.

Выбор UML позволяет структурировать разработку системы, связать заказчика и исполнителя в едином понимании вопроса. С помощью графических средств языка (набор диаграмм) возможно описать структуру и поведение, как всего объекта управления, так и его отдельных частей, включая классы, функции и методы взаимодействующих компонент. Программистам остается лишь написать непосредственно код по данному “скелету”.

Разрабатываемая система «HEPS» - Human Error protection system представляет собой распределенную программную систему управления технологическими процессами на производстве, которая не заменяет полностью традиционные системы контроля и управления, а дополняет их новыми инструментами принятия решений и контроля исполнения регламентов. Она интегрируется с уже существующими системами управления (как правило, реализованными на базе SCADA -систем) на уровне OPC-сервера или базы данных параметров процесса.

Система управления HEPS была разработана на основе существующей SCADA-системы iFix фирмы Intellution с использованием ее базы данных (БД) реального времени и средств визуализации. В качестве математической модели управления применяется методика событийного моделирования технологического объекта [2].

Правила, на основе которых человек принимает решение при управлении, описываются в технической документации к технологическому объекту, это – регламенты, инструкции, директивы и предписания, плюс эмпирические знания о технологических процессах объекта, накопленные персоналом при эксплуатации объекта. В процессе выбора решения персонал обязан следовать этим правилам. Однако на этот процесс сильно влияют свойства человека (невнимательность, забывчивость, усталость, страх и т.п.), которые могут отрицательно повлиять на выбор управляющего воздействия. Уменьшить влияние человеческого фактора на процесс принятия решения для этих задач позволят инструменты автоматизированного управления, во-первых, обладающие теми же знаниями, что и человек, и, во-вторых, имеющие возможность управлять всем оборудованием в комплексе, ориентируясь на стратегические планы и технологические цели.

В качестве таких инструментов в HEPS предлагаются интерактивные технологические сценарии управления (ТС).

ТС представляет собой ориентированный граф, вершины которого называются фазами и определяют команды на процесс, агрегат или реализуют диалог с оператором, а дуги указывают направление перехода и взвешиваются условиями (например, выполнение предыдущей вершины) истинность которых соответствует выполнению перехода. После отработки всех фаз ТС считается выполненным (вышедшим на режим). Процесс функционирования сценария показан на рис. 2.

рис. 2 Функционирование сценария

Правила и нормы ведения технологических процессов, описанные в нормативных документах, переносятся в сценарии при их создании. Стратегические планы в сценариях воплощаются в виде заранее описанных экспертами методов и процедур последовательного достижения технологических целей, реакций на события, выводов на режим, реконфигурации основных технологических циклов, плановых работ по обслуживанию и ремонту, комплексов работ по ликвидации чрезвычайных ситуаций. ТС предоставляют новые возможности управления как непосредственно технологическим процессом, так и действиями человека в последовательности процедур управления ТП (рис. 3). Функции персонала сокращаются до исполнения этапов сценария и контроля действий технических исполнителей.

рис. 3 Использование ТС в управлении

Основные компоненты интерактивного управления в HEPS представлены на диаграмме UML (рис.4). Этот вид диаграмм позволяет создать список операций, которые выполняет система. Часто этот вид диаграмм называют диаграммой функций, потому что на основе набора таких диаграмм создается список требований к системе и определяется множество выполняемых системой функций. Каждая такая диаграмма – это описание сценария поведения, которому следуют действующие лица (Actors).

Соответственно для каждого из уровней управления разработан программный компонент, реализующий его логическое представление согласно модели. Вся система состоит из 3-х основных компонент реализующих модели агрегатов (AG), процессов(PCS), сценариев(TS)(рис.5), и одного дополнительного, обеспечивающего передачу системных сообщений (TRCS).

Все компоненты одинаково логически устроены и состоят из трех модулей: конструирования, логики и интерпретации.

рис. 4 Схема управления

рис. 5 Архитектура системы

Модуль конструирования предназначен для задания поведения компоненты в режиме выполнения. Он наглядно отображает и позволяет сохранять входные данные для моделей. Все данные хранятся в единой БД на SQL сервере.

Модуль логики предназначен для представления математических моделей (логических абстракций), а также имеет ТСР клиент необходимый для присоединения к системе обмена сообщениями, он не является визуальным и запускается как служба.

Модуль интерпретации – визуализация процесса управления и принятия решений, например, для уровня агрегатов таким модулем является SCADA система установленная на производстве.

Согласно структуре HEPS каждое возникающее событие в «паре объект – АСУ» взаимнооднозначно связаны (см. рис.6).

рис. 6 Работа сценария

рис. 7 Структура сценария

Таким образом, управление в такой модели – это просто генерация системных событий (Ei) в нужной последовательности на основе выходных событий (Eo).

Соответственно для реализации тех. сценариев необходимо создать инструмент, включаемый в каскад управления, который сможет принимать входные системные сообщения и генерировать их на основе заданного заранее технологического графа. Кроме того, он должен принимать параметризированные сообщения оператора (интерактивный диалог) и отображать ход выполнения технологических сценариев, а также иметь возможность загружать готовые сценарии из БД.

ТС представляет собой ориентированный граф, вершины которого называются фазами (Phase), и условие перехода к следующей/щим вершине/ам, отработка предыдущей вершины/ин. Отработка фазы – это генерация заданных событий на основе анализа входных системных. После отработки всех фаз ТС считается выполненным (вышедшим на режим). Задается ТС с помощью специального инструмента, определяющего последовательности входных и выходных системных событий. Пользователь может определять свои события помимо стандартных системных, кроме того, можно отслеживать не только отдельные события, но и их группы, заданные по маске.

Для отображения поведения объекта (в данном случае ТС) используется два вида диаграмм: Statechart diagram (дмаграмма состояний) и Activity diagram (диаграмма активности).Этот тип диаграмм позволяет показать не только последовательность выполнения процессов, но и их ветвление, а так же синхронизацию. Данный тип диаграмм позволяет проектировать алгоритмы поведения объектов любой сложности, в том числе может использоваться для составления блок-схем объектов (рис.8).

Взаимодействие объектов в системе происходит посредством приема и передачи сообщений объектами-клиентами и обработки этих сообщений объектами-серверами. При этом в разных ситуациях одни и те же объекты могут выступать и в качестве клиентов, и в качестве серверов. Данный тип диаграмм позволяет отразить последовательность передачи сообщений между объектами (см. рис.9).

рис. 8 Запуск технологического сценария (переход к)

рис. 9 Подключение к эфиру модуля Procman

рис.10 Модель агрегата

Наконец диаграммы классов позволяют создавать логическое представление системы, на основе которого создается исходный код описанных классов (см. рис.10).

Опыт работы с использованием языка UML по созданию системы HEPS для управления объектами в нефтяной отрасли показал, что созданные с помощью ПО Rational Rose диаграммы позволяют удобно проводить как проектирование системы управления, так и моделирование поведения и анализ на корректность описания самих ТП объекта. Технологический сценарий в сочетании с событийными моделями технологических процессов и оборудования предоставляет новые возможности автоматизации управления технологическим процессом: управление процедурой ведения ТП, автоматизированный контроль и управление деятельностью персонала, координация служб и технических работ на объекте, разграничение уровней управления с помощью персонализации интерфейсов. В процессе разработки системы получилось наглядное, логично связанное и понятное дерево, состоящее более чем из сотни диаграмм. Проект занял 3 месяца. Благодаря языку UML был существенно облегчен процесс проектирования и написания программного кода. Была разработана концепция программирования. Выявлены некоторые недостатки графического характера пакета Rational Rose,излишняя строгость пакета, которая мешает при генерации непосредственно кода самой программой, а так же небольшое разнообразие библиотек объектов. Однако данный пакет является подходящим к поточным технологиям и эффективным средством проектирования будущих систем различной степени сложности.

Литература

1. Боггс У. и М. UML и Rational Rose. М. «ЛОРИ», 2001.

2. Амбарцумян А.А., Браништов С.А. Методика иерархического структурирования событийных моделей технологических процессов. Ж. Современные информационные технологии №3, 2003 г