Комплекс программных средств проектирования систем цифрового управления (комплекс ПСПСЦУ)

С.М. Вертешев,
зав. каф. «Информ. сист. и технол.», д.т.н., проф., kafedravt-ist@mail.ru,

В.А. Коневцов,
с.н.с., к.т.н., с.н.с., kafedravt-ist@mail.ru,

ПсковГУ, г. Псков

Данный доклад представляет принципы построения системы автоматизированного проектирования цифровых систем автоматического управления (САПР цифровых САУ) - комплекс программных средств проектирования систем цифрового управления (комплекс ПСПСЦУ). Этот комплекс разрабатывается в настоящее время на кафедре информационных систем и технологий Псковского государственного университета по Государственному заданию Министерства образования и науки РФ.

This report gives the principles of creating an automated design engineering system of digital systems of automatic control (CAD of digital control) that is a complex of software for designing digital control systems (complex SDSDC).This complex is now being developed by the chair of information systems and technologies of the Pskov state University according to the State task of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation.

Введение

В области применения цифровой программируемой техники в автоматизации технологических процессов долгое время отсутствовали общепринятые международные соглашения в части стандартизации разработки программных средств. В связи с этим к концу 20 века возникла поистине цепная реакция в разработке программных средств автоматизации технологических процессов [1-5], которые никоим образом не согласовывались между собой (по типам сигналов, по языковым, функциональным, системным возможностям).

В 1993 году Международная электротехническая комиссия выпустила стандарт МЭК 61131-3, определяющий различные формы применения микропроцессорных средств для цифрового управления в технических системах, что являлось большим достижением на пути к «единству» в условиях жесткой конкуренции. Характерной особенностью стандарта является наличие в его составе пяти грамматически различных форм описания и проектирования цифровых САУ [14]:

- IL (Instruction List) – упрощенный язык Ассемблера (без команд обработки прерываний, работы с портами ввода-вывода и т.д.) виртуальной машины;

- ST (Structured Text) – текстовый язык, подобный упрощенной версии языка Паскаль;

- FBD (Functional Block Diagram) – язык блочного проектирования функциональных схем;

- LD (Ladder Diagram) – язык проектирования релейно-контактных схем;

- SFC (Sequential Function Chart) – язык пошаговой реализации схем последовательностного, многотактного управления.

Кроме этого используются: FCL (Fuzzy Control Language [2, 3]) – язык управления методами нечеткой логики, не сертифицированный в МЭК язык CFC (Continuous Flow Chart) проектирования систем управления с обратными связями непрерывными технологическими процессами и стандарт МЭК 61499-1:2005 обработки сигналов событий подпрограммами функциональных модулей в распределенных приложениях.

Таким образом, при проектировании сложных цифровых САУ [1-3] возникают проблемы стыковки частей цифровой САУ, реализованных на разных языках. Создатели программных средств на стандарте МЭК 61113-3 предлагают разработчикам цифровых САУ пользоваться в их работе 5-8 языками. Использование одного языка позволило бы исключить источники ошибок при синтезе различных цифровых САУ и, следовательно, является фактором значительного повышения надежности систем управления. Использование нескольких языков в проектировании снижает производительность труда в области автоматизации технологических процессов, вынуждает предприятия нести дополнительные затраты как на автоматизацию технологических процессов, так и на эксплуатацию, включая модернизацию АСУ ТП.

Комплекс ПСПСЦУ (комплекс Программных Средств Проектирования Систем Цифрового Управления), Complex SDSDC [6, 7] (Software Design of Systems of the Digital Control) является программным средством разработки цифровых схем автоматического управления и регулирования технологическими процессами. Эти схемы представляются в графической форме в виде соединенных между собой блоков функциональных модулей. Комплекс ПСПСЦУ состоит из системы управления проектом (УП) и системы реального времени (РВ). Система УП содержит язык блочного проектирования, транслятор и блочный редактор цифровых САУ, блок прерываний, средства документирования, загрузчик, обслуживающие среды. Система РВ содержит следующие основные части [3]: базу данных, интерпретатор, программный интерфейс, функциональные модули и рабочий буфер со стеком.

1. Функциональные свойства комплекса ПСПСЦУ

Стандартизированные группы функций, функциональных модулей и другие свойства комплекса ПСПСЦУ определены на основе анализа математических методов теории управления [3-5]. Сравнительная оценка свойств комплекса ПСПСЦУ и функциональных требований МЭК (IEC) 61131-3 дана в таблице. Более подробное сопоставление возможностей комплекса ПСПСЦУ с требованиями МЭК 61131-3 и другими аналогами (CoDeSys, SIMATIC S7) дано в [3-5].

Таблица 1

Сравнительная оценка свойств комплекса ПСПСЦУ и функциональных требований МЭК (IEC) 61131-3

№	Группы функций, функциональных модулей, преобразований	ПСПСЦУ	МЭК 61131-3	Примечание
1. Управление устройствами связи с объектом [6]
1	Аналого-цифровое преобразование	+	+	МЭК 61131-1
2	Цифро-аналоговое преобразование	+	+	МЭК 61131-1
3	Дискретно-цифровое преобразование	+	+	МЭК 61131-1
4	Цифро-дискретное преобразование	+	+	МЭК 61131-1
2. Стандартные операции [7]
5	Преобразование типов (видов сигналов)	+	+
6	Численные функции	+	+
7	Арифметические функции	+	+
8	Функции битовых последовательностей	+	+
9	Битовые булевы функции	+	+
10	Функции выбора	+	+
11	Функции сравнения	+	+
12	Функции символьных последовательностей	+	+
13	Стековые операции	+	-
14	Функции для типов данных времени	+	+
3. Преобразование сигналов [8]
15	Нормирование (линейная градуировка) измерений	+	+
16	Вывод нормированных аналоговых значений	+	+
17	Цифровые фильтры	+	-
18	Широтно-импульсная модуляция	+	-
19	Вычисление математических выражений	+	-
20	Компараторы векторов сигналов (INT, BYTE, REAL)	+	-
4. Устройства дискретной автоматики [9]
21	Компараторы векторов логических сигналов	+	-
22	Сдвигающие регистры	+	-
23	Дешифраторы	+	-
24	Шифраторы	+	-
25	Преобразователь битовой последовательности в вектор логических сигналов	+	-
26	Преобразователь вектора логических сигналов в битовую последовательность	+	-
27	Индексный регистр	+	-
28	Бистабильные элементы (RS, SR)	+	+
29	Распознавание фронта сигнала	+	+
30	Счетчик прямой	+	+
31	Счетчик обратный	+	+
32	Счетчик реверсивный	+	+
33	Датчики времени (импульс, задержка включения, задержка выключения)	+	+
5. Непосредственное цифровое управление [8,10]
34	Каналы компенсации регуляторов	+	-
35	ПИД-регуляторы	+	-
36	Регуляторы общего порядка	+	-
37	Двух- и трехпозиционные регуляторы с гистерезисом и без него	+	-
38	Другие нелинейности: насыщение, нечувствительность и т.д.	+	-
39	Нечеткое управление	+	-	МЭК 61131-7
6. Идентификация динамики объектов управления [11]
40	Тестовые сигналы (ступенчатая и скоростная функции, прямоугольный импульс, псевдослучайный дискретный белый шум, псевдослучайная последовательность)	+	-
41	Метод наименьших квадратов	+	-
42	Сложение и вычитание матриц	+	-
43	Умножение матриц	+	-
44	Инверсия матриц	+	-
45	Вычисление корреляционных функций	+	-
7. Настройка и синтез цифровых регуляторов [12, 13]
46	Методы Далина и Калмана	+	-
47	Компенсационные регуляторы	+	-
48	Регуляторы с максимальным или конечным временем установления	+	-
49	Сложение полиномов	+	-
50	Вычитание полиномов	+	-
51	Умножение полиномов	+	-
52	Смещение полиномов	+	-

2. Характеристики комплекса ПСПСЦУ

При проектировании схемы любой цифровой САУ связи между блоками функциональных модулей в схеме или между блоками функциональных модулей различных схем задаются явно. При проектировании цифровых САУ не используются метки. Подпрограммы блоков функциональных модулей не вызывают друг друга, они подключаются друг к другу интерпретатором, т.е. вызываются друг за другом. Допустимо подключение выходов блока функционального модуля к собственным входам. Возможно и альтернативное подключение выводов блоков функциональных модулей.

При проектировании не используются косвенные вызовы подпрограмм функциональных модулей и операций, рекурсия, перегрузка, наследование, входы по умолчанию (неполный список или измененная последовательность входов операций или функциональных модулей).

Любой вход или выход блока функционального модуля является глобальным, т.е. “виден” во всей цифровой САУ с учетом ее конфигурации. Объявлять глобальность входов и выходов блока функционального модуля не требуется, они глобальны по умолчанию. Сигналы, обрабатываемые подпрограммой функционального модуля, кроме сигналов входов и выходов, являются локальными. Они невидимы и недоступны для промежуточного применения в схеме и цифровой САУ. Объявлять локальные переменные не нужно.

Таким образом, можно подчеркнуть следующие особенности комплекса ПСПСЦУ для этапа проектирования цифровой САУ.

Синтаксические особенности. При проектировании цифровых САУ не используются операторы управления вычислительным процессом (условные переходы; операторы ветвления if-else-, else-if; выбора switch; циклов while-, for-, do-while; операторы безусловной передачи управления break, goto, return, continue). Не применяются рекурсия, перегрузка, наследование, неполный список или измененная последовательность входных параметров при вызове операций или функциональных модулей.

Технологические особенности. Комплекс ПСПСЦУ не требует дополнительных или альтернативных языков (IL, ST, SFC, LD, FCL, CFC…). Транслятор и блочный редактор не создают машинные команды. Они создают байтовые массивы базы данных цифровой САУ. Это означает, что при проектировании цифровой САУ не требуются компиляторы.

Экономические особенности. Комплекс ПСПСЦУ обладает следующими преимуществами перед аналогами: значительное снижение затрат как в главных процессах жизненного цикла комплекса ПСПСЦУ так и при проектировании и обслуживании цифровой САУ; расширение круга специалистов способных самостоятельно ставить, решать и вводить в эксплуатацию задачи управления процессами; более эффективное разделение труда и высокая производительность в области автоматизации технологических процессов.

Заключение

Представленные здесь принципы построения САПР цифровых САУ-комплекса ПСПСЦУ-обеспечивают решение задачи проектирования цифровых САУ с помощью одного единственного языка блочного проектирования. «Пятиязычие» традиционных САПР цифровых САУ подходит для решения «малых» задач автоматизации. Это означает, что при проектировании по стандарту МЭК свободно используются только счетчики (прямой, обратный, реверсивный счет), анализ фронта (положительный и отрицательный фронт сигнала), датчики времени (импульс, задержка включения, задержка выключения) и функции памяти (с приоритетом сброса RS и установки SR). При проектировании более сложных цифровых САУ [5] возникают проблемы [14] согласования программных элементов цифровых САУ, разработанных на разных языках. Применение одного языка позволяет избегать ошибок при синтезе цифровых САУ и повышает их надежность. Использование нескольких языков однозначно снижает производительность труда при проектировании цифровых САУ и порождает высокие затраты как при автоматизации технологических процессов, так и при обслуживании системы, включая ее модернизацию.

Этот подход был впервые реализован в 1985 году в Грозненском НПО ПРОМАВТОМАТИКА при автоматизации биохимического реактора [2-3] и далее успешно испытан в ряде проектов и внедрений на практике. Данный подход к проектированию цифровых САУ соответствует методике разработки аппаратных систем: например при монтаже систем управления и регулирования на базе устройств пневмоавтоматики, гидравлики, электромеханики, аппаратуры дискретной автоматики из микросхем различной степени интеграции.

Литература

1. Kоневцов В.A. САПР цифровых САУ. Концепция: Монография. Псков, Издательство Псковского государственного политехнического института, 2011. –256 с.

2. Коневцов В.А. САПР цифровых САУ. Концепция: Монография. Издание второе, дополненное и исправленное: Псков: Псковский государственный университет, 2012. – 306 с.

3. Коневцов В.А. САПР цифровых САУ. Концепция: Монография. Издание третье, дополненное и исправленное: Псков: Псковский государственный университет, 2013. – 317 с.

4. Коневцов В.А., Казаченко А.П., Бабаянц А.В. МикроДАТ. Программные средства цифрового управления.- М.: ЦНИИТЭИприборостроения, Каталог государственной системы приборов СССР, 1985, том 4, выпуски 5,6, 70 c.

5. Коневцов В.А., Казаченко А.П., Литвинова Л.М., Бунин А.Б. Модифицированные средства цифрового управления.- М.: Информприбор, Каталог государственной системы приборов СССР, 1987, том 4, выпуски 10, 11, 12, - 112 c.

6. Verteshev S.M., Konevtsov V.A., Poletaev I.A. Methods of Software Developing of Complex SDSDC // European Science and Technology: 4^th International scientific conference. Germany, Munich 2013, Vol.I, P. 377-380.

7. Verteshev S.M., Konevtsov V.A., Poletaev I.A. Softwaremittel der Projektierung von Systemen der digitalen Steuerung // European Science and Technology: 5^th International scientific conference. Germany, Munich 2013, Vol.I, P. 501-504.

8. Wellenreuter G., Zastrow D. Automatisierung mit SPS. Theorie und Praxis.- Vieweg + Teubner, 5. Auflage, 2011, 870 s.

9. Seifart M. Digitale Schaltungen.- Berlin, VEB Verlag Technik, 1986, 560 s.

10. Iserman R., Bux D., Blessing P., Kneppo P. Regel- und Steueralgorithmen für die digitale Regelung mit Prozessrechner.- Synthese, Simulation, Vergleich.- PDV-Btrichte, 1975, №54, 135 s.

11. Iserman R. Prozeßidentifikation.- Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New-York, 1974, 188 s.

12. Волгин Л.Н. Оптимальное дискретное управление динамическими системами. - М.: Наука, 1986, 240 c.

13. Изерман Р. Цифровые системы управления.- М.: Мир, 1984, 542 c.

14. John Karl-Heinz, Tiegelkamp Michael SPS–Programmierung mit IEC 61131-3. - Springer – Verlag Berlin Heidelberg 4. Auflage, 2009, 402 s.