Разработка и реализация методики проектирования технических средств для АСУТП на примере СМ ЭВМ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат технических наук Прилипко, Виктор Александрович

• Прилипко, Виктор Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Прилипко, Виктор Александрович

ВВЕДЕНИЕ.:.

ГЛАВА 1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АСУТП. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Описание и анализ существующей методики проектирования аппаратных средств.

1.2. Применение объектно-ориентированного подхода к проектированию технических средств АСУТП.

1.3. Набор объектов для проектирования технических средств АСУТП

1.4. Задача оптимальной компоновки и обзор методов ее решения.

1.5. Постановка задачи работы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА АНАЛИЗА ИЕРАРХИЙ ДЛЯ КОМПОНОВКИ АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АСУТП.

2.1. Нейронные сети, нечеткие системы и генетические алгоритмы. Общее описание.

2.2. Модифицированный метод анализа иерархий.

2.3. Требования к аппаратным средствам АСУТП, свойства объектов, ответственные за удовлетворение этих требований, общие требования и экспертная оценка их важности.

2.4. Нечеткая система нахождения синаптических весов входов нейронов и выбора объектов.

2.5. Реализация модифицированного метода анализа иерархий в среде MATLAB.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и реализация методики проектирования технических средств для АСУТП на примере СМ ЭВМ»

Актуальность темы. Развитие современных высоких технологий сопровождается внедрением новых автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТТ1). Автоматизация новых технологических процессов требует разработки специфического оборудования, причем выбор проектных решений в инженерной практике, как правило, представляет значительные трудности из-за многообразия вариантов и большого числа трудно учитываемых и плохо формализуемых факторов.

Разработка нового поколения управляющих вычислительных комплексов СМ ЭВМ является важным шагом в создании отечественной технологической базы автоматизации управления и обработки информации. Разработка и серийное производство конкурентоспособной и лицензионно-чистой отечественной продукции данного класса снижает зависимость российской промышленности и особенно оборонного комплекса от зарубежных производителей, обеспечивает возможность последующей модернизации и техническую поддержку этой продукции на всем жизненном цикле ее эксплуатации.

СМ ЭВМ - это комплекс технических и программных средств, включающий в себя ряд процессоров различной производительности, устройства оперативной и внешней памяти, набор устройств связи с объектом (УСО), устройств отображения информации, операционных систем, прикладных программных пакетов и т.п., обеспечивающий возможность создания многоуровневых АСУТП в различных отраслях промышленности.

Комплексы технических и программных средств (КТПС) СМ ЭВМ, разрабатываемые в ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука» (ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука»), в течение многих лет являются технической базой для построения АСУТП в России. КТПС СМ ЭВМ применяются на предприятиях энергетики, металлургии, транспорта, химии, машиностроения.

КТПС СМ ЭВМ предназначен для применения в составе промышленных систем двойного назначения, в том числе на предприятиях оборонно-промышленного комплекса, объектах использования атомной энергии и авиационно-космической промышленности. В этой связи КТПС СМ ЭВМ должен не только обеспечивать высокие технические характеристики, но и удовлетворять требованиям по долговременной доступности использованных технических средств, контролю над применяемыми техническими решениями и элементной базой. Поэтому только самостоятельная разработка и производство технических средств для КТПС СМ ЭВМ могут обеспечить выполнение данных требований и одновременно гарантировать высокие технические характеристики, полностью соответствующие высоким требованиям, предъявляемым к продукции двойного назначения.

Разработка технических средств для КТПС СМ ЭВМ должна обеспечивать удовлетворение основных требований государственной политики в области технической независимости и информационной безопасности, а также обеспечивать значительный экономический эффект за счет импорто-замещения, снижения соотношения производительность/стоимость при создании различных информационно-управляющих систем и комплексов (в том числе встроенных) и существенного повышения качественных показателей систем контроля и управления, включая надежность и безопасность. Такие проекты сопряжены со значительными временными и материальными затратами, требуют нескольких циклов корректировки и во многих случаях не могут быть эффективно реализованы с помощью традиционных подходов. Решение сложных задач, связанных с обеспечением конкурентоспособности отечественных технических средств АСУТП, требует совершенствования методики их проектирования, прежде всего схемотехнического, которое является одним из главных этапов разработки и оказывает решающее влияние на ее качество и срок.

В этой связи разработка эффективной и научно обоснованной методики проектирования технических средств для использования в АСУТП является важной и актуальной задачей.

Научная новизна диссертационной работы заключается в решении ряда вопросов, связанных с проектированием технических средств АСУТП:

- разработаны библиотека объектов и дерево классов на ее основе, реализующие методику объектно-ориентированного проектирования;

- предложен модифицированный метод анализа иерархий, формализующий выбор схемотехнической реализации проектируемых технических средств АСУТП;

- разработана методика проектирования технических средств АСУТП с использованием аппарата объектно-ориентированного проектирования и математических методов теорий нейронных сетей и нечетких множеств.

Практическая реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы получены в ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука» в процессе выполнения ОКР и договорных работ в 2000 - 2010 гг., в частности ОКР «Визуализация», проводившейся по Государственному контракту № РС/07/636/ОПК/к, заключенному между ОАО «ИНЭУМ им. И.С. Брука» и Минпромэнерго России.

Разработанные автором методики и технические решения применены в следующих проектах:

- в системе мониторинга радиационной обстановки для Бушерской АЭС (Иран);

- в системе мониторинга радиационной обстановки для АЭС «Ку-данкулам» (Индия);

- в «Системе контроля технологических параметров реактора ИБР-2М на базе средств контроля и управления СМ1820М» для Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна;

- в программно-техническом комплексе для управления установкой «КЭУ-10», разработанной предприятием НТЦ ЭПУ ОИВТ РАН, и других.

Практическая реализация результатов работы подтверждается прилагаемыми к диссертации документами.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научных семинарах и технических совещаниях ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука» в период 2007 - 2009 гг.;

- Международной молодежной научной конференции XXXIII «Га-гаринские чтения», МАТИ-РГГУ им. К. Э. Циолковского, г. Москва, апрель 2007 г.;

- 58-й научно-технической конференции Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (технического университета), май 2009 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в б печатных работах: опубликовано 5 статей, из них 3 в журналах, рекомендуемых ВАК; тезисы научного доклада.

Заключение диссертации по теме «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления», Прилипко, Виктор Александрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В итоге проведенных исследований и разработок, направленных на совершенствование методов схемотехнического проектирования аппаратных средств для применения в составе нового поколения комплекса технических и программных средств СМ ЭВМ для автоматизированных систем управления технологическими процессами, получены следующие основные результаты:

1. Определены на основе анализа современного состояния перспективные подходы и технические принципы проектирования аппаратных средств для применения в системах АСУТП, которые положены в основу разработки нового поколения технических средств, отвечающих современным требованиям.

2. Усовершенствован с использованием аппарата ООП классический функционально-модульный принцип разработки аппаратных средств. Разработана библиотека объектов и предложено дерево классов объектов, использующиеся при схемотехническом проектировании аппаратных средств для АСУТП.

3. Разработана методика проектирования аппаратных средств для АСУТП с использованием математического аппарата нейронных сетей и нечетких множеств. Методика позволяет формализовать схемотехническое проектирование аппаратных средств в условиях неполной и экспертной информации о требованиях к проектируемому устройству и принимать обоснованные решения при анализе многочисленных альтернатив, возникающих в процессе разработки.

4. Разработан с использованием предлагаемой методики проектирования ряд аппаратных средств для применения в составе комплекса технических и программных средств СМ ЭВМ нового поколения. Разработанные модули применяются в коммуникационных процессорах СМ1820М КП5 и промышленных контроллерах СМ1820М КПДЗ, использованных в ряде реальных систем АСУТП.

5. Проведена апробация предлагаемой методики проектирования аппаратных средств при эксплуатации разработанных аппаратных средств в реальных подсистемах АСУТП, показавшая и подтвердившая эффективность методики, позволяющей принимать рациональные решения при компоновке разрабатываемых аппаратных средств.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Прилипко, Виктор Александрович, 2010 год

1. Фридмен М., Ивенс J1. Проектирование систем с микрокомпьютерами: Пер. с англ. -М.: Мир, 1986.

2. Швец В.А., Шестакова В.В., Бурцева Н.В., Мелешко Т.В. Одноплатные микроконтроллеры. Проектирование и применение. К.: МК-Пресс, 2005.

3. Бродин В.Б., Шагурин И.И. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. -М.: ЭКОМ, 1999.

4. Уилкинсон Б. Основы проектирования цифровых схем.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004.

5. Бабич Н.П., Жуков И.А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и проектирования: Учебное пособие. К.: «МК-Пресс», 2004.

6. Каган Б.М., Сташин В.В. Основы проектирования микропроцессорных устройств автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1987.

7. Бибило П.Н. Синтез логических схем с использованием языка VHDL. М.: СОЛОН-Р, 2002.

8. Соловьев В.В. Проектирование цифровых систем на основе программируемых логических интегральных схем. 2-е изд., стереотип. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

9. Грушвицкий Р.И., Мурсаев А.Х., Угрюмов Е.П. Проектирование систем на микросхемах с программируемой структурой. 2-е изд., пере-раб. и доп. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006.

10. Разработка устройств сопряжения для персонального компьютера типа IBM PC. Под общей редакцией Новикова Ю.В. Практ. пособие М.: ЭКОМ, 1997.

11. Intel386EX Embedded Microprocessor User's Manual, 1996.

12. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах. Пер. с англ. 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Мир, 1993.

13. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982.

14. Разевиг В.Д. Проектирование печатных плат в P-CAD 2001. М.: СОЛОН-Р, 2003.

15. Разевиг В.Д. ORCAD 9.2. М.: СОЛОН-Р, 2003.

16. Стешенко В.Б. ПЛИС фирмы ALTERA: проектирование устройств обработки сигналов. М.: ДО ДЕКА, 2000.

17. Глотова Т.В. Объектно-ориентированная методология разработки сложных систем. Учебное пособие. Пенза: Изд-во ПГУ, 2001.

18. Зыков С.В. Современные языки программирования. 4.II. Объектно-ориентированный подход к программированию. М.:МИФИ, 2004.

19. Sanjaya Kumar, James J. Aylor, Barry W. Johnson, Wm. A. Wulf, «Object-Oriented Techniques in Hardware Design,» Computer, vol. 27, no. 6, pp. 64-70, Jun., 1994.

20. Галахов И.В. Объектно-ориентированная технология проектирования больших информационно-вычислительных систем : Дис. . канд. техн. наук : 05.13.13 М„ 1996.

21. Яблонский А.С. Разработка моделей и методов синтеза объектно-ориентированных систем с открытой архитектурой : Дис. . канд. техн. наук : 05.25.05 М., 2004.

22. Арефьева Е.А. Объектно-ориентированная система моделирования в автоматизированном управлении : Дис. . канд. техн. наук : 05.13.06 Тула, 1999.

23. Колесов Ю.Б. Развитие метода объектно-ориентированного анализа для задач проектирования гибридных систем управления : Дис. . д-ра техн. наук : 05.13.01 СПб., 2003.

24. Управляющие вычислительные комплексы //Н.Л. Прохоров, Г.А. Егоров, В.Е. Красовский и др., М.: Финансы и статистика, 2003.25. http://www.asutp.ru

25. ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения».

26. Матвеевский В.Р. Надежность технических систем. Учебное пособие. М.: Московский государственный институт электроники и математики, 2002.

27. Кабалевский А.Н. Малые ЭВМ: функциональное проектирование. М.: Наука, 1986.

28. Авен О.И., Гурин Н.Н., Коган Я.А. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. М.: Наука, 1982.

29. Авен О.И., Коган Я.А. Математические модели сложных вычислительных систем. // Автоматика и телемеханика. 1971. - №1, с. 109-127.

30. Жигулин Г.П., Серебров А.И., Яковлев А.Д. Прогнозирование устойчивости. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2004.

31. Драммонд М. Методы оценки и измерения дискретных вычислительных систем. -М.: Мир, 1977.

32. Ростокин Б.И. Разработка средств проектирования вычислительных процессов в комплексах СМ ЭВМ с магистральной архитектурой. -Дис. . канд. техн. наук. М.: 1982.

33. Шеннон Р.Ю. Имитационное моделирование систем искусство и наука. - М.: Мир, 1978.

34. Балыбин В. М., Лунев В. С., Муромцев Д. Ю., Орлова JT. П. Принятие проектных решений. Учебное пособие Ч. 1 Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2003.

35. Анкудиров И.Г. Микропроцессорные системы. Архитектура и проектирование: Учебное пособие. СПб.: СЗТУ, 2003.

36. Трайнев В.А., Трайнев О.В. Параметрические модели в экспертных методах оценки при принятии решений. М.: Прометей, 2003.

37. Трайнев О.В. Методика моделирования и разработки программно-технических комплексов для систем принятия решений. Дис. . канд. техн. наук. - М.: 2006.

38. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. Пер. с англ. М.: «Радио и связь», 1993.

39. Юдин Д.Б. Вычислительные методы теории принятия решений. -М.: Наука, 1989.

40. Шкамарда А.Н. Исследование и реализация метода построения МикроЭВМ функционально-модульной архитектуры. Дис. . канд. техн. наук. - М.: 1986.

41. Шкамарда А.Н. Методы описания и оценки функционально-модульных микропроцессорных структур СМ1810-20Х // Информационные технологии. 2000. - № 7.

42. Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М.: Мир, 1976.

43. Глухов А.В. Методика разработки программно-технических комплексов СМ ЭВМ для АСУТП. Дис. . канд. техн. наук. - М.: 2006.

44. Рутковская Д., Пилиньский М., Рутковский JI. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы: Пер. с польск. М.: Горячая линия - Телеком, 2007.

45. Яхъяева Г.Э. Основы теории нечетких множеств. М.: БИНОМ,2006.

46. Прилипко В.А., Карпов В.Я., Красовский В.Е. Модификация метода анализа иерархий для задач проектирования аппаратных средств АСУТП // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ. 2009 г., вып. 3.

47. Олссон Г., Пиани Д. Цифровые системы автоматизации и управления. СПб.: Невский диалект, 2001.

48. Петров И.В. Программируемые контроллеры. / Под ред. Проф. В.П. Дьяконова. М.: СОЛОН-Пресс, 2004.

49. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. М.: Физматлит, 2001.

50. Медведев B.C., Потемкин В.Г. Нейронные сети. MATLAB 6. М: Диалог-МИФИ, 2002.

51. Дьяконов В., Круглов В.В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001.

52. Бабанов И.И., Глухов А.В., Прилипко В.А. и др. СМ1820М в системах автоматизации атомных станций // ControllEngeneering. 2007. - №5.

53. Глухов В.И., Прилипко В.А., Глухов А.В. СМ1820М: все для автоматизации технологических процессов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2007. - №7.

54. Прохоров H.JL, Глухов В.И., Прилипко В.А. и др. Программно-технические комплексы СМ1820М в системах автоматизации технологических процессов на атомных станциях // Вопросы радиоэлектроники, серия ЭВТ. 2008. вып. 2.

55. Глухов В.И., Прилипко В.А., Каневский В.Г. Коммуникационный процессор СМ1820М КПД // Приборы. 2007. - №6.

56. Прилипко В.А. Процессорный модуль МП3.2 для промышленных систем телемеханики и контроля // Сборник научных трудов Международной молодежной научной конференции XXXIII «Гагаринские чтения». -М.: МАТИ, 2007.