You are currently viewing Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками

Содержание

Требования к надежности и отказоустойчивости систем управления шахтных подъёмных установок (ШПУ), связанные с интенсификацией производства и приведением их к современным требованиям правил безопасности увеличиваются с каждым годом.

Поэтому, актуальны исследования направленные на, разработку методик проектирования и описания программируемых средств управления, обеспечивающих оптимальность процесса разработки программного обеспечения для системы управления и надежность работы ШПУ в целом.

Типовая система управления электроприводом подъемной установки

Блок-схему типовой системы управления электроприводом (ЭП) ШПУ можно представить, как состоящую из следующих асинхронно взаимодействующих систем (рисунок 1):

  • Система технологической автоматики (СА).
  • Система защит (СЗ).
  • Система сигнализации (СС).
  • Аппарат задания хода (АЗХ), включающий в себя: устройство контроля положения сосуда, ограничитель скорости, глубиномер.
  • Система управления загрузкой скипа (СУЗС).
  • Устройство управления скоростью (УУС), включающего систему автоматического регулирования скорости, которая поддерживает постоянство скорости подъёма сосуда (САРС) и систему формирования управляющего воздействия (СФУВ), для систем с ЭП постоянного тока или частотного ЭП — система импульсно-фазового управления, для систем с двигателями переменного тока с фазным ротором — система управления контакторами ускорения.
  • Система возбуждения (динамического торможения) подъемного двигателя (СУВПД).
  • На подъемных установках с приводом по системе Г-Д также присутствует система управления возбуждением синхронного двигателя (СУВСД).
Рисунок 1 – Блок-схема системы управления электроприводом ШПУ
Рисунок 1 – Блок-схема системы управления электроприводом ШПУ

При этом СА, СЗ, СС, АЗХ и СУЗС можно объединить в систему логического управления (СЛУ) ШПУ, так принцип действия этих систем заключается в выдаче дискретных, имеющих два состояния «0» и «1» управляющих сигналов, служащих для формирования алгоритма работы ЭП ШПУ.

В общем виде, модель системы логического управления можно представить совокупностью булевых формул:

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками 1
(1)

где

  • Y1…Yn — множество дискретных выходных сигналов.
  • Х1…Хm — множество входных дискретных сигналов.
  • Z1…Zl — множество дискретных сигналов, формируемых внутри системы.
  • τ1… τk — временные задержки, присутствующие в системе.

Для работы со значениями непрерывных сигналов, такими как ток, скорость, напряжение, их значения должны быть приведены через пороговые переменные к определенным логическим внутренним переменным, на которые они воздействуют.

Следовательно, получим зависимости:

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками 2
(2)

где

  • I1…Ir — множество непрерывных входных сигналов, контроль за которыми должна осуществлять система.
  • I1’…I’r — множество граничных значений параметров определяющих достижение непрерывным сигналом определенного значения.

Основной недостаток данного метода в его недостаточной наглядности и сложности восприятия описания, при описании сложных систем в статье [1].

В настоящее время для проектирования систем с преобладающим большинством логических сигналов получают методы теории автоматов и их отдельные приложения [2, 3, 4]. Наибольшее распространение получили автоматы Мили и Мура [5].

Для описания СЛУ ШПУ как системы обладающей свойствами автоматов обоих типов, большая часть выходных сигналов системы управления зависит только от состояния, часть же сигналов, формируется в момент изменения состояния, и зависит от входного сигнала, вызвавшего переход, целесообразно применять Cl- автомат, сочетающий в себе автоматы Мили и Мура.

Тогда с учетом (1) и (2) С-автомат СЛУ определяется множеством, из восьми элементов:

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками 3
(3)

где

  • X — множество входных сигналов.
  • А -множество состояний автомата.
  • Y — множество выходных сигналов зависимых только от состояния.
  • Z — множество выходных сигналов, зависящих от входных сигналов.
  • σ — функция переходов автомата.
  • ʎ1 — функция выходов автомата, задающая отображение (А*Х) -> Y.
  • ʎ2 — функция выходов автомата, задающая отображение А -> Y.

Закон функционирования С-автомата задается следующей системой уравнений:

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками 4
(4)

Таким образом, математическую модель системы логического управления ШПУ можно представить в виде конечного автомата, с определенным набором состояний, входов и выходов, работающего в дискретном времени t = 0, 1, 2, 3, . . .

В момент времени t система находится в состоянии at из конечного множества определенных состояний, в момент t = 0 — находится в определенном начальном состоянии. Находясь в состоянии at, и формируя на своих выходах значение yt автомат принимает разрешенный для данного состояния сигнал x(t).

При этом автомат переходит в следующее, разрешенное для него состояние (4):

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками 5

Уравнение с формированием в момент перехода сигнала:

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками 6

Следовательно, перейдя в состояние a(t+1), автомат будет формировать выход:

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками 7

Придерживаясь принципа декомпозиции, программа СЛУ разделяется на аппаратно зависимую часть, в которую входят:

  • Обработчики прерываний.
  • Таймеры.
  • Функции.

Функции работают с устройствами ввода вывода конкретного контроллера, и аппаратно независимую часть, реализующую логику работы программы.

Алгоритм программы автомата защиты и сигнализации

Логика работы СЛУ представляется в виде совокупности конечных автоматов, каждый из которых состоит из простейших элементов (логических операций и элементов памяти), так чтобы каждой независимой функции, сопоставлялся отдельный автомат, оперирующий своими входными и выходными данными и действующий независимо [4].

Тогда, результирующее состояние СЛУ для функции (3) примет вид:

Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками 8

Схема связи автоматов приведена на рисунке 2:

Рисунок 2 – Схема связи автоматов СЛУ
Рисунок 2 – Схема связи автоматов СЛУ

Рассмотрим способ построения на примере автомата аварийной и предупредительной сигнализации.

В автомате А4, выделены 5 состояний работы аварийной и предупредительной сигнализации:

  • а40) «Не готов».
  • a41) «Готов».
  • а42) «Рабочий режим». Все параметры в допустимых диапазонах, идет цикл подъема.
  • а43) «Аварийная защита». Аварийное отклонение одного из контролируемых параметров. Производится останов машины наложением предохранительного тормоза.
  • а44) «Аварийная блокировка». Аварийное отклонение контролируемых параметров, позволяющее завершить начатый цикл.

Нахождение в состояниях а43 и а44 не позволяет начинать следующий цикл до вмешательства оператора.

Описание используемого алфавита и переменных приведено в таблице, граф автомата приведен на рисунке 3:

Рисунок 3 – Граф-схема автомата защиты и сигнализации
Рисунок 3 – Граф-схема автомата защиты и сигнализации

Полученный граф функционирования автомата отражает правила перехода из одного состояния автомата в другое и формирование автоматом выходных воздействий, в зависимости от входной информации и текущего состояния автомата.

Граф-схема алгоритма программы позволяет выбрать наиболее оптимальное построение логики программы и гарантирует однозначность программной реализации и логики автомата.

На основании приведенного автомата составлен алгоритм, приведенный на рисунок 4:

Рисунок 4 – Алгоритм программы автомата защиты и сигнализации
Рисунок 4 – Алгоритм программы автомата защиты и сигнализации

Таким образом, методику разработки СЛУ можно представить следующим образом:

  • Описание системы логического управления, в виде математической модели, с использованием алгебры логики и теории автоматов (1, 3). Необходимо учитывать, что особенность СЛУ ШПУ в том, что математическое описание может содержать не только логические выражения, но и линейные и дифференциальные уравнения.
  • Декомпозиция системы на отдельные автоматы, оперирующие своими входными и выходными данными и действующие независимо (5).
  • Построение графов и таблиц переходов отдельных автоматов.
  • Минимизация состояний графа переходов, удаление неиспользуемых и лишних состояний и переменных соответствующих им.
  • Построение по минимизированному графу переходов, алгоритма программы.
  • Разработка кода программы на выбранном языке программирования.
  • Тестирование и отладка программы.

Данный подход был использован при разработке устройства управления, контроля движения и технологических защит шахтной подъемной установки [6], данные устройства внедрены на предприятиях:

  • ПУ Абаканский филиал ОАО «Евразруда».
  • ОАО «Тыретский солерудник».
  • Шахта «Березовская» УК «Угольная компания «Северный Кузбасс».

Использование подобного подхода при разработке программного обеспечения позволяет добиться оптимального решения задачи построения СЛУ, что обеспечивает как надежность спроектированной системы, так и установки в целом и позволяет обеспечить соответствие разрабатываемых алгоритмов и программ, требованиям стандартов, регламентирующих надежность, программного обеспечения, использующегося в системах управления опасными объектами.

Список литературы

  1. Шалыто А.А. SWITCH-технология. Алгоритмизация и программирование задач логического управления. — СПб.: Наука. — 628 с.
  2. Harel David. Statecharts: A Visual Formalism for Complex Systems // Sci. Programming (8), 1987 p. 231 — 274.
  3. SWITCH-технология — автоматный подход к созданию программного обеспечения «реактивных» систем / Шалыто А.А., Туккель Н.И. // Программирование, 2001. №5. — с. 45-62.
  4. Островлянчик В.Ю. Автоматический электропривод постоянного тока горно-металлургического производства: Учебное пособие. — Новокузнецк: 2004 г. — 383 с.
  5. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов. — М.: Физматгиз. — 1962 г., 476с.
  6. Патент Российской Федерации RU2 314 990C2 // Островлянчик В. Ю., Стексов А. М., Кубарев В. А. Опубликовано 20.01.2008 бюллетень №2.

Источник: Методика разработки программного обеспечения систем логического управления подъёмными установками / В.Ю. Островлянчик, В.А. Кубарев // Вестник КузГТУ. — 2011. — №6. — C. 50-54.

Статья в формате docx

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org