Описан алгоритм систематизации структур функциональных схем систем автоматизации, построенных для множества структурных с использованием разнообразных технических средств автоматизации. Показана эффективность применения данного алгоритма для выявления наиболее распространенных вариантов функциональных схем и построения типовых технических решений систем автоматизации.
Ключевые слова: структурная схема, функциональная схема, дерево схемотехнических решений.
The systematization algorithm of automation systems functional schemes, built for a number of structural schemes, using a variety of automation means, has been considered. The algorithm efficiency to identify the most common variants of functional schemes and building of automation systems technical solutions has been validated.
Keywords: block scheme, functional scheme, decision-tree schemes model.
В настоящее время с ростом темпов автоматизации производств возрастает необходимость совершенствования САПР систем управления. Большинство таких САПР ориентированы на организацию человеко-машинного интерфейса с целью обеспечения интерактивного процесса разработки монтажных схем и технической документации. Выбор рациональной структуры системы автоматизации остается за проектировщиком.
Разработка систем автоматизации технологических процессов осуществляется на основе нисходящей иерархии схем [1]: структурная => функциональная => электрическая => монтажная. Структурная схема системы автоматизации является ее изображением в виде совокупности звеньев различного типа (датчик, регулятор, исполнительное устройство, интерфейсный преобразователь) с указанием связей между ними [2]. Ее приводят в техническом задании на проектирование (ТЗ). Функциональная схема содержит набор элементов из множества технических средств автоматизации, необходимых для реализации требуемых функций – регулирования, управления и др. Элементы, присутствующие в ней, необходимы для реализации связей, заданных в структурной схеме. Принципиальная электрическая схема (ПЭС) отражает привязку каждой связи элемента к конкретному электрическому контакту. На монтажных схемах изображаются элементы, их соединители, зажимы и подводимые к ним концы проводов и кабелей. В задании на проектирование обязательно должна присутствовать структурная схема [3] системы автоматизации с описанием требуемых функций и блоков, назначенных каждому ее звену.
В [4] описана методика построения деревьев схемотехнических решений (ДСР), на основе анализа которых для заданной структурной генерируются функциональные схемы системы автоматизации. Корневой вершиной каждого ДСР является регулятор. Любая вершина ДСР является отображением какого-либо элемента из набора технических средств автоматизации (ТСА), причем для соответствующих элементов родительской и дочерней вершин ДСР выполняется условие согласованности их функций преобразования и типов и диапазонов используемых сигналов. Каждая ветвь дерева представляет собой фрагмент измерительной, исполнительной или интерфейсной цепи системы автоматизации. На рис.1а представлены ДСР, построенные на микропроцессорном контроллере Ремиконт БК14 и регуляторе Термодат12, на рис. 1б – структурна схема системы автоматизации, на рис 1в - сгенерированный для нее на основе ДСР вариант функциональной.
|
|
б) |
|
в) |
|
Рис. 1. Деревья схемотехнических решений (а), структурная (б) и функциональная (в) схема системы автоматизации
Достоинством описанного алгоритма является возможность генерации сложных схем многоконтурных систем автоматизации без заметного увеличения временных затрат по сравнению с построением одноконтурных. Временная сложность алгоритма определяется количеством обращений к базе данных ТСА, которое является фиксированным при составлении любой схемы, так как запросы в данном случае производятся только при построении ДСР, а дальнейший процесс генерации функциональных схем основан на анализе множества ДСР. Для каждой вершины ДСР задается несколько атрибутов – идентификатор соответствующего элемента, его функции преобразования и др. Большинство специализированных промышленных регуляторов имеют сходное назначение, то есть одинаковые типы входных и выходных каналов. Но в этом случае для них все равно приходится составлять свои ДСР. Кроме того, как следует из анализа альтернатив функциональных схем, полученных для различных структурных, существует относительно немного типовых вариантов технической реализации измерительных и исполнительных цепей.
Более рациональной является систематизация и хранение в компактном виде информации о структуре сгенерированных схем и ее использование для построения функциональных на вновь добавленном в базу данных ТСА регуляторе.
Для систематизации информации о множестве схем, построенных на одной и той же модели регулятора, можно создать функционально-логические правила определенной структуры и дополнять их по результатам каждого процесса генерации. Предлагается следующая структура привил для систематизации структур измерительных цепей:
K – число входных каналов регулятора RegL;
N – число измерительных преобразователей Ej, входящих в состав измерительных цепей, выделенных на множестве функциональных схем на регуляторе RegL;
S_IP – множество структур, отражающих состав измерительных цепей;
Sm– цепь, образованная двумя элементами Em и Em+1;
P – число измерительных цепей, выделенных на множестве функциональных схем на регуляторе RegL, в состав которых входит датчик Ej;
- p-я
измерительная цепь, истоком которой является датчик Ej;
Mp – длина p-й цепи, истоком которой является датчик Ej.
Данные о структуре исполнительных цепей систематизируются аналогично.
К примеру, правило if Reg=REG1 then IP1={Id1 (Id2, Id3 or Id4, Id5) or Id6 (null)} говорит о том, что в состав измерительной цепи Z_IP канала номер 1 регулятора REG1 могут входить датчики Id1 или Id6, причем датчик Id1 подсоединяется к регулятору через последовательное соединение элементов Id2 и Id3 или Id4 и Id5, а датчик Id6 – напрямую.
Для построения с использованием указанных правил схем на вновь добавленном в базу данных ТСА регуляторе R из набора присутствующих в правилах регуляторов Reg определяются те, с которыми у R есть сходство по типу входных (выходных) каналов функций преобразования ФП. Для каждого из выбранных регуляторов прочитываются и интерпретируются все правила. В перечень измерительных Z_IP(R) и исполнительных Z_IU(R) цепей регулятора R добавляются те фрагменты цепей из правил, в которых типы выходов (входов) напрямую присоединяющихся к R элементов Id совпадают с типами его входов (выходов).
В указанном выше примере проверяться будут элементы Id3 и Id5, и если тип и диапазон выходного сигнала позволяет подключить их к регулятору R, то в перечень измерительных цепей схемы добавляются цепи Id1-Id2-Id3 и Id1-Id4-Id5. Аналогично с исполнительными цепями.
Учитывая информацию только о числе входных (выходных) каналов регулятора R, путем полного перебора выбранных вышеуказанным образом измерительных, исполнительных и корректирующих цепей генерируются все возможные согласно ТЗ на проектирование варианты функциональных схем и далее проверяется возможность реализации заданных в спецификации регулятора функций преобразования на присутствующем в варианте схемы наборе элементов ТСА.
Например, в базу данных добавлен регулятор с тремя каналами регулирования:
Рис.2. Пример внутренней структуры добавляемого регулятора
Ранее были сгенерированы правила с использованием функциональных схем систем регулирования температуры, построенных на регуляторах БК14, ТРМ151, Термодат12 для структурных схем «ИП-РУ-ИУ», «2ИП-РУ-2ИУ», «3ИП-РУ-ИУ» (ИП-измерительный преобразователь, РУ-регулятор, ИУ-исполнительное устройство). Данные правила отображены в таблице.
|
В Rule 1. if REG equal БК1 мод.14 then [IP1=5(7,16, or 7,9,) OR 6(10,16, or 10,9,)]; Rule 2. if REG equal Термодат12 then [IP1=5(null,) OR 6(null,)]; Rule 3. if REG equal ТРМ151 then [IP1=5(null,) OR 6(null,)]; Rule 4. if REG equal БК1 мод.14 then [IM1=12(8) OR 26(13,)]; Rule 5. if REG equal Термодат12 then [IM1=12(null,) OR 12(8,)]; Rule 6. if REG equal ТРМ151 then [IM1=26(13,) OR 12(8,)]; |
|
В ТЗ на проектирование включены ТСМ9620 (id=5), термопара ТХК9414 (id=6), механизм электрический однооборотный МЭО40 (id=26), лампа сигнальная (id=12)
R [IP1=5(7,16,or 7,9,) OR 6(10,16, or 10,9,)]; [IP2=5(7,16, or 7,9,) OR 6(10,16,or 10,9,)]; Rule 2. if REG equal Термодат12 then [IP1=5(null,) OR 6(null,)]; Rule 3. if REG equal ТРМ151 then [IP1=5(null,)OR 6(null,)]; [IP2=5(null,) OR 6(null,)]; Rule 4. if REG equal БК1 мод.14 then [IM1=12(8,) OR 26(13,)]; [IM2=12(8,) OR 26(13,)]; Rule 5. if REG equal Термодат12 then [IM1=12(null,)OR12(8,)];[IM2=12(null,)OR 12(8,)] Rule 6. if REG equal ТРМ151 then [IM1=26(13,) OR 12(8,)]; [IM2=26(13,) OR 12(8,)] |
|
В ТЗ на проектирование включены ТСМ9620 (id=5), механизм электрический однооборотный МЭО40 (id=26)
R Rule 2. if REG equal Термодат12 then [IP1=5(null,) OR 6(null,)]; Rule 3. if REG equal ТРМ151 then [IP1=5(null,)OR 6(null,)]; [IP2=5(null,) OR 6(null,)]; Rule 4. if REG equal БК1 мод.14 then [IM1=12(8,) OR 26(13,)]; [IM2=12(8,) OR 26(13,)]; Rule 5. if REG equal Термодат12 then [IM1=12(null,)OR12(8,)];[IM2=12(null,)OR 12(8,)] Rule 6. if REG equal ТРМ151 then [IM1=26(13,) OR 12(8,)]; [IM2=26(13,) OR 12(8,)] |
По входным составляющим функций преобразования у данного регулятора есть совпадение с контроллерами БК14 (унифицированный сигнал 0-2В), ТРМ151 и Термодат12 (50М – условное обозначение выходного сигнала термометра сопротивления, Uxk - условное обозначение выходного сигнала термопары). Дискретный выход (0/1) присутствует у всех вышеупомянутых регуляторов. В процессе анализа правил установлено, что измерительную цепь канала 1 можно взять от БК14, а канала 3 – от ТРМ151 или Термодат12. Для формирования измерительной цепи канала 1, согласно сгенерированным правилам, будут проверяться элементы с идентификаторами 16 и 9, и если тип и диапазон выходного сигнала позволит их подсоединить к регулятору, то альтернативами измерительных цепей канала 1 станут последовательные соединения элементов: 5,7,16; 5,7,9; 6,10,16; 6,10,9. Аналогично для измерительного канала 3, только термопара или термометр сопротивления будут присоединяться к регулятору напрямую.
Для указанного регулятора, используя представленные правила, сгенерированы 32 варианта функциональных схем, соответствующих структурной схеме «2ИП-РУ-ИУ»:
Рис. 3. Примеры функциональных схем, сгенерированных на добавленном в базу данных регуляторе
Применяя описанную методику, можно для большинства современных промышленных регуляторов генерировать функциональные схемы строящихся на них систем автоматизации, используя типовые технические реализации измерительных и исполнительных цепей. Алгоритм систематизации структур функциональных схем позволяет в компактном виде хранить информацию обо всех цепях, входящих в их состав. Дальнейшее совершенствование алгоритма видится в разработке механизма оценки полученных вариантов схем с целью выбора наиболее рациональной альтернативы.
Литература:
Ахремчик, О.Л. Система проектирования функциональных и принципиальных схем автоматизации / О.Л. Ахремчик, Н.Н. Филатова, Н.И. Бодрина // Труды международного конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'09». М.: Физматлит, 2009. Т.1. С. 73-80.
Структурный синтез на элементах с ограниченной сочетаемостью [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.metodolog.ru/00562/00562.html. – 2009.
Ильин, В.Н. Автоматизация схемотехнического проектирования / В.Н. Ильин, В.Т. Фролкин, А.И. Бутко. – М.: Радио и связь. 1987. – 368 c.
Филатова, Н.Н. Автоматическая генерация деревьев схемотехнических решений / Н.Н. Филатова, А.Г. Требухин, О.Л. Ахремчик // Труды международного конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «AIS-IT'11». М.: Физматлит, 2011. Т.2. С. 122-130.
