Диаграмма последовательности имеет два измерения, первое - слева направо, в виде вертикальных линий, изображающих объекты, участвующие во взаимодействии. Верхняя часть линий дополняется прямоугольником, содержащим имя класса объекта или имя экземпляра объекта. Второе измерение - вертикальная временная ось. Сообщения, посылаемые одним объектом другому, изображаются в виде стрелок с именем сообщения и упорядочены по времени возникновения.
Алгоритм управления локальным прецедентом «Устранение опасных и критических ситуаций», представлена на рисунке 3.4 в виде обобщенной диаграммы последовательности.
Рисунок 3.4 - Алгоритм управления локальным прецедентом «Устранение опасных и критических ситуаций» в виде обобщенной диаграммы последовательности
Диаграммы деятельности - это один из пяти видов диаграмм, применяемых для моделирования динамических аспектов поведения системы. Диаграмма деятельности это по существу блок-схема, которая показывает, как поток управления переходит от одной деятельности к другой.
Диаграммы деятельности можно использовать для моделирования динамических аспектов поведения системы. Как правило, они применяются, чтобы промоделировать последовательные (а иногда и параллельные) шаги вычислительного процесса. С помощью диаграмм деятельности можно также моделировать жизнь объекта, когда он переходит из одного состояния в другое в разных точках потока управления. Диаграммы деятельности могут использоваться самостоятельно для визуализации, специфицирования, конструирования и документирования динамики совокупности объектов, но они пригодны также и для моделирования потока управления при выполнении некоторой операции. Если в диаграммах взаимодействий акцент делается на переходах потока управления от объекта к объекту, то диаграммы деятельности описывают переходы от одной деятельности к другой. Деятельность - это некоторый относительно продолжительный этап выполнения в автомате. В конечном итоге деятельность сводится к некоторому действию, которое составлено из атомарных вычислений, приводящих к изменению состояния системы или возврату значения. Диаграмма деятельности может содержать простые и составные состояния, точки ветвления, разделения и слияния.
В потоке управления, моделируемом диаграммой деятельности, происходят различные события: вычисление выражения, в результате чего изменяется значение некоторого атрибута или возвращается некоторое значение. Также можно выполнить операцию над объектом, послать ему сигнал или даже создать его или уничтожить. Все эти выполняемые атомарные вычисления называются состояниями действия, поскольку каждое из них есть состояние системы, представляющее собой выполнение некоторого действия. Состояния действия изображаются прямоугольниками с закругленными краями. Внутри такого символа записывается произвольное выражение (текст или математическая формула).
Состояния действия не могут быть подвергнуты декомпозиции. Кроме того, они атомарны. Это значит, что внутри них могут происходить различные события, выполняемая в состоянии действия работа не может быть прервана. Обычно предполагается, что длительность одного состояния действия занимает неощутимо малое время.
В противоположность этому состояния деятельности могут быть подвергнуты дальнейшей декомпозиции, вследствие чего выполняемую деятельность можно представить с помощью других диаграмм деятельности. Состояния деятельности не являются атомарными, то есть могут быть прерваны. Предполагается, что для их завершения требуется заметное время. Можно считать, что состояние действия - это частный вид состояния деятельности, а конкретнее - такое состояние, которое не может быть подвергнуто дальнейшей декомпозиции. А состояние деятельности можно представлять себе как составное состояние, поток управления которого включает только другие состояния деятельности и действий. Состояния деятельности и действий обозначаются одинаково, с тем отличием, что у первого могут быть дополнительные части, такие как действия входа и выхода (то есть выполняемые соответственно при входе в состояние и выходе из него), и оно может сопровождаться спецификациями подавтоматов.
Когда действие или деятельность в некотором состоянии завершается, управления сразу переходит в следующее состояние действия или деятельности. Для описания этого потока используются переходы, показывающие путь из одного состояния действия или деятельности в другое. Переход представляется простой линией со стрелкой.
Поток управления должен где-то начинаться и заканчиваться. Начальное состояние обозначается закрашенным кружком, конечное - закрашенным кружком внутри окружности.
Простые последовательные переходы встречаются наиболее часто, но их одних достаточно для моделирования любого потока управления. Как и в блок-схеме, в модель включаются ветвления, которые описывают различные пути выполнения в зависимости от значения некоторого булевского выражения. Точка ветвления представляется ромбом. В точку ветвления может быть ровно один переход, а выходить - два или более. Для каждого исходящего перехода задастся булевское выражение, которое вычисляется только один раз при входе в точку ветвления. Ни для каких двух исходящих переходов эти сторожевые условия не должны одновременно принимать значение «истина», иначе поток управления окажется неоднозначным. Но эти условия должны покрывать все возможные варианты, иначе поток остановится.
Для удобства разрешается использовать ключевое слово иначе для пометки того из исходящих переходов, который должен быть выбран в случае, если условия, заданные для всех остальных переходов, не выполнены.
Реализовать итерацию можно, если ввести два состояния действия - в первом устанавливается значение счетчика, во втором оно увеличивается - и точку ветвления, вычисление в которой показывает, следует ли прекратить итерации.
Простые и ветвящиеся последовательные переходы в диаграммах деятельности используются чаще всего. Однако можно встретить и параллельные потоки. В UML для обозначения разделения и слияния таких параллельных потоков выполнения используется синхронизационная черта, которая рисуется в виде жирной вертикальной или горизонтальной линии. Каждый из параллельно выполняющихся потоков управления существует в контексте независимого активного объекта, который, как правило, моделируется либо процессом, либо вычислительной нитью.
Точка слияния представляет собой механизм синхронизации нескольких параллельных потоков выполнения. В эту точку входят два пли более перехода, а выходит ровно один. Выше точки слияния деятельности, ассоциированные с приходящими в нее путями, выполняются параллельно. В точке слияния параллельные потоки синхронизируются, то есть каждый из них ждет, пока все остальные достигнут этой точки, после чего выполнение продолжается в рамках одного потока.
Помимо потока управления на диаграммах деятельности можно изображать поток объектов-значений. В потоке объектов-значений участвует объект, являющийся входным параметром для одной деятельности и выходным — для другой.
Объект-результирующее значение изображается в виде пунктирной стрелки, идущей от деятельности к состоянию объекта, а входное значение - в виде пунктирной стрелки, идущей в обратном направлении, то есть от состояния объекта к деятельности. Если результатом выполнения деятельности является несколько объектов-значений или если за ней следует несколько потоков управления, то стрелки начинаются от знака развилки (ромб). Точно так же, в случае наличия нескольких входных значений, стрелки заканчивайся на знаке слияния.
Рассмотрим более подробно прогнозирование и анализ опасных и критических ситуаций. Алгоритм функционирует следующим образом. Производится опрос текущих параметров процесса электролиза в том числе: давления водорода (Рводорi;) и кислорода (Pкислi), производительности (Qi), тока Ij и напряжения Ui на электролизере, температуры электролита Тэлекi. Вычисляется текущее значение энергозатрат:
Еудi=Ui(Ii-Iхх)/Qi , кВт·ч/м3,
где Ui,Ii – текущее значение напряжения и тока;
Iхх – ток пуска электролизера;
Qi – текущее значение производительности процесса;
Производится последовательное сравнение текущих значений производительности Qi, давления Рводорi; и Pкислi с предшествующей производительностью Qi-i и давлениями Рводорi-i и Pкислi-i, а также указанных текущих показателей безопасности (ЕУДi) с предельными.
Если текущее значение любого параметра приближается к предельному, то рекомендуется изменить режим работы пресса. Если же критическую ситуацию устранить невозможно, выдается рекомендация по остановке процесса.
Рассмотрим критическую ситуацию, превышения давления кислорода и водорода в разделительных колоннах. Алгоритм безопасности в виде диаграммы деятельности для этой ситуации приведена на рисунке 3.5. Эта ситуация характеризуется резким падением производительности по сравнению с предшествующей при одновременном возрастании давления в зоне Pкислi. Повышением содержания кислорода в водороде. Выдается рекомендация о наличии возможной аварийной ситуации. При повторном прохождении по этой же ветви (то есть ситуация сохраняется в течение цикла опроса) рекомендуется аварийный останов электролизера.
В случае отсутствия критической ситуации, проверяется наличие критической ситуации, характеризуемой повышением текущих удельных энергозатрат. Степень опасности и соответствующие рекомендации устанавливаются в зависимости от того, в какой из зон находится величина Еудi: опасной - (Ераб < Еудi < Еудпред) или критической - (Еудi > Еудпред + 0,3), а также и от величины текущих параметров процесса электролиза и возможности их изменения с целью устранения данной критической ситуации. Алгоритм безопасности для этой ситуации приведен на рисунке 3.7.
Аналогично действуют и алгоритмы для ситуаций S3 и S4. Характер рекомендаций, предупреждающих о ситуации S4 в электролизере, зависит от величины температуры (T) и уровня Lэлектролита в электролизере. При достижении I предельного значения режим работы считается опасным. Рекомендуется изменить режим подачи электролита, в критический ситуации произвести аварийное отключение.
Рисунок 3.6 – Алгоритм безопасности в виде диаграммы деятельности для ситуации «Повышение давления газов»
Рисунок 3.7 – Алгоритм безопасности в виде диаграммы деятельности для ситуации «Повышение удельных энергозатрат»
3.1.4 Разработка информационной структуры системы
Диаграмма классов (class diagram) служит для представления статической информационной структуры модели системы в терминологии классов объектно-ориентированного программирования. Диаграмма классов отражает различные информационные взаимосвязи между отдельными страницами учебника, такими как главная страница и страницы учебника, а также описывает их внутреннюю структуру и типы отношений. На диаграмме не указывается информация о временных аспектах функционирования системы. С этой точки зрения диаграмма классов является дальнейшим развитием концептуальной модели проектируемой системы. Диаграмму классов принято считать графическим представлением таких структурных взаимосвязей логической модели системы, которые не зависят или инвариантны от времени.
Класс в языке UML служит для обозначения множества объектов, которые обладают одинаковой структурой, поведением и отношениями с объектами из других классов. В нашем случае классами являются окна пользователя: главное окно, страница тестирования, страница словаря терминов. Графически класс изображается в виде прямоугольника, который дополнительно может быть разделен горизонтальными линиями на разделы или секции. В этих разделах указываются имя класса, например, электролизер, атрибуты (переменные или параметры), и операции (методы, действия), например уменьшить ток питания .
Кроме внутреннего устройства или структуры классов на диаграмме, изображенной на рисунке 3.7, указываются различные отношения между классами в виде направленных прямых линий. В UML физические либо логические связи сущностей друг с другом моделируются с помощью отношений:
- зависимость - это отношение использования (обозначаются пунктирной линией со стрелкой);
- обобщение связывает общие классы с более специализированными, что известно под названием отношением типа подкласс\суперкласс или потомок\родитель (линия с треугольником);
- ассоциация является структурным отношением между сущностями;
Рисунок 3.8 - Информационная структура системы управления процессом электролиза в виде обобщенной диаграммы классов
Таким образом, в соответствии с поставленными целями и на основе разработанных функциональных моделей процесса и системы построен алгоритм обеспечения безопасности в виде диаграмм последовательности и деятельности, а также информационная структура системы управления. Тем самым показана возможность применения объектно-ориентированного моделирования для формализации целенаправленной разработки эффективных алгоритмов и прикладных программ для управления потенциально опасными процессами в составе АСУ реального времени.
3.2 Техническое моделирование технологического процесса
3.2.1 Цели и задачи технического моделирования технологического процесса
На этапе проектирования АСУТП производства водорода целесообразно использовать техническую модель имитации сигналов технологического процесса. Это вызвано тем, что производство является взрывоопасным, а применение модели позволит протестировать разработанную систему на работоспособность, создавая различные варианты аварийного состояния производства, что невозможно произвести на реальном оборудовании.
В диссертационной работе разработан имитатор сигналов осиновых контролирующих параметров (таблица. 3.1) стадии приготовления дистиллята и электролиза воды. Функциональная схема данных участков представлена на рисунке 3.7.
Таблица 3.1 - Осиновые контролируемые параметры
|
поз |
Контролируемый параметр |
Значение контролируемой величины |
Контроль |
Регули-рование |
Сигна-лизация |
|
1 |
Давление пара |
0,12-0,45 МПа |
+ |
- |
- |
|
2 |
Расход пара |
200-400 кг/час |
+ |
- |
- |
|
3 |
Уровень дистиллята |
3 м |
+ |
+ |
+ |
|
4 |
Сила тока |
1000 А |
+ |
- |
- |
|
5 |
Температура водорода |
75 0С |
+ |
- |
- |
|
6 |
Температура кислорода |
75 0С |
+ |
- |
- |
|
7 |
Температура электролита |
65 0С |
+ |
- |
- |
|
8 |
Содержание H2 в О2 |
1,5 % |
+ |
- |
- |
|
9 |
Содержание О2 в H2 |
1,0 % |
+ |
- |
- |
|
10 |
Давление водорода |
0,5 МПа |
+ |
- |
- |
|
11 |
Давление кислорода |
0,5 МПа |
+ |
- |
- |
Структурная схема модели является двухуровневой. Нижний уровень - уровень объекта имитирует датчики для сбора информации о ходе технологического процесса, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам.
В качестве сетевого контроллера выбрано устройство серии ICOS-8000, предназначенные для построения территориально-распределенных систем сбора данных и управления. Устройства серии ICOS-8000 могут объединяться в многоточечную сеть на базе интерфейса RS-485, управляемую центральным компьютером.
Верхний уровень - включает, прежде всего, одну станцию управления, представляющую собой автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора. В качестве рабочей станции используется ПЭВМ типа IBM PC. Станция управления предназначена для отображения хода технологического процесса и оперативного управления. Эти задачи реализуются с помощью SCADA - системы. SCADА - это специализированное программное обеспечение, ориентированное на обеспечение интерфейса между оператором и системой управления.
IBM PC совместимый программируемый микроконтроллер.
Программируемый микроконтроллер ICOS-8411 обеспечивает прием и выдачу аналоговых и дискретных сигналов, первичное преобразование сигналов по запрограммированным пользователем алгоритмам и обмен информацией по последовательным каналам связи на базе интерфейса RS-485. Контроллер имеет открытую архитектуру и может программироваться как с помощью традиционных языков программирования (С, ассемблер), так и с помощью языков логического программирования в соответствии со стандартом МЭК-61131 (в настоящий момент поддержка ICOS-8411 реализована в системах программирования UltraLogik и Paradym-31). Таким образом, ICOS-8411 удачно сочетает в себе качества программируемого логического контроллера (PLC) с простой и открытой архитектурой IBM PC совместимых компьютеров.
- процессор: 80188, 16-разрядный.
- память ОЗУ: 256 кбайт.
