Помощь студентам в учебе
Функционально-блочная реализация моделей переходов состоянии и её использование в системах промышленной автоматики
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОНИТОРИНГА, КОНТРОЛЯ, ВЫБОРКИ И УПРАВЛЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКЕ НА ОСНОВЕ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕХОДОВ СОСТОЯНИЙ 7
1.1 Краткий обзор литературы 9
1.2 Конечные автоматы 10
1.3 Автоматы с магазинной памятью 11
1.4 Сети Петри и их расширения 12
1.5 Функциональные блоки стандарта МЭК 61499 14
1.6 Выводы 18
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕХОДОВ
СОСТОЯНИЙ В ВИДЕ СИСТЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ СТАНДАРТА МЭК 61499 19
2.1 Методика реализации конечных автоматов 19
2.2 Методика реализации магазинных автоматов 34
2.3 Методика реализации сетей Петри 40
2.4 Выводы 48
3 ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-БЛОЧНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ
МОДЕЛЕЙ ПЕРЕХОДОВ СОСТОЯНИЙ 49
3.1 Система сортировки деталей на основе селектирующих конечных автоматов .. 49
3.2 Транслятор Prolog-описаний селектирующих автоматов в имитационную модель
системы сортировки деталей 53
3.3 Реализация недетерминированного конечного и магазинного автоматов для
выборки деталей и сборки изделий 57
3.4 Реализация системы сборки сложных изделий на основе магазинных автоматов 67
3.5 Реализация сетей Петри для выборки деталей 71
3.6 Выводы 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 78
Приложение А - Свидетельство о регистрации программы 83
Приложение Б - Грамоты за участие в конференциях
1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ МОНИТОРИНГА, КОНТРОЛЯ, ВЫБОРКИ И УПРАВЛЕНИЯ В ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКЕ НА ОСНОВЕ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕХОДОВ СОСТОЯНИЙ 7
1.1 Краткий обзор литературы 9
1.2 Конечные автоматы 10
1.3 Автоматы с магазинной памятью 11
1.4 Сети Петри и их расширения 12
1.5 Функциональные блоки стандарта МЭК 61499 14
1.6 Выводы 18
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЕЙ ПЕРЕХОДОВ
СОСТОЯНИЙ В ВИДЕ СИСТЕМ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БЛОКОВ СТАНДАРТА МЭК 61499 19
2.1 Методика реализации конечных автоматов 19
2.2 Методика реализации магазинных автоматов 34
2.3 Методика реализации сетей Петри 40
2.4 Выводы 48
3 ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО-БЛОЧНЫХ РЕАЛИЗАЦИЙ
МОДЕЛЕЙ ПЕРЕХОДОВ СОСТОЯНИЙ 49
3.1 Система сортировки деталей на основе селектирующих конечных автоматов .. 49
3.2 Транслятор Prolog-описаний селектирующих автоматов в имитационную модель
системы сортировки деталей 53
3.3 Реализация недетерминированного конечного и магазинного автоматов для
выборки деталей и сборки изделий 57
3.4 Реализация системы сборки сложных изделий на основе магазинных автоматов 67
3.5 Реализация сетей Петри для выборки деталей 71
3.6 Выводы 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ 77
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 78
Приложение А - Свидетельство о регистрации программы 83
Приложение Б - Грамоты за участие в конференциях
Актуальность темы. В связи с качественными изменениями в сфере промышленного производства, получившими название четвертой промышленной революции («Индустрия 4.0»), атрибутами которой являются киберфизические системы (КФС) и Интернет вещей, смещением парадигмы производства от массового производства к массовому изготовлению изделий с учетом требований заказчика, роль промышленной автоматики неизмеримо возрастает. Современные системы промышленной автоматики (СПА) в большинстве своем представляют КФС, кибернетическая часть которых реализует функции мониторинга, контроля, выборки и управления.
Увеличенная структурная и функциональная сложность систем данного класса, децентрализация функций, широкое использование сетевых технологий, интеграция программной, электронной и механической составляющих в единое целое требует адаптации старых и разработки новых методов и средств их проектирования. При этом возрастает роль формальных моделей и методов в проектировании современных СПА, позволяющих повысить качество проекта и автоматизировать сам процесс проектирования. Наибольшую популярность в проектировании кибернетической части СПА нашли модели дискретных событийных систем, в частности, модели переходов состояний. Несмотря на достигнутые успехи в этом направлении, незначительное внимание было уделено формализации ряда функций СПА, в частности, выборке объектов из входного потока. Существенной проблемой в процессе проектирования является то, что в большинстве случаев существует семантический разрыв между формальной моделью и реализацией, что требует разработки определенных методов и методик реализации, отвечающих на вопрос, как преобразовать формальную модель в исполнимый код.
Не последним фактором, оказывающим влияние на СПА и процесс их проектирования и реализации, является появление новых стандартов, языков, технологий и платформ. Новый международный стандарт МЭК 61499, пришедший на смену стандарту МЭК 61131, ориентирован на построение распределенных систем управления промышленными процессами. По сути дела, стандарт IEC 61499 вводит класс систем управления нового поколения.
С учетом вышесказанного, тема исследований, связанная с разработкой методик реализации моделей переходов состояний на основе функциональных блоков стандарта МЭК 61499 и их использованием в СПА является актуальной.
Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка методик функционально-блочной реализации моделей переходов состояний и апробация их использования на примерах из сферы промышленной автоматики.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1) Разработать методики реализации конечных автоматов на функциональных блоках международного стандарта IEC 61499;
2) разработать методику реализации магазинных автоматов на функциональных блоках международного стандарта IEC 61499;
3) разработать методику реализации сетей Петри на функциональных блоках международного стандарта IEC 61499;
4) Разработать визуальную имитационную модель системы сборки сложных изделий на основе магазинных автоматов для тестирования предложенных методик в системе nxtStudio;
5) Разработать транслятор представления конечных автоматов на языке Prolog в XML-представление функциональных блоков стандарта IEC 61499.
Объектом исследования являются системы мониторинга, контроля, выборки и управления в промышленной автоматике.
Предметом исследования являются методы реализации автоматных моделей и сетей Петри на функциональных блоках международного стандарта IEC 61499, ориентированные на использование в системах промышленной автоматики.
Научная новизна. Научная новизна определяется следующими результатами:
1) разработан подход к реализации конечных автоматов на основе ФБ стандарта IEC 61499, отличающийся использованием механизма передачи маркеров, что позволяет реализовывать как детерминированные, так и недетерминированные автоматы;
2) разработана методика реализации детерминированных магазинных автоматов (ДМА) на основе ФБ стандарта IEC 61499. Особенностью методики является использование представления ДМА в виде диаграммы переходов состояний и механизма передачи маркеров, что позволяет использовать подходы, используемые при функционально-блочной реализации конечных автоматов;
3) предложена методика реализации селектирующих сетей Петри с приоритетами на основе ФБ стандарта IEC 61499. Особенностью методики является использование в функционально-блочной реализации блока- диспетчера, что позволяет легко изменять логику функционирования сети в процессе функционирования.
Практическая ценность работы. Практические результаты, полученные в результате исследований:
1) разработан транслятор Prolog-описаний конечных автоматов в функционально-блочную имитационную модель системы сортировки последовательностей деталей, позволяющий автоматизировать процесс создания управляющих приложений для систем данного класса и средств их валидации;
2) разработана функционально-блочная имитационная модель сборки 2В-изделий, управляемая магазинным автоматом-преобразователем, распознающим язык скобочных выражений, в среде nxtStudio, позволяющая оценить полезность использования магазинных автоматов-преобразователей в системах сборки изделий;
3) реализованы пользовательские интерфейсы функционально-блочных моделей конечных автоматов, магазинных автоматов и сетей Петри в среде nxtStudio, позволяющие облегчить процесс тестирования предложенных методик.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 8-й международной конференции «Industrial Applications of Holonic and Multi-Agent Systems (HoloMAS-2017)» (г. Лион, Франция, 2017), 2-й и 3-й Международной научно-технических и научно-методических конференциях «Современные технологии в науке и образовании (СТНО)» (г. Рязань, 2017, 2018), 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Новые информационные технологии и системы (НИТиС)» (г. Пенза 2016, 2017), международной научно-технической конференции “Современные информационные технологии (СИТ-2017)” (г. Пенза, 2017), 4-й и 5-й ежегодных межвузовских научно-практических конференциях «Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы» (г. Пенза 2017, 2018).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ в журналах, сборниках научных трудов и трудах конференций (из них 1 статья опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 статья в зарубежном журнале, индексируемом в Scopus/Web of Science). Получено свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ. В процессе регистрации находятся еще один программный продукт «Функционально-блочная реализация магазинного автомата для распознавания языка скобочных арифметических выражений».
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, трёх глав, заключения, изложенных на 73 страницах, списка литературы из 39 наименований, 2 приложения и содержит 59 рисунков.
Увеличенная структурная и функциональная сложность систем данного класса, децентрализация функций, широкое использование сетевых технологий, интеграция программной, электронной и механической составляющих в единое целое требует адаптации старых и разработки новых методов и средств их проектирования. При этом возрастает роль формальных моделей и методов в проектировании современных СПА, позволяющих повысить качество проекта и автоматизировать сам процесс проектирования. Наибольшую популярность в проектировании кибернетической части СПА нашли модели дискретных событийных систем, в частности, модели переходов состояний. Несмотря на достигнутые успехи в этом направлении, незначительное внимание было уделено формализации ряда функций СПА, в частности, выборке объектов из входного потока. Существенной проблемой в процессе проектирования является то, что в большинстве случаев существует семантический разрыв между формальной моделью и реализацией, что требует разработки определенных методов и методик реализации, отвечающих на вопрос, как преобразовать формальную модель в исполнимый код.
Не последним фактором, оказывающим влияние на СПА и процесс их проектирования и реализации, является появление новых стандартов, языков, технологий и платформ. Новый международный стандарт МЭК 61499, пришедший на смену стандарту МЭК 61131, ориентирован на построение распределенных систем управления промышленными процессами. По сути дела, стандарт IEC 61499 вводит класс систем управления нового поколения.
С учетом вышесказанного, тема исследований, связанная с разработкой методик реализации моделей переходов состояний на основе функциональных блоков стандарта МЭК 61499 и их использованием в СПА является актуальной.
Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка методик функционально-блочной реализации моделей переходов состояний и апробация их использования на примерах из сферы промышленной автоматики.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1) Разработать методики реализации конечных автоматов на функциональных блоках международного стандарта IEC 61499;
2) разработать методику реализации магазинных автоматов на функциональных блоках международного стандарта IEC 61499;
3) разработать методику реализации сетей Петри на функциональных блоках международного стандарта IEC 61499;
4) Разработать визуальную имитационную модель системы сборки сложных изделий на основе магазинных автоматов для тестирования предложенных методик в системе nxtStudio;
5) Разработать транслятор представления конечных автоматов на языке Prolog в XML-представление функциональных блоков стандарта IEC 61499.
Объектом исследования являются системы мониторинга, контроля, выборки и управления в промышленной автоматике.
Предметом исследования являются методы реализации автоматных моделей и сетей Петри на функциональных блоках международного стандарта IEC 61499, ориентированные на использование в системах промышленной автоматики.
Научная новизна. Научная новизна определяется следующими результатами:
1) разработан подход к реализации конечных автоматов на основе ФБ стандарта IEC 61499, отличающийся использованием механизма передачи маркеров, что позволяет реализовывать как детерминированные, так и недетерминированные автоматы;
2) разработана методика реализации детерминированных магазинных автоматов (ДМА) на основе ФБ стандарта IEC 61499. Особенностью методики является использование представления ДМА в виде диаграммы переходов состояний и механизма передачи маркеров, что позволяет использовать подходы, используемые при функционально-блочной реализации конечных автоматов;
3) предложена методика реализации селектирующих сетей Петри с приоритетами на основе ФБ стандарта IEC 61499. Особенностью методики является использование в функционально-блочной реализации блока- диспетчера, что позволяет легко изменять логику функционирования сети в процессе функционирования.
Практическая ценность работы. Практические результаты, полученные в результате исследований:
1) разработан транслятор Prolog-описаний конечных автоматов в функционально-блочную имитационную модель системы сортировки последовательностей деталей, позволяющий автоматизировать процесс создания управляющих приложений для систем данного класса и средств их валидации;
2) разработана функционально-блочная имитационная модель сборки 2В-изделий, управляемая магазинным автоматом-преобразователем, распознающим язык скобочных выражений, в среде nxtStudio, позволяющая оценить полезность использования магазинных автоматов-преобразователей в системах сборки изделий;
3) реализованы пользовательские интерфейсы функционально-блочных моделей конечных автоматов, магазинных автоматов и сетей Петри в среде nxtStudio, позволяющие облегчить процесс тестирования предложенных методик.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 8-й международной конференции «Industrial Applications of Holonic and Multi-Agent Systems (HoloMAS-2017)» (г. Лион, Франция, 2017), 2-й и 3-й Международной научно-технических и научно-методических конференциях «Современные технологии в науке и образовании (СТНО)» (г. Рязань, 2017, 2018), 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Новые информационные технологии и системы (НИТиС)» (г. Пенза 2016, 2017), международной научно-технической конференции “Современные информационные технологии (СИТ-2017)” (г. Пенза, 2017), 4-й и 5-й ежегодных межвузовских научно-практических конференциях «Информационные технологии в науке и образовании. Проблемы и перспективы» (г. Пенза 2017, 2018).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ в журналах, сборниках научных трудов и трудах конференций (из них 1 статья опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 1 статья в зарубежном журнале, индексируемом в Scopus/Web of Science). Получено свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ. В процессе регистрации находятся еще один программный продукт «Функционально-блочная реализация магазинного автомата для распознавания языка скобочных арифметических выражений».
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, трёх глав, заключения, изложенных на 73 страницах, списка литературы из 39 наименований, 2 приложения и содержит 59 рисунков.
В результате работы получены следующие научные и практические результаты:
1. формальная модель детерминированного конечного автомата для спецификации и выборки последовательностей деталей в промышленных системах сортировки;
2. подход к реализации конечных автоматов на основе ФБ с использованием механизма передачи маркеров;
3. система вывода графов, определяющая процесс порождения структур систем ФБ IEC 61499 из конечноавтоматной спецификации селектируемых последовательностей деталей;
4. методика трансляции автоматных спецификаций селектируемых последовательностей деталей в систему управления сортировкой на основе ФБ IEC 61499;
5. разработан автоматический транслятор prolog-описаний конечных автоматов в имитационную модель системы сортировки последовательностей деталей;
6. подход к двухфазной реализации НДА на основе ФБ стандарта IEC 61499, когда в виде блоков представляются состояния автомата;
7. метод реализации детерминированных магазинных автоматов на основе ФБ;
8. представлена модель сборки изделий, управляемая МА- преобразователем в среде nxtStudio;
9. методика реализации сетей Петри на основе функциональных блоков стандарта IEC 61499.
Направления дальнейших исследований следующие:
1) разработка методики реализации А-сетей на основе
функциональных блоков стандарта IEC 61499;
2) построение модели выборки деталей и сборки изделий из LEGO- блоков;
3) оценка ФБ-реализаций других моделей переходов состояний;
4) сравнение всех предложенных методов для конкретных ситуаций.
1. формальная модель детерминированного конечного автомата для спецификации и выборки последовательностей деталей в промышленных системах сортировки;
2. подход к реализации конечных автоматов на основе ФБ с использованием механизма передачи маркеров;
3. система вывода графов, определяющая процесс порождения структур систем ФБ IEC 61499 из конечноавтоматной спецификации селектируемых последовательностей деталей;
4. методика трансляции автоматных спецификаций селектируемых последовательностей деталей в систему управления сортировкой на основе ФБ IEC 61499;
5. разработан автоматический транслятор prolog-описаний конечных автоматов в имитационную модель системы сортировки последовательностей деталей;
6. подход к двухфазной реализации НДА на основе ФБ стандарта IEC 61499, когда в виде блоков представляются состояния автомата;
7. метод реализации детерминированных магазинных автоматов на основе ФБ;
8. представлена модель сборки изделий, управляемая МА- преобразователем в среде nxtStudio;
9. методика реализации сетей Петри на основе функциональных блоков стандарта IEC 61499.
Направления дальнейших исследований следующие:
1) разработка методики реализации А-сетей на основе
функциональных блоков стандарта IEC 61499;
2) построение модели выборки деталей и сборки изделий из LEGO- блоков;
3) оценка ФБ-реализаций других моделей переходов состояний;
4) сравнение всех предложенных методов для конкретных ситуаций.