Разработка автоматизированной системы управления колонны в установки по переработке мазута

     Будем полагать, что управление Вакуумной установкой осуществляется неким контроллером в соответствии с параметрами, вводимыми оператором. Контроллер опрашивает датчики и, сравнивая введенные параметры с действительными, осуществляет управление исполнительными устройствами, регулируя тот или иной параметр технологического процесса. Кроме того, контроллер должен выдавать информацию о текущем состоянии процесса оператору.

     Отобразим всё вышесказанное на диаграмме  сценариев Use Case. На этой диаграмме видно, что режим работы задаётся оператором действием Создать план. После запуска оператором процесса, контроллер получая данные от датчиков, управляет устройствами. 

2.2 Объёмно-ориентированное моделирование в среде UML

Диаграмма вариантов использования (Use Case)

     В данном разделе проведено моделирование  на основе метода объектно-ориентированного анализа (т. е. производится анализ работоспособности  системы автоматики на объекте автоматизации). Данный метод широко используется в  современных программах использующих унифицированный язык моделирования (UML) который принят за основной язык моделирования. Весь процесс моделирования происходил в пакете моделирования StarUML. Программный пакет StarUML позволяет создавать сложные программные системы от замысла до создания исходного кода. Он дает возможность получать исходный код взаимодействующих классов и строить визуальные модели по уже написанному исходному коду. Возможность интеграции со средствами управления требованиями, тестирования, конфигурационного управления делает намного проще и короче работу от создания модели системы до ее внедрения на объекте автоматизации. Пакет позволяет строить диаграммы для моделирования, которые позволяют отследить (смоделировать) все возможные события, состояния, положения, действия системы на различные действия как внутри системы, так и при внешнем воздействии.

     Стандарт UML версии 1.1, принятый OMG в 1997 г., предлагает следующий набор диаграмм  для моделирования:

- диаграммы  вариантов использования (use case diagrams) – для моделирования бизнес-процессов организации и требований к создаваемой системе);

- диаграммы  классов (class diagrams) – для моделирования статической структуры классов системы и связей между ними;

- диаграммы поведения системы (behavior diagrams);

- диаграммы  взаимодействия (interaction diagrams);

- диаграммы  последовательности (sequence diagrams);

- кооперативные  диаграммы (collaboration diagrams);

- для  моделирования процесса обмена  сообщениями между объектами;

- диаграммы состояний (statechart diagrams) – для моделирования поведения объектов системы при переходе из одного состояния в другое;

- диаграммы  деятельностей (activity diagrams) – для моделирования поведения системы в рамках различных вариантов использования, или моделирования деятельностей;

- диаграммы  реализации (implementation diagrams);

- диаграммы  компонентов (component diagrams) – для моделирования иерархии компонентов (подсистем) системы;

- диаграммы размещения (deployment diagrams) – для моделирования физической архитектуры системыДанная диаграмма является на сегодняшний день основным элементом разработки и планирования проекта. Вариант использования представляет собой последовательность действий (транзакций), выполняемых системой в ответ на событие, инициируемое некоторым внешним объектом (действующим лицом). Вариант использования описывает типичное взаимодействие между пользователем и системой. В простейшем случае вариант использования определяется в процессе обсуждения с пользователем тех функций, которые он хотел бы реализовать. В диаграмме используется два основных элемента: actor(действующее лицо) и use case(вариант использования) и линии соединения(Unidirectional Association).

       Действующее лицо (actor) – это роль, которую пользователь играет по отношению к системе. Действующие лица представляют собой роли, а не конкретных людей или наименования работ. Несмотря на то, что на диаграммах вариантов использования они изображаются в виде стилизованных человеческих фигурок, действующее лицо может также быть внешней системой, которой необходима некоторая информация от данной системы. Показывать на диаграмме действующих лиц следует только в том случае, когда им действительно необходимы некоторые варианты использования.

     Варианты  использования – это функции, выполняемые системой, которые выполняются  при заинтересованности действующих  лиц. Варианты использования начинают описывать, что должна будет делать система.

     В моделируемой системе управления контуром системы выделено 3 группы действующих  лиц (actor). Первая группа это серия датчиков установленных на объекте, осуществляет считывание показателей системы, при запросе или при непрерывной связи с регулирующим прибором передает показания. Всего в системе 5 считывающих устройств (датчиков). Вторая группа это исполнительные устройства, на которые подается сигнал управления. Устройствами являются насосы, регулирующие клапана с электроприводом, дублирующие устройства, осуществляющие резервную линию. Третья группа это независимые устройства, осуществляющие четко определенные функции по управлению системой, передачей информации.

     Основным  действующим лицом системы управления является регулирующий прибор (контроллер).

     Прибор  поочередно опрашивает датчики температуры, давления, уровня, и формирует в  соответствии с реализуемой программой усредненные нормы. Сформированные требования (нормы) подаются в виде управляющего сигнала на исполнительные  устройства, которые осуществляют регулирование работы системы. Действующее лицо оператор непосредственно с места не может осуществлять регулирование, его задача четко фиксировать все события, вести журнал состояний системы. При различных отклонениях в работе системы оператор своевременно сообщает на пульт диспетчерам о нарушениях в работе. Связь между датчиками и регулирующим прибором является связью включения (include). С помощью таких связей моделируют многократно используемую функциональность. Связь между оператором и системой осуществляются соединением расширения, определяющим описание изменений в нормальном поведении системы, так и при простой передачи данных о работе.

       На диаграмме вариантов использования  показано взаимодействие между  вариантами использования и действующими  лицами. Она отражает требования  к системе с точки зрения  пользователя. Таким образом, варианты  использования – это функции,  выполняемые системой, а действующие  лица – это заинтересованные  лица (stakeholders) по отношению к создаваемой  системе. Такие диаграммы показывают, какие действующие лица инициируют  варианты использования. Из них  также видно, когда действующее  лицо получает информацию от  варианта использования. В сущности, диаграмма вариантов использования  иллюстрирует требования к системе.  Конечный вид диаграммы вариантов  использования для контура системы  управления представлен на рисунке  5

Рисунок 5 - Диаграмма вариантов использования

Диаграмма размещения (deployment diagram)

Диаграмма размещения (deployment diagram) отражает физические взаимосвязи между программными и аппаратными компонентами системы. Она является хорошим средством для того, чтобы показать маршруты перемещения объектов и компонентов в распределенной системе. Каждый узел на диаграмме размещения представляет собой некоторый тип вычислительного устройства – в большинстве случаев, часть аппаратуры. Эта аппаратура может быть простым устройством или датчиком, а может быть и мэйнфреймом.

Диаграмма размещения (рисунок 6) показывает физическое расположение сети и местонахождение в ней различных компонентов.

Рисунок 6 - Диаграмма размещения

     Из  данной диаграммы можно узнать о  физическом размещении системы. Датчики  будут связаны с контроллером каналами связи, по которым передаются данные необходимые при составлении  норм. Контроллер, получая данные, формирует  нормы и по каналам передает сигналы  на исполнительные устройства. Выполнение процессов подчинено типу cyclic (Всем процессам выделяется равное количество процессорного времени). Также по каналу связи RS-485, LAN осуществляется непрерывная связь с оператором. На пульт оператора поступает вся информация о текущем состоянии системы. На диаграмме также отражена возможная модернизация системы в плане объединения всех объектов управления под контроль одной специализированной SCADA-системы. 

Диаграмма состояний

     Диаграмма состояний определяет все возможные  состояния, в которых может находиться конкретный объект, а также процесс  смены состояний объекта в  результате наступления некоторых  событий.

     Существует  много форм диаграмм состояний, незначительно  отличающихся друг от друга семантикой. Наиболее распространенная форма, используемая в объектно-ориентированных методах, впервые применялась в методе ОМТ и впоследствии была адаптирована Гради Бучем.

     На  диаграмме имеются два специальных  состояния – начальное (start) и  конечное (stop). Начальное состояние  выделено черной точкой, оно соответствует  состоянию объекта, когда он только что был создан.

     Конечное  состояние обозначается черной точкой в белом кружке, оно соответствует  состоянию объекта непосредственно  перед его уничтожением. На диаграмме  состояний может быть одно и только одно начальное состояние. В то же время, может быть столько конечных состояний, сколько  нужно, или их может не быть вообще. Когда объект находится в каком-то конкретном состоянии, могут выполняться различные  процессы. Процессы, происходящие, когда  объект находится в определенном состоянии, называются действиями (actions).

     В проектируемой системе можно  четко проследить все состояния, в которые попадает система. Старт  системы осуществляется пробным  пуском определенного давления с  целью проверки работоспособности  системы. Данное состояние обозначено Test Starting. После подачи носителя в трубы система переходит в следующее состояние System sensor questioning. В этом состоянии система начинает снимать данные со счетчиков расположенных в системе (датчиков давления, температуры, уровня, расхода) и формирует уточненные нормы(exact norm). Эти нормы являются окончательными для поддержания рабочего графика, и система переходит в следующее состояние. Состояние Work executive devices определяет механизмы действий на исполнительные устройства при различных изменениях в системе. Это поддержание требуемого давления, требуемой температуры, регулирование расходом теплоносителя, а также переход на резервное оборудование. Механизм действия прописывается таким образом: при низкой температуре в системе (аргумент этого события требуемая температура меньше норм температуры, на исполнительное устройство регулирования – комплекс горелок печи подается сигнал управления с условием увеличить подачу тепла через горелки на рассчитанную величину. Когда условие будет выполнено и T_дейст=T_норм система установит данный режим нормой. Регулирование давления осуществляется на основе показаний датчиков давления в трубопроводе и регулятора перепада давления.  Регулирование уровнем осуществляется управляемым клапаном подачи.

Диаграмма состояний представлена на рисунке  7.

Рисунок 7 - Диаграмма состояний 

Диаграмма деятельности

     Эти диаграммы  полезны в описании поведения, включающего большое  количество параллельных процессов. Подобно  большинству других средств, моделирующих поведение, диаграммы деятельностей  обладают определенными достоинствами  и недостатками, поэтому их лучше  всего использовать в сочетании  с другими средствами.

     Самым большим достоинством диаграмм деятельностей  является поддержка параллелизма. Благодаря  этому они являются мощным средством  моделирования потоков работ  и, по существу, параллельного программирования. Самый большой их недостаток заключается  в том, что связи между действиями и объектами просматриваются  не слишком четко.

     Диаграмма деятельности используется в двух  ситуациях: как анализ вариантов  использования или анализ потоков  работ. В первом случае не требуется  связь между действиями и объектами, а требуется только понять, какие  действия должны иметь место и  каковы зависимости в поведении  системы. Связывание объектов и методов  выполняется с помощью диаграммы  взаимодействия. Второй случай используется при наличии нескольких вариантов  использования. Когда варианты использования  взаимодействуют друг с другом, диаграммы  деятельностей являются мощным средством  представления и анализа их поведения.

     В проектируемой системе диаграмма  используется для анализа варианта использования. На диаграмме (рисунок  8) отражена зависимость порядка действий системы, их очередность. В системе процесс функционирования зависит от  выполнения 2 параллельных условий, без выполнения которых невозможно продолжение работы системы. Это снятие данных о текущих нормах (present norm). Эти данные используются для расчета графика системы управления установкой. Второе это сигнал с таймера определяющий режим работы (day/night). По этому сигналу выбирается режим «дневного использования» или «ночного использования». После выполнения условий определяется, будет, продолжаться работа системы или нет. При отрицательном результате (получен один или не одного сигнала) система отключается и подает сигнал неисправности. При положительном результате система начинает работу (подача тепла, опрос датчиков, работа исполнительных устройств). При изменении показателей все отклонения передаются в начало действия системы, анализируются и на основе этих данных формируется новые нормы работы системы.