Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 11. -
Вып. 4. - 2012. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-36-html/TITL-36.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-36-html/cont.htm
УДК 004.94
Моделирование
ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ В ИНТЕГРИРОВАННОЙ СРЕДЕ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ
МАТЕМАТИКИ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ САПР
Ó 2012 г.
Найдёнов Е. В., Якименко И. В.
В работе изложен способ проектирования модели производственного предприятия
в интегрированной среде на основе системы компьютерной математики,
схемотехнических и специализированных САПР. Предлагаемый способ позволяет
отказаться от использования большого числа разносторонних программ и получить
законченную модель современного комплекса, включающую различные системы и
службы в единой универсальной среде. Раскрыты особенности совмещения схемотехнических
и специализированных САПР с системой Matlab&Simulink. Представлен метод моделирования цифровой системы управления,
состоящей из цифровой и силовой частей.
Ключевые слова: цифровые системы
управления (ЦСУ), интеграция САПР, OrCAD, SCADE, Matlab&Simulink.
Постоянное развитие возможностей систем
автоматического проектирования (САПР) во многом определяется спросом на
изготовляемую продукцию. Однако, при постановке задач глобального масштаба,
зачастую недостаточно использования лишь одной САПР. В частности,
проектирование промышленного предприятия, исследовательского комплекса и целого
ряда современных высокотехнологичных объектов, требует использования большого
набора разнообразных программ для создания ряда моделей и разрозненного их анализа.
Выходом может являться создание универсальной интегрированной среды, в которой
используемые САПР будут обмениваться данными и будет решён вопрос об их совместимости
друг с другом. Универсальным решением является пакет компьютерной математики Matlab&Simulink, на
основе которой, путём совмещения систем специального и схемотехнического
проектирования, создаётся единый комплекс исследования. Рассмотрим пример создания
модели промышленного предприятия на основе описываемой среды.
Упрощённо, любой масштабный объект можно представить
набором используемых систем. В частности, это могут быть системы охраны и видеонаблюдения,
пожаротушения, контроля среды, электропитания и аварийного питания. Современным
подходом будет изменение параметров в каждой из рассматриваемых систем
обеспечения посредством цифровой системы управления. Блок-схема современного промышленного
предприятия представлена на рисунке 1. На блок-схеме рассмотрены основные
служебные системы предприятия, поскольку технологическая часть определяется
профилем производства.
Рисунок 1 – Блок-схема современного промышленного предприятия
Каждая из исследуемых систем, входящих в
обеспечение предприятия включает в себя цифровой блок, алгоритм управления
которым передаётся от пульта управления, а также силовую часть – нагрузку. В
масштабах предприятия, нагрузка может быть разнообразна: любые виды
преобразователей, двигатели, лампы, системы камер и датчиков, и др. Поэтому создание моделей цифровой части
каждой из систем – сложная математическая задача, поскольку необходимо
отработать алгоритм питания и управления каждым из силовых компонентов. Для
реализации алгоритмов работы цифровой части любой из систем, логично использование
системы компьютерной математики, поскольку математические алгоритмы наиболее
точно отражают поведение цифровых элементов. Модель силовой части необходимо
проектировать в схемотехнической САПР, где учитывалось бы поведение реальных
компонентов, а не усреднённых математических моделей. Реализация единого блока
системы, состоящей из цифровой и силовой частей, проводится в среде интеграции математической
и схемотехнической САПР. Предложенный способ интеграции представлен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Способ интеграции системы компьютерной математики
и схемотехнических САПР
Рассмотрим формирование интегрированной
среды в блоке системы управления электропитанием, который также основан на
цифровой схемотехнике. Средой для разработки цифровой системы управления
электропитанием (ЦСУЭ) был выбран пакет компьютерной математики Matlab+Simulink.
Система функционального моделирования Simulink
позволяет исследовать алгоритм работы ЦСУЭ, получить код для последующей
программной и аппаратной реализации. Впоследствии на основе полученной модели
строится схема преобразователя. Средой для разработки силовой части схемотехнической
САПР выбран пакет схемотехнического проектирования Cadence OrCAD.
Интеграция указанных САПР осуществляется в среде PSpice SLPS. Анализ
переходных процессов проводится в каждом САПР самостоятельно. В завершении,
отлаженная модель силовой части моделируемого преобразователя загружается в
среду Matlab, через блок системы интеграции, которая впоследствии
осуществляет взаимодействие двух систем. Отладка работы модели преобразователя на
основе ЦСУЭ будет приводиться в среде Simulink [1]. Пример
создания ЦСУЭ представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Пример
интеграции САПР при помощи среды PSpice SLPS
Следует помнить, что на сегодняшний день, в библиотеках элементов популярных САПР не
имеется моделей специализированных ИС, необходимых для моделирования цифровой
схемотехники. Поэтому реализация требуемых моделей цифровой части, пока
возможна лишь в системе компьютерной математики, методом поблочного проектирования
[2]. Данный алгоритм рассмотрен на рисунке выше.
Для контроля за всеми системами комплекса
требуется современная система управления, которая может быть сформирована в
системе специализированного проектирования Esterel SCADE Suite. Сегодня возможности
программы позволяют проектировать сложные системы контроля авто-, авиа-,
гидротехники, сложных энергетических сооружений, и многое другое. Доступное
расширение Model Verification & Validation позволяет проводить интеграцию
системы SCADE с системой Matlab&Simulink, в том числе расширяя последнюю специализированными
библиотеками компонентов управления. Блок-схема способа интеграции представлена
на рисунке 4.
Рисунок 4 – Универсальная
среда разработки модели на основе интеграции системы компьютерной математики,
схемотехнических и специализированных САПР
Пример построения математической модели
производственного предприятия в среде интеграции системы компьютерной
математики, специализированной и схемотехнической САПР приведён на рисунке 5.
Рисунок 5 – Модель
производственного предприятия в интегрированной среде на основе системы
компьютерной математики Matlab&Simulink
Использование универсального способа
интеграции САПР на основе системы компьютерной математики позволяют проектировать
разнообразные современные комплексы, включающие тысячи различных элементов и
десятки цифровых систем контроля за объектами. Возможность построения полнофункциональной
модели предприятия обусловлена, прежде всего, высокой гибкостью системы
проектирования, доступностью программного обеспечения, многофункциональным
интерфейсом каждой из САПР. Внедрение цифровых систем контроля
энергопотреблением, системами безопасности и охраны, а также ряда других
объектов позволяет использовать все преимущества современной компонентной базы,
что обеспечивает высокую стабильность работы всех систем и служб в течение
большого временного промежутка.
Литература
1. Найдёнов Е.В.
Разработка цифровых систем управления источниками питания // XVIII международная научно-техническая конференция студентов и
аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Том 1. Москва 2012,
с. 249
2. Найдёнов Е.В. Интеграция САПР в
моделировании цифровых систем управления преобразовательными устройствами //
Материалы всероссийской научно-технической конференции – 2012. Том
1. Калуга, КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана, с. 531.
SIMULATION OF AN INDUSTRIAL
ENTERPRISE IN THE INTEGRATED DEVELOPMENT ENVIRONMENT OF COMPUTER MATHEMATICS
AND SPECIALIZED CAD
Naydyonov
E.V., Jakimenko I.V.
The paper presents a method of designing a
model production facility in an integrated environment based on a system of computer
mathematics, circuit design, and specialized CAD. The proposed method eliminates
the need for a large number of diverse programs and obtains a complete model of
a modern complex comprising of various systems and services in a single
universal medium. The features combine to hardware and specialized CAD system
with Matlab & Simulink. A method for modeling digital control systems
consisting of digital and power units.
Key words: digital control system (DCS), the
integration of CAD, OrCAD, SCADE, Matlab & Simulink.
Филиал ФГБОУВПО
«Национальный исследовательский университет» МЭИ»
в г. Смоленске
Поступила в редакцию 12.12.2012.