Устройство моделирования технологических процессов управления техническими объектами Российский патент 2017 года по МПК G06G7/48 G06N7/06 

Изобретение относится к устройствам общего управления технологическими процессами на различных объектах, функционирование которых предусматривает необходимость наблюдения текущего состояния и управления траекторией развития.

Изобретение предназначено для реализации модели технологического процесса управления различными объектами в виде электрического устройства. Устройство позволяет принимать информацию о текущем состоянии объекта управления, выводить полученную информацию и транслировать управляющие воздействия на объект управления.

Известна автоматизированная система управления технологическими процессами по патенту на полезную модель [1]. Автоматизированная система содержит два блока управления, два устройства отображения, шину данных, связанную с объектами управления системы, блок контроля состояния системы, блок моделирования технологического процесса, блок планирования технологического процесса и блок мониторинга и прогнозирования технологического процесса с их связями.

Технический результат, достигаемый при использовании системы [1], заключается в расширении функциональных возможностей автоматизированной системы управления технологическими процессами и повышении надежности ее работы. Однако данная полезная модель не содержит непосредственного описания структуры и принципов технической реализации блока моделирования технологического процесса. В связи с чем эффективность применения модели [1] значительно будет зависеть от технической реализации указанного блока.

Известна система логического управления по патенту на изобретение [2]. Данная система логического управления содержит модуль входов, логический модуль, модуль диагностики, модуль выходов, модуль оптической связи, соединенные между собой с помощью линий связи. Техническим результатом является повышение надежности управления различными техническими объектами. Однако данное изобретение не содержит модуля для контроля длительности (событийной или временной) технологических операций.

Известно устройство для моделирования систем массового обслуживания по патенту к изобретению [3], содержащее элемент «И», триггер, три элемента «ИЛИ», четыре генератора импульсов со случайным интервалом следования и блок счетчиков. Устройство позволяет моделировать систем массового обслуживания с низким и высоким качеством. Устройство позволяет контролировать состояние процесса обслуживания. Однако устройство не позволяет моделировать и контролировать распределенные во времени процессы обслуживания, кроме того, оно не позволяет моделировать процессы управления техническими средствами.

Известны способ и система моделирования технологических процессов по патенту на изобретение [4]. Система содержит взаимосвязанные модели: пунктов управления, линий связи, устройства хранения баз данных передачи данных, блоков сбора, анализа данных об объектах воздействия, селекции объектов по характеристикам, идентификации и классификации объектов воздействия, оценки эффективности, распределения объектов между техническими средствами, формирования целеуказаний системам, пультов управления, устройств отображения информации и управления техническим средством. Данное изобретение не содержит непосредственного описания структуры и принципов технической реализации блоков технологических операций. Например, операций сбора и анализа данных об объектах воздействия, селекции объектов по характеристикам, идентификации и классификации объектов воздействия, оценки эффективности, распределения объектов между техническими средствами и формирования целеуказаний системам. В связи с чем эффективность применения способа и системы [4] значительно будет зависеть от технической реализации указанных блоков.

Наиболее близким к заявляемому устройству по своей функциональному назначению (прототипом) является устройство для моделирования систем массового обслуживания по патенту к изобретению [5], содержащее N блоков обслуживания заявок, каждый из которых имеет элемент «И», триггер, два генератора импульсов со случайным интервалом следования, элемент «ИЛИ». Особенностью устройства и его отличием от устройства [3] является возможность моделирования последовательно соединенных элементов системы массового обслуживания, т.е. соединенных по принципу «окончание -начало». Недостатками устройства являются недостаток, аналогичный недостатку устройства [3], а также невозможность моделирования процессов, в которых операции взаимозависимы по принципам «начало - окончание», «начало - начало» и «окончание - окончание».

Сущность предъявляемого изобретения заключается в том, что модель технологической операции представляется электрическим устройством. Совокупность же таких устройств в соответствующем количестве моделирует технологический процесс.

На фиг. 1 приведено устройство, моделирующее технологическую операцию.

Устройство работает следующим образом.

На установочный вход 1 RS-триггера 7 поступает сигнал о разрешении выполнения операции - осуществляется запуск модели. С выхода RS-триггера 7 сигнал поступает на вход схемы логического сложения 8, выполняющей задачу развязки RS-триггеров 7 и 9. По поступлению сигнала на вход схемы логического сложения 8 формируется сигнал на выходе 1 элемента 8, который поступает на сбрасывающий вход 2 RS-триггера 7, а также формируется сигнал на выходе 2 элемента 8, который поступает на установочный вход RS-триггера 9. Сигнал на выходе RS-триггера 9 не снимается в течение всего интервала моделирования технологической операции. С выхода RS-триггера 9 сигнал поступает на вход 1 схемы логического сложения 11. Также на вход 2 схемы логического сложения 11 поступает сигнал с RS-триггера 12. В свою очередь, на установочный вход 1 RS-триггера 12 поступает сигнал при формировании очередного отсчета события в моделируемой операции. Также на вход 3 схемы логического сложения 11 поступает сигнал с инверсного выхода RS-триггера 17. При одновременном присутствии сигналов на всех входах схемы логического сложения 11 формируется сигнал на ее выходах. С выхода 1 схемы логического сложения 11 сигнал поступает на вход двоичного счетчика 6, который выполняет роль регистратора двоичной информации и позволяет по сигналу на своем выходе фиксировать степень отсчитанной задержки начала выполнения операции. С выхода 2 схемы логического сложения 11 сигнал поступает в двоичный счетчик 13, на выходе которого формируется двоичный сигнал, аналогичный сигналу на выходе двоичного счетчика 6, пропорциональный количеству принятых отсчетов событий моделируемой операции с момента разрешения отсчета задержки ее начала и момента разрешения выполнения операции. С выхода 3 схемы логического сложения 11 сигнал поступает на сбрасывающий вход в RS-триггера 12, таким образом, RS-триггер 12 готовится к приему следующего отсчета события моделируемой операции. Схема логического сложения 14 получает на вход сигнал с выхода двоичного счетчика 13. При накоплении счетчиком 13 на своих выходах требуемого двоичного числа, равного заданной длительности задержки начала выполнения операции, на выходах схемы логического сложения 14 сформируется сигнал. С выхода 1 схемы логического сложения 14 сигнал поступает на установочный вход RS-триггера 10, формирование сигнала на выходе которого соответствует моменту окончания отсчета задержки начала операции и моменту начала выполнения операции. С выхода 2 схемы логического сложения 14 сигнал поступает на установочный вход RS-триггера 15. С выхода 3 схемы логического сложения 14 сигнал поступает на установочный вход RS-триггера 17, тем самым снимается сигнал с его инверсного выхода, что приводит к снятию сигнала с выходов схемы логического сложения 11 и, следовательно, прекращению подсчет отсчетов событий двоичными счетчиками 6 и 13. На выходе RS-триггера 15 формируется неснимаемый сигнал при начале выполнения операции.

Совокупность элементов 1-5 предназначена для реализации приостановки и возобновления выполнения операции. На установочный вход 1 RS-триггера 1 поступает сигнал при необходимости приостановки выполнения операции. С выхода RS-триггера 1 сигнал поступает в схему логического сложения 2. С выхода 1 схемы логического сложения 2 сигнал поступает на сбрасывающий вход 2 RS-триггера 1, тем самым данный триггер готовится к приему сигнала на приостановку выполнения операции в следующий раз. С выхода 2 схемы логического сложения 2 сигнал поступает на сбрасывающий вход 1 RS-триггера 5, тем самым снимается сигнал с выхода данного триггера. На устанавливающий вход 1 RS-триггера 3 поступает сигнал при необходимости возобновления выполнения операции. С выхода RS-триггера 3 сигнал поступает в схему логического сложения 4. С выхода 1 схемы логического сложения 4 сигнал поступает на сбрасывающий вход 2 RS-триггера 3, тем самым данный триггер готовится к приему сигнала на возобновление выполнения операции в следующий раз. С выхода 2 схемы логического сложения 4 сигнал поступает на устанавливающий вход 2 RS-триггера 5, тем самым формируется сигнал на выходе данного триггера.

Схема логического сложения 16 предназначена для формирования выходного сигнала в случае поступления на свой вход 1 сигнала с RS-триггера 5 - операция не приостановлена или возобновлена, на свой вход 2 с RS-триггера 15 - операции разрешено выполнение и полностью отсчитана задержка начала ее выполнения, на свой вход 3 с выхода RS-триггера 18 - при поступлении очередного отсчета события моделируемой операции, на свой вход 4 сигнала с инверсного выхода RS-триггера 25 - не поступил разрешающий сигнал на прекращение выполнения операции. На установочный вход 1 RS-триггера 18 поступает сигнал при формировании очередного отсчета события в моделируемой операции. С выхода 1 схемы логического сложения 16 сигнал поступает на вход двоичного счетчика 19, который выполняет задачу подсчета отсчетов событий моделируемого процесса, полученных с момента начала выполнения операции. С выхода 2 схемы логического сложения 16 сигнал поступает на двоичный счетчик 24, который исполняет роль регистратора двоичной информации и позволяет по сигналу на своем выходе фиксировать степень выполнения операции. Сигналы на выходах двоичных счетчиков 19 и 24 одинаковы. С выхода 3 схемы логического сложения 16 сигнал поступает на сбрасывающий вход 2 RS-триггера 18, таким образом, RS-триггер 18 готовится к приему следующего отсчета события моделируемой операции.

При накоплении двоичным счетчиком 19 на своих выходах требуемого двоичного числа, равного заданной длительности выполнения операции, на выходах схемы логического сложения 20 сформируется сигнал. С выхода схемы логического сложения 20 сигнал поступит на устанавливающий вход RS-триггера 21, формирование сигнала на выходе которого соответствует моменту окончания выполнения операции по заданной длительности.

На установочный вход 1 RS-триггера 27 поступает сигнал о разрешении прекращения выполнения операции. С выхода RS-триггера 27 сигнал поступает на вход схемы логического сложения 28, выполняющего задачу развязки RS-триггеров 27, 28 и 29. С выхода 1 схемы логического сложения 28 сигнал поступает на устанавливающий вход RS-триггера 25, тем самым снимается сигнал с инверсного выхода данного триггера, а это, в свою очередь, снимает выходной сигнал с выходов схемы логического сложения 16, что останавливает работу счетчиков 19 и 24. С выхода 2 схемы логического сложения 28 сигнал поступает на устанавливающий вход RS-триггера 29. С выхода 3 схемы логического сложения 28 сигнал поступает на сбрасывающий вход 2 RS-триггера 27.

На выходе RS-триггера 29 формируется сигнал при окончании выполнения операции, который поступает на вход 2 схемы логического сложения 30. На вход 1 схемы логического сложения 30 поступает сигнал с выхода RS-триггера 22. Данный триггер предназначен для приема отсчетов событий моделируемой операции, поступающих на его установочный вход 1. На вход 3 схемы логического сложения 30 поступает сигнал с инверсного выхода RS-триггера 33. Одновременное наличие сигнала на всех входах схемы логического сложения 30 соответствует моменту, когда получено разрешение на прекращение выполнения операции (вход 2 данной схемы), получен очередной отсчет события моделируемой операции (вход 1) и не отсчитана задержка окончания выполнения операции (вход 3). Каждый момент наступления трех указанных событий учитывается двоичными счетчиками 23 и 31 (выходы, соответственно, 2 и 3 схемы логического сложения 30). С выхода 2 двоичного счетчика 30 сигнал поступает на сбрасывающий вход 2 RS-триггера 22 с целью его подготовки к получению очередного отсчета событий моделируемой операции. Счетчик 23 выполняет функцию регистратора двоичной информации и позволяет по сигналу на своем выходе фиксировать степень отсчета задержки окончания выполнения операции. Счетчик 31 осуществляет подсчет отсчетов событий моделируемой операции, полученных с момента разрешения прекращения операции. Результат подсчета в виде двоичного кода поступает на вход схемы логического сложения 32. При достижении счетчиком 31 заданного значения, соответствующего требуемой длительности задержки окончания выполнения операции будет сформирован сигнал на выходе схемы логического сложения 32. С выхода 2 схемы логического сложения 32 сигнал об окончании отсчета длительности задержки окончания выполнения операции поступает на устанавливающий вход RS-триггера 33. По этому сигналу снимается сигнал с инверсионного выхода данного триггера, что приводит снятию сигнала на выходе схемы логического сложения 30, что, в свою очередь, приводит к прекращению счета двоичными счетчиками 23 и 31. С выхода 1 схемы логического сложения 32 сигнал об окончании отсчета длительности задержки окончания выполнения операции поступает на устанавливающий вход RS-триггера 26. Сигнал на выходе RS-триггера 26 соответствует моменту полного выполнения операции.

Моделирование процесса осуществляется с помощью входов и выходов схемы фиг. 1. Так, сигнал на входах RS-триггеров 1, 3, 7, 12, 18, 22 и 27 может формироваться устройствами моделирования других операций технологического процесса, а именно выходами RS-триггеров 10, 21 и 26, а также выходами счетчиков 6, 23 и 24. При этом выходы счетчиков должны входить в дополнительные схемы логического сложения, чтобы из двоичного многоразрядного кода формировался двоичный одноразрядный код.

Техническим результатом изобретения является возможность автоматизации контроля и корректировки моделей технологических процессов, сложных и взаимосвязанных. Технический характер результата заключается в осуществлении человеком управляющих действий над реальными технологическими процессами или объектами с использованием изобретения. Получение такого результата с помощью прототипа невозможно.

Технический результат достигается применением изобретения в виде электрического устройства в автоматизированных системах управления уровней SCADA и MES.

Так как изобретение является новым устройством, то существенным признаком является совокупность элементов устройства, представленная фиг. 1.

Отличием настоящего изобретения от прототипа является возможность моделированием условных ТО, что обеспечивается наличием в устройстве соответствующих входов и выходов. Таким образом, входы могут быть управляемыми, а выходы управляющими.

Новизна изобретения заключается в отсутствие в настоящем уровне техники способа или устройства, выполняющего такую же задачу и имеющего аналогичный существенный признак.

Предлагаемое техническое решение имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленное построение устройства приводит к расширению функциональных возможностей прототипа.

Промышленная применимость изобретения обеспечивается целевым назначением технического результата: моделирование и управление технологическими процессами в автоматизированных системах управления уровней SCAD А и MES. Современное развитие электроники позволяет реализовать предлагаемое техническое решение, что характеризует данное изобретение как промышленно применимое.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении качества управления технологическими процессами, что выражается в уменьшении времени для создания модели процесса, повышении достоверности контроля состояния процесса.

Источники информации

1. Патент на полезную модель «Автоматизированная система управления технологическими процессами». RU №116252 U1, МПК G05B 19/418, опубл. 20.05.2012.

2. Патент на изобретение «Система логического управления (варианты)». RU 2574837 С2, МПК G05B 19/00, опубл. 10.02.2016.

3. Патент на изобретение «Устройство для моделирования систем массового обслуживания». СССР №1705833, кл. G06F 15/20, опубл. 15.01.1992 г.

4. Патент на изобретение «Способ моделирования процессов двухуровневого управления и система для его осуществления (варианты)». RU 2507565 С2, МПК G06F 9/00, опубл. 20.02.2014.

5. Патент на изобретение «Устройство для моделирования систем массового обслуживания». СССР №1418738, G06F 15/20, опубл. 23.08.1988 г.

Краткое описание чертежей:

Фиг. 1. Схема устройства моделирования технологической операции.

Устройство состоит из 33 блоков. По функциональности блоки 1, 3, 5, 7, 9, 10, 12, 15, 17, 18, 21, 22, 25-27, 29 и 33 являются RS-триггерами, 2, 4, 8, 11, 14, 16, 20, 28, 30 и 32 - схемами логического сложения, 6, 13, 19, 23, 24 и 31 - двоичными счетчиками.

Изобретение относится к устройствам общего управления технологическими процессами на различных объектах, функционирование которых предусматривает необходимость наблюдения текущего состояния и управления траекторией развития. Технический результат изобретения - повышение качества управления сложными технологическими процессами, что выражается в уменьшении времени для создания модели процесса, повышении достоверности контроля состояния процесса. Для достижения этого устройство построено на триггерах, двоичных счетчиках и схемах логического сложения. Для подачи управляющих сигналов и команд и индикации состояния процесса используются внешние устройства, определяемые прикладным направлением моделируемого процесса. Устройство позволяет принимать информацию о текущем состоянии объекта управления, выводить полученную информацию, при этом соответствующее соединение нескольких экземпляров устройства позволит моделировать сложные процессы, состоящие из взаимозависимых операций. 1 ил.

Устройство моделирования технологических процессов управления техническими объектами, включающее совокупности триггеров по количеству операций в технологическом процессе, отличающееся тем, что для реализации контроля распределенных во времени процессов обслуживания, управления техническими средствами, а также моделирования процессов, в которых операции взаимозависимы по принципам «начало - окончание», «начало - начало» и «окончание - окончание», в устройство введены 17 RS-триггеров, 10 схем логического сложения и 6 двоичных счетчиков, при этом триггер (1) соединен по установочному входу с источником внешнего сигнала о приостановке операции, а по выходу соединен со схемой логического сложения (2), схема логического сложения (2) соединена по выходу со сбрасывающим входом триггера (1) и сбрасывающим входом триггера (5), триггер (3) соединен по установочному входу с источником внешнего сигнала о возобновлении операции, а по выходу соединен со схемой логического сложения (4), схема логического сложения (4) соединена по выходу со сбрасывающим входом триггера (3) и установочным входом триггера (5), по выходу триггер (5) соединен с входом схемы логического сложения (16), триггер (7) по установочному входу соединен с источником внешнего сигнала о запуске операции, а по выходу с входом схемы логического сложения (8), схема логического сложения (8) соединена по выходу со сбрасывающим входом триггера (7) и установочным входом триггера (9), по выходу триггер (9) соединен с входом схемы логического сложения (11), триггер (12) по установочному входу соединен с источником внешнего сигнала об очередном отсчете события в моделируемой операции, по выходу триггер (12) соединен с входом схемы логического сложения (11), а по сбрасывающему входу соединен с выходом схемы логического сложения (11), схема логического сложения (11) по дублирующим выходам соединена с входами двоичных счетчиков (6) и (13), двоичный счетчик (6) соединен с внешним устройством индикации отсчитанной длительности задержки начала выполнения операции, двоичный счетчик (13) соединен с входом схемы логического сложения (14), схема логического сложения (14) по дублирующим выходам соединена с установочными входами триггеров (10), (15) и (17), инверсный выход триггера (17) соединен с входом схемы логического сложения (11), выход триггера (10) соединен с внешним устройством индикации сигнала об окончании отсчета задержки начала операции и начале выполнения операции, выход триггера (15) соединен с входом схемы логического сложения (16), триггер (18) соединен по установочному входу с источником внешнего сигнала об очередном отсчете события в моделируемой операции, по выходу соединен с входом схемы логического сложения (16), по сбрасывающему входу соединен с выходом схемы логического сложения (16), схема логического сложения (16) по дублирующим выходам соединена с двоичными счетчиками (19) и (24), а по входу соединена с инверсным выходом триггера (25), двоичный счетчик (24) соединен по выходу с внешним устройством индикации степени выполнения операции, двоичный счетчик (19) соединен по выходу с входом схемы логического сложения (20), схема логического сложения (20) по выходу соединена с установочным входом триггера (21), триггер (21) по выходу соединен с внешним устройством индикации момента окончания выполнения операции по заданной длительности, триггер (22) по установочному входу соединен с источником внешнего сигнала об очередном отсчете события в моделируемой операции, по выходу соединен с входом схемы логического сложения (30), по сбрасывающему входу соединен с выходом схемы логического сложения (30), двоичный счетчик (23) по входу соединен с выходом схемы логического сложения (30), а по выходу с внешним устройством индикации степени отсчета задержки окончания выполнения операции, триггер (27) по установочному входу соединен с источником внешнего сигнала о разрешении прекращения выполнения операции, по выходу соединен со схемой логического сложения (28), по сбрасывающему входу соединен с выходом схемы логического сложения (28), схема логического сложения (28) по дублирующим выходам соединена с установочными входами триггеров (25) и (29), по выходу триггер (29) соединен с входом схемы логического сложения (30), схема логического сложения (30) по входу соединена с выходом триггера (33), а по выходу с двоичным счетчиком (31), по выходу двоичный счетчик (31) соединен с входом схемы логического сложения (32), схема логического сложения (32) по дублирующим выходам соединена с установочными входами триггеров (26) и (33), по выходу триггер (26) соединен с внешним устройством индикации полного выполнения операции.