Спосіб виміру, контролю і керування загальношахтними процесами виробництва та система для його реалізації

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для построения интегрированных систем измерения, контроля и управления общешахтными процессами производства, в частности диспетчерского управления. Известен способ и интегрированная система измерения, контроля и управления общешахтными процессами производства, с помощью которых осуществляется принцип децентрализованного измерения, контроля и управления общешахтными процессами производства на нижнем уровне и централизованной обработки информации на верхнем уровне, причем число уровней измерения, контроля и управления и конфигурация систем (приводятся четыре основных варианта базовых систем), реализующи х указанные способ и систему, зависят от многих факторов, в том числе от количества технологического оборудования и его производственного расположения Наращивания емкости систем или реконфигурация новых осуществляется простым подсоединением дополнительных модулей связи с объектами и необходимых программируемых радиально-последовательных интерфейсов связи [Уголь Украины, № 6, 1992, с. 7-14, статья В.А. Деняка, В.И Журибиды, А.А. Кащича, Н.П. Матвиенка, А. А Морозова. А.А. Тимашова "О построении общешахтных интегрированных систем диспетчерского управления производством]. К недостаткам известных способа и системы относятся то, что на нижнем уровне измерения, контроля и управления общешахтными процессами производства полностью измеряется и контролируется информация со всех датчиков параметров. Больше объемы указанной информации, в большинстве случаев избыточной, передаются на верхний уровень, чем загружаются каналы связи между нижним и верхним уровнями и вычислительные мощности верхнего уровня. В результате управления общешахтными процессами производства не осуществляется в режиме реального масштаба времени, что ухудшает качество управлелия, а в экстремальных ситуациях (опасность взрыва метана, обвалов, обрушений, пожаров) не позволяет упредить такие ситуации, если такие ситуации развиваются достаточно быстро, за время меньшее, чем не очень высокое время реакции известного способа и реализующей его системы. Также известные способ и реализующая его система в силу указанных причин не оптимизирована аппаратурно, например, те же задачи можно решать при меньших вычислительных мощностях и объемах интерфейсов связи (каналов связи и обрамляющей аппаратуры). Известен способ и система измерения, контроля и управления производством, с помощью которых обеспечивается соединение вместе нескольких устройств для сбора данных, чтобы образовать интегрированную систему управления производством. Система содержит управляющую ЭВМ, которая получает и обрабатывает данные, полученные от устройств для сбора данных. Этими данными являются параметры производственного процесса [Патент ЕПВ (ЕР) №01555133, кл. G06F15/21, 18.09.85]. К недостаткам известного способа и системы относятся линейная интеграция составляющих устройств, без какого-либо анализа возможностей взаимного дублирования, резервирования, подстраховки и замены указанных устройств в процессе измерения и контроля параметров, используемых для управления производством. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу и интегрированной системе измерения, контроля и управления общешахтными процессами производства относится способ и система измерения, контроля и управления агрегатами для добычи и транспортирования бурого угля в карьерах, с помощью которых обеспечивается взаимодействие установленного в карьере оборудования и ленточных транспортеров, особенно в тех случаях, когда несколько экскаваторов работают на один ленточный транспортер, что способствует оптимальному использованию технологических комплексов. Для этого через определенные промежутки времени регистрируются значения потребления тока и наклон ленточного транспортера, натяжение и скорость ленты, влажность воздуха, температура и давление воздуха, количество осадков, дата, время, содержание воды и золы в транспортируемом материале и расход электроэнергии. Полученные данные записываются в ЗУ микро-ЭВМ. При этом производится постоянная корректировка отношений пересчета путем анализа экспертных моделей в ЭВМ. В соотве тствии с действующей на данный момент целевой функцией оператору даются рекомендации по управлению. Регулирование может осуществляться автоматически [Патент ГДР № 254449, кл. G 05 В 15/00, 24.02.88]. К недостаткам известных способа и системы относятся пониженное быстродействие в процессе измерения и контроля взаимозависимых параметров и управление по результатам измерения и контроля. Это связано с тем, что при измерении и контроле взаимозависимых параметров и последующего управления по результатам измерения и контроля в известном способе и реализующей его системе не используется априорная информация о значении параметра по результатам измерения и контроля других, взаимозависимых с ним параметров. Например, если проверяемый в текущий момент времени параметр находится в зоне, близкой к номинальному значению, то вероятность того, что очередной, зависимый от него параметр находится в пределах допустимых границ, достаточно высока и превышает или равна по величине инструментальной достоверности его контроля. Указанное позволяет априорно сделать заключение о годности этого параметра и не проводить измерение и контроль этого параметра в данном цикле измерения и контроля. Таким образом, в данном цикле измерения и контроля проверяется один из параметров, а другой, зависимый от него, оценивается по результатам измерения и контроля первого параметра. Величина измеренного параметра, при которой можно априорно сделать заключение о годности другого параметра, может быть определена аналитически, либо путем статистических испытаний. В основу данного изобретения поставлена задача повысить быстродействие в процессе измерения и контроля группы параметров при одновременном сжатии передаваемой на следующий уровень обработки информации. Поставленная задача решается тем, что в известном способе многопараметрического измерения, контроля и управления общешахтными процессами производства, включающем многократное дискретное измерение и контроль заданных параметров. - устанавливают к условий взаимосвязи измеряемых и контролируемых параметров вида где I = 1;2;3;...;к; xι ,1; xi,2;...;xi ,J, i-ая группа таких j ≤ n измеряемых и контролируемых параметров, где n полное число измеряемых и контролируемых параметров объекта; - выделяют в каждой i-ой группе подгруппу ведущих параметров ji' < jI; - преобразует каждый ведущий параметр в течение времени tg в r-разрядный код, где r - максимально возможное число разрядов в коде преобразуемого параметра, если значение кода нескольких старших разрядов преобразуемого параметра S ≤ r меньше или равны заданному коду порога W; - передают r-разрядный код в приемник контролируемой информации; - преобразуют каждый ведущий параметр в течение времени tk в S-разрядный код, если значение кода несколько старших разрядов преобразуемого параметра S≤r больше заданного кода порога W; - формируют для каждой i-ой группы код аргумента (хi1 xi,2 ;-;x| .j) путем присваивания каждой величине xi, j значение нуля, если значения кода нескольких старших разрядов S≤r соответствующего j параметра меньше или равны заданному коду порога W, или единице, если больше заданного кода порога W; - измеряют и контролируют в течение времени t1i значения ведущи х j| параметров i-ой группы; - измеряют и контролируют в течение времени ta' = ti - t1', где ti - период повторения измерения и контроля i-ой группы параметров, значения остальных (jI - JI') параметров i-ой группы, если из условия FI следует необходимость измерения и контроля (jI - jI') параметров, или не измеряют и не контролируют, если из условия FI не следует необходимость измерения и контроля (jI - j1') параметров, и переходят к следующей (I ±z) гр уппе параметров, где 1 ≥ (i±z) ≤ k для z = 0;1;2;...;(k-1); - измеряют и контролируют за время tn полного цикла измерения и контроля всех η параметров i-ю группу параметров за время где Тk' - время измерения и контроля i-ой группы параметров при циклическом (поочередном и последовательном) измерении и контроле всех параметров i-ой группы (максимально возможное время), - измеряют и контролируют параметры всех групп от i = 1 до i = k в течение среднего времени для каждой группы где N = N1 + N 2 + ... + N k - число циклов измерения и контроля к различных групп параметров в течение времени N · Тк (Тк -средняя длительность одного цикла измерения и контроля при циклическом измерении и контроле всех параметров всех групп от i = 1 до i = k; N1, N2..... N k - число циклов измерения и контроля первой, второй .... k-ой гр уппы параметров соответственно); - резервируют (освобождают) каналы опроса датчиков на время где Т k - интервал времени между последовательными циклами измерения и контроля при учете условий взаимосвязи измеряемых и контролируемых параметров FI; - многократно повторяют описанную последовательность действий в течение всего времени измерения и контроля. Вышеприведенные отличительные признаки позволяют использовать априорную информацию о состоянии параметра по результатам измерения и контроля других, взаимосвязанных с ним параметров, и обеспечивают возможность повышения быстродействия измерения и контроля группы взаимосвязанных параметров при одновременном сжатии передаваемой на следующий уровень обработки информации, т.е. придают рассматриваемому способу и системе технические свойства, не присущие другим аналогичным известным способам и системам. Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Пусть имеется к условий взаимосвязи измеряемых и контролируемых параметров вида где xi1;xi,2;...;xi,j - i-я группа таких j измеряемых и контролируемых параметров, взаимосвязь между которыми описывается i-м уравнением (1). При этом ji ≤ n, где n-полное число измеряемых и контролируемых параметров объекта. В каждой i-ой группе параметров можно выделить подгруппу ведущи х параметров (ji' < jI), в зависимости от значений которых из условия (1) следует либо возможность не измерять и не контролировать значения остальных(ji - ji') параметров i-ой группы, либо необходимость их измерять и контролировать. Пусть в соответствии с условием (1) состояния контролируемого объекта значения i-ой группы параметров должны периодически повторяться с периодом ti, причем в течение времени t/ можно не измерять и не контролировать значения вышеупомянутых (jI - ji') параметров, если значение ведущего параметра равно нулю, а в течение времени t2' их необходимо измерять и контролировать, если значение ведущего параметра равно единице. Ясно, что Таким образом, если - длительность полного цикла измерения и контроля i-ой группы параметров, то в среднем за время tn длительность измерения и контроля i-ой группы параметров при использовании предлагаемого способа только за счет режима опроса датчиков в процессе измерения и контроля сокращается и становится равной где Отношение длинного такта tg измерения и контроля, в который включается полное время (для всех разрядов) преобразования контролируемого параметра в код и время передачи кода контролируемого параметра к приемнику информации, к короткому такту tk измерения и контроля, в который включается только время преобразования нескольких старших разрядов в код, обозначим через γ . Тогда средняя длительность измерения и контроля i-ой группы параметров за счет обоих источников повышения быстродействия - режима опроса датчиков в процессе измерения и контроля и реализации коротких тактов измерения и контроля сокращается до величины ΤI, равной Пусть полный цикл измерения и контроля состояния объекта длительностью N * Тk включает в себя N циклов измерения и контроля к различных гр упп параметров, причем первая группа параметров должна, измеряться и контролироваться Ν 1 раз, вторая - N2, раз,.... k-ая - Nk раз. При этом Тогда с учетом формулы (3) можно записать, что полный цикл измерения и контроля состояния объекта при использовании предлагаемого способа сокращается до величины где Отсюда следует, что благодаря повышению быстродействия измерения и контроля обеспечивается резервирование каналов опроса в течение времени Тсв, где дли тельность резервирования причем Tk - интервал времени между последовательными циклами измерения и контроля при учете условий взаимосвязи контролируемых параметров Fi. Для пояснения сути предложенного способа приведем описание одного из многочисленных простейших вариантов реализации предложенного способа - системы для управления общешахтными процессами производства. На фиг.1 изображена блок-схема системы, реализующей предложенный способ; на фиг,2 - временная диаграмма функционирования системы; на фиг.3 - блок-схема шифратора 8 тактов; на фиг.4 - блок-схема блока 9 программируемых логических матриц (ПЛМ) флажков; на фиг.5 - блок-схема блока 13 программируемой логической матрицы (ПЛМ) корреляции. Блок-схема предлагаемой системы по фиг,1 содержит блок 1 датчиков, коммутатор 2, аналого-цифровой преобразователь 3, регистр 4 кода параметра, генератор 5 импульсов, счетчик 6 тактов, деши фратор 7 тактов, ши фратор 8 тактов, блок 9 программируемых логических матриц (ПЛМ) флажков, элемент 10 ИЛИ. триггер 11 флажка, регистр 12 адаптивной маски, программируемую логическую матрицу (ПЛМ) 13 корреляции, первый элемент 14 И, второй элемент 15 И, счетчик-регистр 16 адреса, дешифратор 17 адреса, триггер 18 канала. Состав, топотология и назначение связей системы по фиг.1 описаны в таблице. Система функционирует следующим образом. Датчики, входящие в состав блока 1 (датчики концентрации метана, концентрации окиси (оксида) углерода, внутришахтной температуры, концентрации угольной пыли (запыленности), скорости воздуха, положения подвижных объектов, концентрации кислорода, пылеотложения, скорости движения подвижных объектов и т.п.) измеряют значения контролируемых параметров шахтны х процессов и преобразуют значения измеренных и контролируемых параметров в пропорциональные измеренным и контролируемым параметрам напряжения. Коммутатор 2, например, типа 1КТ431, в соответствии с управляющими сигналами на шине 23 подключает в определенной последовательности (формирование характера указанной последовательности опроса коммутатора 2 будет описано ниже) выходные напряжения датчиков блока 1 ко входу аналогоцифрового преобразователя 3, например типа К1113ПВ1, преобразующего указанные напряжения в двоичный код. Начало преобразования напряжения аналого-цифровым преобразователем 3 задается сигналом пуска на шине 25. Временное положение сигнала на шине 25, а также на других характерных шинах приведено на временной диаграмме фиг.2, на которой номер осциллограммы совпадает с номером изображаемой шины. Генератор 5, счетчик 6, дешифратор 7 и шифратор 8 образуют распределитель управляющей импульсной последовательности, формируемой в соответствии с временной диаграммой на фиг.2. Код с выхода аналого-цифрового преобразователя 3 поступает на информационные входы ПЛМ флажков блока 9. Номер выбранной ПЛМ флажка из всей группы ПЛМ флажков блока 9 осуществляется возбужденным в данном такте выходом дешифратора 17. Номер датчика блока 1, подключаемого коммутатором 2 ко входу аналого-цифрового преобразователя, и номер соответствующего триггера, входящего в регистр 12, подключенного к выходу триггера 11 определяется этим же возбужденным выходом дешифратора 17, т.е. между номерами датчика блока 1, ПЛМ флажка блока 9 и триггера регистра 12 существует взаимно-однозначное соответствие. К информационным входам ПЛМ флажков блока 9 подключаются выходы нескольких старших разрядов аналого-цифрового преобразователя 3. Каждая ПЛМ флажка блока 9 программируется таким образом, чтобы для одной совокупности кодов на информационных входах ПЛМ флажка на информационном выходе ПЛМ флажка был логический нуль, для другой - логическая единице. Такое разбиение определяется характеристикой датчика блока 1, номер которого совпадает с номером соответствующей датчику ПЛМ флажка блока 9. Так, например, если код нескольких старши х разрядов на входе ПЛМ флажка меньше выбранного порогового значения кода, то на выходе ПЛМ флажка блока 9 нуль, больше или равен - единица. Такая зависимость между входным и выходным кодами определяется таблицей соответствия записываемого в ПЛМ флажка 9 на программаторе или в процессе изготовления ПЛМ флажка за счет соответствующей конфигурации фотошаблона. Сигналы с выходов ПЛМ флажков блока 9 через элемент 19 записываются в триггер 11 по стробу на шине 37. Состояние триггера в свою очередь поступает на шифратор 8. Если в триггер 11 записался нулевой сигнал, то аналого-цифровой преобразователь 3 преобразует входное напряжение полностью, т.е. до получения всех разрядов выходного кода, если в триггер 11 записался единичный сигнал, то аналого-цифровой преобразователь 3 включается сигналом по шине 25 на преобразование следующего напряжения с выхода следующего датчика блока 1, подключаемого коммутатором 2 ко входу аналого-цифрового преобразователя 3. По нулевому состоянию триггера 11 триггер 18 устанавливается в единицу стробом по шине 51 и выходной код аналого-цифрового преобразователя 3 переписывается в регистр 4 по импульсу занесения на шине 27. Единичное состояние триггера 18 является признаком готовности для приемника кодов контролируемых параметров (ЭВМ, спецпроцессор) с выхода регистра 4. Код с выхода регистра 4 по шине 20 передается в приемник цифровой информации в течение интервала времени, определяемого быстродействием канала передачи и быстродействием приемника. Пока код с выхода регистра 4 не будет принят приемником цифровой информации, заносить новый код в регистр 4 нельзя. Состояние триггера 11 переписывается в выбранный в данном такте дешифратором 17 триггер регистра 12, Код, формируемый указанным образом в регистре 12, является входным информационным кодом ПЛМ 13 и соответствует текущей совокупности датчиков блока 1, выходные параметры которых находятся в определенных пределах, задаваемых ПЛМ флажков блока 9. Таблица соответствия между входным и выходным кодом, записываемая в ПЛМ 13, задается взаимозависимостями параметров датчиков блока 1, причем указанные взаимозависимости меняются в процессе измерения и контроля параметров шахтных процессов. Так, например, при управлении, измерении и контроле параметров шахтных процессов, если датчик концентрации метана вырабатывает напряжение, которое выше определенного порога (т.е. концентрация метана выше определенного порога - взрывоопасна), то измерять и контролировать напряжение на выходе датчиков концентрации окиси (оксида) углерода и внутришахтной температуры нецелесообразно (в данном упрощенном примере рассматривается группа параметров для трех параметров- концентрация метана, концентрация окиси углерода и внутришахтная температура); если датчик концентрации метана вырабатывает напряжение, которое ниже определенного порога (т.е. концентрация метана ниже определенного порога - не взрывоопасна), датчик концентрации окиси углерода вырабатывает напряжение, которое выше определенного порога (т.е. концентрация окиси углерода выше определенного порога (пожар уже начался), то измерять напряжение на выходе датчиков внутришахтной температуры нецелесообразно; если датчик внутришахтной температуры вырабатывает напряжение, которое выше определенного порога - (произошел взрыв и все горит), то измерять напряжение на выходе датчиков концентрации метана и окиси углерода нецелесообразно. Для приведенного примера t1 - это время поочередного и последовательного опроса указанных выше трех датчиков, причем цикл начинается с опроса датчика концентрации метана. Тогда, в соотве тствии с первым из условий, величина t11 - это время, в течение которого датчик концентрации метана вырабатывает напряжение, которое выше определенного порога, т.е. первая группа параметров имеет подгруппу ведущи х параметров, содержащую один параметр (ji' = 1) - концентрация метана. При этом в течение времени t11 можно не измерять и не контролировать согласно первому условию значения двух параметров (ji - ji' = 3-1=2) концентрации окиси углерода и внутришахтной температуры. При этом первое условие (концентрация метана выше определенного порога) позволяет реализовать в течение времени t11 такт преобразования tk. Вообще, если имеется совокупность датчиков, измеряющих и контролирующих параметры шахтных процессов производства, то между выходными сигналами датчиков имеются определенные корреляционные зависимости, которые можно получить на основании статистического анализа функционирования совокупности датчиков в процессе измерения и контроля параметров шахтных процессов. Указанные корреляционные зависимости определяют собой логические условия, которые в цифровом виде записываются в ПЛМ 13 и используются для оптимального управления шахтными процессами. Выходной код ПЛМ 13 определяет код адреса следующего датчика блока 1, выходной сигнал которого подлежит преобразованию в код аналого-цифровым преобразователем 3. Код адреса следующего датчика блока 1 заносится с выхода ПЛМ 13 в счетчик-регистр 16 по импульсу занесения с элемента 15, который пропускает импульс занесения с шины 44 при единичном состоянии триггера 11. При нулевом состоянии триггера 11 через элемент 14 с шины 42 на вход счетчика-регистра 16 проходит сигнал счетной плюс единицы, изменяющий код адреса на плюс единицу. Код адреса следующего датчика блока 1 поступает на вход де шифратора 16. Таким образом, последовательность считывания информации с датчиков блока 1 определяется совокупностью текущи х значений контролируемых параметров, т.е. устройство самоподстраивается, адаптируется к указанной совокупности. На фиг.3 изображена блок-схема шифратора 8, содержащая инверторы 3-1+3-7 и элемент ИЛИ-НЕ 3-8. Нумерация выходов элементов 3-1+3-8 соответствует н умерации входов узлов, к которым подключены выходы элементов 3-1+3-8. На фиг.4 изображена блок-схема блока 9, содержащая постоянные программируемые запоминающие устройства (ППЗУ) 4-1+4-1-типа КР556НТ5. Информационные (адресные) входы ППЗУ 4-1+4-1 - подключены к выходам аналого-цифрового преобразователя 3 кода преобразованного напряжения, причем число подключаемых входов каждого ППЗУ 4-1+4-1 - может быть различно и определяется характеристикой датчика, сопряженного с каждым ППЗУ, на основании которой составляется таблица соответствия между входным и выходным кодом ППЗУ. На фиг.5 изображена блок-схема блока 13, содержащая ППЗУ 5-1, 5-2, 5-3. Полученные таблицы соответствия, записываемой в ППЗУ 5-1, 5-2 и 5-3 между входными и выходными кодами было описано выше. Расширение числа датчиков блока 1 приводит к соответствующему наращиванию объема (числа ППЗУ) в блоке 13. Источники повышения быстродействия системы является уменьшение среднего времени измерения и контроля каждого параметра (как видно из временной диаграммы на фиг.2 в "длинный" такт tg контроля включается полное время (для всех разрядов) преобразования измеренного и контролируемого параметра в код и время передачи кода измеренного и контролируемого параметра к приемнику информации, в "короткий" такт tk включается только время преобразования нескольких старши х разрядов в код) и уменьшение числа датчиков блока 1, измеряемых и контролируемых в течение одного цикла контроля, Надо отметить, что понятие "цикл измерения и контроля", под которым понимается поочередное и последовательное измерение и контроль всех датчиков, для данного способа и системы лишен смысла, т.к. могут быть ситуации, при которых какие-то параметры шахтны х процессов вообще не будут измеряться и контролироваться или измеряться и контролироваться очень редко, если информация с других датчиков, логически связанных с неконтролируемыми датчиками, достаточна в конкретной ситуации для принятия решения о состоянии контролируемых ша хтных процессов. Использование в предложенном способе и системе новых, описанных выше операций, выгодно отличают предложенный способ и систему от прототипа, т.к. повышается быстродействие в процессе измерения и контроля группы взаимозависимых параметров шахтных процессов при одновременном сжатии передаваемой на следующий уровень обработки информации.