6.2.3. Тимчасові й крокові діаграми або циклограми

Діаграми набули широкого застосування при створенні практичних систем [9, 15, 16, 31]. У порівнянні з автоматним підходом, діаграми відрізняються наочністю й простотою. Другим привабливим для Вас властивістю є можливість обліку значної розмаїтості інформації й пристроїв. Третій істотний фактор - опис в одному інформаційному полі й засобів контролю, і засобів керування, і засобів виконання керуючих команд.

Побудова формальної моделі.

Розглянемо тестовий приклад засобами крокової або функціональної діаграми [15]. Довжина процесу в діаграмі зображується послідовністю тактів або кроків, кожний з яких має свій номер або інше позначення (мал. 6.10).

Состав системи в кроковій діаграмі представляється, як правило, списком модулів і відповідних їм керуючих пристроїв, наприклад, клапанів, реле й інших. Для опису роботи кожного елемента виділений окремий рядок. Положення елемента зображується лінією, що може бути на нульовому - вихідному рівні, або на кінцевому - одиничному рівні. Довжина в часі переходу з одного в інший стан керуючих клапанів, реле, виконавчих пристроїв, модулів показує нахил лінії - для клапанів - перпендикуляр, для модулів - інтервал кроку.

На діаграмі явно записується й алгоритм технологічного процесу, і зв'язок закінчення одного кроку (операції, дії) з початком іншого. Для цього застосовуються спеціальні «сигнальні» лінії зі стрілками. Є й інші позначення: крапки з вихідними стрілками - для розмноження сигналів, крапки із вхідними стрілками - для позначення логічного додавання, планки - для позначення логічного множення. Використовуються й спеціальні позначення, наприклад, для передачі сигналу на інший об'єкт (модульну станцію), для подачі сигналу на включення системи (над діаграмою), для контролю окремих параметрів (у прикладі - тиску при переході до повторного циклу після шостого кроку). Положення або стани модулів не тільки зображуються лініями, але й вказуються засоби контролю, які позначають, наприклад, ідентифікаторами датчиків: 1S1 - початкове положення першого модуля, 1S2 - кінцеве положення першого модуля.

Відзначимо, що формальні засоби діаграми не уступають (по інформативності) скороченим таблицям станів і переходів автомата й мають засобу опису функцій логіки. У них відсутні ті стани, які не входять у траєкторію процесу роботи системи, що спрощує модель, але утрудняє пошук і аналіз проміжних і перехідних станів.

Одержати таблицю станів можна простою заміною верхнього й нижнього рівня ліній відповідно одиницями й нулями, після чого будуть отримані рядки 29, 31, 25, 20, 14 і 1 у тім порядку, у якому через них проходить система. До цих нулів і одиниць додадуться похилі лінії, що рівносильно застосуванню нечіткої логіки. У діаграму можуть бути включені інші діаграми будь-яких вхідних у неї пристроїв, що дозволяє розроблювачеві варіювати ступенем деталізації опису системи, зберігаючи зв'язок змісту й формального опису пристроїв.

Оцінимо складність моделі по числу осередків таблици, необхідної для завдання роботи пристроїв і сигнальних ліній:

складність зменшилася в порівнянні з повними таблицями станів і переходів,

складність зросла в порівнянні зі скороченими таблицями (додалися сигнальні лінії).

Зменшення викликане розглядом тільки тих станів, які передбачені технологічним циклом. Але зневага проміжними станами робить діаграму информационно більше уразливої, чим таблицю станів. Збільшення складності пояснюється появою сигнальних ліній і ряду спеціальних позначень. Вони полегшують формалізацію вихідного завдання, але знижують її рівень і цим утрудняють обробку й застосування формальних методик і засобів. Чисельне зростання опису може бути оцінено 50%, оскільки лінії приводів еквівалентні входам автомата, лінії клапанів відповідають виходам автомата, а сигнальні лінії дублюють зміни перших і других на кожному переході, тобто дворазово відбивають активну на переході частина системи.

Отже, хоча крокові діаграми й дозволяють формально описати системи із числом приводів 10..50, але складність такого опису залишається порівнянної з табличним завданням системи:

використовується більше 10 формальних символів (у таблицях усього 2);

не відбиваються проміжні стани при асинхронній роботі приводів;

дублюється інформація про стан приводів і їхнього зв'язку з переходами.

Перевірка повноти й достатності.

Після побудови діаграми необхідно переконатися, що в ній утримується вся необхідна інформація, і її досить для виконання наступних етапів проектування. Якщо в побудові діаграми бере участь фахівець із автоматизируемой технології, то ці питання вирішуються досить ефективно. Поява двох непередбачених переходів з одного стану, аналогічна кінцево-автоматної моделі, у діаграмі неможливо, оскільки всі стани задані послідовними кроками діаграми відповідно до технологічного процесу. Формальний недолік інформації для початку будь-якого переходу буде виглядати у відсутності сигнальних ліній між завершенням попередні й початком поточного такту, чого також не допустить фахівець із технології, і що формально впадає в око. Наявність асинхронних дій усередині такту не порушує хід процесу. Циклограма регламентує перехід від такту до такту, а не від дії до дії. Це завдання також вирішує технолог, вибираючи достатні засоби контролю завершення кожного такту.

Відзначимо, що перевірка повноти й достатності для діаграм виконується, в основному, на змістовному рівні й не є обмежуючим чинником для систем великої розмірності або асинхронних дій.

Логічний синтез.

Аналіз літературних джерел і практичних прикладів виявив два крайніх підходи в рішенні цього завдання [4, 15, 16, 21, 29, 35].

Для простих систем, коли досвід розроблювача дозволяє оцінити реализуемость або доповнити систему елементами пам'яті (у тому числі й за допомогою таблиць станів), достатнім є використання сигнальних ліній діаграми з урахуванням додаткових умов.

Для складних систем, зі складним алгоритмом техпроцесса, створюється додаткова «крокова» система. Тоді дії будь-якого пристрою або привода є унікальними в кожному кроці, і використання сигнальних ліній для формування керуючих команд є свідомо достатнім.

Грань між першим і другим підходами визначають кваліфікація розроблювача й складність системи. Так, об'єкт із 30 модулями, третина з яких виконує по кілька подвійних дій за технологічний цикл, а на кожному кроці діють у середньому 3...4 привода, буде складним незалежно від кваліфікації розроблювача. Доповнивши систему кроковою підсистемою, розроблювач перейде до розгляду тільки окремих кроків без обліку складності исей системи.

Крокова підсистема може бути тимчасовий (час кроку свідомо більше часу виконання відповідних дій і операцій), механічної (у виду командаппарата), логічної (триггерный пневматичний блок), електричною схемою (з регістрами, що перемикаються), програмної (крокова структура мови AWL, STL).

Для нескладної системи можуть бути отримані логічні вираження для керуючих команд, аналогічні СДНФ. Вони мають вигляд добутку сигналів, що контролюють попередній крок, помножене на що блокують або (ублирующие сигнали елементів пам'яті, або використовуваних як такі елементи сигнали інших пристроїв. У цьому випадку явно виділяються структурні компоненти, що складаються з виконавчого пристрою або модуля, засобів керування й контролю за його діями. Складність логічних виражень і системи в цілому відповідає автоматному підходу й може оцінюватися співвідношенням:

Nсднф(n, р)= 1,5n( n-1 )*р-2n,

де n - число елементів системи, р - число переходів.

Моделювання, подоба структур моделі й системи.

Моделювання й виділення подібності структур із застосуванням крокових шаграмм можливо, хоча й піддано впливу суб'єктивних факторів. У діаграмі є й модуль, і його керуючого пристрою, і засобу контролю й сигнальні лінії й ідентифікатори датчиків. Але, їхня формальна приналежність до одного структурного модуля відсутній.

Порядок рядків (діаграм пристроїв) у діаграмі системи задається розроблювачем або зберігається від попередньої системи, а будь-яка зміна порядку не змінює алгоритму технологічного процесу. У прикладі (мал. 10) діаграми модулів розташовані в сусідніх рядках з діаграмами відповідних їм керуючих пристроїв. Так можна вказати на структурну близькість пристроїв, але це утрудняє «читання» технологічного процесу, що розглядає тільки виконавчі пристрої або станції. У практичних системах, із числом модулів 20...30, подібне «перемішування» рядків керування й виконання приведе до неможливості простежити по діаграмі роботу системи, і втратиться основна перевага діаграм перел таблицями - наочність. Винесення всіх модулів на верхню частину диаграм ми руйнує структурний зв'язок між модулями й засобами керування Помітимо, що зв'язок засобів контролю з модулями проявляється ще слабкіше, по скольку, як правило, відсутні діаграми роботи сенсорів і датчиків. Але внесення таких діаграм ускладнить опис системи більш ніж на 30% (по числу основних і сигнальних ліній). У цьому випадку з інструмента розробки діаграма перетворюється в самостійний складний об'єкт дослідження, подібний до автомата.

Можна сказати, що функціональні діаграми містять інформацію про будову системи, але прояв і деталізація цієї інформації до рівня, достатнього для переходу до структури системи, настільки ускладнює модель, що робить її неефективної для дослідження процесу роботи, тобто моделювання.

Перехід до технічних засобів реалізації.

При кроковій підсистемі функціональне структурування відсутнє, а технічні засоби як би закріплюються за окремими кроками, які беруть на себе роль структурних елементів. Простота застосування такого підходу супроводжується рядом особливостей:

підвищеною складністю логіки (система+підсистема),

труднощами реалізації паралельних процесів,

роботою в режимі «розділеного часу» (на кроці управляються й контролюються тільки ті модулі, які зайняті в поточній операції).

Тимчасові діаграми дозволяють робити ще більшу деталізацію, чим крокові й додають фактор часу в роботу модулів і інших пристроїв, внесених розроблювачем у поле діаграми [15]. Діаграма втрачає графічну строгість, оскільки довжина кроку відповідає передбачуваному часу виконання. З'являються кроки без дій приводів, яким відповідає витримка часу. Відповідно до технології, одна дія може розділятися на кілька етапів, кожний з яких розглядається як окремий крок. Для відображення швидкодії або швидкості роботи апаратури вводяться похилі лінії.

Тимчасові діаграми можуть нести всю інформацію крокових, доповненими тимчасовими характеристиками приводів і пристроїв з деталізацією їхньої дії. Ускладнення опису робить його більше повним і ефективним для специфічних варіантів роботи (зі швидкістю, що змінюється, многопозици онных), але звужує можливості (через складність) у порівнянні із кроковими діаграмами при розгляді многоэлементных систем.

Таким чином, діаграми досить ефективні для опису систем, але не мають відпрацьованих методик для дослідження повноти, коректності, виконання логічного синтезу, моделювання роботи системи. Їхній примі нение для структурного синтезу має ряд особливостей:

явне завдання послідовності операцій техпроцесса;

відсутність форм логічного синтезу, аналогічних СДНФ;

дублювання технологічної системи кроковою підсистемою;

складність опису мультипроцессных систем;

накладення функціональної й крокової структур в одній системі.