Введение
1. Обзор и анализ методов проектирования распределенных информационно-управляющих систем промышленной автоматики 17
1.1. Архитектурные особенности и тенденции развития современных систем промышленной автоматики 17
1.1.1. Архитектура распределенных систем промышленной автоматики 17
1.1.2. Распределенные системы управления нового поколения на основе стандарта IEC 61499 22
1.1.3. Обзор стандарта IEC 61499 24
1.1.4. Модели выполнения функциональных блоков 29
1.2. Обзор и анализ методов проектирования традиционных информационно-управляющих систем промышленной автоматики 41
1.3. Обзор и анализ моделей и методов проектирования распределенных систем управления на основе стандарта IEC 61499 49
1.3.1. Обзор работ по формальным моделям функциональных блоков 50
1.3.2. Проблема определения формальной семантики функциональных блоков 51
1.3.3. Проблема анализа и верификации проектов IEC 61499 57
1.3.4. Объектно-ориентированное проектирование 60
1.3.5. Подход на основе управления моделями 61
1.3.6. Описание, анализ и проектирование систем с использованием онтологий 64
1.4. Элементы методологии проектирования распределенных компонентно базированных информационно-управляющих систем промышленной автоматики
на основе стандарта IEC 61499 68
1.4.1. Функциональная модель методологии 68
1.4.2. UML-FB - визуальный язык для моделирования систем управления промышленными процессами на основе стандарта IEC 61499 76
1.4.3. Сетевой формализм для разработки имитационных моделей 79
1.4.4. Иерархические модульные недетерминированные автоматы для аппаратной реализации локальных систем управления 84 1.4.5. Функционально-блочная реализация механизмов и средств синхронизации и взаимодействий процессов в архитектуре IEC 61499 91 1.5. Выводы 94
2. Операционная семантика функциональных блоков стандарта iec 61499 98
2.1. Системная конфигурация 98
2.2. Развертывание системной конфигурации 99
2.3. Буферирование данных 102
2.4. Переход от иерархических структур систем функциональных блоков к одноуровневым структурам 104
2.5. Модульная формальная модель операционной семантики функциональных блоков 106
2.6. Функционально-структурная организация моделей систем функциональных блоков .109
2.7. Базовая модель базисного функционального блока 113
2.7.1. Преобразование алгоритмов базисных функциональных блоков 113
2.7.2. Определение схемы модели 115
2.7.3. Определение динамики модели 118
2.8. Модель составного функционального блока для циклической модели выполнения 125
2.8.1. Определение схемы модели 125
2.8.2. Определение динамики модели 127
2.9. Модель диспетчера для циклической модели выполнения 128
2.10. Взаимосвязь модулей функциональных блоков 130
2.11. Модель составного функционального блока для синхронной модели выполнения 131
2.11.1. Определение схемы модели 131
2.11.2. Определение динамики модели 132
2.12. Модель диспетчера для синхронной модели выполнения 134
2.13. Семантика модели выполнения, основанной на последовательной гипотезе 138
2.14. Формальная модель системы функциональных блоков в виде системы переходов состояний 139
2.15. Выводы 147
3. Синтез формальных моделей систем функциональных блоков на основе графотрансформационного подхода 149
3.1. Краткие сведения из области трансформации графов 149
3.2. Поток моделей в процессе синтеза 150
3.3. Моделирование систем функциональных блоков на основе арифметических NCES-сетей 151
3.3.1. Формализм арифметических NCES-сетей 151
3.3.2. Методика моделирования систем функциональных блоков 154
3.4. Метамодель систем функциональных блоков 161
3.5. Метамодель арифметических NCES-сетей 165
3.6. Правила перехода от многоуровневой структуры систем функциональных блоков к одноуровневой структуре 168
3.7. Правила синтеза многоуровневых aNCES-сетей на основе одноуровневых систем функциональных блоков 172
3.8. Пример. Синтез сетевой модели для функционального блока “RS-триггер” 177
3.9. Реализация системы синтеза формальных моделей функциональных блоков 180
3.10. Выводы 181
4. Верификация распределенных компонентно-базированных информационно-управляющих систем промышленной автоматики 183
4.1. Проверка моделей систем функциональных блоков 183
4.1.1. Проверка моделей систем функциональных блоков, представленных в виде машин абстрактных состояний 185
4.1.2. Проверка моделей систем функциональных блоков, представленных в виде системы переходов состояний 188
4.2. Проверка моделей дискретных событийных систем, представленных в виде NCES-сетей 191
4.2.1. Формализм асинхронной модели NCES-сетей 192
4.2.2. Подход к моделированию NCES-сетей с использованием А-модели 194
4.2.3. Правила преобразования NCES в А-модель 196
4.2.4. Валидация метода асинхронного моделирования NCES-сетей 201
4.2.5. Методика кодировки А-модели на входном языке верификатора SMV 204
4.2.6. Демонстрационные примеры 205
4.3. Семантический анализ проектов IEC 61499 на основе Web-онтологий 210
4.3.1. Онтология функциональных блоков 211
4.3.2. Свойства, связанные с семантической корректностью описаний 226
4.3.3. Зависимости алгоритмов по данным и управлению в системах функциональных блоков 232
4.3.4. Обнаружение циклов с использованием событийных графов 238
4.3.5.Система семантического анализа проектов IEC 61499 246
4.4. Выводы 248
5. Рефакторинг и решение проблемы портабельности систем функциональных блоков 250
5.1. Рефакторинг диаграмм управления выполнением базисных функциональных
блоков 250
5.1.1. Модель диаграммы ЕСС 250
5.1.2. Модели выполнения диаграмм ЕСС 251
5.1.3. Общий подход к рефакторингу и исправлению диаграмм ЕСС 252
5.1.4. Рефакторинг на основе графотрансформационного подхода 256
5.1.5. Примеры рефакторинга диаграмм ЕСС 260
5.1.6. Реализация рефакторинга в системе AGG 262
5.1.7. Оценка системы рефакторинга 264
5.2. Шаблоны модельно-ориентированной реализации систем функциональных блоков стандарта IEC 61499 272
5.2.1. Общее описание схемы трансформации 274
5.2.2. Трансформация базисных функциональных блоков 274
5.2.3. Буферирование сигналов 280
5.2.4. Трансформация составных функциональных блоков 281
5.2.5. Шаблон “Циклическая модель выполнения” 288
5.2.6. Шаблон “Синхронная модель выполнения” 293
5.2.7. Примеры применения шаблонов 295
5.2.8. Оценка сложности 300
5.3. Выводы 303
6. Реверсивные SNCES-сети для синтеза контроллеров безопасности распределенных систем управления 305
6.1. Основные понятия и определения реверсивных sNCES-сетей 305
6.2. Интерпретация реверсивных sNCES-сетей 321
6.2.1. Вычисление минимального покрывающего множества маркировок 321
6.2.2. Вычисление допустимых шагов для триггерного перехода 322
6.2.3. Вычисление минимальных запрещающих контекстных маркировок 332
6.2.4. Алгоритм построения графа обратной достижимости 336
6.3. Использование реверсивных sNCES-сетей в синтезе контроллеров безопасности для
дискретных событийных систем 337
6.3.1. Концепция подхода 337
6.3.2. Расширенные sNCES-сети для предотвращения переходов в запрещенные маркировки 342
6.3.3. Разработка запрещающих продукционных правил 344
6.3.4. Пример. Система двух выталкивателей 358
6.3.5. Вопросы реализации супервизорного управления 362
Список сокращений и условных обозначений
