авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Технологический институт

Федерального государственного

образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Южный федеральный университет»

ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «ОБРАЗОВАНИЕ»

Т.А.ПЬЯВЧЕНКО, В.И.ФИHАЕВ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ

ИНФОРМАЦИОННО-

УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ

Таганpог 2007

2 УДК 681.5:658.5(075.8) Т.А.Пьявченко, В.И.Финаев. Автоматизированные информационно управляющие системы. - Таганpог: Изд-во ТРТУ, 2007. - 271 c.

ISBN В монографии рассмотрены теоретические основы построения распределенных иерархических информационно-управляющих систем, автоматизированных систем управления технологическими процессами. Даются рекомендации по выбору технических средств при разработке указанных систем. Многочисленные примеры помогают восприятию изложенного материала.

Материал, изложенный в настоящей книге по SCADA-системе TRACE MODE и особенностям учебного лабораторного стенда, позволяет получить навыки проектирования систем сбора данных и оперативного диспетчерского управления, расширит кругозор будущих специалистов, и в дальнейшем позволит применять эти знания в своей производственной деятельности.

В настоящей монографии приведены сведения, касающиеся профессиональной подготовки студентов по специальностям “Управление и информатика в технических системах”, “Автоматизация технологических процессов и производств”. Монография будет полезным научным работникам, инженерам, аспирантам и студентам старших курсов технических университетов.

Табл. 10. Ил. 115. Библиогр. 76 назв.

Печатаетcя по pешению pед.-изд. cовета Таганpогcкого гоcудаpcтвенного pадиотеxничеcкого унивеpcитета.

Рецензенты:

Региональный (областной) центр новых информационных технологий, директор центра, проректор по информатике, докт. техн.

наук, профессор А.Н.Целых.

Ромм Я.Е., докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой информатики ТГПИ.

© Таганрогский государственный ISBN радиотехнический университет, © ТРТУ, © Пьявченко Т.А., Финаев В.И., CОДЕPЖАHИЕ ВВЕДЕHИЕ ЧАСТЬ 1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ (ИУС) 1.1. Системный анализ задач управления 1.2. Особенности и классификация автоматизированных информационно-управляющих систем 1.3 Структура автоматизированных информационно-управляющих систем 2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 2.

1. Методологическая основа проектирования 2.2. Начальные этапы разработки 2.3. Организация разработки автоматизированных информационно-управляющих систем 2.4. Рабочая документация по проектированию 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 3.1. Структуризация работ проектирования 3.2. Информационно-управляющие аспекты проектирования АИУС 3.3. Этапы проектирования АИУС 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 4.1. Формализация целей и параметров 4.2. Комплекс технических средств 4.3. Информационное обеспечение АИУС 4.4. Выбор математического и программного обеспечения 4.5. Расчет потребности в вычислительных средствах 4.6. Модель экономической эффективности АИУС ЧАСТЬ 2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АСУТП 1.1. Примеры автоматизированных систем управления технологическими процессами 1.2. Отличие автоматических систем управления от систем автоматического управления 1.3. Классификация АСУТП 1.4. Основные функции АСУ 1.5. Разновидности структур АСУТП 1.6. Этапы проектирования АСУТП 1.7. Характеристики технологического процесса как объекта контроля и управления 1.8. Функции АСУТП как последовательность отдельных процессов 2. ПОДСИСТЕМА СБОРА И ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 2.1. Комплекс технических средств подсистемы сбора и первичной обработки информации. Принципы компоновки 2.2. Устройства распределенного сбора данных и управления серии ADAM 2.3. Модуль аналогового ввода ADAM- 2.4. Выбор модулей подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов 2.5. Алгоритмы первичной обработки информации 2.6. Оценка погрешностей программных модулей ПСОИ 2.7. Ввод и первичная обработка дискретных сигналов 3. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ 3.1 Общие сведения 3.2. Структура локальной системы управления 3.3. Алгоритмы формирования управляющих воздействий 3.4. Алгоритмическая структура локальной системы с цифровым устройством управления 3.5. Характеристики многорежимных технологических процессов 3.6. Погрешности вычисления управляющих воздействий.

Выбор микроконтроллера для целей управления 3.7. Средства реализации управляющих воздействий 4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 4.1. Общие сведения 4.2. Требования к оформлению функциональных схем 4.3. Изображение технологического оборудования и коммуникаций 4.4. Буквенные условные обозначения приборов и средств автоматизации (ГОСТ 21.404-85) 4.5. Проектная документация 5. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ АСУТП НА БАЗЕ SCADA-СИСТЕМЫ TRACE MODE 5.1. Идеология распределенных комплексов с применением SCADA-систем 5.2. Архитектура TRACE MODE 5.3. Основные понятия системы TRACE MODE 5.4. Обмен данными в SCADA-системе TRACE MODE 5.5. Обмен данными через механизмы ОРС 5.6. Обмен с базами данных через механизмы ODBC 6. ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ АСУТП НА БАЗЕ SCADA-СИСТЕМЫ TRACE MODE 6.1. Учебный лабораторный стенд 6.2. Создание проекта 6.3. Исследование АСУТП на учебном лабораторном стенде ЗАКЛЮЧЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ВВЕДЕНИЕ Рост числа производственных и информационных связей между отдельными предприятиями и учреждениями, повышение эффективности производства, перепрофилирование предприятий в условиях рынка сопровождаются ростом сложности процессов управления и систем управления. Увеличение объема информации, охватывающей все стороны производства, с ростом самого производства приводит к значительному усложнению задач управления.

Системой управления называется система, в которой реализуется процесс управления путем взаимодействия объекта управления и управляющей части.

Различают автоматические и автоматизированные (информационно управляющие) системы управления. В системах автоматического управления (САУ), состоящих из объекта управления и управляющего устройства (управляющей части), человек непосредственного участия в процессе управления не принимает.

В автоматизированных системах управления (АСУ) предполагается обязательное участие людей в процессах управления.

Сбор, анализ и преобразование информации в информационно управляющих системах выполняется с помощью вычислительной техники.

Эффективное решение задач управления в настоящее время немыслимо без привлечения средств вычислительной техники и всевозможных автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС), в число которых входят автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) [1].

АИУС и АСУТП создаются для совершенствования управления отраслями и отдельными предприятиями на основе применения математических методов, современных средств вычислительной техники и средств связи для наилучшего использования производственных фондов, увеличения выпуска продукции, снижения ее себестоимости, повышения производительности труда, рентабельности производства и роста прибылей.

Проектирование АИУС требует постановки задачи проектирования в различных аспектах: информационном, техническом, математическом и эргономическом. Следует отметить, что нет единого подхода к решению подобных задач и не существует специализированного программного продукта, наиболее адаптированного к нуждам конкретных предприятий. Разработка АИУС начинается с постановки задачи проектирования, решения исследовательских задач.

Решение задачи создания АИУС состоит из многих этапов:

- аналитического исследования функционирования предприятия;

- подготовки технических заданий;

- создания пилот-проекта АИУС;

- внедрения АИУС.

Подобный подход позволяет создать именно такую АИУС, которая будет полностью соответствовать его назначению, решать комплексно все задачи управления, а само проектирование и внедрение АИУС будет осуществлено с наименьшими затратами.

На начальном этапе, перед написанием технических заданий, проводится аналитическое исследование функционирования предприятия и его подразделений с целью постановки задач проектирования.

В постановку задач проектирования входит разработка модели функционирования предприятия.

Из практики известно, что при исследовании любых сложных объектов с целью дальнейшего построения АИУС необходимо вначале разработать математическую модель. Исследование модели математическими методами позволяет получить рекомендации относительно поведения реального объекта.

Цель моделирования функционирования предприятия и его подразделений многосторонняя. Это получение обоснованного представления о характеристиках объектов исследования, поведении при действии возмущающих и управляющих воздействий, а также при изменении структуры объектов.

Постановка задачи, отвечающая цели предприятия, формализация условий функционирования, достаточно полная математическая модель функционирования приведут к такому техническому заданию, в котором будут учтены требования автоматизации не только реального времени, но и перспективного развития.

Дальнейшая реализация пилот-проекта АИУС будет непосредственно связана с выполнением условий технического задания.

Для внедрения и эксплуатации АИУС необходимо создание современных технических средств сбора, организации передачи и обработки информации, а также специально подготовленных кадров.

Ранее известная, традиционная концепция [2] создания систем управления производственными процессами предусматривает ограниченную формализацию этапов проектирования автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС), считая их творческими актами, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами управленческого персонала. Однако современные компьтерные средства и технологии позволяют создавать высокоэффективные по точности, быстродействию и широте решаемых задач системы управления производством.

В предисловии научного редактора В.Л. Гуревича к книге Э.А. Трахтенгерца [2] дана характеристика укрупненной схемы предприятия, которая, на наш взгляд, оказалась настолько удачной, что воспроизводим её фактически без купюр. В недалеком прошлом традиционное управление предприятиями замыкалось в основном на решении внутренних задач, связанных с организацией внутрифирменной деятельности. Это было особенно характерно было для Советского Союза с жесткой системой планирования "от достигнутого" при полном отсутствии рыночных отношений. России удалось вырваться из тисков тоталитарной системы и влиться в мировое сообщество. Однако и мировое сообщество в последние годы претерпело существенные перемены: результаты деятельности фирм все больше стали зависеть от внешних связей с другими фирмами.

Вместе с тем испытанное временем иерархическое построение организационной структуры систем управления изменилось очень мало. На рис. 1 представлена укрупненная схема предприятия, включающая производство, организацию и управление.

Производственное предприятие, упрощенно показанное в виде прямоугольника, состоит из трех блоков:

- А - подготовка и обслуживание производства;

- В - собственно производство;

- С - сбыт готовой продукции.

Рис. 1. Укрупненная схема предприятия В блок А входят склады сырья и исходных материалов, ремонтные, транспортные цехи, службы информации, связи и др.

Блок В состоит из цехов основного производства, включающих технологические агрегаты, конвейерные и транспортные линии, склады полуфабрикатов и др.

Блок С – сбыт готовой продукции подразумевает, в основном, склады готовой продукции. Основу производства составляют оборудование, производственный персонал, материальные, энергетические, информационные и др. ресурсы.

Управление предприятием показано в виде треугольника, состоящего из трех "слоев". Внутри и снаружи треугольника управления циркулируют информационные потоки. Сверху вниз управляющие воздействия, снизу вверх - информация обратной связи, по горизонтали - обмен информацией между внутренними объектами одного уровня, а также между внутренними и внешними объектами.

Механизм управления включает в себя управленческий персонал, компьютерные сети, финансовые, информационные и другие ресурсы.

Задача управления производством сводится к рациональному управлению потоками ресурсов: материальных, энергетических, финансовых, информационных и др.

Основание треугольника — это системы сбора, обработки, хранения, передачи и представления информации – информационная система (ИС). ИС представляют собой информационную модель предприятия, которая отображает не только текущее состояние предприятия, но и состояние за прошедшие периоды времени. Во многих случаях требуется хранить информацию о готовой продукции, исходных и промежуточных материалах, технологических режимах, состоянии оборудования, сведения об исполнителях и др. в течение нескольких лет.

На вершине треугольника управления находятся руководители предприятия, принимающие решения и образующие системы принятия решений (СПР). Каждое предприятие стремится достичь определенных целей своей деятельности. Целей деятельности бывает несколько. У разных предприятий они могут существенно отличаться, но две из них одинаковы для всех предприятий. Первая цель - социальная, направленная на пользу общества (например, производство необходимой обществу продукции, обеспечение необходимым количеством рабочих мест, защита окружающей среды и др.), а вторая цель - экономическая, заключающаяся в получении от деятельности предприятия максимальной прибыли. В системном анализе существет задача структуризации целей [3].

Между основанием треугольника управления и его вершиной находится среднее звено специалистов, образующее системы поддержки принятия решений (СППР). Эти специалисты выполняют многовариантные расчеты, используя полученные от руководителей значения критериев оптимальности и значения ограничений, а также полученные от объектов фактические значения контролируемых параметров производства».

Из сказанного выше можно сделать вывод: большинство интегрированных систем управления производством имеют иерархическую структуру [4], объединяющую функции АСУП – автоматизированных систем управления производством и АСУТП – автоматизированных систем управления технологическими процессами (см. рис. 2).

Планирование, рынок, сырье, Организация 5-й персонал управления производством.

4-й.

Координация.

..

3-й Оптимизация Оптимизация..

Контроль Контроль 2-й gn g..

ЛСУ 1 ЛСУ n 1-й...

u a u норм uнорм. ua yn.

y TA 1 TA n ТП Рис. 2. Иерархическая структура управления производством Как видно из рис. В.2, на нижнем уровне с помощью локальных систем (ЛСУ) осуществляется непосредственное управление технологическим объектом – технологическим агрегатом (ТА) по измеряемым координатам y. Для реализации закона управления используются либо промышленные регуляторы, либо контроллеры.

При этом сигнал задающей переменной g формируется на более высоком уровне в зависимости от принятого критерия управления. В частности, он может быть постоянным при задании от уровня координации, на котором происходит распределение нагрузки на технологические агрегаты, либо изменяться в зависимости от величины функционала оптимизации на 3-м уровне управления.

Уровни управления 5-й, 4-й и 3-й можно отнести к функциям АСУП, поскольку современное производство не может быть эффективным без учета потребностей рынков сбыта, качества и объема сырья, а также квалификации обслуживающего персонала. К функциям АСУТП, помимо ЛСУ, следует отнести функции контроля (2-й уровень), предназначенные для выявления предаварийных ситуации по отклонению технологических параметров от допустимых значений. В случае обнаружения недопустимых отклонений система вырабатывает управление по аварии ua (например, отключение питания или прекращение подачи топлива и т.п.), одновременно отображая на мнемосхеме ТП и фиксируя в отчете тревог информацию о причине аварии.

Тенденция развития современных систем управления сложными процессами заключается в создании адаптивных интеллектуальных систем, функционирование которых невозможно без использования развитой вычислительной сети, включающей персональные компьютеры (ПК), микроконтроллеры и широкий набор модулей ввода/вывода.

Конец ХХ века и начало третьего тысячелетия характеризуются глубоким проникновением компьютерных технологий в производство.

В качестве примера может быть названа SCADA-система (Supervisory Control And Data Acquisition), предназначенная для проектирования и эксплуатации распределенных АИУС. Судя по названию, система предназначена для диспетчерского управления и сбора данных. Однако в последних версиях её предназначение значительно расширилось. В частности, отечественная компания AdAstra выпустила 6-ю версию SCADA-системы Trace Mode, объединяющую все уровни управления производством.

В предлагаемой читателю монографии будут подробно рассмотрены все затронутые в предисловии вопросы. На наш взгляд оно может быть полезно студентам старших курсов технических вузов, аспирантам и инженерам.

ЧАСТЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 1.1. Системный анализ задач управления Решение различных задач управления должно производиться на основе единого системного подхода как при проектировании автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС), так и при эксплуатации этих систем.

Сущность системного подхода состоит во взаимосвязанном, комплексном изучении сложных объектов как целостных систем с определенными системными целями и согласовании целей системы и ее частей и подсистем в процессе функционирования [5 - 9].

Комплексность означает одновременное рассмотрение разных задач управления, а системность означает рассмотрение всех их во взаимосвязи, упорядоченно по месту, временя, ресурсам, в рамках единого целого, выделенного из окружающей среды.

Использование системного подхода при проектировании АИУС состоит в выделении и представлении некоторой совокупности объектов и связей между ними в виде системы, в правильном понимании происходящих в них явлений, взаимодействий, умении выделить и поставить первоочередную (главную) группу задач.

Практически все явления в природе и обществе априори неопределены, имеют стохастический характер, поэтому подход при исследовании их должен быть не телько системным, а системно вероятностным. Применение вероятностного подхода позволяет формализовать существующую неопределенность в Борелевском пространстве с примененеим вероятностной меры. Однако вероятность является объективным понятием, а на практике для оценки вероятности события применяют обработанные статистические данные. Появляется задача значимости и достоверности оценки вероятности, зависящая от репрезативности выборки.

На наш взгляд более эффективным подходом является применение методов искусственного интеллекта, эвристических алгоритмов для решения задач управления сложными объектами.

При применении данного подхода параметры, характеризующие объект и определяющие исходные данные для принятия решений задаются в виде лингвистических переменных. Необходимость применения лингвистических переменных в подобных ситуациях определяется следующим образом.

Знание специалистов можно формально определить экспертным путем. Для этого необходимо определить некоторое базовое множество возможных цифровых оценок X, смысловое название входного фактора.

Лингвистическая переменная (ЛП) задается набором [10]:

i,T(i),X,G,M, i = 1, n, (1) где i - название i - ой ЛП;

T(i) - терм-множество ЛП i;

Х - область определения каждого элемента множества T(i);

G - синтаксическое правило (грамматика), порождающее элементы (j-е нечеткие переменные) ij T( i ) ;

M - семантическое правило, которое ставит в соответствие каждой нечеткой переменной (НП) ij T( i ) нечеткое ~ множество C( ij ) - смысл НП ij.

Формальное задание входного фактора в виде ЛП раскрывает возможности в моделировании и исследовании истинности высказываний и принимаемых решений.

Нечеткие переменные (НП) ij, составляющие терм-множества лингвистических переменных I, задаются в виде тройки множеств ~ ij, X, C(ij ), j = 1, m, (2) ij где - наименование НП;

Х - базовое множество;

~j C( i ) = { C ( j ) ( x ) / x }, x X - нечеткое подмножество множества i Х, C( j ) (x ) - функции принадлежности, задание происходит путем i экспертного опроса.

Известны две интерпретации функций принадлежности [10 - 12].

При первой интерпретации функция принадлежности - это некоторое невероятностное субъективное измерение нечеткости. При второй функция принадлежности есть условная вероятность наблюдения события А при наблюдении X. Степень принадлежности А(х) % элемента х нечеткому множеству A интерпретируется как субъективная мера того, насколько элемент хX соответствует % понятию нечеткого множества A.

Будем считать, что функция принадлежности - это некоторое невероятное субъективное измерение нечеткости и что она отличается от вероятностной меры, т.е. степень принадлежности A(x) элемента x ~ нечеткому множеству A есть субъективная мера того, насколько элемент xX соответствует понятию, смысл которого формализуется ~ нечетким множеством A.

Степень соответствия элемента x понятию, формализуемому ~ нечетким множеством A, определяется опросом экспертов и представляет собой субъективную меру.

Параметры объектов могут быть заданы также в виде нечетких интервалов [13]. Это связано с тем, что объективно представить параметры, описывающие систему, в виде четких, определенных чисел невозможно. Причинами подобного представления являются неучитываемые воздействия, внутренние изменения, погрешности приборов измерения и данных лабораторного анализа, невозможность точного установления исходных и получаемых компонент и многое другое.

Нечеткий интервал – это выпуклая нечеткая величина [13], функция принадлежности которой квазивогнута и задана в следующем виде u,v, w[u,v], Q()min(Q(u), Q(v)), (3) где Q - нечеткое множество, определенное на множестве действительных чисел R, Q – отображение из R в [0,1], u,v,wR.

Нечеткий интервал задают четверкой параметров М=( m, m,, ) (см. рис. 3), где m и m - соответственно нижнее и верхнее модальное значение нечеткого интервала, а и представляют собой левый и правый коэффициент нечеткости.

1.1.1. Определение системы. Понятие системы в настоящее время стало в кибернетике и системотехнике исходным и доминирующим, и позволяет выделить из окружающей реальности по ряду признаков обособленный объект (группу объектов) и рассматривать этот объект как совокупность взаимосвязанных частей - элементов и вместе с тем как элемент более общей системы - среды.

Q m m ед. изм. параметра Рис. 1.1.1. Определение системы. Понятие системы в настоящее время стало в кибернетике и системотехнике исходным и доминирующим, и позволяет выделить из окружающей реальности по ряду признаков обособленный объект (группу объектов) и рассматривать этот объект как совокупность взаимосвязанных частей - элементов и вместе с тем как элемент более общей системы - среды.

Существует множество определений системы [3,5 – 7,14 - 20].

Для понятия системы чрезвычайно важны и организационно структурные свойства, виды упорядоченности и связей элементов.

Важно различать системообразующие связи элементов, вследствие чего из них образуется единое целое с новыми свойствами эмерджентными, не присущими составляющим систему элементам.

Термин система применим тогда, когда объект характеризуется как нечто сложное, целое, о котором невозможно сразу дать представление, описав его математически или графически.

Первые определения базировались на понятиях элементов ai и связей гj между ними. Система S определялась следующими вариантами:

SA,R, где A={ai}, R={rj}, (4а) S{ai},{rj}, где aiA, rjR, (4б) S{ai}&{rj}, где aiA, rjR, (4в) В определении (4в) отражен тот факт, что система не простая совокупность элементов и связей, а включает только те элементы и связи, которые находятся в области пересечения (&) (см. рис. 4).

& А В Рис. Берталанфи определил систему как "комплекс взаимодействующих компонентов" [15] или как "совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой".

Если элементы разнородны, то это определяет их деление на разные множества, например, A, B, C. Определение системы будет иметь вид S A, B, С, R.

Известно определение, сделанное М. Месаровичем [16, 17].

Выделяется множество Х входных объектов и множество Y выходных результатов. Между ними установлено обобщающее отношение пересечения. Определения могут иметь вид:

SXY, SХY (5) Если вид отношения ri применим только к элементам разных множеств и не используются внутри каждого из них, то система будет задана:

S{ai,гj,bk}, aiA, гjR, bkB, (6) причем {ai,гj,bk} - элементы новой системы, образованной из исходных множеств А и В.

В определение А.Холла [18] включены свойства для уточнения элементов и связей:

SA,QA,R (7) А. И. Уёмов предложил двойственные определения [7], в одном из которых свойства qi характеризуют элементы аi, а в другом - свойства qj характеризуют связи гj S {ai}&{rj(qi)}, aiA, гjR, qiQR S {ai(qi)}&{rj}, aiA, гjR, qiQA (8) Затем в определениях системы было введено понятие цели:

SA, R, Z (9) где Z - цель, совокупность или структура целей.

Появились определения, в которых уточнены условия целеобразования - среда SR, интервал времени T, в течение которого будет существовать система и цели SA,R,Z,SR,T (10) Затем в определение системы был включен наблюдатель N:

SA,R,Z,N (11), где N - лицо, рассматривающее объект или процесс в виде системы при их исследовании или принятии решения.

Известно определение Ю.И.Черняка "система есть отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания" [20] SА,QA,R,Z,N (12) В понятии система объективное и субъективное составляют диалектическое единство. Следует говорить не о материальности или нематериальности системы, а о подходе к объектам исследования как к системам, о различном представлении их на разных стадиях познания или создания.

На первых этапах системного анализа важно уметь отделить систему от среды, с которой взаимодействует система.

Сложное взаимодействие системы с ее окружением отражено в определении В.Н.Садовского и Э.Г.Юдина [17], в котором:

- система образует особое единство со средой;

- любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого порядка;

- элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, выступают как системы более низкого порядка.

Это определение является основой закономерности коммуникативности.

Выделяет систему из среды наблюдатель.

Уточнение или конкретизация определения системы в процессе исследования влечет соответствующее уточнение ее взаимодействия со средой и последующей детализации определения системы.

Таким образом, можно предложить следующее определение АИУС, как сложной систем:

SA, QA, R, QR, B, Z, CU, T, N, LN. (13) где: A={ai}, iI={1,2,…,n} – множество элементов АИУС;

QA – множество свойств элементов, R={rj}, jJ={1,2,…,m} – множество функциональных и информационных связей между элементами АИУС;

QR – множество свойств связей элементов;

B – вектор конструктивных параметров АИУС;

Z – цель или совокупность целей, обеспечивающая достижение экстремальных значений критериев оптимизации функционирования АИУС;

U – условия целеобразования;

T – интервал времени, в течение которого будет существовать АИУС;

N – наблюдатели или лица (совокупность лиц), принимающих решения, LN – язык общения наблюдателей.

Определение (13) АИУС на языке наблюдателей, формализация элементов, связей, свойств, изменений компонент вектора конструктивных параметров, соответствует концепции системного аналитического исследования задач управления.

1.1.2. Понятия строения и функционирование систем. Понятия определяются одно через другое, уточняя друг друга.

Под элементом понимается простейшая, неделимая часть системы.

Понятие неделимости является неоднозначным. Поэтому элемент это предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения решения конкретной задачи, поставленной цели.

Сложные системы вначале делят на подсистемы или на компоненты.

Подсистема - это относительно независимая часть системы, обладающая ее свойствами, имеющая подцель, на достижение которой ориентирована подсистема.

Если части системы не обладают всеми ее свойствами, а представляют собой совокупности однородных элементов, то такие части принято называть компонентами.

Связь характеризует и строение (статику) и функционирование (динамику) системы. Известны три типа связей между элементами:

функционально необходимые, сингерические (которые при кооперативных действиях некоторых частей обеспечивают увеличение их общего эффекта до величины, большей суммы эффектов от тех же независимо действующих частей), избыточные (являются излишними или противоречивыми).

Связь определяют как ограничение степени свободы элементов.

Элементы, вступая во взаимодействия друг с другом, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали.

Связи характеризуются направлением, силой, характером (или видом).

Связи бывают направленные и ненаправленные, сильные и слабые.

По характеру различают связи подчинения, связи порождения (или генетические), равноправные (или безразличные), связи управления.

Важную роль играет обратная связь. Она может быть положительной, т.е. сохраняющей тенденции происходящих в системе изменений того или иного выходного параметра, и отрицательной противодействующей изменениям выходного параметра, стабилизирующей его требуемое значение.

Обратная связь является основой саморегулирования, развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования.

Понятие цель и связанные с ним понятия целесообразности, целенаправленности лежат в основе развития системы.

В понятие цель вкладывают разные оттенки - от идеальных устремлений до конечных результатов, достижимых в пределах некоторого интервала времени.

Под структурой системы понимают относительно устойчивый порядок внутренних пространственных связей между ее отдельными элементами, определяющий функциональное назначение системы и ее взаимодействие с внешней средой.

Структура отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, ее устройство (строение).

В сложных системах структура включает не все элементы и связи между ними, а лишь наиболее существенные компоненты и связи, которые мало меняются при текущем функционировании и обеспечивают существование системы и ее основных свойств.

Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от стадии познания.

Существуют понятия, характеризующие функционирование и развитие систем.

Понятие состояние характеризует мгновенную фотографию системы, «остановку» в ее развитии. Состояние определяют через входные воздействия и выходные сигналы, либо через макропараметры, макросвойства системы.

Если система способна переходить из одного состояния в другое, то говорят, что она обладает поведением. Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности перехода из одного состояния в другое. Говорят, что система обладает каким-то поведением, и выясняют его характер, алгоритм.

Под целостностью (эмерджетностью) системы понимается принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого (т.е. системы).

Понятие равновесия определяют как способность системы в отсутствии внешних возмущений (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго. Это состояние называется состояние равновесия.

Под устойчивостью понимают способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий или внутренних воздействий, если в системе есть активные элементы.

Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия.

Понятие развитие объясняет сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе.

Исследование процессов развития, соотношения развития и устойчивости, изучение механизмов, лежащих в их основе, - наиболее сложные задачи теории систем.

Понятие структуры системы реализуется через элементы и связи системы. Структура - это устойчивое единство элементов и отношений в системе. Под организацией понимается, с одной стороны, свойство системы, проявляющееся в сохранении устойчивости ее структуры при различных взаимодействиях, с другой стороны, - совокупность внутренней структуры и внешних функций (поведения), присущих системе.

Изменение состояния системы влияет на состояние ее выходов.

Желаемое состояние выходов называется целью системы, а функция, определяющая изменение состояния выходов, — целевой функцией системы. Для оценки отклонения фактического состояния выходов от желаемого вводится критерий цели.

Исходя из двух трактовок системы можно по типу элементов их классифицировать на физические (материальные) и абстрактные (концептуальные) [21].

Рассмотрим кратко классификацию создаваемых человеком физических систем по наиболее важным признакам:

а) по характеру входов и выходов системы делятся на вероятностные и детерминированные;

б) по связям системы делятся на замкнутые и открытые, последние связаны с внешней средой входами и выходами.

По сложности организации системы делятся на простые, сложные и большие системы, отличающиеся степенью сложности структуры и функционирования.

К простым системам относят такие, которые независимо от их масштабности можно описать с помощью детерминированных математических моделей и методов.

Сложные системы (СС) имеют сложную структуру со стохастическими связями (включая обратные связи), многоаспектное функционирование, а также стохастические входы и выходы.

Большие системы (БС) обладают теми же признаками, что и СС, но кроме этого им присущи:

а) наличие целей и систем управления (самоуправления, адаптации);

б) наличие комплекса проблем состязательного и конкурирующего характера;

в) несчетное разнообразие по связям, функциям и информационным состояниям.

Из множества СС (БС) в системотехнике и теории управления рассматриваются организационные (человеко-машинные) системы с человеком - оператором и коллективами людей и технические.

В свою очередь, организационные системы можно разделить на три вида: 1) производственно-технологические, перерабатывающие потоки материалов и ресурсов;

2) управленческие;

3) кибернетические.

Кибернетические системы являются сочетанием первых двух при рассмотрении их в единстве как объект и орган управления.

Практически все существующие организационные системы можно представить в виде кибернетических систем различной сложности.

Важнейшими признаками любой кибернетической системы являются:

а) наличие двух компонентов - объекта и органа (субъекта) управления, связанных обратными и прямыми информационными каналами, образующими замкнутые контуры (см. рис. 5);

Цель, Алгоритм и критерии КЭ, программа ограничения управления Орган управления Sу Об.св Пр.св Qy qx Qx qy qS QS Объект управления Sоб X Y … … … QN Проекция qN цели N Рис. б) наличие цели, критериев эффективности (Кэ) и ограничений;

в) наличие алгоритма (инструкции) и программы управления.

При отклонении объекта управления от заданной программы (плана) информация q x, q s, q v по каналам обратной связи поступает от объекта в орган управления.

На основе обработки поступившей информации и сопоставления ее с информацией, характеризующей программу (N) достижения цели, определяется рассогласование соответствующих параметров. В управляющем органе вырабаты-вается и принимается управленческое решение по устранению рассогласований и отклонений, которое в виде управляющих воздействий (УВ) (Q X, Q S, QY) подается на объект управления. Наличие всех необходимых признаков кибернетической системы обеспечивает высокую устойчивость ее функционирования.

В общем случае в кибернетической системе управление может осуществляться по входам и выходам, по структуре- и целям, а также по параметрам внешней среды, если указанные источники информации снабжены специальными средствами сбора, передачи и преобразования информации, а также каналами обратной и прямой связи с объектом управления.

В кибернетике сформулирован закон необходимого разнообразия, согласно которому для управления сложными объектами с большим разнообразием необходима управляющая система, обладающая не меньшим разнообразием, чем объект. Следовательно, необходимо построение системы управления совместно с объектом управления в виде единой двухкомпонентной кибернетической системы.

Задача управляющей системы состоит в своевременном оперативном и надежном снижении разнообразия объекта до желаемого (планируемого) уровня;

в идеальном случае - в достижении оптимального пути выполнения программ работ. Оперативность управляющей системы - это пропускная способность ее как информационной системы, обусловленная величиной уменьшаемого разнообразия в поведении объектов управления.

С точки зрения системного подхода не все управленческие функции с применением ЭВМ реализуются комплексно и просто. На практике при обосновании и принятии управленческих решений приходится решать сложные оптимизационные задачи. Многочисленные и взаимосвязанные задачи управления требуют особо организованных систем, позволяющих как можно лучше использовать возможности человеческого интеллекта совместно с мощными средствами переработки информации, принципами и методами современной математики, кибернетики и системотехники.

Таким образом, АИУС является частным случаем системы управления (СУ) соответствующего уровня, в которой, помимо двух понятий «система» и «управление», существует понятие автоматизации управленческих функций и процессов.

Автоматизация означает выполнение некоторых процессов и операций без участия человека. Автоматизация может быть частичной и комплексной - для всех основных процессов и сторон функционирования системы. Можно ввести понятие степени или коэффициентов полноты и глубины автоматизации процесса и производства в целом, понимая под степенью полноты, например, процент автоматизированных операций из общего их числа на данном предприятии, а под степенью глубины - процент параметров, охваченных автоматизацией.

Важнейшими аспектами при проектировании АИУС являются методологический, технический, технологический, экономический и социологический, а также их комбинации. Под экономическим аспектом понимается изучение экономических отношений компонентов АИУС и окружающей среды, согласование их целей с общими целями системы, оценка экономической эффективности и целесообразности различных решений и действий в материальных и информационных процессах. Социологический аспект учитывает взаимосвязи и отношения людей и коллективов, их поведение, мотивы, устойчивость и эффективность деятельности. Другие аспекты ясны по своему смыслу.

1.2. Особенности и классификация автоматизированных информационно-управляющих систем 1.2.1. Основные особенности АИУС. Основоположником теоретических основ построения АСУ является академик Глушков В.М. Им была предложена классификация автоматизированных систем [22, 23]. Особых изменений в этой классификации не произошло до настоящего времени, поэтому рассмотрим эту классификацию.

Имеется несколько определений АСУ [23]:

- система управления с применением современных автоматических средств обработки данных (ЭВМ, автоматических устройств накопления, регистрации, отображения и др.) и экономико математических методов для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью предприятия;

- система управления производственно-хозяйственной деятельностью предприятия, включающая интегрированные системы обработки данных, главной целью которых является автоматизация процессов, сбора и переработки информации на предприятии и усовершенствование, формы организации их выполнения;

- система, в контуре управления которой функционируют совместно человек и технические средства, осуществляющие сбор и содержательную обработку информации по разветвленным алгоритмам с целью принятия оптимальных решений по управлению процессом или производством.

Таким образом АИУС, как автоматизированная система – это человеко-машинная система, использующая современные средства электронно-вычислительной техники, микропроцессорных систем управления и связи, экономико-математические методы, а также новые организационные принципы управления для отыскания и реализации на практике наиболее эффективного управления соответствующим объектом (системой).

АИУС обладают всеми наиболее характерными чертами сложных технических систем. К ним следует отнести:

- большой масштаб систем по числу составляющих элементов и выполняемых функций;

- наличие функциональной целостности, общего назначения и цели;

- сложную многоуровневую иерархическую структуру;

- высокую степень автоматизации, определяющую известную степень самостоятельности поведения системы;

- статистически распределенные во времени внешние воздействия.

В экономических (организационных) информационно управляющих системах в качестве элементов рассматривают: средства производства (установки, оборудования, инструмент);

предметы труда (сырье, материалы, полуфабрикаты), трудовые ресурсы (рабочие, инженерно-технические работники, служащие);

техническую и технологическую документацию (чертежи, инструкции, стандарты, управляющие и отчетные документы и пр.).

Работы в области автоматизации процессов управления требуют глубокого анализа сущности автоматизируемых процессов, выделения объектов автоматизации, правильного формулирования целей управления и определения этапности автоматизации с учетом реальных сроков, возможностей технической реализации и экономических факторов.

Объектом управления в информационно-управляющей системе может быть рабочее место, конвейер, участок, цех, предприятие, объединение и т.д. К объекту управления относят ту часть элементов, которые непосредственно участвуют в процессе материального производства и его обслуживания. К управляющей части системы относят множества элементов, необходимых для осуществления процесса управления объектом. Это управленческий персонал, технические средства и методы управления.

Управляющая часть системы оперирует с документами. Поэтому для эффективного управления производственной системой необходим непрерывный обмен информацией между объектом управления и управляющей частью.

В управляющую часть информация поступает от вышестоящих организаций (план производстсва, директивные указания) и от объекта управления (сведения о поступлении материалов, деталей, комплектующих изделий, притоке рабочей силы;

о выпуске продукции и ее качестве, затратах материалов и труда, о причинах, нарушающих протекание производственных процессов - срыве поступления материалов, поломках оборудования, браке). Управляющая часть вырабатывает управляющие воздействия на объект управления и отчетную информацию для вышестоящих организаций.

Процесс выработки управляющего воздействия на объект управления имеет следующие этапы: определение цели воздействия и установление возможных изменений в других подсистемах;

разработка путей, методов и средств воздействия;

создание организационной системы;

принятие решения, его внедрение;

контроль хода внедрения;

коррекция воздействия в ходе реализации принятого решения.

Современные АИУС представляют собой человеко-машинные системы, в которых сочетается машинная переработка информации с координирующей деятельностью человека-оператора. За человеком остаются наиболее сложные, не поддающиеся формализации задачи, такие, например, как постановка проблемы, принятие решения в условиях неполной информации и неопределенности, контроль переработки информации. Поэтому важной задачей при создании информационно-управляющей системы является правильное распределение функций между человеком и ЭВМ.

Функционирование информационно-управляющей системы связано и с решением ряда проблем правового, а также психологического и социологического характера. Оптимальная структура системы связана с пределами личной компетенции, формами санкций, поощрений и т.

д. Эти вопросы должны решаться на правовой основе в виде должностных инструкций и предписаний, утвержденных и обязательных для исполнения.

Основная цель автоматизации организационного управления обеспечение оптимального функционирования объекта управления (предприятия, объединения, отрасли и т.п.) путем правильного выбора целей и средств их достижения с учетом имеющихся ограничений, наилучшего распределения заданий между отдельными частями, из которых состоит объект, и обеспечения их четкого взаимодействия.

1.2.2. Критерии эффективности. Рассмотрим, как можно оценить эффект от внедрения АИУС. В условиях хозрасчетного метода управления предприятием (объединением) в качестве критерия обычно используют прибыль. Этот критерий лучше других возможных показателей отражает рост национального дохода, способствует ускорению ввода в действие объектов и мощностей, улучшению использования производственных фондов, увеличению объема реализованной продукции. Показатель прибыли служит основой взаимоотношений с бюджетом, а также основным источником формирования фондов предприятия. Использование прибыли в качестве критерия оптимальности сводит к минимуму количество требуемых ограничений. Эффективность внедрения АИУС можно оценивать исходя из роста прибыли. Можно использовать также в качестве критерия эффективности минимум удельных затрат труда на выполнение планов или себестоимости изготовленной продукции либо максимум чистого или валового продукта предприятия.

В некоторых задачах, реализуемых с помощью АИУС, вполне возможны и целесообразны свои локальные критерии, отличающиеся от общего критерия системы, например, стабильность использования ресурсов.

При решении многих задач надо считаться с наличием не одного, а ряда критериев. Учет многокритериальности задачи может быть сведен к формированию некоторого комплексного критерия, представляющего собой, например, сумму отдельных критериев, каждый из которых наделяется определенным «весовым»

коэффициентом.

1.2.3. Принципы разработки информационно-управляющих систем. В основу разработки АИУС положены следующие принципы [22]: новых задач, системного подхода, первого руководителя, непрерывного развития системы, автоматизации документооборота, согласованности пропускных способностей отдельных частей системы, типовости, однократности ввода данных и др.

Эффективность АИУС повышается при решении задач, которые при традиционной ручной технологии управления невозможно решить либо они решаются частично (принцип новых задач). К ним относятся задачи оптимизации. На уровне предприятия это задачи определения оптимального производственного плана, оптимального оперативно-календарного планирования, оптимального управления материальными ресурсами предприятия, оперативного анализа хода производственного процесса. На уровне отрасли это задачи перспективного планирования развития отрасли на длительный период, расчета оптимального плана выпуска продукции на год, распределения материальных ресурсов между предприятиями отрасли.

На межотраслевом уровне к задачам оптимизации относятся размещение новых производств, привязки поставщиков к потребителям, разработки проектов развития территориально производственных комплексов и т. п.

Второй принцип - это системный (комплексный) подход к созданию АИУС. Проектирование должно основываться на системном анализе как объекта, так и управляющей части.

Принцип первого руководителя состоит в том, что разработку и внедрение АИУС нужно производить под непосредственным руководством первого руководителя соответствующего объекта.

Практика свидетельствует, что всякая попытка передоверить дело создания АИУС второстепенным лицам неизбежно приводит к тому, что система ориентируется на рутинные задачи управления и не дает ожидаемого эффекта.

Согласно принципу непрерывного развития системы необходимо при проектировании АИУС предусмотреть возможность быстро реагировать на возникновение новых задач управления и совершенствование старых в процессе развития экономики и отдельных предприятий.

Принцип автоматизации документооборота означает, что надо автоматизировать не только те или иные расчеты, но и оформление выходных документов, сбор исходных данных и в определенной мере передачу их и управляющих воздействий.


Согласно принципу согласованности пропускных способностей желательно равенство пропускных способностей последовательных звеньев. Информационный результат, выдаваемый предшествующим устройством, является исходной информацией для последующего.

Поэтому устройства должны быть согласованы также по используемым в системе носителям и по кодам.

Принцип типовости важен при разработке программ и сводится к максимальному использованию стандартных подпрограмм и типизации программ решения задач.

Значение для м имеет принцип однократности ввода данных в машину, согласно которому многократное использование любого рода сведений при решении задач на ЭВМ не должно приводить к повторному вводу каких-то данных в память ЭВМ.

Особое значение для АИУС имеет проблема надежности. Для повышения надежности работы применяют высоконадежные технические средства, автоматическое резервирование важнейших узлов и блоков, введение автоконтроля и т.д.

АИУС должны обладать также повышенной живучестью. Под живучестью информационно-управляющих систем понимают способность системы к определенной компенсации последствий нарушений и повреждений отдельных ее устройств, позволяющую системе продолжать выполнение основных функций при утрате или временном снижении некоторых второстепенных показателей (точности, быстродействия, объема обрабатываемой информации).

При разработке АИУС крайне важно использовать экономические законы, создавать благоприятные условия для их проявления. АИУС должна основываться на закономерностях, присущих науке управления.

1.1.4. Классификация. Классификация АИУС затруднена разнообразием объектов управления, на которых эти системы могут применяться.

Необходимо при классификации определить принцип управления объектом. В системе управления можно выделить три принципа:

отраслевой, территориально-отраслевой и территориальный. Принцип отраслевого управления положен в основу управления тяжелой промышленностью. Принцип территориально-отраслевого управления применяется в легкой промышленности и некоторых непромышленных отраслях. Принцип территориального управления характерен для управления министерствами, ведомствами, а также деятельностью исполнительных органов местного управления, также строят АИУС по территориальному признаку: город, область, республика, страна.

Следующий признак классификации - уровень иерархии в управлении, для которого применяется данная система. К таким уровням можно отнести: федеральный, областной, городской, районный для территориальных систем и отрасль, подотрасль, объединение, предприятие, производство, цех, участок, установка. В зависимости от уровня иерархии АИУС подразделяются на:

- автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП);

- автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП);

- отраслевые АСУ (ОАСУ);

- общегосударственная автоматизированная система (ОГАС).

АСУП и ОАСУ должны быть совместимы по целевым функциям, методам обработки информации, техническим средствам.

Важным признаком является функциональное назначение системы или ее место в общей организационной структуре управления. По функциональным признакам выделяют, например, автоматизированные системы плановых расчетов, материально технического снабжения, государственной статистики;

по производственному признаку - системы управления промышленными объектами, подготовкой производства и др.;

по ресурсным признакам системы управления объектами обеспечения различными ресурсами и услугами. В свою очередь, такие системы также могут быть многоуровневыми и подобно отраслевым и территориальным системам они входят в ОГАС.

По типу процесса, являющегося объектом автоматизации, можно рассматривать АИУС (по назначению):

- управления технологическими процессами (АСУТП);

- управления организационными процессами (АСОУ);

- проектирования (АСПРО);

- планирования и управления испытаниями (АСПИ);

- управления научно-техническим прогрессом (АСУНТ).

В современных условиях выделяют два основных типа АИУС:

системы управления технологическими процессами, системы организационного управления, интегрированные (комплексные) системы. Первые имеют дело с технологическими процессами в широком смысле слова, вторые – с объектами экономической и социальной природы. В АСУТП основной формой передачи информации являются различные сигналы (электрические, механические, пневматические, оптические и др.). В системах управления организационными процессами основная форма передачи информации - документ. Слияние АСУТП и АСОУ дает единые интегрированные (комплексные) АСУ. В этих системах большая часть информации циркулирует в виде кодированных сигналов и специальных типов документов на машинных носителях записи.

По характеру производства различают АСУТП для непрерывных производств, для производств с дискретным технологическим циклом и для производств со смешанными, непрерывно-дискретными технологическими процессами.

АСУТП первого типа создаются на предприятиях химической, энергетической, нефтеперерабатывающей и ряда других отраслей промышленности с непрерывными технологическими процессами.

Причем параметры процессов представляют собой также непрерывные величины (давление, температура, расход жидкости и пара, концентрация смеси компонент, влажность и т. п.), измеряемые датчиками главным образом с непрерывным выходным сигналом.

АСУТП второго типа внедряются на предприятиях машиностроительной, приборостроительной, радиотехнической, электротехнической и других отраслей промышленности, где производство имеет дискретный характер. На таких предприятиях используется на рабочих местах универсальное оборудование, за каждым рабочим местом закрепляется множество операций;

для дискретного производства присуще наличие большого количества изделий и деталей, отличающихся трудоемкостью изготовления, технологическими маршрутами, длительностью производственного цикла, а также дискретность параметров процессов. Дискретная информация о параметрах процессов формируется вручную с помощью документов (накладных, нарядов) и различных устройств ручного ввода цифровой и алфавитно-цифровой информации, а частично от датчиков.

К производствам непрерывно-дискретного типа относятся предприятия металлургической, цементной, пищевой и других отраслей промышленности.

Существует классификация АИУС по степени автоматизации процессов управления: информационно-справочные (АИС), системы обработки данных (АСОД) и собственно АСУ (советующие системы, способные автоматизированно вырабатывающие решения).

АИС осуществляет сбор, хранение и обработку информации, которая затем используется управленческим аппаратом для выработки и принятия решений.

АСОД не только обеспечивает автоматизированный сбор и хранение информации, но и автоматизирует выполнение традиционных способов обработки информации: плановые расчеты, бухгалтерский учет, отчетность и т.д. Следует подчеркнуть, что АСОД создаются на основе изучения и формального описания с помощью логико-математических приемов существующих способов обработки информации. Эта система не несет в себе качественно новых признаков, не развивает и не отменяет сложившиеся методы управления, а лишь автоматизирует наиболее трудоемкие операции.

АСУ более высоких уровней (советующие и другие) отличаются от АСОД тем, что позволяют, прежде всего, решать так называемые новые - оптимизационные задачи управления. В АСУ высокого уровня на основе глобальных моделей строительного производства имитационного типа, посредством вычислительных систем с разделением времени, могут решаться наиболее сложные, системные задачи, позволяющие обоснованно принимать не просто допустимые по отдельным задачам, а наилучшие решения по основным проблемам управления в целом.

Следующим признаком можно считать степень централизации обработки информации, которая зависит от объема информационной базы (ее мощности) данного объекта. По этому признаку выделяют системы, имеющие несколько уровней обработки информации, системы централизованной обработки информации и системы коллективного пользования.

Многоуровневые системы обработки информации характерны для крупных объектов, например отрасли. Системы с централизованной обработкой данных характерны для средних объектов, например предприятий, для которых достаточно одного ИВЦ. Системы коллективного пользования наиболее эффективны для малых объектов, не имеющих своей вычислительной базы и и пользующихся услугами вычислительных центров коллективного пользования.

1.3 Структура автоматизированных информационно управляющих систем 1.3.1. Общая характеристика автоматизированных систем организационного управления. Для автоматизированных систем организационного управления (АСОУ) объектом управления являются коллективы людей, использующие средства производства.

АСОУ должны учитывать специфику технических средств и средств управления. Процесс управления в этих системах, в отличие от управления технологическим процессом, направлен в основном не только на отдельные объекты, а на организацию взаимосвязи всех объектов для бесперебойного и эффективного функционирования процессов производства. За человеком в таких системах остаются функция постановки цели и определения критериев управления, разработка моделей, алгоритмов и оценка вырабатываемых системой вариантов решений, выбор кончательных решений и придание им юридической силы.

АСОУ состоит из функциональной и обеспечивающей частей, ка показано на рис. 6.

Автоматизированная система организационного управления Функциональная часть Обеспечивающая часть Функциональные Информационное подсистемы обеспечение Производственно- Лингвистическое ресурсные обеспечение подсистемы Техническое обеспечение Структурные подсистемы Программное обеспечение Математическое обеспечение Рис. Обеспечивающая часть АСОУ включает информационное, лингвистическое, техническое, программное и математическое обеспечение.


Обеспечивающие подсистемы создают условия функционирования функциональной части АСОУ и реализуют процесс автоматизации различных функций управления. Информационное обеспечение АСОУ - это совокупность единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации, унифицированных систем документов и массивов информации, используемых в автоматизированных системах управления.

На основе информационного обеспечения АСОУ формируются и производятся все расчетные операции. В состав информационного обеспечения входят: нормативные и справочные данные, составляющие информационный базис системы, текущие сведения, требующие, ответной реакции системы или влияющие на алгоритм выработки решений, накапливаемые учетные и архивные сведения, необходимые для планирования и развития системы.

Лингвистическое обеспечение АСОУ - совокупность научно технических терминов и других языковых средств, используемых в автоматизированных системах управления, а также правил формализации естественного языка, включая методы сжатия и развертывания текстов.

Техническое обеспечение включает комплекс технических средств (КТС), предназначенных для обеспечения работы АСОУ.

Основными частями комплекса технических средств АСОУ являются ЭВМ с комплексом всех устройств, обеспечивающих его нормальную работу, и внешние (периферийные) устройства, необходимые для функционирования АСУ. Эта совокупность устройств ЭВМ, периферийные устройства, оргтехника и средства связи обеспечивают процессы сбора, передачи, обработки и хранения необходимой информации.

Программное обеспечение включает совокупность программ для реализации задач, обеспечивающих функционирование комплекса технических средств АСУ. Программное обеспечение дает возможность реализовать на ЭВМ методы, алгоритмы и модели.

Поэтому возможности АСОУ во многом определяются программным обеспечением системы.

Совокупность математических моделей, методов и алгоритмов для решения задач и обработки информации с применением вычислительной техники составляет математическое обеспечение.

Математические методы и модели, входящие в состав математического обеспечения, позволяют осуществлять выбор оптимальных решений.

В решении задач управления производством активную роль осуществляет функциональная часть АСОУ и входящие в ее состав подсистемы. Именно они представляют собой способы отражения закономерностей развития и функционирования производства и методы воздействия на ход выполнения плана.

Функциональная часть АСОУ представляет совокупность подсистем, в которых с помощью комплекса экономических и организационных методов, посредством указанных выше видов обеспечения осуществляется решение конкретных задач планирования, учета, анализа, принятия и реализации управленческих решений.

Конкретный набор подсистем функциональной части зависит от специфики организации, для которой разрабатывается автоматизированная система управления, от назначения АСУ, уровня управления и других факторов. Функциональные подсистемы соответствуют отдельным функциям управления и включают задачи, относящихся к реализации этих функций (например, подсистема планирования, контроля, учета и т.д.).

Под производственно-ресурсными подсистемами понимают подсистемы, обеспечивающие процесс управления ресурсами (например, подсистема управления материально-техническим снабжением, подсистема управления кадрами, подсистема управления машинами и механизмами и т. д.).

1.3.2. Общая характеристика автоматизированных систем управления технологическим процессом.

Объектом управления АСУТП является технологический процесс.

Под технологическим процессом как объектом управления [24] может пониматься или последовательность целенаправленных (с использованием орудий труда) действий по получению из определенных исходных материалов конечного продукта с требуемыми свойствами, или комплекс технологического оборудования, реализующего процесс с использованием соответствующих энергоносителей и поддержанием необходимых технологических режимов.

АСУТП - это система, которая при участии операторского персонала обеспечивает в реальном времени автоматизированное управление процессом изготовления (переработки) продукта по заданным технологическим и технико-экономическим критериям [24].

Такая система предусматривает участие в управлении процессом на подготовительных, вспомогательных, контрольных и других операциях человека. Таким образом, автоматическая система является предельным случаем автоматизированной информационно управляющей системы.

Применение современных средств автоматической обработки информации в технологии позволяет решать следующие задачи:

а) вести процесс с производительностью, максимально достижимой для данных производительных сил, автоматически учитывая непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов и полуфабрикатов, изменения в окружающей среде, ошибки операторов;

б) управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для выпускаемой номенклатуры продукции (сортамент, номинал, классы, группы точности и качества), путем оперативной перестройки режимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипном оборудовании и т. п.);

в) реализовать статистическое управление процессами в реальном времени по экстремальному или адаптивному алгоритму;

г) осуществлять автоматическое управление процессами в условиях, вредных или опасных для человека.

АСУТП является фундаментом системы управления промышленным предприятием.

Системы управления технологическими процессами, решая самостоятельно задачу повышения эффективности отдельных производственных процессов, одновременно создают информационную и техническую базу для автоматизированной системы управления производством и предприятием в целом. Конкретные функции, которые выполняют АСУТП, зависят от характера и сложности управляемого процесса, а также от технических возможностей самой АСУТП. К таким функциям относятся:

а) сбор и обработка информации о состоянии технологического процесса и выпускаемых изделий;

б) контроль и индентификация процесса;

в) стабилизация и регулирование процесса;

г) логико-программное (в том числе мультипрограммное) управление;

д) поиск оптимальных решений и оптимальное (в том числе адаптивное) управление;

е) комплексное координационное управление;

ж) расчет технико-экономических показателей технологического процесса;

з) анализ и предотвращение аварийных ситуаций;

и) техническая диагностика отдельных частей и системы в целом.

К настоящему времени сформулирован ряд направлений в разработках АСУТП, и поэтому можно выделить ряд классификационных признаков АСУТП [24]: по характеру управляемого технологического процесса;

по степени сложности управляемого процесса;

по степени охвата управляемого процесса;

по степени автоматизации задач управления;

по функционально-алгоритмическому признаку;

по архитектурному признаку.

По характеру управляемого технологического процесса АСУТП можно разделить на следующие большие классы: АСУ основными непрерывными технологическими процессами;

АСУ основными непрерывно-дискретными процессами;

АСУ основными дискретными процессами;

АСУ сборочными процессами в дискретном производстве;

АСУ контрольными операциями и процессами;

АСУ процессами изготовления оснастки и инструментов для основного производства.

Классификация по степени сложности управляемого процесса основывается на условных границах числа параметров контроля и управления процессом. Для предприятий с непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства выделяются количественные границы: 20, 40, 100, 800 параметров. Указанная классификация имеет существенное значение при проектировании и создании АСУТП.

При делении систем по степени охвата управляемого процесса выделяют два основных класса: комплексные АСУТП и локальные АСУТП.

Классификация по степени автоматизации задач управления основывается на признаке технического совершенства АСУТП как кибернетической системы. Выделяют три основных класса:

- системы с автоматическим сбором и обработкой информации (информационные) ;

- системы с автоматической выработкой советов оперативному персоналу (информационно - советующие);

- системы автоматического управления процессом (управляющие).

Классификация по функционально-алгоритмическому признаку определяет функции и степень совершенства алгоритма управления, реализующего АСУТП. В соответствии с этим признаком выделяют системы управления: логико-программного, экстремального, адаптивного, организационно-технологического, ционного.

По архитектурному признаку системы различаются в соответствии с системно-техническим решением, принятым при их построении.

Чтобы технологический процесс стал управляемым, необходимо разработать методы управления, определить входные воздействия, установить зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия, разработать методы автоматического измерения входных воздействий и выходных параметров.

2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 2.1. Методологическая основа проектирования Методологической основой проектирования организационных структур управления служит системный анализ. Одной из исходных посылок этой методологии является необходимость построения организационной структуры, ориентированной на определение целей и подцелей, методы решения той или иной задачи. Организационная структура строится на основе структуры решений и требуемых для их реализации ресурсов [26].

Системный анализ осуществляется в следующем порядке.

Первый этап - постановка задачи, включающая определение изучаемого объекта, постановку целей и задание критериев.

Второй этап - осуществление первичной структуризации исследуемой системы. При определении границ системы в нее стараются включить все элементы, оказывающие сколько-нибудь существенное воздействие на функционирование. Принимают во внимание воздействие внешней среды на систему, обратное влияние считается несущественным. Первичная структуризация состоит в ориентировочном членении системы на составные части (подсистемы и элементы). Структуризация системы является важной отличительной чертой системного анализа.

Третий этап - составление математической модели исследуемой системы. Элементы системы и воздействие на нее описывают с помощью определенных параметров. С введением параметра задается область его применения. Выявив параметры, определяют связи между ними, которые могут задаваться равенствами и неравенствами, таблицами, включающими все случаи сочетания значений параметров, и другими способами. При этом учитывают изменение значений параметров во времени и наличие во многих случаях не детерминированных, а вероятностных зависимостей.

На четвертом этапе исследуют построенные модели и прогнозируют развитие системы, для чего на построенных моделях «проигрывают» (обычно с помощью ЭВМ) варианты тех или иных воздействий внешней среды и выявляют возможные результаты.

Пятый этап - анализ результатов прогнозирования, полученных на предыдущем этапе, проверка их соответствия целям и критериям, разработка рекомендаций по необходимому совершенствованию.

Далее снова повторяют четвертый и пятый этапы, вплоть до получения приемлемого результата.

2.2. Начальные этапы разработки Основа методологии разработки АИУС - учет специфических особенностей, отличающих информационную систему от технических систем, соблюдение принципа проведение разработки и внедрения на основе системного анализа.

Должно быть проведено всестороннее обследование автоматизируемой системы, выполнено моделирование, выявлен комплекс автоматизируемых функций, определена структура системы и подсистем, выбран лучший вариант из возможных проектных решений.

На практике часто встречается локальный подход к проектированию АИУС. Предпроектная стадия практически игнорируется и после общего ознакомления с объектом автоматизации выбирают отдельные задачи существующей системы для решения их на ЭВМ. Организационная структура, набор и методы решения задач практически остаются неизменными. Проектирование и внедрение заключается в моделировании отдельных задач, их программировании и внедренци машинных методов расчета. Последовательно наращивая такие задачи, получают поэтапное внедрение АИУС. Кажущимися преимуществами такого подхода являются быстрая загрузка ЭВМ;

получение в короткий срок эффекта от решения задач, который при удачном их выборе может быть достаточно ощутимым;

обозримость разработки и внедрения системы;

простота управления разработкой.

Однако при этом нарушается ряд основных принципов разработки АИУС, что приводит в конечном итоге к весьма низкой эффективности разработанной системы и самого процесса разработки - многократным переделкам, излишней загрузке ЭВМ и дублированию информации.

Одной из важнейших специфических особенностей, отличающих АСУ от технических систем, является тесная связь с внешней средой.

Поэтому при разработке АИУС полезно выделить как самостоятельные логические этапы разработки внешнее и внутреннее проектирование.

Такие аспекты проектирования в АИУС четко выделены и имеют, в известной степени, самостоятельное значение. Эти этапы при разработке АИУС выполняются специалистами различного профиля.

Внешнее проектирование формулирует цель и критерий эффективности будущей системы, выявляет ограничения. Создается и экспериментально проверяется модель системы. Определяются границы системы;

фиксируются факторы внешней среды, имеющие значение для системы;

определяются связи, виды входных сигналов, на которые должна реагировать система;

связанные с ними изменения выходных параметров. Затем следует этап выяснения взаимодействия системы с внешней средой;

определения того, что и зачем будет делать система, почему она должна действовать именно так, а не иначе.

Внутреннее проектирование определяет содержание самой системы как, какими способами и средствами будет система выполнять свои функции, кто, где и когда будет выполнять необходимые операции и процедуры.

Внешнее и внутреннее проектирование не являются самостоятельными, независимыми друг от друга этапами, они пересекаются и требуют взаимного согласования. Сначала проводится внешнее проектирование для некоторых идеальных, ничем не ограниченных внутренних возможностей системы, а затем, в первом приближении, внутреннее проектирование, выявляя при этом ограничения, не позволяющие системе функционировать так, как это требуется в результате предварительного внешнего проектирования.

Согласование заключается в изменении либо требований внешнего проектирования, либо ограничений внутреннего, либо и того и другого.

После такого согласования переходят к детальной, углубленной проработке вопросов внутреннего проектирования.

Важное свойство любой системы - наличие связей между ее элементами, а также между системой и ее внешней средой. Связи должны быть выявлены и изучены в существующей системе управления и определены для проектируемой. Направленность связей, как правило, от входа к выходу системы (в противном случае их называют обратными связями) позволила ввести понятие потока.

Основой любой производственной системы являются материальные потоки, которые на входе системы состоят из сырья, полуфабрикатов, комплектующих изделий и других исходных материалов. Материальный поток проходит через подразделения системы, где происходит обработка материалов, и поступает на выход системы в виде ее продукции.

Выходная продукция одной системы может полностью или частично поступать на вход другой системы.

Аналогично материальному потоку можно выделить энергетический поток - тепловую и электрическую энергию;

поток финансов, трудовых ресурсов и т.п. Особое значение в системах управления имеют потоки информации, или информационные потоки. Их особое значение определяется ролью информации в процессе управления. На входе системы управления в состав информационного поока входит информация о состоянии управляемого объекта, о параметрах входных потоков — материальных, энергетических и других, а также информация о состоянии внешней среды.

Комплекс исследований, направленных на выявление общих тенденций и факторов развития системы и определение мероприятий по ее совершенствованию, называют диагностическим анализом. Эти исследования начинают с выявления и формулировки или уточнения цели и критериев эффективности системы и ее подсистем.

Сформулированные цели и критерии функционирования и развития системы являются основой для программы дальнейшего диагностического анализа, которая включает в себя выявление общих тенденций развития системы;

факторов, способствующих и препятствующих достижению цели;

общих и специфических свойств системы;

особенностей взаимодействия с внешней средой и т. п.

2.3. Организация разработки автоматизированных информационно-управляющих систем Разработка АИУС представляет собой комплекс научно исследовательских, проектных, инженерно-технических и организационных работ, направленных на совершенствование существующей системы управления, на базе современных методов управления и использования вычислительной техники.

Совершенствование системы управления означает переход к качественно новой ступени ее развития, сопровождающийся изменением организационной структуры управления и принципов функционирования системы [23].

Для подавляющего большинства систем установлены следующие стадии их создания: предпроектная, разработки технического и рабочего проектов и ввод в эксплуатацию. В особых случаях, при разработке сложных, уникальных информационно-управляющих систем, может быть выделена стадия разработки эскизного проекта, предшествующая техническому проекту;

при разработке типовых решений для экспериментальных систем может быть установлена стадия «Анализ функционирования системы».

Ход работ по созданию АИУС удобно представлять в виде сетевых графиков. Детальные сетевые графики разработки содержат тысячи или десятки тысяч операций;

их вид определяется в значительной мере спецификой организации, для которой разрабатывается информационно-управляющая система. Рассмотрим обобщенный сетевой график укрупненных этапов разработки и внедрения системы, показанный на рис. 7. Этот график дает общее представление об основных этапах разработки и позволяет проследить развитие системы от начала работ по ее созданию до ввода в эксплуатацию.

Работы по созданию любой АИУС начинаются с предварительного ознакомления с будущей системой, позволяющего определить целесообразность создания АИУС для данной организации или предприятия (операция 0-1). Эту работу выполняет небольшая группа высококвалифицированных специалистов, не более 4-5 человек. В состав группы входят представители огранизации, для которой создается система, в дальнейшем именуемой «заказчиком», а также специалисты по созданию информационно-управляющих систем, в том числе будущий руководитель работ со стороны организации, ведущей разработку системы, в дальнейшем именуемой «разработчиком».

На этом этапе в общем виде определяют основные цели и ограничения существующей и разрабатываемой АИУС, возможность повышения эффективности управления при создании АИУС.

По результатам работы группы принимается решение о включении работ по созданию данной АИУС в план министерства (для крупных предприятий), что является основанием для ее разработки.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.