И технологическими процессами

 

Раздел 3. Лекция 2. Системный подход

 

Системный подход служит методом комплексного изучения сложных систем и процессов с точки зрения того, как устроены системы, в каких отношения и связях находятся элементы системы, какова функция элементов и системы в целом, каков характер взаимодействия системы с другими системами и внешней средой.

Любую сложную систему можно рассматривать с позиций системного подхода при условии, если эту систему можно условно или физически расчленить на совокупность более простых взаимосвязанных между собой частей, выступающих как единое целое. Отношения характеризуют связи между частями и их свойствами, посредством которых части объединяются в систему. В свою очередь, каждую часть можно рассматривать как сложный объект, состоящий из более простых элементов. Определим АСУ как сложную техническую систему совокупностью характеристик , где - служебное назначение (набор выполняемых системой функций), - структура системы; - связи системы; - совокупность функциональных и структурных свойств системы.

Приведённые характеристики относятся к числу системных и определяют наиболее существенные черты строения и функционирования сложных систем. Например, нагревательная печь характеризуется как относительно обособленная часть интегрированного производственного комплекса, связанная с другими нё системами. В ней осуществляется процесс термической обработки изделий определённой номенклатуры, объединённых в единую систему посредством транспортной системы с управление от ЭВМ. Это подчёркивает целостность данного производственного процесса и его функций.

По своей структуре такой печной процесс представляет взаимодействие технологического и вспомогательного оборудования. Структура характеризует качественную определённость сложной системы. Относительная выделенность элементов сложной системы и их взаимосвязь – это две противоположности. Целостность – вторая сторона структуры. Так как системный подход подразумевает наличие связей между элементами сложной системой и внешними системами, то целостность печного агрегата характеризует большую силу и существенность внутренних связей по сравнению со связями с внешними системами. Это обстоятельство создаёт качественную определённость и причастность печного агрегата к сложным системам.

При наличии функциональной целостности и относительной самостоятельности печного агрегата его взаимодействие с другими системами предусматривает наличие связей, которые оказывает на него влияние. В то же время другие системы зависят от характера функционирования печного агрегата. Для него характерны материальные, энергетические, временные, информационные, структурные и другие связи, которые объединяют печной агрегат с другими системами.

Печной агрегат представляет собой объект управления, на входы которого поступают изделия, энергия, управляющая информация и др. Одна часть управляющей информации включает плановые задания, время запуска в обработку, другая – технологическую информацию, содержащую управляющие программы, алгоритмы управления технологическим и вспомогательным оборудованием, информацию от вспомогательного оборудования на его обслуживание и др.

Оптимизируя работы одной подсистемы печного агрегата, АСУ должна учитывать связи, имеющиеся между различными подсистемами системы, между разными уровнями иерархии. Нельзя выделить из системы одну подсистему и рассматривать её, не учитывая остальные.

Разумное управление сложной иерархической системой состоит в том, чтобы каждая вышестоящая подсистема давала задание нижележащей не жёстко регламентировано, а в «общих чертах», представляя им известную инициативу, но так ставя перед ними цели, чтобы каждая подсистема, стремясь к своей цели, работала в согласии с интересами вышестоящей подсистемы в целом. На практике системный подход сводится к тому, что каждое звено, работа которого оптимизируется, следует рассматривать как часть другой, более обширной системы и необходимо выяснить, как влияет работа данной подсистемы на работу всей системы (например, футеровка или нагреватели). Системный подход к процессу управления – это прежде всего образ мышления. Асу рассматривается как целостный комплекс взаимосвязанных и взаимозависимых частей, взаимодействующих между собой с окружающей средой.

Одна из характерных черт системного подхода является типовость АСУ, которая предусматривает разработку серии типовых АСУ. Под типовостью понимают модульную структуру определённого типового множества систем, т.е. имеется в виду, что все обеспечивающие системы (информационная, математическая, техническая) имеют модульную структуру и в конкретных АСУ эти системы представляют собой набор типовых модулей, составляющих часть большой модульной системы.

Для технической базы АСУ модульная концепция типовость может быть обеспечена строгим соблюдением модульной (блочной) структуры ЭВМ, терминалов, каналов связи и т.д. Такая структура позволяет осуществлять любой набор технических средств из типовых модулей. Модулями ЭВМ являются процессор, различные блоки внешней памяти, оперативная память, устройства ввода-вывода информации.

 

Типы АСУ

 

Управление производством можно разделить на две области: управление организационно-экономическими процессами и управление технологическими процессами. Эти области различаются характером ТОУ: если в первой области объектом управления являются коллективы людей, занятых в сфере материального производства и обслуживания, то во второй – технологические процессы. Соответственно различают два основных типа АСУ; автоматизированные системы организационно-экономического или административного управления (АСУ П); автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).

Как правило, в АСУ П процессы управления весьма инертны. Задержка выдачи управляющих воздействий, обусловленная затратами времени на обработку информации в управляющем устройстве (ЭВМ), мало или совсем не влияет на качество работы. Инерционность АСУ П позволяет использовать документную форму представления информации и дискретный её ввод в машину. В документной форме оформляются и результаты обработки информации, которые затем направляются в соответствующие подразделения и службы. Документный дискретный характер информации, вводимый в машину и получаемой на её выходе, определяет то, что режимы работы ЭВМ в таких системах практически не отличается от режимов работы универсальных ЭВМ и структура построения также подобна структуре построения универсальных ЭВМ,

К АСУ ТП относятся такие системы, которым свойственно управление объектами, быстро меняющими своё состояние. Для получения необходимых динамических характеристик дискретной документный ввод и вывод информации в АСУ ТП в большинстве случае неприемлем. Кроме того, сложность современных технических систем обусловливает невозможность в ограниченный срок охватить их во всех деталях (измерять, наблюдать и воздействовать на все переменные одновременно).

Для осуществления связи с объектом в ЭВМ включают специальные аппаратные средства, обеспечивающие получение, преобразование и передачу информации объекта к машине и обратно. Имеется тенденция по слиянию АСУ П и АСУ ТП в единые интегрированные системы управления, позволяющие отрабатывать всю имеющуюся на предприятии информацию, т.е организовывать производственный процесс, полностью управляемый вычислительным комплексом.

 

Автоматизированные системы управления предприятием

 

АСУ П органически включает в себя интегрированные системы обработки данных, главной целью которых является автоматизация информационных процессов на предприятии и усовершенствование формы и организации их выполнения. Объектом управления является совокупность процессов, свойственных данному предприятию, по преобразованию ресурсов (материалов, полуфабрикатов, инструмента, оснастки, оборудования, энергетических, трудовых и финансовых и др. ресурсов) в готовую продукцию. Сложность управления в АСУ П обусловлена следующими причинами:

ü большим числом разнородных элементов;

ü высокой степенью их взаимосвязи в процессе производства;

ü неопределённостью результатов выполнения многих процессов (брак, сбои, несвоевременные поставки, нерегулярность спроса и др.);

ü тем, что объектами и субъектами управления на предприятии являются люди, а управление их поведением не столько очевидно и прямолинейно;

ü предприятие постоянно изменяется, т.е. является нестационарным.

Создание м внедрение АСУ П привело к тому, что информационным процессам, их организации, проектированию, подготовке и выполнению уделяется такое же внимание, как и производственным. В структуре управления предприятием имеет место специальное подразделение – информационно-вычислительный центр (ИВЦ), ответственный за упорядочение, регламентацию и непосредственное выполнение информационных процессов на предприятии (рис.3.7). В структуре АСУ П обычно выделяют функциональные и обеспечивающие подсистемы. Подсистемой называют часть АСУ, выделенную по функциональному или структурному признаку, отвечающему конкретным целям и задачам.

Рис.3.7.Структурная схема состава АСУ П

 

Функциональные подсистемы представляют собой комплекс административных, организационных и экономико-математических методов, служащих для решения задач планирования, учёта и анализа показателей для принятия управленческих решений. Состав и наименование функциональных подсистем не является обязательным даже для однотипных АСУ, а зависит от конкретного объекта управления.

Обеспечивающие подсистемы выполняют все информационные процессы в АСУ и ответственны за их подготовку и организацию. Чаще всего выделяют подсистемы информационного, математического, программного, технического, организационного обеспечений.

Информационное обеспечение АСУ регламентирует потоки и подготовку информации, организацию и выполнение, информационных процессов в ИВЦ, т.е. представляет собой совокупность единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации, используемых в системах. Определение состава информационного обеспечения является одной из главных задач проектирования конкретной системы. Информационное обеспечение АСУ составляют входная информация, характеризующая состояние ОУ, внешней среды, определяющая дальнейшее поведение решение задач и определяющая дальнейшее поведение ОУ; Накапливаемые в процессе работы системы данные, необходимые для расширения круга решаемых задач; нормативные и справочные данные, которые составляют информационный базис системы.

Подсистема информационного обеспечения должная обеспечивать другие подсистемы оптимальным объёмом информации в требуемые сроки. Поэтому такие понятия информации, как достоверность, точность, полезность, полнота при разработке информационного обеспечения, являются определяющими. Многократное использование информации при однократном её вводе является отличительной особенностью АСУ. Это обусловлено необходимостью обеспечения одной и той же информацией различных подсистем. Подсистема информационного обеспечения должна обладать определённой гибкостью, возможностью быстрой перестройки в соответствии с изменившимися условиями работы системы под влиянием внешних возмущений или в связи с аварийными ситуациями.

Так, информационное обеспечение состоит из пакетов управляющих программ для печных агрегатов, для транспортных средств и роботов, для складских помещений и других отделений оперативно информационного фонда.

Математическое обеспечение АСУ представляет собой совокупность математических методов, моделей, алгоритмов для решения задач управления в соответствующих функциональных подсистемах и выполнения соответствующих информационных процессов в АСУ, обработки данных с применением вычислительной техники.

Техническое обеспечение АСУ представляет собой комплекс технических средств, предназначенных для автоматизации выполнения основных информационных процессов (сбор, передача, обработка информации, вывод и отображение данных), а также инструкции по их эксплуатации и обеспечению надёжного функционирования. Основу технических средств всякой АСУ составляет ЭВМ. Основные требования к вычислительному комплексу – обработка данных с заданной точностью, требуемой частотой, выдача результатов в нужные моменты времени. В АСУ применяют как ЭВМ общего назначения, так и специализированные.

Организационной обеспечение регламентирует действие каждого работника управления, каждого рабочего по отношению к системе информации и всей схеме принятия решений в АСУ.

 

Автоматизированные системы управления технологическими процессами

 

Управление технологическим процессом представляет собой информационный процесс, обеспечивающий выполнение какого-либо материального процесса.

В наиболее общем случае АСУ ТП представляет собой замкнутую систему (рис.3.8), обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием, и реализацию управляющих воздействий на технологический объект.

Рис.3.8.Информационная структура системы управления технологическими процессами: преобразователь 1 – преобразователь дискретных сигналов в непрерывные; преобразователь 2 – преобразователь непрерывных сигналов в дискретные

 

Технологический объект управления (ТОУ) – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нём по соответствующим алгоритмам и регламентам технологического процесса. В зависимости от уровня АСУ ТП ТОУ могут быть технологические агрегаты и установки, группы станков, отдельные производства (цехи, участки), реализующие самостоятельный технологический процесс; производственный процесс всего предприятия, если управление им сводится к рациональному выбору и согласованию режимов работы агрегатов, участков и производств. Совместно функционирующие ТОУ и управляющая им АСУ ТП образуют АТК.

Степень достижения поставленных целей в любой системе принято характеризовать с помощью критерия управления. Критерием может технико-экономический показатель.

В управляемом технологическом процессе можно выделить основные потоки информации, характеризуемые следующими группами параметров.

1. Измеряемые параметры , к которым относятся измеряемые, но неуправляемые параметры, зависящие от внешних факторов (параметры заготовок, характеристики технологического и вспомогательного оборудования и др.); выходные параметры, характеризующие качество выпускаемых изделий; выходные параметры, по которым непосредственно или путём вычислений определяют эффективность производственного процесса (производительность, экономичность и др.) или ограничения, наложенные на условия его протекания.

2. Управляемые и неуправляемые параметры - изменяющиеся со временем характеристики технологического оборудования, характеристики сырья, отказ оборудования и др. Наличие подобных случайных факторов, воздействующих на ТОУ, может значительно влиять на управляемую величину и придаёт стохастический характер потокам требований на обслуживание.

На вход управляющего вычислительного комплекса (УВК) от датчиков (термопар, индуктивных датчиков и т.д.) поступает измерительная информация от текущих значениях параметров , характеризующих ход технологического процесса (состояние и параметры продукции, качество обработанных деталей, их количество и др.). УВК обрабатывает эту информацию в соответствии с принятым законом управления (алгоритмом управления), определяет управляющие воздействия которые необходимо приложить к ИМ для изменения управляемых параметров , с тем чтобы управляемый процесс протекал оптимальным образом.

Многие измерительные датчики вырабатывают свои сигналы в виде напряжения, силы тока, сопротивления, угла поворота и т.п., т.е. в форме непрерывного (аналогового) сигнала. Подводимые к ИМ управляющие воздействия должны вырабатываться в форме напряжений, т.е. также в аналоговой форме.

Так как УВК оперирует с цифровыми (дискретными) величинами, то поступающие на её вход величины должны предварительно быть преобразованы в цифровую форму, а вырабатываемые УВК величины управляющих воздействий – из цифровой формы в аналоговую, т.е. в соответствующие напряжения. Некоторые входные сигналы (например, выдаваемые конечными выключателями, фотореле и др.) и некоторые выходные управляющие сигналы (например, включение двигателей, сигнальные транспаранты и др.) имеют релейный характер.

Таким образом, в УВК должны входить преобразователи непрерывных величин в цифровые и обратно. С целью уменьшения объёма оборудования преобразователи непрерывных величин в цифровые и обратно обычно выполняют многоканальными. Посредством коммутатора преобразователь поочерёдно подключается к каждому датчику и осуществляет преобразование соответствующей аналоговой величины в цифровую форму, после чего получены в результате преобразования цифровой код вводится в память УВК.

Важным признаком АСУ ТП является осуществление управления в темпе протекания технологического процесса, т.е. в реальном масштабе времени. Понятие реального масштаба времени можно определить следующим образом. Если передача информации из исходного пункта в ЭВМ и её обработка осуществляются во время работы машины, занятой решением другой задачи, и возвращение результатов в исходный пункт производится в минимально короткие сроки по тем же каналам без ощутимого перевеса в решении предыдущей задачи, то горят, что этот процесс протекает в реальном времени. Более коротко можно сказать, что обработка информации идёт в реальном времени, если время на запросы, обычно произвольное, ограничивается внешними условиями. Под внешними условиями понимаю занятость передающих устройств и ЭВМ решением других задач, важность и срочность которых определяется соответствующей системой приоритетов.

В системе, функционирующей в реальном масштабе времени, информация, приходящая извне, либо воспринимается и обрабатывается на ЭВМ непосредственно в момент её поступления, если ЭВМ не загружена работой или приоритет запроса самый высокий, либо фиксируется и поступает в обработку в зависимости от приоритета запрашиваемого абонента. В системе обработки информации в реальном масштабе времени для каждой такой задачи устанавливается реально необходимый промежуток времени, в течение которого соответствующий запрос должен быть обязательно выполнен. В зависимости от уровня запрашиваемого абонента в структуре технических средств и важности самого запроса при одинаковом уровне двух или большого числа абонентов устанавливаются приоритеты запросы абонентов. Указанной системой приоритетов определяется дисциплина очереди при решении любых задач управления.

Рис.3.9.Обощённая схема АСУ ТП

 

Реализация целей в конкретных АСУ ТП достигается выполнением в них определённой последовательности операций и вычислительных процедур, и в значительной степени типовых по своему составу и потому объединяемых в комплекс типовых функций АСУ ТП (рис.3.9).

Функции АСУ ТП подразделяют на управляющие, информационные и вспомогательные управляющие. Это функции, результатом которых является выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ. К управляющим функциям АСУ ТП относят регулирование (стабилизацию) отдельных технологических переменных, логическое управление операциями или аппаратами, программное логическое управление группой оборудования, оптимальное управление установившимися или переходными режимами или отдельными стадиями процесса, адаптивное управление объектом в целом, например управление участком печных агрегатов, оперативная коррекция суточных и сменных плановых заданий и др.

Информационные функции АСУ ТП – это функции системы, содержанием которых является сбор, обработка и представление информации для последующей обработки. К информационным функциям АСУ ТП относят централизованный контроль и измерение технологических параметров, косвенное измерение, вычисление параметров процесса (технико-экономических, внутренних

Переменных). Формирование и выдача текущих и обобщающих технологических и экономических показателей оперативному персоналу АСУ ТП, подготовка и передача информации в смежные системы управления, обобщённая оценка и проверка состояния ТОУ и его оборудования.

Вспомогательные функции состоят в обеспечении контроля за состоянием функционирования технических и программных средств системы.

АСУ ТП как компонент общей системы управления промышленным предприятием предназначена для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией. АСУ ТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют низовой уровень АСУ П.

 

Взаимосвязь технологии и систем управления

 

Каждый этап развития технических средств машиностроительного производства характеризуется определённым уровнем развития технологии. В свою очередь, каждый уровень развития технологии определяет соответствующий уровень автоматизации технологических и производственных процессов, реализуемых системой управления.

Соответствие уровней автоматизации технологических и производственных процессов и системы управления характеризуется критериями: технологическими (например загрузка оборудования), технико-экономическими (например, производительность, трудоёмкость, себестоимость), управленческими и др.

На основе логического анализа содержимого строк и столбцов в табл.3.1 оценим качественную взаимосвязь этапов развития технологии и систем управления технологическими и производственными процессами.

Все исторически возникшие функции человека в трудовом производстве можно разделить на два больших класса.

1. Класс механических (преимущественно исполнительских) функций: непосредственная обработка заготовки, непосредственная обработка заготовки, управление орудием труда, машинные функции (подача предметов, транспор-

Таблица 3.1. Этапы развития технологии и систем управления

тирование, включение и выключение механизмов и др.).

2. Класс умственных (в том числе управленческих) функций: постановка цели, технологических контроль, наблюдение, программирование, вычислительно-логические функции, поисковые функции технологического процесса (поиска неисправности, поиска наилучшего выполнения задачи), инженерно-конструктивные функции, организаторская деятельность и др.

В результате анализа с учётом вышеупомянутых критериев (технологических, управленческих и экономических) получены возможные сочетания технологических процессов и систем управления, которые можно разделить на три области. Средняя область характеризует тенденцию значительного взаимного соответствия уровней развития технологии и систем управления технологическими процессами. В двух других областях это соответствие практически отсутствует. Для характерны определённые ограничения, накладываемы на систему управления технологией и экономической целесообразностью и, наоборот, накладываемые системой управления на технологический метод.

Очевидно, при определённых наиболее целесообразного технологического метода решающими факторами для его рентабельности является не только применяемая технология, но и так же то, чтобы с использованием оптимальных условий работы были полностью исчерпаны и возможности данного технологического метода. Например, адаптивные системы обеспечивают возможность такой оптимизации ведения режима.

На основе проведённого анализа взаимосвязи этапов развития технологии и систем управления можно выявить качественные изменения в содержании выполняемых функций технологического процесса и вызываемые ими изменения в структуре оперативного управления этим процессом. Для этого сформулируем перечень основных функций, имеющих место при протекании производственного процесса тепловой обработки (табл.3.2), объединив их с видами используемых технических средств, характеризующих способы выполнения этих функций. Функции разделим на три взаимосвязанным между собой группы: обеспечение ресурсами, выполнение процесса обработки, выполнение процесса обслуживания.

Взаимосвязи между функциями производственного процесса можно выразить в виде моделей САУ, состоящих из управляемой и управляющей подсистем, соединённых между собой каналами передачи информации и образующих вместе единое целое. При этом на время отвлекаемся от воздействия «внешней среды», которая существенной влияет на выполняемые функции.

При выполнении технологической операции с применением простых не механизированных операций можно выделить восемь функций материального процесса и три управленческие функции, связанные в основном контролем. Контролируется как выполнение процесса обработки, так и его обслуживание и обеспечение материалами, заготовками.

Если на рабочем месте все эти функции выполняет один рабочий, то их взаимное согласование осуществляется без вмешательства извне. При разделении функций на функции непосредственного выполнения операций и функции