1 Анализ технологического процесса и постановка задач проектирования

Рекомендуемый перечень вопросов, рассматриваемых в первом разделе, приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Содержание первого раздела
Система управления оборудованием технологического уровня	1.1 Анализ существующего технологического процесса и его недостатков 1.2 Анализ современных подходов и технологических решений 1.3 Анализ требований к новой системе управления и разработка задач проектирования
Автоматизированная исполнительная система производства (информационная система)	1.1 Анализ предметной области (существующего процесса организации и управления производством) 1.2 Анализ современных подходов к созданию информационных систем 1.3 Анализ требований к новой информационной системе и разработка задач проектирования

Приступая к проектированию автоматизированной системы, необходимо поставить цели проектирования.

Цели проектирования обычно находятся в плоскости экономических показателей, которые, в свою очередь, определяются одной из двух составляющих экономической эффективности – прямым эффектом или косвенным эффектом.

Для систем автоматического управления оборудованием показателями эффективности являются, главным образом, трудовые и стоимостные затраты, относящиеся к прямому эффекту. На величину этих затрат влияют следующие производственные показатели:

1. Точность контроля, учета и поддержания технологических параметров продукции. Автоматизированные системы управления позволяют уменьшить трудовые и стоимостные затраты, увеличив при этом прибыль. Так, например, если на прокатном стане поддерживать толщину полосы в пределах нижнего поля допуска, то можно существенно снизить расход металла на погонный метр полосы. Экономически выгодно повышение точности систем измерения и учета потребления энергетических ресурсов, так как это способствует уменьшению упущенной выгоды. Задачи повышения точности должны решаться путем тщательного анализа всех погрешностей и последующей разработки комплексных мероприятий.

2. Расход энергетических ресурсов (электроэнергия, газ, вода и т.д.), сырья и материалов на технологические нужды. Автоматизированные системы управления позволяют применить наиболее эффективные алгоритмы управления, оптимизирующие потребление энергетических ресурсов, а также расход сырья и материалов.

3. Производительность процесса. Производительность – это показатель, который определяется как величина, обратная сумме потерь времени на осуществление рабочих движений и выполнение вспомогательных операций. Поэтому для повышения производительности необходимо провести тщательный анализ потерь времени и исключить или уменьшить причины этих потерь.

4. Коэффициент технического использования. Коэффициент технического использования отражает долю времени нахождения оборудования в работоспособном состоянии относительно некоторого времени эксплуатации, например, одного года. Он характеризует простои оборудования, связанные с его обслуживанием и ремонтом. Системы автоматического управления позволяют повысить надежность работы оборудования и сократить потери времени на восстановление работоспособности, что способствует увеличению действительного фонда времени работы оборудования, а также уменьшению материальных расходов, связанных с обслуживанием и ремонтом. Эффективными средствами повышения надежности являются:

• выбор элементов с наименьшей вероятностью отказа;

• проектирование средств защиты от аварий;

• разработка развитой системы диагностики.

Для автоматизированной исполнительной системы производства (MES-системы) экономическая эффективность определяется косвенным эффектом, интегральным показателем которого является рентабельность. Рентабельность отражает степень эффективности использования материальных, трудовых и денежных ресурсов производства. MES системы улучшают финансовые показатели предприятия путем повышения отдачи основных фондов, уменьшения процента брака продукции, ускорения оборота денежных средств, обеспечения своевременности поставок, расширения сети клиентов.

Предпроектный анализ

Проектирование системы автоматизации должно базироваться на результатах системного анализа технологического процесса или предметной области программного приложения. При выполнении этой работы нужно определить цель, объект, предмет и содержание анализа.

Целью анализа технологического процесса (предметной области) является определение требований к автоматизированной системе управления, а также нахождение способов достижения желаемого результата при минимальных затратах.

Предметом анализа должен быть объект автоматизации (технологический процесс, предметная область выполняемых работ) и средства автоматизации (аппаратура управления, программы, каналы передачи и т.п.).

Содержание анализа – это перечень вопросов или задач, которые должны быть разрешены. При анализе технологического процесса нужно установить недостатки существующих средств управления, а также определить возможные способы их устранения с учетом современных достижений научно-технического прогресса. При выполнении анализа предметной области необходимо определить недостатки в организации выполняемых работ, процессы, не охваченные оперативным контролем, а также создать спецификацию функций информационной системы.

Особенно внимательно следует изучить требования к технологическому процессу и особенности управления процессом.

Требования к технологическому процессу можно найти в технической документации – технических условиях, отраслевых нормативных документах и стандартах, в описаниях технологических процессов, чертежах, руководящих материалах и т.п. Для учета особенностей управления следует выяснить мнения специалистов.

При разработке способов устранения выявленных недостатков нельзя полагаться только на собственные знания. Следует учесть, что в инвестиционном проекте наибольшее внимание уделяется его жизненному циклу – инвесторы всегда требуют надежной защиты своих инвестиций на продолжительное время (принцип «вложиться и не думать о модернизации десять - пятнадцать лет»). Поэтому разработчик проекта должен применять в проекте перспективные решения в организации аппаратных и программных средств системы управления.

Именно эта обязанность ставит перед любым проектировщиком задачу анализа научной литературы и интернет-источников.

Итогом выполнения первого раздела являются:

1. Спецификация требований к проектируемой системе (как должна быть устроена система и какие функции она должна выполнять?);

2. Перечень задач проектирования (что нужно сделать для обеспечения требований к новой системе управления?)

Формулируя задачи проектирования, разработчик проекта, по сути, должен логически связать выводы анализа технологического процесса с содержанием последующих разделов пояснительной записки.

Задачи проектирования рекомендуется формулировать так, как показано в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Задачи проектирования в зависимости от темы
Система управления оборудованием технологического уровня	1 Расчет основных параметров системы управления и оборудования 2 Разработка структурной схемы системы управления 3 Конфигурирование системы управления 4 Моделирование процесса управления исполнительным устройством 5 Разработка принципиальных схем 6 Разработка структуры программного обеспечения и программного кода (для одной из задач управления)
Автоматизированная исполнительная система управления производством (с проектированием базы данных и локальной сети)	1 Разработка инфологической модели предметной области 2 Разработка диаграмм вариантов использования системы 3 Разработка логической и физической модели базы данных 4 Разработка топологической карты развертывания локальной сети 5 Моделирование работоспособности сети 6 Разработка экранных форм
Автоматизированная исполнительная система управления производством (с проектированием программного приложения)	1 Разработка инфологической модели предметной области 2 Разработка диаграмм вариантов использования системы 3 Разработка модели поведения 4 Разработка статической модели программного приложения (UML) 5 Разработка диаграмм компонентов и развертывания приложения 6 Генерация программного кода

При разработке проекта следует обеспечить логическую связность решения задач проектирования. Рекомендуется следующий порядок выполнения проектов (в зависимости от темы).

При проектировании системы управления оборудованием необходимо сначала рассчитать время рабочего цикла, а также параметры периферийных устройств, обеспечивающие требуемую точность и динамику процесса управления.

После этих расчетов можно приступить к выбору аппаратуры управления, измерительных преобразователей и исполнительных средств, а также к разработке структурной схемы. Для подтверждения правильности компоновочных решений необходимо выполнить конфигурирование системы. Конфигурирование позволяет получить также адресацию по всем сигнальным модулям. Проверка правильности конфигурации производится командой Consistency Check.

Качество управления оценивается путем моделирования всего канала управления – регуляторы, преобразователь энергии, двигатель, а также каналы обратной связи. Параметрами оценки является устойчивость процесса, быстродействие и точность системы управления.

Если результат моделирования положительный, выполняется разработка схем соединений средств управления с исполнительными устройствами и схем подключений каналов ввода-вывода (по одной схеме канала ввода и канала вывода).

В завершение производится разработка структуры программы пользователя и создание программного кода для одной из задач управления.

Если предметом проектирования является база данных для обслуживания клиентов локальной сети (СУБД уже имеется), то сначала необходимо построить концептуальную (инфологическую) модель, которая дает описание предметной области и не зависит от структуры базы данных.

Далее необходимо определить пользователей, а также прототипы входных и выходных форм. После этого с помощью CASE-технологий следует создать модели вариантов использования системы, то есть выяснить спецификацию функций системы.

После идентификации сущностей в инфологической модели можно перейти к построению структуры базы данных и созданию даталогических (логической и физической) моделей, которые «понимает» система управления базой данных (СУБД). Для обеспечения функционирования базы данных необходимо разработать интерфейсы пользователей, а также создать соответствующие сценарии (командные файлы).

В проекте также необходимо решить задачу развертывания системы. Обычно информационные системы строятся на основе клиент-серверной архитектуры. В этой архитектуре различают следующие компоненты:

• серверная часть для хранения и обработки информации;

• клиентская часть, как рабочий инструмент пользователя;

• сеть, которая обеспечивает взаимодействие между клиентом и сервером в соответствии с заданными спецификациями.

Все компоненты должны удовлетворять требованиям существующего на предприятии профиля стандартизованных спецификаций, составленного разработчиками сети. В классификацию базовых архитектурных спецификаций входят:

• функции управления базами данных;

• функции пользовательского интерфейса и графики;

• структуры и форматы данных (ISO/IEC 8613-1);

• спецификация административного управления:

• спецификация управления безопасностью и др.

Работоспособность спроектированной сети должна быть проверена путем моделирования, например, программой NetCracker Professional.

Завершающим этапом проектирования является разработка экранных форм, необходимых для создания документов.

Если предметом проектирования является программное приложение, используемое для решения производственных задач, то в качестве парадигмы программирования следует принять объектно-ориентированное программирование, основными концепциями которого являются объекты и классы. Класс представляет собой модель некоторой сущности, которая в адресном пространстве системы становится объектом.

На первом этапе необходимо построить концептуальную модель предметной области. В основу этой модели должны быть положены классы, составляющие, по сути, словарь предметной области. Каждый класс реализует определенное поведение и задача заключается в том, чтобы обеспечить желаемое поведение, которое на начальном этапе не совсем понятно. Поэтому после построения модели предметной области необходимо создать ряд моделей, которые позволяют получить сначала спецификации функций системы, удовлетворяющие пользователей, а затем описать поведение системы.

Для моделирования взаимодействия объектов (динамического аспекта системы) создаются диаграммы последовательностей.

Уточнение поведения объектов в диаграммах последовательностей позволяет перейти к моделированию статической структуры приложения – к диаграмме классов. Диаграмма классов должна содержать все необходимые для работы приложения сведения – имена переменных, типы данных, операции и методы, типы взаимодействий объектов.

Моделирование программы осуществляется с использованием универсального языка моделирования UML и CASE-инструментов – программных комплексов Rational Rose или Visual Paradigm. CASE-инструменты используются для быстрого получения работающего прототипа приложения и программной документации.

CASE-средства позволяют произвести генерацию скелета программного кода из компонентных моделей. При этом, если код будет неполным, его можно дописать обычным путем, а затем снова регенерировать в модель.

В соответствии с требованиями стандартов OPC (OLE Process Control – открытые системы процессов управления) программное приложение должно функционировать в информационном пространстве, то есть оно должно быть интегрировано в систему информационного обеспечения предприятия (окружающую среду). Поэтому на завершающем этапе нужно построить диаграмму развертывания программной системы, которая представляет собой модель взаимодействия приложения с внешней средой.