УДК 681.518.001

Т 789

Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом

Пермского государственного технического университега

Рецензенты

зав. кафедрой информационных технологий и автоматизированных систем Пермского государственного технического университета,

доктор экономических наук, профессор

Р.А. Файзрахманов

генеральный директор научно-исследовательского института управляющих машин и систем, доктор экономических наук, профессор

Н.И. Артемов

Трусов А.В., Петроченков А.Б.

Т 789 Проектирование систем управления технологическими процессами и производствами. Учебное пособие. -Пермь: Пермский ЦНТИ, 2006. - 312 с.: ил.

ISBN 5-93978-048-2

Содержит основные сведения по общесистемным вопросам проектирования систем управления технологическими процессами и производствами. Затронуты вопросы организационного, технического и программного обеспечения всех стадий и этапов проектирования систем управления. Особое внимание уделено вопросам постановки задач, структурному анализу и структурному проекти­ рованию систем управления.

Для студентов специальностей 210200 (220301) “Автоматизация технологи­ ческих процессов и производств”, 211000 (220305) “Автоматизированное управ­ ление жизненным циклом продукции”, 180400 (140604) “Электропривод и автома­ тика промышленных установок итехнологических комплексов” и специалистов,

занимающихся автоматизацией производственных и технологических процессов.

УДК 681.518.001

ISBN 5-93978-048-2

© А.В. Трусов, 2006 © А.Б. Петроченков, 2006

© Пермский государственный технический университет, 2006

1.Проектирование систем управления. Понятия и струк­

1.1.Введение в проектирование систем управления. Ос­ новные понятия проектирования систем управления

3.Разработка технического задания на проектирование

4.2.Формирование первоначальных планов проектирова­ ния автоматизированных систем. Обследование суще­

5.Принципы и особенности проектирования комплекса

6.Проектирование программного обеспечения систем

7.Проектирование автоматизированных систем управ­

8.Проектирование автоматизированных систем управле­

Предисловие

Настоящие учебное пособие является результатом переработки курса лекций, читаемых студентам специальности “Автоматизация технологи­ ческих процессов и производств” Пермского государственного техничес­ кого университета.

Серьезное влияние на содержание и общую структуру учебного пособия оказали требования государственных стандартов Российской Федерации на проектирование автоматизированных систем, что в насто­ ящий момент является весьма актуальным, так как бурное развитие вычислительной техники и ее доступность привели к утрате культуры проектирования.

Воснове учебного пособия лежат сведения по методологии, методам

исредствам проектирования, совершенствования и эксплуатации автоматизированных систем управления технологическими процессами

ипроизводством. Приведены практические приемы, методы и средства проектирования систем управления на основе использования современных информационных технологий (ИТ).

Проектирование систем управления и технологических процессов и производств базируется на знании математических и общих естест­ веннонаучных дисциплин: введение в информатику, ЭВМ и программное обеспечение, технические средства информатизации, информационные системы, теории автоматического управления и целый ряд других.

Для лучшего освоения и понимания всех этапов проектирования приводится большое количество алгоритмов, структурных схем и таблиц.

Воснове проектирования лежат структурные методы построения автоматизированных систем управления на всех уровнях, начиная с систем управления технологическими процессами и завершая социальноэкономическим уровнем управления производством в целом.

Все это позволяет надеяться на то, что данное учебное пособие будет полезно студентам для изучения основ проектирования систем управ­ ления, приобретения системных знаний в оценке и исследовании предметной области.

Для желающих углубить свои знания в конце учебного пособия при­ веден список дополнительной литературы.

Введение

Переход экономики к рыночным отношениям и усиление конку­ ренции на рынке поставили перед предприятиями принципиально новые, несвойственные прежним плановым методам ведения хозяй­ ства, задачи. Главными из них стали повышение эффективности производства и, как следствие, дальнейшее усиление позиций пред­ приятия в своем секторе рынка.

Для любого предприятия или организации возможность достиже­ ния этих целей в первую очередь определяется эффективностью существующей системы управления производством. Скоордини­ рованное взаимодействие между всеми подразделениями, оператив­ ная обработка и анализ получаемых данных, долговременное плани­ рование и прогнозирование состояния рынка - вот далеко не полный перечень задач, которые позволяют решить задачу разработки и вне­ дрения современной автоматизированной системы.

Построение систем управления технологическими процессами и производствами во многом зависит от эффективности использова­ ния методов и средств информатики, материализующихся в виде авто­ матизированных систем управления (АСУ). Необходимо хорошо ори­ ентироваться в современных информационных технологиях, пред­ назначенных для применения в разных областях человеческой дея­ тельности. Это предопределяет актуальность и важность проектиро­ вания, эксплуатации и модернизации автоматизированных систем управления производством (АСУП) и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП).

Умения и навыки системного подхода к проектированию систем управления (СУ), методики реализации с учетом специфики системы, выбор различных инструментальных средств и работа с ними, раз­ работка комплекта проектной документации, методики оценки качества функционирования разработанной системы управления как семантической системы приобретают на современном этапе все бо­ лее актуальное значение.

Основной целью проектирования систем управления техноло­ гическими процессами и производствами является организация взаимодействия источника информации и потребителя информации на основе использования современных информационных технологий

и комплекса знаний по теоретическим и прикладным основам проек тирования и использования автоматизированных систем, вклю чающих:

1)основные понятия проектирования СУ;

2)основные концепции и обзоры методов разработки:

-стратегия разработки;

-методы разработки;

-применение структурных методов.

3)анализ реализуемости разработки СУ;

4)проведение структурного анализа:

-данных и процессов;

-ключевых факторов эффективности СУ;

5)структурное проектирование СУ:

-анализ структуры данных;

-спецификация логики обработки данных

6)проектирование комплекса технических средств СУ;

7)проектирование программного обеспечения СУ;

8)проектирование АСУ ТП;

9)проектирование АСУП;

10)автоматизацию процесса проектирования СУ:

-СЛЯЯ-технологии;

-5С4£М-технологий;

-С415-технологий;

11)тестовые комплексные испытания СУ.

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. ПОНЯТИЯ И СТРУКТУРА ПРОЕКТА

1.1. Введение в проектирование систем управления. Основные понятия проектирования систем управления технологическими процессами и производствами

1. Управление - это функция организованных систем (биологи­ ческих, технических, социальных), обеспечивающая сохранение их структуры, поддержание режима деятельности, реализацию ее программы и цели.

При проектировании систем управления следует помнить, что в производственных процессах важную роль играют как социальные, так и технические стороны.

Социальное управление - это целенаправленное воздействие на общество (коллектив) для упорядочения, сохранения, совершенство­ вания и развития его определенной качественной специфики. Оно обусловлено системной природой общества, общественным харак­ тером труда, необходимостью общения людей в их жизне­ деятельности.

Управление технологическими процессами предусматривает активное познание закономерностей их развития и разработку соответствующей целенаправленной программы деятельности.

Управление как система предполагает наличие подсистем:

-организации отношений ее элементов;

-режима ее функционирования в виде совокупности опреде­ ленных механизмов, действующих под определенным контролем сообразно определенным нормам;

-развития по известной программе в направлении к какой-то

цели.

Косновным этапам процесса управления относятся:

-сбор и обработка информации;

-анализ информации, диагноз и прогноз, систематизация и установление на этой основе цели (целеполагание);

-выработка решения, направленного на достижение цели;

-последовательная конкретизация общего решения в виде планирования, выработки конкретных управленческих решений;

-организация деятельности для выполнения решения;

Источниками информации являются:

-люди (сотрудники, клиенты и т.д.);

-документы самого различного характера;

-публикации (доклады, статьи, интервью, проспекты и т.д.);

-технические носители информации и документов;

-технические средства передачи и обработки информации;

-выпускаемая продукция;

-производственные и промышленные отходы.

4.Информатизация - это процесс обеспечения информацион­ ных потребностей общества на основе применения новейших инфор­ мационных технологий.

5.Информационные системы - это организационно упорядо­ ченная совокупность людей, информационных ресурсов, технических средств и технологий обработки информации, имеющая своей целью сбор, обработку, накопление, хранениегактуализацию, поиск и выдачу информации.

Под информационной системой понимается организационно­ упорядоченная совокупность информационных ресурсов, техни­ ческих средств, технологий, реализующих информационные процес­ сы в традиционном или автоматизированном режиме для удовлет­ ворения информационных потребностей пользователей.

6.Автоматизация - это применение машин, машинной техники

итехнологии с целью облегчения человеческого труда, вытеснения его ручных форм, повышения его производительности. Автоматиз­ ация производства устраняет физически тяжелый, монотонный труд. Автоматизация управления направлена на использование компь­ ютеров и других технических средств обработки и передачи инфор­ мации в управлении производством, экономикой.

7.Автоматизированные системы управления (АСУ) - это ки­ бернетические системы, в которых умственная деятельность людей сочетается с переработкой информации, расчетами, логическими опе­ рациями, проводимыми с использованием вычислительной техники

исовременных средств хранения, передачи и обработки информации. АСУ применяются в управлении производством, транспортом, строи­ тельством и многими другими экономическими объектами и процес­ сами.

-возможность проведения сертификации;

-правильную эксплуатацию проектируемого изделия;

-возможность создания единой информационной базы данных (системы автоматизированного проектирования, автоматизированные системы управления предприятием и др.);

-оперативную подготовку конструкторской документации при переналадке производства.

Проектирование включает в себя три основные стадии:

1)техническое предложение;

2)эскизный проект;

3)технический проект.

Техническое предложение

Стадии технического предложения регламентируются ГОСТ 2.118-73.

В общем случае при разработке технического предложения проводятся следующие работы:

1. Выявление (установление) особенностей вариантов воз­ можных решений, в т.ч.:

-выявление принципов действия;

-размещение функциональностей в каждом варианте возмож­ ных решений технического предложения;

-выявление конструктивной проработки.

Глубина проработки должна быть достаточной для сравни­ тельной оценки вариантов.

2.Проверка вариантов на патентную чистоту, в т.ч.:

-определение конкурентоспособности каждого варианта технического предложения;

-оформление заявки на изобретение, промышленный образец

иполезную модель.

3.Проверка соответствия вариантов требованиям техники без­ опасности.

4.Проведение сравнительной оценки рассматриваемых вариан­ тов технического предложения, основываясь на показателях:

-стандартизации (конструктивные особенности и перспективы развития);

-технологичности (трудоемкости);

- качества (надежности, экономичности и эргономичности). 5. Выбор оптимального варианта из рассматриваемых техни­

ческих предложений.

6. Подготовка технического предложения.

Эскизный проект

В общем случае при разработке эскизного проекта (ГОСТ 2.119-73) проводятся следующие основные работы:

1. Выполнение вариантов возможных решений —конструк­ тивная проработка и установление особенностей вариантов возмож­ ных решений. В основе конструктивной проработки лежит опреде­ ление глубины проработки вариантов эскизных проектов. Установ­ ление особенностей вариантов базируется на характеристиках со­ ставных частей вариантов возможных решений.

2.Изготовление и испытание макетов с целью проверки прин­ ципов работы изделия и (или) его составных частей.

3.Разработка и обоснование технических решений, направ­ ленных на обеспечение показателей надежности, установленных техническим заданием и техническим предложением.

4.Оценка изделия на технологичность и правильность выбора средств и методов контроля (испытаний, анализа, измерений), на эргономичность, стандартизацию, унификацию и технологичность.

5.Проверка изделия на соответствие технологической безопас­ ности, конкурентоспособности и патентной чистоте.

6.Выбор и обоснование оптимального решения, определение технико-экономических показателей.

7.Составление перечня работ для последующих этапов проек­ тирования, дополнение и уточнение технического задания.

8.Проработка вопросов по технологии разработки.

Технический проект

Стадии технического проекта регламентируются ГОСТ 2.120-73. В общем случае при разработке технического проекта проводятся

следующие работы:

1. Разработка конструктивных решений изделия и его основных составных частей. Выполняются необходимые расчеты, в том числе подтверждающие технико-экономические показатели, установленные техническим заданием. Разрабатываются и обосновываются техни­

ческие решения, обеспечивающие показатели надежности с исполь­ зованием макетов. Разрабатываются чертежи и документация сборочных единиц и деталей.

2.Анализ конструкции изделия на технологичность с учетом отзывов предприятий-изготовителей в части обеспечения технологич­ ности в условиях данного конкретного производства, в том числе и по использованию имеющегося на предприятии оборудования, а также по учету в данном проекте требований нормативно-технической документации, действующей на предприятии-изготовителе. Выяв­ ление необходимого для производства изделий нового оборудования, разработка метрологического обеспечения. Проведение анализа с целью выявления оптимального варианта (вариантов) изделия, обоснования выбора принципиальных решений, подтверждение или уточнение предъявляемых к изделию требований (технических характеристик, показателей качества и др.). Выявление, на основе анализа, принципиальных решений для разработки новых материалов другими предприятиями, составление технических требований к этим материалам.

3.Проверка технического проекта изделия на патентную чисто­ ту и конкурентоспособность, оформление заявок на изобретение. Соответствие вариантов требованиям техники безопасности и про­ изводственной санитарии.

4.Оценка технического проекта с точки зрения технического уровня и качества разрабатываемого изделия. Оценка возможности транспортировки, хранения и монтажа изделия на месте его приме­ нения. Оценка изделия на соответствие требованиям экономики и технической эстетики. Проведение оценки эксплуатационных данных изделия (взаимозаменяемости, удобства обслуживания, ремонто­ пригодности, устойчивости против воздействия внешней среды, возможности быстрого устранения отказов, контроля качества работы изделия, обеспеченности средствами контроля технического со­ стояния).

Грамотное использование единой системы конструкторской документации, владение нормами и правилами по разработке, оформлению и обращению конструкторской документации на всех стадиях жизненного цикла разрабатываемого изделия позволит разработчику автоматизированных систем управления унифицировать документацию на разрабатываемую систему.

- эксплуатационные документы - содержат сведения для обеспечения функционирования и эксплуатации программы.

Важным шагом при разработке программной документации в процессе проектировании автоматизированных систем управления является подготовка эксплуатационных документов, которые вклю­ чают в себя:

-ведомость эксплуатационных документов - включает перечень эксплуатационных документов на программу;

-формуляр - содержит основные характеристики программы, комплектность и сведения об эксплуатации программы;

-описание применения - содержит сведения о назначении программы, области применения, применяемых методах, классе решаемых задач, ограничениях для применения, минимальной конфигурации технических средств;

-руководство системного программиста - содержит сведения для проверки, обеспечения функционирования и настройки программ на условия конкретного применения;

-руководство программиста - включает сведения для эксплу­ атации программы;

-руководство оператора (пользователя) - содержит сведения для обеспечения процедуры общения оператора с вычислительной системой в процессе выполнения программы;

-описание языка - содержит описание синтаксиса и семантики

языка;

-руководство по техническому обслуживанию - включает сведения для применения тестовых и диагностических программ при обслуживании технических средств.

Допускается объединять отдельные виды эксплуатационных документов (за исключением ведомости эксплуатационных докумен­ тов и формуляра). В объединенных документах должны быть приве­ дены сведения, которые предусмотрены каждым конкретным экс­ плуатационным документом.

ГОСТ 19.102-?7 устанавливает стадии разработки программ и программной документации для вычислительных машин, комплексов

исистем независимо от их назначения и области применения.

Стадии разработки при проектировании программного обес­ печения систем управления включают в себя:

-техническое задание;

-эскизный проект;

-технический проект;

-рабочий проект;

-внедрение.

Техническое задание

Техническое задание является первой стадией разработки про­ граммного обеспечения систем управления и включает в себя следу­ ющие основные этапы:

1)обоснование необходимости разработки программы:

-постановка задачи;

-сбор исходных материалов;

-выбор и обоснование критериев эффективности и качества разрабатываемой программы;

-обоснование необходимости проведения научно-иссле­ довательских работ;

2) научно-исследовательские работы:

-определение структуры входных и выходных данных;

-предварительный выбор методов решения задачи;

-обоснование целесообразности применения ранее разра­ ботанных программ;

-определение требований к техническим средствам;

-обоснование принципиальной возможности решения постав­ ленной задачи;

3) разработка и утверждение технического задания:

-определение требований к программе;

-разработка технико-экономического обоснования разработки программы;

-определение стадий, этапов и сроков разработки программы

идокументации на нее;

-выбор языков программирования;

-определение необходимости проведения научно-иссле­ довательских работ на последующих стадиях;

-согласование и утверждение технического задания.

Эскизный проект

Эскизный проект является второй стадией разработки програм­ много обеспечения проектирования систем управления, включающей

всебя следующие основные этапы:

1)разработка эскизного проекта:

-предварительная разработка структуры входных и выходных данных;

-уточнение методов решения задачи;

-разработка общего описания алгоритма решения задачи;

-разработка технико-экономического обоснования;

2) утверждение эскизного проекта:

-разработка пояснительной записки;

-согласование и утверждение эскизного проекта.

Технический проект

Технический проект является третьей стадией разработки программного обеспечения систем управления промышленными объектами и включает в себя следующие основные этапы:

1)разработка технического проекта:

-уточнение структуры входных и выходных данных;

-разработка алгоритма решения задачи;

-определение формы представления входных и выходных данных;

-определение семантики и синтаксиса языка;

-разработка структуры программы;

-окончательное определение конфигурации технических средств;

2) утверждение технического проекта:

-составление плана мероприятий по разработке и внедрению программ;

-разработка пояснительной записки;

-согласование и утверждение технического проекта.

Рабочий проект

Рабочий проект - это четвертая стадия разработки программного обеспечения систем управления, включающая в себя следующие основные этапы:

1)разработка программы (программирование и отладка про­ граммы);

2)разработка программной документации (разработка програм­ мных документов в соответствие с требованиями ГОСТ 19.101-77);

3)испытание программы (разработка, согласование и утвер­ ждение программы и методики испытаний; проведение предва­ рительных государственных, межведомственных, приемо-сдаточных

идругих видов испытаний; корректировка программы и программной документации по результатам испытаний).

Внедрение

Внедрение является заключительной, пятой стадией разработки программного обеспечения и включает в себя подготовку и передачу программы, а именно:

-подготовку и передачу программы и программной докумен­ тации для сопровождения или изготовления;

-оформление и утверждение акта о передаче программы на сопровождение или изготовление;

-передачу программы в фонд алгоритмов и программ. Государственный стандарт допускает исключение второй стадии

разработки, а в технически обоснованных случаях - второй и третьей стадий. Допускается также объединять, исключать этапы работ и их содержание или вводить другие этапы работ по согласованию с заказчиком.