5.5. Системный подход

Системный подход служит методом комплексного изучения сложных систем и процессов с точки зрения того, как устроены системы, в каких отношениях и связях находятся эле- менты системы, какова функция элементов и системы в целом, каков характер взаимодействия системы с другими системами н 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 взаимо- связанных 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 Т = F (H, S, R, L), где Я — служебное назначение (набор вы- полняемых системой функций); S — структура системы; R — связи системы; L — совокупность функциональных и структур- ных свойств системы. Приведенные характеристики относятся к числу системных и определяют наиболее существенные черты строения и функцио- нирования сложных систем. Например, ГПС характеризуется как относительно обособленная часть интегрированного про- изводственного комплекса, связанная с другими ее системами. На ней осуществляется процесс изготовления деталей определен- ной номенклатуры на станках с ЧПУ, объединенных в единую систему посредством транспортной системы с управлением от ЭВМ. Это подчеркивает целостность ГПС и ее функций. По своей структуре ГПС представляет совокупность взаимо- связанного технологического и вспомогательного оборудования. Структура характеризует качественную определенность сложной системы. Относительная выделенность элементов сложной системы и их взаимосвязь — это две противоположности. Целостность —

919

вторая сторона структуры. Так как системный подход подразу- мевает наличие связей между элементами сложной системы, а также между сложной системой и внешними системами, то це- лостность ГПС характеризует большую силу и существенность внутренних связей по сравнению со связями с'внешними систе- мами. Это обстоятельство создает качественную определенность и причастность ГПС к сложным системам. При наличии функциональной целостности и относительной самостоятельности ГПС ее взаимодействие с другими системами предусматривает наличие связей, которые оказывают на нее влияние. В то же время другие системы зависят от характера функционирования ГПС. Для ГПС характерны материальные, энергетические, временные, информационные, структурные и другие связи, которые объединяют ГПС с другими системами. ГПС представляет собой объект управления, на входы которого тоступают заготовки и инструмент, приспособления, управляю- щая информация и др. Одна часть управляющей информации включает плановые задания, время запуска в обработку, другая — технологическую информацию, содержащую управляющие про- граммы, алгоритмы управления технологическим и вспомогатель- ным оборудованием, информацию от станков на их обслуживание и др. Оптимизируя работу одной подсистемы ГПС, АСУ должна учитывать связи, имеющиеся между различными подсистемами системы, между разными уровнями иерархии. Нельзя выделить из системы одну подсистему и рассматривать ее, не учитывая остальные. Разумное управление сложной иерархической системой состоит в том, чтобы каждая вышестоящая подсистема давала задание нижележащей не жестко регламентированно, а в «общих чертах», предоставляя 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. Систем- ный подход к процессу управления — это прежде всего образ мышления. АСУ рассматривается как целостный комплекс взаимо- связанных и взаимозависимых частей, взаимодействующих между собой и с окружающей средой. Одной из характерных черт системного подхода является типовость АСУ, которая предусматривает разработку серии типо- вых АСУ. Под типовостью понимают модульную структуру опре- деленного типового множества систем, т. е. имеется в виду, что все обеспечивающие системы (информационная, математическая, техническая) имеют модульную структуру и в конкретных АСУ

213

эти системы представляют собой набор типовых модулей, соста- вляющих часть большой модульной системы. Для технической базы АСУ модульная концепция типовости может быть обеспечена строгим соблюдением модульной (блочной) структуры ЭВМ,' терминалов, каналов связи и т. д. Такая струк- тура позволяет осуществлять любой набор технических средств из типовых модулей. Модулями ЭВМ являются процессор, раз- личные блоки внешней памяти, оперативная память, устройства ввода-вывода информации.

5.8. ТИПЫ АСУ

Управление производством можно разделить на две области: управление организационно-экономическими процес- сами и управление технологическими процессами. Эти области различаются характером объектов управления: если в первой области объектом управления являются коллективы людей, заня- тых в сфере материального производства и обслуживания, то во второй — технологические процессы. Соответственно разли- чают два основных типа АСУ: автоматизированные системы орга- низационно-экономического или административного управления (АСУП); автоматизированные системы управления технологиче- скими процессами (АСУ ТП). Области использования ЭВМ существенно влияют на режимы работы ЭВМ в системе управления, что обусловлено не только различием в классах решаемых задач, но и различием динамиче^ ских характеристик систем в каждой из областей. Как правило, в АСУП процессы управления весьма инертны. Задержка выдачи управляющих воздействий, обусловленная за- тратами времени на обработку информации в управляющем устройстве (ЭВМ), мало или совсем не влияет на качество работы. Инерционность АСУП позволяет использовать документную форму представления входной информации и дискретный ее ввод в ма- шину. В документной форме оформляются и результаты обработки информации, которые затем направляются в соответствующие подразделения и службы. Документный дискретный характер информации, вводимой в машину и получаемой на ее выходе, определяет то, что режимы работы ЭВМ в таких системах прак- тически не отличаются от режимов работы универсальных ЭВМ и структура построения также подобна структуре построения уни- версальных ЭВМ. К АСУП относятся различные отраслевые, территориальные АСУ, АСУ производственными объединениями, предприятиями и др. К АСУ ТП относятся такие системы, которым свойственно управление объектами, быстро меняющими свое состояние (упра- вление процессом резания, управление плавкой металла, управле- ние производственным процессом в ГПС и др.). Для получения

необходимых динамических характеристик дискретный документ- ный ввод и вывод информации в АСУ ТП в большинстве случаев неприемлем. Кроме того, сложность современных технических систем обусловливает невозможность в ограниченный срок охва- тить их во всех деталях (измерять, наблюдать и воздействовать на все переменные одновременно). Эти задачи целесообразно возложить также на ЭВМ, для чего необходимо обеспечить непосредственную физическую связь ее с объектом управления. Связь может быть как двусторонней, так и односторонней. Для осуществления связи с объектом в ЭВМ включают специальные аппаратные средства, обеспечивающие получение, преобразование и передачу информации объекта к ма- шине и обратно. На практике часто приходится иметь дело с системами, где комбинируются функции, характерные как для АСУП, так и для АСУ ТП. В последние годы наметилась тенденция слияния АСУП и АСУ ТП в единые интегрированные системы управле- ния, позволяющие обрабатывать всю имеющуюся на предприятии информацию, т. е. организовать производственный процесс, пол- ностью управляемый вычислительным комплексом.

Автоматизированные системы управления предприятием

АСУП органически включает в себя интегриро- ванные системы обработки данных, главной целью которых является автоматизация информационных процессов на предприя- тии и усовершенствование формы и организации их выполнения. Объектом управления является совокупность процессов, свой- ственных данному предприятию, по преобразованию ресурсов (материалов, полуфабрикатов, инструмента, оснастки, оборудо- вания, энергетических, трудовых и финансовых и др. ресурсов) в готовую продукцию. Сложность управления в АСУП обуслов- лена следующими причинами: большим числом разнородных элементов; высокой степенью их, взаимосвязи в процессе произ- водства; неопределенностью результатов выполнения многих про- цессов (брак, сбои, несвоевременные поставки, нерегулярность спроса и др.); тем, что объектами и субъектами управления на предприятии являются люди, а управление их поведением не столь очевидно и прямолинейно; предприятие постоянно изме- няется, т. е. является нестационарным. Создание и внедрение АСУП привело к тому, что информаци- онным процессам, их организации, проектированию, подготовке и выполнению уделяется такое же внимание, как и производствен- ным. В структуре управления предприятием имеет место специ- альное подразделение — информационно-вычислительный центр (ИВЦ), ответственный за упорядочение, регламентацию и непо- средственное выполнение информационных процессов на пред-

215

К АСУ верхнего {/роЬни

Г

Инфарпацианное обеспечение

Математическое обеспечение

Программное обеспечение

Техническое обеспечение

Организационное обеспечение 1 J

. подготовка

Техника -экономическое планирование

Материально - снабжение

Оперативное управление

бухгалтерский у</ет

J

Рис. 5.7. Структурная схема состава АСУП

приятии (рис. 5.7). В структуре АСУП обычно выделяют функцио- нальные и обеспечивающие подсистемы. Подсистемой называют часть АСУ, выделенную по функциональному или структурному признаку, отвечающему конкретным целям и задачам. Функциональные подсистемы представляют собой комплекс административных, организационных и экономико-математических методов, служащих для решения задач планирования, учета и анализа показателей для принятия управленческих решений. Состав и наименование функциональных подсистем не является обязательным даже для однотипных АСУ, а зависит от конкрет- ного объекта управления. Обеспечивающие подсистемы выполняют все информационные процессы в АСУ и ответственны за их подготовку и организацию. Чаще всего выделяют подсистемы информационного, математиче- ского, программного, технического, организационного обеспе- чений. Информационное обеспечение АСУ регламентирует потоки и подготовку информации, организацию и выполнение, информа- ционных процессов в ИВЦ, т. е. представляет собой совокупность единой системы классификации и кодирования технико-эконо- мической информации, унифицированных систем документации и массивов информации, используемых в системах. Определение состава информационного обеспечения является одной из главных задач проектирования конкретной системы. Информационное обеспечение АСУ составляют входная информация, характери- зующая состояние ОУ, внешней среды, определяющая дальнейшее поведение системы; выходная информация, представляющая собой продукт решения задач и определяющая дальнейшее поведение

ОУ; накапливаемые в процессе работы системы данные, необхо- димые для расширения круга решаемых задач; нормативные и справочные данные, которые составляют информационный базис системы. Подсистема информационного обеспечения должна обеспечи- вать другие подсистемы оптимальным объемом информации в тре- буемые сроки. Поэтому такие понятия информации, как досто- верность, точность, полезность, полнота при разработке информа- ционного обеспечения, являются определяющими. Многократное использование информации при однократном ее вводе является отличительной особенностью АСУ. Это обусловлено необходи- мостью обеспечения одной и той же информацией различных под- систем. Подсистема информационного обеспечения должна обла- дать определенной гибкостью, возможностью быстрой перестройки в соответствии с изменившимися условиями работы системы под влиянием внешних возмущений или в связи с аварийными ситуациями. Так, информационное обеспечение ГПС состоит из пакетов управляющих программ для станка с ЧПУ, для транспортных средств и роботов, для накопительных систем заготовок, деталей, инструмента, оснастки и др., оперативного информационного фонда, содержащего данные о состоянии производственного процесса в ГПС и его технических средств (местонахождении и состоянии деталей, инструмента, спутников, приспособлений в текущий момент времени и др.). Математическое обеспечение АСУ представляет собой совокуп- ность математических методов, моделей, алгоритмов для решения задач управления в соответствующих функциональных подси- стемах и выполнения соответствующих информационных процес- сов в АСУ, обработки данных с применением вычислительной техники. Техническое обеспечение АСУ представляет собой комплекс технических средств, предназначенных для автоматизации вы- полнения основных информационных процессов (сбор, передача, обработка информации, вывод и отображение данных), а также инструкции по их эксплуатации и обеспечению надежного функ- ционирования. Основу технических средств всякой АСУ соста- вляет ЭВМ. Основные требования к вычислительному комплексу — обработка данных с заданной точностью, требуемой частотой, выдача результатов в нужные моменты времени. В АСУ приме- няют как ЭВМ общего назначения, так и специализирован- ные. Организационное обеспечение регламентирует действие каж- дого работника управления, каждого рабочего по отношению к системе информации и всей схеме принятия решений в АСУ.

217

Автоматизированные системы управления технологическими процессами

Управление технологическим процессом предста- вляет собой информационный процесс, обеспечивающий выпол- нение какого-либо материального процесса. В наиболее общем случае АСУ ТП представляет собой зам- кнутую систему (рис. 5.8), обеспечивающую автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления технологическим объектом в соответствии с принятым критерием, и реализацию управляющих воздействий на техноло- гический объект. . Технологический объект управления (ТОУ) — это совокуп- ность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим алгоритмам и регламентам технологического процесса. В зависимости от уровня АСУ ТП технологическим объектом управления могут быть технологические агрегаты и установки, группы станков, отдельные производства (цехи, участ- ки), реализующие самостоятельный технологический процесс; производственный процесс всего предприятия, если управление им сводится к рациональному выбору и согласованию режимов работы агрегатов, участков и производств. Совместно функцио-

11 61 . . .

Г—^m-"

"г • ' • \Um » I

Объект управления

Таймер Коммутатор

1 Устройчтдо прерывания

Процессор

Рис. 5.8. Информационная структура системы управления технологическими процессами: преобразователь / — преобразователь дискретных сигналов в непрерывные: преобразо- ватель 2 ~ преобразователь непрерывных сигналов в дискретные

218

нирующие технологический объект управления и управляющая им АСУ ТП образуют ГПС. Степень достижения поставленных целей в любой системе принято характеризовать с помощью критерия управления. Критерием может быть технико-экономический показатель, на- пример себестоимость-выходного изделия при заданном качестве, производительность технологического объекта управления при заданном качестве выходного изделия, технологические показа- тели, например параметры технологического процесса, характе- ристики выходного изделия и т. п. В управляемом технологическом процессе можно выделить основные потоки информации, характеризуемые следующими груп- пами параметров. 1. Измеряемые параметры х — (xlt *2, ..., хп), к которым относятся измеряемые, но неуправляемые параметры, зависящие от внешних факторов (параметры заготовок, характеристики тех- нологического и вспомогательного оборудования, инструмента, оснастки и др.); выходные параметры, характеризующие качество выпускаемых изделий; выходные параметры, по которым непо- средственно или путем вычислений определяют эффективность производственного процесса (производительность, экономичность и др.) или ограничения, наложенные на условия его прбтекания. 2. Управляемые параметры у = (уъ уг, .... ут), которые могут изменяться соответствующими исполнительными механизмами, уставками регуляторов и т. п. 3. Неизмеряемые и неуправляемые параметры f = (/г, /2, ..., /л) — изменяющиеся со временем характеристики технологиче- ского оборудования, характеристики сырья, износ инструмента, отказ оборудования и др. Наличие подобных случайных фак- торов, воздействующих на объект управления, может значительно влиять на управляемую величину у и придают стохастический характер потокам требований на обслуживание. На вход управляющего -вычислительного комплекса (УВК) от датчиков (термопар, индуктивных датчиков, счетчиков готовой продукции и др.) поступает измерительная информация о теку- щих значениях параметров Jc, характеризующих ход технологи- ческого процесса (состояние и параметры заготовок, качество обработанных деталей, их количество и др.). УВК обрабатывает эту информацию в соответствии с принятым законом управления (алгоритмом управления), определяет управляющие воздействия и = (HI, и3, ..., ит), которые необходимо приложить к испол- нительным механизмам дл,я изменения управляемых параметров у, с тем чтобы управляемый процесс протекал оптимальным обра- зом. Многие измерительные датчики вырабатывают свои сигналы в виде напряжения, силы тока, сопротивления, угла поворота и т. п., т. е. в форме непрерывного (аналогового) сигнала. Подводи- мые к исполнительным механизмам управляющие воздействия и 219

должны вырабатываться в форме напряжений, т. е. также в ана- логовой форме. Так как УВК оперирует с -цифровыми (дискретными) величи- нами, то поступающие на ее вход величины х должны предвари- тельно 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 выключа- телями, фотореле и др.) и некоторые выходные управляющие сигналы (например, включение двигателей, сигнальные транс- паранты и др.) имеют релейный характер. Таким образом, в УВК должны входить преобразователи не- прерывных величин в цифровые и обратно. С целью уменьшения объема оборудования преобразователи непрерывных величин в цифровые и обратно обычно выполняют многоканальными. Посредством коммутатора преобразователь поочередно подклю- чается к каждому датчику и осуществляет преобразование соот- ветствующей аналоговой величины в цифровую форму, после чего полученный в результате преобразования цифровой код вводится в память УВК. Важным признаком АСУ ТП является осуществление упра- вления в темпе протекания технологического процесса, т. е. в реальном масштабе времени. Понятие реального масштаба вре- мени можно определить следующим образом. Если передача информации из исходного пункта в ЭВМ и ее обработка осуще- ствляются во время работы машины, занятой решением другой задачи, и возвращение результатов в исходный пункт произво- дится в минимально короткие сроки по тем же каналам без ощу- тимого перевеса в решении предыдущей задачи, то говорят, что этот процесс протекает в реальном времени. Более коротко можно сказать, что обработка информации идет в реальном времени, если время на запросы, обычно произвольное, ограничивается внеш- ними условиями. Под внешними условиями понимают занятость передающих устройств и ЭВМ решением других задач, важность и срочность которых определяется соответствующей системой прио- ритетов. В системе, функционирующей в реальном масштабе времени, информация, приходящая извне, либо воспринимается и обраба- тывается на ЭВМ непосредственно в момент ее 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 ин- формации в реальном масштабе времени для каждой такой задачи устанавливается реально необходимый промежуток времени, в те- чение 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 большего числа абонентов устана- 220

вливаются приоритеты запросов абонентов. Указанной системой приоритетов определяется дисциплина очереди при решении любых задач управления. Автоматическое распределение машинного времени открыло новые пути использования ЭВМ; позволяет абоненту вести непре- рывный диалог с машиной; дает возможность нескольким абонен- там «беседовать» друг с другом при посредничестве ЭВМ, исполь- зующей большой запас сведений, хранящихся в ее памяти, и вы- сокую степень выполнения арифметических и логических операций. Реализация целей в конкретных АСУ ТП достигается выпол- нением в них определенной последовательности операций и вычи- слительных процедур, в значительной степени типовых по своему составу и потому объединяемых в комплекс типовых функций АСУ ТП (рис. 5.9). Функции АСУ ТП подразделяют на управляющие, инфор- мационные и вспомогательные управляющие. Это функции, результатом которых является выработка и реализация управля- ющих воздействий на технологический объект управления. К упра- вляющим функциям АСУ ТП относят регулирование (стабилиза- цию) отдельных технологических переменных, логическое упра- вление операциями или аппаратами, программное логическое управление группой оборудования, оптимальное управление уста- новившимися или переходными режимами или отдельными ста- диями процесса, адаптивное управление объектов в целом, напри- мер управление участком станков с ЧПУ, оперативная коррек- ция 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 изме- рение технологических параметров, косвенное измерение, вычи- сление параметров процесса (технико-экономических, внутренних

АСУ ТП Формирование заданий на управление

Реализация управления

л___

14

. Выработка управляющих команд

Исполнительные устройства и механизмы

Контроль функциони- рования технических и программных средств

к. Свор информации

Измерение физических сигналов, параметров дал <.fjcut.itiu y-v ~~~~~Ч Технологический процесс

Рис. 5.9. Обобщенная схема АСУ ТП

| f Внешние возмущения

221

переменных), формирование и выдача текущих и обобщающих технологических и экономических показателей оперативному персоналу АСУ ТП, подготовка и передача информации в смеж- ные системы управления, обобщенная оценка и проверка состоя- ния ГПС и его оборудования. Вспомогательные функции состоят в обеспечении контроля за состоянием функционирования технических и программных средств системы. АСУ ТП как компонент общей системы управления промыш- ленным 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, предста- вляют низовой уровень АСУП. Взаимосвязь технологии и систем управления Каждый этап развития технических средств ма- шиностроительного производства характеризуется определенным уровнем развития технологии. В свою очередь, каждый уровень развития технологии определяет соответствующий уровень авто- матизации технологических и производственных процессов, реа- лизуемых системой управления. Соответствие уровней автоматизации технологических и произ- водственных процессов и системы управления характеризуется критериями: технологическими (например, точность обработки, концентрация операций, загрузка оборудования), технико-эконо- мическими (например, производительность, трудоемкость, себе- стоимость), управленческими и др. На основе логического анализа содержимого строк и столбцов в табл. 5.1 оценим качественную взаимосвязь этапов развития тех- нологии и систем управления технологическими и производствен- ными процессами. Все исторически возникшие функции человека в трудовом про- цессе можно разделить на два больших класса. 1. Класс механиче- ских (преимущественно исполнительских) функций: непосредст- венная обработка заготовки, управление орудием труда, машинные функции (подача предметов труда в механизм, снятие изделия, транспортирование, включение и выключение механизма и др.). 2. Класс умственных (в том числе управленческих) функций: поста- новка цели, технологический контроль, наблюдение, программи- рование, вычислительно-логические функции, поисковые функции технологического процесса (поиск неисправности, поиск наилуч- шего выполнения задачи), инженерно-конструкторские функции, организаторская деятельность и др. В результате анализа с учетом вышеупомянутых критериев (технологических, управленческих и экономических) получены возможные сочетания технологических процессов и систем управ- 222

ления, которые можно разделить на три области. Средняя область характеризует тенденцию значительного взаимного соответствия уровней развития технологии и систем управления технологиче- скими процессами. В двух других областях это соответствие прак- тически отсутствует. Для них характерны определенные ограни- чения, накладываемые на систему управления технологией и эко- номической целесообразностью и, наоборот, накладываемые систе- мой управления на технологический метод. Очевидно, при определении наиболее целесообразного техноло- гического метода решающими факторами для его рентабельности является не только применяемая технология, но также и то, чтобы с использованием оптимальных условий работы были полностью исчерпаны и возможности данного технологического метода. На- пример, адаптивные системы обеспечивают возможность такой оптимизации ведения режима. На основе проведенного анализа взаимосвязи этапов развития технологии и систем управления можно выявить качественные изме- нения в содержании выполняемых функций технологического про- цесса и вызываемые ими изменения в структуре оперативного управления этим процессом. Для этого сформулируем перечень основных функций, имеющих место при протекании производст- венного процесса механической обработки (табл. 5.2), объединив их с видами используемых технических средств, характеризующих • способы выполнения этих функций. Функции разделим на три взаимосвязанные между собой группы: обеспечение ресурсами, выполнение процесса обработки, выполнение процесса обслужи- вания. , Взаимосвязи между функциями производственного процесса можно выразить в виде моделей САУ, состоящих из управляемой и управляющей подсистем, соединенных между собой каналами передачи информации и образующих вместе единое целое. При этом на время отвлекаемся от воздействия «внешней среды», кото- рая существенно влияет на выполняемые функции. При выполнении технологической операции с применением простого инструмента можно выделить восемь функций материаль- ного процесса и три управленческие функции, связанные в основ- ном с контролем. Контролируется как выполнение процесса обра- ботки, так и его обслуживание и обеспечение заготовками, инстру- ментом. Если на рабочем месте все эти функции выполняет один рабо- чий, то их взаимное согласование осуществляется без вмешатель- ства извне. При разделении функций на функции непосредствен- ного выполнения операций и функции технического ухода, налад- ки, ремонта между разными исполнителями возникает необходи- мость согласования их выполнения. Так, форма построения произ- водственного процесса оказывает непосредственное влияние на организацию оперативного управления производственным процес- сом. Взаимное согласование операций производственного про- 223