Соломонцев Ю.М. Теория автоматического управления

сними процессами и работой оборудования с учетом команд, поступающих от вышестоящего уровня.; фиксация времени простоя оборудования с учетом причин простоя; контроль за состоянием режущего инструмента и учет его использования;учет числа обработанных деталей; передача информации и уровень оперативного управления ГПС.

Функциями уровня оперативного управления ходом производственного процесса в ГПС являются следующие: анализ наличия ресурсов для выполнения сформированных заданий на шаге управления; оперативная корректировка режимов отдельных технологических процессов и выдача коррекции на технические устройства низшего уровня; контроль качества изделий; прием и систематизация информации от управляющих устройств низшего уровня; координация работы всех элементов ГПС в соответствии с полученным заданием; передача информации в верхний уровень управления.

Функциями уровня планирования работы ГПС являются: решение комплекса задач, связанных с формированием ежемесячных графиков загрузки оборудования ГПС; решение комплекса задач, связанных с управлением и контролем за работой уровня оперативного управления ГПС; управление библиотекой управляющих программ для оборудования ГПС; сбор, обработка и выдача информации о ходе производственного процесса в ГПС.

Функции управления могут быть распределены между уровнями и по-другому. Однако, как правило, для всех иерархических систем характерно, что по мере продвижения от нижних уровней -к верхним информация о состоянии технологического объекта обобщается, а управляющие воздействия относятся к более крупным частям технологического или производственного процесса.

Для сложных процессов на крупных производственных комплексах строятся системы управления, сочетающие описанные выше способы включения ЭВМ в контур управления. Такая система разделяется на подсистемы, для каждой из которых в зависимости от возможностей ее математического описания и экономической целесообразности выбрана определенная структура. Комплекс подсистем можно реализовать либо на одной ЭВМ, разделяющей время между подсистемами, либо на нескольких ЭВМ, каждая из которых обслуживает соответствующую подсистему, либо на вычислительной сети, состоящей из большого числа миниили микроЭВМ.

Иерархическая структура автоматического управления позволяет объединить управление различными производственными объектами и согласовать их работу, т. е. подойти к производственному процессу как к единому целому, а не как к набору независимых частей. При этом можно автоматизировать весь комплекс производственных процессов, включая транспортные операции и различные организационные задачи.

Таким образом, применение современных средств управления технологическими и производственными процессами позволяет подойти к процессу как к единому целому, а не как к набору независимых частей; вести процесс с производительностью, максимально достижимой для данных технических средств, автоматически учитывая непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов и полуфабрикатов, изменения во внешней среде, ошибки оператора и др.; управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для выпускаемой номенклатуры путем оперативной перестройки режимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипном оборудовании и т. п.

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 элементы 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 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

и определяют наиболее существенные черты строения и функционирования сложных систем. Например, ГПС характеризуется как относительно обособленная часть интегрированного производственного комплекса, связанная с другими ее системами. На ней осуществляется процесс изготовления деталей определенной 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 взаимосвязанного 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 подразумевает наличие связей между элементами сложной системы, а также между сложной системой и внешними системами, то целостность ГПС характеризует большую силу и существенность внутренних связей по сравнению со связями с'внешними системами. 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, 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, информациюот 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. Системный подход к процессу управления — это прежде всего образ мышления. АСУ рассматривается как целостный комплекс взаимосвязанных и взаимозависимых частей, взаимодействующих между собой и с окружающей средой.

Одной из характерных черт системного подхода является типовость АСУ, которая предусматривает разработку серии типовых АСУ. Под типовостью понимают модульную структуру определенного 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, составляющих 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 структура позволяет осуществлять любой набор технических средств из типовых модулей. Модулями ЭВМ являются процессор, различные блоки внешней памяти, оперативная память, устройства ввода-вывода информации.

5.8. ТИПЫ АСУ

Управление производством можно разделить на две области: управление организационно-экономическими процессами и управление технологическими процессами. Эти области различаются характером объектов управления: если в первой области объектом управления являются коллективы людей, заня-

чают два основных типа АСУ: автоматизированные системы орга- низационно-экономического или административного управления (АСУП); автоматизированные системы управления технологическими 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 затратами 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 машину. 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 практически не отличаются от режимов работы универсальных ЭВМ и структура построения также подобна структуре построения уни-

идр.

КАСУ ТП относятся такие системы, которым свойственно

управление объектами, быстро меняющими свое состояние (управление процессом резания, управление плавкой металла, управление производственным процессом в ГПС и др.). Для получения

необходимых динамических характеристик дискретный документ-

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 машине 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 управления, позволяющие обрабатывать всю имеющуюся на предприятии информацию, т. е. организовать производственный процесс, полностью управляемый вычислительным комплексом.

Автоматизированные системы управления предприятием

АСУП 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 АСУП обусловлена следующими причинами: большим числом разнородных элементов; высокой степенью их, взаимосвязи в процессе производства; неопределенностью результатов выполнения многих процессов (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 изменяется, т. е. является нестационарным.

Создание и внедрение АСУП 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 пред-

215

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 должна обеспечивать другие подсистемы оптимальным объемом информации в требуемые сроки. Поэтому такие понятия информации, как достоверность, точность, полезность, полнота при разработке информационного обеспечения, являются определяющими. Многократное использование информации при однократном ее вводе является отличительной особенностью АСУ. Это обусловлено необходимостью обеспечения одной и той же информацией различных подсистем. Подсистема информационного обеспечения должна обладать 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 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 надежного 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.

Организационное обеспечение регламентирует действие каждого 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 представляет собой информационный процесс, обеспечивающий выпол-

нение какого-либо материального процесса.

В наиболее общем случае АСУ ТП представляет собой замкнутую 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 совокупность 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, 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 функцио-

11 61 . . .

Объект

управления

Г—^m-"

"г • ' • \Um » I

Таймер Коммутатор

1 Устройчтдо прерывания

Процессор

Рис. 5.8. Информационная структура системы управления технологическими

процессами:

преобразователь / — преобразователь дискретных сигналов в непрерывные: преобразователь 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, например себестоимость-выходного изделия при заданном качестве, производительность технологического объекта управления при

заданном качестве выходного изделия, технологические показатели, например параметры технологического процесса, характе-

ристики выходного изделия и т. п.

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

1. Измеряемые параметры х — (xlt *2, ..., хп), к которым относятся измеряемые, но неуправляемые параметры, зависящие от внешних факторов (параметры заготовок, характеристики технологического и вспомогательного оборудования, инструмента, оснастки и др.); выходные параметры, характеризующие качество выпускаемых изделий; выходные параметры, по которым непосредственно 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,

обработанных деталей, их количество и др.). УВК обрабатывает эту информацию в соответствии с принятым закономуправления (алгоритмом управления), определяет управляющие воздействия и = (HI, и3, ..., ит), которые необходимо приложить к исполнительным механизмамдл,я изменения управляемых параметров у, с тем чтобы управляемый процесс протекал оптимальным образом.

и т. п., т. е. в форме непрерывного (аналогового) сигнала. Подводимые к исполнительным механизмам управляющие воздействия и

219

должны вырабатываться в форме напряжений, т. е. также в аналоговой форме.

Так как УВК оперирует с -цифровыми (дискретными) величинами, то поступающие на ее вход величины х 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 объема оборудования преобразователи непрерывных величин в цифровые и обратно обычно выполняютмногоканальными. Посредством коммутатора преобразователь поочередно подключается к каждому датчику и осуществляет преобразование соответствующей аналоговой величины в цифровую форму, после чего полученный 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 ее 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 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 внешними условиями. Под внешними условиями понимают 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 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 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 большего числа абонентов устана-

220