На этом этапе бизнес-моделирования формируется общепризнанный набор основополагающих внутрифирменных регламентов:

базовое Положение об организационно-функциональной структуре компании;

пакет Положений об отдельных видах деятельности (финансовой, маркетинговой и т. д.);

пакет Положений о структурных подразделениях (цехах, отделах, секторах, группах и т. п.);

должностные инструкции.

Это вносит прозрачность в деятельность компании за счет четкого разграничения и документального закрепления зон ответственности менеджеров.

Дальнейшее развитие (детализация) бизнес-модели происходит на этапе динамического описания компании на уровне процессных потоковых моделей.

Процессная потоковая модель -- это модель, описывающая процесс последовательного во времени преобразования материальных и информационных потоков компании в ходе реализации какой-либо бизнес-функции или функции менеджмента. Сначала (на верхнем уровне) описывается логика взаимодействия участников процесса, а затем (на нижнем уровне) -- технология работы отдельных специалистов на своих рабочих местах .

Завершается организационное бизнес-моделирование разработкой модели структур данных, которая определяет перечень и форматы документов, сопровождающих процессы в компании, а также задает форматы описания объектов внешней среды, компонентов и регламентов самой компании. При этом создается система справочников, на основании которых получают пакеты необходимых документов и отчетов.

Такой подход позволяет описать деятельность компании с помощью универсального множества управленческих регистров (цели, стратегии, продукты, функции, организационные звенья и т. д.).

Управленческие регистры по своей структуре представляют собой иерархические классификаторы. Объединяя классификаторы в функциональные группы и закрепляя между собой элементы различных классификаторов с помощью матричных проекций, можно получить полную бизнес-модель компании.

При этом происходит процессно-целевое описание компании, позволяющее получить взаимосвязанные ответы на следующие вопросы: зачем, что, где, кто, как, когда, кому, сколько.

Следовательно, полная бизнес-модель компании -- это совокупность функционально ориентированных информационных моделей, обеспечивающая взаимосвязанные ответы на перечисленные выше вопросы.

Таким образом, организационный анализ предполагает построение комплекса взаимосвязанных информационных моделей компании, который включает:

стратегическую модель целеполагания (отвечает на вопросы: зачем компания занимается именно этим бизнесом, почему предполагает быть конкурентоспособной, какие цели и стратегии для этого необходимо реализовать); организационно-функциональную модель (отвечает на вопрос: кто - что делает в компании и кто за что отвечает); функционально-технологическую модель (отвечает на вопрос: что - как реализуется в компании); процессно-ролевую модель (отвечает на вопрос: кто - что - как - кому);

количественную модель (отвечает на вопрос: сколько необходимо ресурсов);

модель структуры данных (отвечает на вопрос: в каком виде описываются регламенты компании и объекты внешнего окружения).

Представленная совокупность моделей обеспечивает необходимую полноту и точность описания компании и позволяет вырабатывать понятные требования к проектируемой информационной системе.

3. Методы сбора материалов обследования

Для построения рассмотренных выше моделей необходимо получить и проанализировать соответствующую информацию и здесь существуют разнообразные методы сбора данных (материалов) обследования.

Метод бесед и консультаций с руководителями чаще всего проводится в форме обычной беседы с руководителями предприятий и подразделений или в форме деловой консультации со специалистами по вопросам, носящим глобальный характер и относящимся к определению проблем и стратегий развития и управления предприятием.

Метод опроса исполнителей на рабочих местах используется в процессе сбора сведений непосредственно у специалистов путем бесед, которые требуют тщательной подготовки. Заранее составляют список сотрудников, с которыми намереваются беседовать, разрабатывают перечень вопросов о роли и назначении работ в деятельности объекта автоматизации, порядке их выполнения.

Метод анализа операций заключается в расчленении рассматриваемого делового процесса и работы на составные части, задачи, расчеты, операции и даже элементы. После этого анализируется каждая часть в отдельности, выявляется повторяемость отдельных операций, многократное обращение к одной и той же операции, степень зависимости друг от друга.

Метод анализа представленного материала применим, в основном, при выяснении таких вопросов, на которые нельзя получить ответ от исполнителей. Как было сказано ранее, «обследование - это изучение и анализ оргструктуры предприятия», и процедура эта является обязательной при анализе предметной области АИС, причем проводить ее можно различными методами. Рассмотрим наиболее употребительные.

Метод фотографии рабочего дня исполнителя работ предполагает непосредственное участие проектировщиков и применение рассчитанного для регистрации данных наблюдения специального листа фотографии рабочего дня и распределения его между работами.

Метод выборочного хронометража отдельных работ требует предварительной подготовки, известных навыков и наличия специального секундомера. Данные хронометража позволяют установить нормативы на выполнение отдельных операций и собрать подробный материал о технике осуществления некоторых работ.

Метод личного наблюдения применим, если изучаемый вопрос понятен по существу и необходимо лишь уточнение деталей без существенного отрыва исполнителей от работы.

Метод документальной инвентаризации управленческих работ заключается в том, что на каждую работу в отдельности открывается специальная карта обследования, в которой приводятся все основные данные о регистрируемой работе или составляемых документах.

Метод ведения индивидуальных тетрадей-дневников. Записи в дневнике производятся исполнителем в течение месяца ежедневно, сразу же после выполнения очередной работы.

Метод самофотографии рабочего дня заключается в том, что наблюдение носит более детальный характер и происходит в короткий срок. Этот метод дает сведения о наиболее трудоемких или типичных отдельных работах, которые используются для определения общей трудоемкости выполнения всех работ.

Расчетный метод применяется для определения трудоемкости и стоимости работ, подлежащих переводу на выполнение с помощью ЭВМ, а также для установления объемов работ по отдельным операциям.

Метод аналогии основан на отказе от детального обследования какого-либо подразделения или какой-либо работы. Использование метода требует наличия тождественности и не исключает общего обследования и выяснения таких аспектов, на которые аналогия не распространяется.

4. Формализация материалов обследования

Сбор материалов обследования проводится с помощью стандартных форм и таблиц.

Результатом предпроектного обследования является «Отчет об экспресс-обследовании предприятия». Его типовая структура приведена ниже.

1. Краткое схематичное описание бизнес-процессов:

управление закупками и запасами;

управление производством;

управление продажами;

управление финансовыми ресурсами.

Основные требования и приоритеты автоматизации.

Оценка необходимых для обеспечения проекта ресурсов заказчика.

Оценка возможности автоматизации, предложения по созданию автоматизированной системы с оценкой примерных сроков и стоимости.

Проведение предпроектного обследования решает следующие задачи:

предварительное выявление требований к будущей системе;

определение перечня целевых функций организации;

определение структуры организации;

анализ распределения функций по подразделениям и сотрудникам;

выявление функциональных взаимодействий между подразделениями, информационных потоков внутри подразделений и между ними, внешних информационных воздействий;

* анализ существующих средств автоматизации организации.

Информация, полученная в результате предпроектного обследования, анализируется с помощью методов структурного и/или объектного анализа и используется для построения моделей деятельности организации.

Модель организации предполагает построение двух видов моделей:

I) модели «как есть» («as is»), отражающей существующее на момент обследования положение дел в организации и описывающей, каким образом функционирует данная организация. Использование такой модели позволяет выявить узкие места и сформулировать предложения по улучшению;

2) модели «как должно быть» («to be»), отражающей представление о новых, преобразованных технологиях работы организации.

Каждая из моделей включает в себя полную функциональную и информационную модель деятельности организации, а также модель, описывающую динамику поведения организации (в случае необходимости).

Вопросы для самоконтроля:

Назовите этапы анализа предметной области?

Что такое автоматизация?

Основные ограничения, которые необходимо учитывать при выборе стратегии автоматизации?

Что понимается под анализом деятельности предприятия?

Что такое реинжиниринг бизнес-процессов?

Миссия согласно стандарту ISO 15704 - это ….?

Что такое дерево целей компании?

Что такое дерево стратегий?

Дайте определение матрице проекции?

Что для чего нужна матрица коммерческой ответственности?

Что такое процессная потоковая модель?

Что такое, полная бизнес-модель компании?

Для чего нужны методы сбора материалов обследования?

Что предполагает расчетный метод?

Типовая структура «отчет об экспресс-обследовании предприятия»?

Каких построение двух видов моделей предполагает модель организации?

Список использованной литературы:

1. Л.Г. Гагарина, Д.В. Киселев, Е.Л. Федотова. Разработка и эксплуатация автоматизированных информационных систем. Под редакцией профессора Л. Г. Гагариной.

2. Попов И.И. Автоматизированные информационные системы (по областям применения): учеб. пособие / под ред. К.И. Курбакова. М.: Изд-во Рос. экон. акад., 1998. 103 с.

3. Месарович М., Мако Д., Такахара Ю. Теория иерархических много уровневых систем. М.: Мир, 1974.

4. Информационные технологии: толковый словарь аббревиатур / Э. Каян; пер. с англ. К. Г. Финогенова. М.: БИНОМ; Лаборатория знаний, 2003. 646 с.

ГОСТ 34-003--90. Автоматизированные системы. Термины и определения. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. ИПК «Издательство стандартов», 1997.

5. Избачков Ю.С, Петров В.Н. Информационные системы. СПб.: Питер, 2005. 656 с.

6. Ковалев С.М., Ковалев В.М. Современные методологии описания бизнес-процессов: просто о сложном. Ч. 6. // Консультант директора. 2004. № 12.

6. ГОСТ 34.601--90. Автоматизированные системы. Стадии создания. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. ИПК «Издательство стандартов», 1997.



Лекция №9

Автоматизированные системы управления технологическими

процессами

Вопросы лекции:

Введение.

1. Общие сведения о технологических процессах.

2. Схемы управления в АСУТП.

Введение.

В данной лекции рассматривается автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Общие сведения о технологических процессах, здесь рассматривается по виду объекта управления АСУ, которое делится на: АСУТП (технологический процесс), АСУП (предприятие), САПР (процесс проектирования), АСНИ (процесс научного исследования), ГИС (системы, в которых для описания объекта, или его элементов, используется географическая информация).

Схемы управления в АСУТП: управление в режиме сбора данных, управление в режиме советчика оператора, супервизорное управление, непосредственное цифровое управление.

1. Общие сведения о технологических процессах

По виду объекта управления АСУ делят на:

- АСУТП (технологический процесс),

- АСУП (предприятие),

- САПР (процесс проектирования),

- АСНИ (процесс научного исследования),

- ГИС (системы, в которых для описания объекта, или его элементов, используется географическая информация).

Производственный процесс, т.е. процесс производства необходимой продукции, в целом и в каждой отдельной фазе представляет собой совокупность взаимосвязанных частичных процессов вспомогательных; обслуживающих; основных.

К вспомогательным процессам относят:

- изготовление инструмента;

- ремонт оборудования;

- производство энергоресурсов, сжатого воздуха и т.д.

К обслуживающим процессам относятся:

- технический контроль качества продукции;

- транспортное обслуживание;

- складирование предметов труда и производства.

Основную часть производственного процесса составляют технологические процессы. Технологическое содержание производственного труда принято называть технологическим процессом (ТП). ТП определяет изменение форм, размеров, физико-химических свойств предметов труда. Для целей организации и нормирования труда ТП расчленяют на операции.

Операция - это часть ТП, выполняемая над определенным предметом труда на одном рабочем месте одним или группой рабочих.

По технологическим признакам операции расчленяются на установки, переходы и проходы.

Установкой называется часть операции, выполняемая при неизменном положении предмета труда.

Переходом называется часть операции, выполняемая над изменением одного или одновременно несколькими свойствами предмета труда, одним или одновременно несколькими инструментами при неизменном режиме работы оборудования.

Проход - это часть перехода, при котором изменяется свойство предмета труда без смены инструмента и изменения режима обработки.

Разнообразие ТП обусловлено следующими основными факторами:

- видом используемого сырья;

- формой и количеством необходимых энергоресурсов;

- количеством стадий (операций) преобразования сырья;

- временными характеристиками операций процесса;

- видом готовой продукции.

Классификация ТП

По характеру протекания ТП делятся на непрерывные, периодические и дискретные.

Непрерывным называется процесс, в котором конечный продукт вырабатывается, пока подводится сырье, энергия, катализаторы, управляющие воздействия. Например, процессы нефтепереработки.

Периодическим является ТП, в котором за сравнительно небольшой промежуток времени (часы или дни) вырабатывается определенное, ограниченное количество конечного продукта. При этом в течение отведенного промежутка времени периодический процесс является непрерывным. Например, доменный процесс.

Дискретным называется ТП, в котором готовый продукт вырабатывается за определенные промежутки времени и, который можно остановить и продолжить с любой технологической операцией без снижения заданного уровня качества. Пример: сборка на конвейере, испытание готовых изделий и т.п.

Характеристики большинства ТП таковы, что требуют четкого управления ими, хотя бы с точки зрения безопасности. В общем случае, необходимость управления ТП диктуется следующими факторами:

- для обеспечения качества готового продукта состав и количество входных компонентов должны поддерживаться на заданном уровне;

- износ орудий труда и переменный состав сырья требует непрерывного изменения (подстройки) параметров ТП;

- пуск и остановка некоторых ТП требует выполнения специфических точно синхронизированных операций.

Характерной особенностью современных ТП является то, что управление ими занимает нижний уровень в иерархической системе управления производством.

Чем ниже уровень управления системы, тем выше должны быть темпы ее разработки и внедрения. Этого невозможно достичь без разработки автоматизированных систем (АСУТП). Методологической основой создания АСУТП является системный подход, обеспечивающий комплексное решение задач наилучшего управления ТП. Необходимость системного подхода диктуется тем, что современные ТП являются сложными объектами управления с большим числом входных и выходных переменных. Сложные нелинейные связи между переменными, их нестационарность, высокий уровень производственных шумов, недостаточность априорной информации о закономерностях их протекания создают значительные трудности при создании адекватных моделей ТП. Ведение ТП должно удовлетворять нескольким зачастую противоречивым требованиям к качеству готовой продукции и производительность установки.

Качество продукции определяется, в первую очередь, качеством сырья, заготовки возмущениями, действующими на процесс, качеством инструмента, режимом обработки и т.д.

Производительность установки определяется простоями оборудования, потерями времени при переходе от одного вида продукции к другому, потери на плановые и аварийные ремонты, а также режимом работы самого оборудования.

Поскольку качество и производительность взаимосвязаны, то системы управления ими не могут быть автономными.

Система управления качеством организуется на каждой технологической операции, должна быть оперативной, работать в реальном времени.

Система управления производительностью состоит из систем управления режимами технологических операций, управления транспортными операциями и межоперационными запасами.

В связи с этим можно проиллюстрировать место АСУТП в составе АСУ производственным процессом

ТП как объект управления.

Для представления ТП как объекта управления используется язык теории управления. В простейшем случае ТП представляется в виде одномерного объекта (рис.1), на входе которого действует переменная x(t), характеризующая какое-либо свойство сырья, а на выходе имеем переменную у(t), характеризующую какое-либо свойство готового продукта.

Рисунок 1 - Блок-схема одномерного ТП

В общем случае ТП представляется в виде многомерного объекта (рис. 2), на входе которого действует векторная переменная Х(t) с составляющими x1(t),...,xn(t).

Рисунок 2 - Блок-схема многомерного ТП

К этим переменным относятся все свойства сырья или заготовок (хим. состав, размеры, механические свойства и т.д.). Параметры процесса, характеризующие условия протекания (температура, давление, число оборотов, скорость и т.д.), описывается векторной функцией Z(t) с составляющими z1(t),...,zm(t). Выходные переменные описываются вектором У(t) с составляющими y1(t),..., yn(t).

Это характеристики готового продукта (хим. состав, размеры, количество, стоимость и т.д.).

Размерность векторов X, Y, и Z обычно велика для реальных процессов и все их учесть принципиально невозможно, поэтому они рассматриваются как случайные функции. При этом X(t) и Z(t) рассматриваются как причины, их объединяют в группу входных переменных. Многомерный ТП может быть представлен следующей блок - схемой (рис.3):

Рисунок 3 - Многомерный ТП

Здесь случайная функция X(t)=(x1(t),...,xn(t)) включает как измеряемые, так и не измеряемые переменные. Часть из них является управляющими. Не управляющие переменные называются шумами. Задача системы управления состоит в компенсации действия этих шумов (возмущений). С учетом шумов блок-схема ТП с одномерным выходом представляется в виде (рис.4):

Рисунок 4 - ТП с учетом шумов

x1(t),...,xp(t) - измеряемые входные переменные;

n(t) входных переменных рассматривается как шум, приложенный к выходу y(t).

В качестве общей динамической характеристики ТП принимается оператор, ставящий в соответствии входные и выходные функции. Для описания объекта на рис. 4. требуется m операторов Ai, (i=1,2,....,m):

Для процесса на рис. 5 связь между входными и выходными переменными устанавливается с помощью выражения:

Конкретное выражение оператора A зависит от выбранной модели ТП. Это может быть система линейных уравнений, система обыкновенных дифференциальных уравнений, уравнения условных плотностей или функции распределения и т.д. В зависимости от способов представления оператора и входных и выходных переменных обычно и производится классификация процессов. Входные и выходные переменные могут рассматриваться как детерминированные или случайные.

Модель процесса называется детерминированной, если ее оператор детерминирован.

Модель процесса называется стохастической, если соответствующий ей оператор является случайным.

Сложный ТП представляется в виде последовательности (цепочек) технологических операций.

ТП как последовательность операций может быть представлен следующими способами:

- линейное представление (предполагается наличие первой и последней операции) это последовательная цепочка операций.

- сложное линейное представление - последовательная цепочка с параллельными ветвями

Обычно рассматриваются два вида цепочек:

- выходные переменные на i-ой операции зависят от входных переменных на этой же операции и не зависят от входных переменных на операциях с номерами <i;

- входные переменные на всех или некоторых операциях влияют на выходную переменную последней операции в цепочке.

Определение, функции и состав АСУТП

АСУТП - человеко - машинная система управления, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления ТОУ в соответствии с принятым критерием.

Критерий управления АСУТП - это соотношение, характеризующее качество функционирования ТОУ в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий.

Критерием управления может быть:

- технико-экономический показатель (себестоимость, производительность ТОУ и т.п.)

- технический показатель (параметр процесса, характеристики выходного продукта).

Система управления ТОУ является АСУТП в том случае, если она осуществляет управление ТОУ в целом в темпы протекания ТП и если в выработке и реализации решений по управлению участвуют средства ВТ и другие технические средства и человек- оператор.

Функции АСУТП - это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления функции АСУТП подразделяются на:

- управляющие - результатом которых являются выработка и реализация управляющих воздействий на ТОУ [регулирование (стабилизация) отдельных технологических переменных, однотактное логическое управление операциями или аппаратами, программное логическое управление группой оборудования, оптимальное управление установившимися или переходными технологическими режимами, адаптивное управление объектом в целом]. Отличительная особенность управляющих и информационных функций АСУТП - их направленность на конкретного потребителя (ТОУ, оперативный персонал, смежные системы управления).

- информационные - содержанием которых является сбор, обработка и представление информации о состоянии АТК оперативному персоналу или передача этой информации для последующей обработки [централизованный контроль и измерение технологических параметров, косвенное измерение параметров процесса, формирование и выдача данных оперативному персоналу, подготовка и передача информации в смежные системы управления, обобщенная оценка и прогноз состояния АТК и его оборудования].

- вспомогательные - это функции обеспечивающие решение внутри системных задач. Они имеют потребителя вне системы (контроль за функционированием и состоянием технических средств, контроль за хранением информации и т.п.)

Состав АСУТП:

- техническое обеспечение (вычислительные и управляющие устройства, средства получения (датчики), преобразования, хранения, отображения и регистрации информации, устройства передачи сигналов и исполнительные устройства);

- программное обеспечение - совокупность программ, необходимая для реализации функций АСУТП, заданного функционирования КТС и предполагаемого развития системы;

- информационное обеспечение включает информацию, характеризующую состояние АТК, системы классификации и кодирования технологической и технико-экономической информации, массива данных и документов, необходимых для выполнения всех функций АСУТП, в том числе нормативно-справочную информацию;

- организационное обеспечение - совокупность описаний функциональной, технической и организационных структур, инструкции для оперативного персонала, обеспечивающих задание функционирования его в составе АТК;

- оперативный персонал;

технологи-операторы, осуществляющие контроль за управлением ТОУ с использованием рекомендаций выработанных АСУТП;

эксплуатационный персонал АСУТП;

Ремонтный персонал в состав АСУТП не входит.

2. Схемы управления в АСУТП

Различают следующие Схемы управления в АСУТП:

- Управление в режиме сбора данных.

- Управление в режиме советчика оператора.

- Супервизорное управление.

- Непосредственное цифровое управление.

Управление в режиме сбора данных.

После этапа идентификации необходимо выбрать схему управления ТП, которая, как правило, строится с учетом применения принципов управления, определяющих режим функционирования АСУТП. Наиболее простой и исторически первой появилась схема управления ТП в режиме сбора данных. При этом АСУ подсоединяется к процессу способом, выбранным инженером-технологом.

Интересующие инженера-технолога переменные преобразуются в цифровую форму, воспринимаемую системой ввода и помещается в ЗУ ЭВМ. Величины на этом этапе являются цифровыми представлениями напряжения, генерируемого датчиками. Эти величины по соответствующим формулам преобразуются в технические единицы. Например, для вычисления температуры, замеряемой с помощью термопары, может использоваться формула T=A*U + B*U + C, где U - напряжение с выхода термопары; A, B и C - коэффициенты. Результаты вычислений регистрируются устройствами вывода АСУТП для последующего использования инженером-технологом. Главной целью сбора данных является изучение ТП в различных условиях. В результате инженер-технолог получает возможность построить и (или) уточнить математическую модель ТП, которым нужно управлять. Сбор данных не оказывает прямого воздействия на ТП, в нем нашел осторожный подход к внедрению методов управления, основанных на применении ЭВМ. Однако даже в самых сложных схемах управления ТП система сбора данных для целей анализа и уточнения модели ТП используется как одна из обязательных подсхем управления.

Управление в режиме советчика оператора.

Управление в режиме советчика предполагает, что ЭВМ в составе АСУТП работает в ритме ТП в разомкнутом контуре, т.е. выходы АСУТП не связаны с органами, управляющими ТП. Управляющие воздействия фактически осуществляются оператором-технологом, получающим указания от ЭВМ.

Все необходимые управляющие воздействия вычисляются ЭВМ в соответствии с моделью ТП, результаты вычислений представляются оператору в печатном виде (или в виде сообщений на дисплее). Оператор управляет процессом, изменяя уставки регуляторов. Регуляторы являются средствами поддержания оптимального управления ТП, причем оператор играет роль следящего и управляющего звена. АСУТП играет роль устройства, безошибочно и непрерывно направляющего оператора в его усилиях оптимизировать ТП.

Основной недостаток этой схемы управления заключается в постоянном наличии человека в цепи управления. При большом числе входных и выходных переменных такая схема управления не может применяться из-за ограниченных психофизических возможностей человека. Однако управление этого типа имеет и преимущества. Оно удовлетворяет требованиям осторожного подхода к новым методам управления. Режим советчика обеспечивает хорошие возможности для проверки новых моделей ТП; в качестве оператора может выступать инженер-технолог, "тонко чувствующий" процесс. Он наверняка обнаружит неправильную комбинацию уставок, которую может выдать на не окончательно отлаженной программе АСУТП. Кроме того, АСУТП может следить за возникновением аварийных ситуаций, так что оператор имеет возможность уделять больше внимания работе с уставками, при этом АСУТП следит за большим числом аварийных ситуаций, чем оператор.

Супервизорное управление.

В этой схеме АСУТП используется в замкнутом контуре, т.е. установки регуляторам задаются непосредственно системой.

Задача режима супервизорного управления - поддержание ТП вблизи оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. В этом одно из главных преимуществ данного режима. Работа входной части системы, и вычисление управляющих воздействий мало отличается от работы системы управления в режиме советчика. Однако, после вычисленных значений уставок, последние преобразовываются в величины, которые можно использовать для изменения настроек регуляторов.

Если регуляторы воспринимают напряжения, то величины вырабатываемые ЭВМ, должны быть преобразованы в двоичные коды, которые с помощью цифро-аналогового преобразователя превращаются в напряжения соответствующего уровня и знака. Оптимизация ТП в этом режиме выполняется периодически, например один раз в день. Должны быть введены новые коэффициенты в уравнения контуров управления. Это осуществляется оператором через клавиатуру, или считывая результаты новых расчетов, выполненные на ЭВМ более высокого уровня. После этого АСУТП способна работать без вмешательства извне в течение длительного времени. Примеры АСУТП в супервизорном режиме:

1. Управление автоматизированной транспортно-складской системы. ЭВМ выдает адреса стеллажных ячеек, а система локальной автоматики кранов-штабелеров отрабатывает перемещение их в соответствии с этими адресами.

2. Управление плавильными печами. ЭВМ вырабатывает значения уставок электрического режима, а локальная автоматика управляет переключателями трансформатора по командам ЭВМ.

3. Станки с ЧПУ управление через интерполятор.

Непосредственное цифровое управление.

В режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ) сигналы, используемые для приведения в действие управляющих органов, поступают непосредственно из АСУТП, и регуляторы вообще исключаются из системы. В сущности, регуляторы - это малые аналоговые вычислители, которые решают одно-единственное уравнение, напр. такого вида:

где k0, k1, k2, k3 - параметры настройки, благодаря которым регулятор можно настроить на работу во многих различных процессах;

Если , то для выведения процесса на заданную контрольную точку требуется перемещение управляющего органа.

Если регулятор использует для своей работы 2 первых члена уравнения (1.2.1), то он называется "пропорциональным", сокращенно П. Если используется 3 первых члена, то регулятор называется "пропорционально-интегральным" (ПИ), и если используется все члены уравнения (1.2.1), то регулятор называется "пропорционально-интегрально-дифференциальным" (ПИД).

Концепция НЦУ позволяет заменить регуляторы с задаваемой вставкой, АСУТП рассчитывает реальные воздействия, и передает соответствующие сигналы непосредственно на управляющие органы.

Вставки вводятся в АСУ оператором или ЭВМ, выполняющей расчеты по оптимизации процесса. При наличии системы НЦУ оператор должен иметь возможность изменять вставки, контролировать некоторые избранные переменные, варьировать диапазоны допустимого изменения измеряемых переменных, изменять параметры настройки и вообще должен иметь доступ к управляющей программе.

Одно из главных преимуществ режима НЦУ заключается в возможности изменения алгоритмов управления для контуров простым внесением изменений в хранимую программу.

Наиболее очевидный недостаток НЦУ проявляется при отказе ЭВМ.

Вопросы для самоконтроля:

По виду объекта управления АСУ делят на:…?

Что такое производственный процесс?

Что относится к вспомогательным и обслуживающим процессам?

Что называют операцией, установкой и переходом?

По характеру протекания ТП делятся на:….?

Что такое критерий управления АСУТП?

Что может быть критерием управления?

Что такое функция АСУТП?

Состав АСУТП?

Какие различают схемы управления в АСУТП?

Список использованной литературы:

1. Попов И И. Автоматизированные информационные системы (по областям применения): учеб. пособие / под ред. К.И. Курбакова. М.: Изд-во Рос. экон. акад., 1998. 103 с.

2. ГОСТ 34-003--90. Автоматизированные системы. Термины и определения. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. ИПК «Издательство стандартов», 1997.

3. ГОСТ 34.601--90. Автоматизированные системы. Стадии создания. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. ИПК «Издательство стандартов», 1997.

4. Трояновский В.М. Проектирование информационных систем. М.: МИЭТ, 2002. 108 с.

5. Вендров А.М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Финансы и статистика, 2005. 180 с.

6. Грекул В.И. Проектирование информационных систем. http://www.intuit.ru.

7. Модели и методологии разработки информационных систем. http://www.stormsystemst.ru.



Лекция №10

Автоматизированные системы управления

научным экспериментом и обучением

Вопросы лекции:

Введение.

1. Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ).

2. Обобщенная структура подсистем АСНИ.

3. Взаимосвязь между АСНИ и САПР.

4. Автоматизированные обучающие системы дистанционного обучения.

Введение.

В данной лекции рассматривается автоматизированные системы управления научным экспериментом и обучением.

Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), здесь рассматриваются системы которые предназначены для автоматизации научных экспериментов, а также для осуществления моделирования исследуемых объектов, явлений и процессов.

Обобщенная структура подсистем АСНИ, в данном вопросе рассматриваются основные классы формализуемых процедур для выполнения их автоматически техническими средствами АСНИ распределенные по подсистемам.

Взаимосвязь между АСНИ и САПР, данный вопрос рассматривает взаимосвязь между системами АСНИ и САПР. Данные системы могут отличатся друг от друга, но очень часто между обоими типами систем обнаруживается тесная связь.

Автоматизированные обучающие системы дистанционного обучения. В данном вопросе рассматривается роль компьютеров в обучении, пример одной из АСУО, структура системы дистанционного обучения (модуль создания учебных электронных материалов, модуль управления дистанционным обучением, модуль дистанционного обучения и обратной связи, модуль тестирования, модуль общесистемных справочников.) и структура системы тестирования (Редактора тестовых заданий, менеджера тестирования, Web-тестирования).

1. Автоматизированные системы научных исследований (АСНИ)

Автоматизированные системы научных исследований - предназначены для автоматизации научных экспериментов, а также для осуществления моделирования исследуемых объектов, явлений и процессов, изучение которых традиционными средствами затруднено или невозможно. В настоящее время научные исследования во многих областях знаний проводят большие коллективы ученых, инженеров и конструкторов с помощью весьма сложного и дорогого оборудования. Большие затраты ресурсов для проведения исследований обусловили необходимость повышения эффективности всей работы. АСНИ также эффективны для повышения эффективности научных исследований ряд процедур получения, анализа, передачи и накопления информации, связанных с использованием в ходе изысканий метода математического моделирования, они формализован и выполняется автоматизировано. Эффективность научных исследований в значительной степени связана с уровнем использования компьютерной техники. Компьютеры в АСНИ используются в информационно-поисковых и экспертных системах, а также решают следующие задачи:

управление экспериментом;

подготовка отчетов и документации;

позволяют сократить сроки исследований;

дают возможность повысить точность моделей и получить качественно новую информацию;

дают возможность повысить эффективность использования оборудования;

позволяют сократить вспомогательный персонал изыскательских групп;

поддержание базы экспериментальных данных и др.

В результате применения АСНИ возникают следующие положительные моменты:

в несколько раз сокращается время проведения исследования;

увеличивается точность и достоверность результатов;

усиливается контроль за ходом эксперимента;

сокращается количество участников эксперимента;

повышается качество и информативность эксперимента за счет увеличения числа контролируемых параметров и более тщательной обработки данных;

результаты экспериментов выводятся оперативно в наиболее удобной форме -- графической или символьной (например, значения функции многих переменных выводятся средствами машинной графики в виде так называемых «горных массивов»). На экране одного графического монитора возможно формирование целой системы приборных шкал (вольтметров, амперметров и др.), регистрирующих параметры экспериментального объекта.

Автоматизация исследований требует, прежде всего, расчленения изучаемой сложной системы на составные части (уровни строения) с целью установления закономерностей процессов на каждом уровне. На основе знания свойств каждого уровня предсказываются характеристики различных вариантов еще не существующих (гипотетических) систем, а глубокое понимание механизмов явлений позволяет целенаправленно искать наиболее эффективные элементы и структуры разрабатываемых систем. В мировой практике созданы и эксплуатируются сотни АСНИ для изучения систем на разных уровнях сложных.

2. Обобщенная структура подсистем АСНИ

Обобщенная структура важнейших подсистем при автоматизации исследований приведена на рисунке 1. Основные классы формализуемых процедур для выполнения их автоматически техническими средствами АСНИ распределяются по подсистемам следующим образом.

В автоматизированной подсистеме исследовательских стендов (АСИС) выполняется:

стабилизация режимных параметров процессов в объектах эксперимента (дозирование веществ, стабилизация температуры, давления и др. параметров в микро реакторах, фрагментах аппаратов или химико-технологических схемах) для уменьшения неконтролируемых возмущений (шумов);

программное управление во времени и пространстве режимными параметрами (создание контролируемых изменений независимых переменных объекта эксперимента по заданному плану);

логическое управление устройствами для измерения отклика объекта на контролируемые возмущения (автоматический отбор проб на анализ, переключение режимов работы приборов, перемещение датчиков в объекте и др.);

экспресс-анализ результатов измерений отклика объекта на возмущения (первичная обработка данных спектрального типа);

экспресс-анализ опытов (оценки материальных и тепловых балансов по всем параметрам, определяющим состояние объекта эксперимента).

Обобщенная структура автоматизированной системы научных исследований: АСИС, АСМ, АСЭИ - автоматизированные системы соответствия исследовательских стендов, моделирования гипотетических систем и управления экспериментальными исследованиями; КМ-константы моделей (оценки); СИ-сигналы измерения; СМ-структуры моделей; СУ-сигналы управления.

2. В подсистеме управления экспериментами (АСУЭ) автоматизируются:

качественный и численный анализ априорных математических моделей для конструирования исследовательских стендов, включая анализ для выбора типа объектов экспериментальных изысканий, методик измерения и управления ими;

выявление наиболее информационных опытов для данной модели или нескольких ее вариантов (планирование экспериментов);

определение статистических оценок констант моделей сравнением вычисленных по модели значений отклика объекта на контролируемые возмущения с измеренными значениями по заданным критериям оценки (обратные задачи моделирования).

3. В подсистеме моделирования гипотетических систем (АСМ) автоматизируются:

синтез вариантов математических моделей гипотетических систем и расчеты отклика моделей (прямые задачи моделирования) на основе априорной информации об элементах синтезируемой системы на первых этапах исследований и скорректированных моделей по экспериментальным данным;

оптимизация характеристик синтезируемых гипотетических систем и сравнение их с заданными целями изысканий;

анализ оценок гипотетических систем для уточнения познавательных задач, решаемых в подсистеме экспериментами исследований (АСЭИ), образуемой сочетанием подсистем АСИС и АСУЭ;

анализ чувствительности оценок гипотетических систем к параметрам элементов моделей для определения направления поиска более эффективных элементов.

При объединении подсистем АСЭИ и АСМ образуется АСНИ. Главный принцип создания технических и программных средств АСНИ - модульное построение систем с обеспечением сопряжения пользователем отдельных модулей в систему без специальных дополнительных разработок (стандартизация интерфейсов, создание унифицированных магистралей для подключения цифровых приборов в систему). Важнейшее условие эффективного функционирования АСНИ - обеспечение возможности для исследователя активно контролировать все выполняемые АСНИ процедуры и управлять ими. Для этого создаются системы программ, обеспечивающие исследователям связь АСНИ через дисплеи в режиме диалога на языке в терминах химиков-экспериментаторов без знаний специальных вопросов программирования. В результате комплексной автоматизации ряда процедур в АСНИ сроки исследований сокращаются в 3-5 раз, а точность данных повышается в 2-3 раза. Широкое использование физ. методов измерений позволяет на основе изучения динамики процессов получать в АСНИ качественно новую информацию для более глубокого понимания различных механизмов процесса и выбора оптимальных инженерных решений.

Для решения задач на уровне отдельных видов оборудования созданы АСНИ, в которых элементы системы представлены в виде математических моделей элементов того или иного аппарата (слой катализатора, теплообменник, распределит, устройство и др.). Одна из главных задач - изучение и прогнозирование поведения различных моделей в промышленных условиях. В таких АСНИ общий объем экспериментов значительно сокращается за счет поиска оптимальных решений на моделях гипотетических аппаратов, а стоимость опытных установок, в результате уменьшения масштабов изучаемых фрагментов аппаратуры.

Повышение чувствительности и применение наиболее универсальных аналитических приборов позволяет обнаруживать в АСНИ коллективные эффекты в исследовательских стендах лабораторных масштабов и существенно сокращать затраты средств и времени на строительство экспериментальных установок. Одновременно применение в АСНИ схем математических моделей аппаратов, полученных от других уровней, дает возможность сокращать время на опыты за счет изучения и выбора на моделях оптимальных режимов и экспериментов до начала опытных работ и оперативной коррекции хода исследований.

Дальнейшее развитие АСНИ связано с организацией отдельных систем в единую иерархическую отраслевую систему, которая позволила бы специалистам различного профиля оперативно обмениваться информацией (коллективный интеллект) для максимального сокращения затрат средств и времени на реализацию в промышленности результатов научных исследований.

3. Взаимосвязь между АСНИ и САПР

Каждая из систем АСНИ и САПР, конечно, имеет свою специфику и отличается поставленными целями и методами их достижения. Однако очень часто между обоими типами систем обнаруживается тесная связь, и их роднит не только то, что они реализуются на базе компьютерной техники. Например, в процессе проектирования может потребоваться выполнение того или иного исследования, и, наоборот, в ходе научного исследования может возникнуть потребность и в конструировании нового прибора и в проектировании научного эксперимента. Такая взаимосвязь приводит к тому, что на самом деле «чистых» АСНИ и САПР не бывает: в каждой из них можно найти общие элементы. С повышением их интеллектуальности они сближаются. В конечном счете, и те и другие должны представлять собой экспертную систему, ориентированную на решение задач конкретной области.

Пример применения АСНИ

С целью исследований на молекулярном уровне создаются АСНИ для выявления структуры и расположения атомов в молекулах полученных соединений. В ЭВМ синтезируются модели гипотетических молекул и на базе квантово-химических представлений рассчитываются спектры этих молекул. Сравнением вычисленных и измеренных спектров подбираются самые вероятные структуры молекул. Из выбранных структур более точными расчетами и дополнительными исследованиями уточняется пространственное расположение атомов в молекуле.

Основная задача - выбор эффективных каталитические системы и режима работы катализатора. Для решения этой задачи синтезируются варианты гипотетических маршрутов химических реакций, по которым в ЭВМ автоматически составляются системы дифференциальных уравнений, представляющих собой математические модели кинетики реакций. Число вариантов моделей ограничивается по результатам предварительных экспериментов. На основе анализа входных и выходных расходов и концентраций потоков, температур и давлений в исследуемых реакторах (в контролируемых условиях тепло- и масса- обмена внутри реакции слоя) оцениваются константы скоростей и энергии активации в уравнениях кинетики. Анализ особенностей кинетических уравнений дает возможность планировать последующие эксперименты для сокращения числа гипотез и выбора оптимальных условий использования каталитических системы. Выявление лимитирующих стадий процесса позволяет найти направление совершенствования катализатора. Принципиальное улучшение исследований данного класса стало возможным на базе изучения кинетики химических реакций в динамических режимах и благодаря слежению физическими методами за состоянием активных центров катализатора в ходе реакций.

4. Автоматизированные обучающие системы дистанционного обучения

Роль компьютеров в обучении.

Процесс подготовки квалифицированных специалистов длителен и сложен. Обучение в средней школе и затем в вузе занимает почти треть продолжительности жизни человека. К тому же в современном информационном обществе знания очень быстро стареют. Чтобы быть способным выполнять ту или иную профессиональную деятельность, специалисту необходимо непрерывно пополнять своё образование.

В современном информационном обществе основной уклон людей должен делаться не на то, что им надо знать, а на то как эти знания необходимо получать. Реально, это возможно лишь с введением в образовательный процесс новых средств. Основная задача среднего и высшего этапов образования состоит не в том, чтобы сообщить как можно больший объем знаний, а в том, чтобы научить эти знания добывать самостоятельно и творчески применять для получения нового знания. Новые знания информационных технологий (СНИТ), должны быть ориентированы на реализацию целей обучения и воспитания.

Средства новых информационных технологий -- это программно-аппаратные средства и устройства, функционирующие на базе компьютерной техники, а также современные средства и системы информационного обмена, обеспечивающие операции по сбору, созданию, накоплению, хранению, обработке и передачи информации.

Автоматизированные обучающие системы (АОС) -- комплексы программно-технических и учебно-методических средств, обеспечивающих активную учебную деятельность. АОС обеспечивают не только обучение конкретным знаниям, но и проверку ответов учащихся, возможность подсказки, занимательность изучаемого материала и др.

АОС представляют собой сложные человеко-машинные системы, в которых объединяется в одно целое ряд дисциплин: дидактика (научно обосновываются цели, содержание, закономерности и принципы обучения); психология (учитываются особенности характера и душевный склад обучаемого); моделирование, машинная графика и др. Основное средство взаимодействия обучаемого с АОС -- диалог. Диалогом с обучающей системой может управлять как сам обучаемый, так и система. В первом случае обучаемый сам определяет режим своей работы с АОС, выбирая способ изучения материала, который соответствует его индивидуальным способностям. Во втором случае методику и способ изучения материала выбирает система, предъявляя обучаемому в соответствии со сценарием кадры учебного материала и вопросы к ним. Свои ответы обучаемый вводит в систему, которая истолковывает для себя их смысл и выдает сообщение о характере ответа. В зависимости от степени правильности ответа, либо от вопросов обучаемого система организует запуск тех или иных путей сценария обучения, выбирая стратегию обучения и приспосабливаясь к уровню знаний обучаемого.

Экспертные обучающие системы (ЭОС). Реализуют обучающие функции и содержат знания из определенной достаточно узкой предметной области. ЭОС располагают возможностями пояснения стратегии и тактики решения задачи изучаемой предметной области и обеспечивают контроль уровня знаний, умений и навыков с диагностикой ошибок по результатам обучения.

Учебные базы данных (УБД) и учебные базы знаний (УБЗ), ориентированные на некоторую предметную область. УБД позволяют формировать наборы данных для заданной учебной задачи и осуществлять выбор, сортировку, анализ и обработку содержащейся в этих наборах информации. В УБЗ, как правило, содержатся описание основных понятий предметной области, стратегия и тактика решения задач; комплекс предлагаемых упражнений, примеров и задач предметной области, а также перечень возможных ошибок обучаемого и информация для их исправления; база данных, содержащая перечень методических приемов и организационных форм обучения.

Системы Мультимедиа. Позволяют реализовать интенсивные методы и формы обучения, повысить мотивацию обучения за счет применения современных средств обработки аудиовизуальной информации, повысить уровень эмоционального восприятия информации, сформировать умения реализовывать разнообразные формы самостоятельной деятельности по обработке информации.

Системы Мультимедиа широко используются с целью изучения процессов различной природы на основе их моделирования. Здесь можно сделать наглядной невидимую обычным глазом жизнь элементарных частиц микромира при изучении физики, образно и понятно рассказать об абстрактных и n-мерных мирах, доходчиво объяснить, как работает тот или иной алгоритм и т.п. Возможность в цвете и со звуковым сопровождением промоделировать реальный процесс поднимает обучение на качественно новую ступень.

Системы «Виртуальная реальность». Применяются при решении конструктивно-графических, художественных и других задач, где необходимо развитие умения создавать мысленную пространственную конструкцию некоторого объекта по его графическому представлению; При изучении стереометрии и черчения; в компьютеризированных тренажерах технологических процессов, ядерных установок, авиационного, морского и сухопутного транспорта, где без подобных устройств принципиально невозможно отработать навыки взаимодействия человека с современными сверхсложными и опасными механизмами и явлениями.

...