Системы автоматизированного управления на базе компьютерных технологий

Размещено на http://allbest.ru

Департамент образования города Москвы

Некоммерческая организация «Ассоциация московских вузов» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»

Научно-образовательный материал

Организация и проведение мастер-классов по направлению «Компьютерные технологии в области автоматизации и управления»

Системы автоматизированного управления на базе компьютерных технологий

Москва 2011 г.



1. Определение понятия «компьютерная технология»

В современных системах автоматизации и управления основным техническим средством обработки информации, выполнения научно-технических расчетов, вычисления задающих и управляющих воздействий является компьютер. Внедрение компьютера в технологию таких сфер как научная, производственная, обработки информации и процессов управления подчеркивается прилагательным «компьютерная». В понятие «компьютерная технология» включаются также коммуникационные технологии, которые обеспечивают передачу информации по каналам связи (информационно-вычислительные сети). В современной литературе можно встретить различные определения технологий в сфере обработки информации и управления. Наиболее часто употребляется термин «информационная технология». автоматизированный управление компьютерный

Замечание: Между терминами «компьютерная технология» и «информационная технология» существует различие в том смысле, что обработка информации может осуществляться и без помощи компьютера. Однако в современных условиях, тем более в таких областях как автоматизация производственных процессов, проектирование изделий различного назначения, выпуск документации и др. использование компьютеров находит самое широкое применение. В этой связи в тексте данного учебника оба термина будут использоваться как синонимы.

Компьютерная технология - процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).

Компьютерная технология - информационная технология, использующая компьютеры и телекоммуникационные средства.

Прилагательное «компьютерная» подчеркивает, что основным техническим средством ее реализации является компьютер.

Поскольку предметом нашего изучения являются компьютерные технологии в области автоматизации и управления, а задачи автоматизации решаются в свою очередь с помощью систем автоматизации (автоматизированных систем), перейдем к определению понятия автоматизированная система.



2. Определение автоматизированной системы

2.1 Понятие автоматизированной системы

Система (system - целое, составленное из частей; греч.) - это совокупность элементов, взаимодействующих друг с другом, образующих определенную целостность, единство.

Архитектура системы - совокупность свойств системы, существенных для пользователя.

Элемент системы - неделимая элементарная часть системы. Совокупность элементов, имеющих определенное функциональное назначение и состоящих из взаимосвязанных элементов, называют подсистемой.

Замечание: Представление некоторой системы в виде элементов и подсистем зависит от уровня и степени детализации. Это особенно проявляется при рассмотрении сложных систем. Например, на верхнем уровне детализации в системе управления производством можно выделить следующие подсистемы: экономическую, логистическую, производственную, энергетическую и т.п. В то же время каждую из названных подсистем можно рассматривать как самостоятельную систему. На следующих, более нижних уровнях детализации, в качестве самостоятельной системы может рассматриваться, например, система охранной сигнализации или система утилизации производственных отходов и т.д.

Организация системы - внутренняя упорядоченность, согласованность взаимодействия элементов системы, проявляющаяся, в частности, в ограничении разнообразия состояния элементов в рамках системы.

Структура системы - состав, порядок и принципы взаимодействия элементов системы, определяющие основные свойства системы. Если отдельные элементы системы разнесены по разным уровням и характеризуются внутренними связями, то говорят об иерархической структуре системы.

Приведем определения в соответствии с ГОСТ 34.003-90.

Автоматизированная система. AC: Система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.

В зависимости от вида деятельности выделяют, например, следующие виды АС: автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) и др.

В зависимости от вида управляемого объекта (процесса) АСУ делят, например, на АСУ технологическими процессами (АСУТП), АСУ предприятиями (АСУП) и т.д.

Дадим развернутое определение. АС - совокупность персонала, технических и программных средств, математических методов и организационных комплексов, обеспечивающих рациональное управление сложным объектом или процессом в соответствии с заданной целью.

В составе АС выделяют:

– основную часть, в которую входят информационное, техническое и математическое обеспечение;

– функциональную часть, к которой относятся взаимосвязанные программы, автоматизирующие конкретные функции управления.

В современном понимании автоматизированная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

В нормативно-правовом смысле автоматизированная система определяется как «организационно упорядоченная совокупность документов (массив документов) и информационных технологий, в том числе и с использованием средств вычислительной техники и связи, реализующих информационные процессы» (Закон РФ «Об информации, информатизации и защите информации» от 20.02.1995, № 24-ФЗ).

2.2 Процессы, протекающие в автоматизированных системах

Информационный процесс - процесс создания, сбора, обработки, накопления, хранения, поиска, распространения и потребления информации (Закон РФ «Об участии в информационном обмене» от 04.07.1996, № 85-ФЗ).

Информационный ресурс - это отдельные документы и отдельные массивы документов, документы и массивы документов в различных видах автоматизированных систем (Закон РФ «Об участии в информационном обмене»).

В нормативно-правовом аспекте документ определяется как зафиксированная на материальном носителе информация с реквизитами, позволяющими ее идентифицировать.

Процесс документирования превращает информацию в информационные ресурсы.

Процессы, обеспечивающие работу автоматизированной системы любого назначения, условно можно представить состоящими из следующих этапов:

– ввод информации из внешних или внутренних источников;

– обработка входной информации и представление ее в удобном (требуемом) виде;

– хранение информации в виде баз данных, информационных массивов, файлов;

– вывод информации для представления потребителям или передачи в другую систему;

– передачу информации по каналам связи от источника потребителю;

– изменение входной информации по требуемому закону.

Процессы реализуются с помощью процедур, реализующих тот или иной механизм переработки входной информации в конкретный результат.

Различают следующие типы процедур:

1. Полностью формализуемые, при выполнении которых алгоритм переработки информации остается неизменным и полностью определен (поиск, учет, хранение, передача информации, печать документов, расчет на моделях, алгоритм управления исполнительным устройством).

2. Неформализуемые процедуры, при выполнении которых создается новая уникальная информация, причем алгоритм переработки исходной информации неизвестен (формирование множества альтернатив выбора, выбор одного варианта из полученного множества).

3. Плохо формализованные процедуры, при выполнении которых алгоритм переработки информации может изменяться, и полностью не определен (задача планирования, оценка эффективности вариантов и т.п.).

Информационные процессы реализуются с помощью информационных процедур, реализующих тот или иной механизм переработки входной информации в конкретный результат.

Процессы создания и поддержки автоматизированных систем: разработка и настройка системы на выполнение определенного класса задач, администрирование (поддержка службы доступа, прав пользователей), обработка запросов; поддержание целостности и сохранности информации; периодическая ревизия информации; автоматизация индексирования информации.

В целом автоматизированные системы определяется следующими свойствами:

– при построении автоматизированной системы необходимо использовать системный подход;

– любая автоматизированная система может быть подвергнута анализу, построена и управляема на основе принципов теории систем;

– в автоматизированную систему должен быть заложен принцип дальнейшего развития и расширения (расширяемость, масштабируемость);

– выходной продукцией автоматизированной системы является информация, на основе которой принимаются решения;

– автоматизированную систему следует рассматривать как человеко-машинную систему обработки информации и управления.

Использование автоматизированных систем может служить для эффективного решения следующих основных задач:

– получение более рациональных вариантов решения задач управления за счет внедрения математических методов;

– освобождение работников от рутинной работы за счет ее автоматизации;

– повышение достоверности информации, на основе которой принимаются решения;

– совершенствование структуры информационных потоков (включая систему документооборота);

– уменьшение в целом затрат на производство продукции (включая информационные).

Замечание: Следует сказать, что разработка и внедрение автоматизированных систем, особенно на первых этапах, требуют значительных материальных ресурсов. Это связано с закупкой средств вычислительной техники и программного обеспечения, набором обслуживающего персонала или повышением его квалификации, повышением общей культуры производства и его подготовкой к задачам информатизации и многих других факторов. Все это в значительной степени сдерживает внедрение современных компьютерных технологий на большинстве отечественных предприятий и организаций.



3. Классификация автоматизированных систем

Системы управления делятся на два больших класса: системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные системы управления (АСУ). В САУ управление объектом или системой осуществляется без непосредственного участия человека автоматическими устройствами. Это замкнутые системы. Основные функции САУ: автоматический контроль и измерения, автоматическая сигнализация, автоматическая защита, автоматические пуск и остановка различных двигателей и приводов, автоматическое поддержание заданных режимов работы оборудования, автоматическое регулирование. В отличие от САУ в АСУ в контур управления включен человек, на которого возлагаются функции принятия наиболее важных решений и ответственности за принятые решения. Под АСУ обычно понимают человеко-машинные системы, использующие современные экономико-математические методы, компьютерные технологии, средства связи, а также новые организационные принципы для отыскания и реализации на практике наиболее эффективного управления объектом (системой).

Классификация АСУ может осуществляться по различным признакам: функциональному, структурному, по сфере применения, по характеру используемой информации и др.

По сфере применения различают:

– управления предприятием (АСУП);

– производственные системы;

– административные системы (человеческих ресурсов);

– финансовые и учетные системы;

– системы маркетинга;

– системы научных исследований;

– автоматизации проектирования;

– системы моделирования;

– проблемно-ориентированные.

Производственные системы подразделяются на:

– автоматизированные системы управления производством;

– автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП);

– автоматизированные системы управления техническими средствами.

АСУ предприятием (АСУП) предназначены для автоматизации функций управленческого персонала. К этому классу относятся информационные системы управления как промышленными фирмами, так и непромышленными объектами: гостиницами, банками, торговыми фирмами и др. Эти системы ориентированы как на стратегические, так и на тактические функции, обеспечивающие широкий спектр управленческих и производственных задач.

АСУ технологическими процессами (АСУТП) служат для автоматизации функций производственного персонала. Они контролируют и используют данные, определяющие состояние технологического оборудования и обеспечивают требуемый режим протекания технологических процессов. Именно эти системы называют системами промышленной автоматизации. В состав АСУТП вводят систему SCADA (Supervisory Control and Data Acquition). Непосредственное программное управление технологическим оборудованием осуществляют с помощью системы CNC (Computer Numerical Control) на базе контроллеров (специализированных компьютеров, называемых промышленными), которые встроены в технологическое оборудование.

Системы автоматизированного проектирования (САПР) предназначены для автоматизации функций инженеров-проектировщиков, конструкторов, архитекторов, дизайнеров при создании новой техники или технологии. Основными функциями подобных систем являются: инженерные расчеты, создание графической документации (чертежей, схем, планов), создание проектной документации, моделирование проектируемых объектов.

Интегрированные (корпоративные) АСУ используются для автоматизации основных функций предприятия, охватывая весь цикл работ от планирования производства и проектирования продукции до сбыта и возможно утилизации продукции. Создание таких систем весьма затруднительно, поскольку требует системного подхода с позиций главной цели, например получения прибыли, завоевания рынка сбыта и т.д. Такой подход может привести к существенным изменениям в самой структуре предприятия, на что может решиться не каждый управляющий.

По способу организации архитектуры компьютеров групповые и корпоративные АСУ подразделяются на следующие классы:

– системы на основе архитектуры файл-сервер;

– системы на основе архитектуры клиент-сервер;

– системы на основе многоуровневой архитектуры;

– системы на основе коммуникационных (интернет) технологий.

Приведенная классификация не является исчерпывающей. При необходимости ее можно дополнить.



4. Виды обеспечения автоматизированных систем

Системы автоматизированного управления являются сложными АС.

Общую структуру сложной системы можно рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения. В этом случае говорят о структурном признаке классификации, а подсистемы называют обеспечивающими.

Таким образом, структура любой сложной системы, в частности сложной системы автоматизированного управления, может быть представлена совокупностью обеспечивающих подсистем (рис. 1), среди которых обычно выделяют:

– информационное,

– техническое,

– математическое и программное,

– организационное и правовое обеспечение.

Информационное обеспечение - совокупность единой системы классификации и кодирования информации, унифицированных систем документации, схем информационных потоков, циркулирующих в объекте автоматизации (предприятии, производстве, сложном объекте и т. п.), а также методология построения баз данных.

Назначение подсистемы информационного обеспечения состоит в своевременном формировании и выдаче достоверной информации для принятия управленческих решений на различных уровнях иерархии.

Техническое обеспечение - комплекс технических средств, обеспечивающих работу автоматизированной системы, документация на эти средства и технологические процессы.

– Комплекс технических средств составляют:

– компьютеры (любых платформ);

– устройства сбора, накопления, обработки и вывода информации;

– устройства передачи/приема данных и линии связи;

– оргтехника и другие вспомогательные устройства;

– эксплуатационные и расходные материалы и др.

К настоящему времени сложились две основные формы организации технического обеспечения (формы использования технических средств) - централизованная и частично или полностью децентрализованная.

Рис. 1. Структура системы автоматизированного управления

Централизованное техническое обеспечение базируется на использовании в автоматизированной системе больших компьютеров (мейнфреймов, супер ЭВМ) и вычислительных центров.

Децентрализация технических средств, предполагает реализацию функциональных подсистем сложной АС на рабочих станциях, персональных компьютерах, промышленных компьютерах непосредственно на рабочих местах.

Перспективным подходом следует считать, по-видимому, частично децентрализованный подход - организацию технического обеспечения на базе распределенных сетей, состоящих из персональных и больших компьютеров для хранения баз данных, общих для любых функциональных подсистем.

Для автоматизации сложных объектов или процессов территориально расположенных на ограниченном пространстве часто оказывается целесообразной централизованная структура. Для объектов, распределенных на большой территории, например в различных зданиях, удаленных друг от друга филиалах, либо таких объектов как перекачивающие станции (газ, нефть), электрические сети и т.п. единственной целесообразной структурой оказывается децентрализованная структура.

Математическое и программное обеспечение - совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач автоматизированной системы, а также нормального функционирования комплекса технических средств.

К средствам математического обеспечения относятся:

– средства моделирования систем и процессов управления;

– типовые алгоритмы управления оборудованием и процессами;

– методы математической теории систем, системотехники, математической статистики, теории массового обслуживания, математического программирования и др.

В состав программного обеспечения входят общесистемные и специальные программные продукты, а также техническая документация, рис. 2.

Рис. 2. Состав программного обеспечения

К общесистемному программному обеспечению относятся комплексы программ, ориентированных на пользователей и предназначенных для решения типовых задач обработки информации и управления. Они служат для расширения функциональных возможностей компьютеров, контроля и управления процессом обработки данных.

Специальное программное обеспечение представляет собой совокупность программ, разработанных при создании конкретной автоматизированной системы. В его состав входят пакеты прикладных программ, реализующие разработанные модели разной степени адекватности, отражающие функционирование реального объекта.

Техническая документация на программные средства должна содержать описание задач, их алгоритмизацию, экономико-математическую модель задачи, контрольные примеры.

Организационное обеспечение - совокупность методов и средств, регламентирующих взаимодействие работников с техническими средствами и между собой в процессе разработки и эксплуатации АСУ. Организационное обеспечение создается по результатам пред проектного обследования организации (предприятия, производства) и реализует следующие функции:

– анализ существующей системы управления объектом, где будет использоваться АСУ, и выявление задач, подлежащих автоматизации;

– подготовку задач к решению на компьютере, включая техническое задание на проектирование АСУ и технико-экономическое обоснование эффективности;

– разработку управленческих решений по составу и структуре организации, методологии решения задач, направленных на повышение эффективности.

Правовое обеспечение - совокупность правовых норм, определяющих создание, юридический статус и функционирование информационно-управляющих подсистем и систем в целом, регламентирующих порядок получения, преобразования и использования информации.

Главной целью правового обеспечения является укрепление законности. Оно базируется на законах, указах, постановлениях государственных органов власти, приказах, инструкциях и других нормативных документах министерств, ведомств, организаций, местных органов власти.

В правовом обеспечении можно выделить общую часть, регулирующую функционирование любой АСУ, как информационно-управляющей системы, так и локальную часть, регулирующую функционирование конкретной подсистемы.

Правовое обеспечение включает:

– статус системы;

– права и обязанности разработчика (поставщика) и заказчика;

– права, обязанности и ответственность персонала;

– правовые положения отдельных видов процесса управления;

– порядок создания и использования информации и др.



5. Контрольные вопросы

1. Что такое информационные процессы?

2. Что такое автоматизированная система (система автоматизированного управления)?

3. Какими свойствами обладает автоматизированная система?

4. Как можно классифицировать информационные системы?

5. Какие типы автоматизированных систем существуют?

6. Какова роль АСУП и АСУТП?

7. Что означает понятие распределенная система?

8. Что такое человеко-машинная система?

9. Что такое сложная автоматизированная система?

10. Какие виды обеспечения вам известны?

Размещено на Allbest.ru

...