Автоматизированные информационно-управляющие системы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» ПРИОРИТЕТНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «ОБРАЗ ОВАНИЕ» Т.А.ПЬЯВЧЕНКО, В.И.ФИHАЕВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ Таганpог 2007 2 УДК 681.5:658.5(075.8) Т.А.Пьявченко, В.И.Финаев. Автоматизированные информационноуправляющие системы. - Таганpог: Изд-во ТРТУ, 2007. - 271 c. ISBN В монографии рассмотрены теоретические основы построения распределенных иерархических информационно-управляющих систем, автоматизированных систем управления технологическими процессами. Даются рекомендации по выбору технических средств при разработке указанных систем. Многочисленные примеры помогают восприятию изложенного материала. Материал, изложенный в настоящей книге по SCADA-системе TRACE MODE и особенностям учебного лабораторного стенда, позволяет получить навыки проектирования систем сбора данных и оперативного диспетчерского управления, расширит кругозор будущих специалистов, и в дальнейшем позволит применять эти знания в своей производственной деятельности. В настоящей монографии приведены сведения, касающиеся профессиональной подготовки студентов по специальностям “Управление и информатика в технических системах”, “Автоматизация технологических процессов и производств”. Монография будет полезным научным работникам, инженерам, аспирантам и студентам старших курсов технических университетов. Табл. 10. Ил. 115. Библиогр. 76 назв. Печатаетcя по pешению pед.-изд. cовета гоcудаpcтвенного pадиотеxничеcкого унивеpcитета. Таганpогcкого Рецензенты: Региональный (областной) центр новых информационных технологий, директор центра, проректор по информатике, докт. техн. наук, профессор А.Н.Целых. Ромм Я.Е., докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой информатики ТГПИ. ISBN  Таганрогский государственный радиотехнический университет, 2005 © ТРТУ, 2006 © Пьявченко Т.А., Финаев В.И., 2006 3 CОДЕPЖАHИЕ ВВЕДЕHИЕ ЧАСТЬ 1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ (ИУС) 1.1. Системный анализ задач управления 1.2. Особенности и классификация автоматизированных информационно-управляющих систем 1.3 Структура автоматизированных информационно-управляющих систем 2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 2.1. Методологическая основа проектирования 2.2. Начальные этапы разработки 2.3. Орган и заци я разработ ки автоматизированных и н ф орм аци он н о-уп равл я ющ и х си ст ем 2.4. Рабочая документация по проектированию 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 3.1. Структуризация работ проектирования 3.2. Ин ф орм аци он н о-уп равл я ющ и е асп ект ы п роект и рован и я АИУС 3.3. Этапы проектирования АИУС 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 4.1. Формализация целей и параметров 4.2. Ком п л екс т ехн и ч ески х сред ст в 4.3. Информационное обеспечение АИУС 4.4. Выбор математического и программного обеспечения 4.5. Расчет потребности в вычислительных средствах 4 4 4.6. Модель экономической эффективности АИУС ЧАСТЬ 2. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АСУТП 1.1. Примеры автоматизированных систем управления технологическими процессами 1.2. Отличие автоматических систем управления от систем автоматического управления 1.3. Классификация АСУТП 1.4. Основные функции АСУ 1.5. Разновидности структур АСУТП 1.6. Этапы проектирования АСУТП 1.7. Характеристики технологического процесса как объекта контроля и управления 1.8. Функции АСУТП как последовательность отдельных процессов 2. ПОДСИСТЕМА СБОРА И ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 2.1. Комплекс технических средств подсистемы сбора и первичной обработки информации. Принципы компоновки 2.2. Устройства распределенного сбора данных и управления серии ADAM 2.3. Модуль аналогового ввода ADAM-4011 2.4. Выбор модулей подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов 2.5. Алгоритмы первичной обработки информации 2.6. Оценка погрешностей программных модулей ПСОИ 2.7. Ввод и первичная обработка дискретных сигналов 3. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ 3.1 Общие сведения 3.2. Структура локальной системы управления 3.3. Алгоритмы формирования управляющих воздействий 3.4. Алгоритмическая структура локальной системы с цифровым устройством управления 3.5. Характеристики многорежимных технологических процессов 5 3.6. Погрешности вычисления управляющих воздействий. Выбор микроконтроллера для целей управления 3.7. Сред ст ва реал и заци и уп равл я ющ и х возд ей ст ви й 4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 4.1. Общие сведения 4.2. Требования к оформлению функциональных схем 4.3. Изображение технологического оборудования и коммуникаций 4.4. Буквенные условные обозначения приборов и средств автоматизации (ГОСТ 21.404-85) 4.5. Проектная документация 5. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ АСУТП НА БАЗЕ SCADA-СИСТЕМЫ TRACE MODE 5.1. Идеология распределенных комплексов с применением SCADA-систем 5.2. Архитектура TRACE MODE 5.3. Основные понятия системы TRACE MODE 5.4. Обмен данными в SCADA-системе TRACE MODE 5.5. Обмен данными через механизмы ОРС 5.6. Обмен с базами данных через механизмы ODBC 6. ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ АСУТП НА БАЗЕ SCADA-СИСТЕМЫ TRACE MODE 6.1. Учебный лабораторный стенд 6.2. Создание проекта 6.3. Исследование АСУТП на учебном лабораторном стенде ЗАКЛЮЧЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 6 ВВЕДЕНИЕ Рост числа производственных и информационных связей между отдельными предприятиями и учреждениями, повышение эффективности производства, перепрофилирование предприятий в условиях рынка сопровождаются ростом сложности процессов управления и систем управления. Увеличение объема информации, охватывающей все стороны производства, с ростом самого производства приводит к значительному усложнению задач управления. Системой управления называется система, в которой реализуется процесс управления путем взаимодействия объекта управления и управляющей части. Различают автоматические и автоматизированные (информационно-управляющие) системы управления. В системах автоматического управления (САУ), состоящих из объекта управления и управляющего устройства (управляющей части), человек непосредственного участия в процессе управления не принимает. В автоматизированных системах управления (АСУ) предполагается обязательное участие людей в процессах управления. Сбор, анализ и преобразование информации в информационноуправляющих системах выполняется с помощью вычислительной техники. Эффективное решение задач управления в настоящее время немыслимо без привлечения средств вычислительной техники и всевозможных автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС), в число которых входят автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) [1]. АИУС и АСУТП создаются для совершенствования управления отраслями и отдельными предприятиями на основе применения математических методов, современных средств вычислительной техники и средств связи для наилучшего использования производственных фондов, увеличения выпуска продукции, снижения ее себестоимости, повышения производительности труда, рентабельности производства и роста прибылей. Проектирование АИУС требует постановки задачи проектирования в различных аспектах: информационном, техническом, 7 математическом и эргономическом. Следует отметить, что нет единого подхода к решению подобных задач и не существует специализированного программного продукта, наиболее адаптированного к нуждам конкретных предприятий. Разработка АИУС начинается с постановки задачи проектирования, решения исследовательских задач. Решение задачи создания АИУС состоит из многих этапов: - аналитического исследования функционирования предприятия; - подготовки технических заданий; - создания пилот-проекта АИУС; - внедрения АИУС. Подобный подход позволяет создать именно такую АИУС, которая будет полностью соответствовать его назначению, решать комплексно все задачи управления, а само проектирование и внедрение АИУС будет осуществлено с наименьшими затратами. На начальном этапе, перед написанием технических заданий, проводится аналитическое исследование функционирования предприятия и его подразделений с целью постановки задач проектирования. В постановку задач проектирования входит разработка модели функционирования предприятия. Из практики известно, что при исследовании любых сложных объектов с целью дальнейшего построения АИУС необходимо вначале разработать математическую модель. Исследование модели математическими методами позволяет получить рекомендации относительно поведения реального объекта. Цель моделирования функционирования предприятия и его подразделений многосторонняя. Это получение обоснованного представления о характеристиках объектов исследования, поведении при действии возмущающих и управляющих воздействий, а также при изменении структуры объектов. Постановка задачи, отвечающая цели предприятия, формализация условий функционирования, достаточно полная математическая модель функционирования приведут к такому техническому заданию, в котором будут учтены требования автоматизации не только реального времени, но и перспективного развития. 8 Дальнейшая реализация пилот-проекта АИУС будет непосредственно связана с выполнением условий технического задания. Для внедрения и эксплуатации АИУС необходимо создание современных технических средств сбора, организации передачи и обработки информации, а также специально подготовленных кадров. Ранее известная, традиционная концепция [2] создания систем управления производственными процессами предусматривает ограниченную формализацию этапов проектирования автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС), считая их творческими актами, успех выполнения которых почти полностью определяется профессиональными и личностными качествами управленческого персонала. Однако современные компьтерные средства и технологии позволяют создавать высокоэффективные по точности, быстродействию и широте решаемых задач системы управления производством. В предисловии научного редактора В.Л. Гуревича к книге Э.А. Трахтенгерца [2] дана характеристика укрупненной схемы предприятия, которая, на наш взгляд, оказалась настолько удачной, что воспроизводим её фактически без купюр. В недалеком прошлом традиционное управление предприятиями замыкалось в основном на решении внутренних задач, связанных с организацией внутрифирменной деятельности. Это было особенно характерно было для Советского Союза с жесткой системой планирования "от достигнутого" при полном отсутствии рыночных отношений. России удалось вырваться из тисков тоталитарной системы и влиться в мировое сообщество. Однако и мировое сообщество в последние годы претерпело существенные перемены: результаты деятельности фирм все больше стали зависеть от внешних связей с другими фирмами. Вместе с тем испытанное временем иерархическое построение организационной структуры систем управления изменилось очень мало. На рис. 1 представлена укрупненная схема предприятия, включающая производство, организацию и управление. Производственное предприятие, упрощенно показанное в виде прямоугольника, состоит из трех блоков: - А - подготовка и обслуживание производства; - В - собственно производство; - С - сбыт готовой продукции. 9 Информационные потоки Система принятия решений (СПР) Управление предприятием Системы поддержки принятия решений (СППР) Системы сбора, обработки, хранения, и представления информации (ССОИ) Энергосистемы, сырье, материалы Управляющие воздействия Информация обратной связи А. Подготовка и обслуживание производства В. Собственно производство С. Сбыт готовой продукции Рис. 1. Укрупненная схема предприятия В блок А входят склады сырья и исходных материалов, ремонтные, транспортные цехи, службы информации, связи и др. Блок В состоит из цехов основного производства, включающих технологические агрегаты, конвейерные и транспортные линии, склады полуфабрикатов и др. Блок С – сбыт готовой продукции подразумевает, в основном, склады готовой продукции. Основу производства составляют оборудование, производственный персонал, материальные, энергетические, информационные и др. ресурсы. Управление предприятием показано в виде треугольника, состоящего из трех "слоев". Внутри и снаружи треугольника управления циркулируют информационные потоки. Сверху вниз управляющие воздействия, снизу вверх - информация обратной связи, по горизонтали - обмен информацией между внутренними объектами одного уровня, а также между внутренними и внешними объектами. Механизм управления включает в себя управленческий персонал, компьютерные сети, финансовые, информационные и другие ресурсы. 10 Задача управления производством сводится к рациональному управлению потоками ресурсов: материальных, энергетических, финансовых, информационных и др. Основание треугольника — это системы сбора, обработки, хранения, передачи и представления информации – информационная система (ИС). ИС представляют собой информационную модель предприятия, которая отображает не только текущее состояние предприятия, но и состояние за прошедшие периоды времени. Во многих случаях требуется хранить информацию о готовой продукции, исходных и промежуточных материалах, технологических режимах, состоянии оборудования, сведения об исполнителях и др. в течение нескольких лет. На вершине треугольника управления находятся руководители предприятия, принимающие решения и образующие системы принятия решений (СПР). Каждое предприятие стремится достичь определенных целей своей деятельности. Целей деятельности бывает несколько. У разных предприятий они могут существенно отличаться, но две из них одинаковы для всех предприятий. Первая цель социальная, направленная на пользу общества (например, производство необходимой обществу продукции, обеспечение необходимым количеством рабочих мест, защита окружающей среды и др.), а вторая цель - экономическая, заключающаяся в получении от деятельности предприятия максимальной прибыли. В системном анализе существет задача структуризации целей [3]. Между основанием треугольника управления и его вершиной находится среднее звено специалистов, образующее системы поддержки принятия решений (СППР). Эти специалисты выполняют многовариантные расчеты, используя полученные от руководителей значения критериев оптимальности и значения ограничений, а также полученные от объектов фактические значения контролируемых параметров производства». Из сказанного выше можно сделать вывод: большинство интегрированных систем управления производством имеют иерархическую структуру [4], объединяющую функции АСУП – автоматизированных систем управления производством и АСУТП – автоматизированных систем управления технологическими процессами (см. рис. 2). 11 Организация управления производством 5-й 4-й Координация . Планирование, рынок, сырье, персонал . 3-й Оптимизация . Оптимизация . 2-й Контроль . Контроль . ЛСУ n . TA n . g1 1-й u a u норм gn ЛСУ 1 TA 1 y1 . .. . . ua uнорм yn ТП Рис. 2. Иерархическая структура управления производством Как видно из рис. В.2, на нижнем уровне с помощью локальных систем (ЛСУ) осуществляется непосредственное управление технологическим объектом – технологическим агрегатом (ТА) по измеряемым координатам y. Для реализации закона управления используются либо промышленные регуляторы, либо контроллеры. При этом сигнал задающей переменной g формируется на более высоком уровне в зависимости от принятого критерия управления. В частности, он может быть постоянным при задании от уровня координации, на котором происходит распределение нагрузки на технологические агрегаты, либо изменяться в зависимости от величины функционала оптимизации на 3-м уровне управления. Уровни управления 5-й, 4-й и 3-й можно отнести к функциям АСУП, поскольку современное производство не может быть эффективным без учета потребностей рынков сбыта, качества и объема сырья, а также квалификации обслуживающего персонала. К функциям АСУТП, помимо ЛСУ, следует отнести функции контроля (2-й уровень), предназначенные для выявления предаварийных ситуации по отклонению технологических параметров от допустимых значений. В случае обнаружения недопустимых отклонений система вырабатывает управление по аварии ua (например, отключение питания или прекращение подачи топлива и т.п.), одновременно 12 отображая на мнемосхеме ТП и фиксируя в отчете тревог информацию о причине аварии. Тенденция развития современных систем управления сложными процессами заключается в создании адаптивных интеллектуальных систем, функционирование которых невозможно без использования развитой вычислительной сети, включающей персональные компьютеры (ПК), микроконтроллеры и широкий набор модулей ввода/вывода. Конец ХХ века и начало третьего тысячелетия характеризуются глубоким проникновением компьютерных технологий в производство. В качестве примера может быть названа SCADA-система (Supervisory Control And Data Acquisition), предназначенная для проектирования и эксплуатации распределенных АИУС. Судя по названию, система предназначена для диспетчерского управления и сбора данных. Однако в последних версиях её предназначение значительно расширилось. В частности, отечественная компания AdAstra выпустила 6-ю версию SCADA-системы Trace Mode, объединяющую все уровни управления производством. В предлагаемой читателю монографии будут подробно рассмотрены все затронутые в предисловии вопросы. На наш взгляд оно может быть полезно студентам старших курсов технических вузов, аспирантам и инженерам. 13 ЧАСТЬ 1 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 1.1. Системный анализ задач управления Решение различных задач управления должно производиться на основе единого системного подхода как при проектировании автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС), так и при эксплуатации этих систем. Сущность системного подхода состоит во взаимосвязанном, комплексном изучении сложных объектов как целостных систем с определенными системными целями и согласовании целей системы и ее частей и подсистем в процессе функционирования [5 - 9]. Комплексность означает одновременное рассмотрение разных задач управления, а системность означает рассмотрение всех их во взаимосвязи, упорядоченно по месту, вре<меня, ресурсам, в рамках единого целого, выделенного из окружающей среды. Использование системного подхода при проектировании АИУС состоит в выделении и представлении некоторой совокупности объектов и связей между ними в виде системы, в правильном понимании происходящих в них явлений, взаимодействий, умении выделить и поставить первоочередную (главную) группу задач. Практически все явления в природе и обществе априори неопределены, имеют стохастический характер, поэтому подход при исследовании их должен быть не телько системным, а системновероятностным. Применение вероятностного подхода позволяет формализовать существующую неопределенность в Борелевском пространстве с примененеим вероятностной меры. Однако вероятность является объективным понятием, а на практике для оценки вероятности события применяют обработанные статистические данные. Появляется задача значимости и 14 достоверности оценки вероятности, зависящая от репрезативности выборки. На наш взгляд более эффективным подходом является применение методов искусственного интеллекта, эвристических алгоритмов для решения задач управления сложными объектами. При применении данного подхода параметры, характеризующие объект и определяющие исходные данные для принятия решений задаются в виде лингвистических переменных. Необходимость применения лингвистических переменных в подобных ситуациях определяется следующим образом. Знание специалистов можно формально определить экспертным путем. Для этого необходимо определить некоторое базовое множество возможных цифровых оценок X, смысловое название входного фактора. Лингвистическая переменная (ЛП) задается набором [10]: <i,T(i),X,G,M>, i = 1, n, (1) где i - название i - ой ЛП; T(i) - терм-множество ЛП i; Х - область определения каждого элемента множества T(i); G - синтаксическое правило (грамматика), порождающее элементы (j-е нечеткие переменные)  ij  T( i ) ; M - семантическое правило, которое ставит в соответствие каждой нечеткой переменной (НП)  ij  T( i ) нечеткое ~ множество C(ij ) - смысл НП  ij . Формальное задание входного фактора в виде ЛП раскрывает возможности в моделировании и исследовании истинности высказываний и принимаемых решений. Нечеткие переменные (НП)  ij , составляющие терм-множества лингвистических переменных I, задаются в виде тройки множеств ~  ij , X, C(ij ), j = 1, m, (2)  ij - наименование где НП; Х - базовое множество; ~ j C(i )  {  C(  j ) ( x) / x }, x  X - нечеткое подмножество множества i Х,  C( j ) (x ) - функции принадлежности, задание происходит путем i экспертного опроса. Известны две интерпретации функций принадлежности [10 - 12]. При первой интерпретации функция принадлежности - это некоторое 15 невероятностное субъективное измерение нечеткости. При второй функция принадлежности есть условная вероятность наблюдения события А при наблюдении X. Степень принадлежности А(х) элемента х нечеткому множеству A интерпретируется как субъективная мера того, насколько элемент хX соответствует понятию нечеткого множества A . Будем считать, что функция принадлежности - это некоторое невероятное субъективное измерение нечеткости и что она отличается от вероятностной меры, т.е. степень принадлежности A(x) элемента x ~ нечеткому множеству A есть субъективная мера того, насколько элемент xX соответствует понятию, смысл которого формализуется ~ нечетким множеством A . Степень соответствия элемента x понятию, формализуемому ~ нечетким множеством A , определяется опросом экспертов и представляет собой субъективную меру. Параметры объектов могут быть заданы также в виде нечетких интервалов [13]. Это связано с тем, что объективно представить параметры, описывающие систему, в виде четких, определенных чисел невозможно. Причинами подобного представления являются неучитываемые воздействия, внутренние изменения, погрешности приборов измерения и данных лабораторного анализа, невозможность точного установления исходных и получаемых компонент и многое другое. Нечеткий интервал – это выпуклая нечеткая величина [13], функция принадлежности которой квазивогнута и задана в следующем виде u,v, w[u,v], Q()min(Q(u), Q(v)), (3) где Q - нечеткое множество, определенное на множестве действительных чисел R, Q – отображение из R в [0,1], u,v,wR. Нечеткий интервал задают четверкой параметров М=( m, m , ,  ) (см. рис. 3), где m и m - соответственно нижнее и верхнее модальное значение нечеткого интервала, а  и  представляют собой левый и правый коэффициент нечеткости. 1.1.1. Определение системы. Понятие системы в настоящее время стало в кибернетике и системотехнике исходным и доминирующим, и позволяет выделить из окружающей реальности по ряду признаков обособленный объект (группу объектов) и рассматривать этот объект как 16 совокупность взаимосвязанных частей - элементов и вместе с тем как элемент более общей системы - среды. Q 1 m m ед. изм. параметра Рис. 3 1.1.1. Определение системы. Понятие системы в настоящее время стало в кибернетике и системотехнике исходным и доминирующим, и позволяет выделить из окружающей реальности по ряду признаков обособленный объект (группу объектов) и рассматривать этот объект как совокупность взаимосвязанных частей - элементов и вместе с тем как элемент более общей системы - среды. Существует множество определений системы [3,5 – 7,14 - 20]. Для понятия системы чрезвычайно важны и организационноструктурные свойства, виды упорядоченности и связей элементов. Важно различать системообразующие связи элементов, вследствие чего из них образуется единое целое с новыми свойствами эмерджентными, не присущими составляющим систему элементам. Термин система применим тогда, когда объект характеризуется как нечто сложное, целое, о котором невозможно сразу дать представление, описав его математически или графически. Первые определения базировались на понятиях элементов ai и связей гj между ними. Система S определялась следующими вариантами: S, где A={ai}, R={rj}, (4а) S<{ai},{rj}>, где aiA, rjR, (4б) S<{ai}&{rj}>, где aiA, rjR, (4в) 17 В определении (4в) отражен тот факт, что система не простая совокупность элементов и связей, а включает только те элементы и связи, которые находятся в области пересечения (&) (см. рис. 4). А & В Рис. 4 Берталанфи определил систему как "комплекс взаимодействующих компонентов" [15] или как "совокупность элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и со средой". Если элементы разнородны, то это определяет их деление на разные множества, например, A, B, C. Определение системы будет иметь вид S  . Известно определение, сделанное М. Месаровичем [16, 17]. Выделяется множество Х входных объектов и множество Y выходных результатов. Между ними установлено обобщающее отношение пересечения. Определения могут иметь вид: SXY, SХY (5) Если вид отношения ri применим только к элементам разных множеств и не используются внутри каждого из них, то система будет задана: S<{ai,гj,bk}>, aiA, гjR, bkB, (6) причем {ai,гj,bk} - элементы новой системы, образованной из исходных множеств А и В. В определение А.Холла [18] включены свойства для уточнения элементов и связей: S (7) А. И. Уёмов предложил двойственные определения [7], в одном из которых свойства qi характеризуют элементы аi, а в другом - свойства qj характеризуют связи гj S <{ai}&{rj(qi)}>, aiA, гjR, qiQR S <{ai(qi)}&{rj}>, aiA, гjR, qiQA (8) Затем в определениях системы было введено понятие цели: 18 S (9) где Z - цель, совокупность или структура целей. Появились определения, в которых уточнены условия целеобразования - среда SR, интервал времени T, в течение которого будет существовать система и цели S (10) Затем в определение системы был включен наблюдатель N: S (11), где N - лицо, рассматривающее объект или процесс в виде системы при их исследовании или принятии решения. Известно определение Ю.И.Черняка "система есть отражение в сознании субъекта (исследователя, наблюдателя) свойств объектов и их отношений в решении задачи исследования, познания" [20] S<А,QA,R,Z,N> (12) В понятии система объективное и субъективное составляют диалектическое единство. Следует говорить не о материальности или нематериальности системы, а о подходе к объектам исследования как к системам, о различном представлении их на разных стадиях познания или создания. На первых этапах системного анализа важно уметь отделить систему от среды, с которой взаимодействует система. Сложное взаимодействие системы с ее окружением отражено в определении В.Н.Садовского и Э.Г.Юдина [17], в котором: - система образует особое единство со средой; - любая исследуемая система представляет собой элемент системы более высокого порядка; - элементы любой исследуемой системы, в свою очередь, выступают как системы более низкого порядка. Это определение является основой закономерности коммуникативности. Выделяет систему из среды наблюдатель. Уточнение или конкретизация определения системы в процессе исследования влечет соответствующее уточнение ее взаимодействия со средой и последующей детализации определения системы. Таким образом, можно предложить следующее определение АИУС, как сложной систем: S. (13) 19 где: A={ai}, iI={1,2,…,n} – множество элементов АИУС; QA – множество свойств элементов, R={rj}, jJ={1,2,…,m} – множество функциональных и информационных связей между элементами АИУС; QR – множество свойств связей элементов; B – вектор конструктивных параметров АИУС; Z – цель или совокупность целей, обеспечивающая достижение экстремальных значений критериев оптимизации функционирования АИУС; U – условия целеобразования; T – интервал времени, в течение которого будет существовать АИУС; N – наблюдатели или лица (совокупность лиц), принимающих решения, LN – язык общения наблюдателей. Определение (13) АИУС на языке наблюдателей, формализация элементов, связей, свойств, изменений компонент вектора конструктивных параметров, соответствует концепции системного аналитического исследования задач управления. 1.1.2. Понятия строения и функционирование систем. Понятия определяются одно через другое, уточняя друг друга. Под элементом понимается простейшая, неделимая часть системы. Понятие неделимости является неоднозначным. Поэтому элемент это предел членения системы с точки зрения аспекта рассмотрения решения конкретной задачи, поставленной цели. Сложные системы вначале делят на подсистемы или на компоненты. Подсистема - это относительно независимая часть системы, обладающая ее свойствами, имеющая подцель, на достижение которой ориентирована подсистема. Если части системы не обладают всеми ее свойствами, а представляют собой совокупности однородных элементов, то такие части принято называть компонентами. Связь характеризует и строение (статику) и функционирование (динамику) системы. Известны три типа связей между элементами: функционально необходимые, сингерические (которые при кооперативных действиях некоторых частей обеспечивают увеличение их общего эффекта до величины, большей суммы эффектов от тех же независимо действующих частей), избыточные (являются излишними или противоречивыми). 20 Связь определяют как ограничение степени свободы элементов. Элементы, вступая во взаимодействия друг с другом, утрачивают часть своих свойств, которыми они потенциально обладали. Связи характеризуются направлением, силой, характером (или видом). Связи бывают направленные и ненаправленные, сильные и слабые. По характеру различают связи подчинения, связи порождения (или генетические), равноправные (или безразличные), связи управления. Важную роль играет обратная связь. Она может быть положительной, т.е. сохраняющей тенденции происходящих в системе изменений того или иного выходного параметра, и отрицательной противодействующей изменениям выходного параметра, стабилизирующей его требуемое значение. Обратная связь является основой саморегулирования, развития систем, приспособления их к изменяющимся условиям существования. Понятие цель и связанные с ним понятия целесообразности, целенаправленности лежат в основе развития системы. В понятие цель вкладывают разные оттенки - от идеальных устремлений до конечных результатов, достижимых в пределах некоторого интервала времени. Под структурой системы понимают относительно устойчивый порядок внутренних пространственных связей между ее отдельными элементами, определяющий функциональное назначение системы и ее взаимодействие с внешней средой. Структура отражает определенные взаимосвязи, взаиморасположение составных частей системы, ее устройство (строение). В сложных системах структура включает не все элементы и связи между ними, а лишь наиболее существенные компоненты и связи, которые мало меняются при текущем функционировании и обеспечивают существование системы и ее основных свойств. Одна и та же система может быть представлена разными структурами в зависимости от стадии познания. Существуют понятия, характеризующие функционирование и развитие систем. Понятие состояние характеризует мгновенную фотографию системы, «остановку» в ее развитии. Состояние определяют через 21 входные воздействия и выходные сигналы, либо через макропараметры, макросвойства системы. Если система способна переходить из одного состояния в другое, то говорят, что она обладает поведением. Этим понятием пользуются, когда неизвестны закономерности перехода из одного состояния в другое. Говорят, что система обладает каким-то поведением, и выясняют его характер, алгоритм. Под целостностью (эмерджетностью) системы понимается принципиальная несводимость свойств системы к сумме свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого (т.е. системы). Понятие равновесия определяют как способность системы в отсутствии внешних возмущений (или при постоянных воздействиях) сохранять свое состояние сколь угодно долго. Это состояние называется состояние равновесия. Под устойчивостью понимают способность системы возвращаться в состояние равновесия после того, как она была из этого состояния выведена под влиянием внешних возмущающих воздействий или внутренних воздействий, если в системе есть активные элементы. Состояние равновесия, в которое система способна возвращаться, называют устойчивым состоянием равновесия. Понятие развитие объясняет сложные термодинамические и информационные процессы в природе и обществе. Исследование процессов развития, соотношения развития и устойчивости, изучение механизмов, лежащих в их основе, - наиболее сложные задачи теории систем. Понятие структуры системы реализуется через элементы и связи системы. Структура - это устойчивое единство элементов и отношений в системе. Под организацией понимается, с одной стороны, свойство системы, проявляющееся в сохранении устойчивости ее структуры при различных взаимодействиях, с другой стороны, - совокупность внутренней структуры и внешних функций (поведения), присущих системе. Изменение состояния системы влияет на состояние ее выходов. Желаемое состояние выходов называется целью системы, а функция, определяющая изменение состояния выходов, — целевой функцией системы. Для оценки отклонения фактического состояния выходов от желаемого вводится критерий цели. 22 Исходя из двух трактовок системы можно по типу элементов их классифицировать на физические (материальные) и абстрактные (концептуальные) [21]. Рассмотрим кратко классификацию создаваемых человеком физических систем по наиболее важным признакам: а) по характеру входов и выходов системы делятся на вероятностные и детерминированные; б) по связям системы делятся на замкнутые и открытые, последние связаны с внешней средой входами и выходами. По сложности организации системы делятся на простые, сложные и большие системы, отличающиеся степенью сложности структуры и функционирования. К простым системам относят такие, которые независимо от их масштабности можно описать с помощью детерминированных математических моделей и методов. Сложные системы (СС) имеют сложную структуру со стохастическими связями (включая обратные связи), многоаспектное функционирование, а также стохастические входы и выходы. Большие системы (БС) обладают теми же признаками, что и СС, но кроме этого им присущи: а) наличие целей и систем управления (самоуправления, адаптации); б) наличие комплекса проблем состязательного и конкурирующего характера; в) несчетное разнообразие по связям, функциям и информационным состояниям. Из множества СС (БС) в системотехнике и теории управления рассматриваются организационные (человеко-машинные) системы с человеком - оператором и коллективами людей и технические. В свою очередь, организационные системы можно разделить на три вида: 1) производственно-технологические, перерабатывающие потоки материалов и ресурсов; 2) управленческие; 3) кибернетические. Кибернетические системы являются сочетанием первых двух при рассмотрении их в единстве как объект и орган управления. Практически все существующие организационные системы можно представить в виде кибернетических систем различной сложности. Важнейшими признаками любой кибернетической системы являются: 23 а) наличие двух компонентов - объекта и органа (субъекта) управления, связанных обратными и прямыми информационными каналами, образующими замкнутые контуры (см. рис. 5); Цель, критерии КЭ, ограничения Алгоритм и программа управления Орган управления Sу Об.св qx X Qx qS Пр.св qy QS Объект управления Sоб … Qy … Y … QN qN N Проекция цели Рис. 5 б) наличие цели, критериев эффективности (Кэ) и ограничений; в) наличие алгоритма (инструкции) и программы управления. При отклонении объекта управления от заданной программы (плана) информация q x, q s , q v по каналам обратной связи поступает от объекта в орган управления. На основе обработки поступившей информации и сопоставления ее с информацией, характеризующей программу (N) достижения цели, определяется рассогласование соответствующих параметров. В управляющем органе вырабаты-вается и принимается управленческое решение по устранению рассогласований и отклонений, которое в виде управляющих воздействий (УВ) (Q X , Q S , QY) подается на объект 24 управления. Наличие всех необходимых признаков кибернетической системы обеспечивает высокую устойчивость ее функционирования. В общем случае в кибернетической системе управление может осуществляться по входам и выходам, по структуре- и целям, а также по параметрам внешней среды, если указанные источники информации снабжены специальными средствами сбора, передачи и преобразования информации, а также каналами обратной и прямой связи с объектом управления. В кибернетике сформулирован закон необходимого разнообразия, согласно которому для управления сложными объектами с большим разнообразием необходима управляющая система, обладающая не меньшим разнообразием, чем объект. Следовательно, необходимо построение системы управления совместно с объектом управления в виде единой двухкомпонентной кибернетической системы. Задача управляющей системы состоит в своевременном оперативном и надежном снижении разнообразия объекта до желаемого (планируемого) уровня; в идеальном случае - в достижении оптимального пути выполнения программ работ. Оперативность управляющей системы - это пропускная способность ее как информационной системы, обусловленная величиной уменьшаемого разнообразия в поведении объектов управления. С точки зрения системного подхода не все управленческие функции с применением ЭВМ реализуются комплексно и просто. На практике при обосновании и принятии управленческих решений приходится решать сложные оптимизационные задачи. Многочисленные и взаимосвязанные задачи управления требуют особо организованных систем, позволяющих как можно лучше использовать возможности человеческого интеллекта совместно с мощными средствами переработки информации, принципами и методами современной математики, кибернетики и системотехники. Таким образом, АИУС является частным случаем системы управления (СУ) соответствующего уровня, в которой, помимо двух понятий «система» и «управление», существует понятие автоматизации управленческих функций и процессов. Автоматизация означает выполнение некоторых процессов и операций без участия человека. Автоматизация может быть частичной и комплексной - для всех основных процессов и сторон функционирования системы. Можно ввести понятие степени или коэффициентов полноты и 25 глубины автоматизации процесса и производства в целом, понимая под степенью полноты, например, процент автоматизированных операций из общего их числа на данном предприятии, а под степенью глубины - процент параметров, охваченных автоматизацией. Важнейшими аспектами при проектировании АИУС являются методологический, технический, технологический, экономический и социологический, а также их комбинации. Под экономическим аспектом понимается изучение экономических отношений компонентов АИУС и окружающей среды, согласование их целей с общими целями системы, оценка экономической эффективности и целесообразности различных решений и действий в материальных и информационных процессах. Социологический аспект учитывает взаимосвязи и отношения людей и коллективов, их поведение, мотивы, устойчивость и эффективность деятельности. Другие аспекты ясны по своему смыслу. 1.2. Особенности и классификация автоматизированных информационно-управляющих систем 1.2.1. Основные особенности АИУС. Основоположником теоретических основ построения АСУ является академик Глушков В.М. Им была предложена классификация автоматизированных систем [22, 23]. Особых изменений в этой классификации не произошло до настоящего времени, поэтому рассмотрим эту классификацию. Имеется несколько определений АСУ [23]: - система управления с применением современных автоматических средств обработки данных (ЭВМ, автоматических устройств накопления, регистрации, отображения и др.) и экономикоматематических методов для решения основных задач управления производственно-хозяйственной деятельностью предприятия; - система управления производственно-хозяйственной деятельностью предприятия, включающая интегрированные системы обработки данных, главной целью которых является автоматизация процессов, сбора и переработки информации на предприятии и усовершенствование, формы организации их выполнения; 26 - система, в контуре управления которой функционируют совместно человек и технические средства, осуществляющие сбор и содержательную обработку информации по разветвленным алгоритмам с целью принятия оптимальных решений по управлению процессом или производством. Таким образом АИУС, как автоматизированная система – это человеко-машинная система, использующая современные средства электронно-вычислительной техники, микропроцессорных систем управления и связи, экономико-математические методы, а также новые организационные принципы управления для отыскания и реализации на практике наиболее эффективного управления соответствующим объектом (системой). АИУС обладают всеми наиболее характерными чертами сложных технических систем. К ним следует отнести: - большой масштаб систем по числу составляющих элементов и выполняемых функций; - наличие функциональной целостности, общего назначения и цели; - сложную многоуровневую иерархическую структуру; - высокую степень автоматизации, определяющую известную степень самостоятельности поведения системы; - статистически распределенные во времени внешние воздействия. В экономических (организационных) информационноуправляющих системах в качестве элементов рассматривают: средства производства (установки, оборудования, инструмент); предметы труда (сырье, материалы, полуфабрикаты), трудовые ресурсы (рабочие, инженерно-технические работники, служащие); техническую и технологическую документацию (чертежи, инструкции, стандарты, управляющие и отчетные документы и пр.). Работы в области автоматизации процессов управления требуют глубокого анализа сущности автоматизируемых процессов, выделения объектов автоматизации, правильного формулирования целей управления и определения этапности автоматизации с учетом реальных сроков, возможностей технической реализации и экономических факторов. Объектом управления в информационно-управляющей системе может быть рабочее место, конвейер, участок, цех, предприятие, объединение и т.д. К объекту управления относят ту часть элементов, которые непосредственно участвуют в процессе материального 27 производства и его обслуживания. К управляющей части системы относят множества элементов, необходимых для осуществления процесса управления объектом. Это управленческий персонал, технические средства и методы управления. Управляющая часть системы оперирует с документами. Поэтому для эффективного управления производственной системой необходим непрерывный обмен информацией между объектом управления и управляющей частью. В управляющую часть информация поступает от вышестоящих организаций (план производстсва, директивные указания) и от объекта управления (сведения о поступлении материалов, деталей, комплектующих изделий, притоке рабочей силы; о выпуске продукции и ее качестве, затратах материалов и труда, о причинах, нарушающих протекание производственных процессов - срыве поступления материалов, поломках оборудования, браке). Управляющая часть вырабатывает управляющие воздействия на объект управления и отчетную информацию для вышестоящих организаций. Процесс выработки управляющего воздействия на объект управления имеет следующие этапы: определение цели воздействия и установление возможных изменений в других подсистемах; разработка путей, методов и средств воздействия; создание организационной системы; принятие решения, его внедрение; контроль хода внедрения; коррекция воздействия в ходе реализации принятого решения. Современные АИУС представляют собой человеко-машинные системы, в которых сочетается машинная переработка информации с координирующей деятельностью человека-оператора. За человеком остаются наиболее сложные, не поддающиеся формализации задачи, такие, например, как постановка проблемы, принятие решения в условиях неполной информации и неопределенности, контроль переработки информации. Поэтому важной задачей при создании информационно-управляющей системы является правильное распределение функций между человеком и ЭВМ. Функционирование информационно-управляющей системы связано и с решением ряда проблем правового, а также психологического и социологического характера. Оптимальная структура системы связана с пределами личной компетенции, формами санкций, поощрений и т. д. Эти вопросы должны решаться на правовой основе в виде 28 должностных инструкций и предписаний, утвержденных и обязательных для исполнения. Основная цель автоматизации организационного управления обеспечение оптимального функционирования объекта управления (предприятия, объединения, отрасли и т.п.) путем правильного выбора целей и средств их достижения с учетом имеющихся ограничений, наилучшего распределения заданий между отдельными частями, из которых состоит объект, и обеспечения их четкого взаимодействия. 1.2.2. Критерии эффективности. Рассмотрим, как можно оценить эффект от внедрения АИУС. В условиях хозрасчетного метода управления предприятием (объединением) в качестве критерия обычно используют прибыль. Этот критерий лучше других возможных показателей отражает рост национального дохода, способствует ускорению ввода в действие объектов и мощностей, улучшению использования производственных фондов, увеличению объема реализованной продукции. Показатель прибыли служит основой взаимоотношений с бюджетом, а также основным источником формирования фондов предприятия. Использование прибыли в качестве критерия оптимальности сводит к минимуму количество требуемых ограничений. Эффективность внедрения АИУС можно оценивать исходя из роста прибыли. Можно использовать также в качестве критерия эффективности минимум удельных затрат труда на выполнение планов или себестоимости изготовленной продукции либо максимум чистого или валового продукта предприятия. В некоторых задачах, реализуемых с помощью АИУС, вполне возможны и целесообразны свои локальные критерии, отличающиеся от общего критерия системы, например, стабильность использования ресурсов. При решении многих задач надо считаться с наличием не одного, а ряда критериев. Учет многокритериальности задачи может быть сведен к формированию некоторого комплексного критерия, представляющего собой, например, сумму отдельных критериев, каждый из которых наделяется определенным «весовым» коэффициентом. 1.2.3. Принципы разработки информационно-управляющих систем. В основу разработки АИУС положены следующие принципы [22]: новых задач, системного подхода, первого руководителя, непрерывного развития системы, автоматизации документооборота, 29 согласованности пропускных способностей отдельных частей системы, типовости, однократности ввода данных и др. Эффективность АИУС повышается при решении задач, которые при традиционной ручной технологии управления невозможно решить либо они решаются частично (принцип новых задач). К ним относятся задачи оптимизации. На уровне предприятия это задачи определения оптимального производственного плана, оптимального оперативно-календарного планирования, оптимального управления материальными ресурсами предприятия, оперативного анализа хода производственного процесса. На уровне отрасли это задачи перспективного планирования развития отрасли на длительный период, расчета оптимального плана выпуска продукции на год, распределения материальных ресурсов между предприятиями отрасли. На межотраслевом уровне к задачам оптимизации относятся размещение новых производств, привязки поставщиков к потребителям, разработки проектов развития территориальнопроизводственных комплексов и т. п. Второй принцип - это системный (комплексный) подход к созданию АИУС. Проектирование должно основываться на системном анализе как объекта, так и управляющей части. Принцип первого руководителя состоит в том, что разработку и внедрение АИУС нужно производить под непосредственным руководством первого руководителя соответствующего объекта. Практика свидетельствует, что всякая попытка передоверить дело создания АИУС второстепенным лицам неизбежно приводит к тому, что система ориентируется на рутинные задачи управления и не дает ожидаемого эффекта. Согласно принципу непрерывного развития системы необходимо при проектировании АИУС предусмотреть возможность быстро реагировать на возникновение новых задач управления и совершенствование старых в процессе развития экономики и отдельных предприятий. Принцип автоматизации документооборота означает, что надо автоматизировать не только те или иные расчеты, но и оформление выходных документов, сбор исходных данных и в определенной мере передачу их и управляющих воздействий. Согласно принципу согласованности пропускных способностей желательно равенство пропускных способностей последовательных 30 звеньев. Информационный результат, выдаваемый предшествующим устройством, является исходной информацией для последующего. Поэтому устройства должны быть согласованы также по используемым в системе носителям и по кодам. Принцип типовости важен при разработке программ и сводится к максимальному использованию стандартных подпрограмм и типизации программ решения задач. Значение для м имеет принцип однократности ввода данных в машину, согласно которому многократное использование любого рода сведений при решении задач на ЭВМ не должно приводить к повторному вводу каких-то данных в память ЭВМ. Особое значение для АИУС имеет проблема надежности. Для повышения надежности работы применяют высоконадежные технические средства, автоматическое резервирование важнейших узлов и блоков, введение автоконтроля и т.д. АИУС должны обладать также повышенной живучестью. Под живучестью информационно-управляющих систем понимают способность системы к определенной компенсации последствий нарушений и повреждений отдельных ее устройств, позволяющую системе продолжать выполнение основных функций при утрате или временном снижении некоторых второстепенных показателей (точности, быстродействия, объема обрабатываемой информации). При разработке АИУС крайне важно использовать экономические законы, создавать благоприятные условия для их проявления. АИУС должна основываться на закономерностях, присущих науке управления. 1.1.4. Классификация. Классификация АИУС затруднена разнообразием объектов управления, на которых эти системы могут применяться. Необходимо при классификации определить принцип управления объектом. В системе управления можно выделить три принципа: отраслевой, территориально-отраслевой и территориальный. Принцип отраслевого управления положен в основу управления тяжелой промышленностью. Принцип территориально-отраслевого управления применяется в легкой промышленности и некоторых непромышленных отраслях. Принцип территориального управления характерен для управления министерствами, ведомствами, а также деятельностью исполнительных органов 31 местного управления, также строят АИУС по территориальному признаку: город, область, республика, страна. Следующий признак классификации - уровень иерархии в управлении, для которого применяется данная система. К таким уровням можно отнести: федеральный, областной, городской, районный для территориальных систем и отрасль, подотрасль, объединение, предприятие, производство, цех, участок, установка. В зависимости от уровня иерархии АИУС подразделяются на: - автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП); - автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП); - отраслевые АСУ (ОАСУ); - общегосударственная автоматизированная система (ОГАС). АСУП и ОАСУ должны быть совместимы по целевым функциям, методам обработки информации, техническим средствам. Важным признаком является функциональное назначение системы или ее место в общей организационной структуре управления. По функциональным признакам выделяют, например, автоматизированные системы плановых расчетов, материальнотехнического снабжения, государственной статистики; по производственному признаку - системы управления промышленными объектами, подготовкой производства и др.; по ресурсным признакам системы управления объектами обеспечения различными ресурсами и услугами. В свою очередь, такие системы также могут быть многоуровневыми и подобно отраслевым и территориальным системам они входят в ОГАС. По типу процесса, являющегося объектом автоматизации, можно рассматривать АИУС (по назначению): - управления технологическими процессами (АСУТП); - управления организационными процессами (АСОУ); - проектирования (АСПРО); - планирования и управления испытаниями (АСПИ); - управления научно-техническим прогрессом (АСУНТ). В современных условиях выделяют два основных типа АИУС: системы управления технологическими процессами, системы организационного управления, интегрированные (комплексные) системы. Первые имеют дело с технологическими процессами в 32 широком смысле слова, вторые – с объектами экономической и социальной природы. В АСУТП основной формой передачи информации являются различные сигналы (электрические, механические, пневматические, оптические и др.). В системах управления организационными процессами основная форма передачи информации - документ. Слияние АСУТП и АСОУ дает единые интегрированные (комплексные) АСУ. В этих системах большая часть информации циркулирует в виде кодированных сигналов и специальных типов документов на машинных носителях записи. По характеру производства различают АСУТП для непрерывных производств, для производств с дискретным технологическим циклом и для производств со смешанными, непрерывно-дискретными технологическими процессами. АСУТП первого типа создаются на предприятиях химической, энергетической, нефтеперерабатывающей и ряда других отраслей промышленности с непрерывными технологическими процессами. Причем параметры процессов представляют собой также непрерывные величины (давление, температура, расход жидкости и пара, концентрация смеси компонент, влажность и т. п.), измеряемые датчиками главным образом с непрерывным выходным сигналом. АСУТП второго типа внедряются на предприятиях машиностроительной, приборостроительной, радиотехнической, электротехнической и других отраслей промышленности, где производство имеет дискретный характер. На таких предприятиях используется на рабочих местах универсальное оборудование, за каждым рабочим местом закрепляется множество операций; для дискретного производства присуще наличие большого количества изделий и деталей, отличающихся трудоемкостью изготовления, технологическими маршрутами, длительностью производственного цикла, а также дискретность параметров процессов. Дискретная информация о параметрах процессов формируется вручную с помощью документов (накладных, нарядов) и различных устройств ручного ввода цифровой и алфавитно-цифровой информации, а частично от датчиков. К производствам непрерывно-дискретного типа относятся предприятия металлургической, цементной, пищевой и других отраслей промышленности. 33 Сущ ест вует кл асси ф и каци я АИУС по степ ен и автом ати заци и п роцессов уп равлен и я : информационносправочные (АИС), системы обработки данных (АСОД) и собственно АСУ (советующие системы, способные автоматизированно вырабатывающие решения). АИС осуществляет сбор, хранение и обработку информации, которая затем используется управленческим аппаратом для выработки и принятия решений. АСОД не только обеспечивает автоматизированный сбор и хранение информации, но и автоматизирует выполнение традиционных способов обработки информации: плановые расчеты, бухгалтерский учет, отчетность и т.д. Следует подчеркнуть, что АСОД создаются на основе изучения и формального описания с помощью логико-математических приемов существующих способов обработки информации. Эта система не несет в себе качественно новых признаков, не развивает и не отменяет сложившиеся методы управления, а лишь автоматизирует наиболее трудоемкие операции. АСУ более высоких уровней (советующие и другие) отличаются от АСОД тем, что позволяют, прежде всего, решать так называемые новые - оптимизационные задачи управления. В АСУ высокого уровня на основе глобальных моделей строительного производства имитационного типа, посредством вычислительных систем с разделением времени, могут решаться наиболее сложные, системные задачи, позволяющие обоснованно принимать не просто допустимые по отдельным задачам, а наилучшие решения по основным проблемам управления в целом. Следующим признаком можно считать степень централизации обработки информации, которая зависит от объема информационной базы (ее мощности) данного объекта. По этому признаку выделяют системы, имеющие несколько уровней обработки информации, системы централизованной обработки информации и системы коллективного пользования. Многоуровневые системы обработки информации характерны для крупных объектов, например отрасли. Системы с централизованной обработкой данных характерны для средних объектов, например предприятий, для которых достаточно одного ИВЦ. Системы коллективного пользования наиболее эффективны для малых объектов, не имеющих своей вычислительной базы и и пользующихся услугами вычислительных центров коллективного пользования. 34 1.3 Структура автоматизированных информационноуправляющих систем 1.3.1. Общая характери сти ка автом ати зи рован н ых си стем организационного уп равлен и я . Для автоматизированных систем организационного управления (АСОУ) объектом управления являются коллективы людей, использующие средства производства. АСОУ должны учитывать специфику технических средств и средств управления. Процесс управления в этих системах, в отличие от управления технологическим процессом, направлен в основном не только на отдельные объекты, а на организацию взаимосвязи всех объектов для бесперебойного и эффективного функционирования процессов производства. За человеком в таких системах остаются функция постановки цели и определения критериев управления, разработка моделей, алгоритмов и оценка вырабатываемых системой вариантов решений, выбор кончательных решений и придание им юридической силы. АСОУ состоит из функциональной и обеспечивающей частей, ка показано на рис. 6. 35 Автоматизированная система организационного управления Функциональная часть Обеспечивающая часть Функциональные подсистемы Информационное обеспечение Производственноресурсные подсистемы Лингвистическое обеспечение Техническое обеспечение Структурные подсистемы Программное обеспечение Математическое обеспечение Рис. 6 Обеспечивающая часть АСОУ включает информационное, лингвистическое, техническое, программное и математическое обеспечение. Обеспечивающие подсистемы создают условия функционирования функциональной части АСОУ и реализуют процесс автоматизации различных функций управления. Информационное обеспечение АСОУ - это совокупность единой системы классификации и кодирования технико-экономической информации, унифицированных систем документов и массивов информации, используемых в автоматизированных системах управления. На основе ин ф орм аци он н о го обесп еч ен и я АСОУ формируются и производятся все расчетные операции. В состав информационного обеспечения входят: нормативные и справочные данные, составляющие информационный базис системы, текущие сведения, 36 требующие, ответной реакции системы или влияющие на алгоритм выработки решений, накапливаемые учетные и архивные сведения, необходимые для планирования и развития системы. Лингвистическое обеспечение АСОУ - совокупность научнотехнических терминов и других языковых средств, используемых в автоматизированных системах управления, а также правил формализации естественного языка, включая методы сжатия и развертывания текстов. Техническое обеспечение включает комплекс технических средств (КТС), предназначенных для обеспечения работы АСОУ. Основными частями комплекса технических средств АСОУ являются ЭВМ с комплексом всех устройств, обеспечивающих его нормальную работу, и внешние (периферийные) устройства, необходимые для функционирования АСУ. Эта совокупность устройств ЭВМ, периферийные устройства, оргтехника и средства связи обеспечивают процессы сбора, передачи, обработки и хранения необходимой информации. Программное обеспечение включает совокупность программ для реализации задач, обеспечивающих функционирование комплекса технических средств АСУ. Программное обеспечение дает возможность реализовать на ЭВМ методы, алгоритмы и модели. Поэтому возможности АСОУ во многом определяются программным обеспечением системы. Совокупность математических моделей, методов и алгоритмов для решения задач и обработки информации с применением вычислительной техники составляет математическое обеспечение. Математические методы и модели, входящие в состав математического обеспечения, позволяют осуществлять выбор оптимальных решений. В решении задач управления производством активную роль осуществляет функциональная часть АСОУ и входящие в ее состав подсистемы. Именно они представляют собой способы отражения закономерностей развития и функционирования производства и методы воздействия на ход выполнения плана. Фун кци он ал ьн ая ч аст ь АС ОУ представляет совокупность подсистем, в которых с помощью комплекса экономических и организационных методов, посредством указанных выше видов обеспечения осуществляется решение конкретных задач 37 планирования, учета, анализа, принятия и реализации управленческих решений. Конкретный набор подсистем функциональной части зависит от специфики организации, для которой разрабатывается автоматизированная система управления, от назначения АСУ, уровня управления и других факторов. Функциональные подсистемы соответствуют отдельным функциям управления и включают задачи, относящихся к реализации этих функций (например, подсистема планирования, контроля, учета и т.д.). Под производственно-ресурсными подсистемами понимают подсистемы, обеспечивающие процесс управления ресурсами (например, подсистема управления материально-техническим снабжением, подсистема управления кадрами, подсистема управления машинами и механизмами и т. д.). 1.3.2. Общая характери сти ка автом ати зи рован н ых си стем уп равлен и я техн ологи чески м п роцессом . Объектом управления АСУТП является технологический процесс. Под технологическим процессом как объектом управления [24] может пониматься или последовательность целенаправленных (с использованием орудий труда) действий по получению из определенных исходных материалов конечного продукта с требуемыми свойствами, или комплекс технологического оборудования, реализующего процесс с использованием соответствующих энергоносителей и поддержанием необходимых технологических режимов. АСУТП - это система, которая при участии операторского персонала обеспечивает в реальном времени автоматизированное управление процессом изготовления (переработки) продукта по заданным технологическим и технико-экономическим критериям [24]. Такая система предусматривает участие в управлении процессом на подготовительных, вспомогательных, контрольных и других операциях человека. Таким образом, автоматическая система является предельным случаем автоматизированной информационноуправляющей системы. Применение современных средств автоматической обработки информации в технологии позволяет решать следующие задачи: а) вести процесс с производительностью, максимально достижимой для данных производительных сил, автоматически учитывая 38 непрерывные изменения технологических параметров, свойств исходных материалов и полуфабрикатов, изменения в окружающей среде, ошибки операторов; б) управлять процессом, постоянно учитывая динамику производственного плана для выпускаемой номенклатуры продукции (сортамент, номинал, классы, группы точности и качества), путем оперативной перестройки режимов технологического оборудования, перераспределения работ на однотипном оборудовании и т. п.); в) реализовать статистическое управление процессами в реальном времени по экстремальному или адаптивному алгоритму; г) осуществлять автоматическое управление процессами в условиях, вредных или опасных для человека. АСУТП является фундаментом системы управления промышленным предприятием. Системы управления технологическими процессами, решая самостоятельно задачу повышения эффективности отдельных производственных процессов, одновременно создают информационную и техническую базу для автоматизированной системы управления производством и предприятием в целом. Конкретные функции, которые выполняют АСУТП, зависят от характера и сложности управляемого процесса, а также от технических возможностей самой АСУТП. К таким функциям относятся: а) сбор и обработка информации о состоянии технологического процесса и выпускаемых изделий; б) контроль и индентификация процесса; в) стабилизация и регулирование процесса; г) логико-программное (в том числе мультипрограммное) управление; д) поиск оптимальных решений и оптимальное (в том числе адаптивное) управление; е) комплексное координационное управление; ж) расчет технико-экономических показателей технологического процесса; з) анализ и предотвращение аварийных ситуаций; и) техническая диагностика отдельных частей и системы в целом. К настоящему времени сформулирован ряд направлений в разработках АСУТП, и поэтому можно выделить ряд классификационных 39 признаков АСУТП [24]: по характеру управляемого технологического процесса; по степени сложности управляемого процесса; по степени охвата управляемого процесса; по степени автоматизации задач управления; по функционально-алгоритмическому признаку; по архитектурному признаку. По характеру управляемого технологического процесса АСУТП можно разделить на следующие большие классы: АСУ основными непрерывными технологическими процессами; АСУ основными непрерывно-дискретными процессами; АСУ основными дискретными процессами; АСУ сборочными процессами в дискретном производстве; АСУ контрольными операциями и процессами; АСУ процессами изготовления оснастки и инструментов для основного производства. Класси фи каци я п о степ ен и сложн ости уп равляем ого п роцесса основывается на условных границах числа параметров контроля и управления процессом. Для предприятий с непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства выделяются количественные границы: 20, 40, 100, 800 параметров. Указанная классификация имеет существенное значение при проектировании и создании АСУТП. При делении систем по степени охвата управляемого процесса выделяют два основных класса: комплексные АСУТП и локальные АСУТП. Класси фи каци я по степ ен и автом ати заци и зад ач уп равлен и я основывается на признаке технического совершенства АСУТП как кибернетической системы. Выделяют три основных класса: - системы с автоматическим сбором и обработкой информации (информационные) ; - системы с автоматической выработкой советов оперативному персоналу (информационно - советующие); - системы автоматического управления процессом (управляющие). Классификация по фун кци он альн о-алгори тм и ческом у п ри зн аку определяет функции и степень совершенства алгоритма управления, реализующего АСУТП. В соответствии с этим признаком выделяют системы управления: логико-программного, экстремального, адаптивного, организационно-технологического, ционного. 40 По архи тектурн ом у п ри зн аку си ст ем ы разл и ч ают ся в соответствии с системно-техническим решением, принятым при их построении. Чтобы технологический процесс стал управляемым, необходимо разработать методы управления, определить входные воздействия, установить зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия, разработать методы автоматического измерения входных воздействий и выходных параметров. 41 2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 2.1. Методологическая основа проектирования Мет од ол оги ч еской осн овой п роект и рован и я орган и заци он н ы х ст рукт ур уп равл ен и я сл ужи т си ст ем н ы й ан ал и з. Од н ой и з и сход н ы х п осы л ок эт ой м ет од ол оги и я вл я ет ся н еобход и м ост ь п ост роен и я орган и заци он н ой ст рукт уры , ори ен т и рован н ой н а оп ред ел ен и е цел ей и п од цел ей , м ет од ы реш ен и я т ой и л и и н ой зад ач и . Орган и заци он н ая ст рукт ура ст рои т ся н а осн ове ст рукт уры реш ен и й и т ребуем ы х д л я и х реал и заци и ресурсов [26]. Си ст ем н ы й ан ал и з осущ ест вл я ет ся в сл ед ующ ем п оря д ке. Первый этап - п ост ан овка зад ач и , вкл юч ающ ая оп ред ел ен и е и зуч аем ого объ ект а, п ост ан овку цел ей и зад ан и е кри т ери ев. Второй эт ап - осущ ест вл ен и е п ерви ч н ой ст рукт ури заци и и ссл ед уем ой си ст ем ы . При оп ред ел ен и и гран и ц си ст ем ы в н ее ст арают ся вкл юч и т ь все эл ем ен т ы , оказы вающ и е скол ько н и буд ь сущ ест вен н ое возд ей ст ви е н а ф ун кци он и рован и е. При н и м ают во вн и м ан и е возд ей ст ви е вн еш н ей сред ы н а си ст ем у, обрат н ое вл и я н и е сч и т ает ся н есущ ест вен н ы м . Перви ч н ая ст рукт ури заци я сост ои т в ори ен т и ровоч н ом ч л ен ен и и си ст ем ы н а сост авн ы е ч аст и (п од си ст ем ы и эл ем ен т ы ). Ст рукт ури заци я си ст ем ы я вл я ет ся важн ой от л и ч и т ел ьн ой ч ерт ой си ст ем н ого ан ал и за. Трети й этап - сост авл ен и е м ат ем ат и ч еской м од ел и и ссл ед уем ой си ст ем ы . Эл ем ен т ы си ст ем ы и возд ей ст ви е н а н ее оп и сы вают с п ом ощ ью оп ред ел ен н ы х п арам ет ров. С введ ен и ем п арам ет ра зад ает ся обл аст ь его п ри м ен ен и я . Вы я ви в п арам ет ры , оп ред ел я ют свя зи м ежд у н и м и , кот оры е м огут зад ават ься равен ст вам и и н еравен ст вам и , т абл и цам и , вкл юч ающ и м и все сл уч аи соч ет ан и я зн ач ен и й п арам ет ров, и д руги м и сп особам и . При эт ом уч и т ы вают и зм ен ен и е зн ач ен и й п арам ет ров во врем ен и и н ал и ч и е во м н оги х сл уч ая х н е д ет ерм и н и рован н ы х, а вероя т н ост н ы х зави си м ост ей . 42 На четвертом этап е и ссл ед уют п ост роен н ы е м од ел и и п рогн ози руют разви т и е си ст ем ы , д л я ч его н а п ост роен н ы х м од ел я х «п рои гры вают » (обы ч н о с п ом ощ ью ЭВМ) вари ан т ы т ех и л и и н ы х возд ей ст ви й вн еш н ей сред ы и вы я вл я ют возм ожн ы е резул ьт ат ы . Пятый этап - ан ал и з резул ьт ат ов п рогн ози рован и я , п ол уч ен н ы х н а п ред ы д ущ ем эт ап е, п роверка и х соот вет ст ви я цел я м и кри т ери я м , разработ ка реком ен д аци й по н еобход и м ом у соверш ен ст вован и ю. Дал ее сн ова п овт оря ют ч ет верт ы й и п я т ы й эт ап ы , вп л от ь д о п ол уч ен и я п ри ем л ем ого резул ьт ат а. 2.2. Начальные этапы разработки Осн ова м етодологи и разработки АИУС - учет сп еци ф и чески х особен н остей , отли чающи х и н ф орм аци он н ую си стем у от техн и чески х си ст ем , собл юден и е п ри н ци п а п ровед ен и е разработ ки и вн ед рен и я н а осн ове си ст ем н ого ан али за. Должн о бы т ь п роведен о всест орон н ее обследован и е авт ом ат и зи руем ой си ст ем ы , вы п ол н ен о м одели рован и е, вы я влен ком п л екс авт ом ат и зи руем ы х ф ун кци й , оп ределен а ст рукт ура си ст ем ы и п одси ст ем , вы бран лучш и й вари ан т и з возм ожн ы х п роектн ы х решен и й . На п ракт и ке ч аст о вст реч ает ся л окал ьн ы й п од ход к п роект и рован и ю АИУС. Предп роект н ая ст ади я п ракт и чески и гн ори рует ся и п осл е общ его озн аком лен и я с объ ект ом авт ом ат и заци и вы би рают от дельн ы е задачи существующей си стем ы для решен и я и х н а ЭВМ. Орган и заци он н ая ст рукт ура, н абор и м ет оды реш ен и я задач п ракти чески остаются н еи зм ен н ы м и . Проект и рован и е и вн едрен и е закл ючает ся в м одели рован и и от дел ьн ы х задач, и х п рограм м и рован и и и вн едрен ци м аш и н н ы х м ет од ов расч ет а. Посл ед оват ел ьн о н аращ и вая т аки е зад ач и , п ол уч ают п оэт ап н ое вн едрен и е АИУС. Кажущ и м и ся п реи м ущ ест вам и т акого п од ход а я вл я ют ся бы ст рая загрузка ЭВМ; п ол уч ен и е в корот ки й срок эф ф ект а от реш ен и я зад ач , кот оры й п ри уд ач н ом и х вы боре м ожет бы т ь д ост ат оч н о ощ ут и м ы м ; обозри м ост ь разработ ки и вн ед рен и я си ст ем ы ; п рост от а уп равл ен и я разработ кой . 43 Од н ако п ри эт ом н аруш ает ся ря д осн овн ы х п ри н ци п ов разработки АИУС, что п ри води т в кон ечн ом и тоге к весьм а н и зкой эф ф ект и вн ост и разработ ан н ой си ст ем ы и сам ого п роцесса разработ ки - м н огократн ы м п еределкам , и зли шн ей загрузке ЭВМ и дубл и рован и ю и н ф орм аци и . Одн ой из важн ей ши х сп еци ф и чески х особен н остей , отли чающи х АСУ от т ехн и ч ески х си ст ем , я вл я ет ся т есн ая свя зь с вн еш н ей средой . Поэт ом у п ри разработ ке АИУС п ол езн о вы дели т ь как сам ост оя т ел ьн ы е л оги чески е эт ап ы разработ ки вн еш н ее и вн ут рен н ее п роект и рован и е. Таки е асп ект ы п роект и рован и я в АИУС ч ет ко вы д ел ен ы и и м еют , в и звест н ой ст еп ен и , сам ост оя т ел ь н ое зн ач ен и е. Эт и эт ап ы п ри разработ ке АИУС вы п ол н я ют ся сп еци ал и ст ам и разл и чн ого п роф и ля . Вн ешн ее п роекти рован и е ф орм ули рует цель и кри тери й эф ф екти вн ости будущей си стем ы , вы я вля ет огран и чен и я . Создается и эксп ери м ен тальн о п роверя ется м одель си стем ы . Оп ределя ют ся гран и цы си ст ем ы ; ф и кси руют ся ф акт оры вн еш н ей сред ы , и м еющ и е зн ач ен и е для си ст ем ы ; оп ред ел я ют ся свя зи , ви д ы вход н ы х си гн ал ов, н а кот оры е д ол жн а реаги ровать си стем а; свя зан н ы е с н и м и и зм ен ен и я вы ходн ы х п арам етров. Затем следует эт ап вы я сн ен и я взаи м од ей ст ви я си ст ем ы с вн ешн ей средой ; оп ределен и я того, что и зачем будет делать си стем а, п очем у он а д ол жн а д ей ст воват ь и м ен н о т ак, а н е и н ач е. Вн ут рен н ее п роект и рован и е оп редел я ет содержан и е сам ой си стем ы - как, каким и способам и и средствам и будет си стем а вы п олня ть свои функции, кто, где и когда будет вы полня ть необходим ы е оп ераци и и п роцедуры . Вн ешн ее и вн утрен н ее п роекти рован и е н е я вля ются сам остоя т ел ьн ы м и , н езави си м ы м и д руг от д руга эт ап ам и , он и п ересекают ся и т ребуют взаи м н ого согл асован и я . Сн ач ал а п ровод и т ся вн еш н ее п роект и рован и е для н екоторы х и деальн ы х, н и чем н е огран и чен н ы х вн утрен н и х возм ожн остей си ст ем ы , а зат ем , в п ервом п ри бл и жен и и , вн ут рен н ее п роект и рован и е, вы я вля я п ри этом огран и чен и я , н е п озволя ющи е си ст ем е ф ун кци он и роват ь т ак, как эт о т ребует ся в резул ь т ат е п ред вари т ел ь н ого вн еш н его п роект и рован и я . Согласован и е закл ючает ся в и зм ен ен и и ли бо требован и й 44 вн ешн его п роекти рован и я , ли бо огран и чен и й вн утрен н его, ли бо и того и другого. После такого согласован и я п ереходя т к дет альн ой , углублен н ой п роработ ке воп росов вн ут рен н его п роекти рован и я . Важн ое свой ство любой си стем ы - н али чи е свя зей м ежду ее эл ем ен т ам и , а т акже м ежд у си ст ем ой и ее вн еш н ей сред ой . Свя зи должн ы бы ть вы я влен ы и и зучен ы в существующей си стем е уп равл ен и я и оп редел ен ы для п роект и руем ой . Нап равлен н ост ь свя зей , как п рави л о, от вход а к вы ход у си ст ем ы (в п рот и вн ом сл уч ае и х н азы вают обратным и связям и ) п озволи ла ввест и п он я т и е потока. Осн овой любой п рои зводствен н ой си стем ы я вля ются м атери альн ы е п отоки , которы е н а входе си стем ы состоя т и з сы рья , п олуф абри катов, ком п лектующи х и здели й и други х и сходн ы х м атери алов. Матери альн ы й п оток п роходи т через п одразделен и я си стем ы , где п рои сход и т обработ ка м ат ери ал ов, и п ост уп ает н а вы ход си ст ем ы в ви де ее п родукци и . Вы ходн ая п родукци я одн ой си стем ы м ожет п ол н ост ью и л и ч аст и ч н о п ост уп ат ь н а вход д ругой си ст ем ы . Ан алоги чн о м атери альн ом у п отоку м ожн о вы дели ть эн ергети ческий поток - тепловую и электрическую энергию; поток финансов, т рудовы х ресурсов и т .п . Особое зн ачен и е в си ст ем ах уп равлен и я и м еют п от оки и н ф орм аци и , или и н ф орм аци он н ы е п от оки . Их особое зн ачен и е оп ределя ется ролью и н ф орм аци и в п роцессе уп равлен и я . На вход е си ст ем ы уп равл ен и я в сост ав и н ф орм аци он н ого п оока входи т и н ф орм аци я о сост оя н и и уп равл я ем ого объ ект а, о п арам етрах входн ы х п отоков ----- м атери альн ы х, эн ергети чески х и други х, а т акже и н ф орм аци я о сост оя н и и вн еш н ей среды . Ком п лекс и сследован и й , н ап равлен н ы х н а вы я влен и е общи х тен д ен ци й и ф акт оров разви т и я си ст ем ы и оп ред ел ен и е м ероп ри я т и й по ее соверш ен ст вован и ю, н азы вают д и агн ости чески м ан али зом . Эти и сследован и я н ачи н ают с вы я влен и я и ф орм ули ровки и ли уточ н ен и я цели и кри тери ев эф ф екти вн ости си стем ы и ее п одси стем . Сф орм ул и рован н ы е цел и и кри т ери и ф ун кци он и рован и я и разви т и я си ст ем ы я вля ют ся осн овой дл я п рограм м ы дальн ей ш его ди агн ост и ческого ан ал и за, кот орая вкл ючает в себя вы я влен и е общ и х тен ден ци й разви ти я си стем ы ; ф акторов, сп особствующи х и п реп я тствующи х дости жен и ю цели ; общи х и сп еци ф и чески х 45 свой ств си ст ем ы ; особен н ост ей взаи м од ей ст ви я с вн еш н ей сред ой и т . п . 2.3. Организация разработки автоматизированных инф ормационно-управляющих систем Разработ ка АИУС п редст авл я ет собой ком п л екс н аучн ои сследовательски х, п роектн ы х, и н жен ерн о-техн и чески х и орган и заци он н ы х работ , н ап равл ен н ы х н а соверш ен ст вован и е сущ ест вующ ей си ст ем ы уп равлен и я , н а базе соврем ен н ы х м етодов уп равлен и я и и сп ользован и я вы чи сли тельн ой техн и ки . Совершен ствован и е си стем ы уп равл ен и я озн ачает п ереход к качест вен н о н овой ст уп ен и ее разви т и я , соп ровожд ающ и й ся и зм ен ен и ем орган и заци он н ой ст рукт уры уп равл ен и я и п ри н ци п ов ф ун кци он и рован и я си ст ем ы [23]. Дл я п од авл я ющ его бол ьш и н ст ва си ст ем уст ан овл ен ы сл ед ующ и е ст ад и и и х созд ан и я : п ред п роект н ая , разработ ки т ехн и ч еского и рабочего п роектов и ввод в эксп луатаци ю. В особы х сл учая х, п ри разработ ке сл ожн ы х, ун и кал ьн ы х и н ф орм аци он н о-уп равл я ющ и х си ст ем , м ожет бы т ь вы дел ен а ст ади я разработ ки эски зн ого п роект а, п редш ест вующ ая техн и ческом у п роекту; п ри разработке ти п овы х решен и й для эксп ери м ен тальн ы х си стем м ожет бы ть устан овлен а стади я «Ан али з ф ун кци он и рован и я си стем ы ». Ход работ п о созд ан и ю АИУС уд обн о п ред ст авл я т ь в ви д е сет евы х граф и ков. Дет ал ьн ы е сет евы е граф и ки разработ ки сод ержат ты ся чи и ли деся тки ты ся ч оп ераци й ; и х ви д оп ределя ется в зн ачи т ел ьн ой м ере сп еци ф и кой орган и заци и , д л я кот орой разрабат ы вает ся и н ф орм аци он н о-уп равл я ющ ая си ст ем а. Рассм от ри м обобщ ен н ы й сет евой граф и к укруп н ен н ы х этап ов разработки и вн едрен и я си стем ы , п оказан н ы й н а ри с. 7. Этот граф и к дает общее п редставлен и е об осн овн ы х этап ах разработки и п озволя ет п росл ед и т ь разви т и е си ст ем ы от н ач ал а работ п о ее созд ан и ю д о ввод а в эксп л уат аци ю. Работ ы п о созд ан и ю л юбой АИУС н ач и н ают ся с п ред вари т ел ьн ого озн аком л ен и я с буд ущ ей си ст ем ой , п озвол я ющ его оп ред ел и т ь цел есообразн ост ь созд ан и я АИУС д л я д ан н ой орган и заци и и л и п ред п ри я т и я (оп ераци я 0 -1). Эт у работ у вы п ол н я ет н ебол ьш ая груп п а 46 вы сококвал и ф и ци рован н ы х сп еци ал и ст ов, н е бол ее 4 -5 ч ел овек. В сост ав груп п ы вход я т п ред ст ави т ел и огран и заци и , д л я кот орой созд ает ся си ст ем а, в д ал ьн ей ш ем и м ен уем ой «заказч и ком », а т акже сп еци ал и ст ы по созд ан и ю и н ф орм аци он н о-уп равл я ющ и х си ст ем , в т ом ч и сл е буд ущ и й руковод и т ел ь работ со ст орон ы орган и заци и , вед ущ ей разработ ку си ст ем ы , в д ал ьн ей ш ем и м ен уем ой «разработ ч и ком ». На этом этапе в общем виде определяют основные цели и ограничения существующей и разрабатываемой АИУС, возможность повышения эффективности управления при создании АИУС. По результатам работы группы принимается решение о включении работ по созданию данной АИУС в план министерства (для крупных предприятий), что является основанием для ее разработки. После включения работ по созданию АИУС в план формируются коллективы, участвующие в разработке (операция 1-2), которые готовят технико-экономическое обоснование на разработку системы. 47 Стадии создания системы П Р Е Д П Р О Е К Т Н А Я 1 П Р О Е К Т О В В В О Д Техникоэкономическое обоснование 2 Подготовка технического задания Техническое задание 3 4 Р А З Р А Б О Т К А План по создания информационноуправляющей системы Обследование, подготовка техникоэкономического обоснования 8 7 6 5 Техническое проектирование 9 Рабочее проектирование Технический проект 14 13 12 10 11 Рабочий проект Опытная эксплуатация 15 Прием в опытную эксплуатацию В Э К С П Л У А Т А Ц И Ю Эскизный проект 16 17 Промышленная эксплуатация, модернизация 18 Прием в промышленную эксплуатацию Ри с. 7 Организационно-техническое руководство разработкой АИУС со стороны разработчика осуществляет главный конструктор (в научноисследовательских организациях) или главный инженер проекта (в специализированных проектных организациях). Анализирует и 48 разрабатывает систему группа специалистов - инженеровсистемотехников. К работам по созданию систем «разработчик» может привлекать специализированные организации, которые ответственны за качество и сроки выполнения работ перед разработчиком. Разработчик отвечает за указанные работы перед заказчиком и вышестоящими организациями. Со стороны заказчика работы возглавляет главный инженер или заместитель руководителя организации. Руководитель должен обеспечить подготовку, обсуждение и утверждение технического задания; необходимые условия для эффективного сотрудничества разработчиков с коллективом своей организации; подготовку к внедрению и непосредственно внедрение и эксплуатацию системы. У заказчика создается специализированное подразделение, основные функции которого: - участие в разработке проектной документации; - контроль хода разработки; подготовка к функционированию организации в условиях информационно-управляющей системы, в том числе обучение персонала; - организация опытной эксплуатации и поэтапного промышленного внедрения задач и подсистем АИУС; - определение фактического экономического эффекта от внедрения АИУС и т. п. Дл я коорд и н аци и работ и сп ол н и т ел ей заказч и к созд ает сп еци ал ь н ую груп п у во гл аве с руковод и т ел ем работ , в кот орую н а п равах зам ест и т ел я вход и т гл авн ы й кон ст рукт ор (и л и гл авн ы й и н жен ер п роект а). Кол л ект и в разработ ч и ков п ри ст уп ает к д ет ал ь н ом у и зуч е н и ю и ан али зу сущ ест вующ ей си ст ем ы (оп ераци я 2-3), вы п ол н я я вн еш н ее п роект и рован и е. Вы я вл я ют ся цел и , кри т ери и эф ф ект и вн ост и , сущ ест вующ и е огран и ч ен и я д л я си ст ем ы в цел ом и ее п од си с т ем , ут оч н я ет ся п ереч ен ь п од си ст ем , вы п ол н я ем ы е и м и ф ун кци и , реш аем ы е зад ач и . Парал л ел ь н о с ан ал и зом сущ ест вующ ей си ст ем ы п од гот авл и вают ся реш ен и я по ее соверш ен ст вован и ю. При и зуч ен и и сущ ест вующ ей си ст ем ы ан ал и зи руют орган и заци он н ую и ф ун кци он ал ьн ую ст рукт уры , т ехн и коэкон ом и ч ески е характ ери ст и ки ; и ссл ед уют м ат ери ал ьн ы е п от оки ; п от оки и сост ав и н ф орм аци и м ежд у 49 п од разд ел ен и я м и и вн ут ри н и х; м ет од ы п л ан и рован и я и уч ет а. З аверш ающ ей работ ой рассм ат ри ваем ого эт ап а я вл я ет ся разработ ка т ехн и ч еского зад ан и я (ТЗ ) н а созд ан и е АИУС (оп ераци и 3-4). ТЗ сод ержи т оп и сан и е осн овн ы х цел ей созд ан и я си ст ем ы , кри т ери и эф ф ект и вн ост и ее ф ун кци он и рован и я , н азн ач ен и е и особен н ост и орган и заци и уп равл ен и я . В н ем указан сост ав и характ ери ст и ки ком п л ексов реш аем ы х зад ач , и н ф орм аци он н ого, п рограм м н ого и т ехн и ч еского обесп еч ен и я ; уст ан овл ен ы оч еред и разработ ки и вн ед рен и я , сроки и х вы п ол н ен и я . В от д ел ь н ом разд ел е оп ред е л я ют экон ом и ч ескую эф ф ект и вн ост ь созд аваем ой АИУС. Техн и ч еское зад ан и е оф и ци ал ьн ы й д окум ен т , оп ред ел я ющ и й т ребован и я к созд аваем ой си ст ем е. Посл е эксп ерт и зы и коррект и ровки ТЗ ут вержд ают в уст ан овл ен н ом п оря д ке. Дл я сл ожн ы х си ст ем , н е и м еющ и х ан ал огов, п ровод я т эски зн ое п роект и рован и е си ст ем ы (оп ераци и 4-5), рассм ат ри вают вари ан т ы ст рукт урн ой схем ы , сост ав и сп особы ф орм и рован и я и н ф орм аци он н ого обесп еч ен и я , укруп н ен н ы е схем ы ал гори т м ов обработ ки д ан н ы х. Эски зн ы й п роект д окум ен т и рован н ое оп и сан и е п ред л агаем ой си ст ем ы уп равл ен и я . Его п од гот овка п озвол я ет вы п ол н и т ь н ач ал ь н ы е эт ап ы п роект и рован и я , п ред ст ави т ь заказч и ку в уд обн ой ф орм е н ам еч аем ы е осн овн ы е п роект н ы е реш ен и я . Есл и п ри н я т о реш ен и е о разработ ке эски зн ого п роект а, он д ол жен бы т ь согл асован и ут вержд ен заказч и ком . На ст ад и и п од гот овки т ехн и ч еского п роект а реш ен и я , сод ерж ащ и еся в эски зн ом п роект е, коррект и руют и д ет ал и зи руют . После утверждения ТЗ выделяют специализированные группы, каждая из которых ведет разработку одной или нескольких подсистем (операции 4-6). Эти группы уточняют перечень задач по функциональным подсистемам, их постановку и алгоритмизацию. Группы работают вместе с разработчиками АИУС, проводя взаимное согласование состава и характеристик входных и выходных сигналов. Отдельные группы специалистов создают разделы технического проекта, относящиеся к техническим средствам (операции 4-7) и 50 экономической эффективности (операции 4-8). Результатом работы всех групп является технический проект (событие 9). На эт ап е рабоч его п роект и рован и я кром е си ст ем щ и ков в работ е уч аст вуют п рограм м и ст ы и сп еци ал и ст ы п о т ехн и ч ески м сред ст вам . Програм м и ст ы разрабат ы вают п о си ст ем н ы м сп еци ф и каци я м схем ы п рограм м и п рограм м н ы е сп еци ф и каци и , зат ем п и ш ут и от л аж и вают п рограм м ы (оп ераци и 9-10); п ровод я т от л ад ку ком п л ексов п рограм м п о зад ач ам (оп ераци и 10-11). Рабоч и й п роект вкл юч ает в себя разд ел , от н ося щ и й ся к т ехн и ч ески м сред ст вам (оп ерац и и 9-10). Си ст ем щ и ки п и ш ут рабоч и е и н ст рукци и п ерсон ал у АИУС (оп ерац и и 9-13), од н оврем ен н о вед ут расч ет ы д л я раз д ел а т ехн и ч еского п роект а п о экон ом и ч еской эф ф ект и вн ост и си ст ем ы (оп ерац и и 9-14). Все э т и разд ел ы свод я т ся в рабоч и й п ро ект (собы т и е 11). Посл е оф и ц и ал ь н ого ут верж д ен и я рабоч его п роект а н ач и н ает ся ввод си ст ем ы в эксп л уат аци ю. Есл и т ехн и ч ески е сред ст ва бы л и гот овы ран ее, т о н а н и х н ач и н ает ся оп ы т н ая эксп л уат аци я (оп ераци и 11-15). Есл и т ехн и ч ески е сред ст ва н е п од гот овл ен ы , т о вед ет ся и х м он т аж и освоен и е (оп ерац и и 11-16). Пока си ст ем а м ожет ф ун кци он и роват ь н а арен д уем ы х т ехн и ч ески х сред ст вах, а зат ем оп ы т н ая эксп л уат аци я п род ол ж ает ся н а п од гот овл ен н ы х сред ст вах в соот вет ст ви и с рабоч и м п роект ом (оп ерац и и 16-17). В п ери од оп ы т н ой эксп л уат аци и вы я вл я ют и коррект и руют н ед ост ат ки п ред ы д ущ и х эт ап ов разработ ки . В кон це оп ы т н ой эксп л уат аци и окон ч ат ел ь н о от рабат ы вают все п рограм м ы ЭВМ и и н ст рукц и и п ерсон ал у, от л аж и вают т ехн и ч ески е сред ст ва и п роверя ют возм ожн ост ь работ ы АИУС п ри п ол н ой н агрузке в реал ь н ом м асш т абе врем ен и . Си ст ем а п еред ает ся в п ром ы ш л ен н ую эксп л уат аци ю (оп ераци и 17-18), гд е возм ожн а ее ч аст и ч н ая м од ерн и заци я и л и реш ен и е о сущ ест вен н ой рекон ст рукци и (оп ераци и 18-0). 2.4. Рабочая документация по проектированию Разработ ка АИУС и сост ав оф и ци ал ь н ой д окум ен т аци и регл ам ен т и руют ся общ еот расл евы м и руковод я щ и м и м ет од и ч ески м и м ат ери ал ам и . В н аст оя щ ее врем я 51 п род ол жают д ей ст воват ь ст ан д арт ы , ут вержд ен н ы е Госком и т ет ом п о н ауке и т ехн и ке Со вет а Ми н и ст ров СССР, а т акже ст ан д арт ы , введ ен н ы е п ост ан овл ен и я м и Госст ан д арт а РФ [27 - 30]. Оф и ци ал ьн ы м и рабоч и м и д окум ен т ам и по п роект и рован и ю АИУС я вл я ют ся т ехн и ч еское зад ан и е, т ехн и ч ески й п роект (ТП) и рабоч и й п роект н а АИУС. 2.4.1. Техн и ческое зад ан и е. Он о п ред ст авл я ет собой ут вержд ен н ы й в уст ан овл ен н ом п оря д ке д окум ен т , оп ред ел я ющ и й цел и , т ребован и я и осн овн ы е и сход н ы е д ан н ы е, н еобход и м ы е д л я разработ ки си ст ем ы , и сод ержащ и й п ред вари т ел ьн ую оцен ку ее экон ом и ч еской эф ф ект и вн ост и (ГОСТ 19675-----74). Техн и ч еское зад ан и е оп ред ел я ет т ребован и я к зад ач ам АИУС, т ехн и ч еском у, и н ф орм аци он н ом у и м ат ем ат и ч еском у обесп еч ен и ю си ст ем ы и регл ам ен т и рует орган и заци ю разработ ки , объ ем ы работ и зат рат ы . При разработ ке ТЗ н а уст ан авл и вают ся оч еред и созд ан и я и оп ред ел я ет ся п ереч ен ь п од си ст ем и зад ач , п ред усм от рен н ы х в сост аве кажд ой оч еред и . Оч еред н ост ь разработ ки си ст ем ы и сост ав оч еред ей обусл авл и вают ся важн ост ь ю п ри н и м аем ого ком п л екса зад ач д л я д ан н ой си ст ем ы , возм ожн ост ью п ри обрет ен и я и введ ен и я в эксп л уат аци ю н еобход и м ы х т ехн и ч ески х сред ст в соот вет ст вующ его т ехн и ч еского уровн я , п од гот овл ен н ост ью к вн ед рен и ю си ст ем ы , н еобход и м ост ью м и н и м и заци и сум м арн ы х зат рат , созд ан и ем и н ф орм аци он н ой базы си ст ем ы , возм ожн ост ью и сп ол ьзован и я в п осл ед ующ и х разработ ках резул ь т ат ов п роект и рован и я и вн ед рен и я п ервой оч еред и АИУС. Техн и ч еское зад ан и е д ол жн о сод ержат ь : - осн ован и е д л я разработ ки : п ост ан овл ен и е и л и п ри каз вы ш ест оя щ ей орган и заци и ; - осн овн ы е п ол ожен и я , характ ери зующ и е ф ун кци он и рован и е си ст ем ы : ст еп ен ь цен т рал и заци и уп равл ен и я , реком ен д уем ы й п оря д ок п л ан и рован и я и уч ет а д ея т ел ьн ост и , особен н ост и п рои звод ст вен н ы х и и н ф орм ац и он н ы х взаи м освя зей и д р.; 52 - сост ав п од си ст ем и зад ач с обосн ован н ы м указан и ем оч еред н ост и и х разработ ки и вн ед рен и я ; - п ред л ожен и я п о ул уч ш ен и ю сущ ест вующ ей си ст ем ы уп равл ен и я ; - п ереч ен ь п ред вари т ел ьн о вы бран н ы х т ехн и ч ески х сред ст в; - н ам еч аем ы й разм ер зат рат и укруп н ен н ы й расч ет экон ом и ч еской эф ф ект и вн ости . 2.4.2. Техн и чески й п роект. Он п ред ст авл я ет собой ут вержд ен н ую в уст ан овл ен н ом п оря д ке т ехн и ч ескую д окум ен т аци ю, сод ержащ ую общ еси ст ем н ы е п роект н ы е реш ен и я , ал гори т м ы реш ен и я зад ач , а т акже оцен ку экон ом и ч еской эф ф ект и вн ост и си ст ем ы и п ереч ен ь м ероп ри я т и й п о п од гот овке объ ект а к вн ед рен и ю (Г ОСТ 19675-----74). Разработ ка ТП вед ет ся на осн ован и и ут вержд ен н ого ТЗ в т акой п осл ед оват ел ь н ост и : общ и й т ехн и ч ески й п роект ; т ехн и ч ески й п роект п ервой оч еред и ; т ехн и ч ески й п роект вт орой оч еред и . Разработ ка т ехн и ч еского п роект а вт орой оч еред и м ожет п ровод и т ься н езави си м о от ст еп ен и заверш ен н ост и работ п о п ервой оч ереди . В от д ел ьн ы х сл ожн ы х сл уч ая х, когд а н евозм ожн о вы я ви т ь раци он ал ь н ы е п роект н ы е реш ен и я без соп ост авл ен и я вари ан т ов, н а ст ад и и т ехн и ч еского п роект а д ол жн ы п рорабат ы ват ь ся разл и ч н ы е вари ан т ы ; од н ако н еобход и м ост ь т акой п роработ ки н ескол ь ки х ва ри ан т ов д ол ж н а бы т ь указан а в ТЗ н а АИУС. Общ и й т ехн и ч ески й п роект вкл юч ает в себя разд ел ы : - общ ая ст рукт ура си ст ем ы с указан и ем п од си ст ем и общ и х п ри н ци п ов ф ун кци он и рован и я си ст ем ы ; - п ереч ен ь зад ач , реш аем ы х в сост аве кажд ой п од си ст ем ы , и вы ход н ы е п арам ет ры зад ач ; - схем ы д окум ен т ооборот а м ежд у п од си ст ем ам и ; - общ и е п ри н ци п ы м ат ем ат и ч еского обесп еч ен и я си ст ем ы ; - укруп н ен н ая ст рукт ура ком п л екса т ехн и ч ески х сред ст в, в т ом ч и сл е от д ел а АСУ; - важн ей ш и е м ероп ри я т и я п о п од гот овке к вн ед рен и ю си ст ем ы (созд ан и е от д ел а АСУ), п од гот овка кад ров, орган и заци я н орм ат и вн ого хозя й ст ва); 53 - расч ет экон ом и ч еской э ф ф ект и вн ост и си ст ем ы ; - укруп н ен н ы й граф и к разработ ки и вн ед рен и я си ст ем ы . Техн и ч ески й п роект и м еет сл ед ующ и й сост ав д окум ен т ов: - вед ом ость техн и ческого п роекта; - обосн ован и е п роектн ых решен и й : а) ст рукт уры си ст ем ы , п од си ст ем и зад ач , а т акж е ком п л екса т ехн и ч ески х сред ст в со ссы л кой н а ан ал оги ч н ы е си ст ем ы ; б) д ан н ы е об уст ан овл ен н ом объ ем е разра бот ки си ст ем ы , и ст оч н и ках и объ ем е ф и н ан си рован и я ; в) обзор ан ал оги ч н ы х си ст ем в ви д е сравн и т ел ь н ой т абл и цы ; - ут очн ен н ая см ет а зат рат н а созд ан и е си ст ем ы , с уч ет ом н ауч н о-и ссл ед оват ел ь ски х и п роект н ы х работ , н еобход и м ы х д л я созд ан и я д ан н ой оч еред и ; - расчет экон ом и ческой эффекти вн ости п о оф и ци ал ьн ой м ет од и ке; - характери сти ка д ан н ой очеред и си стем ы в целом и отд ельн о по кажд ой п од си стем е. Характ ери ст и ка ф ун кци он ал ь н ой п од си ст ем ы , сод ержащ ая п ереч ен ь п од разд ел ен и й , охвач ен н ы х п од си ст ем ой ; укруп н ен н ое оп и сан и е расп ред ел ен и я ф ун кци й м еж д у п од разд ел е н и я м и и схем у и н ф орм ац и он н ы х свя зей м еж д у н и м и ; увя зку зад ач в п од си ст ем е. Характ ери ст и ка си ст ем ы в цел ом т акже сод ерж и т п ереч ен ь ф ун кци он ал ьн ы х п од си ст ем ; укруп н ен н ую схем у и х вн еш н и х свя зей ; п ереч ен ь и характ ери ст и ки д окум ен т ов и сообщ ен и й , образующ и х эт и свя зи ; схем у увя зки п од си ст ем п о вход ам и вы ход ам ; - п остан овка зад ачи , оп ред ел я ющ ая круг объ ект ов, д л я кот оры х п ред н азн ач ен а д ан н ая зад ач а: а) крат кое сод ержан и е п ост ан овки зад ач и ; б) п ери од и ч н ост ь реш ен и я и врем ен н ы е огран и ч ен и я ; в) свя зь с д руги м и зад ач ам и ; г) н еобход и м ую оп ерат и вн ую, н орм ат и вн о-сп равоч н ую и вы ход н ую и н ф орм аци ю; д ) ал гори т м реш ен и я и кон т рол ьн ы й п ри м ер; 54 - п од готовка объ екта к вн ед рен и ю си стем ы - д окум ен т , сод ержащ и й п ереч ен ь н еобход и м ы х м ероп ри я т и й , и сп ол н и т ел ей , сроки и ф орм ы заверш ен и я работ ; - орган и заци я фон д а н орм ати вн о-сп равочн ой и н форм аци и . В д окум ен т е п ри вод и т ся сост ав сп равоч н и ков н орм ат и вн о-сп равоч н ой и н ф орм аци и с указан и ем зад ач , д л я кот оры х он и и сп ол ь зуют ся , оп и сан и е орган и заци и и х созд ан и я , п од д ержан и я в рабоч ем сост оя н и и и м ет од и к вн есен и я и зм ен ен и й ; - си стем а ши ф ровки д окум ен тов и отд ельн ых п арам етров си с тем ы (рекви зи т ов); - выбор ком п лекса т ехн и чески х сред ст в (КТС), сод ерж ащ и й вы бор т и п а и расч ет кол и ч ест ва осн овн ого и всп ом огат ел ь н ого оборуд ован и я , ст рукт уру и н азн ач ен и е п од разд ел ен и й от д ел а АСУ, расч ет ч и сл ен н ост и п ерсон ал а, реш ен и я п о п ери ф е ри й н ы м т ехн и ч ески м сред ст вам , сп еци ф и каци и д л я разм ещ ен и я заказа н а оборуд ован и е; - техн и чески е зад ан и я н а п роект м он тажа п ери фери й н ого КТС, сод ерж ащ и е ч ерт еж и разм ещ ен и я т ехн ол оги ч еского оборуд ован и я и т ехн и ч ески е усл ови я н а м он т аж; - характери сти ка выбран н ой си стем ы м атем ати ческого обесп ечен и я , сод ерж ащ ая оп и сан и е си ст ем ы и ее сост ав, п реи м ущ ест ва и н ед ост ат ки , т ехн и ч ески е т ребован и я н а н овы е п рограм м ы . 2.4.3. Рабочи й п роект . Он п ред ст авл я ет собой ут верж д ен н ую в уст ан овл ен н ом п оря д ке т ехн и ч ескую д окум ен т аци ю, сод ержащ ую ут оч н ен н ы е и д ет ал и зи рован н ы е общ еси ст ем н ы е п роект н ы е реш ен и я , п рограм м ы и и н ст рукци и п о реш ен и ю зад ач , а т акже ут оч н ен н ую оцен ку экон ом и ч еской эф ф ект и вн ост и авт ом ат и зи рован н ой си ст ем ы уп равл ен и я и ут оч н ен н ы й п ереч ен ь м ероп ри я т и й п о п од гот овке объ ект а к вн ед рен и ю (Г ОСТ 19675 -74). Рабоч и й п роект АСУ сод ержи т сл ед ующ и е д окум ен т ы : - вед ом ость д окум ен тов рабочего п роекта; - обосн ован и е д оп олн и тельн ых п роектн ых решен и й , п ри н я т ы х п осл е ут верж д ен и я т ехн и ч еского п роект а и ут верж д ен н ы х в уст а н овл ен н ом п оря д ке; 55 - уточн ен н ый расчет экон ом и ческой эффекти вн ости си стем ы п о оф и ци ал ь н ой м ет од и ке; - технология ввода и регистрации информации; - форм ы п ерви чн ых и п ром ежуточн ых д окум ен тов, зап ол н я ем ы х вруч н ую и и сп ол ь зуем ы х д л я реш ен и я зад ач , с указан и ем м арш рут ов д ви ж ен и я д окум ен т ов от д ел ь н о д л я каж д ой зад ач и ; - д олжн остн ые и н струкци и , сост авл я ем ы е п ерсон ал ь н о для каж д ого д ол жн ост н ого л и ца, уч аст вующ его в ф ун кци он и рован и и си ст ем ы , с указан и ем д ей ст ви й в сл уч ае от каза т ехн и ч ески х сред ст в АИУС; - ф орм ы н орм ати вн о-сп равочн ой и н форм аци и , и н струкци и п о и х зап олн ен и ю и вн есен и ю и зм ен ен и й ; - ал ь бом ш и ф ров, сод ерж ащ и й си ст ем у ш и ф ровки и ал ь бом ш и ф ров; - п рограм м ы орган и заци и и вед ен и я м асси вов н орм ати вн о-сп равочн ой и н ф орм аци и , вкл юч ая т и п ЭВМ и н еобход и м ы й ком п л ект вн еш н и х уст рой ст в, особен н ост и орган и заци и и вед ен и я м асси вов и н ф орм аци и , оп и сан и е п рограм м , и н ст рукци и п о ввод у вход н ы х д окум ен т ов и п о эксп л уат аци и п рограм м , и сход н ы е т екст ы п рограм м ; - рабочи е п рограм м ы и и н струкци и . По каж д ой зад ач е п рои звод и т ся оп и сан и е ал гори т м ов и рабоч и х п рограм м , и н ст рукц и и п о ввод у вход н ы х д ан н ы х и п о э ксп л уат ац и и п рограм м , а т акж е п рограм м ы и кон т рол ь н ы й п ри м ер; - характери сти ка ком п лекса техн и чески х сред ств, сод ержащ ая сп еци ф и каци ю оборуд ован и я , оп и сан и е и т ехн и ч ескую характ ери ст и ку всех уст рой ст в, п ереч ен ь ст ан д арт н ы х п роцед ур работ ы с ним и, схем у ф ун кц и он ал ь н ы х свя зей уст рой ст в, схем у и ч ерт еж и и х разм ещ ен и я , п ри н ци п и ал ьн ы е эл ект ри ч ески е схем ы свя зи и п и т ан и я . Характ ери ст и ка охват ы вает как оборуд ован и е вы ч и сл и т ел ь н ого цен т ра, д и сп ет ч ерски х п ун кт ов, т ак и п ери ф ери й н ы е т ехн и ч ески е сред ст ва, расп ол агаем ы е в п рои звод ст вен н ы х п ом ещ ен и я х. В сл уч ае н еобход и м ост и в рабоч и й п роект вкл юч ает ся т акже эксп л уат аци он н ая д окум ен т аци я н а н овы е, н ест ан д арт н ы е уст рой ст ва, разработ ка кот оры х вы п ол н я л ась д л я д ан н ой 56 си ст ем ы , а т акже ч ерт еж и ст рои т ел ь н ой ч аст и п роект а и м он т аж а т ехн и ч ески х сред ст в. 57 3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 3.1. Структуризация работ проектирования Разработка АИУС – это выполнение большого комплекса научноисследовательских, проектных, инженерно-технических и организационных работ, связанных с совершенствованием методов управления на базе внедрения вычислительной техники, что приводит к столь глубоким и принципиальным изменениям, что можно говорить о качественно новой ступени развития предприятия или организации. Структура работ по созданию АИУС показана на рис. 8 [31]. Структура работ по созданию АИУС Создание информационновычислительной системы Разработка организационноправового обеспечения Информационное обеспечение Организационное обеспечение Математическое обеспечение Правовое обеспечение Подготовка персонала Программное обеспечение Техническое обеспечение Лингвистическое обеспечение Рис. 8 Создание АИУС осуществляется алгоритмически последовательно и включает в себя следующее: - разработку информационного обеспечения (исследование с целью 58 совершенствования потоков информации, установление информационных связей между задачами, создание нормативной базы и др.); - создание математического и программного обеспечения АИУС (разработку методов, моделей, алгоритмов и программ); - осуществление технического обеспечения АИУС (приобретение, установку и наладку ЭВМ, периферийного оборудования, оборудования передачи данных и т. д.). Под проектированием понимается процесс создания проекта прототипа, прообраза предполагаемого или возможного объекта. При проектировании, как показано на рис. 9, решаются задачи управления процессами проектирования и его составными частями. ПЛАН (целевая программа) проектировщиков КРИТЕРИИ эффективности процессов проектирования Процесс проектирования АИУС СРЕДСТВА воздействия на процесс проектирования с целью достижения желаемых характеристик Проектные решения Проверка качества проектных решений Рис. 9 Задачу управления процессом проектирования представим как задачу оптимизации. Процесс проектирования следует рассматривать, 59 как цикл управления [32], показанный на рис. 10. Условия цикла управления процессами проектирования назовем спецификациями. Цель проектирования Процесс высшего уровня Результат Спецификация проекта Представление Отклонение Оценка Результат Синтез Знания Анализ Концептуальная модель объекта Аспекты анализа Другие аспекты Аспекты производства Другие процессы Процесс производства Рис. 10 Проектные спецификации отражают все изменения цели проектирования, т.к. выделены внутренний и внешний циклы проектирования. Во внутреннем цикле осуществляют операции (синтез, анализ и оценка) с фиксированными проектными спецификациями (цели). Данные об отклонении предварительного проекта от спецификаций являются исходными для выполнения операций синтеза. Второй цикл замыкается не внутри самого процесса проектирования, а только в процессе высшего уровня. Для обеспечения экономической эффективности АИУС в процессах проектирования применяют спецификации, минимизирующие затраты, связанные с изменением цели. В работе [33] предлагается система 60 моделей процессов, протекающих в среде проектирования в соответствии с формулой системного подхода: Цели→Задачи-работы→Задания→Ресурсы→Алгоритмы-планы. Система моделей позволяет содержательно описать решение задач синтеза и анализа, а также применения решений при проектировании и отобразить процессы проектирования в виде сетевых моделей выполнения работ и достижения целей [34-36]. В работе [37] предлагается математическая модель процесса достижения цели на каждом m-ом этапе в виде И/ИЛИ-сети. В работе [38] предлагается рассматривать задачу оптимального управления процессами проектирования как задачу определения вектора параметров управления проектированием ПУ, при которых вектор выходных параметров (векторный критерий качества) ПВ имеет наилучшие характеристики. Применительно к задачам проектирования АИУС задача системного подхода сводится к нахождению подобных структур, свойств и явлений. По мнению Ф.Е.Эмери, не следует преждевременно стремится к созданию «общей концептуальной основы» [39], хотя Р.Л.Акофф стремится ввести понятие системы систем [40]. Поиск общности в проектировании и функционировании АИУС можно достичь нахождением областей, в которых одни и те же модели описывают то, что внешне представляется не связанными между собой явлениями. Однако стремление к использованию общих методов не позволяет учесть отличительных особенностей реальной АИУС. 3.2. Информационно-управляющие аспекты проектирования АИУС Решение задач проектирования определяется как деятельность, которая сохраняет или улучшает характеристики АИУС, что достигается введением изменений, повышающих эффективность использования ресурсов (люди, материалы, оборудование, устройства, капитал и время). Эффективность использования ресурсов измеряется: - увеличением или уменьшением потребности в ресурсах без соответствующего изменения в объеме стоимости и прибыли; - увеличением или уменьшением подверженности риску; - изменением некоторой относительной величины, измеряемой критериями. 61 Общность теории состоит в определении функций, общих для процессов проектирования АИУС и показанных на рис. 11. Принятие решения Оценка Оптимизация Формулирование проблемы Количественное определение Функции процесса проектирования Планирование Субоптимизация Управление Регулирование Иерархическая организация Рис. 11 Эти функции присущи любому процессу проектирования. Анализ каждой функции показывает, что они разбиваются на более «мелкие» функции, эффективная реализация каждой из которых будет влиять на принимаемые решения и оценку их последствий. Функция принятия решения, присуща любому процессу проектирования системы. Дж. Гиг дает определение принятия решения: это термин, который употребляется для обозначения действия, состоящего в выборе одного из нескольких возможных вариантов. Принятие решения - итеративная процедура, каждый цикл которой включает несколько последовательных шагов [41]. Реализовать функцию принятия решения требуется в том случае, когда либо имеется задача, ожидающая своего решения, либо должны быть удовлетворены какие-то потребности (цели). Шаг, стоящий в определении задачи, можно рассматривать как подзадачу основной задачи проектирования АИУС. 3.3. Этапы проектирования АИУС Методологию проектирования АИУС, основанную на принципах системного анализа можно рассматривать в следующей последовательности (по этапам) [42]: - этап постановки задачи, включающий определение АИУС, структурирование целей и задание критериев; 62 - этап выделения исследуемой АИУС из среды и осуществление ее первичной структуризации, которая состоит в ориентировочном членении АИУС на составные части (подсистемы и элементы); - этап составления математической модели АИУС, на котором элементы АИУС, воздействие на АИУС описывают с помощью параметров, в том числе и качественных, определяют связи между ними, учитывают изменение значений параметров во времени; - этап исследования построенных моделей и прогнозирования развития АИУС, для чего на построенных моделях «проигрывают» с помощью ЭВМ варианты тех или иных воздействий внешней среды и выявляют возможные результаты; - этап анализа результатов прогнозирования, полученных на предыдущем этапе, проверка их соответствия целям и критериям, разработка рекомендаций по необходимому совершенствованию. Четвертый и пятый этапы итерационно повторяются до получения приемлемого результата. 3.3.1. Начальные этапы разработки и диагностический анализ. Метод проектирования АИУС учитывает особенности тех объектов, для которых они создаются, а также введенные выше принципы, важнейшим из которых является принцип системности. Содержание и организация работ на каждом этапе во многом предопределяются выбранной методологией создания АИУС. В практике построения АИУС наиболее известны локальный подход в проектировании и внедрении, комплексный подход в проектировании и локальный во внедрении, системный подход в разработке и внедрении [23]. При локальном подходе предпроектная стадия практически игнорируется, производится лишь общее ознакомление с объектом автоматизации и намечаются задачи, которые будут решаться на ЭВМ. На стадиях проектирования и внедрения осуществляется постановка этих задач, их программирование и внедрение. При таком подходе АИУС строится путем последовательного наращивания задач, решаемых на ЭВМ. При удачном выборе первоочередных задач локальный подход создает впечатление быстрой отдачи и подкупает обозримостью проблемы построения АИУС и легкостью управления разработкой. При этом нарушается один из важнейших принципов создания АИУС принцип новых задач. Основные недостатки локального подхода: невозможность рациональной организации взаимосвязанного решения 63 задач, дублирование массивов информации, постоянная перестройка системы при наращивании новых задач. Комплексный подход в проектировании и локальный во внедрении предполагает автоматизацию функций управления, обследование объекта автоматизации, проектирование АИУС и внедрение ее по частям. Приоритет в очередности внедрения отдается обеспечивающим подсистемам, на базе которых проектируются и внедряются функциональные подсистемы и задачи. Комплексный подход лишен недостатков локального подхода, но требует затрат времени и средств и не гарантирует достижения целей, поскольку он основное внимание акцентирует на полноте проектируемой системы, а не на решении задач функционирования и проектирования АИУС. Основными чертами системного подхода в разработке и внедрении АИУС являются [42]: - целенаправленность и проблемная ориентация процесса разработки и внедрения АИУС; многоаспектное моделирование структуры создаваемой системы; - комплексность охвата автоматизацией функций управления и требуемая «полнота» проектируемой АИУС; - наличие вариантов представления проектных моделей элементов АИУС, ее подсистем, системы в целом, что позволяет из нескольких вариантов проектных решений выбирать наилучший. Первые два свойства системного подхода обеспечивают ему универсальность, необходимую при проектировании и позволяющую применять его в процессе разработки АИУС в целом, обеспечивающих и функциональных подсистем и задач. 3.3.2. Внешнее и внутреннее проектирование. Одной из важнейших специфических особенностей АИУС является тесная связь с внешней средой. Поэтому при разработке АИУС полезно выделить как самостоятельные логические этапы разработки внешнее и внутреннее проектирование [23]. При внешнем проектировании формулируют цель и критерий эффективности будущей АИУС, выявляют ограничения и создают модель системы. Определяются границы АИУС, факторы внешней среды, определяются существенные связи, виды входных сигналов, на которые должна реагировать АИУС. Внутреннее проектирование определяет содержание самой АИУС, какими способами и средствами она будет выполнять свои функции. 64 Внешнее и внутреннее проектирование пересекаются и требуют взаимного согласования. Вначале проводится внешнее проектирование для некоторых идеальных, внутренних возможностей системы, затем в первом приближении внутреннее проектирование. При этом определяют ограничения, не позволяющие системе функционировать так, как это требуется в результате предварительного внешнего проектирования. Согласование заключается в изменении либо требований внешнего проектирования, либо ограничений внутреннего, либо и того и другого. После такого согласования переходят к детальной, углубленной проработке вопросов внутреннего проектирования. 3.3.3. Определение потоков. Для управления распределением потоков сообщений в АИУС существуют служебные сигналы, составляющие потоки служебной информации. Передаваемая информация от пользователей составляет информационные потоки, которые являются ядром организационной структуры АИУС. Информационный поток проходит через подсистемы, блоки и узлы АИУС. Выходные сообщения от одной подсистемы могут полностью или частично поступать на вход другой подсистемы. На основе построения структуры информационных потоков наращивается организационная структура АИУС путем добавления структур программных и аппаратных средств АИУС, связь между которыми осуществляется путем обмена служебной информацией. Для исследования информационных потоков применяются: метод сплошного обследования [31], метод расчета по массовым документам [40], матричные информационные модели [23, 43], информационные модели с использованием информационных языков[44, 45], методики обследования информационных характеристик [43 -45]. Комплекс исследований, направленных на выявление общих тенденций и факторов развития системы и определение мероприятий по ее совершенствованию, называют диагностическим анализом. Исследования начинают с формулировки цели и критериев эффективности системы, в том числе и подсистем. Цели и критерии функционирования и развития являются основой для программы диагностического анализа, которая включает в себя выявление общих тенденций развития АИУС, факторов, способствующих и препятствующих достижению цели, свойств и особенностей взаимодействия с внешней средой. 65 В п роцессе д и агн ост и ч еского ан ал и за н е выполяют д ет ал ьн о го и зуч ен и я и н ф орм аци он н ы х п от оков и д окум ен т ооборот а, ф орм и рован и я д окум ен т ов и п оказат ел ей , и х сост ав а, и т .п . Резул ьт ат ы д и агн ост и ч еского ан ал и за п озвол я ют вы я ви т ь ф акт оры , п реп я т ст вующ и е п овы ш ен и ю эф ф ект и вн ост и АИУС [43]. Рассм от ри м сут ь м ет од а п роект и рован и я АИУС. Проект и рован и е АИУС эт о н еп реры вн ы й м ет од работ ы , свя зан н ы й с п ост оя н н ы м и и зм ен ен и я м и . Процесс п роект и рован и я АИУС и л л юст ри рован н а ри с. 12. ФОРМИРОВАНИЕ СТРАТЕГИИ Определение проблемы Поиск вариантов ОЦЕНИВАНИЕ Оценка вариантов Модели принятия решения Цели и стремления Потребности РЕАЛИЗАЦИЯ Процесс выбора Реализация Результаты Поиск вариантов Поиск вариантов Удовлетворение потребностей Рис. 12 На первой фазе формирования стратегий достигается соглашение о постановке решаемой задачи, об основных методах, используемых для интерпретации реальных фактов и ожидаемых результатах. Определяется система ценностей и начинается поиск и разработка вариантов. На второй фазе оценивания происходит оценка предложенных вариантов, для определения степени удовлетворения целям, сформированным на предыдущей фазе. Производится идентификация результатов и следствий, достигается соглашение о критериях оценки. Выбираются модели измерений и решений, для оценивания и сравнения вариантов, и осуществляется выбор конкретного варианта проектируемой АИУС. 66 На третьей фазе реализации реализуется выбранный проект системы. Решаются задачи оптимизация, субоптимизации (объяснение того, почему наилучшее решение не может быть получено). Оценивается сложность задач, и при необходимости проводится упрощение реальности, разрешаются конфликты. Затем происходит оценка результатов, полученных от внедренного проекта АИУС, а также определяют необходимые доработки процесса проектирования АИУС. Каждая из фаз алгоритмизирована в виде шагов, совокупность которых и составляет общий процесс проектирования АИУС, представленный на рис. 13. ФОРМИРОВАНИЕ СТРЕТЕГИИ 1 ОЦЕНИВАНИЕ 5 Определение проблемы 2 Исследование миропонимания Оценивание результатов и критериев 6 РЕАЛИЗАЦИЯ 8 Реализация выбранных вариантов 9 Оценивание вариантов 3 4 Назначение целей 7 Процесс выбора Управление 10 Проверка и переоценка Поиск и разработка вариантов ФОРМИРОВАНИЕ СТРЕТЕГИИ ОЦЕНИВАНИЕ РЕАЛИЗАЦИЯ Рис. 13 Рассмотрим алгоритм проектирования АИУС по шагам. На первом шаге основан остальной процесс проектирования АИУС. Здесь определяются заказчики (пользователи АИУС), их требования. Определяются границы АИУС, т.е. любые предположения или 67 ограничения, которые будут влиять на проектирование АИУС. Осуществляется поиск методов, которые будут использоваться для решения задач проектирования в рамках удовлетворения потребностей заказчиков. Определяется объем имеющихся ресурсов по сравнению с требуемыми для решения задачи проектирования АИУС. На втором шаге исследуется миропонимание заказчиков и проектировщиков с целью выработки единого мнения. На третьем шаге производится анализ относительной важности выдвигаемых требований, который приводит к формированию целей, устраивающих всех. На четвертом шаге учитывают ограничения на доступные ресурсы (знания, время, стоимость и т.д.). На пятом шаге осуществляется определение результатов (количественных и качественных), определение свойств, на основании которых эти результаты в дальнейшем могут быть измерены, определение измерительной шкалы, определение модели измерений, позволяющей объяснения события и явления, определение пригодности данных, т.е выяснение источников информации (информационные материалы, статьи, документы) и оценка их соответствие целям проекта АИУС, используя методы информационного анализа. На шестом шаге целесообразно применить модели, позволяющие формализовать задачу. Модель может состоять из списка рекомендаций, а может содержать и абстрактные математические построения. Могут быть применены модели принятия решений, модели достижения компромиссов, позволяющие формализовать общую задачу проектирования АИУС и выработать методы решений. На седьмом шаге для достижения эффективного результата объединяют технические, экономические, социальные и политические аспектов в проекте АИУС. Это сделает АИУС осуществимой и приемлемой для всех пользователей. На восьмом шаге предполагается реализация выбранных вариантов системы, осуществление экспертной оценки результатов, узаконивание и согласование результатов внедрения с заказчиком. При этом используют модели достижения согласия, на основании чего предложения проектировщиков и запросы заказчиков совместно анализируются, что разрешает конфликты. 68 На девятом шаге сравниваются результаты проектирования со стандартами, АИУС настраивается так, чтобы обеспечить стабильные и эффективные результаты функционирования. На десятом шаге осуществляют переоценку проекта АИУС. Как показано на рис. 12 и рис. 13, процесс проектирования АИУС имеет обратную связь от фазы реализации к фазе формирования стратегии, которая оказывает воздействие после проведения оценки полученных результатов. При таком подходе технологию проектирования АИУС можно представить как последовательность этапов, показанных в табл. 1. Таблица 1 № Наименование этапа 1 Разработка и анализ бизнес модели 2 Формализация бизнес - модели, разработка логической модели бизнес -процессов. Основные характеристики Определяются задачи АИУС, проводится декомпозиция задач, определяются функции для решения этих задач. Описание функций осуществляется на языке производственных (процессы предметной области), функциональных (формы документов) и технических требований (аппаратное, программное, лингвистическое обеспечение. Метод решения: Функциональное моделирование. Результат: 1. Концептуальная модель АИУС, состоящая из описания предметной области, ресурсов и потоков данных, требований, ограничений к технической реализации АИУС. 2. Аппаратно-технический состав АИУС. Разработанная концептуальная модель формализуется в виде логической модели. Метод решения: Разработка диаграммы "сущность-связь". Результат: Разработанное информационное обеспечение: схемы и структуры данных для всех уровней модульности; документация по логической структуре АИУС; сгенерированные скрипты для создания объектов БД. 69 Окончание табл. 1 № Наименование этапа 3 Выбор лингвистического обеспечения, разработка программного обеспечения АИУС. 4 Тестирование и отладка АИУС 5 Эксплуатация и контроль версий Основные характеристики Разработка АИУС: выбирается лингвистическое обеспечение (среда разработки инструментарий), проводится разработка программного и методического обеспечения. Логическая схема воплощается в реальные объекты, при этом логические схемы реализуются в виде объектов базы данных, а функциональные схемы - в пользовательские формы и приложения. Метод решения: Разработка программного кода с использованием выбранного инструментария. Результат: Работоспособная распределенная информационно-управляющая система. На данном этапе осуществляется корректировка информационного, аппаратного, программного обеспечения, проводится разработка методического обеспечения (документации разработчика, пользователя) и т.п. Результат: Оптимальный состав и эффективное функционирование АИУС. Комплект документации: разработчика, администратора, пользователя. Особенность АИУС созданных по архитектуре клиент сервер является их многоуровневость и многомодульность, поэтому при их эксплуатации и развитии на первое место выходят вопросы контроля версий, т.е. добавление новых и развитие старых модулей с выводом из эксплуатации старых. БД АИУС за год эксплуатации может насчитывать более 1000 таблиц, из которых эффективно использоваться будет лишь 20-30%. Результат: Наращиваемость и безизбыточный состав гибкой, масштабируемой АИУС. 70 3.4. Оценка результатов проектирования Для формализации процесса оптимального проектирования АИУС введем следующие обозначения [46]: P, P - множество возможных правил построения АИУС или ее элементов (правила функционирования АИУС определены условиями работы предприятия (организации) и при синтезе АИУС осуществляется выбор из множества Р); F - множество взаимосвязанных функций, выполняемых при проектировании АИУС (каждому набору правил  построения АИУС соответствует некоторое множество функций F(), из которого при проектировании необходимо выбрать подмножество fF(), достаточное для реализации выбранных правил ); A - множество возможных взаимосвязанных элементов АИУС (узлы системы, технические средства, пункты обслуживания, и т.д.). Введем также операцию отображения M элементов множества F на элементы множества A. Оптимальное отображение должно обеспечивать требуемые характеристики функционирования системы управления АИУС и экстремум выбранного функционала. Задача оптимального проектирования АИУС состоит в определении: P; (14) fF(); (15) (16) A A; (17) [f  F()]M[ A  A] . Если заданы правила проектирования АИУС, то оптимальное проектирование состоит в определении (15) - (17); если заданы правила и функции, то – выполнении условий (16) - (17); если заданы правила проектирования АИУС, выполняемые функции и элементы, то в определении условия (17), т.е. рациональном отображении множества выполняемых функций на множество взаимосвязанных элементов АИУС. Задача анализа структуры АИУС состоит в определении характеристик системы при заданных условиях (14 - 17). Из совокупности возможных критериев оптимизации можно выбрать минимум суммарных затрат на разработку АИУС. Пусть Z(ui) -затраты на i-м шаге при выборе управляющего воздействия ui. Тогда проектирование U  {u i , i  1, n} обеспечивает оптимизацию процесса проектирования АИУС, если будет минимизирована целевая функция: 71 n J   Z(u i )  min (18) i 1 и выполнены условия выполнения проекта. Рассмотрим критерии выбора очередности задач при проектировании АИУС. При разработке АИУС используют подход, при котором выбор состава задач по очередям разработки осуществляется с учетом конкретных условий деятельности предприятия или организации и по следующим критериям: - массовости, т.е. числа расчетов, выполняемых по одной программе; - высокой трудоемкости, приводящей к высвобождению людей при автоматизации расчетов; - математической сложности, приводящей к тому, что автоматизация расчетов ускоряет их и повышает их качество; - оптимизации, дающей эффект в управляемой системе; - повышению управляемости за счет того, что ЭВМ обеспечивает скорость и полноту расчетов и позволяет выполнять функции управления. Эти критерии косвенно характеризуют величину экономического эффекта. Подсистемы, получающие экономический эффект в управляемой системе, могут быть выявлены по наличию в них оптимизационных задач. При этом ряд задач решается вне предприятия или организации. Эффективность внедрения задачи определяется также числом однотипных подразделений предприятия, для которых решается проектируется АИУС. Территориальная разобщенность предприятий обусловливает необходимость передачи информации, и часто ресурсы системы сбора и передачи информации не позволяют включить в информационную сеть АИУС сразу все производственные объекты. Выбор состава задач, включенных в очередь, является специальным разделом технико-экономического обоснования (ТЭО), технического задания (ТЗ) и технического проекта на создание АИУС. Проектирование АИУС выполняется отдельно для каждой очереди, поэтому определение перечня задач производится в разрезе очередей. Обоснование задач является главным разделом ТЭО. Автоматизация решения отдельных задач приводит, с одной стороны, к экономии затрат труда на выполнение операций обработки 72 информации, с другой - к увеличению расхода машинного времени. Снижение затрат труда на выполнение операций по обработке информации определяется уравнением Tt=ttV, (19) где tt - снижение затрат труда на единицу объема обрабатываемой информации по задаче; V - объем информации, обрабатываемой при решении задачи автоматизированным способом. Зависимость расхода машинного времени от объема обрабатываемой информации имеет вид: Tm=tmV, (20) где tm - расход машинного времени на единицу объема обрабатываемой по задаче информации. Снижение затрат труда от применения технических средств является одним из результатов автоматизированного управления. Коэффициенты tm и tt характеризуют прирост машинного времени на ЭВМ и экономию рабочего времени в результате автоматизации процесса обработки единицы объема информации. Задачи автоматизации подразделений предприятия или организации для которых создается АИУС внедряются последовательно. Так как результат и затраты на внедрение задачи определяются характеристиками подразделения, то необходимо определить целесообразный порядок распространения задачи автоматизации на подразделения. При выборе подразделений необходимо учитывать следующее: - цел есообразн ы й объ ем авт ом ат и зи руем ы х ф ун кци й ; - уровен ь т ехн и ч ески х сред ст в; - возм ожн ост ь п ри обрет ен и я и уст ан овки оборуд ован и я ; - н ал и ч и е кан ал ов свя зи ; - п од гот овл ен н ост ь объ ект а; п од гот овл ен н ост ь п ерсон ал а к работ е в усл ови я х АИУС. Анализ созданных АИУС показывает, что большая часть решений об очередности принимается на интуитивном уровне с учетом имеющихся разработок и опыта внедрения. Поэтому наиболее эффективным методом процесса очередности автоматизации подразделений предприятия или организаций является эвристический подход, основанный на симбиозе строгих математических методов и формализации знаний специалистов (экспертов) в данной области. 73 4. ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННОУПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ 4.1. Формализация целей и параметров 4.1.1. Структуризация целей. Сформулируем закономерности целеобразования с учетом взаимодействия внешних и внутренних факторов задачи проектирования АИУС. Парадигма АИУС, открытой системы, требует обратить внимание не только на внешние факторы организации для которой создается АИУС, но и на внутренние факторы, являющиеся источниками нестабильности поведения элементов и подсистем, непредсказуемости в принимаемых решениях, а также в способности адаптации к изменяющимся условиям. Это следствие наличия в любой организации активных элементов, которые и обусловливают их способность противостоять энтропийным, разрушающим тенденциям и создавать неэнтропийные. Любые изменения могут потребовать пересмотра сложившегося подхода к функционированию организации, пересмотра методов функционирования АИУС. Необходимо организовать процесс коллективного формирования целей, способствующих повышению эффективности деятельности активных элементов организации. Методы формулирования целей требуют достаточно полных определений целей и функций, подразделений и элементов, а также и элементов внешней среды. Необходимо провести оценку функций подсистем и элементов с точки зрения их значимости, трудоемкости, частоты выполнения, сформировать структуру целей и функций для новых методов и АИУС. Рассмотрим метод структурирования целей при проектировании АИУС для некоторого гипотетического объекта управления. Модель структуризации цели формализуется графом [47], который имеет иерархическую структуру, причем, глобальная цель декомпозируется, начиная с верхнего уровня, до уровня задач, решаемых отдельными элементами. Модель в виде графа метода структурирования целей представлена на рис. 14. На графе реализована композиция отношений, устанавливающих связь между 74 элементами и подсистемами медицинского учреждения и критериями, обеспечивающими достижение цели. Глобальная цель Множество подцелей Z={z1z2,…,zn} Соответствие G Множество критериев K={k1,k2,…,km} Нечеткое соответствие P Множество задач F={f1,f2,…,fr} Соответствие Q Организационная структура АИУС S={s1,s2,…,sk} Параметры сложной системы в виде вектора конструктивных параметров объекта управления B={b1,b2,…,bv} Основные фонды, капитал, кадровый состав, требуемые для выполнения функции. Параметры внешней среды Рис. 14 Структуризация целей связана с решением групп задач: - задачи определения отношения множества целей и совокупности критериев, определяющих эффективность функционирования АИУС, а именно: - а) определение глобальной цели Z АИУС группой специалистов; - б) определение множества подцелей Z={z1z2,…,zn} из глобальной цели и классификация элементов множества; 75 - в) задание множества критериев K={k1,k2,…,km} на совокупности элементов из множества Z={z1z2,…,zn}; - задачи определения отношений множества элементов и подсистем, и совокупностью задач, решаемых на этом множестве: - а) определение множества элементов и подсистем АИУС S={s1,s2,…,sk} и множества решаемых ими задач F={f1,f2,…,fr}; б) определение множества D={d1,d2,…,db} производственных и организационно-деловых процессов, выполняемых целенаправленно в рамках заранее заданной организационной структуры; в) задание множества и определение вида отношений между организационной структурой и задачами, направленными на достижение заданной цели. При структурировании целей осуществляют идентификацию графиков соответствия Q между параметрами АИУС и решаемыми задачами. Параметры объекта управления заданы в виде вектора конструктивных параметров B={b1,b2,…,bv}, что позволяет выполнить формализацию состояний объекта управления. Учитывая внешнюю среду, следует ввести вектор конструктивных параметров внешней среды. Решения задач определения состояния объекта управления в пространстве состояний связано с выбором критериев. Это задача, требующая применения знаний экспертов, разработки правил нечеткого логического вывода, связанного с принятием оптимальных решений. Результатом решения задачи выбора критериев будет множество критериев K={k1,k2,…,km} оценки состояния объекта управления и оценки эффективности функционирования как объекта управления, так и АИУС. Соответствие Р определяет отображение элементов множества задач F={f1,f2,…,fr} в множество критериев K={k1,k2,…,km}. Глобальная цель декомпозирована на множество Z={z1z2,…,zn}, элементы которого могут быть выделены только с применением методов, направленных на активизацию использования интуиции и опыта специалистов. Между множеством подцелей Z={z1z2,…,zn} и множеством критериев K={k1,k2,…,km} устанавливается соответствие G, в общем случае также нечеткое. Применение метода структуризации цели объекта управления позволяет переходить к строгой постановке задач моделирования и проектирования АИУС. 76 4.1.2. Особенности проектирования АИУС в соответствии с поставленными целями. При проектировании возможно применение одной из трех концепций разработки АИУС [48]: - традиционная структура системы, состоящая из функциональных подсистем, автоматизирующих работу различных функциональных подразделений, реализуется на базе центральной ЭВМ (сервера баз данных); - АРМ-технология (АРМ–автоматизированное рабочее место), реализуемая в виде системы интегрированных АРМ на базе ПЭВМ; - смешанная структура информационной системы, в которой в состав функциональных подсистем включаются АРМ для наиболее ответственных или слабо регламентируемых функций, выполняемых специалистами различных подразделений. Наиболее эффективна для решения задач проектирования смешанная концепция, которая позволяет полно и качественно отобразить все специфичные особенности структуры управления объектом. 4.1.3. Модель организационной структуры АИУС. При проектировании АИУС СКУ ставят задачу определения организационной структуры. В процессе структуризации АИУС разделим на подсистемы и их элементы. Подсистемы выделяют по функциям управления объектами, видам средств, обеспечивающих целостное функционирование системы управления, уровням иерархии системы и другим признакам. При определении организационной структуры АИУС выделяют два вида подсистем: обеспечивающие и функциональные подсистемы. Функциональная часть состоит из комплексов административных, организационных и экономических методов, обеспечивающих решение задач функционирования объектоа управления в подсистемах АИУС. Подсистемы, входящие в функциональную часть называют функциональными подсистемами. Обеспечивающая часть АИУС включает: - информационное обеспечения АИУС - совокупность единой системы классификации и кодирования информации, унифицированных систем документации и массивов информации; - организационное обеспечение АИУС - совокупность средств и методов, предназначенных для проведения анализа существующей 77 системы управления, выбора и постановки задачи управления, организации управления и обслуживания; - техническое обеспечение АИУС - комплекс технических средств; - математическое обеспечение АИУС совокупность математических методов, моделей и алгоритмов решения задач и обработки информации; - программное обеспечение АИУС - совокупность программ регулярного применения, необходимых для решения функциональных задач, и программ, позволяющих наиболее эффективно эксплуатировать вычислительную технику. Необходимо так организовать работу комплекса технических средств, чтобы своевременно решать все задачи функциональных подсистем, как регламентированные во времени, так и возникающие в случайные моменты времени. Ядром организационной структуры АИУС является структура информационных потоков. Анализ и формализация структуры информационных потоков связаны с изучением существующей схемы документооборота, состава документов, определением объема передаваемой информации, разработкой модели информационных связей, а также рекомендации на оптимизацию документооборота. 4.1.4. Формализация параметров. Задача формализации АИУС связана с формальным заданием X, Y, Z - векторов входных, выходных параметров и параметров состояния. Входные параметры АИУС это параметры PR объекта управления; совокупность информационных взаимосвязей между подразделениями I, (информация получена из анализа организационной структуры); совокупность требований технологического процесса V, (информация получена из анализа дерева целей); совокупность требований (ограничений) к аппаратным средствам U АИУС; совокупность требований (ограничений) к программным средствам PP АИУС, (информация получена из анализа организационной структуры и совокупности целей); требуемые финансовые средства ST. Таким образом, множество X=PRIUVPPST. Выходные параметры АИУС – это критерии эффективности функционирования K, параметры PW организационной структуры, множество реакций внешней среды на принимаемые решения R. Множество выходных параметров определится Y=KPWR. 78 Вектор критерия эффективности может быть представлен в виде K={Bпр, Nпр, STпр} - совокупности основных критериев: предельное быстродействие Bпр, предельная надежность Nпр, предельная стоимость STпр. Данный вектор может быть дополнен и другими параметрами. В вектор параметров PW организационной структуры АИУС могут быть включены критерии, связанные с иерархичностью проектируемой АИУС. Это - число уровней иерархии, число подсистем (элементов) на каждом уровне, степень централизации, норму управляемости, меру равномерности связей. При проектировании АИУС в качестве основных критериев эффективности принимают быстродействие системы, достоверность представляемой информации, надежность системы и ее стоимость. Обеспечение требуемых значений должно производится в оптимальном соотношении цены и качества. Требования достоверности информации обеспечивается за счет применения качественных алгоритмов верификации данных, используемых в соответствующих программных продуктах, функционирование которых осуществляется на основе эффективных технических решений. Требования надежности системы складывается из двух показателей надежности программного обеспечения и надежности КТС. Интегрирующим показателей является стоимость, т.к. повышения качества проектируемой АИУС можно продолжать сколь угодно долго за счет улучшения используемых программных средств и алгоритмов, а также применения технических средств резервирования. Задача оптимизации заключается: - в максимизации показателя надежности системы Pпроект; - в минимизации времени между запросом и ответом в системе Tреак; - в минимизации затрат на внедрение и разработку проекта Cпроект. Целевая функция АИУС имеет вид S=max(Pпроект)+min(Cпроект)+min(Tреак.). Показатель надежности АИУС складывается из надежности всех нерезервированных блоков Pнерез; надежности резервируемых блоков (хранилища данных) Pрез; вероятности безотказной работы программного обеспечения Pпо; а также влияния человеческого фактора Pчел, определяющегося на основе экспертных оценок [49]: 79 Рпроетк =max(Pнерез, Pрез, Pпо, Pчел)≥PТЗ, где PТЗ -- заданная вероятность безотказной работы системы. Быстродействие АИУС оценивают, исходя из характеристик пропускной способности каналов передачи данных. Увеличение быстродействия системы выражают через увеличение затрат на проектирование АИУС. Критерий имеет вид: n  t k ,m  Tтз , k  1` n  Ck ,m  C ТЗ , k 1 где tk,m время обработки данных в m-ой подсистеме для k–го варианта; n – количество вариантов по способам обработки в каждой подсистеме; Tтз –требуемое быстродействие в соответствии с техническим заданием; Сk,m стоимость обработки данных в m-ой подсистеме для k–го варианта обработки; СТЗ- максимально возможный объем затрат, определенный в техническом задании на проектирование АИУС. Критерий эффективности АИУС принимает вид: qi l Спроект  min  Ci x i  min  Ci q i x i  C тз , i 1 qi i где Сi-стоимость потока ресурсов i-го типа; Спроект - общий поток затрат на проектирование, СТЗ- максимально возможный объем затрат, определенный в техническом задании на проектирование, l- число типов ресурсов, q-число резервных ресурсов i-того типа, xi – переменная, принимающая значение 1, если ресурс i-того типа включен в проект, и 0 - в противном случае. Поставленная задача решается методом прямого перебора возможных вариантов архитектурного построения АИУС при непосредственном участии проектировщика. Решение находится путем последовательных шагов из начальной точки по направлению экстремума до достижения ограничений на Спроект, как это показано на рис. 15. На основе данного алгоритма разрабатывается программный модуль оценки оптимального варианта проекта АИУС. Алгоритм расширяется применением механизма экспертных систем, обладающим способностью объяснения действий, и обучающимся под руководством проектировщика при адаптации к изменившимся условиям. 80 ТЗ автоматическая корректировка Расчет потребности в ресурсах ручная корректировка Выбор вариантов архитектурного построения Проектировщик Выбор состава КТС и ПО ручная корректировка Определение основных характеристик проектируемой системы Диагностика затрат на создание РИУС Диагностика показателей надежности Получение экспертных оценок Обучение экспертной системы Оптимальность достигнута нет Формирование задания на совершенствование структурной схемы запрет да Закончить уточнение Сохранить вариант проекта Рис. 15 4.2. Комплекс технических средств Под КТС понимают совокупность взаимосвязанных автономных технических средств фиксации, сбора, подготовки, накопления, обработки, вывода и представления информации и устройств управления ими, а также средств организационной техники, предназначенной для решения задач АИУС. В КТС АИУС выделяют 81 центральную часть, состоящую из нескольких ЭВМ, и периферийную внешние ЭВМ и другие устройства, которые обмениваются информацией с центральной частью. Периферийный пункт состоит из персональных ЭВМ более низкого ранга и обслуживающих внешних устройств. Задачи КТС АИУС: - автоматизация потоков информации от формирования управления до отображения результатов управления и их обработки; - решение всего комплекса задач в подсистемах АИУС; - подготовка и передача информации в информационноуправляющие системы более высокого уровня; - контроль передаваемой информации. К техническим требованиям, предъявляемым к КТС, относятся: реализуемость; гибкость структуры; надежность. К экономическим требованиям относятся минимальная стоимость КТС и минимальная стоимость обслуживания КТС. При разработке КТС решается задача синтеза так, чтобы построить КТС из заданных элементов при заданном критерии эффективности функционирования. Эта задача не имеет строгого математического решения и может быть решена методами моделирования. 4.2.1. Обоснование выбора КТС. Для обоснования выбора комплексов и элементов КТС применены следующие методы [50]: - оценка, основанная на сравнении технических параметров устройств; - оценка на основе комбинации команд; - оценка на основе вычислительных работ; - моделирование. ЭВМ выбирают путем сопоставления таких параметров, как время обработки (быстродействие), емкость оперативной памяти, время выполнения арифметических операций и т.д., но при такой оценке не учитываются параметры периферийного оборудования, скорость передачи данных между отдельными устройствами, информационная избыточность, вводимая в передаваемые данные, ненадежность отдельных устройств. Более объективно выбираются устройств ЭВМ по методу оценки по типовым работам. Работа должна отражать те реальные загрузки, которые возникнут при функционировании системы. К типовым работам относятся обновление информационных массивов, сортировка данных, решение типовых задач и т. д. 82 В многомашинном комплексе АИУС операционная система автоматически распределяет работу ЭВМ, а в случае отказа одного процессора перераспределяет работы. Отказы в работе отдельных устройств ЭВМ, а также заявки потребителей на пользование вычислительными средствами носят случайный характер. Включение каналов обмена информацией с соседними системами и помехи, действующие на каналы передачи, носят вероятностный характер. Расчеты, связанные с выбором КТС, следует производить с учетом этих вероятностных характеристик. Для расчета параметров КТС создается модель, в которой в качестве аргументов выступают величины, характеризующие потоки входной информации, алгоритмы обработки информации, алгоритмы функционирования подсистем, алгоритмы функционирования операционных систем АИУС, характеристики хранимой информации; характеристики надежности, характеристики методов повышения помехоустойчивости передачи данных. После составления адекватной модели, отображающей взаимосвязь этих величин, и возможности структурной перестройки, она оптимизируется по одному или нескольким параметрам эффективности. Результаты оптимизации - значения обобщенных рабочих параметров, на основании которых выбирается тип оборудования и его количество, а также информационно-логическая связь в КТС. На основании разработанной модели обеспечиваться возможность не только первоначального выбора параметров системы, но и расчета этих параметров в дальнейшем при развитии системы. Основой построения модели является организационная структура АИУС, представленная в виде графа, дуги которого утяжелены весами, семантическим смыслом которых является расстояние между объектами, объем передаваемой информации и т.д. 4.2.2. Выбор системы сбора и передачи информации. Суть метода рассмотрим на примере построения сети сбора и передачи информации, имеющей структуру с двухступенчатым способом коммутации, показанную на рис. 16. На схеме P i (i=1,2,...,N) устройства в виде локальных рабочих станций (ЭВМ), позволяющие работать с центральной ЭВМ (сервер БД), КПД - канал передачи данных, коммутаторы соответственно на первой и второй ступенях коммутации, в виде концентраторов (или HUB-ов). 83 к о м м у т а т о р P1 P2 Pk Pk+1 Pn-1 Pn к о м м у т а т о р ЭВМ сервер Рис. 16 Поступившее в регистрирующую ЭВМ-рабочую станцию Pi сообщение вводится в центральную базу данных (ЭВМ-сервер). Для этого устройство регистрации Рi запрашивает ЭВМ-сервер о необходимости передачи сообщения. После установления связи с ЭВМ-сервер осуществляется ввод этого сообщения. Станция Pi рассматривается как клиент (заявка) в системе массового обслуживания (СМО). Интервал времени, в течение которого выполняет операции ввода, рассматривается как длительность обслуживания заявки. Поток сообщений на ЭВМ-сервер носит нерегулярный характер и определен распределением длины интервала времени между моментами поступления сообщений А(t). Длительность обслуживания В(t) определяют из продолжительности передачи сообщения. Модель передачи информации представим в виде схемы СМО, имеющей один прибор, обслуживающий поток сообщений с распределением А(t). Для получения данных о характере А(t) и В(t) проводят наблюдения за моментами поступления сообщений и длительностью обслуживанием сообщений. Обрабатывается статистический материал. Несколько отличным является элемент сети - канал передачи данных. На канал передачи данных действуют помехи. Основным требованием является обеспечение передачи информации с заданной достоверностью. Известно много методов, позволяющих повысить помехоустойчивость при заданном характере ошибок [51]. 84 Длительность интервала занятости канала передачей сообщения зависит от емкости сообщения и характера ошибок. Числовые характеристики сообщений аппроксимируем аналитическими выражениями. Ошибки приводят к увеличению длительности занятия канала передачей сообщений за счет введения избыточности информации, которая предназначена для коррекции ошибок. Канал также является прибором обслуживания, задача которого - обеспечить передачу сообщения с функцией распределения длительности обслуживания С(t). Чтобы передать сообщения в ЭВМ, необходимо выполнить два условия для тех Рi, которые имеют одну ступень коммутаций: наличие свободного выходного канала в центре коммутации и наличие разрешения ЭВМсервера на ввод. После выполнения этих условий сообщение проходит обработку на двух последовательно включенных устройствах, обслуживающих сообщение с функциями распределения В (t) и С (t). После установления вида функций А(t), В(t), С(t) и функции надежности, а также определения алгоритма работы коммутаторов можно имитировать процесс функционирования сети сбора и передачи информации на ЭВМ. В результате получим характеристики сети, такие, как коэффициенты загрузки пользователей, загрузки каналов передачи, загрузки выходов коммутаторов и задержки сообщений. Затем выбирают критерии эффективности функционирования сети, например, ограничение на коэффициент загрузки пользователя и ограничение на длительность интервала задержки сообщения в сети. Под коэффициентом загрузки понимается отношение времени на ввод поступивших сообщений L ко всему времени работы Т: Кзаг=L/T (21) Под задержкой сообщения понимается разность между моментом поступления tп и моментом начала ввода tв сообщения в ЭВМ: кр=tп-tв (22) Если числовые данные, полученные в результате моделирования, удовлетворяют критериям, определенным в техническом задании, то считаем, что структура сети обоснована. В противном случае принимаются меры по реорганизации сети посредством включения в сеть новых ЭВМ, либо дополнительных коммутаторов, либо изменения алгоритма организации связи между ЭВМ. 85 Критерий глобальной эффективности АИУС требует введения стоимостных критериев, учитывающих стоимости задержки сообщения, аппаратуры, работы технологических объектов, персонала обслуживающего сеть. 4.3. Информационное обеспечение АИУС Информационное обеспечение АИУС представляет собой совокупность данных, языковых средств описания данных, методов организации, хранения, накопления и доступа к информационным массивам, обеспечивающих выдачу всей информации, необходимой в процессе решения функциональных задач и справочной информации пользователям АИУС. Данные систематизируют в специальные массивы - информационную базу АИУС. В состав информационной базы входят [23]: - нормативные и справочные данные, составляющие информационный базис системы; - текущие сведения о состоянии управляемых объектов; - текущие сведения, поступающие извне и требующие ответной реакции системы или влияющие на алгоритмы выработки решений; - накапливаемые учетные и архивные сведения, необходимые для планирования и развития. Поступающие в систему текущие сведения называют оперативной информацией. Средства формализованного описания данных предназначены для эффективного поиска и идентификации необходимых данных в массивах, а также для организации доступа к данным внешних абонентов АИУС. Эти средства включают в себя используемые системы классификации и кодирования объектов и информационных языков для описания запросов к информационной базе и ответов системы. Контролируют входные данные и ведение информационной базы - программные средства. В качестве таких средств обычно выступают системы управления базами данных (СУБД). Основные элементы системы информационного обеспечения АИУС - информационные массивы, предназначенные для постоянного или временного хранения информации. Необходимость в организации информационных массивов в системах информационного обеспечения АИУС: 86 - несовпадением моментов поступления информации с моментами ее потребления; - необходимостью хранения исходной информации, промежуточных и окончательных результатов в процессе исполнения программ и других процедур преобразования информации; - использованием одних и тех же данных различными процедурами, выполняемыми как параллельно, так и последовательно; - многократным длительным использованием некоторых данных различными процедурами. Основные требования к информационному обеспечению [23]: - полнота отображения и достоверность информации; - высокая эффективность методов и средств сбора и хранения, накопления, обновления, поиска и выдачи данных; - одноразовый ввод информации, многократное и многоцелевое использование информации; - простота и удобство доступа к данным информационной базы; - ввод и накопление в информационной базе данных с минимумом дублирования; - организация эффективной системы документооборота; - развитие информационного обеспечения путем наращивания данных и организации новых связей и проектирования более совершенных методов и способов обработки информации; - регламентация доступа к данным с различным уровнем доступа, а также времени хранения документированной информации. 4.4. Выбор математического и программного обеспечения Математическое и программное обеспечение определяют возможности и диапазон использования вычислительной техники и другого оборудования в АИУС. Так как математическое и программное обеспечение дороже, чем стоимость всего комплекса технических средств, то в АИУС применяют средства унификации программирования, в частности типовые алгоритмы, программы задач, пакеты прикладных программ и т.д. В практике разработки АИУС обычно математическое, лингвистическое и программное обеспечение называют 87 математическим обеспечением. Математическое обеспечение в значительной степени определяет эффективность функционирования АИУС. Системные свойства современных ЭВМ, такие, как программная совместимость, модульность построения, мощное системное программное обеспечение, обеспечивают эффективность построения и эксплуатации АИУС. Математическое обеспечение делят на три части: математическое обеспечение ЭВМ или внутреннее; специальное математическое обеспечение, или внешнее; программные средства обработки данных [23]. Внутреннее обеспечение включает в себя операционные системы (ОС), системы программирования и тесты проверки исправности работы устройства ЭВМ. ОС это набор программных средств, управляющих процессом решения задач. ОС семейства Windows компании Microsoft сочетают соотношения цены и качества, а также имеют большое количество встроенных пакетов прикладных программ, большое количество вспомогательных утилит, для обеспечения работоспособности периферийного оборудования и широкий набор настроек конфигурации. В качестве бесплатно распространяемых ОС рекомендуются системы семейства Unix. Данные ОС имеют более сложный механизм настройки, однако поддерживают открытую архитектуру. Система программирования предназначена для автоматизации процесса программирования задач и включает в себя трансляторы алгоритмических языков различных уровней и типов и обслуживающие программы. В настоящее время получили распространение пакеты прикладных систем программирования: Delphi компании Borland, реализованный на концепции языка Object Pascal, CBuilder, Visual C++ , реализованный на концепции языка С++, Visual Basic, реализованный на концепции языка Basic и др. Они обладают унифицированными средствами создания больших программных продуктов и имеют широкий набор дополнительных компонентов, постоянно расширяющий возможности языка. Внешнее обеспечение - это комплекс программ для типовых процессов обработки ввода-вывода данных, контроля, сортировки, корректировки информации, а также программы общего назначения для решения задач АИУС, т.е. подсистемы и АРМы. Основой внешнего программного обеспечения является СУБД. 88 При выборе математического обеспечения АИУС учитывается территориальная распределенность объектов управления. Сбор и обработка данных осуществляются с помощью системы телеобработки данных. Телеобработка данных включает в себя технические и программные средства. Большие объемы информации, поступающей по каналам связи, требуют создания и использования специальных программ для их обработки. Часть задач нижних уровней, связанных с передачей информации по каналу передачи информации берет на себя ОС и сетевые утилиты. Оставшаяся часть задач нижних уровней делят между собой СУБД и прикладные программные продукты АИУС. Выбор СУБД связан с назначением задачи, характером и объемом используемой информации. Основными требованиями, предъявляемыми к СУБД являются: максимальное количество пользователей; максимально допустимый размер базы данных; степень защищенности данных; степень надежности данных; поддерживаемые ОС; цена. К техническим требованиям ЭВМ отнесены требования: к оперативной памяти ПЭВМ; к классу процессора; к дисковой подсистеме (минимальный объем памяти, необходимый для установки и нормальной работы СУБД). Оценивается наличие справочной информации, ее качество и количество, а также удобство программирования в среде данной СУБД. При оценке простоты освоения обращают внимание на организацию диалога системы СУБД с разработчиком, а также время подготовки, необходимое для начала программирования в данной СУБД. 4.5. Расчет потребности в вычислительных средствах Для оценки и выбора вычислительного оборудования при разработке АИУС необходимо классифицировать задачи, определить период наибольшей загрузки ЭВМ, сделать предварительный расчет состава и количества вычислительных средств эффективного решения задач, определить количество пользователей и объектов управления. 4.5.1. Классификация задач. Характеристиками задач являются: время обслуживания задачи, время решения, допустимое время запаздывания решения, время цикла, характеристика потока задач на 89 обслуживание, приоритетность, информационная взаимосвязь задачи с другими задачами системы, функциональное назначение задачи. Для разработки моделей применен аппарат теории массового обслуживания [52]. Время обслуживания задачи tобсл характеризует длительность пребывания задачи в системе с момента ее поступления в систему до получения решения и описывается двумя составляющими: временем ожидания в очереди начала обслуживания и временем решения. Время решения tреш задачи отражает затраты машинного времени на решение задачи с момента начала обслуживания до получения конечного результата. Время запаздывания tэап решения характеризует задержку начала обслуживания задачи по отношению к установленному сроку ее решения. Время цикла tц описывает периодичность поступления данной задачи на обслуживание. Основной характеристикой потока задач является интенсивность поступления задач. Задачи могут быть как взаимосвязанными, т.е. выход одной задачи является входом другой, так и независимыми друг от друга. По указанным характеристикам все задачи разделим на три класса [50]: 1 оперативного взаимодействия; 2 - регулярные; 3 - нерегулярные. К первому классу относятся задачи, возникающие в произвольные моменты времени по инициативе объектов и требующие жестко регламентированного времени обслуживания. Это - справочные задачи, задачи, решаемые в режиме одиночных запросов или в режиме диалога, а также вспомогательные задачи. Задачи этого класса решаются в реальном масштабе времени. Критерием качества функционирования при решении задач этого класса является «удобство» работы пользователя с АИУС. Задачи второго класса решаются по расписанию. Это основные задачи АИУС. К задачам этого класса относятся задачи, время решения которых заранее регламентировано. Эти задачи делятся по периодичности решения и по функциональному назначению. Критерием качества функционирования АИУС при решении таких задач является допустимое время запаздывания решения tзап, определяющее ценность результатов решения. Задачи третьего класса называют «фоновыми». Время решения не регламентируется. Они решаются по инициативе администратора АИУС для выравнивания загрузки ЭВМ в моменты недогрузки ее при решении задач 1-го и 2-го классов. К ним относятся научнотехнические расчеты; работа с информационными массивами; 90 отладка программ в режиме пакетной обработки данных; задачи, полученные при перераспределении нагрузки от других систем. Поток задач первого класса стохастический, время их обслуживания ограничено. Загрузка системы задачами этого класса 1 определена интенсивностью поступления запросов  1 и интенсивностью их обслуживания 1: 1 = 1 / 1 . (23) Все задачи будут обслужены в том случае, если будет выполнено условие стационарности - 1<1. Своевременность обслуживания зависит от величины  1 =1/t обсл и t обсл =t обсл доп , где t обсл доп допустимое время обслуживания системой одной задачи. Системные задачи поступают на обслуживание согласно календарному плану в определенные периоды цикла. В зависимости от назначения АИУС загрузка ее системными задачами весьма неравномерна. Существует период, в течение которого загрузка системы максимальна в данном цикле. Вычислительный комплекс должен обеспечить своевременное решение диалоговых и системных задач в самый загруженный период цикла. Затраты машинного времени для решения системных задач определяются с помощью метода, основанного на детерминистском подходе. Детерминистский подход характерен для вычислительных комплексов, функционирование которых заключается в последовательном решении множества задач М={М ij} в соответствии с расписанием S={Sij}. Под расписанием понимаем упорядоченное множество пар Sij ={M i ,t i-1 }, где t i-1 планируемый момент начала обслуживания задачи Мi в j-м периоде. Элементы расписания S упорядочены в соответствии с возрастанием моментов ti. Пару S ij называют шагом расписания, характеризующим время выполнения каждой задачи расписания, которое определим как tr=ti-ti-1. (24) Предположив, что расписание S внутри заданного цикла Tнi ≤t i ≤Tкi (где Tнi - начало i-го цикла; Tкi - конец i- го цикла) не пересматривается, т.е. Pi,i+1=1, находим затраты машинного времени на решение задач в течение j-го периода i- го цикла: M ij Ti  Pij  t rj r 1 (25) 91 где P ij- вероятность перехода от шага расписания Sij=(Mi,ti-1) к шагу Sij+1=(Mi-1,ti)j в j-ом периоде i-того цикла. По результатам определения Tj строится диаграмма загрузки системы в течение цикла, пример которой приведен на рис. 17. t,ч 400 360 320 280 240 200 160 120 80 40 Янв. Февр.Март.Апр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окт. Нояб. Дек. Рис. 17 Диаграмма позволяет определить период наибольшей загрузки АИУС и максимальное время Tjmax, необходимое для решения системных задач в течение цикла: Tjmax=max{T1, T2, …,Tj,…, Tn}, где j  1, n , Tjmax - исходное для расчета необходимого количества ЭВМ, обеспечивающих решение системных задач в течение некоторого времени Т2≤Тдоп (Тдоп - допустимый интервал времени решения системных задач в соответствии с расписанием). Хотя задачи 3-го класса не регламентированы сроками решения, практически наряду с обслуживанием задач 1-го и 2-го класса требуется выделять определенный объем машинного времени на отладку программ, обновление массивов. При определении загрузки ЭВМ необходимо учитывать эти затраты, определяемые как 3Tдоп, где 3= 3/3 ( 3 - интенсивность поступления программ на отладку данных, a  3 - интенсивность их обслуживания данной ЭВМ). 92 Общие затраты времени на определяются соотношением: решение задач всех классов 3 Tобщ  ( TI" ) /( k гс С) , (26) i 1 где 3 T i 1 " I - затраты времени на решение задач соответствующих классов; kгс- коэффициент готовности системы; С - количество ЭВМ, обслуживающих потоки задач всех трех классов. 4.5.2. Предварительный расчет состава и количества вычислительного оборудования. При расчете необходимого количества ЭВМ, обеспечивающих переработку информации в заданном интервале времени Тдоп, используем метод, основанный на определении необходимого машинного времени для решения задач. По этому методу тип ЭВМ и их количество определяют, исходя из справедливости неравенства [50]: Тобщ/Tдоп=l<1. При наличии в системе задач всех трех классов средние значения величин Т’i, определяются следующим образом. Время обслуживания задач 1-го класса в интервале времени Тдоп определяется из соотношения: T’1=1Tдоп (27) где 1= 1/1 характеризует загрузку ЭВМ задачами данного класса. Среднее время обслуживания задач 2-го класса определяется по формуле: Tj maxk в , (28) T2'  k гп k мп где Tjmax - максимальное время, необходимое для решения задач данного класса в наиболее загруженный период цикла; kгп коэффициент готовности программ, поступающих на обслуживание; kмп - коэффициент мультипрограммности обработки задач; kв - коэффициент, характеризующий возможные повторения расчетов. Затраты машинного времени на решение задач 3-го класса определятся формулой: T’3=3Tдоп. (29) Формулы (27) - (29) применяют в том случае, когда информация о задачах неполная, взятая из опыта решения подобных задач другими 93 системами. Если информация о задачах достаточная, то для определения Т’i лучше применить выражение [53]: R   2 ( 1   r  r )(1   )    M , r 1  Ti'    m  R   m 1  1  2 m (1    r  r    r 1 где  m - время работы процессора при обслуживании m-й задачи iгo класса без учета времени обслуживания прерываний; r интенсивность возникновения прерываний r-го типа в процессе решения m-й задачи i-го класса, после обслуживания которой решение прерванной задачи продолжается с прерванного места; r интенсивность их обслуживания;  - интенсивность поступления прерываний, требующих начать обслуживание m-й задачи;  интенсивность обслуживания прерываний; R - количество типов прерываний, поступивших при решении m-й задачи; М - число задач, решаемых в рассматриваемый период цикла. Задавшись значениями C, 1, 3, и Тдоп, при известных Tjmax, kгп, kгс и kс находим значения T’i и Tобщ. Взяв отношение Tобщ/Tдоп. определим количество ЭВМ, обеспечивающее решение всех задач в пределах Тдоп: Tобщ Tдоп  T1'  T2'  T3' l. Ck гс Tдоп При l≤1 все задачи системы будут обслужены ЭВМ в заданный период времени Tдоп. При l>1 необходимо увеличивать С до тех пор, пока не будет выполнено условие l≤1. Если окажется, что для обеспечения условия l≤1 требуется большое число ЭВМ определенного типа, то для повышения эффективности решения задач и упрощения комплексирования ЭВМ целесообразно использовать более высокопроизводительные ЭВМ, что позволит уменьшить их общее количество. При этом требуется снова определить значения T’i с учетом быстродействия устройств новой ЭВМ. Объем оперативной памяти (ОП) вычислительной системы определим из следующих соображений. При работе в мультипрограммном режиме для эффективного использования мощности ЭВМ в ОП размещается N программ, готовых к 94 обслуживанию их процессором. При наличии в системе n пользователей, работающих в режиме диалога, в ОП следует размещать соответствующее количество программ. Также в ОП необходимо разместить определенный объем данных и программы ОС ЭВМ. Тогда общий объем ОП определится формулой: Q оп ≥(Q пос +Q п +Q N +M мд +Q рп ), (30) где Q пос - общий объем ОП, выделенный для размещения программ ОС; Q п - объем ОП для хранения запросов пользователей и программ, обслуживающих эти запросы; Q N - объем ОП для хранения N системных программ, Mмд - объем массива данных, обеспечивающего функционирование n+N программ; Qрп - объем рабочего поля ОП. Объем внешней памяти на магнитных носителях зависит от объема массивов данных программ соответствующих классов и определяется как сумма объемов памяти, необходимой для хранения всех программ ОС (Qпoc), программ обслуживания пользователей в режиме оперативного взаимодействия (Qов), программ системных задач (Qпса), а также, как объем рабочего поля (Qрп) для временного хранения текущей информации: Q внп ≥(Q пос +Q ов +Q пса +Q рп ). (31) 4.6. Модель экономической эффективности АИУС Проектирование АИУС приводит к изменениям в системе управления и требует больших затрат. До начала разработок АИУС оценивают экономическую эффективность принимаемых решений и сопоставляют результаты функционирования АИУС и затраты всех видов ресурсов, необходимых для ее создания и развития. При оценке экономической эффективности АИУС примем следующие показатели: годовой экономический эффект; расчетный коэффициент эффективности капитальных затрат на разработку и внедрение АИУС; срок окупаемости капитальных затрат на разработку и внедрение АИУС. Для оценки экономической эффективности от внедрения вычислительной техники применяют два метода: - определяют расчетные коэффициенты повышения эффективности от внедрения групп задач и на основании этих коэффициентов рассчитывается экономический эффект от внедрения этих задач; 95 - сопоставляется фактический эффект внедрения задачи с фактическими затратами, которые имели место при внедрении АИУС. 4.6.1. Показатели эффективности капиталовложений. Эти показатели дают возможность произвести экономическое обоснование целесообразности разработки и внедрения АИУС. В соответствии с [54] следует рассчитать общую (абсолютную) и сравнительную экономические эффективности капиталовложений. На рис. 18 представлены показатели эффективности капиталовложений. Показатели эффективности капиталовложений Общая экономическая эффективность Сравнительная экономическая эффективность Хозрасчетная эффективность Рис. 18 Общая экономическая эффективность отражает абсолютный экономический эффект от внедрения АИУС. Для АИУС рассчитывается хозрасчетная эффективность, т.е. тот реальный эффект, который получает или может получить СКУ после внедрения АИУС или автоматизации отдельных работ при внедрении АИУС. Данный показатель рассматриваем, как максимизацию прибыли ЭП=П/К, ЭС=(И2-И1)/К, Т=К/Т, (32)) где ЭП, ЭС - соответственно абсолютная и сравнительная хозрасчетная эффективность; П - прирост годовой прибыли; И1, И2 - издержки производства по двум сравниваемым вариантам; Т - срок окупаемости капиталовложений. Сравнительная экономическая эффективность рассчитывается в случае, если для решения какой-либо задачи или группы задач имеется несколько вариантов создания АИУС, отличающихся объемом капиталовложений и себестоимостью (издержками): Т=(К2-К1)/(И1-И2), Е=(И1-И2)(К2-К1), З=И1+ЕНКmin, (33) 96 где Е - коэффициент сравнительной эффективности; ЕН - нормативный коэффициент сравниваемой экономической эффективности; З приведенные затраты. На ее основе из нескольких возможных вариантов отбирается один наиболее эффективный. По этому варианту проводится оценка абсолютной экономической эффективности. Таким образом, последовательность экономического обоснования разработки и внедрения АИУС такова [55]: - на основании показателей сравнительной экономической эффективности из возможных вариантов создания АИУС выбирается оптимальный вариант; - по выбранному оптимальному варианту развития АИУС рассчитываются общая (абсолютная) экономическая эффективность; - если выбранный вариант развития АИУС по экономическим показателям не отвечает требованиям, предъявляемым методикой оценки экономической эффективности, т.е. срок окупаемости выше нормативного, то должен разрабатываться другой вариант развития АИУС. Среди них должен быть выбран оптимальный вариант, срок окупаемости капиталовложений которого будет меньше нормативного. 4.6.2. Экономическая эффективность АИУС. Определяется сопоставлением результатов от функционирования АИУС и затрат всех ресурсов, необходимых для ее создания и развития. Определение экономической эффективности АИУС проводят для анализа и обоснования целесообразности создания, функционирования и развития АИУС; для установления основных направлений применения АИУС и выбора наиболее эффективного варианта разработки и внедрения АИУС. Применимы два подхода к оценке эффективности АИУС [31]. В основе первого подхода лежит оценка эффективности внедрения АИУС. При расчете учитывают предпосылки, принятые в методике определения экономической эффективности капитальных вложений и новой техники (см. рис. 4.5). В основе второго подхода разрабатывают методику экономического обоснования автоматизации управления. Используют математико-логические методы, отражающие количественную зависимость достигаемых хозяйственных результатов от повышения качества управления, информационных свойств АИУС и упорядочения объекта управления. Анализ расчетов экономической эффективности АИУС, базирующихся на прямом обсчете составляющих затрат и эффекта, 97 показывает, что для них характерны разные подходы при определении образования экономического эффекта и методов его количественной оценки. Можно свести экономическую оценку использования вычислительной техники в управлении СКУ к результатам, полученным непосредственно в самом процессе управления за счет экономии от замены ручных методов сбора и обработки информации машинными. При этом рассчитывают коэффициент повышения оперативности управления Kу по формуле: Ку=Т2/Т1, (34) где T1 - время, необходимое на принятие решения при ручной технологии; Т2 - время, затрачиваемое на принятие решения при машинной технологии. В свою очередь, T1 и T2 определяются по формулам: T1=tв1+tр1+tп1+tа1, (35) T2=tв2+tр2+tп2+tа2, (36) где tв1 и tв2 - время ввода информации при ручной и машинной технологии соответственно; tр1 и tр2 - время поиска информации при ручной и машинной технологии соответственно; tп1 и tп2 - время подготовки печатных форм при ручной и машинной технологии соответственно; tа1 и tа2 - время анализа при ручной и машинной технологии соответственно. Исходные результаты заносятся в табл. 2. Таблица 2 Наименование Временные составляющие показателя До автоматизации После автоматизации (мин.) (мин.) 10 0,5 tв1, tв2 4,5 0,01 tр1, tр2 3 0,015 tп1, tп2 30 2 tа1, tа2 Всего: 47,5 2,525 Применив формулу (34), получаем коэффициент оперативности равный: К=47.5/2.525=18,8. Полученный коэффициент К=18,8 позволяет сделать вывод об эффективности предлагаемой разработки. 4.6.3. Показатели экономической эффективности АИУС. Экономическая эффективность АИУС необходима: 98 - для анализа обоснования целесообразности создания функционирования и развития АИУС; - для установления основных направлений применения АИУС; - для выбора наиболее экономически эффективного варианта разработки и внедрения АИУС; - для отражения показателей экономической эффективности АИУС в нормах, нормативах и планах предприятия, министерств, формирования соответствующих показателей статистической отчетности; определения размеров отчислений в фонды экономического стимулирования. При создании АИУС и последующей ее эксплуатации решаются задачи выбора наиболее эффективного варианта создания АИУС и оценки экономической эффективности функционирования АИУС. Для решения этих задач в соответствии с ГОСТ 24.702—85 предлагается система показателей, приведенная на рис. 19 для определения сравнительной и общей экономической эффективности [31]. Повышение экономической эффективности РИУС капиталовложений Сравнительная экономическая эффективность экономическая эффективность Народнохозяйственный эффект Общая (абсолютная) экономическая эффективность Основные обобщающие показатели: -годовой экономический эффект; -коэффициент экономической эффективности; -срок окупаемости. Рис. 19 Основные частные показатели: -годовая экономия; -снижение издержек производства; -повышение производительности труда; -экономия ресурсов;. - высвобождение работающих; -повышение качества выпускаемой продукции или оказываемых услуг. 99 Выбор экономически наиболее эффективного варианта создания АИУС проводят по максимуму экономического эффекта, представляющего собой разность между результатами деятельности и затратами. Расчеты ведутся за установленной расчетный период с учетом экономических нормативов и других ограничений. За начало расчетного периода, в пределах которого учитывают затраты, принимается год начала разработки АИУС. Конец расчетного периода определяется в соответствии со сроком реального старения технических средств и проектных решений АИУС. 4.6.4. Оценка сравнительной экономической эффективности. Экономический эффект Э при тождественности конечных результатов по сравниваемым вариантам определится: Э=З1-З2, (37) где З1, З2 - интегральные хозяйственные затраты в производстве и потреблении по базовому и новому вариантам. При нетождественности сравниваемых вариантов по результатам, которые приводят к стоимостной форме, изменение этих результатов должно быть дополнительно учтено в расчетах экономического эффекта в виде дополнительных экономических результатов. Интегральные затраты СКУ на создания АИУС определятся: T З   ( И t  К t  Л t ) t , (38) t 1 где T - длительность расчетного периода; Иt - текущие издержки (себестоимость), включая затраты на эксплуатацию АИУС в году t; Kt - все виды единовременных затрат на создание АИУС в году t; Лt остаточная стоимость выбывших за год основных фондов при невозможности их использования (их ликвидационная стоимость); t коэффициент, используемый для приведения разновременных результатов и затрат к базисному году. Условием при расчетах эффективности АИУС является сопоставимость всех показателей: по времени, ценам и тарифным ставкам заработной платы; элементам затрат; номенклатуре услуг; сокращению ручного труда за счет автоматизации; методам исчисления стоимостных показателей. Цены, тарифы и ставки заработной платы определяют на момент расчета. 4.6.5. Оценка общей экономической эффективности АИУС. При такой оценке используются обобщающие и частные показатели. 100 Основные обобщающие показатели экономической эффективности АИУС: - годовой экономический эффект; - расчетный коэффициент эффективности капитальных затрат на разработку и внедрение АИУС; - срок окупаемости капитальных затрат на разработку и внедрение АИУС. Годовой экономический эффект от разработки и внедрения АИУС определяется как разность между годовой экономией и приведенными затратами: Э=ЭГ-ЕНКДА, (39) где ЭГ - годовая экономия от функционирования АИУС; ЕН нормативный коэффициент экономической эффективности капиталовложений (ЕН=0,15); КДА - единовременные затраты на создание АИУС. Расчетный коэффициент экономической эффективности капитальных затрат на разработку и внедрение АИУС представляет собой отношение расчетной годовой экономии (годового прироста прибыли) к капитальным затратам на разработку и внедрение АИУС: ЕР=ЭГ/ККА, (40)) где ККА - капитальные вложения на создание АИУС. Срок окупаемости представляет собой отношение капитальных затрат на разработку и внедрение АИУС к годовой экономии (годовому приросту прибыли): ТФ=ККА/ЭГ. (41) Основные частные показатели, характеризующие экономическую эффективность АИУС, следующие: - годовая экономия (годовой прирост прибыли); - снижение издержек хозяйственной деятельности на объекте управления в результате разработки и внедрения АИУС; - повышение производительности труда; - экономия по видам ресурсов; - количество высвобожденных работающих; - повышение качества выпускаемой продукции. Годовая экономия от разработки и внедрения АИУС включает в себя следующее: годовой прирост прибыли, вызванный увеличением объема хозяйственной деятельности (услуг или работ) при разработке и внедрении АИУС; годовой прирост прибыли за счет ускорения 101 освоения новых услуг в результате разработки и внедрения АИУС; экономию текущих затрат при производстве услуг или работ в условиях функционирования АИУС; экономию прочих затрат, не входящих в себестоимость работ СКУ, обеспечиваемую функционированием АИУС. Годовая экономия от функционирования АИУС отражается в планах по себестоимости услуг, финансовых планах и рассчитывается по формуле: С С А  А1 (42) Э г  ( 1  а )А 2  ( 2 ) П 1  П а , А1 А 2 А1 где А1, А2 - годовой объем оказанных услуг до и после внедрения АИУС (тыс. руб); С1,С2 - себестоимость годового объема оказанных услуг до и после внедрения АИУС (тыс. руб); П1=А1-С1 - прибыль от оказания услуг до внедрения АИУС (тыс. руб); [(А2-А1)/А1]П1 годовой при рост прибыли за счет роста объема оказания услуг (тыс. руб); (С1/А1-С2/А2) - годовой прирост прибыли за счет снижения издержек оказания услуг (тыс. руб); Па - дополнительная прибыль за счет сокращения непроизводственных потерь (штрафов, пеней, неустоек) с внедрением АИУС (тыс. руб). 102 ЧАСТЬ 2 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ 1. 0БЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АСУТП 1.1. Примеры автоматизированных систем управления технологическими процессами По материалам 1-й части настоящей работы можно сделать вывод: современное промышленное предприятие не может обойтись без решения таких задач, как технико-экономическое планирование, календарное планирование и оперативное управление. При решении задач технико-экономического планирования, исходя из имеющихся ресурсов и годовых планов, должны устанавливаться плановые показатели производства на продолжительные отрезки времени (месяц, квартал). Решение задачи календарного планирования позволяет детализировать во времени и по продукции показатели технико-экономического плана, т.е. получить конкретные планы текущей работы производства. В процессе решения задачи оперативного управления реализуется управление группой агрегатов (комплексом) или всем производством с целью ликвидации возникших внешних и внутренних возмущений, т.е. осуществляется увязка первых двух задач с конкретными условиями производства. Перечисленные задачи, как было отмечено ранее, по масштабности и важности располагаются в некоторой иерархии. На верхней ступени стоят задачи технико-экономического планирования, решаемые автоматизированными системами управления производством (АСУП), на нижней – задачи, решаемые в АСУТП. Взаимное влияние задач разных уровней очевидно. Верхний уровень определяет задание (план) и технико-экономические показатели для нижнего уровня. В свою очередь, в зависимости от состояния нижнего уровня план может корректироваться. 103 На основании вышесказанного можно дать следующее определение автоматизированной системы управления технологическим процессом [56]: АСУТП - это система, которая на базе высокоэффективной вычислительной и управляющей техники обеспечивает автоматизированное (автоматическое) управление технологическим комплексом с использованием централизованно обработанной информации по заданным технологическим и технико-экономическим критериям, определяющим качественные и количественные результаты выработки продукта, и подготавливает информацию для решения организационно-экономических задач. От управляющей части системы требуется с помощью управляющих воздействий добиться оптимального или экстремального значения критерия управления в условиях неизмеряемых помех, с которыми работают промышленные установки, и с учетом ограничений, накладываемых на пределы изменения некоторых координат системы (температуры, давления, расхода топлива, качества выходного продукта и т.п.). В качестве примера рассмотрим конвертерный способ выплавки стали [57]. Конвертер служит для переработки исходного сырья (жидкий чугун и твердый металлический лом) в сталь заданной марки (с определенным химическим составом и заданной температурой при выпуске). Для охлаждения и шлакообразования (отвода вредных примесей) в конвертер загружаются также сыпучие материалы (железная руда, известняк, шпат и др.). При подаче кислорода из расплавленного чугуна выжигаются примеси и углерод, в результате экзотермических реакций повышается температура. С точки зрения теории автоматического управления конвертер можно представить как объект управления с действующими на его входы управлениями, измеряемыми и неизмеряемыми возмущениями. При этом можно сформулировать критерии управления и ограничения, связанные с особенностями технологического процесса (ТП) выплавки стали конвертерным способом. Управляющими воздействиями в рассматриваемом ТП будут подача сыпучих материалов, положение кислородной фурмы, интенсивность подачи кислорода. В качестве критерия управления для конвертерной выплавки стали может быть назван один их двух критериев: 104 - минимальное время плавки с обеспечением допустимых для данной марки стали пределов по температуре, содержанию углерода, серы, фосфора, марганца, кремния (ограничения), - обеспечение по химическому составу заданной марки стали при длительности плавки в определенных временных рамках (ограничения). В рассматриваемом ТП можно выделить помехи: а) измеряемые, но неуправляемые - изменение давления и чистоты продуваемого кислорода, состава чугуна, заливаемого в конвертер; б) неизмеряемые - неоднородность состава и неточность взвешивания загружаемых материалов, неточность других измерений, температура кладки конвертера. Величина критерия управления зависит от химического состава металла, скорости выгорания примесей и температуры в конвертере. Чтобы измерить их значения, необходимо прекратить подачу кислорода и наклонить конвертер. На эту процедуру уходит 5 - 7 мин., в то время как вся продувка занимает 15 - 25 мин. Каждый замер ухудшает значение критерия управления. Вот почему при разработке системы ставится задача: увеличить число плавок, попадающих в заданную марку стали с первой повалки. В современных конвертерах химический состав металла определяется по химическому составу отходящих дымовых газов. 1.2. Отличие автоматических систем управления от систем автоматического управления Первым отличительным признаком автоматизированных систем управления (АСУ) от систем автоматического управления (САУ) является наличие в контуре человека-оператора (диспетчера). Кроме того, возможность выполнения дополнительных функций, благодаря использованию современных компьютерных технологий. Наглядным примером может служить одноконтурная система регулирования температуры воды на выходе теплообменника [58], которая представлена на рис. 20. 105 Вода Подогретая вода Треал Горячий пар M УУ Тзад Отработанный пар Рис. 20 Вода подогревается до нужной температуры за счет энергии отработанного пара. Если реальная температура подогреваемой воды Треал, измеряемая термопарой, отличается от заданной Тзад, то управляющее устройство УУ, состоящее из измерительного, регулирующего блоков и усилителя мощности, вырабатывает управляющее воздействие на мотор М, регулирующий отбор отработанного пара так, чтобы скомпенсировать эту разницу. Несмотря на то, что регулирование в контуре осуществляется по ПИДзакону, обеспечить максимальный КПД теплообменника без дополнительных функций и устройств в рассматриваемой системе не представляется возможным. Для этой цели рекомендуется использовать АСУ теплообменником, функциональная структура которой показана на рис. 21 [58]. Дополнительные датчики температуры Т1 и расхода Q1 питательной воды, температуры Т2 и расхода горячего пара Q2 позволяют при наличии устройств преобразования аналоговой информации в цифровую и обратно (на рис. 21 не показаны) реализовать функции: - Ф1 – расчет задания Q2зад в соответствии с принятым критерием, учетом ситуации на объекте и использованием модели теплообменника; - Ф2 – визуализация основных параметров для диспетчера; - Ф3 – регулирование расхода Q2 по ПИД-закону с проверкой дополнительных условий; - Ф4 – расчет технико-экономических параметров (ТЭП). 106 Вода Q1 Подогретая вода Т1 Треал Т2 Q2 Горячий пар M Отработанный пар Qзад Ф1 Ф3 Qзад Ф2 УМ ТЭП Q1 Ф4 Рис. 21 1.3. Классификация АСУТП При создании АСУТП должны быть определены цель ее функционирования и роль, которая отводится этой системе в общей структуре управления предприятием. По виду функций, для реализации которых предназначены АСУТП, можно предложить следующую классификацию [56]: Информационно-измерительные системы предназначенные для сбора и выдачи информации о состоянии объекта управления. В развитии этих систем можно выделить, по крайней мере, три стадии. На первой (ранней) стадии информация об объекте выносилась на громоздкие щиты управления с показывающими и регистрирующими приборами. На второй стадии стала развиваться тенденция к уменьшению габаритов приборов и созданию систем централизованного контроля, основной объем информации не представлялся оператору постоянно, а нужная ему информация по его требованию вызывалась на показывающий прибор. Оператор сосредотачивал свое внимание на параметрах, вышедших за пределы нормы. При этом аварийные ситуации регистрировались на пульте оператора красным цветом, миганием, звуком и т.п. Наконец, использование ЭВМ способствовало дальнейшему развитию 107 информационных систем. Появилась возможность сжатия информации, выдачи оператору усредненных значений отдельных параметров. ЭВМ стала использоваться для расчета техникоэкономических показателей таких, как материальный и энергетический балансы, коэффициенты полезного действия установок, технологические составляющие себестоимости продукции, расходы по отдельным компонентам {например, в случае смесей), а также для анализа причин отклонения технологического процесса от заданного режима. В настоящее время благодаря появлению мощных ПК и контроллеров, развитой модульной структуре устройств ввода/вывода создаются распределенные системы сбора и обработки информации, эффективность работы которых обеспечивается наличием SCADAсистем, обеспечивающих сквозное программирование всех уровней контроля и управления. Информационно-управляющие системы в режиме советчика. На основании информации о параметрах технологического процесса, поступающей от датчиков, установленных на объекте, рассчитанных ТЭП и алгоритмов выработки управляющих воздействий, УВМ производит расчет оптимальных условий ведения технологического процесса. Результаты расчета - советы по управлению представляются оператору-технологу либо в печатном виде, либо высвечиваются на информационном табло. Оператор управляет процессом, изменяя уставки регуляторов или выполняя другие действия в соответствии с рекомендациями, вырабатываемыми АСУ. УВМ при этом работает в ритме процесса в разомкнутом контуре. Роль следящего и управляющего звена выполняет оператор-технолог, который обычно "тонко чувствует" процесс и контролирует правильность выданных советов. УВМ поручается следить за возникновением аварийных ситуаций, причем, как правило, по значительно большему числу параметров, чем это мог бы сделать оператор. Однако участие человека в контуре управления имеет и свои недостатки, которые особенно проявляются при сложной системе управления. Если оператору приходится выполнять много настроек регуляторов в минуту, то к концу рабочей смены неизбежны ошибки, которые повлекут за собой ухудшение качества выпускаемой продукции. АСУТП в режиме супервизорного управления. Задача режима супервизорного управления - поддержание процесса вблизи 108 оптимальной рабочей точки путем оперативного воздействия на него. При этом значения управляющих воздействии выдаются не оператору, а преобразуются в форму, удобную для изменения настроек регуляторов. УВМ работает в замкнутом контуре управления, оператору же отводится роль наблюдателя. Его вмешательство требуется лишь при возникновении аварийных ситуаций. На УBM, помимо расчета уставок регуляторов, возлагаются расчеты по оптимизации управления, которые выполняются периодически, например, один раз за час работы или за смену, или при изменении сырья или состава выпускаемой продукции. Главное преимущество супервизорного управления состоит в том, что АСУ непрерывно контролирует процесс и управляет им в оптимальной точке так, что исключает флуктуации, связанные с работой разных операторов, собственный "почерк" каждого из которых обязательно сказывается на регулировании уставок. АСУТП в режиме непосредственного цифрового управления (НЦУ). Отличие АСУТП в режиме НЦУ от описанных ранее заключается в том, что сигналы, используемые для приведения в действие управляющих органов на объекте, поступают непосредственно от АСУ, а регуляторы вообще исключаются из системы. На вычислительные средства АСУ возлагаются такие функции; как реализация различных законов регулирования, связей между отдельными контурами - многосвязного регулирования, управления по возмущению, адаптивного управления. Для формирования сигналов, воздействующих на управляющие органы, вычислительный комплекс АСУТП включает в себя устройства связи с объектом. Оператор в системе НЦУ должен иметь возможность изменять уставки, контролировать некоторые избранные переменные, варьировать диапазоны допустимого изменения измеряемых параметров процесса и т.д. Для обеспечения всего этого АСУТП должна включать пульт оператора-технолога, позволяющий реализовать полное и функционально богатое сопряжение между человеком, машиной, процессом. Одним из главных преимуществ использования АСУТП в режиме НЦУ является гибкость управления благодаря возможности изменения алгоритмов путем внесения изменений в хранимую программу. Наиболее очевидный недостаток НЦУ проявляется при отказе АСУ. 109 Несмотря на то, что надежность системы может быть исключительно высокой, отказы тем не менее могут происходить, и с этим обстоятельством приходится считаться. Например, в отечественной SCADA-системе TRACE MODE используется 3-х кратное резервирование, что позволяет в реальном времени переходить с неисправных блоков на резервные, повышая таким образом надежность АСУТП. Любая из перечисленных выше АСУТП представляет собой распределенную иерархическую систему с высоко технологичной технической структурой и развитым программным обеспечением. 1.4. Основные функции АСУ В общеотраслевых руководящих методических материалах по созданию АСУ в различных отраслях промышленности отмечается, что основными для этих систем являются информационновычислительные и управляющие функции. К информационно-вычислительным функциям относятся: - сбор, первичная обработка и хранение информации; - косвенные измерения параметров процесса и состояния технологического оборудования; - сигнализация состояний технологических параметров и оборудования; - контроль и регистрация отклонений параметров технологического процесса от заданных; - анализ срабатывания блокировок и защит технологического оборудования; - диагностика и прогнозирование технологического процесса; - диагностика и прогнозирование состояния комплекса технических средств; - оперативное отображение информации и рекомендации по ведению ТП и управлению технологическим оборудованием; К управляющим функциям относятся: - однотактное логическое управление (выполнение блокировок, защит и т. п.); - регулирование отдельных параметров ТП; - каскадное регулирование; - многосвязное регулирование; 110 - дискретное управление технологическими процессами и оборудованием; - оптимальное управление установившимися и неустановивши-мися режимами; - адаптивное управление. Дополнительные функции АСУТП: - подготовка информации для вышестоящих и смежных систем и уровней управления (регистрация простоя оборудования, причин аварии, времени ремонта и т. п.); - расчёт технико-экономических и технических показателей, tраб например, стоимость топлива C = C0  u(t)dt и расход топлива o tраб Q=  u(t)dt, где С0 - стоимость единицы объема топлива, u(t) - o объем топлива в единицу времени 1.5. Разновидности структур АСУТП Функциональная структура (ФС) определяет класс целей, для достижения которых проектируется АСУТП. Обычно такая структура состоит из нескольких подсистем, отличающихся по своему функциональному назначению. В частности, можно выделить следующие подсистемы: - подсистема сбора и первичной обработки информации, предназначенная для опроса аналоговых, дискретных датчиков с обработкой и анализом информации об объекте управления; - подсистема управления и выдачи управляющих воздействий; - подсистема формирования сводных показателей; - подсистема регистрации и анализа производственной ситуации. Современные компьютерные технологии позволяют объединить указанные функции благодаря SCADA-системам. Алгоритмическая структура (АС) представляет собой совокупность алгоритмов и условий их работы. На этой структуре указываются связи, определяющие последовательность выполнения алгоритмов. К примеру, на рис. 22 представлен фрагмент АС, на 111 котором заданы условия перехода к определенному алгоритму вычисления управляющего воздействия, если сигнал рассогласования не удовлетворяет тем или иным значениям. i<доп нет к ЦАП нет i> ui=ui-1 Расчет ui по ПИД-закону Расчет ui по П-закону к ЦАП к ЦАП Рис. 22 При проектировании сложных систем вначале составляют укрупненную алгоритмическую структуру. Такая структура для АСУ теплообменником (рис. 2) представлена на рис. 23. Опрос аналоговых датчиков Б1 А1 технологических параметров А2 Первичная обработка информации Б2 Расчет ТЭП Вывод на дисплей технологической информации А3 Расчет уставки-задания Б3 А4 А5 Расчет управляющих воздействий Реализация управляющих воздействий Рис. 23 Обновление данных 112 Затем разрабатывают более детализированную алгоритмическую структуру, подобную показанной на рис. 24. Контроль достоверности параметров Т1, Т2, Треал, Q1, Q2 А3-1 Нужна ли корректировка модели ОУ ? А3-2 А3-3 А3-4 нет Настройка модели ОУ Прогноз значения температуры Треал на время t, c А3-5 Расчет уставки Рис. 24 Техническая структура (ТС) представляет собой комплекс технических средств в виде отдельных модулей и блоков, предназначенных для реализации функций АСУТП. На этой структуре указываются связи между блоками и приводится, в случае необходимости, поясняющий текст. ТС строится на основе агрегативных комплексов технических средств таких, как например, микропроцессорные субкомплексы контроля и управления (АО “Импульс”, г. Северодонецк, Украина), распределенные системы сбора данных и управления серии ADAM (Фирма Advantech, Тайвань), MicroPC (Фирма Octagon Systems, США) и др. Информационная структура (ИС) связывает подсистемы АСУТП с транспортными средствами, вспомогательными механизмами и, в случае использования нестандартных блоков указывает уровни сигналов на входах и выходах этих блоков для согласования со стандартным оборудованием. ИС автоматически собирает данные о значениях параметров технологических процессов путем съема 113 показаний с датчиков и прочих приборов. Эта информация сообщается диспетчеру и управляющей подсистеме. Оператор-технолог может получать информацию посредством запроса. Организационная структура (ОС) – совокупность правил и инструкций, устанавливающих нормы работы персонала и комплекса технических средств по управлению технологическим оборудованием в нормальных, предаварийных и аварийных режимах. Синтез любой из перечисленных структур представляет собой сложную исследовательскую задачу. Прежде чем приступить к ней, необходимо изучить технологический процесс (ТП) как объект контроля и управления. 1.6. Этапы проектирования АСУТП Процесс разработки АСУТП может быть представлен последовательностью этапов [56, 57]. Перечислим их и затем дадим им краткую характеристику. Предпроектная проработка: постановка задачи на разработку АСУТП; эскизная проработка функциональной структуры АСУТП; выбор методов решения задач управления; предварительное техникоэкономическое обоснование. Проектирование: техническое проектирование; рабочее проектирование. Внедрение: комплектование системы; строительные работы; монтаж и наладка; испытания и сдача в эксплуатацию; анализ функционирования АСУТП. На первом этапе проводятся научно-исследовательские работы (НИР), в ходе которых изучается ТП. Выделяются наблюдаемые технологические переменные, управляющие воздействия, формулируются критерии управления и накладываемые в соответствии с технологическими инструкциями ограничения. Формулируются основные функции разрабатываемой системой, т.е. создается её функциональная структура. Составляется структурная схема выделенного ОУ и на основании априорных данных выполняется работа по упрощению, если это возможно, алгоритма управления путем расчленения его на алгоритмы автоматического регулирования и алгоритмы оптимизации. Разрабатывается 114 приближенная математическая модель ОУ. Проводится примерная оценка технико-экономической эффективности, для чего используются существующие средства и методы управления технологическим объектом, количество обслуживающего персонала и его зарплата. Материалы исследований на первом этапе отражаются в научнотехнических отчетах, а окончательным результатом является техническое задание (ТЗ) на проектирование АСУТП, которое должно содержать: - перечень функций АСУТП с их краткой характеристикой; - необходимые точность, быстродействие по каждой функции и их совокупностям; - показатели надежности; - режимы функционирования; - совместимость, при необходимости, данной АСУ со смежными; - условия эксплуатации; - метрологические характеристики измерительных каналов; - эргономические требования по способам и форме представления информации оператору; - требования к численности и квалификации оперативного и обслуживающего персонала АСУТП. На этапе технического проектирования завершается вся НИР, проводится параметрическая идентификация объекта, т.е. определяются неизвестные параметры его модели; формируются алгоритмическая и техническая структуры системы; разрабатываются задания на устройства и оборудование, не выпускаемые серийно; разрабатываются машинные алгоритмы, реализующие функции АСУТП и моделирования технологического объекта управления. Этап заканчивается подготовкой технического проекта. На этапе рабочего проектирования разрабатываются несерийные технические средства и оформляются на них рабочие чертежи; выполняются рабочие чертежи на строительство и сочление технических средств с объектом; заканчивается разработка рабочих программ для ЭВМ и составляются рабочие документы по программному обеспечению. Этап завершается выпуском рабочего проекта, содержащего все необходимые материалы для комплектации системы, изготовления несерийных технических средств, проведения монтажа и наладки системы. 115 Третий этап включает в себя комплектацию системы, проведение строительных работ, монтаж и её наладку. После чего следуют испытания и сдача системы в опытно-промышленную и промышленную эксплуатации. Затем проводится анализ функционирования АСУТП, в результате которого выполняется оценка фактической технико-экономической эффективности системы, её надежности, разрабатываются рекомендации по развитию и совершенствованию системы, вырабатываются требования к модернизации технологического процесса. 1.7. Характеристики технологического процесса как объекта контроля и управления По своему характеру ТП может быть непрерывным, периодическим (непрерывно-дискретным) и дискретным. Непрерывный процесс – процесс, в котором конечный продукт вырабатывается, лишь пока подводятся сырьё, энергия, катализаторы, управляющие воздействия и пр. (например, процесс нефтепереработки). Периодический процесс – процесс, в котором в течение относительно короткого промежутка времени производится определенное, ограниченное количество конечного продукта. Сырье и полуфабрикаты вводятся регламентированными дозами в строгой последовательности, операции перемешивания и подачи энергии осуществляются в заданном порядке. После подготовки “рецептуры” получается порция конечного продукта. Примерами могут быть такие процессы, как доменный процесс выплавки чугуна, процесс получения определенного вида лекарств и т.п. Дискретный процесс – процесс изготовления и испытания деталей, узлов и готовых изделий. Конечный продукт состоит из набора компонент, качество которых нужно контролировать так, чтобы конечный продукт – результат сборки отвечал заданным стандартам (сборка телевизора, автомобиля и пр.). При выборе стратегии управления должны быть учтены характеристики ТП, а также функции, которые будут заложены в проектируемую систему. При изучении ОУ вся снимаемая с объекта информация разделяется на аналоговую и дискретную в зависимости от типов используемых 116 датчиков. Необходимо как по одному, так и по другому типу заполнить таблицы [57 - 59], поместив в них всю информацию по каждому измеряемому параметру. По аналоговым сигналам заносится наименование переменной с указанием функции, которую эта переменная должна выполнять. Далее – единица измерения, диапазон изменения, требуемая точность контроля или управления (регулирования), период опроса указанной переменной. После выбора датчика таблицу следует дополнить уровнем и типом сигнала на его выходе. Пример заполнения информации по аналоговым сигналам показан в таблице 3. К дискретным сигналам относятся сигналы от двухпозиционных объектов контроля, характеризуемых двумя состояниями: «Включено выключено», «В пределах – вне пределов», сигналы прерывания от инициативных датчиков, числоимпульсные сигналы, используемые при вводе информации от счетчиков электроэнергии, интегратороврасходомеров, дозаторов и т.п. По перечисленным сигналам обычно указывается уровень дискретного сигнала и частота следования [57]. 1.8. Функции АСУТП как последовательность отдельных процессов Функции АСУТП выбираются из списка, в котором они сгруппированы по своему назначению, например, для контроля, управления, исследования, планирования и т.д. Функция представляется в виде последовательности трех процессов: ввода (сбора) данных, обработки и вывода результатов. Процесс ввода характеризуется: - числом и видом каналов; - периодом или математическим ожиданием частоты опроса каналов; - допустимым временем задержки ввода по одному каналу; - требуемой точностью представления данных. Процесс обработки характеризуется: - временем использования процессора для реализации операции ввода; - периодом или математическим ожиданием вызова параметров; Таблица 3 Прим ер заполнения т аблицы по аналоговым сигналам Наим енование физической перем енной Функция Единица изм ерения Тем перат ура Регулируем ая перем енная Управляющее воздейст вие C Угол поворот а заслонки Угловой градус Диапазон изм енения физической перем енной 1000 - 1300 Требуем ая т очност ь Тип дат чика Уровень и т ип сигнала на выходе дат чика ±5 C 0 --- 15 м В 0 --- 90 ±1% Терм опара ТПП Дат чик полож ения 0 --- 5 м А - объемом памяти, занимаемым программами обработки и подготовки для вывода; - временем использования процессора для реализации вывода; - видами обработки; - временем обработки одного параметра, которое может быть оценено по объему памяти, занимаемому программами обработок, и производительности процессора, используемого в УВК. Вывод обработанных данных (аналоговых, дискретных, символьных) на объект управления и оператору характеризуется: - объемом выводимой информации; - допустимым временем задержки устройств; - объемом памяти программ вывода; - периодом или математическим ожиданием интервала между выводами. Перечисленные характеристики получают в процессе изучения объекта управления. Например, достаточно широкий класс объектов c непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства имеет следующие пределы изменения основных показателей: - количество входных аналоговых сигналов - 150-3000; - количество входных дискретных сигналов - 200-2000; - количество регулирующих органов - 10-200; - количество выходных двухпозиционных сигналов - 100-1000; . - объем информации, выдаваемой на индикацию и регистрацию, 250-1600 бит/с; - время реакции системы на изменения состояния объекта, 0,1-10с; - наработка на отказ функций, реализуемых в системе, 100 - 10000, ч. Данные по реализуемым функциям удобно сводить в таблицу, подобную табл. 4. После исследования ТП и изучения процессов контроля и управления правый столбец табл. 4 должен быть заполнен числовыми значениями параметров, указанных в её центральной части. Более подробную информацию по заполнению табл. 4 можно найти в учебно-методическом пособии [57]. После изучения технологического процесса как объекта управления и анализа функций проектируемой АСУТП приступают к реализации этапов разработки системы, которая в силу своей сложности обычно представляется в виде ряда подсистем таких, как подсистема сбора и первичной обработки информации, подсистема управления и выдачи 119 управляющих воздействий, подсистема формирования сводных показателей, подсистема регистрации и анализа производственной ситуации. Таблица 4 Функции контроля и управления Наименование процесса обработки Процесс ввода информации в УВК Процесс обработки Процесс вывода Наименование характеристик ТП Способ получения входной информации: - обращение за параметрами к выходу алгоритма первичной обработки информации; - использование самостоятельного ввода Характеристики входной информации: Аналоговая информация: - количество вводимых аналоговых параметров; - период между опросами датчиков; - процедуры первичной обработки; - диапазон изменения входных параметров; - требуемая точность представления данных; - уровень сигнала на входе Цифровая информация: - количество дискретных входных параметров; - частота поступления дискретных сигналов; - уровень сигнала: "1"- истинно, "О"- ложно Используемые виды законов регулирования и количество контуров с одинаковым законом: - одноконтурное регулирование; - многоконтурное регулирование Виды оптимизации: критерий управления; модель ОУ; алгоритм прогноза по управлению Способы выдачи управляющих воздействий: - аналоговые выходные сигналы: число сигналов, частота смены управляющего воздействия, точность представления аналогового сигнала; - дискретные выходные сигналы: число сигналов, средняя частота выдачи, требуемая мощность; - сигналы для дистанционного управления: объем выдаваемой информации (совета); частота смены сигнала Числовые данные 120 Окончание табл. 4 Наименование процесса обработки Оценка надежности Расчет ТЭП Наименование характеристик ТП Требование ТЗ к надежности системы: - понятие отказа одного контура регулирования; - понятие отказа системы; - время реакции системы на изменение ситуации на объекте Наименование ТЭП, формулы расчета, стоимостные характеристики параметров Числовые данные 121 2. ПОДСИСТЕМА СБОРА И ПЕРВИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 2.1. Комплекс технических средств подсистемы сбора и первичной обработки информации. Принципы компоновки Как уже отмечалось, подсистема сбора и первичной обработки информации предназначена для опроса аналоговых и дискретных датчиков с обработкой и анализом информации об объекте управления. Исходными данными для определения структуры подсистемы контроля является совокупность измеряемых переменных ТП и оборудования, набор измерительных устройств, которые могут быть использованы в качестве источников исходной информации. Комплекс технических средств ввода аналоговых сигналов в управляющий компьютер подбирается в зависимости от вида измеряемой физической переменной, от удаленности датчиков, вида и уровня выходных сигналов датчиков. В каналах измерения, помимо датчиков, должна присутствовать следующая аппаратура: нормализаторы (Н), преобразователи физических сигналов в ток или напряжение (П), усилители (У), аппаратные RC-фильтры (Ф), преобразователи аналоговых сигналов в цифровые коды (АЦП), коммутаторы (mux). Принципы компоновки технических средств ввода аналоговой информации представлены на рис. 25, на котором датчики объединены в три группы. В первую группу собраны удаленные на значительное расстояние от промышленного компьютера (ПК) датчики D1,…,Dn, предназначенные для сбора информации о технологических параметрах одной физической природы. Вторая группа – датчики D1,…,DN. Они, как и датчики первой группы существенно удалены от ПК, но измеряют сигналы различной физической природы. И, наконец, датчики третьей-й группы, расположенные вблизи ПК и предназначенные для измерения технологических параметров различной физической природы. П - преобразователи физической величины в ток для 1-ой и 2-й группы и в напряжение для 3-й. 122 D1 Dn . H11 . . H 1n D1 П1 У П2 У Пn-1 У DN ПN У D1 . . D . П1 H31 Ф1 Пm H3m Фm 1-я гр. . . . 2-я гр. m u x П У Ф H2 Ф1 H21 . . . МДвыв m u x ПК АЦП 3-я гр. m ФN H2N m u x У Рис. 25 Н1 - нормализатор 1-го типа для смещения уровня сигнала датчика в заданный диапазон измерения. Н2 - нормализатор 2-го типа - устройство для преобразования тока в напряжение. Н3 - нормализатор для компенсации холодного спая термопар, для компенсации нелинейности характеристик датчиков. Ф - аппаратные RC-фильтры, предназначенные для устранения радиопомех и помех промышленной частоты. 2.2. Устройства распределенного сбора данных и управления серии ADAM В качестве примера из широкого класса устройств удаленного сбора данных предлагается рассмотреть модули фирмы Advantech. Устройства серии ADAM-4000, 5000, 6000 и 7000, предназначенные для построения территориально-распределенных систем сбора данных и управления, обеспечивают выполнение следующих функций: аналоговый ввод-вывод, дискретный ввод-вывод, первичное преобразование информации, приём команд от удалённой 123 вычислительной системы и передача в её адрес преобразованных данных с использованием интерфейса RS-485 или Ethernet. На рис. 26 представлена структурная схема сети на базе RS-485 и модулей серии ADAM-4000. Сеть последовательной передачи данных, благодаря наличию преобразователя RS-232 в RS-422/485 ADAM-4520 и повторителя ADAM-4510, может объединять до 256 устройств. Модули серии ADAM-4000 предназначены для построения распределенных систем сбора данных и управления и представляют собой компактные и интеллектуальные устройства обработки сигналов датчиков, специально разработанные для применения в промышленности. ПК 4080d DD 4013 4014d D 4011 4510 4060 4050 4520 (4052) RS-232 4021 Ри с. 26 Наличие встроенных микропроцессоров позволяет им осуществлять нормализацию сигналов, операции аналогового и дискретного вводавывода, отображение данных и их передачу (или прием) по интерфейсу RS-485. Все модули имеют гальваническую развязку по цепям питания и интерфейса RS-485, программную установку параметров, командный протокол ASCII и сторожевой таймер. Питание модулей осуществляется нестабилизированным напряжением 10…30 В постоянного тока. Диапазон температур: рабочий – 10…+70°С, хранения –25…+80°С. Относительная влажность — до 95% без конденсации влаги. В показанной на рис. 26 сети, помимо упомянутых выше блоков, используются следующие модули: 124 - 4080D – модуль, предназначенный для измерения частоты или используемый в качестве счетчика импульсов; - 4013 – модуль ввода сигналов от термосопротивлений (платиновых и никелевых). Диапазон входящих сигналов ± 15 мВ, ± 50 мВ, ± 100 мВ, ± 150 мВ, 1 или 2,5В, I = ± 20 мА. Диапазон измерения tº С: - для платиновых: ± 100ºС, 0 ÷ 100ºС, 0 ÷ 200ºС, 0 ÷ 600ºС; - для никелевых: 0 - 100ºС, -80 + 100ºС? время преобразования в АЦП равно 100 мс (без учета времени командного опроса и выдачи информации). Погрешность модуля 4013 0,05%; - 4021 – модуль вывода аналоговых сигналов; - 4060 – модуль релейного выхода, коммутирующий сигналы до 40 В; - 4050 – модуль дискретного ввода/вывода. Подсистема ввода: количество каналов ввода – 7, логический 0 не более 1 В, логическая 1 - от 3,5 до 30 В, вытекающий ток не более 1 мА. Подсистема вывода: количество каналов 8, коммутируемое напряжение U до 30 В; Р=0,4 Вт; - 4014D – модуль ввода аналоговых сигналов в виде напря-жения мВ, В и тока в мА; - 4011 – модуль ввода сигналов от термопар (мВ и В до 2,5В и мА до 20мА); имеется 14 режимов, отличающихся типом и диапазоном входного сигнала. 2.3. Модуль аналогового ввода ADAM-4011 Существенно сократить номенклатуру КТС подсистемы сбора и первичной обработки информации (см. рис. 25) можно, использовав, например, модуль аналогового ввода ADAM-4011. Этот модуль может быть дистанционно настроен на один из 14 режимов ввода, которым соответствуют различные типы и диапазоны входного сигнала (сигналы термопар различных типов, ток в мА, напряжение в мВ или в В), имеет компенсацию ЭДС холодного спая. АЦП этого модуля, построенное с использованием сигма-дельта преобразования, имеет 16 разрядов, управляется микропроцессором (МП), который преобразует цифровые отсчеты АЦП в значения 125 следующих форматов: инженерные единицы, проценты полной шкалы, дополнительный код или Омы. После получения запроса на передачу данных от ведущего узла сети на базе RS-485 МП передает отсчет в требуемом формате в адрес ведущего узла сети. Как видно из рис. 27, модуль аналогового ввода ADAM-4011 содержит все элементы рассмотренной выше подсистемы, но обладает большими возможностями и лучшей точностью. Он имеет программную настройку для работы с термопарами, с малыми напряжениями и токами. К тому же, у него есть 2 цифровых выхода (аварии по верхней и нижней границам измеряемого сигнала) и 1 цифровой вход для подсчета счетчиком событий до 65535 изменений логического состояния канала дискретного ввода. мА ФНЧ . . . MUX мВ В АЦП 16 разрядов +5В 2 дискр АВАРИЯ канала опто изоляция МП RS-485 COMM 1 дискр канал GND Счетчик событий ПЗУ БП Рис. 27 2.4. Выбор модулей подсистемы сбора и первичной обработки аналоговых сигналов Исходными данными к выбору комплекса технических средств подсистемы сбора и первичной обработки информации (ПСОИ) являются требования, сформулированные в техническом задании на разработку АСУТП. Различают требования: - по техническим характеристикам, среди которых можно выделить требования к точности и быстродействию применяемых устройств; - по эксплуатационным характеристикам, главным из которых является требование по надежности; 126 - по технико-экономическим характеристикам, обуславливающим требования по стоимости. На основании анализа схемы компоновки технических средств ПСОИ (см. рис. 25) можно представить цепочку аппаратных средств iго канала измерения в виде рис.28. Датчик датчi нормализатор нормi Усилитель усi Аппаратный фильтр фi АЦП АЦПi МK Рис. 28 Выбор каждого из устройств определяется перечисленными выше требованиями. Заданную в ТЗ ±Δy тзi - точность измерения и представления технологической переменной yi распределяют между аппаратными средствами представленной на рис. 27 цепочки блоков по значимости вносимой каждым блоком погрешности. Погрешности измерения и преобразования информации указанной цепочки являются случайными величинами, подчиняющимися определенным законам распределения. Для оценки погрешности на входе микроконтроллера МК σ 2 , можно воспользоваться следующим выражением, вхi записанным для цепочки аппаратных средств i-го канала измерения по рис. 27: 2 = σ2 2 2 +σ 2 . (43) σвхi +σнормi +σ2усi +σфi АЦПi датчi В выражении (43) предполагается, что погрешности отдельных аппаратных блоков не зависят друг от друга, а их величины определяются классом точности каждого аппаратного средства. Наиболее ответственными блоками с точки зрения вносимых погрешностей будут датчик и аналого-цифровой преобразователь, поскольку выбор нормализатора, усилителя и фильтра достаточно высокоточными существенно не повлияет на общую стоимость аппаратных средств, но позволит пренебречь их влиянием на точность канала измерения. Нормализаторы представляют собой резисторы, включаемые как потенциометры. Их погрешность будет тем меньше, чем выше класс точности, и в сравнении с другими погрешностями ею можно пренебречь. В качестве усилителей обычно используют прецизионные операционные усилители с коррекцией дрейфа нуля и с полосой 127 пропускания до 50 Гц. Требуемый коэффициент усиления зависит от уровня сигнала на входе усилителя и от расстояния, на которое передается сигнал. Для фильтрации помех промышленной частоты используются одноили двухзвенные RC-фильтры (интегрирующие цепочки) [56]. Полоса пропускания fпр такого фильтра зависит от времени опроса датчика Топрi: fпр=0,2/Топрi. Поскольку частоты полезных сигналов в АСУТП находятся в пределах 1 Гц, то, выбрав высокоточные элементы в этих фильтрах, можно также пренебречь их аппаратными погрешностями. Следовательно, погрешность на входе МК 2 = σ2 (44) σвхi +σ2АЦПi . датчi Для выбора датчика и АЦП необходимо задать коэффициенты  (0 – 0,6) – долю общей погрешности, приходящейся на датчик, т.е. (45) σ = χ ×σтз датчi и ρ (0 – 0,5) – долю погрешности датчика, приходящейся на АЦП, т.е. (46) σ АЦПi = ρ×σ датчi так, чтобы произведение ρχ располагалось в диапазоне: 0 < ρχ ≤ 0,4. (47) При этом остальная величина допустимой погрешности измерений в i-м канале должна быть отдана ошибкам вычисления в микроконтроллере по алгоритмам первичной обработки информации. Из выражения (47) следует, что, задаваясь значениями коэффициентов ρ и χ, можно выбрать датчик и определить разрядность АЦП. В частности, чем меньше будет χ, тем точнее, но и дороже, будет датчик, а чем меньше будет ρ, тем с большей разрядной сеткой потребуется АЦП. К примеру, задавая χ=0,6, т.е. выбирая недорогой, но грубый датчик, из выражения (46) при ρχ=0,12 получим ρ=0,2. Следовательно, чтобы обеспечить высокую точность при плохом датчике, необходимо увеличивать разрядную сетку АЦП и, конечно, вычислителя. Улучшения точности в этом случае добиваются применением программ усреднения или сглаживания, позволяющих ослабить низкочастотный шум в η (2-10) раз. 2.4.1. Выбор датчика. Исходные данные: - условия эксплуатации, 128 - диапазон изменения технологической переменной Dy,; - абсолютная величина допустимой точности измерения: Δy доп дат  χΔy тз либо допустимая относительная погрешность в %: δдоп дат  χδ утз ; - допустимая инерционность доп Tдат  0,1Тоумин , где Тоумин - минимальная постоянная времени в передаточной функции объекта доп управления, Tдат - допустимая величина постоянной времени датчика. Обычно датчики выбирают в два этапа. На первом - по условиям эксплуатации определяется тип датчика, к примеру, термопара или термосопротивление. На втором - из справочника находят типоразмер датчика и все его характеристики, а именно: - физическая величина, измеряемая чувствительным элементом датчика,; - диапазон измерения по паспортным данным Dпсп y дат , причем диапазон изменения технологической переменной должен находиться в интервале Dy =  1 - 2  Dпсп ; удат 3 3 доп псп доп - погрешность измерения Δy псп дат  Δy дат или δ дат  δ дат ; псп доп псп  Tдат - инерционность датчика Tдат , где Tдат - постоянная гот времени датчика, равная 0, 3t гот дат , t дат - время готовности датчика выдать первое измерение, определяемое по его паспортным данным; вх - крутизна статической характеристики y вых дат = К дат y дат . Из серии однотипных датчиков подбирают тот, у которого крутизна КДАТ наибольшая; - выходной сигнал датчика с указанием его диапазона, к примеру, токовый в диапазоне 0 – 5 мА, (0 – 20 мА) или напряжение в диапазоне 0 – 10 В. Если выход датчика имеет другую физическую природу, например, изменение сопротивления или частотный, то после датчика следует ставить преобразователь (см. рис. 25), обеспечивающий унифицированный сигнал: токовый или напряжение. Пример 1. Выбрать датчик измерения температуры воздуха в производственном помещении, изменяющейся в пределах (10 – 35 оС), 129 точность измерений не ниже ±0,5 оС, выходной сигнал должен быть унифицированным (ток в диапазоне 0 – 5 мА или напряжение 0 – 10 В), постоянная времени объекта управления – порядка 3000 с. Решение. 1. Выразим требуемую точность в заданном диапазоне изменения температур в относительных единицах или в %: δyтз = ±0,5o C = ±0,02 или 2% . 25o C 2. Зададимся коэффициентом χ, равным 0,6. При этом потребуется датчик, обеспечивающий точность измерения δдоп дат = 1,2% . 3. По условиям эксплуатации выбираем тип чувствительного элемента – термосопротивление (ТС). 4. Выписываем из справочника параметры ТС с подходящими данными, как это показано в табл. 5. Таблица 5 Типоразмер Диапазон Инерционность Погрешность ТС измерения t гот δпсп дат ТСМ-8012 ТСП-085 ТСП-763 (0 – 50) оС (0 – 100) оС (0 – 100) оС 240 с 9с 240 с дат ±0,1% ±0,1% ±0,1% Примечание: в типоразмере ТС буква М соответствует медному, П - платиновому термосопротивлениям. Поскольку постоянная времени объекта управления значительная по величине, то инерционностью любого из указанных в таблице чувствительных элементов можно пренебречь. Следовательно, основываясь на критерии меньшей стоимости при одинаковой точности, выбираем термосопротивление ТСМ-8012. Для обеспечения токового выхода используем преобразователь в виде компенсационного моста КСМ4, обеспечивающего точность 0,25%. При этом погрешность датчика составит: 2псп 2псп доп δпсп 0,01 + 0,0625 = ±0,933% < δ дат , дат = δ тсм + δ ксм = что даст следующее значение абсолютной погрешности процесса измерения 130 псп Δy псп дат = δ дат Dпсп yдат 100 = ±0,933× 50o C = ±0.466o C. 100 В результате выбора датчика из его паспортных данных становятся псп псп известными диапазон измерения Dпсп yдат и точность Δy дат ; δ дат . Эти значения наряду с выбранной величиной коэффициента ρ позволяют определить длину разрядной сетки АЦП. 2.4.2. Выбор АЦП. Исходные данные: диапазон измерения Dпсп yдат ; псп точность датчика Δy псп дат ; δ дат ; величина коэффициента : 0<0,5. АЦП характеризуется разрядностью, быстродействием и помехозащищенностью. Дл и н а разря д н ой сет ки АЦП N y АЦП рассч и т ы вает ся в соот вет ст ви и с вы ражен и ем : N y АЦП   Dпсп    удат 3 = E log 2  + 1  ,  2×ρ× Δу псп  дат      (47) в котором операция Е{…} означает округление результата до 2 ближайшего целого в большую сторону, а коэффициент 3 появляется из-за разницы в вычислении дисперсий погрешностей датчика и АЦП. Так как погрешность датчика подчиняется нормальному закону распределения, а погрешность АЦП – равномерному, то дисперсии соответствующих погрешностей будут равны: σ 2 дат  Δу  = псп 2 дат 9 , σ АЦП 2  Δу  = АЦП 12 2 . Следовательно, учитывая, что σ 2АЦП = ρ2σ 2дат , величину младшего разряда АЦП можно определить как Δy АЦП = 2 ρΔy псп дат 3 (48) Нужно заметить, что если расчеты погрешностей ведутся в относительных единицах или в процентах, то в качестве диапазона измерения Dпсп yдат в формуле (47) следует брать либо 1, либо 100%. 131 Пример 2. Определить разрядность АЦП для преобразования аналогового сигнала измерения температуры в код с помощью выбранного в примере 1 датчика температуры при , равном 0,1. Решение. На основании выражения (47) и данных примера 1 получаем: N АЦП       50o C 3 100% 3     = E log 2  + 1   = E log 2  + 1   = 10 . o 2× 0,1× 0,466 C 2× 0,1× 0,933%           При этом, как следует из (48), величина младшего разряда АЦП составит 0.054оС, а среднеквадратическое значение погрешности на входе вычислителя с учетом (44) σвх = σ 2 датч + σ2 Δy 2 Δy 2 АЦП = датч 9 + АЦП 12 = 0.494o C . Пример 3. Оценить погрешность на входе МП в относительных единицах при измерении температуры термосопротивлением ТСМ8012 (см. пример 1), имеющим по паспортным данным относительную погрешность δ=0,1%. В качестве преобразователя применить компенсационный мост КСМ4 с погрешностью δ=0,25%. Для преобразования унифицированного сигнала в код использовать 16разрядный АЦП. Определить значения коэффициентов  и . Решение. 1. Определим относительную погрешность АЦП, принимая максимально возможную измеряемую величину за 100% δ АЦП = 100% = 0,0015% . 216 -1 2. Учитывая то, что погрешности термосопротивления и компенсационного моста подчиняются нормальному закону распределения, а погрешность АЦП – равномерному закону, вычислим среднеквадратичное значение погрешности на входе МП как σвх = 2 δ2 δ2тс δкпм + + АЦП = 0,0836% . 9 9 12 3. При этом коэффициенты  и  соответственно равны: χ= σ 2АЦП σ датч δ датч 0.933% = = = 0.47 , ρ = σ тз δтз 2% σ 2дат = 9δ2АЦП = 0,0014 . 12δ2дат 132 Представленные в примерах расчеты показывают, как оценивать погрешности в абсолютных и относительных единицах. При этом в формулу (44) необходимо ввести коэффициент пересчета k прс = Dпсп дат 2 N АЦП -1 , (49) величина которого будет зависеть от разрядности АЦП и от того, в каких единицах проведены расчеты. Например, при NАЦП=10 и диапазоне датчика представленном 100 %, Dпсп дат , 100(%) k прс = 10 = 0,0978 Если же диапазон датчика и все погрешности 2 -1 o рассчитываются в абсолютных величинах, то k прс = 50(10 C) = 0,0489 . 2 -1 Следовательно, формула (44) примет вид: 2 =  σ2 σвхi   датчi k 2 . АЦПi  прс + σ2 (50) Как было отмечено выше, помимо разрядности, важную роль при выборе АЦП играют его быстродействие и помехозащищенность. Быстродействие АЦП и его помехозащищенность связаны обратно пропорциональной зависимостью, т.е. чем выше помехозащищенность, тем больше потребуется времени на преобразование аналоговой величины в код. Так как для технологических процессов не требуется высокое быстродействие, то выбирают АЦП интегрирующего типа, имеющий высокую помехозащищенность и время преобразование порядка 100 мс. 2.4.3. Выбор микроконтроллера. Критерием выбора обычно является минимум длины разрядной сетки АЛУ микроконтроллера (МК) при обеспечении заданного быстродействия и минимальной стоимости. Из практики и технической литературы известно, что вычисления в МК должны выполняться с точностью, превышающей точность АЦП. Удовлетворить этому требованию можно, либо выбрав разрядность АЛУ большей разрядности, чем у АЦП, на величину d, т.е. (51) N АЛУ = NуАЦП + d либо выполняя расчеты на меньшей разрядности, но с удвоенной точностью. В последнем случае обязательна проверка по требуемому 133 быстродействию, при этом в последующем выражении перед слагаемым ТВЫЧ должна стоять цифра 2: (52)) Тцикла = Твыч + Тобм + ТАПД  Тц доп где Тцикла - время цикла, равное времени между опросом i-го датчика и выдачей информации по i-му каналу измерения; ТВЫЧ - время вычислений в цикле по принятым алгоритмам; ТОБМ - время обмена информацией при вычислениях между ОЗУ и ПЗУ; ТАПД - время прохождения информации через аппаратуру передачи данных в i-м канале измерения; Тц доп - допустимое время цикла между двумя соседними опросами датчика. Выбирая разрядность АЛУ МК в соответствии с выражением (51), необходимо так подбирать величину d, чтобы значение NАЛУ было кратно байту. В настоящее время рынок МК достаточно обширен, поэтому подобрать МК в соответствии с предложенным критерием несложно, однако затем необходимо оценить точность вычислений по принятым алгоритмам с учетом всех погрешностей, возникающих в МК (см. разд. 2.6 части 2). Известно, что длина разрядной сетки АЛУ определяется требуемой точностью вычислений. Чтобы определить какую погрешность в точность представления измеряемой переменной вносит вычислитель, необходимо знать алгоритмы первичной обработки аналоговой информации. 2.5. Алгоритмы первичной обработки информации В любой автоматизированной системе перед принятием решения должен быть выполнен анализ сигналов, поступивших по каналам связи от датчиков. Прежде всего, должна быть выполнена проверка этих сигналов на достоверность, чтобы выявить нарушения, как в канале передачи информации, так и в работе датчиков. Среди таких нарушений можно назвать случайную импульсную помеху, обрыв или короткое замыкание. К тому же датчики могут иметь статические ошибки, нелинейные характеристики или зашумленный выходной сигнал, что скажется на точности измерения. Для получения корректных значений результатов измерения применяют алгоритмы 134 первичной обработки такие, как масштабирование, пересчет в технические единицы, проверка на достоверность, сглаживание, проверка на технологические границы [59]. 2.5.1. Проверка на достоверность. Благодаря выполнению этого алгоритма, обнаруживаются и устраняются импульсные помехи, выявляется обрыв или короткое замыкание в канале связи и формируется сообщение о нарушениях оператору-технологу. В зависимости от того, меняется ли технологическая переменная во времени или остается постоянной, требования по проверке будут отличаться. Если переменная по ходу технологического процесса изменяется и известна допустимая скорость этого изменения, то проверку на достоверность осуществляют по условию: xik - xi(k-j) Tvi < VDi , (53) где i - номер датчика; k - номер отсчета; VDi - допустимая скорость изменения технологической переменной xi; Tvi – временной интервал проверки на достоверность по скорости изменения, связанный со временем опроса датчиков Tопрi соотношением: Tvi = jTопрi . (54) Величина j не должна быть меньше трех, поскольку заключение о недостоверности сигнала принимается после трех кратного нарушения условия (53). В случае постоянства технологической переменной xi должны быть известны верхняя XBi и нижняя XHi допустимые границы её отклонений, определяемые, обычно, из технологических инструкций и по условиям эксплуатации. Так, например, допустимые изменения температуры перегретого пара в парогенераторе составляют (460 – 550)оС при номинальном значении 540 оС [60]. Следовательно, выход единичного измерения или серии измерений за указанные границы должен рассматриваться как нарушение. Чтобы его обнаружить, необходимо выполнить проверку следующего неравенства: (55) XHi < xik < XBi . Проверка сигналов на достоверность заключается в следующем: если условия (53) или (55) не выполняются, то содержимое счетчика нарушений увеличивается на 1, неверное значение показаний датчика 135 заменяется последним достоверным, и проверяется следующее показание датчика с более мелким шагом опроса. Процедура проверки повторяется. Если трижды подряд не выполняются неравенства (53) или (55, то по знаку разностей (xik - xik(k-j)) или (xik XGi) принимается решение о нарушении связи в i-м канале (при отрицательном знаке) или неисправности датчика этого канала (при положительном знаке). Во второй скобке XGi - та граница, по которой не выполняется условие (55). После обнаружения ошибки фиксируется время нарушения, его причина и включается резервный канал или резервный датчик. 2.5.2. Сглаживание. Обычно по ходу технологических процессов возникают помехи с частотами, близкими или равными частотам полезного сигнала. Примером такой помехи могут быть погрешности измерения. Устранить их аппаратными фильтрами не удается, но можно ослабить, и весьма существенно, программным путем, реализуя алгоритм скользящего или экспоненциального сглаживания. Оценим каждый из них с точки зрения расхода памяти и быстродействия, а также покажем, как следует вычислять параметры сглаживания перед запуском этих программных модулей. Под быстродействием рассматриваемых алгоритмов будем понимать готовность каждого из них выдать 1-е значение сглаженного сигнала с заданным уровнем ослабления помехи i. Алгоритм скользящего среднего определится формулой: 1 Mi xcik =  xi(Мi +k-j) , M i j=1 (56) где Mi – параметр сглаживания, величина которого определяет количество отсчетов xij (j = 1,Mi ) , взятых для вычисления одного сглаженного значения xcik. Раскроем формулу (56) для частных значений k, а именно: xci1 = 1 (xi1 + xi2 + ...xi(Mi ) ) , Mi (57.а) xci2 = 1 (xi2 + xi3 + ...xi(Mi +1) ) , Mi (57.б) 136 xci3 = 1 (xi3 + xi4 + ...xi(Mi +2) ) Mi (57.г) и т.д. Принцип скользящего окна поясняется формулами (57.а) - (57.г), из которых следует, что для вычисления очередного сглаженного значения записанная в Mi ячейках памяти информация сдвигается влево, и в освободившуюся ячейку заносится новый отсчет датчика. После чего выполняются процедуры суммирования Mi отсчетов и умножения на коэффициент 1/Mi. Из анализа алгоритма (56) следует, что для его реализации потребуется Mi+2 ячейки памяти, а время готовности алгоритма выдать с заданной точностью 1-е сглаженное значение составит (58) t ск.ср. = MiTопрi . Величина параметра сглаживания Mi вычисляется по заданному значению коэффициента ослабления помех i, который, в свою очередь, представляет собой отношение: σ 2x (59) ηi = 2 i , σ xci где σ xi - дисперсия помех в отсчетах датчиков xik, σ xci - дисперсия помех в сглаженных, вычисленных в соответствии с алгоритмом (56) значениях xcik. Чтобы оценить величину Mi, представим каждую из переменных, входящих в выражения (56), (57) как: xik = mo xi + Δxik ,  (60)  xcik = mo xi + Δxcik  Подставляя (60) в (56) или (57) и вычитая из результата подобные уравнения, записанные относительно математических ожиданий, получим уравнения относительно абсолютных значений погрешностей, которые будут идентичны выражениям (56) и (57) соответственно, например: 1 Δxci1 = (Δxi1 + Δxi2 + ... + Δxi(Mi ) ) . Mi 2 2 137 Предполагая, что значения погрешностей в соседних точках не коррелированны и характеризуются дисперсией σ 2xi можно записать следующее уравнение сглаживания: σ 2xci = относительно дисперсии погрешности 1 ×(σ 2xi + σ 2xi + ... + σ 2xi ) 2 Mi Mi или σ 2 xci σ 2xi 1 2 = 2 (M i ×σ xi ) = . Mi Mi Следовательно, с учетом выражения (60) значение параметра сглаживания для i–го датчика Mi=i.. (61) 2.5.3. Экспоненциальное сглаживание. Для экспоненциального сглаживания алгоритм имеет вид: xcik = xci(k-1) + αi (xik - xci(k-1) ) (62) при начальном значении xci0=0 и диапазоне изменения параметра сглаживания: 0<i<1. Следует отметить, что в реальных условиях в результате вывода технологического процесса или технического объекта в установившийся режим работы становится известным желаемое значение контролируемой или регулируемой переменной, которое ранее было обозначено как mo xi . Именно эта величина и может быть использована в качестве начального значения xci0. Величина параметра  определяет длительность переходных процессов и качество сглаживания. Чем меньше , тем лучше сглаживание, но тем большее время потребуется для получения сглаженного значения xcik с заданным ослаблением помехи i. Поэтому, как и в предыдущем алгоритме сглаживания, возникает задача нахождения значения параметра сглаживания i и времени готовности алгоритма (62) вычислить 1-е сглаженное значение xcik с принятым коэффициентом ослабления помех i. 138 Для определения параметра сглаживания i перейдем в выражении (62) к дисперсиям погрешностей измерений, принимая те же допущения, что и для алгоритма (56), тогда σ 2xci = (1- αi )2 σ 2xci + α i2σ x2i . Откуда 1 αi , = ηi 2 - αi (63) или 2 (64) ηi + 1 Выражение (64) позволяет рассчитать параметр i для алгоритма экспоненциального сглаживания, если задан коэффициент ослабления помех i. Алгоритм (62) можно представить не в рекуррентной форме, а в виде суммы следующего вида: αi = xcik = αi [xik + 1-α i  xi(k-1) + 1-α i  xi(k-2) + 1-α i  xi(k-3) + ... + 1-α i  xi1 ] . 2 3 k-1 Считая, что погрешности измерения в каждом отсчете i–го датчика не коррелированны, приходим к аналогичному уравнению относительно дисперсий этих погрешностей, т.е. σ2xci = αi2{[1+ (1-αi )2 + (1-α i )2×2 + (1-α i )2×3 + ... + (1-α i )2×(k-1) ]σ x2i } Выражение в квадратных скобках можно записать как сумму a (1- qk ) убывающей геометрической прогрессии со Sk = 1 1- q знаменателем q = (1 - α i )2 Следовательно, σ 2xci = α i2 1- (1- α i )2k 2 1- (1- α i )2k 2 σ = α σ xi . x i 1- (1- α i )2 i 2 - αi (65) В результате на основании формул (63) и (65) получаем 1 1 - (1 - α i )2k = αi ηi 2 - αi (66) В выражении (66) член (1- α i )2k с ростом k стремится к нулю, приближаясь к (63). Задаваясь степенью приближения δ, можно вычислить значение k, которое будет определять количество 139 рекуррентных вычислений в алгоритме (62), и, следовательно, время получения первого сглаженного значения при заданном коэффициенте ослабления (59). На основании сказанного из равенства (1- α i )2k = δ находим  lnδ  , k i = E 0,5   ln(1- α i )  (67) откуда ясно, что первое сглаженное значение будет получено с заданной точностью в соответствии с алгоритмом (62) спустя время  lnδ  t экс.сгл = k i Tопрi = E   0, 5Tопрi .  ln(1 - α i )  (68) Как следует из (68), это время будет возрастать с увеличением точности вычислений δ. Достоинством алгоритма экспоненциального сглаживания, по сравнению со скользящим окном, является малый объем памяти, хотя он значительно дольше входит в установившийся режим. Выбор того или иного алгоритма зависит от конкретных требований к быстродействию и объему памяти, сформулированных в ТЗ на разработку системы. На рис. 29 приведены графики изменения сигналов, построенные с помощью пакета MatLab по результатам работы программ в соответствии с описанными выше алгоритмами. В качестве исходного массива данных по i-му каналу измерения был использован массив нормально распределенных чисел с заданными параметрами. На рис. 29.а представлен график этого массива, но с наложением в произвольных точках импульсных помех, обрыва и короткого замыкания. После отработки программы «Проверка на достоверность» был получен массив, представленный на рис. 29.b. Этот массив затем обрабатывался программами «Скользящее среднее» и «Экспоненциальное сглаживание». Задавая различные значения коэффициента ослабления i, рассчитав параметры сглаживания Mi и i можно было проверить работу предложенных алгоритмов. В частности, представленные на рис. 29.c и рис. 29.d графики соответствуют расчетным значениям =М=10 и =0,18. При этом величина k=17 при при заданной точности =0,001. 140 20 a) 10 0 Dispersiya:1045.0078 50 100 150 20 b) Signal v kanale izmereniya 200 250 300 350 400 450 500 Signal posle proverki 10 0 Dispersiya:0.89051; Korotkoe zamikanie na otschete:310; Obriv v kanale na otschete:397 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 20 Sglajivaniye skolzjashim srednim c) 10 0 Dispersiya:0.087716; Neksper:10.1522; Tckcp=10*Topr 50 100 150 200 250 300 350 400 20 Exponencialnoye sglajivaniye d) 450 500 450 500 10 0 Dispersiya:0.087969; Neksper:10.123; Tekssgl=17.2117*Topr 50 100 150 200 250 300 350 400 Рис. 29 Экспериментальное значение коэффициента ослабления , как подтвердило моделирование, получилось равным заданному с точностью (1.2-1.5)%. 2.5.4. Пересчет в технические единицы. Для представления оператору-технологу реальных значений технологических переменных существуют формулы пересчета, вид которых определяется типом датчиков. Если у датчика линейная градуировочная характеристика (см. рис. 30), как например, у датчиков уровня, давления, то пересчет осуществляется в соответствии со следующим выражением: xik = Xiмин + Xiмин - Xiмакс 2 N АЦПi -1 xik = Xiмин + k прсi xik , (69) в котором черточкой над переменной ( xik ) обозначен её цифровой код, индекс i относится к номеру канала измерения, индекс k – к номеру отсчета в этом канале. 141 xi ximax ximin xi 2NАЦП xi-k Рис. 30 При нелинейной характеристике, например, квадратичной пересчет выполняется по следующей формуле: 2 xik = Xiмин + 2 2 Xiмин - Xiмакс 2 N АЦПi -1 xik . (70) Подобной характеристикой обладают обычно датчики расхода. Для многих датчиков градуировочная характеристика предсталяется в виде степенного ряда n xik =  a j xikj , j4.. (71) j=0 Например, для датчиков температуры достаточно степень аппроксимирующего полинома j брать не более двух. 2.5.5. Проверка на технологические границы. Эта проверка является одним из основных элементов контроля хода ТП. Контроль производится путем сравнения текущего значения технологической переменной xik с заданными значениями верхней XBi и нижней XHi границ [56]. При нарушении этих границ программа выдает признак нарушения γ ik  1 , фиксирует время нарушения, сообщает операторутехнологу о нарушении и посылает все данные в архив. Чтобы предупредить повторные переключения признака ik, когда значение технологической переменной колеблется вблизи одной из 142 границ, вводится полоса гистерезиса i, равная, например, 5% от диапазона изменения этой переменной. В результате признак нарушения границы вырабатывается в соответствии с условиями: g ik = 1 при xik  XBi или xik  XH i ,   g ik = 0 при XHi + di g i(k-1)  xik  XBi - dig i(k-1)  (72) Подобная проверка предусмотрена и в SCADA-системе TRACE MODE. Но, помимо зоны гистерезиса, в TRACE MODE предусмотрена зона предупреждения по предаварийной ситуации. 2.6. Оценка погрешностей программных модулей ПСОИ Как было отмечено ранее, вычисления в микроконтроллере сопровождаются погрешностями, которые влияют на точность результата. Рассмотрим, как оцениваются эти погрешности, и каким образом их можно уменьшить. Среди погрешностей вычислений обычно различают три их вида: - погрешность инструментальная за счет ограниченной длины разрядной сетки; - погрешность метода за счет неточной аппроксимации градуировочной кривой или за счет приближенных значений интеграла и производной при использовании формул численного интегрирования и численного дифференцирования; - трансформированная погрешность, обусловленная преобразованием погрешностей во входных переменных с помощью алгоритма вычислений на его выход. Каждая процедура первичной обработки может быть реализована различными вариантами алгоритмов, отличающимися точностью выполнения операций, временем ее выполнения в МК, объемом занимаемой памяти и т.д. Основная задача при построении подсистемы первичной обработки заключается в определении рационального варианта алгоритма обработки и выбора аппаратуры с тем, чтобы обеспечить требуемую точность вычисления контролируемого параметра и время реакции системы на чрезвычайную ситуацию на объекте. 143 Вычислительная погрешность, влияющая на точность представления i-го контролируемого параметра на выходе подсистемы первичной обработки информации, определяется как 2 2 σкнтрi = σокрi + σ 2трфi , (73) 2 где σ окрi - дисперсия погрешности округления или, как её еще называют, инструментальной погрешности, σ 2трфi - дисперсия трансформированной погрешности. 2.6.1. Инструментальная погрешность. Величина разрядной сетки влияет на точность контролируемых и управляемых переменных, а также на стоимость микроконтроллера. Поэтому, как уже отмечалось, одним из критериев выбора МК является обеспечение заданной точности, по возможности, минимальной длиной разрядной сетки. Длина разрядной сетки непосредственно влияет на инструментальную погрешность или погрешность округления. Кроме того, на величину этой погрешности будет влиять количество последовательных округлений в алгоритме вычислений. Для примера оценим инструментальную погрешность при вычислении произведения двух чисел: П=а. В результате округления каждый множитель этого произведения представлен в МК целым числом квантов a и , т.е. a = PΔa, ε = NΔε . С учетом процедуры округления для каждого множителя a = a + βa , ε = ε + βε . и результата произведения П = П + βП = aε + aβε + εβa + βaβε + β П , где  ,  ,  П - погрешности округления соответственно множителей и результата их перемножения, имеющие дисперсии 2 2 2 2 σa = σε = σ П = σокр , получим следующее выражение для дисперсии погрешности округления произведения: 2 σ 2П = {a 2 + ε 2 }σокр . При вычислениях с фиксированной запятой, исходные данные должны быть масштабированы так, чтобы и множители и результат умножения были близки к единице, т.е. чтобы не было потери в точности вычисления. Тогда, если a, ε близки к единице, то 144 2 σ 2П  3σокр =3 Δ2АЛУ , 12 где АЛУ - величина младшего разряда операционного устройства. Из анализа полученных результатов можно сделать вывод, что суммарная погрешность округления в МК складывается из погрешностей операндов и погрешностей округления результата вычислений. Например, выражение x=ay-bz2 после процедур последовательных округлений, обозначенных черточками, будет иметь вид: x = a × y + b × z × z , при этом дисперсия погрешности округления результата 2 2 σ 2x = σa2 + σ 2y + σ 2П1 + σb2 + σ z2 + σ П2 2 + σ рез = 9σ окр . Следовательно, если таких округлений m , то 2 2 σокррез = mσокр . (74) 2.6.2. Трансформированная погрешность. Величина трансформированной погрешности зависит от используемых для сигналов i-го датчика алгоритмов первичной обработки информации и от вариантов их соединения. Дисперсия трансформированной погрешности при последовательной схеме соединения алгоритмов первичной обработки сигнала i-го датчика, показанной на рис. 31, после каждого из алгоритмов преобразования имеет вид: x вхi  (xвхi ) 1i x1i  (x 2i 1i ) x 2i x ... (k-1)i ki(x(k-1)i ) Рис. 31 σ 2 x1i  dj  x   =  1i вхi  σ 2xвхi ,  dxвхi  σ 2 x 2i  dj  x   =  2i 1i  σ 2x1i ,  dx1i  2 2 x =x ki выхi 145 ...............................  djki  x(k-1)i   2 .  σ =  dx(k-1)i  x(k-1)i   2 σ 2xki После взаимной подстановки трансформированной погрешности в виде σ 2xki = σ 2xтрфi  dj  x   =  1i вхi   dxвхi  2 получим дисперсию  djji  x(j-1)i   2  σ   dx(j-1)i  xвхi j=2   2 k (75) Если задан сложный алгоритм преобразования от нескольких переменных в виде, показанном на рис. 32, то при отсутствии взаимной корреляции переменных xji (j = 1,k)  j  x ji   2 σ =   x ji  x ji j=1   2 σ k 2 трфi x1i x2i xki (x) хвыхода … хвыхода=(x) Рис. 32 Пример 4. Для получения контролируемой величины используются два алгоритма первичной обработки: экспоненциальное сглаживание и линейное масштабирование, работающих последовательно. Необходимо оценить трансформированную погрешность при известной дисперсии погрешности входной переменной σ 2xвхi . Для алгоритма экспоненциального сглаживания дисперсия трансформированной погрешности с учетом выражения (63) 146 σ 2трфсглi = σ 2xci = 1 2 α σ xвхi = i σ 2xвхi , ηi 2 - αi для линейного масштабирования на основании (69) σ 2трфлмi = k 2лмi σ 2трфсглi . В результате дисперсия трансформированной погрешности в вычислении i-ой контролируемой величины с использованием двух алгоритмов первичной обработки αi 2 σx . 2 - α i вхi αi не будет превышать σ 2xвхi , если произведение k 2лмi будет меньше 2 - αi σ 2трфлмi = k 2лмi σ 2трфсглi = k 2лмi единицы. Пример .5. Оценить трансформированную погрешность на выходе цепи алгоритмов первичной обработки в i-м канале измерения, представленной на рис. 33. вхi 1 1i 2 2i 3 3i 4 выхi Рис. 33 Представленная на рис. 33 цепь состоит из алгоритмов первичной обработки, описанных в разд. 2.5 части 2: 1) проверка на достоверность; 2) сглаживание, например, скользящее среднее; 3) пересчет в технические единицы для датчиков с линейными шкалами; 4) проверка на технологические границы. 2 Если σ ВХ – дисперсия аппаратной погрешности на входе МК, i вычисляемая в соответствии с (50), то согласно методике, изложенной в разд. 2.6 части 2, получим следующую систему уравнений относительно трансформированных погрешностей: 147   1 2  2 σ2 = σ1 ,  i ηi i  (76)  2 2 2  σ3 = k σ2 , i i  лм i  σ 42 = σ 32 .  i i  В результате исключения путем взаимной подстановки в (76) промежуточных величин приходим к выражению трансформированной погрешности для заданной цепи алгоритмов в виде 2 σ12 = σ вх , i σ i 2 трфi k 2лмi 2 = σ вхi . ηi 2 После вычисления в соответствии с (73) σ кнтрi необходимо убедиться в том, что погрешность получения контролируемой величины не больше допустимой, в противном случае необходимо либо выбирать более точные датчики, либо увеличивать длину разрядной сетки, либо упрощать алгоритмы преобразования. Иногда требования к точности настолько жесткие, что приходится использовать комбинацию указанных способов уменьшения погрешности. 2.7. Ввод и первичная обработка дискретных сигналов Известны [57] три вида дискретных сигналов: 1. Двухпозиционные – сигналы, которые отражают положение контактов переключателя. Они служат для получения информации об агрегатах и механизмах по принципу «включено-выключено». Эти сигналы используются для переключения режимов работы оборудования, а также для контроля схем релейной защиты; 2. Инициативные – сигналы от датчиков, вызывающие прерывание программы. От двухпозиционных сигналов они отличаются временной характеристикой: крутой передний фронт, малая длительность и необходимость быстрой реакции на сигнал такого датчика. Инициативные сигналы должны поступать в контроллер прерываний. 148 3. Числоимпульсные – сигналы от счетчиков электроэнергии, от дозаторов различных материалов, от интеграторов-расходомеров. Каждое изменение дискретного сигнала должно быть передано для дальнейшей обработки в МК. Дискретный сигнал, характеризующий состояние позиционного объекта контроля, отражает либо положение контактов переключателя, либо уровень напряжения. В первом случае для преобразования положения контактов переключателя в уровень напряжения с целью передачи их состояния в МК последовательно с контактами включается источник напряжения и резистор ограничения тока [61]. Чтобы предотвратить разрыв в цепи, параллельно контактам датчика подключается еще один дополнительный резистор. Сигнал позиционного датчика поступает в пороговое устройство, параметры выходного сигнала которого должны соответствовать логическим сигналам МК. Для фильтрации помех в линии связи и исключения "дребезга" механических контактов на входе пороговой схемы ставится RC-фильтр с постоянной времени Тф=2-3 мс. Каждый двухпозиционный сигнал изменяет состояние одного бита дискретного входа МК. Сбор информации о состоянии дискретных датчиков осуществляется периодическим опросом порта ввода дискретных сигналов, для чего в команде опроса должен быть указан адрес этого порта. Для выяснения состояния бита, связанного с конкретным датчиком, можно использовать команды логического умножения или сдвига искомого бита в знаковый разряд слова. Информация о текущем состоянии дискретного 2-х позиционного датчика обычно предназначена для обеспечения различных логических условий в алгоритмах контроля и управления, для отображения на экране дисплея информации о состоянии агрегатов и механизмов. Типовые операции обработки 2-х позиционных сигналов заключаются в получении признаков переключения технологических агрегатов и их режимов, вычислении времени работы оборудования в различных режимах или его простоя, расчете коэффициентов использования оборудования. К дискретным сигналам, как уже было сказано, относятся инициативные сигналы, вызывающие прерывание рабочей программы МК и переход к программе, обслуживающей это прерывание. Устройство ввода инициативных сигналов имеет блок контроля 149 изменения состояния входных сигналов, который выдает сигнал готовности при появлении перепада в любом разряде входного регистра из "1" в "0" или наоборот. Когда этот сигнал поступает в контроллер прерывания, анализируется причина прерывания и запускается программа его обработки. С помощью число-импульсных датчиков вводится информация от счетчиков электроэнергии, интеграторов-расходомеров, дозаторов других источников импульсных сигналов. Устройство ввода числоимпульсных сигналов - это двоичный счетчик, содержимое которого прочитывается периодически с постоянной частотой либо по прерыванию от сигнала "переполнение", который вырабатывается при заполнении определенной части счетчика. Среди модулей ввода дискретных сигналов можно назвать, например, устройства фирмы Advantech такие, как ADAM-4051, ADAM-4053. ADAM-4051 – модуль цифрового ввода на 16 каналов с индикацией и входным напряжением до 50 В постоянного тока. ADAM-4053 – модуль цифрового ввода также на 16 каналов с входным напряжением до 30 В. 150 3. ПОДСИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ 3.1. Общие сведения Независимо от особенностей конкретного технологического процесса проектирование управляющей подсистемы следует начинать с установления целей управления технологическим процессом (ТП), критериев оценки эффективности работы АСУ, перечня управляющих функций и потребности в информационном обеспечении для формирования управляющих воздействий. Глобальные цели управления и критерии оценки обычно следуют из анализа конкретного технологического процесса и должны быть оговорены в техническом задании на проектирование АСУ. На основе этих показателей проектировщик путем детального анализа отдельных технологических операций в составе ТП должен определиться с локальными целями и критериями оценки выполнения технологических операций или управления отдельными технологическими параметрами. При этом следует классифицировать все имеющиеся управляющие входы АСУ по характеру управления: - управление локальными системами по уставкам; - прямое цифровое управление; - логическое двухпозиционное или кодовое управление. Наличие группы параметров, управляемых по уставкам, зависит от оснащенности технологического процесса средствами локальной автоматики. Если по какому-либо параметру управление осуществляется локальной автоматической системой, то в задачи АСУ по этому параметру входит только программное изменение уставки и организация логического управления. В этом случае закон управления, обеспечивающий требуемую динамику по данному параметру, реализуется локальной системой и, в большинстве случаев, не требует иного вмешательства со стороны управляющей подсистемы АСУ, кроме логического управления, позволяющего изменить величину уставки, расчет которой обычно выполняется на основе уравнения материального или теплового баланса [62]. 151 При управлении параметрами ТП в режиме прямого цифрового управления необходимо получить соотношение между управляющим воздействием и текущими параметрами, на основе которых это управление формируется. Выбор алгоритма управления и расчет параметров настройки будет зависеть от вида модели объекта управления, заданной в ТЗ или полученной в результате идентификации его разгонной характеристики. 3.2. Структура локальной системы управления На рис. 34 представлена замкнутая локальная система нижнего уровня иерархической структуры управления производством (рис. 2). СП РО Управляющий сигнал ТП Д Сигнал датчика УУ Задание Рис. 34 На этом рисунке введены следующие обозначения: СП сервопривод, РО - регулирующий орган, Д - датчик регулируемой переменной, ТП - технологический процесс, УУ - управляющее устройство, вырабатывающее сигнал управления в соответствии с заданным или выбранным алгоритмом. Многие из ТП, например, процессы нагрева, сушки, абсорбции и т.п., описываются передаточными функциями вида Wоу (p) = K оу Tоуp + 1 e -pτоу . (77) Параметры передаточной функции (77) такие, как коэффициент передачи объекта управления КОУ, постоянная времени ТОУ и величина транспортного запаздывания ОУ в большинстве случаев определяются известными методами идентификации на основе экспериментальных данных [62]. 152 Входным управляющим воздействием указанных выше объектов является расход того или иного вида топлива, вещества, сырья или их компонент, которые подаются на объект через регулирующие органы РО (клапаны, заслонки) с помощью исполнительных механизмов. Последние обычно имеют встроенные редукторы и датчики обратной связи для слежения за отработкой заданного угла открытия РО. Однооборотный или многооборотный исполнительный механизм с включенной обратной связью образуют сервопривод, поведение которого можно описать инерционным звеном первого порядка: Wсп (p) = K сп . Tспp + 1 (78) Для измерения регулируемой переменной используют датчики, состоящие из чувствительного (измерительного) элемента и преобразователя измеряемой величины в ток, напряжение и т.п. В отдельных случаях, например, при погружении в агрессивные среды датчики армируют защитной оболочкой, что сказывается на их инерционности. Поэтому, помимо указанных передаточных функций, необходимо учитывать и передаточную функцию датчика регулируемой величины в виде Wдат (p) = K дат . Tдатp + 1 (79) Если выполняется неравенство ТДАТ, ТСП<<ТОУ, то можно использовать эквивалентное инерционное звено с постоянной времени Т=ТДАТ+ТСП. При этом передаточная функция разомкнутого контура системы регулирования (рис. 34) будет иметь вид: W(p) = Wyy (p) Kо -pτ e оу (Tоуp + 1)(Tμp + 1) (80) при КО=КОУКСПКДАТ, Т<ОУ<ТОУ или ОУ<Т<<ТОУ, вид передаточной функции WУУ(p) определяется алгоритмом работы управляющего устройства УУ. Современные производственные системы широко используют программные методы управления технологическими объектами с применением развитой сети контроллеров и ПК. В частности, в системах локальной автоматики применение контроллеров для целей 153 стабилизации дает возможность управления различной сложности. использования алгоритмов 3.3. Алгоритмы формирования управляющих воздействий 3.3.1. ПИД закон управления. Расчет параметров с использованием современных программных пакетов. Среди линейных алгоритмов наибольшее распространение получили пропорционально-интегрально-дифференциальные (ПИД) законы управления: t  1 dε(t)  u(t) = K рег  ε(t) +  ε(t)dt + Tд , Tи 0 dt   (81) где КРЕГ, ТИ, ТД - параметры настройки. Отметим, что известные методы их определения [63, 64] громоздки, а системы, использующие полученные этими методами параметры настройки, обладают существенным перерегулированием, что отрицательно сказывается на экономических показателях. Кроме того, указанные источники не содержат рекомендаций по расчету параметров настройки для объектов с транспортным запаздыванием (77). Пользуясь критерием Найквиста, в частности, желаемым запасом по фазе ср, можно предложить следующую методику определения параметров настройки алгоритма (81): 1. Записать выражение для фазовой характеристики разомкнутой системы (ω) ; 2. Приравнять полученное выражение к желаемому запасу по фазе на частоте среза (ср)=ср и определить значение ср, положив предварительно ТИ=ТОУ, ТД=ОУ; 3. Подставив вычисленное значение ср в выражение для модуля комплексного коэффициента передачи разомкнутой системы A(ωср ) = W(p)p=jωср , определить коэффициент настройки КРЕГ; 4. Регулируя величину запаса устойчивости по фазе ср, можно величиной КРЕГ изменять качество переходного процесса. Как показано ниже в примере 6, система с параметрами настройки, вычисленными по предложенной методике, является робастно 154 устойчивой. Учитывая, что передаточная функция разомкнутого контура представленной на рис. 34 системы с учетом (81) и Wyy (p) = K рег (1 + 1 + Tдp) Tиp имеет вид: W(p) = K рег K o (TиTдp 2 + Tиp + 1) Tиp(Toyp + 1)(Tμp + 1) e -pτoy , (82) запишем выражения для амплитудно-частотной А() и фазочастотной () характеристик [65]: A(ω) = K рег K o Tи2ω 2 + (1 - TиTдω 2 )2 Tиω (Toy2 ω 2 + 1)(Tμ2ω 2 + 1) , (83) π j(ω) = - - ωτ oy - arctg(ω × Toy ) - arctg(ωTμ ) + 2 Tиω +arctg (1- TиTдω 2 ) (84) Используя выражения (83) и (84), решим поставленную задачу. Определив значения постоянные времени регулятора как ТИ=ТОУ, ТД=ОУ, (85) запишем выражение (84) для частоты среза ср в виде π j(ωcp ) = - - ωcp τ oy - arctg(ωcpToy ) 2 Toyωcp +arctg = -π + γ cp 2 (1- Toy τ oyωcp ) (86) Представив уравнение (86) как -arctg(ωcpToy ) - arctg(ωcpTμ ) + arctg =или π + γ cp + ωcp τ oy 2 Toyωcp 2 (1- Toy τ oyωcp ) = (86.а) 155 arctg 3 -ωcpTμ + ωcp (Toy2 τ oy + τ oy Toy Tμ - TμToy2 ) 2 4 1 + (Toy2 - Toy τ oy )ωcp + Toy2 τ oy Tμωcp =- = π + γ cp + ωcp τ oy , 2 (86.б) найдем его решение графическим способом, задавая значение ср и используя программный пакет MatLab. Решение приведено на рис. 35.  0.2 2 0.15 0.1 0.05 0.0 -0.05 1 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 1  2 3 4 5 6 7 8 9 10  *10 Рис. 35 Координата точки пересечения двух кривых (первой кривой – для левой части уравнения (86.б), второй – для его правой части) по оси абсцисс даст значение частоты среза ср, на которой запас по фазе равен заданному. Поскольку на частоте среза амплитудно-частотная характеристика А(ср) равна единице, то из выражения (83) после подстановки в него значений (85) и ср можно найти величину коэффициента КРЕГ. K рег = Toyωcp 2 2 (Toy2 ωcp + 1)(Tμ2ωcp + 1) Ko 2 2 2 Toy2 ωcp + (1 - Toy τ oyωcp ) . (87) 156 Итак, формулы (85), (86) и (87) позволяют рассчитать параметры настройки КРЕГ, ТИ, ТД алгоритма (81), обеспечивающие апериодический переходный процесс в системе управления, построенной для объекта с транспортным запаздыванием [65]. Пример 6. Рассчитать параметры закона (81) для системы управления со следующими коэффициентами заданной части: ТОУ=600 с, ОУ=50 с, КО=2, ТДАТ=60 с, ТСП=30 с, обеспечив апериодический переходный процесс c минимальным перерегулированием (не более 5%) и длительностью tр, отвечающей условию: ТОУtP3ТОУ. (88) Указанные требования связаны с тем, что для большинства технологических процессов обычно не предъявляются жесткие требования к быстродействию, т.к. выход на режим определяется технологией самого процесса. А переходный процесс с перерегулированием не более 5%, названный в литературе [66] технически оптимальным, обеспечит экономный расход энергии. Решение. Постоянная времени эквивалентного инерционного звена Т=ТДАТ+ТСП=90 с. Принимаем запас по фазе ср=75=/2,4 и, используя пакет MatLab, из графического решения уравнения (86.б) получаем значение частоты ср, равное 0?0027с1. После чего по уравнению (87) для полученной величины ср вычисляем значение параметра настройки КРЕГ=0,8835. Моделирование рассматриваемой системы в среде SIMULINK пакета MatLab подтвердило возможность получения апериодического переходного процесса (см. рис. 36) заданной длительности (88) с минимальным перерегулированием для САУ, использующей в управляющем устройстве ПИД закон управления (81), значения параметров настройки которого рассчитаны по предложенной методике. Поскольку значения параметров модели заданной части системы могут отличаться от истинных в силу различного рода погрешностей, например, погрешностей измерения или неточностей аппроксимации характеристик объекта в процессе идентификации, то возникает неопределенность [67]. Следовательно, точные значения параметров заданной части системы остаются неизвестными. Однако можно указать интервалы, в которых они должны находиться, т.е. 157 KiminKiKimax,, TiminTiTimax. h(t) 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 500 1000 1500 2000 2500 t, c Рис. 36 Для исследования линейных систем с интервальными параметрами вводят понятие робастной устойчивости, оценку которой выполняют, пользуясь критерием Харитонова [67]. Из-за наличия в объекте транспортного запаздывания применить этот критерий к рассматриваемой системе не представляется возможным. Поэтому, по аналогии с указанным критерием, предлагается исследовать робастную устойчивость путем моделирования этой системы с передаточными функциями заданной части, имеющими коэффициенты, равными граничным значениям интервальных параметров W(p) = Wрег (p) [K o , K o ] ([Toy , Toy ]p + 1)([Tμ , Tμ ]p + 1) e -p[τ oy ,τ oy ] .(89) Границы интервалов задают как Ci = Ci min = (1 - δi )Ci ,    Ci = Ci max = (1 + δi )Ci ,   (90) 158 где Ci – значение параметраC, полученное в результате идентификации объекта, i – относительное значение погрешности, равное, например, 0,2 при ± 20-и процентном интервале. При этом получатся четыре передаточные функции следующего вида:  Ko -p τ e oy ,  (Toy p + 1)(Tμp + 1)   Ko -p τ W2 (p) = Wрег (p) e oy ,   (Toy p + 1)(Tμp + 1)   -p τ oy Ko W3 (p) = Wрег (p) e ,  (Toy p + 1)(Tμp + 1)   Ko -p τ W4 (p) = Wрег (p) e oy .  (Toy p + 1)(Tμp + 1)  W1 (p) = Wрег (p) (91) На рис. 37 представлены графики переходных процессов для замкнутой системы с передаточными функциями (99). Номер графика соответствует номеру передаточной функции. Нулем обозначена кривая, соответствующая исходным параметрам (см. рис. 36). Результаты моделирования показали, что САУ, использующая ПИД закон управления со значениями коэффициентов настройки, рассчитанными по предложенной методике, даже при 20-и процентном разбросе параметров объекта является робастно устойчивой и обеспечивает приемлемое качество переходного процесса [65]. Следует отметить, что по предложенной методике могут быть рассчитаны параметры любых линейных регуляторов. 3.3.2. Модальное управление. Управляющее воздействие u=g-kTx=g=k1x1-k2x2-…-knxn (92) будет называться модальным, если коэффициенты ki, i=1,2,…n выбраны по заданным исходя из степени устойчивости  корням характеристического полинома замкнутой системы [67, 68]. Как видим, реализация в микроконтроллере такого управления не вызывает особых трудностей, если все переменные состояния x={x1,x2,…,xn} доступны измерению и объект является полностью управляемым. 159 h(t) 1.4 1.2 3 1 2 1 0.8 0.6 0.4 4 0.2 500 1000 1500 2000 t, c 2500 Рис. 37 Например, управление исполнительным устройством – мотором, работающим с переменной частотой вращения, может осуществляться по трем переменным состояния: углу поворота, частоте вращения и току якоря, поскольку все указанные переменные могут быть измерены с помощью соответствующих датчиков. 3.3.3. Алгоритм нечеткого регулирования. Нечеткие логические регуляторы (НЛР) используются при управлении объектами, для которых либо сложно получить математическую модель, либо объект содержит существенно нелинейные характеристики [69]. Часто нечеткий регулятор используют для управления объектом, параметры которого имеют качественное описание. Для формирования в НЛР управляющего воздействия необходимо осуществить следующие действия [70]: 1. Получить величину отклонения (рассогласования)  истинного значения регулируемой координаты y от требуемого g; 2. Преобразовать значения отклонения к нечеткому виду: «большое», «среднее», «малое»; 160 3. Оценить приращения управления по заранее сформулированным нечетким правилам принятия решения4 4. Вычислить значение кода управления, необходимого для регулирования процесса. Значение управляющего воздействия u на i–м шаге формируется в соответствии с алгоритмом dui = k gdugi + k mdumi + k sdusi  , ui = u i-1 + dui  (93) в котором kg, km, ks - коэффициенты принадлежности рассогласования  к категориям «большое», «среднее» и «малое» соответственно; dugi, dumi, dusi - приращение управления по условию «большое», «среднее» и «малое» отклонение соответственно. Каждое из указанных приращений рассчитывается по следующей формуле: dui=Ksign(g-y), (94) где  - признак категории рассогласования g, m или s. Коэффициенты K подбираются в результате экспертных оценок. Наличие в выражении (93) накопления приращений равнозначно введению в закон управления астатического звена (интегратора), что позволяет и в нечетком регуляторе теоретически обеспечивать нулевую статическую ошибку. 3.3.4. Адаптивное управление. При изменениях параметров ТП в широких пределах классические системы регулирования, построенные с использованием обычных ПИД-регуляторов, не могут обеспечивать высокие требования к качеству процесса управления, а в некоторых случаях – вообще устойчивое регулирование их режимов [69]. Качественное регулирование такого объекта можно обеспечить, например, применением адаптивной системы управления с эталонной моделью, которая задает желаемую траекторию движения реального объекта. В этом случае система должна включать как контур управления, так и контур, обеспечивающий подстройку параметров регулятора таким образом, чтобы минимизировать рассогласование между выходом эталонной модели и выходом управляемого процесса (рис. 38). Закон адаптации должен обеспечивать асимптотическую устойчивость и минимальное время сходимости переходного процесса 161 в системе к реакции эталонной модели. Указанные требования можно удовлетворить, если для формирования закона адаптации uД использовать второй метод Ляпунова [71]. Контур эталонной модели .y эм Закон адаптации g + uд . Регулятор - Объект управления .у Рис. 38 Процедура разработки закона адаптации заключается в следующем. 1. По параметрам нестационарной модели ОУ подбирается эталонная модель с желаемыми показателями переходного процесса системы управления. 2. Записывается уравнение системы с эталонной моделью относительно ошибки адаптации. 3. Выбирается функция Ляпунова и записывается условие отрицательности ее производной. 4. На основании п. 3 записывается выражение для дополнительного управления uД. 5. Определяется уравнение линии переключения. 6. Рассчитываются коэффициенты, и получается аналитическая запись закона управления, подлежащего реализации. В результате выполнения перечисленных процедур аналитическая запись закона управления может выглядеть аналогично выражению, полученному в частном примере [19]: u д = (g x2 x2 + g x3 x3 + qε1 ε1 + qε2 ε 2 + +qε3 ε 3 )sign(b1ε1 + b2ε 2 + b3ε 3 ) , (95) где  - рассогласование между выходом эталонной модели и выходом управляемого процесса. 162 3.3.5. Релейное управление. Релейное управление является наиболее простым в реализации и экономичным в эксплуатации способом управления: сигнал рассогласования подается на исполнительную часть системы прерывно, причем возможны только три значения управляющего воздействия: максимальное положительное, максимальное отрицательное и нулевое (рис. 39). U а) U б) Uм Uм -Iср -Iср в) Iср -Uм I U Uм -Iотп 0 Iотп Iср -Uм I I -Uм Рис. 39 Релейные системы по самому принципу своему являются нелинейными, поскольку моменты времени, в которые происходит замыкание и размыкание системы, заранее неизвестны; они не задаются извне, а определяются внутренними свойствами самой системы (ее структурой и величинами ее параметров). К тому же их поведение, в отличие от линейных систем, зависит от начальных условий. Этим обуславливаются и основные специфические особенности динамики процессов регулирования в релейных системах. В отличие от линейных, в них может возникать режим устойчивых автоколебаний. Представленные на рис. 39 статические характеристики определяют работу мотора (исполнительного устройства системы) с напряжением питания UM. Если токи срабатывания IСР и отпускания IОТП реле не совпадают (рис. 39.б), то появляется петля гистерезиса, которая способствует возникновению режима автоколебаний. Для их устранения вводят дополнительную обратную связь по частоте вращения мотора. Убрать статическую ошибку, обусловленную зоной нечувствительности реле, можно только обеспечив идеальную релейную характеристику (рис. 39.в). Очевидно, осуществить это возможно, реализовав релейное управление на микроконтроллере. 163 3.4. Алгоритмическая структура локальной системы с цифровым устройством управления В результате анализа процессов контроля и управления для одномерного объекта можно представить алгоритмическую структуру, отражающую последовательность процедур от момента опроса датчика до момента выдачи управляющего сигнала на сервопривод в виде, показанном на рис 40. Выработка задания для нижнего уровня g Мвв Преобразование в АЦП Процедура аппаратной фильтрации Aлгоритмы первичной обработки информации yci Bыработка кода ошибки рассогласования Проверка величины кода ошибки  T0 T0  i <=  доп Процедура нормализации Код управления не изменяется: ui = ui -1 yt Мвыв t ОУ Вычисление кода приращения управления да Таймер Датчик выходной величины нет РО . Формирование кода управления в соответствии с принятым законом Выдача кода управления в ЦАП, преобразование в напряжение ИМ УМ ДУП Сервопривод Рис. 40 164 На рис. 40 к технической структуре заданной части системы, состоящей из сервопривода (исполнительного механизма ИМ, усилителя мощности УМ, датчика угла поворота ДУП), регулирующего органа РО и датчика выходной координаты объекта управления ОУ yt, подключены модули алгоритмической структуры. В модуле ввода Мвв, например, ADAM-4011 решаются такие задачи, как смещение уровня сигнала датчика с помощью нормализатора в заданный диапазон измерения, устранение радиопомех и помех промышленной частоты с помощью аппаратных RC-фильтров. В контроллере реализуются алгоритмы первичной обработки: проверка на достоверность, сглаживание и т.п., а также один из упомянутых алгоритмов управления. Одновременно проверяется точность регулирования i=gyci-1 и если она находится в допустимой зоне ДОП, то код управления ui не обновляется. Опрос датчика и выдача кода управления выполняются по прерыванию от таймера с шагом дискретности T0. 3.5. Характеристики многорежимных технологических процессов В многорежимных технологических процессах (ТП) может быть несколько целей управления, реализация которых производится в зависимости от выбранного режима работы технологического оборудования. При этом выбор соответствующего режима его работы может производиться по времени, по изменению состояния каких-либо датчиков оборудования либо по достижению требуемого состояния в ходе ТП. Помимо управления в номинальном режиме, необходимо предусмотреть контроль на предаварийную ситуацию и управление по предотвращению аварии. Все перечисленное рекомендуется представить в виде табл. 6 [58]. Для дискретных управляемых параметров вместо закона управления в табл. 6 заносится набор признаков и их значения, определяющие выбор того или иного режима работы оборудования. Кроме того, для каждого признака должно быть сделано заключение относительно условий его формирования (инициативный - от срабатывания датчиков ТП или оборудования; пассивный - 165 периодический опрос датчиков состояния ТП и оборудования; программный - на основе вычисления некоторых показателей ТП или анализа сложившейся ситуации в его ходе). Таблица 6 Характеристики многорежимных ТП Режим пуска Релейное Сокращение времени выхода на номинальный режим Оптимальное быстродействие По расчетным значениям интервалов переключения Признак окончания режима пуска должен выдаваться при достижении заданной трубки по выходному Температура обмоток двигателя Двухпозиционное Аварийное выключение Логическое Предотвращение взрыва Надежность выполнениz Надежность выполнениz Отключение силового питания двигателя Прекращение подачи топлив По срабатыванию аварийных датчиков технологического агрегата (перечень) Датчики исправности оборудования При срабатывании датчика Режим должен быть определен с момента включения технологического оборудования Пламя горелки Датчик наличия пламени Опрос датчика каждые 2с Контролируемый технологический параметр либо Тип управления Цель управления Критерий эффективности управления Связь управления с контролируемым параметром Интервал выдачи управляющих воздействий Информационное обеспечение (перечень исходных данных) Примечание Для аналоговых управляющих сигналов, наряду с законом управления, также необходимо указать совокупность признаков, по которым реализуется тот или иной закон управления. В графе 166 “Примечание” целесообразно указывать особенности используемых режимов и условия их возникновения, которые необходимо учесть при разработке логической структуры подсистемы управления. Данные табл. 6 позволяют построить алгоритмическую структуру подсистемы управления АСУ, которая отражает все возможные режимы функционирования АСУ и условия перехода на каждый конкретный режим в зависимости от значений признаков хода ТП и состояния технологического и вспомогательного оборудования. Результатом проведенного анализа ОУ должна быть алгоритмическая структура управляющей подсистемы разрабатываемой АСУ (см. разд. 1.5 части 2). На следующем этапе проектирования управляющей подсистемы АСУ производится детализация управляющих функций, возлагаемых на подсистему, включая подготовительные и вспомогательные по процессу и оборудованию. Одновременно с детализацией функций выясняется необходимость установки дополнительных датчиков ТП и состояния оборудования, позволяющих реализовать требуемую циклограмму функционирования АСУ в любом из режимов. Следующей задачей, решаемой на этапе проектирования управляющей подсистемы АСУ, является построение циклограммы её работы, определяющей временную организацию выполнения алгоритмов управления ТП. На этом этапе устанавливаются все необходимые временные соотношения между появлениями и выдачей отдельных служебных и управляющих сигналов. Организуются во времени необходимые частные циклы работы, определяется главный цикл функционирования управляющей подсистемы АСУ, включающий в себя все частные циклы, формируются необходимые временные задержки в появлении служебных и управляющих сигналов, производится синхронизация работы отдельных каналов управляющей подсистемы АСУ. Итогом выполнения данного этапа проектирования является циклограмма работы управляющей подсистемы АСУ. Полученные в циклограмме временные соотношения рекомендуется перенести на алгоритмическую структуру. При этом становится ясно, сколько времени система функционирует в том или ином режиме, как часто выдаются управляющие воздействия по определенным каналам и т.п. 167 3.6. Погрешности вычисления управляющих воздействий. Выбор микроконтроллера для целей управления В распределенных иерархических системах управления особая роль отводится локальным системам (рис. 34), предназначенным для контроля и управления различными объектами по конкретным параметрам, а также для передачи информации верхнему уровню управления с целью анализа, архивирования данных и расчета заданий ЛСУ. От точности и четкости работы локальных систем контроля и управления зависит эффективность работы распределенной АСУТП, поэтому реализация их управляющей части осуществляется на высокопроизводительных микроконтроллерах, что зачастую ведет к неоправданному увеличению стоимости системы. Точность представления сигналов на аналоговых управляющих выходах зависит от выбранных для реализации АСУ технических средств. Критерием выбора обычно является минимум длины разрядной сетки АЛУ микроконтроллера (МК) при обеспечении заданного быстродействия и минимальной стоимости. Однако для обоснованного выбора разрядности микроконтроллера, ЦАП и, следовательно, выбора технических средств необходимо провести оценку погрешности вычисления управляющего воздействия, связанной с квантованием сигналов по уровню и времени, с целью определения компромисса между интервалом выдачи управляющих воздействий tи точностью представления аналогового управляющего сигнала двоичным кодом. Погрешность формирования кода управляющего воздействия ui складывается из погрешностей метода, округления, трансформированной и вычисляется как среднеквадратичная, т.е. 2 2 2 σu  σмет + σокр + σ трансф . (96) Величина ошибки u не должна превышать допустимого значения uдоп, которое зависит от требований технического задания по точности регулирования [72]: σ u  σ uдоп = βσ yТЗ К0 = β ΔyТЗ , К0 3 (97) 168 где σ yТЗ = Δ yТЗ 3 – среднеквадратическое значение заданной в ТЗ точности регулирования для регулируемой координаты y(t), β – коэффициент, определяющий долю заданной погрешности, отводимую на вычисления (согласно критерию пренебрежимых погрешностей β≤0,3), K0 – коэффициент передачи исполнительных устройств, объекта управления и датчика. Следует заметить, что выражение (91) справедливо при K0>1. В общем случае алгоритм управления по отклонениям представляет собой функционал вида: ui=F(ui-k,i-k+1), k=1,2,…,, (98) где F(…) - некоторая функция своих аргументов; ui-k - предыдущие значения управления; i-k+1 - значения ошибки рассогласования (t)=g=y(t) при t=(i-k+1)T0; T0 - интервал квантования по времени, i=1,2,… - номер текущего отсчета. Величина ν определяется порядком формул численного интегрирования и численного дифференцирования. Например, при использовании формулы численного интегрирования нулевого порядка (формулы прямоугольников) функционал (98) для интегрального (И) закона управления будет иметь вид: T  T  ui = u i-1 +  0  ε i или ui = ui-1 +  0  εi-1 .  Tu   Tu  С использованием формулы трапеций (формулы численного интегрирования первого порядка) для того же закона управления получаем: T ui = ui-1 + 0 (ε i + ε i-1 ) . 2Tu При наличии в законе управления дифференциальной составляющей вычисление первой производной в численном виде выполняется с помощью ряда [73] 1  1 2 1 3  (99.а) εi = Δεi + Δ ε i + Δ ε i + ... , Т0  2 3  второй производной – в соответствии с выражением 1  11  (99б) ε i = 2 Δ2ε i + Δ 3ε i + Δ4ε i ... , Т0  12  169 где =i-i-1, 2i=i-2i-1-i-1, и т.д., причем от количества членов ряда (99) зависит величина методической погрешности определения производной. В системах управления с медленно изменяющимися переменными достаточно брать два первых слагаемых ряда (99.а) и одно слагаемое ряда (99.б). Среди линейных законов регулирования в ТАУ наиболее широко используются ПИ-, ПД- и ПИД-законы, которые можно представить в разностной форме:   T , u1i = u1(i-1) + 0 ×(ε i + ε i-1 ), u 2i = K регε i ,  2Tu  (100)  , Tдиф 3 1  u1i = ×( ε i - 2ε i-1 + ε i-2 ), u 2i = K регε i ,  T0 2 2  (101) u i = u1i + u 2i , ПИ: u i = u1i + u 2i , ПД:   u i = u1i + u 2i + u 3i ,   T ПИД: u1i = u1(i-1) + 0 ×(ε i + ε i-1 ), u 2i = K регε i ,  2Tu   T 3 1  u 3i = диф ( ε i - 2ε i-1 + ε i-2 ) T0 2 2  (102) Оценку составляющих ошибки (96) при вычислении управляющего воздействия необходимо производить для установившегося режима работы системы с учетом следующих соображений: - из-за влияния главной отрицательной обратной связи ошибки вычисления не накапливаются от шага к шагу; - все ординаты ui вычисляются по одному и тому же алгоритму в одинаковых условиях, поэтому можно считать, что ошибка вычисления ui не зависит от ошибок предыдущих ординат ui-k. Следовательно, в соответствии с [57] из формулы (98) получаем  F  ui-k ,εi-k+1   2 σ тр =    σε , ε i-k+1 i=1   m 2 (103) 170 где  – среднеквадратическая ошибка сигнала рассогласования, равная среднеквадратической ошибке вх на входе вычислителя (50) в предположении, что погрешность задания g равна нулю. Нап ри м ер, п ри П-закон е уп равл ен и я п рои звод н ая dF(...) dui буд ет равн а k , сл ед оват ел ьн о, д и сп ерси я = dε i dε i 2 2 2 т ран сф орм и рован н ой п огреш н ост и σ тр = k регσвх и л и с уч ет ом 2 2 2 2 2 (50) σ тр = k рег (1 + ρ )σ датk прс . При ПИД-законе в случае интегрирования по трапециям и использования для вычисления производной двух членов ряда (99.а) 2 2   Тдиф    Т0  2 2 2 2 σ = k рег + 0,5   + 6,5    1 + ρ  σ датk прс . Т Т   и  0   2 тр Для оценки методической погрешности необходимо выбрать шаг дискретности Т0, который определяет частоту выдачи управляющих воздействий. Чтобы дискретная система по своим свойствам приближалась к непрерывной, необходимо выбирать величину шага Т0 исходя из условия Т0  (0,1- 0,3)Тoyмин где Тoyмин - значение минимальной постоянной времени объекта управления. Среднеквадратическое значение мет при распределении определяется выражением [57] σ инт мет = Δинт мет её нормальном . 3 Абсолютная величина методической погрешности мет интегрировании по методу прямоугольников [57]: T0 2  dε(t)  Δинт = , (i -1)T0  t  iT0 , мет 2Tи  dt  макс а при интегрировании по методу трапеций [57]: T0 3  d 2ε(t)  инт Δмет = , (i - 1)T0  t  iT0 . 12Tи  dt 2  макс (104) при (105) (106) 171 Таким образом, зная максимальные значения 1-й и 2-й производных ошибки рассогласования и величину интервала дискретности Т0, можно, пользуясь формулами (104), (105) или (104), (106), вычислить 2 дисперсию методической погрешности σ мет на шаге Т0 при вычислении интеграла. Абсолютное значение методической погрешности получения первой производной, вычисляемой по (99.а) с двумя членами ряда будет равно: Т Т диф (107.а) Δмет = диф Δ3ε i = диф (ε i - 3ε i-1 + 3ε i-2 - ε i-3 ) . 3Т0 3Т0 В то время как использование одного слагаемого в формуле (99.а) приводит к методической погрешности дифференцирования следующего вида: диф Δмет = Тдиф 2Т0 Δ2ε i + Тдиф 3Т0 Δ 3ε i = Тдиф 6Т0 (5ε i -12ε i-1 + 9ε i-2 - 2ε i-3 ) , (107.б) что даст значительную ошибку при вычислении производной. Дисперсия полной методической погрешности должна рассчитываться в соответствии с выражением 2 σмет =  σинт мет  2 + σ  диф мет 2 . Для оценки инструментальной погрешности, обусловленной ограниченной длиной разрядной сетки вычислителя, необходимо знать эту длину. Как было отмечено в разд. 2.4 части 2, её величину выбирают, по крайней мере, на четыре разряда больше разрядности АЦП, но так, чтобы она была кратна байту. Выбрав таким образом длину разрядной сетки АЛУ, следует подсчитать количество округлений m в формуле вычислений кода управления [57, 58] и найти полную инструментальную погрешность как 2 σокр = mσ 2АЛУ , (108) где дисперсия единичного округления в АЛУ с учетом равномерного закона распределения определяется в соответствии с выражением σ 2АЛУ = Δ2АЛУ . 12 (109) После того как все составляющие погрешности вычисления управляющего воздействия определены, необходимо проверить 172 условие (97). Если оно не выполняется, то нужно определить, какую из погрешностей следует уменьшать в первую очередь. Уменьшить погрешность метода можно, во-первых, путем уменьшения интервала дискретности Т0, во-вторых, использованием более точных формул численного интегрирования и дифференцирования. Уменьшения погрешности трансформированной можно добиться, как было уже сказано, введением алгоритмов сглаживания: экспоненциального или скользящего среднего [58, 59], позволяющих ослабить ее в  раз (210). Величина инструментальной погрешности уменьшается только использованием устройств с большей длиной разрядной сетки. Выбор ЦАП осуществляется по требуемому количеству разрядов, которое рассчитывается по формуле: N u ЦАП  U    = E log 2  макс + 1   ,   Δuдоп    (110) где Umax – величина максимального напряжения на выходе ЦАП (обычно – это 5 В), uдоп – цена младшего разряда ЦАП, которая с учетом равномерного распределения инструментальной погрешности и формулы (97) имеет следующий вид: (111) Δuдоп = 2 3 σuдоп, В. Выполнив изложенные выше расчеты, подбирают соответствующие модули, отвечающие требованиям по точности преобразований и вычислений. После чего осуществляют проверку требуемого быстродействия в соответствии с условием T0T0ДОП.. (112) Необходимость уменьшения величины T0, о которой говорилось ранее и которая может возникнуть из условия (112), связана с повышением требований к быстродействию используемых технических средств. Объясняется это тем, что за это время должны быть выполнены такие процедуры, как опрос датчиков, преобразование аналоговых отсчетов в двоичный код, проверка на достоверность, сглаживание, проверка на технологические границы, вычисление кода управляющего воздействия, преобразование его в напряжение и передача сигнала управления в исполнительное устройство. Следовательно, требование по быстродействию можно 173 обеспечить, выбирая модули ввода-вывода с малым временем преобразования информации, увеличивая тактовую частоту работы контроллера, сокращая время опроса датчиков и время работы аппаратуры передачи данных. Можно заметить, что предложенная методика расчетов позволит обоснованно подойти к выбору стандартных модулей управляющих устройств локальных систем управления, что даст возможность повысить эффективность распределенных иерархических систем управления в целом. Пример 7. Выбрать модули цифрового устройства управления, предназначенного для поддержания уровня h раствора в баке. Диапазон изменения уровня раствора: Dy=6,0 – 7,5 м, точность поддержания: ΔyТЗ = ±0,12 м. Для распределения заданной точности между блоками принять =0,3. =0,2, =0,3.. Параметры ОУ и регулятора выбрать из примера 5: К0=2 м/В, Крег=0,8835, Ти=600 с, Тдиф=50 с, Т0=10 с. Решение. 1. В соответствии с выражением (109) рассчитываем допустимое значение погрешности вычисления управляющего воздействия σ uдоп : σuдоп = 0, 3 0,12 × = 0,006 В. 2 3 2. По требуемой точности измерения Δy дат  χΔy = ±0,024 м и заданному диапазону изменения уровня выбираем датчик УДУ-5П с диапазоном измерения уровня 12 м и погрешностью показаний |yдат|=0,015 м [74]. При нормальном распределении погрешности ТЗ измерения σ y дат = Δу дат 3 =0,005 м. 3. Рассчитываем разрядность АЦП:   Dy   12     N y АЦП = E log 2  + 1   = Е log 2  + 1   = 12 .  0, 3× 0,015       ρΔу дат   АЦП должен иметь не менее 12-и разрядов. 4. Рассчитываем коэффициент пересчета АЦП: k прс1 = 212 -1 = 341, 25 м-1 . 12м 174 5. Определяем величину младшего разряда АЦП как Dy 12 Δу АЦП = NуАЦПдатч = 12 = 0,00293 м . 2 -1 2 -1 6. Находим разрядность ЦАП:     U     5 5  NuЦАП = E log 2  макс +1   = Е log 2  +1  = Е log 2  +1  = 8 .     2 30,006    Δuдоп    2 3 σuдоп    ЦАП должен иметь не менее 8-и разрядов. 7. Рассчитываем коэффициент пересчета ЦАП: k прс2 = 5 = 0,0196 B. 2 -1 8 8. Коэффициент пересчета от входа АЦП до выхода ЦАП kпрс=kпр1kпр2=6,69 В/м. При этом коэффициент передачи по петле замкнутого контура К0 kпрс будет безразмерной величиной. 9. Определяем погрешность вычисления управляющего воздействия. 9.1. Расчет начнем с трансформированной погрешности, пользуясь формулами (98), (102) и (103). m  2 6,5Т2диф  2  F  u i-k ,ε i-k+1   Т02 2 2 2 σ 2тр =   σ = К + +  рег  σ у дат (1 + ρ )k прс =  ε 2 2 ε 2Т Т i=1  i-k+1 и    2 2  10 6,5× 50  2 2 2 =  0,88352 + +   0,005  (1 + 0,09)(6,69) = 0,0208В 2 2 2× 600 10   2     Как видим, трансформированная погрешность существенно превышает допустимую. Для её уменьшения увеличим разрядность ЦАП до двенадцати с тем, чтобы уменьшить коэффициент пересчета, который теперь будет равен: 212 -1 5 k прс = k прс1k прс2 = = 0,42B/м . 12 212 -1 При этом σ 2тр = 0,00008076В2 , что также превышает допустимое значение, поскольку тр=0,009 В. Как отмечалось ранее, чтобы еще уменьшить трансформированную погрешность, введем экспоненциальное сглаживание с =5. В результате получим: 175 σ 2тр = 0,00008076 = 0,00001615В2 или тр=0,004 В. 5 9.2. Чтобы рассчитать погрешность метода интегрирования, как следует из формулы (106), необходимо иметь максимальное значение второй производной d 2ε(t) на интервале (i-1)T0tiT0/ dt 2 Найти его можно, выполнив моделирование в стандартный пакет d 2ε(t) Simulink системы MatLab. Как и предполагалось, величина dt 2 очень мала (510-7), поэтому методической погрешностью интегриования и дифференцирования можно пренебречь. 9.3. Для оценки инструментальной погрешности выбираем разрядность АЛУ, как рекомендуется выше, равной 16, рассчитываем величину младшего разряда процессора как Δу АЛУ = 2-4 Δу АЦП k прс = 2-4 ×0,00293×6,69 = 0,001225 B и количество округлений m=mсгл+mПИД, где mсгл=3 - количество округлений при вычислении сглаженного значения yci, mПИД=17 количество округлений при вычислении кода управляющего воздействия по ПИД-закону. Следовательно, m=20 и полная инструментальная погрешность вычислителя составит 2 σокр = mσ 2АЛУ = m Δ2АЛУ 0,001225 = 20 = 0,00204B 2 , 12 12 что не позволит обеспечить заданную допустимую погрешность вычислений σu2 доп = 0,000036B2 . Поэтому необходимо либо выбрать микроконтроллер с 32-мя разрядами, либо рассчитывать на 16-и разрядном микроконтроллере, но с удвоенной точностью. На величине быстродействия это не скажется, поскольку заданное время дискретности T0=10 c. Приведенные расчеты показали, что выбор технических средств существенно зависит от величин погрешностей вычислений, в частности, погрешности округления (инструментальной) и трансформированной. 176 Закончить пример можно выбором конкретных модулей для построения цифрового устройства управления, скажем фирмы Advantech: а) модуль аналогового ввода ADAM-4012 с параметрами: 16разрядный АЦП, Программная настройка для работы с мВ, В или мА, гальваническая изоляция 500В, один цифровой вход/счетчик событий, два цифровых выхода/аварии по верхней и нижней границам измеряемого входа; б) модуль аналогового вывода ADAM-4021 с параметрами: 12разрядный ЦАП, программная настройка выхода на В или мА, контроль состояния выхода, программируемая скорость изменения сигнала на выходе: от 0,125 до 128,0 мА/с или от 0,0625 до 64 В/с, гальваническая изоляция 500 В; в) IBM PC совместимый программируемый микроконтроллер ADAM-5510: процессор: 80188, 16-разрядный, память ОЗУ: 256 кбайт, флэш-ПЗУ: 256 кбайт, операционная система: ROM-DOS, часы реального времени встроенные, сторожевой таймер встроенный, количество обслуживаемых модулей ввода-вывода: до 4; два последовательных порта: RS-232 и RS-485; напряжение изоляции 3000 В. В заключение ещё раз обратим внимание разработчиков АСУТП на необходимость тщательного подхода к оценке погрешностей вычислений, поскольку с ней связан выбор технических средств, удовлетворяющих комплексному критерию. Этот критерий должен обеспечивать требуемые точность и быстродействие при минимальной стоимости используемого оборудования. 3.7. Средства реализации управляющих воздействий Устройства вывода управляющих сигналов разделяются на аналоговые и дискретные. К первым относятся цифро-аналоговые преобразователи ЦАП, о расчете и выборе которых говорилось выше. Основная функция устройств вывода дискретных управляющих сигналов – функция ключа, которую могут выполнять маломощные регистровые выходы, релейные выходы, транзисторные и тиристорные ключи. Применение того или иного типа переключающего устройства определяется мощностью исполнительного блока, для управления 177 которым оно предназначено. Например, регистровые выходы могут использоваться для включения сигнализации в специализированных пультах и мнемосхемах, релейные выходы, имеющие полную гальваническую развязку от электрических цепей контроллера, – для управления пуском, остановом технологических агрегатов, транзисторные и тиристорные ключи – для управления ИМ различной мощности. На рис. 41 представлена структурная схема управления мотором М с помощью ключей. . ШИМ 1 Драйвер 1 Кл 3 . Контроллер ШИМ 2 Кл 1 Драйвер 2 Кл 2 +Uпит . M + - Кл 4 . Рис. 41 С целью осуществления реверса используются две пары ключей: управление прямым ходом мотора выполняется парой Кл 1, Кл 4, обратным – Кл 2, Кл 3. Широтно-импульсные модуляторы ШИМ 1 и ШИМ 2 преобразуют код управления во времяимпульсный сигнал положительной и отрицательной полярности соответственно. Широтно-импульсная модуляция – вид импульсной модуляции, при которой изменяется длительность (ширина) импульсов под действием модулирующего сигнала (в данном случае кода управления). При этом частота следования импульсов остается постоянной. Драйверы 1 и 2 служат для согласования и управления ключами. Для управления электрическим ИМ, работающим с постоянной скоростью в рабочем диапазоне Dy=ymax-ymin со временем его пробега TИМ, также используется времяимпульсный сигнал. Различие 178 заключается в том [9], что в схеме управления используются два выходных ключа: «Больше», «Меньше», и код длительности временного интервала t = k прсt K регεi (113) подается на один из них в зависимости от знака i. Коэффициент пересчета из формата кода АЦП в код временного интервала в выражении (113) вычисляется как k прсt = Tим . N T0 (2 АЦП -1) (1114) При этом шаг дискретности по времени (шаг квантования временного интервала t ) определяется [61] временем полного хода ИМ Тим и величиной его зоны нечувствительности  в %: Т00,10Тим. В случае необходимости можно организовать управление несколькими ИМ постоянной скорости от одного микроконтроллера [61]. Например, при 32-х разрядном микроконтроллере таких ИМ будет 16. На рис. 42 показан принцип возможной реализации управления группой ИМ постоянной скорости [61]. Сигналы управления ty Г C Счетчик на вычитание Выходной порт ... Ключи Дешифратор нуля ... к ИМ Запуск/Останов В схему прерывания . Сброс Рис. 42 179 С этой цель создается дополнительная программа, формирующая код управления ключами C и код интервала управления ty = min tj . j Исполнительные механизмы, имеющие отличный от нуля код tj , подключаются на время ty к ключу «Больше» или «Меньше» в зависимости от знака ошибки ji. Значения кодов tj уменьшаются на величину ty . После получении сигнала об отработке исполнительными механизмами кода интервала управления операции по формированию нового значения ty , нового кода управления ключами С и коррекции кодов tj повторяются до полного завершения работы, когда все коды tj станут нулевыми. Следует заметить, что в данном разделе были охвачены далеко не все способы управления, используемые на локальном уровне. Более обширное и детальное описание для них можно найти в специальной литературе по теории автоматического управления. 180 4. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ 4.1. Общие сведения Задачи автоматизации решаются эффективно, если они прорабатываются в процессе изучения технологического процесса. Нередко выявляется необходимость изменения технологических схем в целях приспособления их к требованиям автоматизации, установленным на основании технико-экономического анализа [75]. Техническим документом, определяющим блочно-функциональную структуру систем контроля и управления, показывающим расположение приборов на оборудовании, щитах управления и в операторских помещениях является функциональная схема. При разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов решаются следующие задачи: - получение первичной информации о состоянии технологического процесса и оборудования; - непосредственное воздействие на технологический процесс для управления им; - стабилизация технологических параметров процесса; - контроль и регистрация технологических параметров процессов и состояния технологического оборудования. Для решения задач привлекаются специалисты: технологи, инженеры контрольно-измерительных приборов и автоматики (КИПиА), разработчики АСУТП. Каждый из перечисленных специалистов заполняют таблицы, материал которых позволяет составлять подробные функциональные схемы автоматизации и использовать SCADA-системы для проектирования и управления ТП. 4.2. Требования к оформлению функциональных схем Фун кци он ал ьн ая схем а (ФС) вы п ол н я ет ся в ви д е ч ерт ежа, н а кот ором схем ат и ч ески усл овн ы м и и зображен и я м и п оказы вают [75]: т ехн ол оги ч еское оборуд ован и е; ком м ун и каци и ; орган ы уп равл ен и я ; сред ст ва авт ом ат и заци и с указан и ем свя зей с т ехн ол оги ч ески м оборуд ован и ем . Дл я ТП с бол ьш и м объ ем ом авт ом ат и заци и вы п ол н я ют от д ел ьн о 181 схем ы авт ом ат и ч еского кон т рол я , уп равл ен и я , си гн ал и заци и и т .д . В н и жн ей ч аст и ч ерт ежа и зображают ся в ви д е п ря м оугол ьн и ков щ и т ы и п ул ьт ы уп равл ен и я , в кот оры х п оказы вают ся уст ан авл и ваем ы е сред ст ва авт ом ат и заци и . Есл и и сп ол ьзует ся м и кроп роцессорн ая и вы ч и сл и т ел ьн ая т ехн и ка, т о вм ест о п ол я "При боры н а щ и т е уп равл ен и я ", и л и д оп ол н и т ел ьн о к н ем у, д ает ся п ол оса "Ком п л екс т ехн и ч ески х сред ст в оп ерат орски х п ом ещ ен и й ". На свобод н ом п ол е ч ерт ежа д оп ускает ся д ават ь крат кую т ехн ол оги ч ескую характ ери ст и ку авт ом ат и зи руем ого объ ект а, п оя сн я ющ и е т абл и цы , д и аграм м ы и т .п . На л и н и я х свя зи от д ат ч и ков н азы вают п ред ел ьн ы е рабоч и е (м акси м ал ьн ы е и л и м и н и м ал ьн ы е) зн ач ен и я и зм еря ем ы х и л и регул и руем ы х т ехн ол оги ч ески х п арам ет ров п ри уст ан ови вш и хся реж и м ах работ ы . Есл и п ри боры д л я и зм ерен и я и л и регул и рован и я вст роен ы в т ехн ол оги ч еское оборуд ован и е, т о п ред ел ьн ы е зн ач ен и я т ехн ол оги ч ески х п арам ет ров указы вают п од и л и вбл и зи п ози ци он н ого обозн ач ен и я п ри бора. Кон т уры т ехн ол оги ч еского оборуд ован и я , т рубоп ровод н ы е ком м ун и каци и , п ря м оугол ьн и ки , и зображающ и е щ и т ы , п ул ьт ы , КТС ОП вы п ол н я ют л и н и я м и т ол щ и н ой 0,6-1,5 м м , л и н и и свя зи - т ол щ и н ой 0,2-0,3 м м , п ри боры и сред ст ва авт ом ат и заци и - л и н и я м и т ол щ и н ой 0,5-0,6 м м . При н еобход и м ост и указан и я т оч н ого м ест а т оч ки и зм ерен и я (вн ут ри кон т ура т ехн ол оги ч еского ап п арат а) в кон це т он кой л и н и и и зображает ся окружн ост ь д и ам ет ром 2 м м . 4.3. Изображение технологического оборудования и коммуникаций Техн ол оги ч еское оборуд ован и е (ТО) и ком м ун и каци и н а ф ун кци он ал ьн ы х схем ах и зображают ся уп рощ ен н о, н о т ак, ч т обы д ат ь я сн ое п ред ст авл ен и е о п ри н ци п ах работ ы и взаи м од ей ст ви и со сред ст вам и авт ом ат и заци и (см. ри с. 4.3). Техн ол оги ч ески е ком м ун и каци и и т рубоп ровод ы жи д кост ей и газов и м еют усл овн ы е ци ф ровы е обозн ач ен и я . Ин огд а к ци ф ре д обавл я ют буквы , усл овн ы е обозн ач ен и я п рост авл я ют ся н а расст оя н и и н е м ен ее 50м м (ГОСТ 2.784-70), н ап ри м ер [75], д л я вод ы -1-1 (-1ч -ч и ст ая вод а), п ара -2-2 (-2п -п ерегрет ы й п ар, - 182 2н -н асы щ ен н ы й п ар), возд уха -3-3, горюч его: жи д кого -15-15, газообразн ого т акого, как ацет и л ен -17-17, п роп ан -22-22.  50 мм 1 1 Барабан Ри с. 43 Есл и и сп ол ьзуют ся д оп ол н и т ел ьн ы е ци ф ры , не п ред усм от рен н ы е ГОСТом , т о н а ФС д ол жн ы бы т ь н ан есен ы п оя сн ен и я п ри н я т ы х усл овн ы х обозн ач ен и й . На эл ем ен т ах ТО и т рубоп ровод ов д ают ся н еобход и м ы е п оя сн я ющ и е н ад п и си , ст рел кам и от м еч ает ся н ап равл ен и е п от оков. На ф ун кци он ал ьн ы х схем ах усл овн ы м и и зображен и я м и п оказы вают : - т ехн ол оги ч еское оборуд ован и е (в уп рощ ен н ом ви д е, н е н аруш ая п ри н ци п а работ ы ) с указан и я м и взаи м од ей ст ви й со сред ст вам и авт ом ат и заци и ; - ком м ун и каци и совм ест н о с регул и рующ и м и орган ам и и зап орн ой ап п арат уры ; - сред ст ва авт ом ат и заци и с указан и ем свя зи с т ехн ол оги ч ески м оборуд ован и ем . Изображения некоторых средств измерения и автоматизации в соответствии с ГОСТом представлены в табл. 7. При сл ожн ы х схем ах созд ают от д ел ьн о ф ун кци он ал ьн ую схем у кон т рол я и ф ун кци он ал ьн ую схем у уп равл ен и я . 4.4. Буквенные условные обозначения приборов и средств в автоматизации (ГОСТ 21.404-85) На первой позиции обозначения приборов располагают заглавные буквы наименования измеряемого или регулируемого параметра, а именно: 183 - D --- п л от н ост ь, разн ост ь и л и п ереп ад ; Табли ца 7 Наим енование Первичный изм ерит ельный преобразоват ель Изображ ение По м ест у (на т ехнологическом оборудовании) Основное Допускаем ое 10 10 15 Вт оричный прибор на щит е управления Основное Допускаем ое Исполнит ельные м еханизм ы Пневм ат ические Полож ение РО при С прекращением прекращении управляющего сигнала РО управляющего сигнала не будет закрыт реглам ент ирует ся 5 5 С прекращением управляющего сигнала РО будет от крыт С прекращением управляющего сигнала РО ост ает ся в неизм енном полож ении 2,5 5 Элект рический исполнит ельный м еханизм 5 184 - Е --- л юбая эл ект ри ч еская вел и ч и н а; - F --- расход , соот н ош ен и е, д ол я , д робь; - G --- разм ер, п ол ожен и е, п ерем ещ ен и е; - Н --- указат ел ь верхн его п ред ел а; - L --- уровен ь и л и н и жн и й п ред ел и зм еря ем ой вел и ч и н ы ; - М --- вл ажн ост ь; - W --- м асса; - Q --- кон цен т раци я , кач ест во, сост ав; - P --- д авл ен и е, вакуум ; - Т --- т ем п ерат ура; - V – вязкость. На второй и последующих позициях – либо уточнение первого наименования, как например, - перепад давления, либо заглавную букву процедуры контроля или регулирования. На ФС используются следующие обозначения указанных процедур: - А --- си гн ал и заци я п ри от ображен и и и н ф орм аци и ; - С --- регул и рован и е и л и уп равл ен и е; - I --- п оказан и я п ри от ображен и и и н ф орм аци и ; - R --- реги ст раци я ; - S --- вкл юч ен и е/от кл юч ен и е и л и си гн ал и заци я п ри ф орм и рован и и вы ход н ого си гн ал а; - К --- ст ан ци я уп равл ен и я - п ерекл юч ат ел ь режи м ов: руч н ое или авт ом ат и ч еское уп равл ен и е; - Н --- руч н ое уп равл ен и е. В верхн ей ч аст и окружн ост и и л и овал а н ан ося т ся буквен н ы е обозн ач ен и я и зм еря ем ой вел и ч и н ы и ф ун кци он ал ьн ое н азн ач ен и е п ри бора. В н и жн ей ч аст и окружн ост и и л и овал а н ан ося т ся п ози ци он н ы е обозн ач ен и я , в кот оры х указы вает ся н ом ер ф ун кци он ал ьн ой груп п ы , ст роч н ы м и буквам и русского ал ф ави т а л и бо ч ерез д еф и с арабски м и ци ф рам и п оря д ковы й н ом ер п ри бора в ф ун кци он ал ьн ой груп п е п о н ап равл ен и ю сл ед ован и я си гн ал а от д ат ч и ков к регул и рующ ем у орган у. Рассм от ри м п ри м еры обозн ачен и й п ри боров. 1. Есл и н а ФС вст реч ает ся сл ед ующ ее обозн ач ен и е п ри бора PDIRC PDIRC 22 д 22-5 или , т о он о д ол жн о бы т ь п роч и т ан о т ак: ‘‘При бор, от н ося щ и й ся к 22-й ф ун кци он ал ьн ой груп п е, 185 ст оя щ и й 5-м в эт ой груп п е, расп ол ожен н а щ и т е уп равл ен и я и п ред н азн ач ен д л я реги ст раци и R и авт ом ат и ч еского регул и рован и я C п ереп ад а д авл ен и я PD с од н оврем ен н ой ви зуал и заци ей (п оказан и я м и ) I’’ 2. Обозн ач ен и е H LCS 1-4 характ ери зует п ри бор, от н ося щ и й ся к 1-й ф ун кци он ал ьн ой груп п е, зан и м ающ и й 4-е м ест о п о н ап равл ен и ю сл ед ован и я си гн ал а, расп ол ожен н ы й н а щ и т е уп равл ен и я и п ред н азн ач ен н ы й д л я регул и рован и я C уровн я L с си гн ал и заци ей S и бл оки ровкой п о верхн ем у п ред ел у H. 3. Обозн ач ен и е QI O2 2-1 указы вает н а т о, ч т о п ри бор уст ан овл ен н а т ехн ол оги ч еском объ ект е (н ет разд ел я ющ ей ч ерт ы ) и п ред н азн ач ен д л я п оказан и я I сод ержан и я Q ки сл ород а O в от ход я щ и х газах. Кром е т ого, п ри бор от н оси т ся ко вт орой ф ун кци он ал ьн ой груп п е и я вл я ет ся в н ей п ервы м . Ин огд а для усл овн ы х обозн ач ен и й п ри м ен я ют д оп ол н и т ел ьн ы е буквы в соот вет ст ви и со сл ед ующ и м п оря д ком : 1 - и зм еря ем ая вел и ч и н а, 2 --- од н а и з д оп ол н и т ел ьн ы х букв E, T, Y, соот вет ст вен н о обозн ач ающ и х: - E --- п реобразован и е в эл ект ри ч ескую вел и ч и н у; - T --- д и ст ан ци он н ая п еред ач а; - Y --- п реобразован и е. Сл ед оват ел ьн о, РТ ест ь бесш кал ьн ы й м ан ом ет р с д и ст ан ци он н ой п еред ач ей . А обозн ач ен и е P/E PY 3-1 п оказы вает п ри бор д л я п реобразован и я д авл ен и я в эл ект ри ч ески й си гн ал . Рассм от ри м п ри м еры уп рощен н ых фун кци он альн ых схем автом ати заци и 1. На ри с. 44 п ри вед ен а си ст ем а и зм ерен и я расход а п ара в п ароген ерат оре. 186 Паропровод T71 FE 33а Барабан Z 33б Приборы на стативе UR 33в 2 1 2 1,3 МПа 25 т/ч 1 U=f(F, P) Ри с. 44 Просл ед и м п о ри с. 44 кан ал ы 1 и 2 от д ат ч и ков к вы ход у н а реги ст ри рующ и й п ри бор. Фун кци он ал ьн ая груп п а п о кан ал у 1 и м еет п ози ци он н ы й н ом ер 33, а п ри боры , в эт ой груп п е от д ат ч и ка и д ал ее д ол жн ы и м ет ь и н д ексы "а", "б", "в" и т .д . Дат ч и к FE с п ози ци ей 33а --п ерви ч н ы й бесш кал ьн ы й и зм ери т ел ьн ы й п реобразоват ел ь д л я и зм ерен и я расход а. Уст рой ст во 33б --- уст рой ст во с н ест ан д арт н ы м обозн ач ен и ем Z (кон д ен саци он н ы й сосуд ). Эт о озн ач ает , ч т о д ат ч и к FE обл ад ает д и аф рагм ой , врезан н ой в п ароп ровод Т71. Переп ад д авл ен и я н а д и аф рагм е, экви вал ен т н ы й расход у п ара, п ост уп ает в п ри бор с п ози ци ей З З в, уст ан овл ен н ы й н а ст ат и ве (ст ат и ч еском осн ован и и ). На эт от же п ри бор возд ей ст вует си гн ал п о кан ал у 2. При бор З З в и м еет ф ун кци он ал ьн ое обозн ач ен и е UR, т .е. он я вл я ет ся п ри бором , реги ст ри рующ и м (R) вел и ч и н у U, кот орая я вл я ет ся ф ун кци ей расход а п ара F и д авл ен и я Р: U=f(F,P). Сл ед оват ел ьн о, эт от п ри бор реги ст ри рует расход п ара F с коррекци ей п о его д авл ен и ю Р. Коррект и рующ и й си гн ал п о д авл ен и ю Р п ост уп ает 187 п о кан ал у 2. Дл я кажд ого кан ал а указан ы н ом и н ал ьн ы е зн ач ен и я п арам ет ров си гн ал ов: расход п ара - 25 т /ч , д авл ен и е 1.3 МПа. 2. На ри с. 45 п ри вед ен кон тур регули рован и е тем п ерат уры вод ы в котле. На ф ун кци он ал ьн ой схем е авт ом ат и заци и кот л а т ерм осоп рот и вл ен и е 2а сл ужи т д л я и зм ерен и я т ем п ерат уры горя ч ей вод ы , вы ход я щ ей и з кот л а, т ерм осоп рот и вл ен и е 2б --для и зм ерен и я т ем п ерат уры н аружн ого возд уха, п реобразоват ел и 2в и 2г д л я п реобразован и я си гн ал ов от соот вет ст вующ и х т ерм осоп рот и вл ен и й в ун и ф и ци рован н ы е т оковы е си гн ал ы 0 --- 5 м А. 1 ТЕ 2а 1 1 1 РО 22 22 ТЕ 2б 2л Приборы по месту NS 2к Приборы на щите управления НS 2и ТТ 2в Н 2д ТRK 2ж ТТ 2г ТС 2з Ри с. 45 В регул я т оре т ем п ерат уры п ри сут ст вуют зад ат ч и к 2д (Н в его обозн ач ен и и озн ач ает руч н ую оп ераци ю), и зм ери т ел ьн ы й бл ок 2ж, регул и рующ и й бл ок 2з, бл ок уп равл ен и я 2и , м агн и т н ы й п ускат ел ь 2к и эл ект ри ч ески й и сп ол н и т ел ьн ы й м ехан и зм 2л . Изм ен ен и е п од ач и т оп л и ва осущ ест вл я ет ся регул и рующ ей засл он кой РО. Как т ол ько т ем п ерат ура вод ы и з кот л а д ост и гает зад ан н ого зн ач ен и я , регул и рующ и й бл ок 2з д ает ком ан д у н а п рекращ ен и я п од ач и газа, т ем сам ы м п ред охран я я кот ел от п ерегрева. 188 4.5. Проектная документация Дл я п оя сн ен и я п ри н ци п ов сост авл ен и я п роект н ой д окум ен т аци ей восп ол ьзуем ся и н ф орм аци ей , п ред ост авл ен н ой ком п ан и ей AdAstra Reseach Grou, LTD н а курсах обуч ен и я базовой верси и TRACE MODE. Осн овой созд ан и я п роект н ой д окум ен т аци и п ри разработ ке АСУТП я вл я ет ся ф ун кци он ал ьн ая схем а авт ом ат и заци и объ ект а. На ри с. 46 п ред ст авл ен а ф ун кци он ал ьн ая схем а уст рой ст ва п од гот овки н еф т и (УПН) д л я т ран сп орт и ровки . Как ви д н о и з ри сун ка, и з д обы т ой н еф т и уби рает ся п л аст овая вод а и вы жи гает ся газ. Вн и зу сл ева от ш т ам п а н а ч ерт еже ФС п ред ст авл ен ы п ри боры м ест н ы е, расп ол ожен н ы е н а ОУ и п ри боры н а щ и т е оп ерат орской , н азван н ы е ран ее ком п л ексом т ехн и ч ески х сред ст в оп ерат орски х п ом ещ ен и й . Пред вари т ел ьн о объ ект авт ом ат и заци и разби вает ся н а п од объ ект ы (см. т абл . 8), и п ри боры ком п л ект уют ся п о кон т урам , кажд ом у и з кот оры х п ри сваи вает ся свой н ом ер (см. т абл . 9). Табл и ца 8 Разби ен и е объ ект а авт ом ат и заци и н а п од объ ект ы № п / Наи м ен ован и е п од объекта Ном ер кон тура п 1 Вход УПН 1,4,9,16 2 От ст ой н и к № 1 (О-1) 5,11 3 Печ ь № 1 (П-1) 2,6,18,19 4 Газосеп арат ор № 1 (СГ-1) 7,12 5 Эл ект род еги д рат ор № 1 3,14,20,23,24,25 (ЭГ-1) 6 Б уф ерн ая ем кост ь № 1 (БЕ- 13,8 1) 7 Дрен аж 21 8 Вы ход УПН 10,22 9 Пом ещ ен и е 15,17 Приборы на щите в операторной Контроллер MICRO PC Аналоговый вход H FY 19-2 L FQI 19-3 Управляющее воздействие 0.02...0.1 МПа LT 12-2 E/P LY 12-4 LSA 12-3 L H PT 7-1 E/P PY 7-3 PISA 7-2 L H LT 13-2 H LISA 13-3 L 21 25 16 E/P PT 8-1 LY 13-4 PISA 8-2 L 22 H 18 LISA 14-3 26 23 H 24 E/P LT 14-2 25 28 EI 24-1 U EI 25-1 Аналоговый выход Дискретный вход К аппаратуре верхнего уровня Ри с. 46 26 I TSA 3-2 27 31 LY 14-4 HSA 23-1 28 29 FY 20-2 29 E/P MT 10-2 FQR 20-3 Контроль расхода пластовой воды Дренаж ME 10-1 30 30 30 MY 10-2 Контроль расхода товарной нефти 20 Учет расхода нефти на выходе ЭГ-1 24 Управляющее воздействие 0.02...0.1 МПа 27 Срабатывание кнопки аварийного отключения 19 Контроль содержания воды в нефти 0...2 % 23 Значение тока трансформатора 0...1 А 18 Управляющее воздействие 0.02...0.1 МПа 17 Сигнализация о превышении температуры охл.трансф.масла 0...80 С 15 14 22 Значение напряжения трансформатора 0...100 В 16 Управляющее воздействие 0.02...0.1 МПа 17 13 Контроль и сигнализация уровня нефти 500...2700 мм 12 Контроль и сигнализация давления в БЕ-1 0...0.16 МПа 11 Управляющее значение 0.02...0.1 МПа 15 Контроль и сигнализация уровня нефти 500...2700 мм TE 2-1 4...20 мА TIA 2-2 LE 12-1 4...20 мА QT 15-2 14 FE 20-1 4...20 мА HSA 18-1 13 Контроль и сиг-ция повышения давления в СГ-1 1МПа Газ на факел 4...20 мА HSA 17-1 10 TE 3-1 4...20 мА QISA 15-3 12 4...20 мА PIA 6-2 9 FE 19-1 4...20 мА LISA 11-3 PT 6-1 LE 14-1 4...20 мА PIA 5-2 LY 11-4 QE 15-1 4...20 мА H 11 Контроль и сигнализация уровня нефти 1800 мм Топл. газ 4...20 мА L LT 11-2 10 П-1 4...20 мА 4...20 мА E/P 7 С 8 4...20 мА H 9 Температура нефти на выходе Печи-15...60 TE 1-1 4...20 мА PT 5-1 8 Расход нефти на выходе Печи-1 200...400 м3/ч 7 Срабатывание кнопок аварийного отключения 6 4...20 мА PY 4-3 6 Воздух 4...20 мА TIA 1-2 О-1 Срабатывание устройств пожарной сигнализации 4 Содержание угл.водородн. газов в помещении 0...10 % 5 Управляющее воздействие 0.02...0.1 МПа 3 Давление нефти на входе в Печь-1 0.22...0.1 МПа LE 11-1 4...20 мА FQI 16-3 4 4...20 мА FY 16-2 Управляющее воздействие 0.02...0.1 МПа FE 16-1 4...20 мА PISA 4-2 2 Давление нефти в Отстойнике-1 0,22...0,75 МПа 1 4...20 мА MT 9-2 3 Уровень раздела фаз в Отстойнике-1 500...2700 мм ME 9-1 4...20 мА Нефть с узла ввода 4...20 мА 5 Температура нефти на входе в УПН 5...60 С 2 Расход нефти на входе в УПН 417...1250 м3/ч Влажность нефти на входе в УПН 0...80% Давление нефти на входе в УПН 0,25...0,1 МПа 1 4...20 мА PT 4-1 4...20 мА Приборы местные 4...20 мА Газ на факел н.н. Газ на ГКС СГ-1 Газ на факел LE 13-1 БЕ-1 FE 22-1 РВС 19 31 20 H FY 21-2 FY 22-3 FQR 21-4 FQR 22-4 Отв. лицо Фамилия Подп. Дата Нефть в магистраль Газ на факел Дренаж Н-6А ЭГ-1 н.н. Дренаж FE 21-1 Вода 32 32 21 E/P L Автомат. система парам. работы УПН. Разработка измерит. преобраз. влагосодер нефти для ГЗУ и УПН Функциональная схема автоматизации УПН-ГДР Литера Лист Масса Листов Масшт. 190 Таблица 9 № п/п Наименование сигнала 1 2 1 Температура нефти на входе в УПН 2 Температура нефти на выходе из печи №1 3 Номер Тип контура НПредел Нижняя Верхняя Тип РазмерВПредел граница граница сигнала ность 4 5 6 7 8 9 1 AVI Вход УПН 5 60 100 Печь №1 5 60 100 2 AVI Сигнал по температуре масла в трансформаторе 3 Электрод DVI егидрато р№1 4 Давление нефти на входе в УПН 4 Вход УПН 0,1 0,25 1 Сигнал и защита давления нефти на входе 4 5 Вход DVI УПН Управляющее воздействие на клапан 4 6 Вход AVO УПН 0,02 0,1 0,14 4-20 mA … … … … … … Содержание 20 углеводородных газов в помещении 3 Объект … AVI … 10 4-20 mA 4-20 mA … 15 AVI Помещен ие 10 100 4-20 mA 4-20 mA 11 Коэфф пересчета 13 14 15 0,024414 In_T_ Вх 0,024414 In_TS A_ЭГ 1 0,0002441 In_P_ Вх In_PS A_Вх Мпа 0,0000341 O_P_ Вх … … … … In_Q _П о C о C ? % 12 Имя ЧисДрейф кана- ло нуля ла бит 0,024414 In_T_ П1 1 1 … 191 Окончание табл. 9 Устройство 21 пожарной сигнализации 17 DVI Помещен ие Давление в СГ-1 1 3 7 AVI Газосепа ратор №1 22 Сигнал и защита 23 давления в СГ-1 DVI Газосепа ратор №1 7 Управление 24 клапаном AVO Газосепа ратор №1 7 … … 0,02 0,1 Мпа 0,14 Мпа … … … … … 10 AVI Выход УПН 2 100 4-20 mA % 0,024414 10 AVO Выход УПН 0,02 0,1 0,14 4-20 mA Мпа 0,0000341 Расход пластовой 38 воды 21 AVI Дренаж 100 300 800 4-20 mA м3/ч 0,1953125 Расход товарной 39 нефти 22 AVI Выход УПН Управление клапаном 100 500 800 4-20 mA м3/ч In_P_ СГ1 1 In_PS A_СГ 1 1 O_P_ СГ1_ 2 … … … In_Q _Вых _1 O_P_ Вых In_Q _Дре наж In_Q _Вых _2 0,1953125 Примечание. Коэффициент пересчета определяется как отношение Верхнего предела к величине кода 12-и разрядного АЦП In_H AS_ П 0,0000341 4-20 mA … 37 … 0,0007324 4-20 mA … Содержание воды в 36 нефти … TE При вед ем н екот оры е и з н и х. При боры 1-о кон т ура 1-1 и TIA 1-2 сл ужат д л я и зм ерен и я т ем п ерат уры н еф т и н а вход е в УПН с п оказан и ем авари й н ы х зн ач ен и й п ри вы ход е за п ред ел ы д оп уст и м ого д и ап азон а и зм ен ен и я т ем п ерат уры (5-60 С). PT PISA 4-1 4-2 H При боры кон тура 4 и п редн азн ачен ы для и зм ерен и я давлен и я н еф ти н а входе в УПН с си гн али заци ей п о п ревы шен и ю верхн его п редела вели чи н ой 0,1 МПа,и п одачей PY через устрой ство клап ан а. 4-3 E/P уси ли я на п н евм ати чески й ИМ HSA 17-1 Предусм отрен а п ожарн ая си гн али заци я си гн али заци я п о п ревы шен и ю в п ом ещен и и и авари й н ая п роцен тн ого QE QT QISA 15-1 15-2 15-3 H содержан и я углеводородн ы х газов , и . Над еем ся , ч т о ост ал ьн ы е ком п л ект ы п ри боров т акже л егко буд ут оп ред ел ен ы . В разработ ке п роект н ой д окум ен т аци и , как бы л о уже от м еч ен о, уч аст вуют т ехн ол ог, и н жен ер КИПи А и разработ ч и к АСУТП н а базе SCADA-си ст ем ы . Кажд ы й и з н и х и зуч ает объ ект авт ом ат и заци и --- ТП и зап ол н я ет т абл и цы . Техн ол ог в т абл . 10 вн оси т сл ед ующ ую и н ф орм аци ю п о т ехн ол оги ч ески м п арам ет рам объ ект а (в ш ап ке т абл и цы он а обозн ач ен а курси вом ): - наименование технологического параметра; 193 - нижняя граница технологического параметра; - верхняя граница технологического параметра; - нижний предел измерений; - верхний предел измерений; - размерность технологического параметра. Инженер КИПиА, продолжая заполнять табл. 9, начатую технологом, вносит информацию по таким данным, как (см. в шапке таблицы – жирный шрифт) - вид сигнала (входной или выходной, аналоговый или дискретный); - тип сигнала (с позиции SCADA-системы); - коэффициент умножения, названный ранее коэффициентом пересчета; - дрейф нуля. Разработ ч и к АСУТП д оп ол н я ет т абл . 9 сл ед ующ ей и н ф орм аци ей (п од ч еркн ут ы й ш ри ф т в ш ап ке т абл и цы ): и м я объ ект а (осн ован о н а ст рукт урн ом д ел ен и и объ ект а авт ом ат и заци и н а уч аст ки ); и м я кан ал а; ч и сл о би т (д л я д и скрет н ы х си гн ал ов). Представленная в табл. 9 информация используется при разработке систем измерения, контроля и управления на базе SCADA-системы. 194 5. ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ АСУТП НА БАЗЕ SCADA-СИСТЕМЫ TRACE MODE 5.1. Идеология распределенных комплексов с применением SCADA-систем SCADA-система (Supervisory Control And Data Acquisition) предназначена для проектирования и эксплуатации распределенных АСУ. Дословный перевод названия - диспетчерское управление и сбор данных. Однако в последних версиях её предназначение значительно расширилось. В частности, отечественная компания AdAstra выпустила 6-ю версию SCADA-системы TRACE MODE, объединяющую все уровни управления производством (рис. 1). SCADA-система TRACE MODE (ТРЕЙС МОУД) имеет мощные средства для создания распределенных иерархических АСУТП (см рис. 47), включающих в себя до трех уровней иерархии: уровень контроллеров – нижний уровень; уровень операторских станций верхний уровень; административный уровень. Деление на уровни иногда может быть весьма условным. В малых системах функции всех уровней часто реализуются на одной операторской станции. В больших системах на каждом уровне может быть выделена собственная иерархия. Тем не менее, в большинстве случаев такое деление правомерно. Необходимо заметить, что при разработке крупных сетевых систем, включающих в себя десятки узлов, лимитирующим элементом становятся не характеристики пакета по количеству одновременно работающих в сети узлов, а пропускная способность линий связи. Исполнительная система ТРЕЙС МОУД включает в себя мониторы (управляющие операционные системы), предназначенные для работы на всех уровнях систем управления (см. рис. 48). 5.1.1. Уровень контроллеров. На этом уровне реализуется сбор данных от датчиков, а также непосредственное цифровое управление (НЦУ) в соответствии с принятыми законами (ПИД-, ПДД- и ШИМрегуляторы, позиционный, нечеткий регуляторы и т.д.). Supervisor - TRACE MODE Mobile Браузеры Административный уровень Inte rne t/ Intrane t NetLink Light NetLink Light (клиенты) DCOM HTTP Дублированные серверы архива Диспетчерский уровень FTP Дублированные серверы реального времени 1 GSMуправление 2 NetLink МРВ (сервер) Web-активатор Сервер документирования Уровень контроллеров Микро МРВ Микро МРВ модем+ - Ри с. 47 Микро МРВ GSM+ - 196 III Узел31 Узел32 Канал Связи Узел22 Узел21 II Канал Связи Узел11 Узел12 • • Консоли • • • МР В • •• • Консоли М К оРмВ м уникат оры Узел13 I Объект Упр. Объект Упр. Объект Упр. Ри с. 48 Ком м уникат оры Р егист рат ор Сервер докум ент ировани я М икро М Р В Для создания этого уровня предусмотрены мониторы: Микро МРВ (монитор реального времени), Микро МРВ Модем+, Микро МРВ GSM+. Первый из них предназначен для запуска в контроллерах, связанных с верхним уровнем по локальной сети или последовательному интерфейсу, второй – при связи по коммутируемым линиям, а третий – по GSM-сети. При использовании выделенных телефонных линий или радиоканалов следует применять первый монитор. Эти мониторы не имеют графического интерфейса. Однако по математическим функциям они идентичны мониторам верхнего уровня, а также имеют ряд функций, необходимых для работы в контроллерах (например, поддержка сторожевого таймера). 5.1.2. Оперативный уровень. Для верхнего уровня АСУТП предусмотрены такие мониторы, как МРВ, NetLink МРВ, NetLink Light. Они позволяют создавать рабочие станции оперативного управляющего персонала. МРВ может обмениваться данными с другими мониторами ТРЕЙС МОУД, а также с любыми контроллерами через встроенные протоколы или драйвер. Он запрашивает данные у нижнего уровня и передает ему команды управления. Полученные данные могут отображаться, архивироваться и передаваться другим приложениям WINDOWS по протоколам ODBC, OPC и DDE (см. рис. 49). NetLink МРВ – это сетевая рабочая станция. Этот монитор может обмениваться данными с операторскими станциями (по последовательному интерфейсу или локальной сети), а также с Микро МРВ, работающими в PC-based контроллерах. По функциям визуализации, архивирования, связи с базами данных и документирования NetLink МРВ аналогичен МРВ. В отличие от МРВ, в нем блокированы поддержка плат УСО, обмен с драйвером, обмен по встроенным протоколам MODBUS и DCS, а также клиентские функции OPC и DDE. NetLink Light – это сетевой графический терминал. Он не имеет своего сервера математической обработки, а связывается с сервером МРВ или NetLink МРВ, запущенным на другом компьютере. NetLink Light позволяет создавать дополнительные рабочие места оператора. 198 К лиент ы TM СУБ Д D COM SQL/OD B C OPC Сервер TM T-COM, OPC, DDE D COM, OPC, D D E/N e tD D E УСО Прилож ения ActiveX Рис. 49 5.1.3. Административный уровень. Задачей данного уровня управления является контроль текущего состояния производственных процессов и анализ функционирования производства по архивным данным. Для решения задач данного уровня предусмотрен монитор SUPERVISOR. Он является специализированной графической консолью, которая может подключаться к серверу матобработки МРВ, NetLink МРВ или ГР. В первых двух случаях просматривается локальный СПАД архив, а в последнем - глобальный архив. Кроме того, SUPЕRVISOR можно переключить в режим реального времени. В этом случае он работает как консоль NetLink Light, и может использоваться для управления процессом. При работе с архивами SUPЕRVISOR реализует следующие функции: отображение последних изменений значений каналов; просмотр архивов в режиме PLAYBACK; просмотр на заданное архивное время с пошаговым переходом по времени. До тех пор, пока речь идет о связи между компонентами одного узла, не возникает вопрос об аппаратно/программном интерфейсе, 199 который должен быть задействован для обеспечения связи. В этом случае достаточно выполнить конфигурирование свойств связь/вызов компонентов. Если взаимодействующие компоненты относятся к разным узлам, интерфейс связи, как правило, должен быть указан и сконфигурирован. Последняя разработка TRACE MODE версии 6 является интегрированной системой, позволяющей решать задачи автоматизации ТП и управления производством АСУП. Теперь специалисты по АСУТП могут решать задачи АСУП на основе привычного и понятийного аппарата. Благодаря использованию в своей оболочке T-FACTORY MES-системы управления производством стало возможным автоматизировать работы по планированию, контролю исполнения, сбору статистики и анализу производственного цикла предприятия. 5.2. Архитектура TRACE MODE Все программы, входящие в ТРЕЙС МОУД, подразделяются на две группы (см. рис. 50): инструментальную систему разработки и исполнительные модули (runtime). Как видно на рис. 50, инструментальная система разработки содержит три редактора [76]: редактор базы каналов, редактор представления данных, редактор шаблонов. В редакторе базы каналов создается математическая основа системы управления: описываются конфигурации всех рабочих станций, контроллеров и УСО, настраиваются информационные потоки между ними. Здесь же описываются входные и выходные сигналы и их связь с устройствами сбора данных и управления; задаются периоды опроса или формирования сигналов, настраиваются законы первичной обработки и управления, технологические границы, программы обработки данных и управления, осуществляется архивирование технологических параметров, сетевой обмен, а также решаются некоторые другие задачи. Результатами работы в этом редакторе являются математическая и информационная структуры проекта АСУТП, которые включают в себя набор баз каналов и файлов конфигурации для всех контроллеров и операторских станций (узлов) проекта, а также файл конфигурации 200 всего проекта c расширением cmt. Все остальные файлы проекта хранятся в рабочей директории в каталоге, имя которого совпадает с именем файла конфигурации. TRACE MODE Инструментальная система • • • • Исполнительные модули Редактор Базы Каналов Серверы Редактор Представления Данных Коммуникаторы Редактор Шаблонов Консоли МРВ Микро МРВ Регистратор Сервер Документирования • • • WEB Активатор GSM Активатор ODBC/OPC/DDE Серверы\Клиенты • • • • Supervisor NetLink Light Консоль тревог Консоль Регистратора Рис. 50 В редакторе представления данных разрабатывается графическая часть проекта системы управления. Сначала создается статичный рисунок технологического объекта, а затем поверх него размещаются динамические формы отображения и управления. Среди этих форм присутствуют такие, как поля вывода числовых значений, графики, гистограммы, кнопки, области ввода значений и перехода к другим графическим фрагментам и т.д. Кроме стандартных форм отображения, ТРЕЙС МОУД позволяет вставлять в проекты графические формы представления данных или управления, разработанные пользователями. Для этого можно использовать стандартный механизм ActiveX (см. рис. 49). Все формы отображения информации, управления и анимационные эффекты связываются с информационной структурой, разработанной в редакторе базы каналов. Для разработки шаблонов документов в состав инструментальной системы включен редактор шаблонов. 201 Исполнительная система ТРЕЙС МОУД включает в себя исполнительные модули (мониторы, МРВ) - программные модули различного назначения, под управлением которых в реальном времени выполняются составные части проекта, размещаемые на отдельных компьютерах или в контроллерах, предназначенные для работы на всех уровнях систем управления, о которых говорилось выше. Существует ряд программных модулей, назначение которых четко не привязано к функциям одного из перечисленных уровней систем управления. К таким модулям относятся (см. рис. 50): глобальный регистратор; сервер документирования; Web-активатор; GSMактиватор. Они могут использоваться для создания как оперативного, так и административного уровней систем управления [70]. Глобальный регистратор служит для обеспечения надежного хранения архивов ТП. Он архивирует данные, посылаемые ему по сети мониторами реального времени (64 000 параметров с дискретностью 0,001 с), обеспечивает автоматическое восстановление данных после сбоя, а также может передавать архивные данные для просмотра мониторам SUPERVISOR. Глобальный регистратор может также выступать как ОРС- и DDE-сервер и поддерживает обмен с базами данных через ODBC. Для документирования технологической информации в ТРЕЙС МОУД предусмотрен модуль - сервер документирования. Документирование осуществляется по шаблонам, которые создаются в редакторе шаблонов. Время или условие генерирования документа, имя файла шаблона, а также направление вывода документа описываются в программах документирования - сценариях. Подготовка отчетов (документов) чаще всего привязывается к астрономическому времени. Например, они могут генерироваться один раз в час, один раз в сутки, один раз в месяц или один раз в десять минут. Кроме того, можно установить режим подготовки документа один раз в смену и затем описать разбивку суток на смены. Сервер документирования NetLink Light используется для решения задачи документирования технологической информации. Он по команде МРВ, собственному сценарию или по команде оператора интерпретирует созданные заранее шаблоны, запрашивает у МРВ необходимые данные и формирует по ним документы. Эти документы могут быть распечатаны на принтере, отправлены по E-mail или опубликованы на Web-сервере. 202 Утилита консоль тревог позволяет просматривать отчет тревог разных МРВ одного проекта. Для каждого просматриваемого отчета тревог создается отдельное окно. В него можно выводить информацию из файла отчета тревог или сообщения, формируемые МРВ. Любая рабочая станция системы ТРЕЙС МОУД может выступать в качестве Web-сервера, что позволяет управлять технологическим процессом через Интернет (Internet) [70]. На удаленном компьютере необходимо иметь только доступ к Интернет и Web-браузер. Для реализации данного режима предназначен модуль Web-активатор, который используется в качестве www-шлюза для локальных систем АСУ ТП на базе ТРЕЙС МОУД или для придания функций Webсервера мониторам реального времени Использование Web-активатора позволяет быстро превратить существующие АСУТП и АСУП в Internet/Intranet-системы без переделки баз данных реального времени (баз каналов). Доступ к данным реального времени через Web-активатор осуществляется при помощи обыкновенного браузера, работающего под любой операционной системой, позволяющей запуск виртуальной Java-машины. Информация о технологическом процессе представляется пользователю в виде анимированных мнемосхем, трендов и таблиц. Связь с серверами реального времени ТРЕЙС МОУД может осуществляться практически любыми доступными средствами, например через сотовую сеть стандарта GSM, инфракрасный порт, сеть на основе интерфейса RS-232/485 или модем с использованием высоконадежного протокола TCP/IP. Можно осуществлять подключение и непосредственно через Internet. Для этого достаточно войти в Internet и набрать IP-адрес сервера ТРЕЙС МОУД подключение произойдет автоматически. Для доступа к данным пользователю достаточно набрать Web-адрес активатора и ввести пароль, тогда весь проект загружается в удаленный компьютер в виде Java-аппрета [70]. Использование стандартного языка Java при написании аппретов позволяет реализовать на удаленных компьютерах не только Windows, но и другие операционные системы, например Unix, Linux, Mac OS и т.д., а также ОС, использующиеся в карманных PC. Проект ТРЕЙС МОУД поступает к пользователю в виде Java-аппрета, объем которого не превышает 300 Кбайт, что дает возможность использовать Web- 203 активатор в сетях с низким качеством связи. Достоинством технологии Java является также повышенная безопасность. При использовании Web-активатора не требуется установка Webсерверов других производителей (например, MS IE), что выгодно отличает эту программу от решений, примененных в других SCADA. Для обеспечения мобильных пользователей АСУ оперативной информацией в режиме реального времени на базе ТРЕЙС МОУД разработан программный продукт - GSM-активатор. Он предназначен для дистанционного мониторинга и управления технологическими процессами, а также для получения оперативной техникоэкономической информации при помощи сверхпортативных компьютеров handheld PC. В реальном времени GSM-активатор может принимать информацию от 64 000 датчиков, осуществлять супервизорное управление, получать технико-экономическую информацию из баз данных через сервер, использующий стандартные интерфейсы SQL/ODBC. ОРС, DDE (см. рис. 49) и т.д. Вся поступаемая информация отображается графически в виде анимированных мнемосхем и трендов. GSM-активатор относится к новому классу систем оперативного управления, отражающих тенденцию к миниатюризации и автономизации компьютерных систем. GSM-активатор может быть использован в качестве персональной информационной системы руководителя. К GSM-активатору проявляют интерес нефтяные компании, электрические и тепловые сети РАО ЕЭС и РАО ГАЗПРОМ, коммунальные и другие службы, управляющие пространственно распределенными объектами [70]. GSM-активатор пригоден также к применению в охранных службах: получение в реальном времени информации о состоянии охраняемого объекта может стать основой успеха операции группы быстрого реагирования, вызванной по тревоге. Отметим, что в последней версии TRACE MODE 6 все редакторы системы вызываются из одной программы - Интегрированной среды разработки (ИС). ИС – единая программная оболочка, содержащая все необходимые средства для разработки проекта. Все переменные проекта, к чему бы они не относились - к контроллеру, к операторской станции, к управлению 204 техобслуживанием или производством хранятся в единой базе данных проекта. Единая база проекта устраняет лишнюю работу проектировщика по созданию, поддержке и взаимной увязке во многом одинаковых баз переменных контроллеров и ПК, характерную для систем предыдущего поколения. Логическая структура проекта полностью отделена от аппаратной части. Благодаря единому пространству распределенных переменных, переменные из разных узлов могут связываться между собой также легко, как и в пределах одного узла, любые изменения, вносимые в объект, автоматически применяются везде, где он был задействован. В целях пояснения особенностей и принципов работы SCADA-системы воспользуемся некоторыми справочными материалами предыдущих версий. 5.3. Основные понятия системы TRACE MODE 5.3.1. Определения. ПРОЕКТ системы управления – это совокупность всех математических и графических элементов системы, функционирующих на различных операторских станциях и контроллерах одной АСУ ТП, объединенных информационными связями и единой системой архивирования. Проект может быть масштабным (сотни узлов), а может включать в себя только один контроллер или одну операторскую станцию. Под проектом в TRACE MODE 6 понимается вся совокупность данных и алгоритмов функционирования распределенной АСУ (АСУТП и/или TFACTORY), заданных средствами TRACE MODE. Итогом разработки проекта является создание файлов, содержащих информацию об алгоритмах работы АСУ. Эти файлы размещаются на аппаратных средствах (компьютерах и контроллерах) и выполняются под управлением исполнительных модулей TRACE MODE. Составная часть проекта, размещаемая на отдельном компьютере или в контроллере и выполняемая под управлением одного или нескольких исполнительных модулей TRACE MODE, называется узлом проекта. УЗЕЛ – любое устройство в рамках проекта, в котором запущено программное обеспечение TRACE MODE, реализующее серверные функции. Это может быть контроллер, операторская станция или архивная станция. В проекте не может быть более 128 узлов. В общем 205 случае размещение узла на том же аппаратном средстве, на котором он должен исполняться под управлением монитора, не является обязательным – мониторы могут загружать узлы с удаленных аппаратных средств. БАЗА КАНАЛОВ – совокупность всех каналов, математических объектов, FBD – программ и IL – программ, созданных для каждого конкретного узла. ОБЪЕКТ БАЗЫ КАНАЛОВ – совокупность любых каналов, которой приписан определенный набор свойств и атрибутов. Среди последних можно назвать имя, графический идентификатор, флаг подчинения: родитель, потомок. Оформленные группы каналов могут быть подчинены друг другу и создавать таким образом иерархические структуры. ДРАЙВЕРЫ обмена – драйверы, используемые мониторами TRACE MODE для взаимодействия с устройствами, протоколы обмена с которыми не встроены в мониторы. 5.3.2. Каналы. КАНАЛ (базовое понятие системы) – это структура, состоящая из набора переменных и процедур, имеющая настройки на внешние данные, идентификаторы и период пересчета ее переменных. Идентификаторами канала являются: имя, комментарий и кодировка. Например, имя канала, связанного с пятым каналом платы аналогового ввода, расположенной в первом посадочном месте контроллера, будет AI_-pp01-0005. Кроме того, каждый канал имеет числовой идентификатор, используемый внутри системы для ссылок на этот канал. Среди переменных канала выделяются четыре основных значения: входное (In), аппаратное (A), реальное (R) и выходное (Q). С помощью настроек входное значение канала связывается с источником данных, а выходное – с приемником. В зависимости от направления движения информации, т.е. от внешних источников (данные с контроллеров, УСО или системные переменные) в канал или наоборот, каналы подразделяются на входные (тип INPUT) (см. рис. 51) и выходные (тип OUTPUT) (см. рис. 52). Входной канал (см. рис. 51) запрашивает данные у внешнего источника (контроллер, другой МРВ и пр.) или значение системных переменных (счетчик ошибок, длина архива и пр.). тип INPUT аналог (Float) Источник Вход Масштабиро вание Аппаратное Трансляция Вход Логическая обработка Аппаратное Трансляция Фильтрация Реальное Управление Реальное Управление дискрет (HEX) Источник Рис. 51 Тип OUTPUT аналог (Float) Приемник Выход Масштабиро вание Аппаратное Трансляция Реальное Фильтрация Вход Управление Вход Управление дискрет (HEX) Приемник Выход Логическая обработка Аппаратное Трансляция Рис. 52 Реальное Полученное значение поступает на вход канала и далее пересчитывается в аппаратное и реальное значения. Аппаратное значение у каналов типа INPUT формируется масштабированием (логической обработкой для дискретных каналов) входных значений. Используемые процедуры обеспечивают первичную обработку данных (исправление ошибок датчиков, масштабирование, коррекция температуры холодных спаев термопар и т.д.). Выходные значения в в каналах типа INPUT не используются. Выходной канал (см. рис. 52) передает данные приемнику. Приемник может быть внешним (значение переменной в контроллере, в другом МРВ и пр.) или внутренним - одна из системных переменных (номер проигрываемого звукового файла, номер экрана, выводимого на монитор, и пр.). И внешние и внутренние приемники данных связываются с выходными значениями каналов. У каналов типа OUTPUT их входное значение формируется одним из следующих способов: процедурой управление данного канала; процедурами управление или трансляция других каналов; метапрограммой на языке Техно IL; каналом удаленного узла (например, по сети); оператором с помощью управляющих графических форм. У каналов типа OUTPUT аппаратное значение получается из реального процедурой трансляция. Аппаратные значения каналов имеют такое название, поскольку в них удобно получать величины унифицированных сигналов, с которыми работает аппаратура ввода/вывода (4-20 мА, 0-10 В и пр.). Реальные значения предназначены для хранения значений контролируемых параметров или сигналов управления в реальных единицах (например, кг/час, оС, % и пр.). Выходное значение определено только для каналов типа OUTPUT. Оно пересчитывается из аппаратного значения. Данные из внешних устройств записываются в каналы, данные из каналов посылаются на внешние устройства. В каналы оператор заносит управляющие сигналы. Значения из каналов записываются в архивы, операторские отчеты и т.п. В каналах осуществляется преобразование данных. Меняя значения на системных каналах, можно управлять выводимой на экран информацией, звуковыми сигналами и т.д., т.е. всей системой. 5.3.3. Процедуры. Входное значение канала преобразуется в аппаратное, реальное и выходное с помощью процедур. 208 Процедурами канала являются: - масштабирование (умножение и смещение); - фильтрация (подавление пиков, апертура и сглаживание); - логическая обработка (предустановка, инверсия, контроль сочетаемости); - трансляция (вызов внешней программы); -управление (вызов внешней программы). Порядок следования и содержание процедур может меняться в зависимости от типа канала (входной или выходной, аналоговый или дискретный). Процедура масштабирование используется только в каналах, работающих с аналоговыми переменными. Она включает в себя две операции: умножение и смещение. Последовательность этих операций меняется в зависимости от типа канала: -у каналов типа INPUT входное значение умножается на заданный множитель и к полученному результату добавляется величина смещения, результат присваивается аппаратному значению канала; - у каналов типа OUTPUT к аппаратному значению добавляется величина смещения, затем эта сумма умножается на заданный множитель, а результат присваивается выходному значению канала. Процедура трансляция определена для всех каналов независимо от их типа и вида представления. У входных каналов процедура трансляции преобразует аппаратное значение в реальное, а для выходных - наоборот. Для этого вызывается FBD-программа. Вызываемая программа выбирается при настройке процедуры. При настройке процедуры входные и выходные аргументы выбранной программы связываются с атрибутами текущего канала, а также любых других каналов из текущей базы. Поэтому процедура трансляции одного канала может также использоваться для формирования значений других каналов. Рассмотрим пример использования процедуры трансляция [76]. Необходимо измерять расход вещества, транспортируемого по трубопроводу, и интегрировать его по времени для расчета техникоэкономических показателей производства. На трубопроводе установлен датчик скорости потока. Решение. Для решения этой задачи потребуется один канал типа INPUT. Его аппаратное значение необходимо связать с данными, поступающими от датчика скорости потока (адресация каналов будет описана в следующем разделе), настроить коэффициенты 209 масштабирования и дрейфа нуля исходя из геометрических характеристик трубопровода и физических свойств потока для перевода измеренной скорости в величину расхода. Далее следует создать FBD-программу, в которой будет выполняться интегрирование входной величины и результат записываться в выходную переменную. Затем эту программу надо установить для процедуры трансляция данного канала (написание программ для процедур канала будет рассмотрено ниже). При такой конфигурации во входном значении канала будет находиться информация о скорости потока, в аппаратном - величина расхода вещества, а в реальном - количество прошедшего по трубе вещества. Набор процедур в канале зависит от формата данных. Каналы, работающие с аналоговыми переменными, используют процедуры масштабирование, трансляция, фильтрация и управление. В каналах обрабатывающих дискретные параметры используются логическая обработка, трансляция и управление. Фильтрация - процедура, которая присутствует только у аналоговых каналов. Набор выполняемых ею операций отличается для входных и выходных каналов. У каналов типа INPUT фильтрация выполняется после процедуры трансляции до формирования реального значения. Фильтрация включает в себя следующие операции: подавление случайных всплесков в тракте измерения; подавление малых колебаний значения канала; экспоненциальное сглаживание; контроль шкалы – отслеживание выхода реального значения канала за установленные границы шкалы. У каналов типа OUTPUT данная процедура формирует реальное значение по входному значению. При этом выполняются следующие операции: ограничение скорости изменения реального значения; подавление малых колебаний значения канала; экспоненциальное сглаживание; контроль шкалы – обрезание величины управляющего воздействия до границ шкалы канала. Управление – процедура, которая определена для всех каналов и реализует функцию управления. С ее помощью можно вызвать FBDпрограмму, в которой можно запрограммировать требуемые алгоритмы управления. В качестве аргументов программе могут передаваться значения и атрибуты любых каналов из текущей базы. Эти аргументы могут быть как входными, так и формируемыми. Формально процедура управление связана с каналом только циклом пересчета. Она может вообще никак не участвовать в формировании 210 его значений, а управлять другими каналами. Такая ситуация часто наблюдается при использовании процедуры управление на каналах типа INPUT. Кроме основных значений канал имеет дополнительные переменные: шесть границ, гистерезис, настройки процедур обработки, начальные параметры, флаги архивирования и др. Переменные, настройки и идентификаторы канала образуют список его атрибутов. Часть из них задается в редакторе базы каналов и не может быть изменена в реальном времени. Другие могут иметь начальные значения и доступны для изменения. 5.3.4. Подтип канала. Подтип канала указывает класс источников или приемников данных, с которыми будет связываться канал. Для каналов типа INPUT подтип характеризует получаемую ими информацию (АНАЛОГ - значение АЦП, считанное с платы УСО, СИСТЕМНЫЙ - состояние системы, СВЯЗЬ - данные с удаленных узлов проекта и пр.). Каналы OUTPUT имеют тот же набор подтипов, что и каналы INPUT. Однако для них подтип определяет класс приемников, а не источников данных (АНАЛОГ - значение ЦАП, СИСТЕМНЫЙ - состояние системы, СВЯЗЬ - значения управляемых каналов на удаленных узлах проекта и пр.). Всего существует шестнадцать подтипов каналов. Все они могут задаваться как для входных, так и для выходных каналов. Подтип канала задает класс источников или приемников данных. Кроме того, подтип канала определяет также количество его дополнительных настроек. Уточнение источника или приемника в рамках заданного подтипом класса осуществляется с помощью дополнения к подтипу. Последний уровень адресации источника или приемника данных осуществляется с помощью настроек канала. Пример 8. Пусть надо настроить канал для запроса данных от удаленного МРВ по протоколу M_LINK. Тип канала в этом случае следует установить INPUT, поскольку данные запрашиваются. Для обмена данными с удаленными мониторами ТРЕЙС МОУД по любой линии связи используется подтип каналов СВЯЗЬ. Дополнение к подтипу должно быть задано In M_Link. Такой канал будет иметь пять настроек. В них будет указываться номер последовательного порта, имя удаленного монитора, название объекта базы каналов, имя канала и его атрибут. 211 5.3.5. Атрибуты каналов. Границы шкалы указывают возможный диапазон изменения контролируемого параметра. Например, если датчик позволяет измерять давление в диапазоне от 0 до 10 кгс/см2 , то его показания, лежащие вне данного диапазона, являются заведомо недостоверными. Если задать для канала границы шкалы, то при выходе за них его реального значения может автоматически формироваться признак недостоверности данных. Эта информация может быть доведена до оператора и зафиксирована в архивах. Пример 9 [76]. Рассмотрим обработку аварийной ситуации и использование аварийных границ и интервала. Рассмотрим решение следующей задачи: при понижении давления в котле ниже предаварийной границы (НГ_0) надо записать в отчет тревог сообщение "КОТЕЛ_1 предаварийное состояние" и проиграть предупреждающий звуковой файл. Для решения этой задачи потребуются два канала. Настроим один из них на прием данных (INPUT) от датчика давления и зададим ему имя ДАВЛЕНИЕ. Для этого канала в диалоге Реквизиты установим флаг сохранения в отчете тревог и, исходя из технологических требований, зададим значение границы НГ_0 и в бланке Сообщения в отчет тревог введем требуемое сообщение для записи в отчет тревог. Второй канал должен иметь тип OUTPUT, подтип СИСТЕМНЫЙ и дополнение к подтипу звуковой файл. Имя этому каналу дадим ЗВУК. Далее создадим программу, содержащую два аргумента. Эта программа должна при отличии первого аргумента от 0 формировать значение второго аргумента равным 1 (номер звукового файла, содержащего вой сирены), а в противном случае - 0. Установим ссылку на эту программу из процедуры УПРАВЛЕНИЕ канала ЗВУК. В качестве первого аргумента будем использовать значение интервала канала ДАВЛЕНИЕ, а в качестве второго - реальное значение канала ЗВУК. Теперь при переходе реального значения канала, измеряющего давление, через границу НГ0 аппаратное значение канала, управляющего звуковой платой, будет равно 1. Файл с записанным звуковым предупреждением должен находиться в директории проекта и иметь имя 1.wav. 212 5.4. Обмен данными в SCADA-системе TRACE MODE Если речь идет о связи между компонентами одного узла, то вопрос об аппаратно-программном интерфейсе, который должен быть задействован для обеспечения связи, не возникает. В этом случае достаточно выполнить конфигурирование свойств связь/вызов компонентов. Если взаимодействующие компоненты относятся к разным узлам, то интерфейс связи должен быть указан и сконфигурирован. Мониторы реального времени ТРЕЙС МОУД могут обмениваться данными по следующим линиям: локальная сеть; последовательный интерфейс RS-232, RS-485, RS-422; радиоканал; выделенная телефонная линия; коммутируемые телефонные линии; сети GSM. По этим носителям необходимо организовать информационные потоки всех уровней системы управления. При этом могут реализоваться как вертикальные связи (между уровнями), так и горизонтальные (между узлами одного уровня). Например, при задании связи двух каналов разных узлов по RS необходимо создать в узлах компоненты COMпорт, задать для них необходимые параметры и указать для каналаприемника используемый интерфейс связи. 5.4.1. Последовательный интерфейс. Обмен по всем линиям, кроме локальной сети, реализуется через последовательный порт по протоколу M-LINK. Узлы в сети M-LINK неравноправны: один имеет статус MASTER, а остальные – SLAVE. Такие сети следует использовать для связи между операторскими станциями и контроллерами. Монитор со статусом MASTER является активным. Он посылает команды управления и запросы на передачу информации. Монитор со статусом SLAVE принимает посланные ему команды и передает запрошенные данные. Команды управления содержат указания на изменение значений атрибутов каналов удаленного узла. Таким образом, запросы, посылаемые монитором со статусом MASTER, могут быть двух типов: 1) Запрос данных (используется для получения значений каналов или другой информации от монитора со статусом SLAVE); 2) Запрос на изменение (используется для изменения значений атрибутов каналов на удаленном мониторе). В запросах на изменение 213 передаются новые значения корректируемых атрибутов удаленной базы. Следует отметить, что в одной сети M-LINK не может быть двух мониторов, для которых установлен статус MASTER. Чтобы один монитор выступал и как MASTER, и как SLAVE, надо создать параллельные сети, используя при этом по два последовательных порта на каждом узле. Тогда два монитора смогут работать в режиме MASTER. 5.4.2. Обмен по протоколу M-LINK. Для обмена данными между мониторами ТРЕЙС МОУД по последовательному интерфейсу используется протокол M-LINK. Он применяется для обмена по интерфейсам RS-232, RS-485, RS-422, радиоканалу, коммутируемым телефонным линиям и GSM сети. Используя протокол M-LINK, в рамках ТРЕЙС МОУД можно создавать сетевые комплексы на базе последовательного интерфейса RS-485. Такие комплексы могут включать в себя до 128 узлов (контроллеров и операторских станций). При этом связь может осуществляться по нескольким последовательным портам. Для связи двух мониторов можно использовать интерфейс RS232. Чтобы связаться с несколькими удаленными узлами по этому интерфейсу, нужно иметь соответствующее количество последовательных портов. Это позволяет организовать связь типа "звезда". Такая конфигурация может потребовать дополнительных затрат на многоканальные платы. Однако она позволяет быстрее передавать данные за счет распараллеливания обмена с разными удаленными узлами. ТРЕЙС МОУД поддерживает обмен одновременно по 32 последовательным портам. Для связи сильно разнесенных в пространстве мониторов можно использовать радиоканал, выделенные или коммутируемые телефонные линии. В этих случаях нужны дополнительные устройства - модемы. Они согласуют электрические характеристики последовательных портов и используемой среды передачи. 5.4.3. Организация ввода/вывода данных. Настройка каналов. Для обмена данными по последовательному интерфейсу между мониторами TRACE MODE применяются каналы подтипа СВЯЗЬ. В зависимости от направления передачи информации используются разные дополнения к подтипу этих каналов. Для запроса данных по протоколу M-LINK предназначены каналы подтипа СВЯЗЬ с 214 дополнением In M_LINK и дополнением In M_Link(T) . Для второго из них вместе со значением канала передается время его последнего изменения. При этом отображаемое время изменения значения канала соответствует времени того МРВ, из которого считывается канал. Оно копируется в соответствующий атрибут запрашивающего канала, а также заносится в архивы. Для передачи данных следует использовать каналы с дополнением OUT M_LINK и дополнением OUT M_LINK(T) . В последнем случае, также, как и при запросе, со значением канала передается время его формирования. При считывании значения канала по M-Link(T) из Микро МРВ в МРВ отображаемое время изменения канала соответствует времени МРВ. Указанные каналы имеют следующие настройки: - NN - номер последовательного порта; - NODE - имя удаленного узла; - CH - имя канала на удаленном узле; - ATR - копируемый атрибут удаленного канала; - OBJ - имя объекта в базе каналов удаленного узла. Номер последовательного порта задается вводом с клавиатуры в соответствующем поле диалога Каналы объекта. Значение этой настройки должно быть на 1 меньше номера соответствующего порта (0 – COM1, 1 – COM2, …). Остальные настройки указываются в диалоге выбора канала. Он выводится на экран при нажатии ЛК в области задания значения любой из них. Пример 10. Настроить канал для передачи значения верхнего предела показаний аналогового датчика из операторской станции АРМ в 1-й аналоговый канал 1-го посадочного места платы УСО контроллера MFK_1 по последовательному интерфейсу от порта COM1. Решение. Канал объекта _БАЗА с именем AI_-peHL_out будет иметь следующие настройки: Тип – OUT; подтип – СВЯЗЬ; дополнение к подтипу – In M_LINK; NN - 0; NODE - MFK_1; CH – AI_-pe01-0001; ATR ВПредел; OBJ - _БАЗА. Следует отметить, описанные каналы создаются только в базе монитора со статусом MASTER. Каналы выдачи команды (OUT) по последовательному интерфейсу не работают, если на тот же COMпорт не настроен хотя бы 1 канал INPUT (даже выключенный). 215 При ответе на запрос узел со статусом SLAVE анализирует аппаратную недостоверность запрашиваемого канала. Если значение недостоверно, то вместо него отсылается значение FFFF. Узел со статусом MASTER, получив такое значение, не изменяет значение запрашивающего канала, но выставляет ему флаг недостоверности. 5.4.4. Настройка МРВ для обмена по M-LINK. Для обмена данными по протоколу M_LINK необходимо настроить соответствующие параметры запуска узла. К ним относятся статус узла, а также физические параметры связи. Параметры обмена по протоколу M_LINK настраиваются в бланках Основные и Параметры последовательных портов диалога Параметры узла. Для входа в этот диалог необходимо нажать ПК на изображении настраиваемого узла в редакторе базы каналов. Статус узла при обмене по протоколу M_LINK задается в бланке Основные диалога Параметры узла. Чтобы узел поддерживал статус MASTER, необходимо установить флаг M_Link в разделе Host Mode данного бланка, а для поддержки режима SLAVE – тот же флаг в разделе Slave Mode. Кроме статуса, при обмене по M_LINK необходимо настроить физические параметры порта, через который будут передаваться данные. Для обмена данными с контроллерами по последовательным интерфейсам надо настроить используемые порты. Это реализуется в бланке Параметры последовательных портов диалога Параметры узла редактора базы каналов. Для входа в него надо выделить настраиваемый узел и нажать ПК. Этот бланк содержит список последовательных портов (COM1 – порт 0, COM32 – порт 31) и семь полей настройки параметров выбранного в списке порта. Такими параметрами являются: - назначение порта; - базовый адрес порта; - скорость обмена; - параметры связи; - таймаут на ожидание ответа; - номер используемого прерывания; - режим управления передатчиком. Значение параметра «Назначение порта» формируется из списка, содержащего четыре следующих пункта: - Связь с контроллерами; 216 - Slave M_LINK; - Modem; - GSM_SMS. По умолчанию устанавливается значение Связь с контроллерами. Это означает, что порт используется для обмена с контроллерами через внешний драйвер или по встроенным протоколам со статусом MASTER. Для обмена по протоколу M_LINK со статусом SLAVE, в данном поле следует установить назначение – Slave M_LINK. Режим связи Modem нужно установить для порта при его использовании для обмена по коммутируемым линиям, а GSM_SMS – при обмене по GSM сети. Два поля бланка Параметры портов такие, как «Базовый адрес порта» и «Номер используемого прерывания» предназначены для задания базового адреса и номера прерывания порта. Они имеют смысл при настройке узла, запускаемого под управлением Микро МРВ. В остальных случаях эти параметры портов настраиваются средствами WINDOWS из Панели управления (см. Справочную систему ТРЕЙС МОУД). В любом случае их нельзя оставлять нулевыми, желательно задать их реальные значения. Например, Базовый адрес порта – 3f8, Номер используемого прерывания – 4. Следующее поле «Скорость обмена» заполняется из списка: 110, 150, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19.2k, 38.4k, 57.6k, 115.2k, 144k, 192k, 288k, 576k. Причем скорость обмена по протоколу M-LINK не должна быть ниже 600 бит/с. Её величина при обмене по последовательным портам ограничивается расстоянием и наличием помех в линии. Чем ниже скорость обмена, тем меньше вероятность сбоя. Например, она может быть назначена равной 4800 бит/с. В поле «Параметры связи» задаются такие параметры обмена, как: количество информационных бит в посылке; количество стоповых бит; наличие проверки на четность. Значение всех этих параметров задается выбором из списка. Каждая строка этого списка содержит одно из доступных сочетаний этих трех параметров. Эти строки имеют следующий формат: k-m-x, где k – количество информационных бит; m – количество стоповых бит; x – наличие проверки на четность (n – отсутствие проверки, e – проверка на четность, o – проверка на нечетность). 217 Значение поля «Таймаут на ожидание ответа» вводится непосредственно с клавиатуры. Оно задает время ожидания ответа от устройства, которому был послан запрос по данному порту. Величина времени ожидания задается в миллисекундах. Если величина таймаута не задана, то она принимается равной 100 мс. Если в течение времени таймаута ответ на запрос от устройства или МРВ не пришел, то каналу, запрашивающему эти данные, взводится флаг аппаратной недостоверности. Кроме того, для задания времени задержки на включение передатчика после завершения приема в каналах на базе RS-485 и RS232 используется таймаут «RS-передача». Его значение в миллисекундах задается в бланке Таймауты того же диалога. В поле «Режим управления передатчиком» вносится «Нет», если не требуется управлять передатчиком. Остальные пункты, кроме первого, задают различные режимы управления. Можно заметить, что МикроМРВ поддерживает до 4 связей со статусом MASTER по M-Link или по другому встроенному протоколу (по 4-м COM-портам, имеющим один и тот же вектор прерывания), а со статусом SLAVE – только одну связь (на любом прерывании). В рамках задач управления обменом по последовательным портам ТРЕЙС МОУД позволяет осуществлять следующие операции: - отключение обмена по указанному порту; - переключение обмена на резервный порт; - отключение группы каналов от обмена. Подробнее информацию можно найти в справочной системе ТРЕЙС МОУД. 5.5. Обмен данными через механизмы OРC Одним из самых перспективных стандартов обмена данными между приложениями WINDOWS при создании систем управления является механизм OPC. OPC (OLE for Process Control) - стандартизованные интерфейсы для Microsoft технологии COM, предназначенные для применения в области автоматизации управления технологическими процессами. Стандарт ОРС разработан международным фондом OPC Foundation, который был создан фирмами Fisher-Rosemount, Intellution, 218 Intuitive Technology, Opto22, Rockwell и Siemens в 1995 году. В 1996 году появилась первая версия спецификации ОРС. ОРС в настоящее время является стандартом, который признан как разработчиками, так системными интеграторами и пользователями АСУ ТП. Сегодня практически все производители программного и аппаратного обеспечения АСУ ТП разрабатывают продукты, соответствующие этому стандарту. За последние несколько лет ОРС серверы полностью вытеснили DDE (Dynamic Data Exchange) серверы и специализированные драйверы для аппаратных средств автоматизации. DDE - самый старый (время появления - 1989-1991 годы) и очень медленный способ динамического обмена данными между Windows приложениями, был со временем заменен (преобразован) в OLE (Object Linking and Embedding). OLE первоначально и до середины 90-х годов использовался исключительно Microsoft для обмена данными между ее офисными приложениями. Во время разработки Windows NT появилась технология DCOM (Distributed Componet Object Model) как продолжение технологии COM. DCOM была разработана для распределенных клиент-серверных приложений. Один клиент мог одновременно использовать несколько серверов, установленных на разных компьютерах в сети и каждый сервер одновременно мог обслуживать несколько клиентов. В настоящее время ОРС базируется практически исключительно на DCOM технологии фирмы Microsoft для распределенных систем. Главным понятием DCOM является понятие интерфейса, посредством которого DCOM объекты обслуживают клиентов. OPC сервер NLopc является программной системой, позволяющей подключить аппаратуру, выпускаемую НИЛ АП, к программному обеспечению сторонних производителей, если оно удовлетворяет стандарту ОРС. Сервер NLopc имеет следующие отличительные особенности: - возможность задания различных прав доступа к тегам для различных клиентов сервера; - возможность добавления новых устройств в расширяемую библиотеку драйверов; - содержит встроенный редактор скриптов VBScript для описания пользовательских конверторов входных переменных; 219 - поддерживает пользовательские DLL-библиотеки для описания сложных конверторов входных переменных; - кроме стандартного ОРС интерфейса имеет дополнительный упрощенный COM интерфейс Easy Access для управления устройствами; - cодержит объект, служащий для интеграции сервера NLopc и OPC серверов сторонних производителей с программами, не поддерживающими OPC, но поддерживающими OLE, например MS Excel, Matlab. Сервер NLopc работает под Windows2000, XP или NT, позднее Windows NT 4.x. Требования к аппаратным показателям компьютера (объем RAM, объем HDD, и т.д.), полностью соответствуют требованиям к операционной системе. Оптимально подходят для работы сервера NLopc Windows NT 4.x, Windows NT 2000, Windows XP. Требуемый объем свободного места на жестком диске составляет пять мегабайт. ОРС сервер работает только с СОМ портами или их эмуляторами. МРВ может выступать в качестве OPC-сервера и OPC-клиента. В качестве OPC-клиента он поддерживает следующие режимы: - SYNC/CACHE – синхронное чтение из кэша; - SYNC/DEVICE – синхронный обмен данными с устройством; - ASYNC/DEVICE – асинхронный обмен данными с устройством; - ADVISE – асинхронное чтение данных при изменении их значения. В режиме ADVISE МРВ принимает значения, присылаемые по каналу подписки. Они обычно присылаются сервером только при изменении значения параметра. В режиме ASYNC МРВ опрашивает OPC-сервер и принимает данные, присылаемые по каналу подписки в случае изменения значения параметра. При этом поддерживаются следующие типы данных: - VT_R4 (FLOAT, 4 байта) – для каналов типа FLOAT; - VT_I4 (INT, 4 байта) – для каналов типа HEX. Для обмена данными по OPC между мониторами ТРЕЙС МОУД используются каналы подтипа СВЯЗЬ с дополнениями In OPC – прием данных от МРВ по OPC , Out OPC – передача данных МРВ по OPC. 220 При настройке связи по OPC для каждого узла необходимо указать имя компьютера, на котором он будет запущен. Для этого в диалоге Параметры узла на бланке Основные предусмотрено поле Имя компьютера. Для доступа к удаленному компьютеру может потребоваться запуск утилиты DCOMCNFG.EXE и установка соответствующих разрешений пользователям. Каналы для связи с ОРС-сервером создаются процедурой автопостроения. Чтобы запустить её следует, находясь в окне объектов настраиваемого узла, выполнить команду “Связать с OPCсервером” из меню “Узел” или нажать сочетание клавиш “Alt”+”L”. При этом появится экран “Выбор сервера OPC”, на котором имеется тир кнопки: ”Добавить”, ”Удалить”, ”Изменить”. Нажатие кнопки ”Добавить” выводит на экран “Выбор сервера OPC” перечень серверов, зарегистрированных на локальной машине или на любом компьютере, присутствующем в сети. Указанный сервер добавляется в список предыдущего диалога. По нажатию кнопки ”Удалить” выделенный в списке сервер удаляется из окна. Кнопка ”Изменить” используется для замены выделенного сервера. Она выводит на экран тот же диалог, что и кнопка ”Добавить”. Выбранный в нем сервер заменяет текущий. Чтобы создать каналы ТРЕЙС МОУД для обмена с выделенным в списке сервером надо нажать ЛК на кнопке “Выбрать”. В левом окне появившегося экрана следует выбрать каналы OPCсервера, которые надо контролировать в МРВ, и перенести их в правое окно нажатием ЛК на кнопке “>>”. После выхода из этого диалога в базе каналов появится новый объект, имя которого образовано из идентификатора OPC-сервера. В нем создаются каналы для обмена с указанными каналами сервера. 5.6. Обмен с базами данных через механизмы ODBC Для связи с базами данных и бизнес-приложениями в МРВ встроена поддержка интерфейса ODBC [76]. МРВ может запрашивать данные из зарегистрированных источников данных ODBC и записывать в них значения каналов. При этом передача значений каналов может осуществляться как в режиме формирования новых записей в базе (INSERT), так и в режиме обновления существующих (UPDATE). Для 221 взаимодействия с любой базой данных ее надо зарегистрировать как источник. Это делается с помощью панели управления WINDOWS. Чтобы связаться с базами данных (БД) по ODBC в директории проекта надо создать конфигурационный файл odbc.cfg. Этот файл имеет текстовый формат. В нем описывается база данных, имя пользователя, имеющего доступ к ней, а также элементы запросов на языке SQL для управления обменом данными. При этом с целью обеспечения обмена с любыми ODBC-серверами фрагменты SQLзапросов следует записывать прописными буквами. Перед тем как создать источник данных необходимо убедиться в наличии TRACE MODE ODBC driver – драйвера, установка которого обычно производится автоматически при инсталляции системы. Если по каким-то причинам он не установлен, необходимо выполнить его установку вручную [70]. Для взаимодействия с любой базой данных ее надо зарегистрировать как источник с помощью панели управления WINDOWS. Это могут быть популярные программы Microsoft Access или Excel. Так, если представленная в предыдущем разделе проектная документация составлена в виде таблиц программы Microsoft Access и сконфигурирована в файл “Проектная документация.mdb”, то чтобы переписать её в БД необходимо: 1) Создать источник данных ODBC, для чего на диске C следует открыть Панель управления MS Windows. Если это – Win9x или WinNT, то дважды нажать ЛК мыши на иконке “Источники данных ODBC” (для Win200 эта иконка расположена в пункте Администрирование). В появившемся диалоговом окне Администратор источников данных ODBC следует выбрать бланк Пользовательский DSN и нажать кнопку ”Добавить”. Затем в окне Создание нового источника данных выбрать из списка пункт Driver do Microsoft Access (*.mdb) и нажать кнопку ”Готово”. 2) В поле Имя источника данных записать имя проекта, например, YPN и нажать кнопку “Выбрать”. Теперь в качестве БД нужно выбрать с диска С файл “Проектная документация.mdb”, нажать “Ок” и закрыть Администратор источников данных ODBC. 222 6. ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ АСУТП НА БАЗЕ SCADA-СИСТЕМЫ TRACE MODE 6.1. Учебный лабораторный стенд Для изучения задач проектирования и исследования АСУТП с использованием SCADA-системы на кафедре САУ Таганрогского государственного радиотехнического университета разработан учебный лабораторный стенд, состоящий из макета объекта, нагревателя, охладителей, датчика и промышленных модулей ввода/вывода. На его основе студенты проектируют двухуровневую АСУТП, нижний уровень которой предназначен для реализации локальной системы управления (см. рис. 34). Верхний уровень этой системы, реализованный на ПК, представляет собой АРМ операторадиспетчера, которым является студент, выполняющий лабораторную работу. На нижнем уровне управления на базе указанных блоков создан контур регулирования температуры, в котором исследуются различные законы управления (разд. 3 части 2). При этом могут меняться характеристики объекта в зависимости от помещенного в него предмета, что студенты наблюдают в процессе идентификации. Показатели качества процесса регулирования, задание, предельные значения технологических параметров изменяются оператором-студентом с ПК – АРМ. Помимо функций управления в системе реализованы функции измерения и контроля по предельным значениям таких параметров объекта, как влажность и давление. Предлагаемый читателю пример, как и изложенный выше материал, не могут охватить всех проблем создания АСУТП с помощью TRACE MODE. Однако знакомство с ним, наряду с изучением справочной системы TRACE MODE и выполнением на их основе лабораторных работ, позволит облегчить ориентацию в интегрированной среде разработки АСУТП. Заметим, что разработка АСУТП, выполненная в предлагаемом примере, основана на 6-й версии TRACE MODE, как более совершенной, имеющей наглядную объектную структуру и позволяющей осуществлять связь между объектами методом простого перетаскивания иконок. 223 6.2. Создание проекта Рассмотрим поэтапно создание упрощенного варианта автоматизированной системы на учебном лабораторном стенде. 6.2.1. Созд ан и е шаблон а экран ов. От кроем си ст ем у разработ ки и с п ом ощ ью н ажат и я ЛК м ы ш и н а и кон ку созд ад и м н овы й п роект . В кач ест ве ст и л я разработ ки вы берем Стан д артн ый . Пример набора граф и ч ески х объ ект ов показан на рис. 53. Ри с. 53 Перей д ем в сл ой ‘‘Би бли отеки _ком п он ен тов’’, гд е в разд ел е ‘‘Пользовательская’’ от кроем би бл и от еку Library_1. Сохран ен н ы й в д ан н ой би бл и от еке объ ект Object_1 сод ержи т в своем сл ое ‘‘Resources’’ (Ресурсы ) н еобход и м ы й для 224 д ал ьн ей ш ей разработ ки н абор граф и ч ески х объ ект ов: т аки х как и зображен и я д ви гат ел ей , ем кост ей , кл ап ан ов и т .д . Перен есем груп п ы в сл ой Ресурсы т екущ его п роект а с п ом ощ ью м ехан и зм а drag-and-drop и п ереи м ен уем и х, как п оказан о н а ри с. 54. З д есь же в сл ое Ресурсы созд ад и м груп п у Карти н ки д л я п ом ещ ен и я в н ее т екст ур (см. ри с. 55), кот оры е буд ут и сп ол ьзован ы в оф орм л ен и и созд аваем ы х граф и ч ески х экран ов, и груп п у Ан и м аци я д л я и сп ол ьзован и я д ви жущ и хся объ ект ов (н ап ри м ер, Огон ь, и зображающ и й вкл юч ен н ы й н агреват ел ь). Рис. 54 Рис. 55 Созд ад и м в груп п е Карти н ки н овы й ком п он ен т --Би бли отека_Изображен и й #1. Диалоговое окно примет вид, показанный на рис. 56. 225 От кроем би бл и от еку д вой н ы м щ ел ч ком ЛК вн овь созд ан н ую для ред акт и рован и я . Дл я ее зап ол н ен и я восп ол ьзуем ся и кон кой н а п ан ел и и н ст рум ен т ов. В от кры вш ем ся д и ал оге вы бора ф ай л ов д л я и м п орт а укажем п од д и рект ори ю Trace Mode IDE 6 Base\Lib\Texture, вы берем все ф ай л ы и н ажм ем кн оп ку Открыть (см. ри с. 57). Ри с. 56 Ри с. 57 Сод ержи м ое би бл и от еки Би бли отека_Изображен и й #1 буд ет иметь вид, показанный на рис. 58. 226 Проект имеет древовидную структуру. В него входят следующие компоненты, приведенные на рис. 59. Ри с. 58 Ресурсы Шаблоны программ Шаблоны экранов База каналов Система Источники/приемники Рис. 59 Опишем назначение каждого из компонент рис. 59: Ресурсы – содержат библиотеки картинок, анимаций и пользовательских объектов, загружаемых из библиотеки компонентов. Шаблоны программ – содержат алгоритмы FBD-программ, используемых в проекте. Шаблоны экранов – содержат статические изображения мнемосхем, которые представляют проект в мониторе реального времени (МРВ). В базе каналов находятся все каналы, необходимые для обмена информацией между компонентами проекта. Система – отображает все узлы проекта (МРВ, микроМРВ). 227 Источники/приёмники – предназначены для связи МРВ с устройством связи с объектом (УСО). В шаблон ах экран ов созд ан ы пять экран ов: ст ен д , вы ход , ош и бка, уп равл ен и е и ШИМ, как показано на рис. 60. Рис. 60 Оп и ш ем н азн ач ен и е кажд ого и з н и х и п ри вед ём п арам ет ры эл ем ен т ов. Экран стен д : от ображает м н ем осхем у, п ред ст авл я ющ ую п он я т н ую оп ерат ору схем у п роцесса уп равл ен и я , п озвол я ющ ая кон т рол и роват ь п роцесс и вн оси т ь и зм ен ен и я в п арам ет ры . Мн ем осхем а приведена на рис. 61. Аргум ен т ам и экран а , приведенного на рис. 62, я вл я ют ся : - Input --- п оказан и я д ат ч и ка т ем п ерат уры в объ ект е уп равл ен и я ; - Zdn --- зад ан и е регул я т ору; - Kp --- коэф ф и ци ен т п роп орци он ал ьн ост и регул я т ора ; - Ki --- коэф ф и ци ен т и н т егри рован и я регул я т ора ; - Dlt --- вел и ч и н а зон ы н еч увст ви т ел ьн ост и ; - VLAG --- п оказан и я д ат ч и ка вл ажн ост и в объ ект е уп равл ен и я ; 228 - DAVL --- п оказан и я д ат ч и ка ат м осф ерн ого д авл ен и я в объ ект е уп равл ен и я ; - Mode --- вы бор регул я т ора ; - Start --- разреш ает зап и сь в т еги ; - Doroga --- обесп еч и вает д и н ам и ч еское д ви жен и е бегущ ей д орожки н а м н ем осхем е ; - Nagrev --- п еред аёт зн ач ен и е в кан ал н агреват ел я ; Рис. 61 229 Рис. 62 - Vent1 --- уп равл я ет верхн и м вен т и л я т ором ; - Vent2 --- уп равл я ет н и жн и м вен т и л я т ором ; - Time --- п ред н азн ач ен д л я вы вод а аст рон ом и ч еского врем ен и н а м н ем осхем е ; - Oxlajdenie --- п озвол я ет сн и зи т ь т ем п ерат уру в объ ект е уп равл ен и я п осл е н агреван и я ; - Reset --- зап и сы вает н ол ь во все т еги . Ти п IN озн ач ает , ч т о д ан н ы е сч и т ы вают ся и з кан ал а, а т и п OUT - зап и сы вают ся в кан ал . Ти п д ан н ы х Real --- реал ьн ое зн ач ен и е д ан н ы х, т и п д ан н ы х DATE AND TIME --- си ст ем н ое врем я , кот орое от ображает ся н а м н ем осхем е. Фл аг NP озн ач ает ч т о эт от аргум ен т н е уч аст вует в авт оп ост роен и и какн ал ов. Граф и ч ески е эл ем ен т ы (ГЭ), приведенные на рис. 63, я вл я ют ся ст ат и ч ески м и , кром е эл ем ен т а от ображен и я д ат ы и врем ен и . Он и я вл я ют ся д и н ам и ч ески м и , п ри вя зан н ы е к аргум ен т у Time и и м еют н аст рой ки , показанные на рис. 64. 230 Рис. 63 Г рафичечкие элементы от ображают п оказан и я д ат ч и ков и п ри вя зы вают ся так, как это показано на рис. 65 - рис.67. Г рафический элемент сод ержи т т ри д и н ам и ч ески х эл ем ен т а. Он и сод ержат ся в ресурсах п роект а. 231 Рис. 64 Рис. 65 Рис. 66 232 Рис. 67 Графический элемент рис. 68. и м еет н аст рой ки , показанные на 233 Рис. 68 Привязка графического элемента показана на рис. 69. Г рафический элемент и м еет п арам ет ры , показанные на рис. 70. Графический элемент, показанный на рис. 71, и м и т и рует работ у регул я т ора . Графические элементы я вл я ют ся «кн оп кам и ». 234 Рис. 69 Рис. 70 235 Рис. 71 При выборе кнопок открываются диалоговые окна. При выборе кн оп ки «ПИ» открываются диалоговое окно, показанное на рис. 72. При выборе кн оп ки «Рел е» открываются диалоговое окно, показанное на рис. 73. При выборе кн оп ки «З ад ан и е» открываются диалоговое окно, показанное на рис. 74. При выборе кн оп ки «Кп » открываются диалоговое окно, показанное на рис. 75. При выборе кн оп ки «К и» открываются диалоговое окно, показанное на рис. 76. При выборе кн оп ки «З.Н.и» открываются диалоговое окно, показанное на рис. 77. Графические элементы «Ди н ам и ч ески й т екст », расп ол ожен н ы й н ап рот и в кн оп ок, п ри вя зы вает ся к т ем же аргум ен т ам , к кот оры м п ри вя зан ы кн оп ки . 236 Рис. 72 Рис. 73 237 Рис. 74 Рис. 75 238 Рис. 76 Рис. 77 239 На рис. 78 показана привязка кн оп ки . Рис. 78 При выборе кн оп ки окно, показанное на рис. 79. При выборе кн оп ки показанное на рис. 80. открывается диалоговое открывается диалоговое окно, Графический элемент «Ди н ам и ч ески й т екст » от ображает т и п регул я т ора и н аст раи вает ся в диалоговом окне, вид которого показан на рис. 81. 240 Рис. 79 Рис. 80 241 Рис. 81 Поскол ьку в п роект е и сп ол ьзуют ся н ескол ько экран ов, п ред усм от рен п ереход м ежд у н и м и с п ом ощ ью кнопок, показанных на рис. 82. Рис. 82 242 Кн оп ки п ереход а п о экран ам н аст раи вают ся из диалогового окна, вид которого и пример настройки приведен на рис. 83. Рис. 83 Ан ал оги ч н о н аст раи вают ся и д руги е кн оп ки . Б егущ и е д орожки н аст роен ы тек, как это показано на рис. 84. Рис. 84 243 Экран выход от ображает в режи м е реал ьн ого врем ен и п оказан и я д ат ч и ка т ем п ерат уры и зн ач ен и е зад ан и я . С п ом ощ ью н его м ожн о н абл юд ат ь в реал ьн ом врем ен и п ереход н ую характ ери ст и ку объ ект а . Пример приведен на рис. 85. Рис. 85 Определение аргум ен т ов д ан н ого экран а показано на рис. 86 Рис. 86 Наст рой ки т рен д а показаны на рис. 87. 244 Рис. 87 Экран оши бка от ображает в режи м е реал ьн ого врем ен и зн ач ен и е си гн ал а рассогл асован и я . Пример показан на рис. 88. 245 Рис. 88 Определение аргум ен т ов показано на рис. 89. Рис. 89 Наст рой ки т рен д а показана на рис 90. Экран уп равлен и е от ображает в режи м е реал ьн ого врем ен и зн ач ен и е уп равл я ющ его возд ей ст ви я, как это показано на рис. 91. Определение аргум ен т ов для данного случая показано на рис. 92. Наст рой ки т рен д а показана на рис. 93. 246 Рис. 90 Рис. 91 247 Рис. 92 Рис. 93 248 Экран ШИМ от ображает в режи м е реал ьн ого работ у ш и рот н о-и м п ул ьсн ого м од ул я т ора , как это показано на рис.94. Рис. 94 Определение аргум ен т ов показано на рис. 95. Рис. 95 Наст рой ки т рен д а показана на рис. 96. В шаблон ах п рограм м созд ад и м два FBD (Functional Blocks Diagram)-п рограм м ы , как это показано на рис. 97. 249 Рис. 96 Рис. 97 250 6.2.2. Создание шаблонов программ. Програм м а Регули рован и е реал и зует ал гори т м ы ПИ-регул я т ора, и м и т и рует работ у рел ей н ого регул я т ора, осущ ест вл я ет п ерекл юч ен и е м ежд у н и м и , обесп еч и вает д и н ам и ч еское от ображен и е бегущ и х д орожек и разреш ает зап и сь зн ач ен и й в т еги . Поскол ьку FBD-п рограм м а д ост ат оч н а объ ём н а, п ри вед ём её схем ат и ч н ое и зображен и е , вид которого показан на рис. 98. Оп и ш ем н азн ач ен и е ф ун кци он ал ьн ы х бл оков: - X-Y - ари ф м ет и ч еское вы ч и т ан и е для вы ч и сл е ния вел и ч и н ы рассогл асован и я ; - DZONE - зон а н еч увст ви т ел ьн ост и , которая ввод и т ся д л я уст ран ен и я вы сокоч аст от н ы х п ом ех; - PID - бл ок, вы рабат ы вающ и й уп равл я ющ ее возд ей ст ви е п о ПИД-закон у, причем, поскол ьку в д ан н ом п роект е реал и зован ПИ-закон уп равл ен и я , аргум ен т д л я KD вход а н е созд аёт ся ; - SSWT - бл ок безуд арн ого п ерекл юч ен и я пред н азн ач ен д л я п ерекл юч ен и я сп особа регул и рован и я (Mode), а т акже д л я разреш ен и я зап и си в т еги (Start); - - бл оки сравн ен и я , которые им и т и руют работ у рел ей н ого регул я т ора ; - PILA - ген ерат ор п и л ообразн ы х и м п ул ьсов , который вы рабат ы вает п и л ообразн ы й и м п ул ьс в д и ап азон е зн ач ен и й от 0 д о 1, и пред н азн ач ен д л я д и н ам и ч еского и зображен и я бегущ ей д орожки . Блок PID является непосредственно звеном, выдающим управляющее воздействие. Этот блок формирует выходное значение по ПИД-закону от величины, поданной на вход INP: ui = Qi = KP × INPi + i KD×(INPi - INPi-1 ) + KIΔt  INPk , Δt k=1 где i – текущий такт пересчета, КР, KD и KI – соответственно коэффициенты при пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих, t - период пересчета блока в секундах (длительность такта). Для ограничения величины управляющего воздействия используются входы блока MIN и MAX. Если величина управления ui меньше MIN, то Q=MIN, если величина управления больше MAX, то 251 SSWT IN1 IN1 SEL SSWT IN1 SEL SEL SSWT IN1 IN0 SEL PID KP KD KI MAX MIN < > Dlt Input Zdn Mode Start Input Zdn In select Mode Input Zdn X-Y INP DZONE INP Vent2 Vent1 Doroga SSWT 1 PILA PWM Rassoglasovanie Upravlenie Q=MAX, при этом в обоих случаях накопление интегральной составляющей закона регулирования прекращается. Рис. 98 Введение в алгоритм параметра t исключает необходимость пересчета настроек регулятора при смене периода пересчета. Вы ход н ая вел и ч и н а с эт ого бл ока Q п ост уп ает н а звен о ШИМ PWM, Си гн ал с вы ход а кот орого п ост уп ает н а 252 и сп ол н и т ел ьн ы й бл ок ч ерез м од ул ь ввод а-вы вод а NL-4RTD. Аргум ен т ы д л я эт ого ш абл он а FBD-п рограм м ы буд ут такими, как показано на рис. 99. Рис. 99 Шабл он п рограм м ы PWM вы гл я д и т так, как это показано на рис. 100. Рис. 100 253 Аргум ен т ы п рограм м ы показаны на рис. 101. Эт а п рограм м а и м и т и рует работ у ш и рот н о-и м п ул ьсн ого м од ул я т ора. Рис. 101 6. 2.3. Автопостроение каналов. После проведения работ, определенных выше, созд ад и м в си ст ем е узел АРМ и в н ём 7 объ ект ов , как это показано на рис. 102. 254 Рис. 102 От кроем д оп ол н и т ел ьн ое окн о н ави гат ора (см. рис. 103) и и з ш абл он ов экран ов и п рограм м п ерет ащ и м м ы ш кой созд ан н ы е ш абл он ы в соот вет ст ви и с и м ен ам и объ ект ов: 255 Рис. 103 Ан ал оги ч н о д л я всех ост ал ьн ы х объ ект ов. В резул ьт ат е эт ого п ол уч и л и кан ал кл асса «Вы зов». 256 Рассмотрим авт оп ост роен и е кан ал ов. Дл я эт ого от кроем свой ст ва кан ал а «Вы зов». На экран монитора будет выведено диалоговое окно, вид которого приведен на рис. 104. Рис. 104 Нажат и ем н а и кон ку приведен на рис. 105. авт оп ост рои м кан ал ы . Результат Рис. 105 Ан ал оги ч н ая работа выполняется и д л я д руги х кан ал ов кл асса «Вызов». 257 В и сточн и ках/п ри ём н и ках созд ад и м и ст оч н и к «Ген ераторы», а в н ём создадим объ ект «Б и т овы й м еан д р», как это показано на рис. 106. Рис. 106 6.2.4. Создание источников/приемников. Созд ад и м ком п он ен т ы OPC-сервера и шесть т егов. Результат приведен на рис 107. При вя жем т еги к ви рт уал ьн ы м обозн ач ен и я м д и скрет н ы х вы ход ов м од ул я ввод а-вы вод а с п ом ощ ью кн оп ки «Обзор» в окн е ред акт ора т ега так, как это показано на рис. 108. Дл я ост ал ьн ы х т егов выплняется ан ал оги ч н ая работа.. 258 Рис. 107 Рис. 108 259 6.2.5. Взаимосвязь компонентов проекта. Во все созд ан н ы е объ ект ы п ерет ащ и м «Би товый м еан д р» и з «Ген ераторов», как это показано на рис. 109. Рис. 109 260 З ат ем во всех кан ал ах кл асса «Вызов» вруч н ую п ри вя жем аргум ен т Time к кан ал у «Би товый м еан д р» в т ом же объ ект е и уст ан ови м ат ри бут «Врем я и зм ен ен и я», как это показано на рис. 110. Рис. 110 Эт о п озвол я ет п рави л ьн о от ображат ь т екущ ую д ат у и врем я . Дл я взаи м од ей ст ви я всех ком п он ен т ов п роект а н еобход и м о сд ел ат ь п ри вя зку кан ал ов в соот вет ст ви и с н азн ач ен и ем п роект а. При вя зка кан ал ов осущ ест вл я ет ся п ерет аски ван и ем м ы ш ью кан ал а т и п а OUT н а кан ал т и п а IN. 261 Нажат и ем и кон ки сохран и м п роект д л я МРВ. Посл е сохран ен и я зап уст и м п роф ай л ер . З ап уст и в п роект н а и сп ол н ен и е, зад авая п арам ет ры и режи м работ ы , будем и м е ть возм ожн ост ь н абл юд ат ь п роцесс уп равл ен и я . Табл ица 10 Имя Ст ен д Ст ен д :1 Б и т овы й _м еан д р#1 Input Zdn Kp Ki Dlt VLAG DAVL Mode Start Doroga Nagrev Vent1 Vent2 Oxlajdenie Reset Привязка Б и т овы й _м еан д р#1: З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При ем н и ки . Ген ерат оры ) Тем п ерат ура:З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При е м н и ки .OPC.OPC_Сервер) Вл ажн ост ь:З н ач ен и е(Ист оч н и ки / При ем н и ки .OPC.OPC_Сервер) Давл ен и е:З н ач ен и е(Ист оч н и ки / При ем н и ки .OPC.OPC_Сервер) Doroga:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Програм м а) Nagrev:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Програм м а) Vent1:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Програм м а) Vent2:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Програм м а) Вен т и л я т ор2:З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При е м н и ки .OPC.OPC_Сервер) Вен т и л я т ор2:З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При е 262 м н и ки .OPC.OPC_Сервер) Вы ход Вы ход :2 263 Имя Б и т овы й _м еан д р#1 З ад ан и е_вы ход Input_вы ход Ош и бка Ош и бка:3 Б и т овы й _м еан д р#1 З ад ан и е_Ош и бка Рассогл асован и е Уп равл ен и е Уп равл ен и е:4 Б и т овы й _м еан д р#1 З ад ан и е_ Уп равл ен и е Уп равл ен и е Програм м а Регул и рован и е:5 Input Zdn Kp Ki Dlt Продолжение табл . 10 Привязка Б и т овы й _м еан д р#1:З н ач ен и е(Ист оч н и ки / При ем н и ки .Ген ерат оры ) Zdn:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Тем п ерат ура:З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При е м н и ки .OPC.OPC_Сервер) Б и т овы й _м еан д р#1:З н ач ен и е(Ист оч н и ки / При ем н и ки .Ген ерат оры ) Zdn:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Rassoglasovanie:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Програм м а) Б и т овы й _м еан д р#1:З н ач ен и е(Ист оч н и ки / При ем н и ки .Ген ерат оры ) Zdn:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Upravlenie:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Програм м а) Тем п ерат ура:З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При е м н и ки .OPC.OPC_Сервер) Zdn:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Kp:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Ki:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Dlt:Реал ьн ое 264 Mode Start Doroga Nagrev зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Mode:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Start:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Ст ен д ) Нагреват ел ь:З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При ем н и ки .OPC.OPC_Сервер) 265 Имя Vent1 Vent2 Rassoglasovanie Upravlenie PWM IN_select ШИМ ШИМ:6 ШИМ Б и т овы й _м еан д р#1 PWM PWM Input Окончание табл . 10 Привязка Вен т и л я т ор1:З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При е м н и ки .OPC.OPC_Сервер) Вен т и л я т ор 2:З н ач ен и е(Ист оч н и ки /При е м н и ки .OPC.OPC_Сервер) Out:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.PWM) Out:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.PWM) Б и т овы й _м еан д р#1:З н ач ен и е(Ист оч н и ки / При ем н и ки .Ген ерат оры ) Upravlenie:Реал ьн ое зн ач ен и е(Си ст ем а.АРМ.Програм м а) Out 6.3. Исследование АСУТП на учебном лабораторном стенде Ст ен д в кач ест ве и сп ол н и т ел ьн ы х бл оков, п ом и м о н агреват ел я , сод ержи т ещ ё два вен т и л я т ора: од и н --- н а ‘‘вд ув’’, д ругой --- н а ‘‘вы д ув’’. Кром е т ого, как бы л о от м еч ен о, п ом и м о т ем п ерат уры , н еобход и м о кон т рол и роват ь д авл ен и е и вл ажн ост ь с п ом ощ ью д ат ч и ка NL-232C (ф и рм а НИЛ АП, г. Таган рог). Указан н ы е уст рой ст ва д ол жн ы бы т ь свя зан ы с АРМ. С эт ой цел ью в сл ое Источн и ки /При ём н и ки созд ад и м груп п у OPC_1, а в н ей груп п у OPC_сервер_1. В эт ой груп п е созд ад и м 4 ком п он ен т а OPC-сервера , как показано на ри с. 111. Дважд ы н ажм ём н а ком п он ен т Нагреватель и вы зовем его н аст рой ки . 266 Ти п кан ал а указы вает ся в ст роке Нап равлен и е (см. ри с 112). Нажм ём кн оп ку Обзор и вы зовем окн о п ои ска OPC-сервера. В сп и ске ОРС-сервера п ри сут ст вуют уст рой ст ва, п од кл юч ен н ы е к ком п ьют еру, а и м ен н о уст рой ст во ввод а/вы вод а NL4RTD и д ат ч и к NL-232C. Ри с. 111 Ри с. 112 При вя жем кан ал ы к вы ход ам . 267 Нагреватель к Dout0 груп п ы д и скрет н ы х вы ход ов Diskret м од ул я NL4RTD; кан ал ы Тем п ература, Влажн ость и Давлен и е к соот вет ст вующ и м сен сорам д ат ч и ка. Сохран и м вы п ол н ен н ую работ у. Нажат и ем ЛК сохран я ем его д л я МРВ. З ап уст и в п роф ай л ер м ожн о п ри ст уп ат ь к эксп ери м ен т у. 6.3.1. Ид ен ти фи каци я объекта уп равлен и я. Дл я т ого ч т обы п рави л ьн о вы брат ь регул я т ор и его п арам ет ры , н еобход и м о зн ат ь м ат ем ат и ч ескую м од ел ь объ ект а уп равл ен и я (ОУ). С эт ой цел ью н а ОУ бы л вы п ол н ен эксп ери м ен т п о п ол уч ен и и его разгон н ой характ ери ст и ки п ри вкл юч ен и и п и т ан и я н а н агреват ел ь. Реги ст раци я и зм ен ен и я т ем п ерат уры вы п ол н я л ась в SCADA-си ст ем е, ч т о д ал о возм ожн ост ь п ол уч и т ь указан н ую характ ери ст и ку в ви д е т рен д а, п ред ст авл ен н ого на ри с . 113. Ри с. 113 Исп ол ьзуя м ет од и д ен т и ф и каци и по разгон н ой характ ери ст и ке [62], п ри ш л и к вы вод у, ч т о п еред ат оч н ая ф ун кци я ОУ буд ет и м ет ь ви д : Woy (p) = k0 exp(-pTзап ) T0p + 1 268 со сл ед ующ и м и п арам ет рам и k =12, T =11 мин, Tзап=41 мин. Нужн о от м ет и т ь, ч т о п арам ет ры буд ут д руги м и , есл и в зам кн ут ы й объ ем ОУ п ом ест и т ь какой -л и бо п ред м ет , н ап ри м ер, вл ажн ую губку и л и брусок с м ал ой п ост оя н н ой н агрева. 6.3.2. Настрой ка регулятора. Как уже от м еч ал ось д л я указан н ого ОУ м ожн о и сп ол ьзоват ь н ескол ько т и п ов регул я т оров. В кач ест ве п ри м ера вы брал и ПИ-регул я т ор с п арам ет рам и : kрег=0,17, Tи=14 мин. На от образи вш ем ся п осл е зап уска п роф ай л ера экран е м ожн о зад ат ь эт и п арам ет ры регул я т ора и, для н агл я д н ост и , н ажат и ем кн оп ки Ви зуали заци я п ереход и т ь к экран у н абл юд ен и я за п ереход н ы м и характ ери ст и кам и . В кач ест ве ввод и м ы х п арам ет ров и сп ол ьзуют ся сл ед ующ и е: к =kрег=0,17 и к =kрег/Tи=0,01545. 6.3.3. Сн яти е эксп ери м ен тальн ых характери сти к. Посл е зап уска си ст ем ы с зад ан и ем н ужн ой т ем п ерат уры в 45 С п ол уч аем т рен д (см. ри с. 114), н а кот ором п ред ст авл ен ы граф и ки зад ан и я , и зм ен ен и я в п роцессе регул и рован и я т ем п ерат уры и и зм ен ен и я в п роцессе кон т рол я вл ажн ост и . 269 Рис. 114 Указан н ы е граф и ки сущ ест вен н о и зм ен и л и сь п ри и сп ол ьзован и и в зам кн ут ом объ ем е вл ажн ой губки ( см. ри с. 114). При эт ом п ри ш л ось п од ст раи ват ь п арам ет ры регул я т ора в п роцессе уп равл ен и я , п оскол ьку объ ект ст ал н ест аци он арн ы м . На рис. 115 приведен результаты эксперимента для п роцесс а регул и рован и я т ем п ерат уры для незагруженной камеры. 270 Ри с. 115 271 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоя щей могографии показано решение многих задач, относящихся профессиональной подготовки студентов по специальностя м «Управление и информ атика в техни ческих систем ах», «Автом атизация технологических процессов и производств». В монографии рассм отрены теоретические основы построения распределенны х иерархических информ ационно-управля ющих систем , автом атизированны х систем управления технологическим и процессам и. Даются реком ендации по вы бору технических средств при разработке указанны х систем . Многочисленны е прим еры пом огают восприя тию изложенного м атериала. Использование новейших м етодик и информ ационны х технологий при управлении различны м и процессам и в реальном врем ени значительно подним ает уровень профессиональной подготовки вы пускников. Авторы надеются , что м атериал, изложенны й в настоя щем пособии по SCADA-систем е TRACE MODE и особенностя м учебного лабораторного стенда, позволя ющего получить навы ки проект ирования систем сбора данны х и оперативного диспетчерского управления , расширит кругозор будущих специалистов, и в дальнейшем позволит прим еня ть эти знания в своей производственной дея тельности. 272 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Рогозов Ю.И., Финаев В.И. Проектирование информационноуправляющих систем: Учебное пособие. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 60 с. 2. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений: Научно-практическое издание. Серия «Информатизация России на пороге ХХ1 века». – М.: СИНТЕГ, 1998. – 376 с. 3. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. - Спб.: Издательство СПБГТУ, 1997. -510 с. 4. Изерман Р. Цифровые системы управления: Пер. с англ. – М.: Мир, 1984. – 541 с. 5. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа. - Спб.: Издательство СПБГТУ, 1997. -510 с. 6 Перегудов Ф.И., Тарасенко В.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989. - 367 с. 7. Уемов А.И. Системный подход и общая теория систем. - М.: Мысль, 1978. - 204 с. 8. Флейшман Б.С. Основы системологии. - М.: Радио и связь, 1982. 9. Перегудов Ф.И. Основы системного подхода. - Томск: Изд-во Томского университета, 1976. - 440 с. 10. Мелихов А.Н., Берштейн Л.С., Коровин С.Я. Ситуационные советующие системы с нечеткой логикой. - М.: Наука, 1990. 11. Аверкин А.Н. и др. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта/Под ред. Поспелова Д.А. - М.: Наука, 1986. - 312 с. 12. Борисов А.Н., Алексеев А.В., Крумберг О.А. и др. Модели принятия решений на основе лингвистической переменной. - Рига: Зинатне, 1982. 13. Дюбуа Д., Прад. А. Теория возможностей: Пер. с французского В.Б.Тарасова /Под редакцией С.А.Орловского - М.: Радио и Связь, 1990. – 288 с. 14. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. - Киев: Техника, 1977. 766 с. 15. Bertalanfy L. von. General System Theory - a Critical Review// General System, vol. YII, 1962, p.1-20. 273 16. Месарович М., Такахара И. Общая теория систем: математические основы. - М.: Мир, 1978. -311 с. 17. Исследования по общей теории систем: Сб. Переводов/ Под ред. В.Н. Садовского и Э.Г. Юдина. М.: Прогресс, 1969. - 520 с. 18. Холл А. Опыт методологии для системотехники. М.: Сов. радио, 1975. -448с. 19. Финаев В.И., Глод О.Д. Основы теории систем: Учебное пособие. - Таганрог: ТРТУ, 2000. 80 с 20. Черняк Ю.И. Системный анализ в управлении экономикой. -М.: Экономика, 1975. -191 с. 21. Большие системы. Теория, методология, моделирование. - М.; Наука, 1971. 22. Гл уш ков В. М. Введ ен и е в АСУ. Ки ев: Техн и ка, 1972. 23. Мам и кон ов А.Г. Осн овы п ост роен и я АСУ: Уч ебн и к д л я вузов. --- М.: Вы сш ая ш кол а, 1981. 24. Мясников В.А., Вальков В.М., Омельченко И.С. Автоматизированные и автоматические системы управления технологическими процессами. – М.: Машиностроение, 1978. 25. Гл уш ков В. М. Введ ен и е в АСУ. Изд. 2-е, испр. и доп. - Ки ев: Техн и ка, 1974. 26. Сы роежи н И. М. Оч ерки т еори и п рои звод ст вен н ы х орган и заци й . М.: Экон ом и ка, 1970. 27. Госуд арст вен н ы й ст ан д арт Росси й ской Фед ераци и . Ун и ф и ци рован н ы е си ст ем ы д окум ен т аци и . Ун и ф и ци рован н ая си ст ем а орган и заци он н орасп оря д и т ел ьн ой д окум ен т аци и . ГОСТ Р 6.30-97 28. Госуд арст вен н ы й ст ан д арт Союза ССР. Ед и н ая си ст ем а п рограм м н ой д окум ен т аци и . ГОСТ 19.004-80. 29. Госуд арст вен н ы й ст ан д арт Союза ССР. Ви д ы , ком п л ект н ост ь и обозн ач ен и е д окум ен т ов п ри созд ан и и авт ом ат и зи рован н ы х си ст ем . ГОСТ 34.201-89. 30. Государственный стандарт Союза ССР. Информационная технология. Виды испытаний автоматизированных систем. ГОСТ 34.603-92. 31. Самсонов В.С. Автоматизированные системы управления. Учеб. Для учащихся энерг. спец. техн. М.: Высш. школа, 1991. 274 32. Эн карн ач о Ж ., Шл ехт ен д ал ь Э. Авт ом ат и зи рован н ое п роект и рован и е, Осн овн ы е п он я т и я и архи т ект ура си ст ем : Пер. с ан гл . М.: Рад и о и свя зь, 1986. 33. Поспелов Г. С. Ириков В.А. Программно-целевое планирование и управление. М.: Радио и связь, 1976. 34. Бобрышев Д.Н., Нисевич Е.В. Сетевые методы в управлении М.: Моск. рабочий, 1973. 35. Бобрышев Д.Н. Организация управления разработками новой техники. М.: Экономика, 1971. 36. Миллер Р.В. Перт-система управления. Экономика, 1965. 37. Тимченко А.А. Эффективность проектных процессов и качество проектных решений. Киев,: Общ “Знание”, 1982. 38. Шеверов Д.Н. О методических основах автоматизации проектирования технических систем. //Автоматизация проектирования. М.: Машиностроение, 1986. Вып. 1 с.188-202. 39. Emery F.E. (ed.), System Thinkingh, Middlesex, Penguin ,England, 1969, p.12. 40. Ackoff R.L., Toward a System of System Concept, Management Science, 17, 11, 661-671 (July 1971). 41. Дж., Ван. Прикладная общая теория систем: пер. с англ.М.:Мир,1981.-336с., ил. 42. Косен ко Е.Ю., Макаров С.С., Фи н аев В.И., Мет од ы м од ел и рован и я и п роект и рован и я расп ред ел ен н ы х и н ф орм аци он н о-уп равл я ющ и х си ст ем . Таган рог: Изд -во ТРТУ, 2004. 198 с. 43. Модин А.А., Зингер И.С., Коротяев М.Ф. Исследование и анализ потоков информации на промышленных предприятиях. М., 1970. 44. Белоногов Г. Г., БогатыревВ.Н. Автоматизированные информационные системы. М.: Сов. Радио, 1972. 45. Кирилюк Н.И., Рубан В. Я. Вопросы комплексной автоматизации проектирования АСУ.- Киев., Механизация и автоматизация управления, №4, 1975. 46. Цвиркун А.Д. Структура сложных систем. М., 1975. 47. Макаров С.С., Жидкова Т.З., Косенко Е.Ю., М.В.Зиборов, Финаев В.И. Моделирование и информационное обеспечение медицинских учреждений. – М.: МГУП, 2005. – 210 с. 275 48. Севостьянов Б.А. Эргодическая теорема для Марковских процессов и ее приложение к телефонным линиям с отказами. – В кн.:Теория вероятностей и ее применение. 1957. Т.2, вып.1. 49. Гибмаш Е.А. Повышение качества проектирования АСУТП. // Приборы и системы. 2002. №6. 50. Кост юк В.И. Осн овы п ост роен и я АСУ. Уч ебн ое п особи е д л я вузов. - М., «Сов. Рад и о », 1977. 51. Мельников Ю.И. Достоверность информации в сложных системах. - М. “Советское радио”. 1973. 52. Саати Т.Л. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. - М.: Сов. Радио, 1971. 53. Бродецкий Г.Л., Кирилюк Н.И. Лемишевский Г.А. К вопросу исследования ЭВМ в системе.- В кн.: Проблемы математического обеспечения автоматизированных систем планирования и управления народным хозяйством. Киев, 1974. 54. Типовая методика определения экономической эффективности капитальных вложений. - М.: Экономика, 1980. 55. Черняк Ю.И. Информация и управление. М.: Наука, 1974. 184 с. 56. Пьявченко Т. А. Проектирование АСУТП. Конспект лекций. Ч 1. - Таганрог: Изд-во ТРТИ. 1982. – 45 с. 57. Пьявченко Т. А. Автоматизированные системы управления технологическими процессами и техническими объектами: Учебное пособие. - Таганрог: Изд-во ТРТУ. 1997. – 128 с. 58. Стефани Е.П. Основы построения АСУТП. М.: Энергоатомиздат, 1982. 59. Пьявченко Т.А. Алгоритмы первичной обработки информации. Известия ТРТУ. Тематический выпуск: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием “Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении”. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005, №1(45). 60. Пьявченко Т.А. Программа, методические указания и контрольные работы по дисциплине «Технические средства систем автоматизации и управления». - Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2003. – 52 с. 61. Гинзбург И.Б., Непомнящий С.Б., Трачевский М.Л. Автоматизированные системы управления технологическими процессами в промышленности строительных материалов (основы разработки, проектирования и внедрения)/Под ред. И.Б. Гинзбурга. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1979. – 272 с. 276 62. Курсовое и дипломное проектирование по автоматизации производственных процессов: Учеб. пособие. Под ред. И.К. Петрова. – М.: Высш. шк., 1986. – 352 с. 63. Ротач В.Я., Кузищин В.Ф., Клюев А.С. и др. Автоматизация настройки систем управления. - М.: Энергоатомиздат, 1984. 64. Захаров Н.Д. Расчет параметров настройки ПИД регуляторов методом логарифмических частотных характеристик. Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2000. №1, с. 40 – 43. 65. Пьявченко Т.А. Расчет параметров ПИД закона управления для объектов с транспортным запаздыванием. Известия ТРТУ. Тематический выпуск: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием “Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении”. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2006, №5(60). C. 83 – 88. 66. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – 6-е изд., доп. и перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с. 67. Гайдук А.Р. Основы теории систем автоматического управления. – М.: УмиИЦ «Учебная литература», 2005. – 408 с. 68. Гайдук А.Р., Пьявченко Т.А. Учебно-методическое пособие по выполнению курсовой работы «Динамический расчет следящих систем» по дисциплине «Теория управления». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2001. 19с. 69. Финаев В.И. Модели принятия решений: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. – 118 с. 70. Деменков Н.П. SCADA-системы как инструмент проектирования АСУ ТП: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – 328 с. 71. Алиев Р.А. Принцип инвариантности и его применение для проектирования промышленных систем управления. – М.: «Энергоиздат». 1985. 72. Пьявченко Т.А. О выборе модулей управляющего устройства локальных систем управления//Телекоммуникации. 2004. №7. с. 17 – 21. 73. Бесекерский В.А., Изранцев В.В. Системы автоматического управления с микроЭВМ. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1987г. 320с 277 74. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы. Справочное пособие/Под ред. Б.Д. Кошарского. - Л.: Машиностроение (Ленингр. отделение). 1976. 488с. 75. Клюев А.С. Методические указания по разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов и производств в курсовых и дипломных проектах. - Иваново: Изд-во ГУКПК Минтопэнерго РФ. 1993. – 35 с. 76. Руководство пользователя Трейс Моуд. Версия 5.0. М.: AdAstra Research Group, Ltd. 2000. 814 c. 278 Пьявченко Тамила Алексеевна Финаев Валерий Иванович АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ СИСТЕМЫ Ответственный за выпуск Финаев В.И. Редактор Белова Л.Ф. Корректор Селезнева Н.И. ЛП №020565 Офсетная печать Заказ №_______ Подписано к печати Усл. п.л. – Уч.-изд.л. – Тирах 350 “С” _____________________________________________________ Издательство Таганрогского государственного радиотехнического университета ГСП 17А, Таганрог, 28, Некрасовский, 44 Типография Таганрогского государственного радиотехнического университета ГСП 17А, Таганрог, 28, Энгельса, 4