Разработка интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства на основе локальных промышленных сетей

Управление современными промышленными предприятиями обеспечивается сложными автоматизированными системами управления. Системы предприятий имеют три уровня: ERP-системы, MES-системы и АСУ-ТПавтоматизированные системы управления технологическими процессами.

Система ERP — Enterprise Resource Planning осуществляет автоматизированное управление административно-финансовой и административно-хозяйственной деятельностью предприятия.

Новый класс систем управления производством составляют MES-системы (Manufacturing Execution System). Основное назначение MES-систем:

— оперативное планирование и решение следующих задач управления производством:

— сбор фактических данных в режиме реального времени по всей цепочке производства продукции;

— обработка получаемых в режиме реального времени данных о производственных процессах;

— выработка в режиме реального времени управляющих и корректирующих воздействий на технологическое оборудование.

Перечисленные задачи используются для решения стратегических задач управления производством в ERP-системах.

В ERPи MES-системах автоматизации подлежат процессы, документооборота, учета, управления персоналом, финансовой отчетности. Задачи, относящиеся к мониторингу и управлению технологическими процессами, в указанных системах управления представлены слабо.

Эти задачи возложены на АСУ-ТП-системы: сбор данных измерительной информации о состоянии технологических процессоввизуализация технологических процессовпреобразование, передача, хранение технологической информациилокальное управление пр. Следует отметить, что четкой границы между MES-системами и АСУ-ТП нет. Характерно их взаимное пересечение в силу имеющейся определенной неразрывности выполняемых функций. Спектр реализуемых задач, структура элементов и организация их взаимодействия в системах АСУ-ТП определяются в существенной степени особенностями производственных процессов.

Основной составляющей производственного процесса машиностроительного предприятия являются технологические процессы, содержащие действия по изменению состояний предметов труда. Сложность технологических процессов определяется уровнем реализуемых технологий. Использование в производстве критических технологий, нанотехнологий, информационных технологий в существенной степени усложняет технологические процессы, а также значительно повышает требования к условиям их реализации. В свою очередь, жесткие и разнообразные требования к условиям реализации технологических процессов в современной производственной среде требуют по отношению к ее элементам, обеспечения как норм (по микроклимату, освещенности, чистоте, безопасности и пр.), так и параметров ресурсов (электроснабжения, теплоснабжения, водоснабжения, коммуникаций и пр.). Причем важно, что современные промышленные технологии требуют все возрастающего внимания к обязательному качественному обеспечению указанных норм состояния производственной среды и параметров ее ресурсного обеспечения. При этом, безусловно, возрастает роль и значимость процессов обеспечения (ПО) условий реализации производственно-технологических процессов. Исходя из общих и доминирующих тенденций к интеграции, эти процессы обеспечения сливаются с технологическими процессами, составляя фактически их специфическую часть.

К числу отличительных признаков процессов обеспечения следует отнести то, что их результатами являются определенные ресурсы и условия эффективного выполнения технологических процессов. Кроме того, процессы обеспечения и их результаты имеют непосредственное взаимодействие с производимыми продуктами, что значительно отличает их от вспомогательных процессов. Отметим также такую особенность процессов обеспечения — они реализуются на элементах производственно-технологической среды производства.

Характерными свойствами процессов обеспечения является их широкая-номенклатура, сложная структура, иерархичность и взаимосвязность, наличие сложных неоднородных и интенсивных информационных потоков, преобладание локальных контуров управления, пространственная распределенность и т. д.

Перспективы развития процессов обеспечения в общей структуре производственно-технологических процессов состоят в их усложнении, а также в усилении значимости и роли в воздействии на качество продукции, что предопределено дальнейшим совершенствованием технологий машиностроительного производства. В свою очередь, повышение роли и сложности процессов обеспечения превращает их из второстепенных в определяющие и требует развития новых подходов к формам и методам их организации и управления, в том числе с применением инфокоммуникационных технологий.

В целом, системы автоматизации процессов обеспечения могут быть выполнены в классе автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства (АСУ ПО), реализуемых с учетом свойств и отличительных признаков процессов обеспечения производства.

Взаимозависимость процессов обеспечения, наличие общих системных функций по их управлению и мониторингу обуславливают реализацию систем автоматизации процессов обеспечения как интегрированных систем. Достижение качества интегрированности требует, в свою очередь, свойств многоканальности, а также иерархичности и многослойности структуры систем автоматизации.

Наличие в задачах мониторинга и управления процессами обеспечения существенной информационной составляющей требуют от системы современных решений по организации взаимодействия информационных компо нент (потоков, процессов, алгоритмов и пр.), которая должна осуществляться С использованием перспективных ПОДХОДОВ К построению связей С нием идеологии и средств локальных промышленных сетей. При 3TOivi топологически распределенные средства управления, обработки и преобразования информации, задействованные в локальных контурах, взаимодейств>тот по локальной сети и коллективно используют общие ресурсы системы. Таким образом, система автоматизации процессов обеспечения производствадолжна быть реализована в классе интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения (ИАСУПО) на основе локальнЫ^< промышленных сетей.

Исследование и реализация ИАСУПО является комплексной а^стгуальг ной задачей, сложность которой обусловлена, прежде всего, свойст: в^л^и и качествами процессов обеспечения.

Актуальность решений комплексной задачи исследования и реализации ИАСУПО определяется возрастающим, в связи с развитием новых технологий, воздействием процессов обеспечения производства на качество тт}роДУк~ ции, а значит необходимостью повышения эффективности управления: .этими процессами, снижения эксплуатационных расходов и повышением у^ровня безопасности производства.

В настоящее время известны определенные решения в сфере проектирования и реализации систем автоматизации процессов обеспечения.^{Анализируя} состояние развития этих систем, следует принимать во вниманЯ^ разработки, относящиеся к системам автоматизации инженерно-технич:е:окого оборудования современных зданий, которые могут рассматриваться ка^к элементы производственно-технологической среды, на которой реализзтотся процессы обеспечения производства. Прежде всего, следует выделить достаточно распространенные системы, реализуемые в логике «интеллектуального» здания. Однако они ограничены в спектре решаемых задач и специ^-ЛИЗИ" рованы, как правило, на решение одной из задач: управление электросы^-^же" нием, управление и эксплуатация информационных сетейорганизация: зачета потребления ресурсов и пр. Определенное число разработок относится ic системам относительно небольшой размерности, функционирующих в р^лухках отдельных зданий, в том числе многоэтажных жилищных комплексов. Отличительной особенностью известных разработок авторов Табунщикова Ю-А > Ясина Ю. И., К. Гертиса, Н. Нара и др. является отсутствие интегративиости процессов и наличие высокой специализированное&tradeв структурных perxi^HII" «ях.

Число известных исследований и разработок систем в классе.

ИАСУПО относительно невелико. Среди носящих системный характер следует «отметить разработки таких организаций, как Honey Well, Andones Controls, Johnson Controls, Siemens, относящиеся к направлениям централизованных: комплексов управления зданиями.

Следует констатировать, что сегодня системный подход к автоматизации процессов обеспечения производства не нашел широкого примеи^зяия.

Это обстоятельство в значительной степени обусловлено целым рядом факторов.

Прежде всего, следует отметить, что на сегодняшний день отсутствуют известные результаты в области разработки сложных концептуальных моделей систем указанного класса, обеспечивающих возможности представления обобщенной структуры системы, как единого целого, так и представления стратифицированной структуры, отличающейся высокой детализацией состава. Указанные модели должны обеспечивать также отображение взаимодействия элементов уровней иерархии и учитывать наличие развитой информационной составляющей процессов обеспечения производства. Известные уровневые модели технических систем отличаются ограниченным использованием уровневой архитектуры за счет распределения по уровням только ресурсного обеспечения (модель PROFILE1 м), либо только функций (модель САИ). В работах Диденко К. И., Хетагурова Я. А. и др. уровневые модели раскрывают только определенные формы представления систем: технический ресурс, реализуемые функции, топологию и пр. С другой стороны, уровневые модели сложных объектов (познание, субъективный опыт, концепция знания и др.), содержащиеся в известных работах Т. Лири, Перелегина С. Б., Щеглова Г. А. и др., слабо адаптированы к особенностям технических систем.

Требует развития и совершенствования методика проектирования ИАСУПО, прежде всего в области реализации проектных задач, оказывающих существенное воздействие на качество проектных решений. К числу таких задач относится выбор комплекса технических средств, максимально учитывающий особенности системы. Известные подходы к решению этой задачи, представленные в работах Диденко К. И., Шастовой Г. А., Преснухина Л. Ш. и др., основываются на использовании точечных критериев, либо обобщенных критериев, но не обеспечивающих выбор с учетом взаимосвязей параметров технических средств и характеристик систем. В этой связи необходимо разработать использовать объединенные критериальные модели выбора комплекса технических средств.

Актуальной задачей проектирования является определение вероятностно-временных характеристик информационных каналов, характеризующих прохождение информационных процессов по уровням иерархии (вероятность блокировки, средняя длина очереди, среднее время пребывания и пр.). Эти вероятностно-временные характеристики необходимы как ограничения при определении объемов оборудования (ресурсов) для обработки и передачи информации по информационным каналам.

Определение указанных характеристик требует разработки модели системы массового обслуживания в классе многофазной сети массового обслуживания с переменным числом обслуживающих приборов в фазах и переменной интенсивностью обслуживания в каждой фазе. Известные подходы к созданию таких моделей, изложенные в работах Башарина Г. П., Скляревича A.A., Назарова A.A. и др. не учитывают влияния соседних фаз.

Проектирование ИАСУПО включает решение задач проектирования подсистем управления. Широкая номенклатура регулируемых параметров процессов обеспечения производства, их распределенность в пространстве, взаимосвязанность обуславливают необходимость создания методики проектирования подсистем локального управления ИАСУПО на основе модельного подхода, реализуемого в программной среде автоматизированного проектирования.

Подтверждение обоснованности результатов теоретических исследований ИАСУПО и их прикладной значимости требует практической реализации и апробации ИАСУПО.

Таким образом, анализ состояния развития современных автоматизированных систем управления производственными процессами предприятий показал наличие проблемы — необходимости эффективного управления процессами обеспечения производства, создающими устойчивые условия реализации передовых технологий машиностроения.

Путь решения указанной проблемы состоит в разработке и применении автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства.

Объектом исследований являются интегрированные автоматизированные системы управления процессами обеспечения производства.

Предмет исследований — проектирование интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства на основе локальных промышленных сетей.

Цель работы — разработка интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства на основе локальных промышленных сетей.

Указанная цель определяет реализацию следующих задач исследований:

1. Анализ структуры и свойств процессов обеспечения условий производства.

2. Разработка концептуальной модели ИАСУПО в классе уровневых моделей и создание на ее основе:

— стратифицированной структуры ИАСУПО;

— модели виртуального информационного канала;

— модели контура локального управления.

3. Создание методики проектирования ИАСУПО, включающей:

— методику рационального выбора технического базиса (комплекса технических средств) системы;

— разработку методики определения системных вероятностно-временных характеристик;

— методику проектирования типовой подсистемы локального управления.

4. Реализация и практическая апробация ИАСУПО.

Решение поставленных задач позволит обеспечить проектирование эффективных ИАСУПО, создающих требуемые условия для реализации современных передовых технологий машиностроительного производства.

Методы исследований. В работе использован математический аппарат теории множеств, теории вероятностей, математического моделирования, теории систем массового обслуживания.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:

— разработанная концептуальная модель ИАСУПО представлена в классе моделей логических уровней со сложной иерархией уровней, учитывающей динамику отношений категорий представления системы;

— разработанная методика рационального выбора комплекса технических средств ИАСУПО, основывается на предложенной двухкомпонентной критериальной модели, включающей локальные индикаторы средств технического базиса и индикаторы системных характеристик ИАСУПО;

— модель виртуального информационного канала для исследования вероятностно-временных характеристик систем представляется моделью сети массового обслуживания (СеМО);

— межфазные потоки в модели СеМО представляются эквивалентным пуассоновским потоком на основе предложенного способа аппроксимации;

— методика проектирования типовой подсистемы локального управления основывается на полученной модели контура локального управления и использовании интерактивного подхода к эволюционному проектированию средств, законов и параметров управления.

Основные положения, выносимые на защиту:

— структуризация процессов обеспечения производства;

— подход к разработке уровневой модели ИАСУПО на основе использования логических уровней;

— применение уровневой модели ИАСУПО для получения стратифицированной структуры системы, для формирования модели виртуального информационного канала и модели контура локального управления с использованием вертикальной и контурной декомпозиции;

— методика рационального выбора технического базиса системы;

— применение для исследования вероятностно-временных характеристик модели виртуального информационного канала как сети массового обслуживания;

— результаты расчета вероятностно-временных системных характеристик с использованием комплекса моделей и оценка, подтверждающая их достоверность;

— методика проектирования подсистем управления, основанная на интерактивном подходе с применением программной среды проектирования и эволюционной стратегии развития сложности исследуемых моделей регуляторов;

— результаты практической реализации ИАСУПО.

Достоверность и обоснованность результатов работы основывается на результатах имитационного моделирования, данных экспериментальных исследований, практическом применении теоретических исследований, а также корректном использованием известного математического аппарата и ме методологии общей теории систем, теории систем массового обслуживания, математического моделирования.

Практическая ценность работы состоит, прежде всего, в выполнении исследований и разработке методики проектирования систем автоматизации процессов обеспечения производства, в основу которых положены результаты теоре гических исследований.

Созданная уровневая модель ИАСУПО, основанная на идеологии логических уровней, в практическом своем использовании позволяет получить как целостное представление сложной системы управления, так и стратифицированное представление ее структуры, обеспечивая при этом возможность изучения взаимовлияния и совместного применения различных форм представления системы.

Предложенная методика выбора рационального технического базиса системы имеет возможности универсального использования в отношении объектов, располагающих расширенным множеством характеристик и установленными отношениями локальных и системных показателей.

Разработанная методика проектирования локальных подсистем управления, основанная на применении интерактивного подхода с использованием инструментальной среды, обеспечивает устойчивое эволюционное формирование рациональных инженерных проектных ре-шеншПрактическое применение разработанных моделей и методики проектирования ИАСУПО позволяют получить проектные решения подсистем электро-, водо-, теплоснабжения, обеспечивающие существенную экономию потребления основных ресурсов предприятий.

Реализация результатов работы. Полученные результаты внедрены в практику проектирования автоматизированных систем управления инженерным оборудованием современных производственных и офисных зданий в ООО «БМС» (г. Пермь).

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Автоматика и телемеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета при преподавании дисциплин «Локальные системы управления», «Встроенные микропроцессорные системы».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях и семинарах различного уровня, наиболее значимые из которых:

— Краевая НТК «Автоматизированные системы управления и информационные технологии», Пермь, 2007 г.;

— VII Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Управление большими системами», Пермь, май, 2010 г.;

— XXVII Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе 1 Т + 8Е'10», Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, май, 2010 г.;

— научно-технический семинар «Современные методы и алгоритмы нечеткого управления», г. Пермь, ОАО «СТАР»;

— научно-технический семинар «Современные проблемы управления сложными системами», г. Пермь, НОЦ «Проблемы управления» при ПНИ-ПУ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 94 наименований и 3-х приложений. Работа выполнена на 130 стр., в том числе 126 стр. основного текста, содержит 40 рисунков и 6 таблиц.

Основные результаты работы и выводы.

1. В результате выполненного анализа процессов обеспечения условий производства определено возрастание их роли в обеспечении высокого качества продукции. Получена и проанализирована классификация этих процессов, выявлена их сложная иерархическая структура. Определены их свойства: развитая номенклатура, взаимозависимость, динамичность характеристик, неоднородность и большая интенсивность информационных потоков, пространственная распределенность источников. Реализация процессов обеспечения осуществляется на ресурсах производственно-технологической среды предприятия, в том числе на инженерно-техническом оборудовании производственно-промышленных зданий.

Возрастание масштабов и номенклатуры процессов обеспечения, повышение их динамики, усложнение и рост интенсивности информационных потоков требуют автоматизации этих процессов. Показано, что существующая практика создания систем автоматизации процессов обеспечения как совокупности локальных систем мониторинга и управления не отвечает современным требованиям, исходящим их наличия взаимосвязанности процессов и необходимости мониторинга системных характеристик.

Определено, что автоматизация процессов обеспечения производства должна производиться в классе интегрированных систем автоматизированного управления, имеющих сложную иерархическую структуру, функционирующих в режиме реального времени и реализуемых с применением локальных промышленных сетей.

2. На основе проведенного анализа известных подходов к построению концептуальных моделей технических систем и сложных объектов разработана уровневая модель интегрированной автоматизированной системы управления процессами обеспечения производства с использованием когнитивных технологий формирования логических уровней, обеспечивающих определение динамического взаимодействия различных форм представления структуры системы.

Показано, что уровневая модель ИАСУПО позволяет объединить различные формы представления структуры системы в единое целое, выделяя при этом в стратах подуровней детализированные отношения внутри форм представления структуры. Модель позволяет определить необходимые для проектирования отношения компонент информационного представления системы с выделением доминанты информационных процессов. Внешняя иерархия логических уровней, основанная на принципе «общее/частное», устанавливает динамику отношений между формами представления системы, отнесенными к смежным логическим уровням. Внутренняя иерархия стратифицированных представлений системы на подуровнях определяет статичные отношения в форме представления системы, устанавливаемые на принципах индукции/дедукции. Полученное в модели разнообразие отношений в различных формах представления системы обеспечивает полноту описания структуры системы.

Обосновано использование уровневой модели для целей исследования и проектирования ИАСУПО.

Установлено, что располагаемые на логических уровнях слои (страты) иерархических описаний системы в определенных формах ее представлений обеспечивают структурирование в физическом, функциональном и информационном пространствах.

Интегрированное отображение иерархических структур системы в соответствующих стратах составляют стратифицированную структуру системы. Стратифицированная структура системы устанавливает отношения элементов различных стратифицированных представлений системы, что позволяет обеспечить согласованное применение принципа модульности проектных решений в различных слоях системы.

Показано, что уровневая модель системы позволяет с применением «вертикальной» декомпозиции получить модель виртуального информационного канала как основы для исследования вероятностно-временных характеристик процессов передачи и обработки информации.

Получены с использованием «контурной» декомпозиции модели структуры системы контурные модели локального управления, обеспечивающие проектирование и исследование контуров локального управления.

3. Разработана методика проектирования ИАСУПО в области реализации проектных задач, оказывающих существенное воздействие на качество проектных решений. Предложена и разработана процедура выбора комплекса технических средств, максимально учитывающая особенности системы, основанная на использовании объединенной критериальной модели, обеспечивающей учет взаимосвязи параметров технических средств и системных характеристик.

Разработаны модели и методы определения системных вероятностно-временных характеристик на основе использования модели виртуального информационного канала (ВИК). Предложено представить ВК многофазной системой массового обслуживания с меняющимися параметрами, фазы которой характеризуются неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов и переменной интенсивностью обслуживания. Для целей исследования предложен и разработан комплекс моделей СМО. Разработана динамическая модель фазы сети массового обслуживания как векторная модель СМО. Предложен аппроксимационный метод, позволяющий существенно сократить объем вычислений, в основу которого положена аппроксимация фазовых потоков пуассоновскими.

Разработана методика проектирования типовой подсистемы локального управления с применением модели контура локального управления. В основе методики положен интерактивный подход с использованием программной среды автоматизированного проектирования и эволюционной стратегии развития последовательности используемых моделей регуляторов. Применение методики проектирования в среде ЕБР-г позволили определить в интерактивном режиме рациональные законы регулирования и типы используемых исполнительных механизмов, которые обеспечивают заданные требования к качеству регулирования в контуре.

4. Осуществлена разработка технического проекта и практическая реализация ИАСУПО на основе использованных полученных теоретических результатов. Методика проектирования применена при выполнении проектных задач по реализации системы автоматизации процессами обеспечения производства в рамках промышленно-производственного комплекса зданий. Результаты проектирования системы и ее опытной эксплуатации подтвердили основные теоретические положения, разработанные в диссертации. Проведенный анализ показал, что применение разработанной и внедренной ИАСУПО обеспечивает экономию не менее 1,5 млн руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации получены актуальные научные и практические результаты исследований и реализации интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения современного производства, роль и значимость которых возрастают в связи с увеличением влияния на качество основной продукции предприятий по мере дальнейшего освоения и применения современных передовых технологий.