Принцип разработки асу кратко

Обновлено: 30.06.2024

Автоматизированная система управления или АСУ — комплекс аппаратных и программных средств, предназначенный для управления различными процессами в рамках технологического процесса, производства, предприятия. АСУ применяются в различных отраслях промышленности, энергетике, транспорте и т. п. Термин "автоматизированная", в отличие от термина "автоматическая" подчёркивает сохранение за человеком-оператором некоторых функций, либо наиболее общего, целеполагающего характера, либо не поддающихся автоматизации. АСУ с Системой поддержки принятия решений (СППР), являются основным инструментом повышения обоснованности управленческих решений.

Создателем первых АСУ в СССР является доктор экономических наук, профессор, член-корреспондент Национальной академии наук Белоруссии, основоположник научной школы стратегического планирования Николай Иванович Ведута (1913—1998) [1] [2] [3] [4] . В 1962—1967 гг. в должности директора Центрального научно-исследовательского института технического управления (ЦНИИТУ), являясь также членом коллегии Министерства приборостроения СССР, он руководил внедрением первых в стране автоматизированных систем управления производством на машиностроительных предприятиях. Активно боролся против идеологических PR-акций по внедрению дорогостоящих ЭВМ, вместо создания настоящих АСУ для повышения эффективности управления производством.

Важнейшая задача АСУ — повышение эффективности управления объектом на основе роста производительности труда и совершенствования методов планирования процесса управления. Различают автоматизированные системы управления объектами (технологическими процессами — АСУТП, предприятием — АСУП, отраслью — ОАСУ) и функциональные автоматизированные системы, например, проектирование плановых расчётов, материально-технического снабжения и т.д.

Содержание

Цели автоматизации управления

В общем случае, систему управления можно рассматривать в виде совокупности взаимосвязанных управленческих процессов и объектов. Обобщенной целью автоматизации управления является повышение эффективности использования потенциальных возможностей объекта управления. Таким образом, можно выделить ряд целей:

  1. Предоставление лицу, принимающему решение (ЛПР) релевантных данных для принятия решений
  2. Ускорение выполнения отдельных операций по сбору и обработке данных
  3. Снижение количества решений, которые должно принимать ЛПР
  4. Повышение уровня контроля и исполнительской дисциплины
  5. Повышение оперативности управления
  6. Снижение затрат ЛПР на выполнение вспомогательных процессов
  7. Повышение степени обоснованности принимаемых решений

Жизненный цикл АС

Стандарт ГОСТ 34.601-90 предусматривает следующие стадии и этапы создания автоматизированной системы:

  1. Формирование требований к АС
    1. Обследование объекта и обоснование необходимости создания АС
    2. Формирование требований пользователя к АС
    3. Оформление отчета о выполнении работ и заявки на разработку АС
    1. Изучение объекта
    2. Проведение необходимых научно-исследовательских работ
    3. Разработка вариантов концепции АС и выбор варианта концепции АС, удовлетворяющего требованиям пользователей
    4. Оформление отчета о проделанной работе
    1. Разработка и утверждение технического задания на создание АС
    1. Разработка предварительных проектных решений по системе и ее частям
    2. Разработка документации на АС и ее части
    1. Разработка проектных решений по системе и ее частям
    2. Разработка документации на АС и ее части
    3. Разработка и оформление документации на поставку комплектующих изделий
    4. Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта
    1. Разработка рабочей документации на АС и ее части
    2. Разработка и адаптация программ
    1. Подготовка объекта автоматизации
    2. Подготовка персонала
    3. Комплектация АС поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными изделиями)
    4. Строительно-монтажные работы
    5. Пусконаладочные работы
    6. Проведение предварительных испытаний
    7. Проведение опытной эксплуатации
    8. Проведение приемочных испытаний
    1. Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами
    2. Послегарантийное обслуживание

    Данный стандарт не вполне подходит для проведения разработок в настоящее время: многие процессы отражены недостаточно, а некоторые положения устарели.

    Состав АСУ

    В состав АСУ входят следующие виды обеспечений: информационное, программное, техническое, организационное, метрологическое, правовое и лингвистическое. [5]

    Основные классификационные признаки

    Основными классификационными признаками [5] , определяющими вид АСУ, являются:

    • сфера функционирования объекта управления (промышленность, строительство, транспорт, сельское хозяйство, непромышленная сфера и т.д.)
    • вид управляемого процесса (технологический, организационный, экономический и т.д.);
    • уровень в системе государственного управления, включения управление народным хозяйством в соответствии с действующими схемами управления отраслями (для промышленности: отрасль (министерство), всесоюзное объединение, всесоюзное промышленное объединение, научно-производственное объединение, предприятие (организация), производство, цех, участок, технологический агрегат).

    Функции АСУ

    Функции АСУ [5] устанавливают в техническом задании на создание конкретной АСУ на основе анализа целей управления, заданных ресурсов для их достижения, ожидаемого эффекта от автоматизации и в соответствии со стандартами, распространяющимися на данный вид АСУ. Каждая функция АСУ реализуется совокупностью комплексов задач, отдельных задач и операций. Функции АСУ в общем случае включают в себя следующие элементы (действия):

    • планирование и (или) прогнозирование;
    • учет, контроль, анализ;
    • координацию и (или) регулирование.

    Необходимый состав элементов выбирают в зависимости от вида конкретной АСУ. Функции АСУ можно объединять в подсистемы по функциональному и другим признакам.

    Функции при формировании управляющих воздействий

    • Функции обработки информации (вычислительные функции) – осуществляют учет, контроль, хранение, поиск, отображение, тиражирование, преобразование формы информации;
    • Функции обмена (передачи) информации – связаны с доведением выработанных управляющих воздействий до ОУ и обменом информацией с ЛПР;
    • Группа функций принятия решения (преобразование содержания информации) – создание новой информации в ходе анализа, прогнозирования или оперативного управления объектом

    Классы структур АСУ

    В сфере промышленного производства с позиций управления можно выделить следующие основные классы струк­тур систем управления: децентрализованную, централизованную, централизованную рассредоточенную и иерархическую. [6]

    Децентрализованная структура

    Построение си­стемы с такой структурой эффективно при автоматизации техно­логически независимых объектов управления по материальным, энергетическим, информационным и другим ресурсам. Такая система представляет собой совокупность нескольких независи­мых систем со своей информационной и алгоритмической базой.

    Для выработки управляющего воздействия на каждый объект управления необходима инфор­мация о состоянии только этого объекта.

    Централизованная структура

    Централизованная структура осуществляет реа­лизацию всех процессов уп­равления объектами в едином органе управления, который осуществляет сбор и обработку информации об управляемых объектах и на основе их анали­за в соответствии с критериями системы вырабатывает управ­ляющие сигналы. Появление этого класса структур связано с увеличением числа контроли­руемых, регулируемых и уп­равляемых параметров и, как правило, с территориальной рассредоточенностью объекта управления.

    Достоинствами централизованной структуры являются достаточно простая реализация процессов информационного взаимодей­ствия; принципиальная возможность оптимального управления системой в целом; достаточно легкая коррекция оперативно изменяемых входных параметров; возможность достижения максимальной эксплуатационной эффективности при минимальной избы­точности технических средств управления.

    Недостатки централизованной структуры следующие: необхо­димость высокой надежности и производительности технических средств управления для достижения приемлемого качества упра­вления; высокая суммарная протяженность каналов связи при наличии территориальной рассредоточенности объектов упра­вления.

    Централизованная рассредоточенная структура

    Основная особенность данной структуры — сохранение принципа централизованного управления, т.е. выработка управляющих воздействий на каждый объект управления на основе информации о состояниях всей совокупности объектов управления. Некоторые функциональные устройства системы управления являются об­щими для всех каналов системы и с помощью коммутаторов под­ключаются к индивидуальным устройствам канала, образуя замкнутый контур управления.

    Алгоритм управления в этом случае состоит из совокупности взаимосвязанных алгоритмов управления объектами, которые реализуются совокупностью взаимно связанных органов упра­вления. В процессе функционирования каждый управляющий орган производит прием и обработку соответствующей информа­ции, а также выдачу управляющих сигналов на подчиненные объекты. Для реализации функций управления каждый локаль­ный орган по мере необходимости вступает в процесс информа­ционного взаимодействия с другими органами управления. До­стоинства такой структуры: снижение требований, к производи­тельности и надежности каждого центра обработки и управления без ущерба для качества управления; снижение суммарной про­тяженности каналов связи.

    Недостатки системы в следующем: усложнение информацион­ных процессов в системе управления из-за необходимости обмена данными между центрами обработки и управления, а также корректировка хранимой информации; избыточность техниче­ских средств, предназначенных для обработки информации; сложность синхронизации процессов обмена информацией.

    Иерархическая структура

    С ростом числа задач управления в сложных системах значительно увеличивается объем переработанной информации и повышается сложность алгоритмов управления. В результате осуществлять управление централизо­ванно невозможно, так как имеет место несоответствие между сложностью управляемого объекта и способностью любого упра­вляющего органа получать и перерабатывать информацию.

    Кроме того, в таких системах можно выделить, следующие, группы задач, каждая из которых характеризуется соответствующими требованиями по времени реакции на события, происхо­дящие в управляемом процессе:

    задачи сбора данных с объекта управления и прямого цифрового управления (время реакции , секунды, доли секунды);

    задачи экстремального управления, связанные с расчётами желаемых параметров управляемого процесса и требуемых значений уставок регуляторов, с логиче­скими задачами пуска и остановки агрегатов и др. (время реак­ции — секунды, минуты);

    задачи оптимизации и адаптивного управления процессами, технико-экономические задачи (время реакции — несколько секунд);

    информационные задачи для адми­нистративного управления, задачи диспетчеризации и координа­ции в масштабах цеха, предприятия, задачи планирования и др. (время реакции — часы).

    Кроме того, многие производственные системы имеют соб­ственную иерархию, возникающую под влиянием объективных тенденций научно-технического прогресса, концентрации и спе­циализации производства, способствующих повышению эффектив­ности общественного производства. Чаще всего иерархическая структура объекта управления не совпадает с иерархией системы управления. Следовательно, по мере роста сложности систем выстраивается иерархическая пирамида управления. Управляе­мые процессы в сложном объекте управления требуют своевремен­ного формирования правильных решений, которые приводили бы к поставленным целям, принимались бы своевременно, были бы взаимно согласованы. Каждое такое решение требует постановки соответствующей задачи управления. Их совокупность образует иерархию задач управления, которая в ряде случаев значительно сложнее иерархии объекта управления.


    1. Основные принципы проектирования автоматизированных систем.

    2. Содержание и организация проектирования.

    3. Анализ системы обработки информации. Разработка технического задания.

    4. Организация и разработка технического задания.

    5. Организация разработки рабочего проекта.

    1. Основные принципы проектирования автоматизированных систем

    Как показывает опыт, простое насыщение органов управления на всех уровнях компьютерной техникой без изменения методов и принципов организации, планирования, управления и контроля производственных процессов не дает того эффекта, на который можно было бы рассчитывать, Следовательно, для достижения требуемого уровня информационной обеспеченности необходимы системные решения, требующие для своей реализации проведения обоснованной стратегии, базирующейся на ряде определенных принципов. Эти принципы выработаны долголетней практикой создания подобных систем и нашли свое адекватное отражение. Изложим эти принципы (по Глушкову В.М.):

    1) Один из основных принципов в литературе принято называть принципом новых задач. Он состоит в том, что не следует просто перекладывать на автоматизированную систему традиционные приемы управления, а нужно их перестраивать в соответствии с возможностями и особенностями используемых методов и техники.

    2) Второй основополагающий принцип заключается в системном подходе. Это означает, что цели и критерии функционирования объекта и системы информационного обеспечения должны рассматриваться совместно и для них должна быть проведена совместная структуризация, отражающая весь комплекс вопросов.

    Системный подход распространяется также и на организацию переработки информации, которая должна базироваться на принципе автоматизации документооборота. Суть этого принципа состоит в следующем. При непосредственном (внесистемном) насыщении компьютерной техникой органов управления обмен данными осуществляется только между компьютером (или несколькими ЭВМ) и сотрудниками органов управления, которые в свою очередь обмениваются данными с объектом управления. Между объектом управления и ЭВМ обмена данными не происходит. В случае же системного решения и сопряженной с этим
    автоматизацией документооборота такой обмен данными между объектом управления и ЭВМ также имеет место.

    3) Следующий принцип – принцип использование типовых проектов, максимально возможная типизация проектных решений.

    4) Практика создания автоматизированных систем показывает, что необходимо соблюдение такого важного принципа, как принцип непрерывного развития системы. Система должна быть способной реагировать на изменение экономических и других условий как на макроуровне, так и на уровне отдельных предприятий.

    5) Следующим основополагающим системным принципом является принцип единой информационной базы. Он заключается в том, что информация в системе накапливается и обновляется не отдельными частями, относящимися к отдельным задачам, а в виде единого целого, обеспечивающего дублирование информации и возможность разночтений. Основной массив информации может в таком случае играть роль эталона, а вся совокупность информационных массивов будет при этом образовывать информационную модель объекта.

    При проектировании новых и модернизации старых автоматизированных систем на базе компьютерной технологии необходимо руководствоваться общеотраслевыми руководящими методическими материалами (ОРММ), суть которых раскрывается ниже.

    2. Содержание и организация проектирования

    Под проектированием АСУ понимается процесс разработки технической документации, связанный с организацией системы получения и преобразования исходной информации в результатную. Документ, полученный в результате проектирования, носит название проект.

    Целью проектирования является подбор технического и формирования информационного, математического, программного и организационно-правового обеспечения АСУ.

    Подбор технического обеспечения должен быть таким, чтобы обеспечить своевременный сбор, регистрация, передачу, хранение, наполнение и обработку информации.

    Информационное обеспечение должно предусматривать создание и функционирование единого информационного фонда системы, представленного множеством информационных массивов, набором данных или базой данных, а также базой знаний интеллектуальных систем управления.

    Формирование математического обеспечения АСУ включает комплектацию методов и алгоритмов решения функциональных задач системы. При формировании программного обеспечения систем особое внимание обращается на создание комплекса программ и инструкций пользователя и выбор эффективных программных продуктов.

    Основными задачами проектирования АСУ являются:

    – оказание влияния на улучшение процесса управления, организации учетной, плановой и аналитической работы;

    – выбор оборудования и разработка рациональной технологии решения задач и получения результатной информации;

    – составление графиков прохождения как внутри, так и между производственными и функциональными подразделениями;

    – создание базу данных и базы знаний (в интеллектуальных СУ), обеспечивающей оптимальное использование информации, касающейся планирования, учета, анализа хозяйственной деятельности и управления;

    – создание нормативно-справочной информации.

    Разработка и внедрение автоматизированных систем осуществляется в очередности, установленной техническим заданием. Содержание первой очереди системы определяется составом задач учета, анализа, планирования и оперативного управления, наиболее поддающихся автоматизации и имеющих существенное значение для принятия управленческих решений в предприятии. В процессе разработки последующих очередей системы происходят наращивания исходного комплекса функциональных задач, расширение и интеграция информационного и математического обеспечения, модернизация комплекса технических средств. При создании первой очереди АСУ техническое задание разрабатывается на всю систему, а технический и рабочий проекты – на задачи и подсистемы, входящие в состав первой очереди системы.

    3. Анализ системы управления. Разработка технического задания

    Обследование – это изучение и диагностический анализ существующей системы управления. Материалы, полученные в результате обследования, должны быть использованы:

    – для обоснования разработки и поэтапного внедрения систем управления;

    – для составления технического задания на разработку систем управления;

    – для разработки технического и рабочего проектов систем управления.

    Обследование проводится разработчиками совместно с заказчиком. Обследование начинается с изучения производственно-экономических характеристик объекта, основных функций, осуществляемых подразделениями и их руководителями. Далее изучаются задачи, обеспечивающие реализацию функций управления, организационная структура,
    штаты и содержание работ по управлению в предприятии, а также характер подчиненности вышестоящим органам управления.

    В процессе обследования должны быть выявлены:

    – инструктивно-методические и директивные материалы, на основании которых определяются состав подсистем и перечень задач;

    – возможности применения новых методов решения задач.

    – по результатам обследования следует установить перечень задач управления, решение которых целесообразно автоматизировать, и очередность их разработки.

    В отчете по обследованию, называемом технико-экономическим обоснованием (ТЭО), приводятся: характеристика материально-технической базы производства предприятия, численность работников по категориям, основные технико-экономические показатели производства и реализации продукции, краткое описание функций подразделений и должностных лиц, схемы информационных связей и объем информации по периодам, схемы маршрутов движения документов, данные об уровне автоматизации процессе управления процессами и управленческого труда, а также о методах управления.

    В ТЭО обосновываются предложения по совершенствованию системы управления, выделяются функции, подлежащие автоматизации, указываются первоочередной комплекс задач и предварительный перечень средств системы, проводится ориентировочная оценка экономической эффективности создания АСУ.

    Техническое задание – это документ, утвержденный в установленном порядке, определяющий цели, требования и основные исходные данные, необходимые для разработки автоматизированной системы управления, и содержащий предварительную оценку экономической эффективности системы.

    При разработке технического задания следует:

    – установить общую цель создания АСУ, определить состав подсистем и задач;

    – разработать и обосновать требования, предъявляемые к информационным подсистемам;

    – разработать и обосновать требования, предъявляемые к информационной базе, математическому и программному обеспечению, комплексу технических средств;

    – определить этапы создания системы и сроки их выполнения;

    – провести предварительный расчет затрат на создание системы и определить уровень экономической эффективности ее внедрения.

    4. Организация разработки технического проекта

    Основанием для разработки технического проекта системы является техническое задание (ТЗ), утвержденное заказчиком. Технический проект (ТП) системы – это техническая документация, утвержденная в установленном порядке, содержащая общесистемные проектные решения, алгоритм решения задач, а также оценку экономической эффективности АСУ и перечень мероприятий по подготовке объекта к внедрению.

    Технический проект разрабатывается в целях определения основных проектных решений по созданию системы. На этом этапе осуществляется комплекс научно-исследовательских и экспериментальных работ для выбора наилучших вариантов решений, проводятся экспериментальная проверка основных проектных решений и расчет экономической эффективности системы.

    Фактически ТП содержит комплекс математических моделей и алгоритмов решения задач оптимизации и управления.

    Все перечисленные документы можно сгруппировать и представить в виде четырех основных частей технического проекта: экономико-организационная, информационная, математическая и техническая.

    Экономико-организационная часть ТП содержит пояснительную записку относительно оснований для разработки системы, перечень организаций разработчиков, краткую характеристику объекта с указанием основных технико-экономических показателей его функционирования и связей с другими объектами, краткие сведения об основных проектных решениях по функциональной и обеспечивающим частям системы.

    Математическая часть технического проекта содержит обоснование структуры математического обеспечения, обоснование выбора системы программирования, в том числе перечень стандартных программ.

    Техническая часть ТП предполагает описание и обоснование схемы технического процесса обработки данных; обоснование требований к разработке нестандартного оборудования; обоснование и выбор структуры комплекса технических средств (КТС) и его функциональных групп; комплекс мероприятий по обеспечению надежности функционирования технических средств.

    5. Организация разработки рабочего проекта

    Рабочее проектирование заключается в разработке материалов, обеспечивающих эксплуатацию АСУ обработки информации и управления.

    Рабочий проект (РП) – это техническая документация, утвержденная в установленном порядке, содержащая уточненные данные и детализированные общесистемные проектные решения, программы и инструкции по решению задач, а также уточненную оценку экономической эффективности системы управления и уточненный перечень мероприятий по подготовке объекта к внедрению.

    Рабочий проект разрабатывается на основе технического проекта, утвержденного заказчиком. На этапе рабочего проектирования заказчик должен закончить работы по подготовке объекта к внедрению системы, подготовить помещения для установки компьютеров и другой техники, организовать учебу работников всех звеньев организационной структуры, разместить заказы на изготовление нестандартного оборудования.

    Экономико-организационная часть РП содержит уточненный перечень задач, решаемых каждой подсистемой, с указанием периодичности и сроков их решения; инструкции каждому должностному лицу с описанием действий при нормальном режиме функционирования системы и при его нарушениях; порядок и правила использования входных документов и маршруты их движения.

    Информационная часть рабочего проекта включает материалы с перечнем показателей, используемых в задачах различных подсистем; порядок формирования массивов информации; методы внесения изменений в информацию; методы организации контроля информации; перечень показателей, выдаваемых по запросу аппарата управления.

    Математическая часть рабочего проекта содержит уточнение в составе математических моделей; методы, алгоритмы и программы решения задач; методы организации массивов информации; выбранную систему программирования; используемую операционную систему; библиотеку стандартных программ и инструкции для их использования; эталоны программ для решения задач и для работы с НСИ (нормативно-справочной информацией).

    Техническая часть рабочего проекта предусматривает определение технических средств (тип компьютера, периферийные устройства, средства связи и передачи данных, средства измерения, сбора, передачи и хранения информации), описание технологического процесса обработки данных; расчет и составление графика загрузки КТС; описание режима функционирования КТС.

    Проектная документация, включая техническое задание, технические и рабочие проекты, оформляется в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

    Заключение. Изложены основные принципы проектирования автоматизированных систем управления; перечислен основные задачи проектирования; описаны этапы проектирования АСУ: анализ и обследование системы; техническое задание; технический проект и его основные части; рабочий проект и его основные части.

    1. Основные принципы проектирования автоматизированных систем управления.

    Накопленный опыт разработки и эксплуатации АС позволяет сформулировать ряд принципов их построения, соблюдение которых является необходимым условием создания эффективных систем. Мы рассмотрим эти принципы применительно к системам управления производством, но они в полной мере применимы и к системам других классов.

    1. Принцип системного подхода.

    Это основополагающий принцип. Суть его заключается в том, что проектируемый объект должен рассматриваться с позиций более высокого уровня. Так, например, проектируемая задача должна рассматриваться с позиций функциональной подсистемы, в которую она входит; проектируемая подсистема — с позиций системы и т. п.

    Проектирование автоматизированной системы должно начинаться с тщательного системного анализа объекта управления, управляющей части и внешней среды. Необходимо выяснить все множество факторов, под влиянием которых находится система, а также все множество факторов, на которые влияет сама система. Параллельно с этим необходимо выяснить все множество целей, стоящих перед проектируемой системой. Для каждой цели необходимо разработать один или несколько критериев эффективности, которые являются численной мерой степени достижения целей. Необходимо вскрыть весь комплекс вопросов, которые необходимо решить для того, чтобы проектируемая система наилучшим образом соответствовала бы поставленным целям и критериям эффективности.

    2. Принцип новых задач.

    Суть его заключается в том, что совершенно недостаточно ограничиться тем, чтобы переложить на ЭВМ и другие технические средства сложившиеся формы, методы и задачи управления. Главное внимание следует уделить тем огромным возможностям, которые открывает использование современной вычислительной техники и программного обеспечения. Особое внимание следует обратить на те задачи, которые в существующей системе управления вследствие большого объема или вычислительных сложностей не решаются или решаются в неполной степени.

    3. Принцип первого руководителя.

    Успешная реализация двух первых принципов возможна лишь в том случае, если разработка и внедрение АС находятся в непосредственном ведении первых лиц организации заказчика (директор или главный инженер). При этом на системотехника вохчагается задача четкого распределения функций между организацией заказчика и организацией разработчика.

    4. Принцип непрерывного развития системы.

    Он предусматривает возможность введения новых задач и совершенствования уже внедренных задач без ухудшения качества решения эксплуатируемых задач и тем более без исключения возможности решения хотя бы одной эксплуатируемой задачи. Системы обладающие этими качествами, называют открытыми системами.

    5. Принцип разумной типизации проекта.

    6. Принцип автоматизации документооборота.

    В автоматизированных системах совершенно недостаточно ограничиться выполнением расчетов на ЭВМ по тем или иным моделям, необходимо автоматизировать все стадии обработки информации, а именно сбор первичной информации, ее передачу, обработку, хранение и доведение полученных результатов до конкретных пользователей данной АС.

    7. Принцип единой информационной базы.

    Суть его заключается в том, что на магнитных носителях накапливается и постоянно обновляется информация, необходимая для решения не отдельных, а всех задач управления.

    8. Принцип однократности ввода и многократности использования информации.




    Он непосредственно следует из предыдущего принципа. Информация о любом документе, объекте или событии должна вводиться в систему только один раз. Невыполнение этого принципа приводит к тому, что, например, об одном и том же событии может появиться несколько противоречивых мнений, что засоряет память системы и неизбежно выводит ее из строя. Многократность использования означает, что на любой уровень управления, от министра до начальника участка, информация должна поступать из единой информационной базы. При этом, конечно, формы представления этой информации, степень ее детализации и т. п. для каждого уровня должны быть различными.

    9. Принцип комплексности задач и рабочих программ.

    Большинство задач, решаемых в рассматриваемых системах,

    тесно связаны между собой, например задачи подсистем технико-экономического планирования и материально-технического снабжения. Между этими подсистемами идет постоянный обмен информацией и раздельное решение этих задач существенно снижает эффективность всей системы.

    10. Принцип согласованности пропускных способностей различных элементов системы.

    В простейшем случае для последовательных участков системы пропускная способность каждого последующего элемента должна быть не меньше, чем у предыдущего.

    Накопленный опыт разработки и эксплуатации АС позволяет сформулировать ряд принципов их построения, соблюдение которых является необходимым условием создания эффективных систем. Мы рассмотрим эти принципы применительно к системам управления производством, но они в полной мере применимы и к системам других классов.

    1. Принцип системного подхода.

    Это основополагающий принцип. Суть его заключается в том, что проектируемый объект должен рассматриваться с позиций более высокого уровня. Так, например, проектируемая задача должна рассматриваться с позиций функциональной подсистемы, в которую она входит; проектируемая подсистема — с позиций системы и т. п.

    Проектирование автоматизированной системы должно начинаться с тщательного системного анализа объекта управления, управляющей части и внешней среды. Необходимо выяснить все множество факторов, под влиянием которых находится система, а также все множество факторов, на которые влияет сама система. Параллельно с этим необходимо выяснить все множество целей, стоящих перед проектируемой системой. Для каждой цели необходимо разработать один или несколько критериев эффективности, которые являются численной мерой степени достижения целей. Необходимо вскрыть весь комплекс вопросов, которые необходимо решить для того, чтобы проектируемая система наилучшим образом соответствовала бы поставленным целям и критериям эффективности.

    2. Принцип новых задач.

    Суть его заключается в том, что совершенно недостаточно ограничиться тем, чтобы переложить на ЭВМ и другие технические средства сложившиеся формы, методы и задачи управления. Главное внимание следует уделить тем огромным возможностям, которые открывает использование современной вычислительной техники и программного обеспечения. Особое внимание следует обратить на те задачи, которые в существующей системе управления вследствие большого объема или вычислительных сложностей не решаются или решаются в неполной степени.

    3. Принцип первого руководителя.

    Успешная реализация двух первых принципов возможна лишь в том случае, если разработка и внедрение АС находятся в непосредственном ведении первых лиц организации заказчика (директор или главный инженер). При этом на системотехника вохчагается задача четкого распределения функций между организацией заказчика и организацией разработчика.

    4. Принцип непрерывного развития системы.

    Он предусматривает возможность введения новых задач и совершенствования уже внедренных задач без ухудшения качества решения эксплуатируемых задач и тем более без исключения возможности решения хотя бы одной эксплуатируемой задачи. Системы обладающие этими качествами, называют открытыми системами.

    5. Принцип разумной типизации проекта.

    6. Принцип автоматизации документооборота.

    В автоматизированных системах совершенно недостаточно ограничиться выполнением расчетов на ЭВМ по тем или иным моделям, необходимо автоматизировать все стадии обработки информации, а именно сбор первичной информации, ее передачу, обработку, хранение и доведение полученных результатов до конкретных пользователей данной АС.

    7. Принцип единой информационной базы.

    Суть его заключается в том, что на магнитных носителях накапливается и постоянно обновляется информация, необходимая для решения не отдельных, а всех задач управления.

    8. Принцип однократности ввода и многократности использования информации.

    Он непосредственно следует из предыдущего принципа. Информация о любом документе, объекте или событии должна вводиться в систему только один раз. Невыполнение этого принципа приводит к тому, что, например, об одном и том же событии может появиться несколько противоречивых мнений, что засоряет память системы и неизбежно выводит ее из строя. Многократность использования означает, что на любой уровень управления, от министра до начальника участка, информация должна поступать из единой информационной базы. При этом, конечно, формы представления этой информации, степень ее детализации и т. п. для каждого уровня должны быть различными.

    9. Принцип комплексности задач и рабочих программ.

    Большинство задач, решаемых в рассматриваемых системах,

    тесно связаны между собой, например задачи подсистем технико-экономического планирования и материально-технического снабжения. Между этими подсистемами идет постоянный обмен информацией и раздельное решение этих задач существенно снижает эффективность всей системы.

    10. Принцип согласованности пропускных способностей различных элементов системы.

    В простейшем случае для последовательных участков системы пропускная способность каждого последующего элемента должна быть не меньше, чем у предыдущего.

    Автоматизированная система управления технологическими процессами (АСУ ТП) — это совокупность аппаратно-программных средств, которые осуществляют контроль и управление производственными и технологическими процессами, поддерживают обратную связь и активно воздействующих на ход процесса при отклонении его от заданных параметров, а также обеспечивают регулирование и оптимизацию управляемого процесса.

    АСУТП используется для выполнения следующих функций:
    • Целевое применение в качестве законченного изделия под определенный объект автоматизации;
    • Стабилизация заданных режимов технологического процесса путем измерения и обработки значений технологических параметров, их визуального представления и выдачи управляющих воздействий в режиме реального времени на исполнительные механизмы, как в автоматическом режиме, так и в результате действий технолога-оператора;
    • Анализ состояния технологического процесса, выявление предаварийных ситуаций и предотвращение аварий путем переключения технологических узлов в безопасное состояние, как в автоматическом режиме, так и по инициативе оперативного персонала;
    • Обеспечение инженерно-технического персонала завода необходимой информацией с технологического процесса для решения задач контроля, учета, анализа, планирования и управления производственной деятельностью.

    Уровни АСУТП

    АСУТП подразделяется на 4 уровня:
    • уровень технологического процесса (полевой уровень);
    • уровень контроля и управления технологическим процессом (контроллерный уровень);
    • уровень магистральной сети (сетевой уровень);
    • уровень человеко-машинного интерфейса (верхний уровень).


    Полевой уровень

    Полевой уровень формирует первичную информацию, обеспечивающую работу всей АСУТП. На этот уровень адресно поступают и реализуются управляющие воздействия.
    Оборудование полевого уровня составляют первичные преобразователи (датчики), исполнительные органы и механизмы.
    Датчик - устройство, преобразующее физические параметры технологического процесса в электрические сигналы, поступающие в дальнейшем на контроллер.
    Исполнительный орган - орган, воздействующий на технологический процесс путем изменения пропускной способности.
    Исполнительный механизм - устройство, преобразующее электрические сигналы в физические воздействия, осуществляющее управление параметрами технологического процесса в автоматическом или ручном режиме.

    Контроллерный уровень

    Уровень контроля и управления процессом выполняет функции сбора и первичной обработки дискретных и аналоговых сигналов, выработки управляющих воздействий на исполнительные механизмы.
    Оборудование среднего уровня составляют программируемые контроллеры, устройства связи и с объектом (УСО), шкафы кроссовые и шкафы с контроллерами и вспомогательными средствами автоматизации и вычислительной техники.
    Контроллер - устройство, предназначенное для получения в реальном времени информации с датчиков, преобразования ее и обмена с другими компонентами системы автоматизации (компьютер оператора, монитор, база данных и т. д.), а также для управления исполнительными механизмами.

    Сетевой уровень

    Уровень магистральной сети является связующим звеном между контроллерами и станциями оператора. Основой этого уровня АСУТП можно считать цифровую промышленную сеть, состоящую из многих узлов, обмен информацией между которыми производится цифровым способом.

    Верхний уровень

    Этапы проектирования автоматизированных систем управления технологическим процессом

    Процесс создания автоматизированных систем управления технологическим процессом можно разбить на следующие этапы:
    а) детализация технических требований на создаваемую диспетчерскую систему контроля и управления;
    б) разработка проектно – сметной документации в сокращенном или полном объеме;
    в) сбор и изучение исходных данных;
    г) составление полного перечня переменных;
    д) комплектация системы;
    е) разбиение объекта управления на технологические участки и последующая распределение переменных по участкам и группа;
    ж) создание базы данных;
    и) создание статических частей графических экранов интерфейса оператора;
    к) заполнение графических экранов интерфейса оператора динамическими элементами;
    л) составление схемы переходов между графическими экранами оператора;
    м) составление алгоритмов управления (для всех возможных режимов работы объекта, в том числе аварийного);
    н) генерация печатных документов;
    п) верификация базы данных;
    р) разработка эксплуатационной документации;
    с) тестирование системы в автономном режиме (без УСО);
    т) монтаж;
    у) тестирование системы в рабочем режиме (с УСО);
    ф) внедрение, в том числе пусконаладка и обучение персонала.

    Принцип работы АСР и законы регулирования

    Все процессы управления, и в частности регулирования, имеют общие закономерности, не зависящие от конкретных целей и объектов управления.
    Для лучшего понимания, рассмотрим процесс управления на примере процесса регулирования уровня в емкости при произвольно изменяющемся потреблении жидкости.


    Регулирование уровня в емкости:
    1 - клапан; 2 - емкость; 3 - насос.

    Стабилизировать уровень на конкретном заданном значении можно изменением притока в зависимости от отклонения уровня от заданного значения. Примем, что вначале уровень в емкости постоянный и равен заданному. Случайное уменьшение потребления вызовет отклонение уровня выше заданного, и в такой ситуации прикрывают клапан на притоке. При отклонении уровня ниже заданного значения клапан, наоборот, больше приоткрывают.
    Этот процесс регулирования также состоит из пяти составляющих. Во-первых, получение информации о заданном значении уровня. В данном случае это значение заранее известно. Во-вторых, получение информации о фактическом уровне, т. е. его измерение. В-третьих, определение величины и знака отклонения уровня от заданного. В-четвертых, установление требуемого изменения притока в зависимости от величины и знака отклонения. В-пятых, изменение притока открытием или закрытием клапана.
    В данном примере процесс управления был неавтоматическим: в нем принимал участие человек, в то время как в АСР процесс управления осуществляется автоматически. Так, регулировать уровень в емкости автоматически можно, например, с помощью АСР, показанной на рисунке ниже.


    Автоматическое регулирование уровня в емкости:
    1 - поплавок; 2 - рычаг; 3 - шток; 4 - клапан.

    Поплавок 1 в этой системе перемещается вместе с уровнем, а клапан 4 изменяет расход на притоке. Поплавок связан с клапаном через поворотный рычаг 2 и прикрепленный к нему шток 3.
    В такой АСР любое отклонение уровня от заданного, вызванное колебаниями потребления, приведет к перемещению поплавка и связанного с ним клапана. При отклонении уровня выше заданного клапан будет прикрываться, а при отклонении ниже заданного, наоборот, приоткрываться.
    Таким образом, в этой системе все указанные составляющие процесса регулирования выполняются автоматически: при отклонении уровня от заданного значения поплавок отклоняет рычаг, а перемещение штока изменяет степень открытия клапана и приводит тем самым к требуемому изменению притока.
    Из рассмотренного примера видно, что для управления любым объектом необходимо получить информацию о заданном и фактическом его состоянии, определить отклонение фактического состояния от заданного, и на основе данных параметров выработать целенаправленное воздействие на объект и осуществить его.
    В процессе работы системы автоматического регулирования регулятор сравнивает текущее значение измеряемого параметра Х, полученного от датчика Д, с заданным значением (заданием Z) и устраняет рассогласование регулирования e (e=Z-X). Внешние возмущающие воздействия также устраняются регулятором. Структурная схема непрерывного регулятора с аналоговым выходом приведена на рисунке ниже.


    Выход Y регулятора (сигнал 0…20мА, 4…20мА, 0…5мА или 0…10В) воздействует через электропневматический преобразователь Е/Р сигналов (с выходным сигналом 20…100кПа) или электропневматический позиционный регулятор на исполнительный элемент К (регулирующий орган).Где:
    • Z – сигнал задания (задатчик может быть встроен в регулятор);
    • X – регулируемый технологический параметр (переменная);
    • е – рассогласование регулятора;
    • Д – датчик;
    • НП – нормирующий преобразователь (в современных регуляторах является входным устройством);
    • Y – выходной аналоговый управляющий сигнал;
    • Е/Р - электропневматический преобразователь;
    • К – клапан регулирующий (регулирующий орган).

    Таким образом любой регулятор имеет два входа (задание и переменная) и один выход (управляющий сигнал).

    Типы действия регуляторов

    По направлению действия выходного сигнала регуляторы бывают двух типов – прямого или обратного действия.


    Законы регулирования

    Пропорциональный закон регулирования, П-регулятор


    Принцип действия заключается в вырабатывании регулятором управляющего воздействия на объект пропорционально величине ошибки (чем больше ошибка е, тем больше управляющее воздействие Y).
    Настроечным параметром будет являться коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) КР.

    Интегральный закон регулирования, И-регулятор

    Управляющее воздействие пропорционально интегралу от ошибки. Настроечным параметром будет являться коэффициент интеграции (время интегрирования) КI.


    Пропорционально-интегральный закон регулирования, ПИ-регулятор

    ПИ-регулятор представляет собой сочетание П и И регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент интеграции (время интегрирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) КI и КР.


    Дифференциальный закон регулирования, Д-регулятор

    Д-регулятор генерирует управляющее воздействие только при изменении регулируемой величины. Настроечным параметром будет являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования) КD.


    Пропорционально-дифференциальный закон регулирования, ПД-регулятор

    ПД-регулятор представляет собой сочетание П и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности) КР и КD.


    Интегрально-дифференциальный закон регулирования, ИД-регулятор

    ИД-регулятор представляет собой сочетание И и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент интеграции (время интегрирования) КI и КD.


    Пропорционально-интегрально-дифференциальный закон регулирования

    ПИД-регулятор представляет собой сочетание П, И и Д регуляторов. Настроечными параметрами будут являться коэффициент дифференциации (время дифференцирования), коэффициент усиления (коэффициент пропорциональности), коэффициент интеграции (время интегрирования) КI , КР и КD.


    Определение параметров объекта управления

    Объектом управления называется динамическая система, характеристики которой изменяются под влиянием возмущающих и управляющих воздействий. Объектами управления могут быть механизмы, машины и аппараты, в которых протекают технологические процессы (измельчение, перемешивание, кристаллизация, сушка и т.п.).
    Одной из основных характеристик объекта управления является его передаточная функция. Для получения передаточной функции ОУ необходимо изменить на небольшую величину входной параметр ОУ и отслеживать во времени выходной параметр ОУ до тех пор, пока он не примет стабильное неменяющееся значение.


    Из переходной функции ОУ можно вычислить следующие характеристики:
    1. К - коэффициент усиления ОУ;
    2. Т - постоянная времени ОУ (время нарастания);
    3. τ - время запаздывания ОУ.
    Эти характеристики являются основными и необходимы при выборе и расчете настроечных параметров регуляторов.

    Определение направления действия регулятора

    Если при увеличении выходного сигнала (управления) переменная и задание то же увеличиваются, то необходимо выбрать обратный регулятор, т. к. направление действие регулятора должно быть противоположно действию процесса.
    Если при увеличении выходного сигнала (управления) переменная и задание то же уменьшаются, то необходимо выбрать прямой регулятор, т. к. направление действие регулятора должно быть противоположно действию процесса.

    Выбор типа регулятора

    Основные области применения типов регуляторов определяются с учетом следующих рекомендаций:
    • И–регулятор с статическими ОУ – при медленных изменениях возмущений и малом времени запаздывания (τ/Т 0,8 и малой колебательности переходных процессов.

    Определение настроечных параметров регулятора

    На основании формул таблицы настройки регуляторов рассчитываем параметры регулятора в зависимости от типа желаемого переходного процесса:


    Качество настройки контуров управления напрямую влияет на стабильность ведения технологических процессов и получение продукции требуемого качества.

    Читайте также: