Автоматизированные системы управления

30.05.2012

ЭЛ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

Автоматизированной системой управления (АСУ) называется организационно-техническая система, обеспечивающая эффектив­ное функционирование объекта, в которой сбор и переработка ин­формации, необходимой для реализации функции управления, осу­ществляется с активным использованием средств автоматизации и вычислительной техники. Принципы автоматизированного управ­ления рассмотрены в гл. 1 и отражены на рис. 1.4 и 1.8. Исходя из этих принципов видно, что АСУ — сложная система, в которой осуществляется комбинированное управление по разомкнутому циклу. Лицо, принимающее управляющие решения (ЛПР), в АСУ — это человек или группа лиц, анализирующих состояние объекта и характер влияния внешней среды с помощью ЭВМ и других технических устройств.

Объектами управления в АСУ являются обычно производствен­ные системы, а также любые другие сложные социально-экономи­ческие системы. Назначение АСУ — обеспечить оптимальное управ­ление объектом управления по заданным или выбранным кри­териям оптимальности и ограничениям. АСУ призваны поднять эффективность управления предприятиями и организациями раз­личных отраслей народного хозяйства: промышленности, строи­тельства, транспорта, а также эффективность управления народ­ным хозяйством в целом. Источниками эффективности управления на базе АСУ являются сбалансированные поставки ресурсов и по­требностей, оптимизация производственных процессов по различ­ным критериям, обеспечение руководства предприятий, организа­ций, отраслей и т. д. своевременной и достоверной информацией о состоянии объектов управления, прогнозирование их состояний.

В зависимости от характера объектов управления АСУ подраз­деляются на три типа: 1) автоматизированные системы организа­ционного управления (АСОУ); 2) автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП); 3) интегри­рованные автоматизированные системы управления (ИАСУ).

В АСОУ объектами управления являются производственно-эко­номические и социальные системы, в АСУТП — технологические процессы в сложных технических системах, в ИАСУ осуществля­ется комплексное управление объектами как производственно-эко­номического, так и технического характера.

По сложности алгоритмов обработки информации АСУ также подразделяются на три типа: 1) автоматизированные информаци­онно-справочные системы (АИС); 2) автоматизированные системы обработки данных (АСОД); 3) автоматизированные системы, реа­лизующие оптимальное управление (ОАСУ, или просто АСУ).

В АИС осуществляются автоматизированный сбор информации о заданных объектах, ее хранение и выдача по запросу. ЭВМ здесь используется как автоматизированный архив информации, из ко­торого можно оперативно получить сведения об объектах и систе­мах управления. В АИС алгоритмы управления формируют опти­мальное размещение информации в памяти ЭВМ, оптимизиру­ют процедуры ввода и вывода информации по запросу пользова­телей.

В АСОД осуществляются те же функции, что и в АИС, но на­ряду с этим осуществляется обработка информации по простейшим алгоритмам, например суммирование показателей, нахождение процентных соотношений, сопоставление результатов и т. п.

В АСУ реализуются алгоритмы оптимального управления объ­ектом по выбранным критериям оптимизации. В этих системах имеется возможность решать сколь угодно сложные задачи управ­ления, постановка и решение которых невозможны без использо­вания ЭВМ и методов решения задач управления в сложных си­стемах.

В зависимости от места объекта управления в иерархической структуре народного хозяйства различают АСУ: отдельными тех­нологическими процессами н операциями; подразделениями пред­приятий (например, АСУ цеха); предприятиями (АСУП); отрас­лями; общегосударственные (ОГАСУ).

По характеру отдельных предприятий различают АСУ пред­приятий с непрерывным, дискретным (мелкосерийным и единич­ным) и непрерывно-дискретным производством.

Приведенная классификация АСУ условна, .так как одни и те же признаки могут иметь место в системах различных типов.

По характеру функционального назначения в АСУ выделяется две части — обеспечивающая и функциональная. Обеспечивающая часть АСУ представляет собой совокупность подсистем: техничес­кое информационного, математического, программного, лингвис­тического, организационного и правового обеспечения. Характе­ристика каждой подсистемы дается в следующем параграфе. В це­лом обеспечивающая часть АСУ является комплексом методов и средств, инвариантным по отношению к объекту управления, и призвана обеспечивать автоматизацию обработки информации. Ав­томатизация обработки данных осуществляется аналогичными ме­тодами и средствами во всех АСУ, независимо от существа задач, решаемых в системе.

Функциональная часть АСУ представляет собой комплекс ад­министративных, организационных и экономико-математических методов и средств, предназначенных для автоматизации процессов принятия решений и выработки управляющих воздействий на объ­ект управления. Состав подсистем функциональной части опреде­ляется характером объекта управления и характером задач, ре­шаемых в АСУ. Сложность и многокритериальность решаемых в АСУ задач требуют формировать состав подсистем функциональ­ной части по функциям управления, обеспечивая в каждой под­системе реализацию всех общих фаз управления — планирование, учет, контроль, анализ и регулирование. Такой подход позволяет разрабатывать алгоритмы функционирования подсистем в соответ­ствующей фазе управления по единой методике для всех функций управления.

Для каждой функциональной подсистемы характерны свой круг решаемых задач, свой управляющий орган, цель функционирова­ния, входы и выходы. Таким образом, каждая подсистема облада­ет своими свойствами и является в значительной степени автоном­ной по информационным потокам.

Каждая функциональная подсистема характеризуется своей ин­формационной моделью, своими экономико-математическими мо­делями, методами и алгоритмами решения задач управления.

281

Название функциональных подсистем обычно отражает круг за­дач управления, решаемых в подсистеме, например подсистемы: управления технической подготовкой производства; технико-эко-

10 260 номического планирования; оперативного планирования и управ­ления; управления материально-техническим обеспечением; бух­галтерского учета и отчетности.

9.2. ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ЧАСТЬ АСУ

Техническое обеспечение АСУ (ТО АСУ) — комплекс техничес­ких средств (КТС), используемых для функционирования автома­тизированной системы управления.

В соответствии со схемой обработки информации при автома­тизированном управлении (см. рис. 1.8) КТС АСУ включает в се­бя следующие средства: сбора и регистрации информации; пере­дачи информации; преобразования информации с целью ввода в ЭВМ; обработки информации; отображения информации с целью использования для выработки управляющих воздействий. Каждая из указанных групп имеет свой набор технических средств. Для сбора и регистрации информации широко используются регистра­торы производства, для передачи — устройства и каналы связи. Преобразование информации для ввода в ЭВМ осуществляется на устройствах подготовки данных. Важнейший элемент КТС — электронно-вычислительные машины, в которых осуществляется обработка информации по заданным алгоритмам, разрабатывае­мым в соответствии с характером задач управления. Современные АСУ имеют широкую номенклатуру средств отображения инфор­мации, в число которых входят устройства на основе электронно­лучевой трубки (графические и текстовые дисплеи), графопострои­тели, печатающие устройства, экранные пульты и т. п.

Информационное обеспечение АСУ (ИО АСУ) — совокупность реализованных решений по объемам, размещению и формам. ор­ганизации информации, циркулирующей в АСУ в процессе ее функционирования. Основными составляющими подсистемы' ин­формационного обеспечения АСУ являются унифицированная си­стема документации, машинные массивы информации, система классификации и кодирования.

Унифицированная система документации представляет собой рационально организованный комплекс взаимосвязанных докумен­тов, отвечающий единым правилам и требованиям, вытекающим из необходимости машинной обработки информации. Эта докумен­тация содержит информацию, необходимую для решения задач АСУ на базе ЭВМ и экономико-математических методов, и состав­ляет основу внемашинной информационной базы АСУ.

Машинные массивы информации содержат необходимые исход­ные и справочные данные, а также нормативные данные для ре­шения задач АСУ и составляют основу внутримашинной инфор­мационной базы АСУ.

Системы классификации и кодирования — важнейшая состав­ная часть методов и средств, связывающая документы и машинные массивы. На базе систем классификации и кодирования создается информационно-поисковый аппарат — один из важнейших элемен­тов информационного обеспечения АСУ. .

В целом информационное обеспечение объединяет данные в различных формах, средства формализованного описания данных, программные средства обработки данных, организационные прин­ципы создания и ведения информационных массивов. Средства формализованного описания данных позволяют идентифицировать данные в информационных массивах и организовать эффективный доступ к ним. Помимо систем классификации и кодирования к средствам формализованного описания данных относятся инфор­мационные языки, предназначенные для описания запросов к мас­сивам данных и ответов на эти запросы.

Программные средства обработки данных предназначены для контроля информации, вводимой в ЭВМ, ее хранения и накопле­ния, внесения требуемых изменений в базу данных.

Организационные принципы создания и ведения вутримашин - ной информационной базы содержат методы и способы организа­ции, хранения, изменения информационных массивов и доступа к ним.

.лодсистема информационного обеспечения призвана накапли­вать, постоянно обновлять и хранить всю информацию, необходи­мую для решения задач в АСУ, и выдавать ее по запросам поль­зователей системы. Это определяет основные - требования к под­системе: достаточно полное отображение состояния объекта в любой момент времени; простой и быстрый доступ к информаци­онной базе; неизбыточность данных; высокая эффективность ме­тодов и средств сбора, хранения, обновления, поиска и выдачи информации; возможность развития информационной базы за счет - ее расширения и совершенствования методов обработки инфор­мации.

Огромные объемы информации, перерабатываемые в современ­ных АСУ. требование коллективного характера внутримашинной информационной базы, пригодной для разнообразного применения в пределах решаемых задач, требование неизбыточности инфор­мационной базы и ее независимости от прикладных программ поль­зователей АСУ привели к созданию и развитию информационного обеспечения на основе автоматизированных банков данных (АБД). АБД можно определить как совокупность базы данных (БД) и системы управления базой данных (СУБД). БД представляет со­бой совокупность взаимосвязанных, хранящихся вместе данных, организованных так, что обеспечивается минимальная избыточ­ность данных, возможность организации разнообразных структур, независимость организации данных от прикладных программ. СУБД — это программно-логический аппарат, организованный как пакет прикладных программ, предназначенный для эффективного управления базами данных. Подробно этот вопрос рассматрива­ется в курсе «Базы и банки данных». Здесь же отметим, что орга­низация внутримашинной информационной базы на основе банков данных — наиболее прогрессивная форма создания и развития ин­формационного обеспечения АСУ.

Важной составной частью информационного обеспечения явля­ется нормативная база АСУ, содержащая нормативно-справочную информацию в виде норм, нормативов, условно-постоянных спра­вочных и учетных показателей. Нормативная база организуется в виде документов и машинных носителей.

Математическое обеспечение АСУ (МО АСУ) — совокупность математических моделей, методов и алгоритмов обработки инфор­мации в автоматизированной системе управления.

Важнейшей составляющей подсистемы математического обес­печения являются математические модели процессов и объектов управления. В сущности АСУ представляет собой взаимоувязан­ный комплекс экономико-математических моделей и процессов вме­сте с методами и средствами их анализа. Характер моделей опре­деляется характером решаемых задач управления. Формально в большинстве случаев модель конструируется в виде целевой функ­ции и системы ограничений. Решение задачи в таких случаях сво­дится к поиску экстремума целевой функции при соблюдении огра­ничений. Способы решения таких задач базируются на методах математического программирования, значительная часть которых рассмотрена в гл. 7.

В частных случаях модели процессов и объектов могут быть сведены к аналитическим детерминированным моделям. Приме­ром такой целевой функции может служить модель вида

Т п

НН CijXij min (9.1)

Г=1 j=l

При ограничениях

Т п ____ ___

Н Хц = bf, Xij = Xi < Gi, i=l, m\ j = 1, n; (9.2) I=l j=l

Задача, формализованная в виде (9.1), решается методами ли­нейного программирования. К такой целевой функции может быть сведена модель транспортно-производственной задачи. В этом слу­чае обозначения в (9.1) имеют следующий смысл: т—-число объ­ектов производства продукта; п — число пунктов потребления про­дукта; ai — мощность г-го объекта производства; bj — объем про­дукции, потребляемой /-м заказчиком; Сц—стоимость производства и доставки единицы продукта из г-го пункта производства в /-й пункт потребления; Хц — объем продукта, поставляемого г-м про­изводством /-у потребителю.

Ограничения (9.2) в рассматриваемом примере обусловлены требованием максимальной эффективности производства и потреб­ления продукта.

Аналитические детерминированные модели в составе матема­тического обеспечения АСУ в большинстве случаев не могут от­ражать сложности решаемых задач. Более реальными являются комбинированные модели и комбинированные методы моделирова­ния, основанные на одновременном использовании двух критериев выбора решений — формализованного и эвристического.

Экономико-математические модели производственных объектов могут строиться на основе производственных функций, которые представляют собой функциональные зависимости между различ­ными факторами системы управления, определяемые статистичес­кими или корреляционными методами. Производственные функции устанавливают соотношение между выпуском продукции и исполь­зуемыми ресурсами:

F(Y, X,C)= 0, (9.3)

Где У={Уи У2, •> Уи Уп) — совокупность показателей выпуска продукции; Х={х1, х2,..., xh..., хт} — совокупность показателей ре­сурсов (рабочая сила, основные и оборотные фонды, сырье и т. п.); С={сь с2,..., сг,..., сь} — fc-мерный вектор.

Сложность задач управления в АСУ заключается в том, что далеко не все факторы, влияющие на объекты и процессы управ­ления, могут быть описаны количественно. Поэтому наиболее ти­пичными задачами являются такие, для которых характерна по­становка и решение в условиях неполной информации. В этом смыс­ле - - ажное значение имеют методы решения, основанные на принципах стохастического программирования.

Программное обеспечение (ПО) — совокупность программ для реализации задач АСУ с помощью комплекса технических средств. ПО АСУ состоит из двух частей: 1) общего программного обеспе­чения — представляющего собой совокупность программ, ориен­тированных на широкий круг пользователей для организации вычислительного процесса и решения часто встречающихся задач обработки информации; 2) специального программного обеспече­ния — включающего комплекс программ для реализации функций конкретной системы управления. Первая часть ПО создается раз­работчиками вычислительной системы или ЭВМ, вторая — разра­ботчиками АСУ.

Одним из важнейших принципов разработки ПО АСУ является принцип программной совместимости, призванный обеспечить об­мен программами в условиях работы АСУ различных уровней.

Общее программное обеспечение является универсальным и практически не зависит от области применения ЭВМ. Составляю­щими общего ПО являются комплексы программ: технического обслуживания вычислительной системы; операционной системы; системы автоматизации программирования; системный диспетчер; библиотека стандартных программ и подпрограмм общего назна­чения.

Программы технического обслуживания ЭВМ обеспечивают правильное функционирование вычислительной, системы, исполь­зуя, в частности, тестирование. Операционная система организует вычислительный процесс, распределяя все ресурсы ЭВМ: машинное время процессора; емкость оперативной и внешней памяти; рабо­ту устройств ввода-вывода. Средства автоматизации программи­рования включают трансляторы с алгоритмических языков програм­мирования, стандартные программы и подпрограммы основных математических процедур, программы решения типовых задач. Си­стемный диспетчер содержит программы, обеспечивающие функ­ционирование вычислительной системы в ритме работы объекта управления АСУ, связь ЭВМ с периферийными устройствами и абонентами, порядок выполнения рабочих программ. Библиотека стандартных программ объединяет стандартные программы ин­формационного обеспечения, обеспечивающие организацию инфор­мационных массивов, ввод информации, формирование машинной формы документов и т. п.

Специальное ПО формируется в виде совокупности пакетов прикладных программ (ППП). Каждый ППП представляет собой комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для реа­лизации конкретной функции АСУ и настраиваемый при конкрет­ном применении.

Лингвистическое обеспечение АСУ — совокупность языковых средств для формализации естественного языка, построения и со­четания информационных единиц при общении персонала АСУ с ЭВМ. Необходимость использования нескольких языков програм­мирования объясняется разнообразием задач, решаемых в АСУ, и степенью приспособления того или иного языка к конкретной задаче. В этом смысле языки программирования можно разбить на три группы: 1) машинные (МЯ); 2) машинно-ориентированные (МОЯ); 3) проблемно-ориентированные (ПОЯ).

МЯ — это машинные коды. В состав МЯ входит перечень опе­раций, свойственный конкретной ЭВМ, с их числовыми кодами. МЯ применяются в редких случаях — когда требуются программы высшего качества при минимальном времени их реализации. В ос­тальных случаях МЯ не применяются из-за крайне низкой произ­водительности процесса программирования и необходимости зна­ния детальных особенностей ЭВМ.

МОЯ — группа языков, также ориентированных на конкретную ЭВМ или тип ЭВМ. Однако МОЯ содержит элементы автомати­зации процесса распределения памяти ЭВМ. Например, в мнемо­коде, одном из МОЯ, цифровые коды операций машинного языка ЭВМ заменены буквенными или буквенно-цифровыми кодами. В другом МОЯ — автокоде — часто используемые совокупности машинных команд объединены в макрокоманды, что повышает производительность процесса программирования. Примером ши­роко применяемого машинно-ориентированного языка является язык АССЕМБЛЕР, который использует набор макрокоманд, по­зволяющий реализовать функции операционной системы ЕС ЭВМ.

ПОЯ — группа языков программирования, ориентированных на особенности решаемых задач, а не на ЭВМ. По структуре ПОЯ ближе к естественному языку, чем к'машинному, поэтому програм­мирование на этих языках не требует детального знания особен­ностей конкретной вычислительной машины и отличается высокой производительностью. Для перевода ПОЯ на язык конкретной машины в составе программного обеспечения ЭВМ имеются трансляторы—программы перевода, поэтому в распоряжении пользователей ЭВМ в АСУ есть несколько языков программирова­ния высокого уровня, к которым относятся ПОЯ: ФОРТРАН, КО­БОЛ, АЛГОЛ, РПГ, ПЛ/1 и др.

ФОРТРАН (FORTRAN — FORmula TRANslator) используется для программирования задач научно-технического характера. Язык базируется на алфавите естественного языка, содержит развитые средства связи между автономными частями программы — под­программами, имеет удобные средства отладки программ, эффек­тивные средства использования устройств ввода-вывода. Трансля­торы с ФОРТРАНа имеют средства выявления синтаксических ошибок в исходной программе.

КОБОЛ (COBOL — Common Business Oriented Language) ис­пользуется для программирования задач организационно-экономи­ческого характера, так как содержит эффективные средства опи­сания больших информационных массивов. Имеет развитую биб­лиотеку, программы которой реализуют отдельные операторы языка, преобразование данных из одного формата в другой, ариф­метические операции и специальные функции.

АЛГОЛ (ALGOL — ALGOrithmic Language) ориентирован на задачи численного анализа. Блочная структура языка, динамичес­кое аспределение памяти, развитый аппарат вызова процедур, значительное число библиотек программ сделали АЛГОЛ базовым языком для многих других языков программирования.

РПГ (RPG — Report Programm Generator) ориентирован на решение задач, не требующих большого объема вычислений, но имеющих большой объем операций ввода-вывода данных. На язы­ке РПГ удобно программировать алгоритмы решения экономичес­ких задач, содержащих значительное количество операций сложе­ния, вычитания, умножения, деления, вычисления итогов, обработ­ки таблиц и т. п.

ПЛ/1 (PL/1 — Programming. Language/One)—универсальный язык программирования, пригодный для программирования широ­кого круга задач: научно-технических, организационно-экономичес­ких, информационно-логических. В ПЛ/1 входят элементы языков ФОРТРАНа, АЛГОЛа, КОБОЛа, вместе с тем он содержит ряд новых элементов, что в целом сделало его новым универсальным языком программирования высокого уровня. Язык содержит на­бор средств, позволяющих эффективно описывать вычислитель­ные процессы, процедуры обработки данных и символьной инфор­мации, процессы моделирования, отражать процессы решения за­дач в реальном масштабе времени. Программирование для ЭВМ на языке ПЛ/1 позволяет повысить эффективность использования всей вычислительной системы в целом.

Выше дана характеристика языков программирования приклад­ных задач АСУ. Кроме этого, в составе лингвистического обеспе­чения вычислительной системы содержатся информационные язы­ки, используемые для обработки данных: запроса к базе данных; формирования различных логических отношений между элемента­ми структур базы данных; передачи информации в базу данных; управления внешними устройствами. К числу таких языков отно­сятся: языки описания данных (ЯОД) для описания структуры и содержания базы данных; язык команд (ЯК), используемый поль­зователем для взаимодействия с базой данных; язык управления внешними устройствами (ЯУВ). Перечисленные информационные языки являются средствами СУБД — систем управления базами данных.

В заключение заметим, что математическое, программное и лингвистическое обеспечения АСУ тесно увязаны между собой и часто рассматриваются как единая система программно-математи­ческого обеспечения. Роль этих подсистем весьма велика. Если техническое обеспечение аналогично станочному парку некоторо­го производства, информационное — сырьевым ресурсам, то про- граммно-математическое обеспечение можно рассматривать как совокупность инструментальных средств, от качества которых в значительной степени зависит качество конечной продукции, что применительно к АСУ означает достоверность результатов реше­ния задач управления и производительность вычислительных опе­раций. Развитие АСУ характеризуется непрерывным возрастанием удельной стоимости программно-математического обеспечения, ха­рактеризующего в значительной мере эффективность функциони­рования АСУ в целом. В настоящее время средства программно - математического обеспечения оцениваются в 70 % и выше общей стоимости АСУ.

Организационное обеспечение АСУ — совокупность документов, регламентирующих деятельность персонала АСУ в условиях ее функционирования.

Правовое обеспечение АСУ — совокупность правовых норм, регламентирующих правоотношения при функционировании АСУ и юридический статус результатов ее функционирования.

9.3. ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ АСУ

Создание АСУ представляет собой сложный и длительный про­цесс, включающий в себя научно-исследовательские, проектные, строительные, монтажные, наладочные и другие работы. Процесс создания АСУ разбивается на стадии и этапы. Стадия — одна из последовательно выполняемых частей процесса создания АСУ, установленных нормативными документами. Каждая стадия за­канчивается получением заданного результата, которым является назначенный комплект документации или определенный объем внедрения автоматизированного управления. Этап составляет часть стадии, установленную нормативными документами на основе ра­ционального планирования работ по созданию АСУ.

Введены три стадии разработки АСУ: 1) предпроектная; 2) разработка проектов; 3) ввод в эксплуатацию.

Предпроектная стадия включает в себя этапы раз­работки технико-экономического обоснования (ТЭО) и техниче­ского задания (ТЗ).

Важнейшей частью работ на предпроектной стадии создания АСУ является исследование существующей традиционной системы управления. Цель этого исследования заключается в том, чтобы вынести суждение о целесообразности перевода объекта на авто­матизированное управление и наметить основные требования к бу­дущей АСУ, если будет принято решение о ее создании. Важно под­черкнуть, что уже на стадии обследования традиционной системы управления могут быть обнаружены значительные резервы повы­шения эффективности управления.

При исследовании объекта управления выясняется состояние его производственной деятельности, его организационная структу­ра и система управления, взаимодействие с поставщиками и по­требителями, связи с научно-исследовательскими и проектными организациями. Весьма важной и трудоемкой составной частью исследования является изучение потоков информации на основе изучения и анализа форм документов, техники их заполнения и обработки. Трудоемкость этой работы определяется множеством вопросов, которые нужно решить при анализе документооборота системы управления: назначение каждого документа; количество экземпляров; обязательные реквизиты и показатели документов; значимость каждого показателя и правила их формирования; пе­риодичность составления документов; маршрут движения доку­мента в пределах исследуемой системы и др.

Для упрощения и сокращения процесса исследования объекта управления широко используются методы и средства формализо­ванного представления отдельных этапов исследования. В част­ности, используются специальные формы — спецификации опреде­ления систем управления: бланки описания организаций; струк­турная схема организации; таблица функций организации и ее подразделений; форма характеристик задач; бланк описания ин­формационных потоков. Результирующим документом на этапе изучения структуры традиционной системы управления, целей ее функционирования и ограничений, а также информационных по­токов в системе является обобщенная структурно-информаци­онная временная схема (ОСИВС), на которой с помощью услов­ных обозначений отражаются этапы и маршруты движения доку­ментов.

Для анализа информационных потоков и алгоритмов обработ­ки информации используются специальные формы: анализ доку­ментов; анализ массивов; анализ процедур.

Дальнейшим шагом совершенствования этапа исследования традиционных систем управления является определение информа­ционно-функциональных характеристик объектов управления с ис­пользованием ЭВМ, что призвано значительно сократить время обследования объектов и повысить качество результатов обследо­вания. Автоматизированные системы анализа информационных характеристик объектов управления позволяют получить такие сведения, как полнота обследования, степень обоснованности по­казателей документов, схемы формирования показателей и др.

Разработка проектов АСУ содержит этапы разработ­ки технического и рабочего проектов. В ряде случаев, когда накоп­лен определенный опыт проектирования тех или иных типов АСУ, возможно одностадийное проектирование, при котором разрабаты­вается единый технорабочий проект. С другой стороны, при зна­чительных масштабах объекта и отсутствии опыта проектирования возможно трехстадийное проектирование, при котором, помимо ра­бочего и технического проектов предварительно разрабатывается эскизный проект.

Технорабочий проект содержит следующие основные материа­лы: пояснительную записку; решения по техническому обеспече­нию; программную документацию; инструкции по обработке ин­формации; должностные инструкции; описания постановки и реше­ния задач управления; описание организационной структуры АСУ; организацию информационной базы; системы классификации и ко­дирования технико-экономической информации; расчет экономи­ческой эффективности с указанием источников эффективности и срока окупаемости. Состав и содержание документов технорабо - чего (и других) проектов определяются ГОСТом.

В стадию разработки проектов АСУ входит также подготовка объекта к вводу в эксплуатацию, включающая разработку доку­ментов на заявку технических средств, их монтаж и наладку, кон­трольную проверку программ и инструкций.

Ввод в эксплуатацию включает в себя завершение строительно-монтажных и пусконаладочных работ, опытную экс­плуатацию АСУ и сдаточные испытания. Осуществляется посте­пенный переход от традиционной системы управления к автомати­зированной.

Большие масштабы работ по проектированию и внедрению АСУ в народное хозяйство потребовали разработки индустриальных ме­тодов создания АСУ, основанных на типовых элементах и типовых проектных решениях.

Типовые проектные решения (ТПР) АСУ — типовая проектная документация по программно-математическому и техническому обеспечению, позволяющая проектировать АСУ путем использо­вания этой документации совместно с оригинальной проектной до­кументацией, учитывающей специфику объекта управления. Уро­вень типизации особенно высок при разработке подсистем техни­ческого обеспечения АСУ, где он достигает 70 % и более. При разработке программно-математического обеспечения уровень ти­повых проектных решений составляет 10—50 %.

В целом по АСУ ТПР составляют от 30 до 70 %, что позволяет сократить сроки разработки АСУ и затраты на 15—30 %.

Разработка АСУ на базе ТПР сводится к выбору подходящего типового проекта решения и разработке проекта привязки ТПР к конкретному объекту управления. В проекте привязки устанавли­ваются отличия проектируемого объекта по экономическим пока­зателям, информационным и функциональным характеристикам, организационной структуре, методам реализации функций управ­ления, особенностям технологических процессов и т. п. Для учета этих отличий создаются проектные документы, составляющие ори­гинальную (не типовую) проектную документацию.

Типовые проектные решения строятся по модульному принци­пу на основе блочной структуры. При этом каждый из блоков реализует определенную часть задачи с использованием модуля - алгоритма и соответствующего ему программного модуля. Модуль - алгоритм и программный модуль выполняются в виде структуры, характеризующейся значительной степенью законченности и при­годной для многократного использования при разработках АСУ на основе ТПР, а также во взаимодействии с оригинальной частью проекта системы управления.

Модульная структура ТПР, включение в состав ТПР несколь­ких вариантов модулей для реализации задач, отличающихся не­которыми показателями, возможность расширения фонда модулей обусловливают широкую область применения ТПР.

Структура ТПР содержит три класса типовых - проектных ре­шений: «Задача»; «Техника»; «Персонал».

«Задача» — класс ТПР, включающий в себя комплекс алгорит­мов и программ, реализующих определенные функции управления в различных функциональных подсистемах АСУ. К ним относятся подсистемы; управления технической подготовкой производства; технико-экономического планирования; оперативного управления; управления материально-техническим снабжением; управления сбытом и реализацией продукции; бухгалтерского учета.

«Техника» — класс ТПР, включающий типовую проектную до­кументацию по составу, размещению и использованию техничес­ких средств АСУ.

«Персонал» — класс ТПР, содержащий типовую проектную до­кументацию, определяющую действие персонала АСУ в обычных и аварийных режимах работы.

Дальнейшим совершенствованием процесса разработки АСУ является использование систем автоматизированного проектирова­ния (САПР АСУ). Автоматизированное проектирование АСУ опи­рается на методы автоматизированного анализа информационно - функциональных характеристик объектов управления, автоматизи­рованного проектирования без данных, вычислительного процесса, программирования, средств формирования проектной документа­ции. Основной проблемой, требующей решения и определяющей эффективность САПР АСУ, является необходимость разработки системы экономико-математических моделей функционирования различных объектов управления.

Примером САПР АСУ может служить разработанная в Ленин­градском объединении «Ленэлектронмаш» «Информационная си­стема управления производством», представляющая собой пакет прикладных программ для реализации обобщенных типовых ре­шений основных задач управления производством. Наиболее полно в системе решаются задачи оперативного управления производст­вом, а также ряд функций управления технико-экономическим планированием и материально-техническим снабжением.

Из зарубежных разработок широкую известность получила си­стема PICS (The Production Information and Control System), пред­ставляющая собой комплект пакетов прикладных программ, реа­лизующий формирование, информации, необходимой для управле­ния подготовкой производства. Гибкая база данных обеспечивает широкую область применения системы.

Основное назначение САПР АСУ—автоматическая разработ­ка проблемно-ориентированного математического обеспечения и рабочего программного обеспечения на базе анализа, информаци­онно-функциональных характеристик объектов управления с авто­матической выдачей проектной документации на разрабатываемую АСУ.

Использование ТПР и САПР АСУ призвано существенно по­высить эффективность и темпы разработки автоматизированных систем управления в различных отраслях народного хозяйства.

9.4. КРИТЕРИИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ

АСУ, как любая сложная система, функционирует в условиях, .характеризующихся высокой степенью неопределенности. Объект управления и вся система управления подвержены воздействиям, характер и параметры которых в ряде случаев трудно предска­зать. В связи с этим важное значение имеют методы и приемы выбора оптимальных или рациональных решений в неопределен­ной ситуации, когда невозможно достаточно определенно судить о характере возможных воздействий на систему.

Приведем несколько общих критериев рационального выбора вариантов решений из множества возможных альтернатив. Крите­рии основаны на анализе матрицы возможных воздействий и аль­тернатив решений в исследуемой системе (табл. 9.1).

Матрица содержит: Лг - — альтернативы, т. е. варианты состоя­ний, один из которых необходимо выбрать; Sj — возможные воз­действия, т. е. состояния входных сигналов; ац — оценки выбран­ной альтернативы, характеризующие доходы или убытки, возни­кающие от того, что при выбранной альтернативе возможны от­клонения от соответствующего состояния входных сигналов.

Альтернативы в описанных условиях могут выбираться по од­ному из критериев, описанных ниже.

Таблица 9.1

А

S

Si

S2

• • «

Sm

А.

«и

<Г, 2

Tfli

Otlm

Ai

«4*

«im

An

<*nm

Критерий Лапласа определяет выбор альтернатив по условию

Е ац

J

Max

M.

Этот критерий исходит из равной вероятности всех состояний воз­действий Sj на систему. Стратегия поведения лица, принимающего решения (ЛПР), в этом случае аналогична поведению военачаль­ника, который, не сумев определить направление ожидаемого глав­ного удара противника, распределил свои силы равномерно по всему фронту.

Критерий Вальда. При выборе альтернативы по этому крите­рию в каждой строке матрицы определяется минимальный резуль­тат и выбирается строка с наибольшим из этих значений:

Max | min ац |.

Г 3

Но этому критерию ЛПР выбирает стратегию, гарантирующую максимальное значение наихудшего выигрыша (стратегия крите­рия максимина).

Критерий Гурвица выражается в формуле

Max [a(maxajj) + (1 — a) (min ai3)],

I 3 3

Где a — коэффициент оптимизации, назначаемый субъективно из условия 0<ос-<1. Эффективность выбора альтернативы зависит от того, насколько удачно выбрано значение а. При а=1 имеет место расчет на самую благоприятную ситуацию, при а=0 крите­рий Гурвица превращается в критерий Вальда, гарантируя наи­лучший результат в наихудших условиях воздействий на систему.

Критерий Сэвиджа исходит из «минимума сожаления» между выбранной и наиболее благоприятной альтернативой, соответству­ющей истинной ситуации:

Max [min Ьц] = max {min [ai3- — (max ац)]}.

I j i 3 i

Степень «сожаления» характеризуется величиной = аа— — (maxац), которая принимает отрицательные или нулевые зна-

Г

Чения.

Критерий благоприятного в среднем решения основан на опре­делении математического ожидания дохода, соответствующего вы­бранной стратегии поведения, по известным вероятностям P($j) состояний воздействий на систему. Вероятностные характеристики P(Sj) могут быть получены, например, в результате изучения ста­тистических сведений и экстраполяции этого результата на бли­жайшее будущее.

Используя рассматриваемый критерий, ЛПР вырабатывает аль­тернативу, обеспечивающую наибольший ожидаемый доход:

Max [2] Р (S,-) о,

Г j

С необходимостью принимать решения в условиях неопреде­ленности приходится сталкиваться на всех стадиях и этапах раз­работки и эксплуатации АСУ. При этом формализация процессов принятия решения в форме математических моделей в большин­стве случаев либо невозможна, либо может дать лишь весьма об­щий результат, не учитывающий важные особенности конкретной обстановки, в которой требуется вырабатывать решения. В связи с этим при разработке и эксплуатации АСУ важную роль играют неформальные методы выдвижения творческих идей в процессе решения возникающих проблем. Одним из популярных методов такого рода является метод «мозгового штурма», стимулирующий творческое мышление. Для реализации метода комплектуется груп­па из б—10 человек, в которую входят представители научно-ис­следовательских, конструкторских и производственных подразде­лений во главе с председателем — лицом, имеющим опыт приме­нения метода. Наряду со специалистами, глубоко занимающимися рассмотренной проблемой, в группу включаются 1—2 человека, не знакомых с проблемой, являющихся специалистами в других об­ластях науки и техники.

Метод реализуется в два этапа. На первом этапе предлагается высказывать любые идеи, включая такие, которые опытным спе­циалистам покажутся бессмысленными. При этом для поощрения к выдвижению большого количества идей критика высказываемых идей запрещается, допускается их уточнение и комбинирование. На втором этапе все выдвинутые идеи внимательно анализируют­ся опытными специалистами-экспертами и оцениваются с исполь­зованием заранее разработанных таблиц критериев. Идеи, в наи­большей степени отвечающие всем критериям, принимаются к реа­лизации.

9.5. ГИБКИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ПРОИЗВОДСТВА

Гибкое автоматизированное производство (ГАП)—это произ­водственный комплекс, ориентированный на выпуск законченной товарной продукции и основанный на совокупности автоматических линий, участков, цехов, заводов, объединенных в интегрированные производственные системы.

Основное достоинство ГАП — гибкость, под которой понимает­ся способность оперативно перестраиваться на выпуск новой про­дукции. Это достигается: использованием соответствующих мето­дов управления, обеспечивающих оперативную перестройку произ­водства; использованием комплексов программного управления, реализуемых на ЭВМ различных классов: микроЭВМ, мини-ЭВМ, больших ЭВМ; созданием и внедрением новых методов, средств, устройств, технологий и т. п., обеспечивающих высокую надеж­ность всего комплекса в условиях безлюдной технологии отдельных его участков.

ГАП представляет собой высший этап комплексной автомати­зации производства на основе ЭВМ и экономико-математических методов. Методология ГАП содержит в себе огромные резервы повышения производительности труда и уровня организации про­изводства. В перспективе целые производства, построенные на ос­нове принципов ГАП, могут работать по безлюдной технологии. Однако, несмотря на высокую степень автоматизации, ГАП не яв­ляется автоматической системой, а относится к типу человеко-ма­шинных систем. Эта предпосылка весьма важна, так как опреде­ляет принципиальный подход к разработке и проектированию ГАП, методы и средства разработки. Являясь автоматизированной, а не автоматической системой, ГАП должно разрабатываться на базе принципов системного подхода на основе базовых моделей процесса управления. Анализ таких математических моделей по­зволяет определить три основных режима функционирования ГАП: контроль, поиск решения, реализация решения.

В режиме контроля качество функционирования ГАП контро­лируется с использованием комплекса математических моделей, на базе которых результат контроля может быть представлен в наглядной форме. При отклонении хода управляемого процесса от запланированного с помощью моделей определяется время t, в те­чение которого требуется выявить и устранить причину отклонения

Заданного режима. Качество контроля определяется качеством моделей и полнотой информации о состоянии системы.

В режим поиска решений ГАП переходит, если на этапе конт­роля устанавливается необходимость перестройки режима работы системы. Поиск оптимального или приемлемого решения осуще­ствляется на базе глобальной математической модели всего про­изводственного процесса. Окончательное решение принимается ЛПР (или лицами).

В режиме реализации решения система перестраивается по пла­ну, выработанному на этапе поиска решения, причем каждая опе­рация по реализации принятых решений осуществляется под авто­матизированным контролем.

Описанные режимы функционирования ГАП полностью харак­теризуют эту систему как человеко-машинную, как автоматизиро­ванную систему управления.

В целом ГАП укрупненно можно представить как иерархичес­кую трехуровневую систему, в которой на базе электронно-вычис­лительных машин и экономико-математических методов осущест­вляется комплексная автоматизация всего производственного про­цесса.

При этом на нижнем уровне автоматизируются простейшие рабочие операции, например станочная обработка деталей, сварка, резка и т. п. По существу, на первом уровне обеспечивается авто­матическое управление технологическим процессом с оптимизаци­ей режимов. Элементной базой автоматизации на этом уровне являются роботизированные комплексы, управляемые с помощью микроЭВМ и микропроцессорных устройств.

На втором уровне реализуется автоматизированное организа - ционно-технологическое управление. На этом уровне синхронизи­руется работа модулей обработки, контроля качества, транспорт - но-накопительных и других систем на базе автоматизированного диспетчера с использованием динамической модели модуля скла­дирования и комплектации. Управление второго уровня осущест­вляется на базе терминальных станций обработки технико-эконо­мической информации, связанных с центральной ЭВМ.

На третьем уровне реализуется оперативно-производственное управление на базе недельного и сменно-суточного планирования, учета и контроля. Управление на третьем уровне осуществляется на базе мини-ЭВМ, связанных в единый управляюще-вычислитель - ный комплекс с центральной ЭВМ. Подсистемы ГАП, обеспечива­ющие третий уровень управления, представляют собой автомати­зированные системы управления производством и автоматизиро­ванные системы технологической подготовки производства.

Перестройка ГАП на выпуск новых партий изделий осущест­вляется программно-аппаратными средствами управляющей части с минимальным изменением основного технологического оборудо­вания. Степень гибкости ГАП определяется степенью приспосаб­ливаемое™ производственной системы к динамическим и стохасти­ческим изменениям, вытекающим из общей производственной про­граммы. ГАП должно быстро переналаживаться на выпуск изделий различной номенклатуры, определенной для каждого производства. В гибкой производственной системе (ГПС) переход к новой про­изводственной программе осуществляется с сохранением числа и вида элементов системы и их связей.

Отвечающая указанным требованиям функциональная схема ГАП представлена на рис. 9.1.

Выпуск заданной продукции осуществляется на робототехни - ческих участках механической обработки (РУМО) и сборки (РУС) в соответствующих роботизированных ячейках (РЯ), входящих в транспортно-накбпительную систему (ТНС). Исходные материалы на РУМО поступают с автоматизированного склада заготовок (АСЗ) под управлением управляюще-вычислительного комплекса (УВК). Необходимый инструмент и технологическая оснастка на РУМО так же, как и на РУС, поступают по транспортной системе (ТС), связывающей эти участки с автоматизированным складом хранения инструмента (АСХИ) и автоматизированным складом хранения технологической оснастки (АСХТО).

С участка механической обработки изделия поступают на авто­матизированный склад готовой продукции (АСГП1), откуда по командам УВК подаются на участок сборки (РУС). Готовая про­дукция с РУС поступает на АСГП2 под управлением УВК.

Автоматизированные системы проектирования (АСПР) вклю­чают в себя системы: автоматизированного проектирования выпус­каемой продукции — изделия (САПРИ); автоматизированной раз­работки технологических процессов изготовления продукции (САПТ); автоматизированную систему организационно-экономи­ческого планирования (АСОЭП); автоматизированного проектиро­вания технологической подсистемы (САПТПС), в которую входят проектирование робототехнических участков механической обра­ботки и сборки.

Все операции по доставке исходных заготовок (3), механичес­кой обработке деталей, сборке изделий, доставке требуемого ин­струмента и технологической оснастки, направлению продукции на склады и т. д. осуществляются под управлением УВК на базе спе - щ. ьного математического обеспечения ГАП. Сигналы управле­ния на УВК поступают из поста диспетчерского управления (ПДУ) или АСПР. Основу технологической подсистемы ГАП составляет оборудование с числовым программным управлением (ЧПУ). Мо­дуль с ЧПУ подразделяется на две автономные части — управля­ющую и исполнительную. В управляющую часть загружается про­грамма, определяющая управляющие воздействия, обеспечивающие автоматический режим работы технологической подсистемы. Ис­полнительная часть обеспечивает рабочие операции процесса об­работки и сборки.

Как было отмечено выше, управление гибким производством осуществляется на трех уровнях. Каждому уровню соответствует свой комплекс задач и состав технических средств (рис. 9.2).

Автоматизированные системы технологической подготовки про - изводтва (АСТПП) и управления производством (АСУП) реали­зуют третий уровень управления, техническую основу которого со­ставляют автоматизированные рабочие места (АРМ) и мини-ЭВМ. Обе эти подсистемы связаны с центральной ЭВМ, составляющей основу системы управления гибким производством (СУГП). АСТПП, АСУП и СУГП вместе образуют управляющий вычисли­тельный комплекс (УВК) гибкой производственной системы (ГПС), реализующий программы управления планированием и технологи­ческой подготовкой производства. СУГП обеспечивает АСУП не­обходимыми данными для оперативного планирования и учета производства. АСТПП обеспечивает программы работы гибкого производства для всей номенклатуры изделий. Реализация этих программ позволяет разработать маршруты движения обрабаты­ваемых объектов между отдельными участками производства, мо­дулями обработки и сборки, определить состав инструмента на каждом технологическом участке, автоматизировать составление технологического процесса на изделие.

Центральная ЭВМ составляет основу второго уровня управле­ния, а связанные с ней мини - и микроЭВМ через устройство связи

С объектом (УСО) осуществляют управление первым уровнем — модулями обработки (МО) и модулями робототехники (MP). Эти модули, транспортная система (ТС) и автоматизированный склад готовой продукции (АСГП) вместе образуют исполнительную си­стему гибкого производства (ИСГП). Система автоматизированно­го проектирования (САПР), связанная с АСТПП, обеспечивает автоматизированное проектирование изделий, предназначенных для выпуска гибким производством, а также для оперативного про­ектирования технологии, оснастки и инструмента.

Результаты проектирования получаются в виде информации на машинных носителях, используемых для управления технологичес­ким оборудованием при изготовлении изделий. Таким образом, отпадает необходимость такой громоздкой и дорогостоящей рабо­ты, как выполнение чертежей и другой бумажной документации.

Управление гибким производством в целом обеспечивается на базе совокупности программ, реализуемых комплексом ЭВМ, со­пряженных между собой в единый управляюще-вычислительный комплекс с помощью линий передачи информации. Набор программ обеспечивает обмен данными между ЭВМ в каждом, уровне управ­ления и между всеми уровнями.

Программное управление каждой подсистемы и всего гибкого производства базируется на .модульной основе. Библиотека модуль­ных программ обеспечивает формирование пакетов прикладных программ (ППП) для решения конкретных задач в ГПС. В ре­зультате управление ГПС в значительной степени сводится к за­грузке программ в ЭВМ, обеспечивающих реализацию модулей исполнительной подсистемы в соответствии с планом выпуска из­делий, заданной технологией и темпом работы оборудования.

Реализация программных модулей тесно увязывается с времен­ной диаграммой функционирования ГПС и текущим состоянием ее элементов.

Весь комплекс программного обеспечения ГАП делится на две части — обслуживающие программы и функциональные (техноло­гические) .

Обслуживающие программы составляют операционную систе­му ЭВМ и предназначены для управления ресурсами ЭВМ. При­мерами частных функций, обеспечиваемых обслуживающими про­граммами, являются управление загрузкой программ в память ЭВМ, контроль работы КТС вычислительной системы, управление об>.?:-"ом данными между модулями и др.

Функциональные программы определяют порядок работы уп­равляемых объектов, вытекающий из заданной технологии. Загру­женные в память ЭВМ. функциональные программы настраивают элементы ГПС на выполнение заданных функций.

Таким образом, ГАП характеризуется как многоуровневая си­стема программного управления, реализуемая комплексом ЭВМ с использованием наборов программ, организованных в програм­мные модули. Именно это в значительной степени обеспечивает главное достоинство ГАП —.оперативное переналаживание произ­водства на выпуск изделий различной номенклатуры с минималь­ными изменениями технологического оборудования или вообще без изменения его состава.