/
Автор: Вершин В.Е. Вальков В.М.
Теги: организация производственного процесса производственное планирование управление качеством автоматика автоматизация автоматизация технологических процессов информационные системы
ISBN: 5-7325-0103-7
Год: 1991
Текст
В.М.ВАЛЬКОВ, В.Е.ВЕРШИН
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ
СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ
ПРОЦЕССАМИ
3-е издание, переработанное
и дополненное
Ленинград
’’Политехника”
1991
ББК 32.965
В15
УДК 658.512.011.56.005 + 658.012.011.56.012.3
Вальков В. М., Вершин В. Е.
В15 Автоматизированные системы управления технологиче
сними процессами. — 3-е изд., перераб. и доп. —Л.: Поли
техника, 1991. — 269 с.: ил.
ISBN 5-7325-0103-7
В книге дана характеристика аппаратно-программного математич1
ского, информационного, лингвистического и организационного постро
ния автоматизированных систем управления технологическими проце
сами (АСУТП). Показаны особенности реализации АСУТП в гибких авт-
матизированных производствах. Уделено внимание вопросам экономии
ской эффективности от внедрения АСУТП.
В третьем издании (2-е изд. 1977 г.) с современных позиций рассм
трены принципы построения АСУТП.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, зан
мающихся вопросами автоматизации производства.
2103000000—145
045 (01)—91
145—91
ББК 32.9
ISBN 5-7325-0103-7 © В М. Вальков. В Е. Вершин, 199
ПРЕДИСЛОВИЕ
За годы, прошедшие со времени выпуска 2-го издания книги
«Автоматизированные системы управления технологическими
процессами» 119] направление автоматизации технологических
процессов и производств окончательно сформировалось как одно
из главных в ускорении научно-технического прогресса. Произо-
шли качественные изменения материальной базы, стратегии и
масштабов работ в области автоматизации в различных отраслях
народного хозяйства.
Успехи разработок и промышленного выпуска средств микро-
процессорной вычислительной техники создали прочную основу
для проектирования и внедрения автоматизированных систем
управления с высокими показателями экономичности и надеж-
ности. На основе приобретенного опыта н достижений вычисли-
тельной техники, системотехники, информатики была разработана
стратегия автоматизации, базирующаяся на концепции создания
интегрированных на базе ЭВМ производственных комплексов
(Computer Integrated Manufacturing) [113]. В создаваемых авто-
матизированных производственных комплексах под управлением
ЭВМ координируются не только основные и вспомогательные
процессы материального производства, но и в большой степени
процессы проектирования продукции, а также процессы проекти-
рования и изготовления средств технологического оснащения.
При этом техническое обеспечение систем управления реализуется
в виде многомашинных иерархических распределенных по объ-
екту управления управляющих вычислительных комплексов
(УВК).
Весьма важно, что указанная стратегия в последние годы
наиболее широко применяется в отраслях с дискретным характе-
ром производства, в первую очередь в машино- и приборостро-
ении. Именно в этих базовых для научио-технического прогресса
отраслях был осуществлен переход от автоматизации отдельных
технологических агрегатов (станков с СЧПУ. промышленных
роботов — ПР и др.) к гибким производственным системам (ГПС)
на различных организационных уровнях.
Заметим, что современная тенденция к расширению сферы
работ по автоматизации наряду с традиционными производствами
с непрерывным и непрерывно-дискретным характером относится
не только к отраслям промышленности с дискретным характером
производства, но и к технологическим процессам в сельском
хозяйстве, а также к управлению объектами на транспорте (авто-
мобильном, железнодорожном), подъемно-транспортном оборудо-
вании и др.
В предлагаемом 3-м издании книги сохранена основная иле
предыдущих изданий; показать во взаимосвязи для соответствен-
кого этапа развития теории и практики автоматизации техноло-
гических процессов основные аспекты создания таких сложных
систем, к$к автоматизированные технологические комплексы
(АТК) и подсистемы управления ими (АСУТП) *. С позиций си-
стемного подхода рассмотрены принципы построения АСУТП,
различные уррвии формирования системы АСУТП — технологи-
ческий процесс, основные виды обеспечения функционирования
АСУТП с привязкой к специфике различных стадий жизненного
цикла, технико-экономнческдя эффективность систем.
Для рассматриваемого класса автоматизированных (с приме-
нением ЭВМ) систем управления в множество объектов управле-
ния включается достаточно широкий их спектр — от одноконтур-
ного управления (с помощью микроконтроллеров) отдельными
технологическими параметрами до управления группами техно-
логических линий или сложными многосвязными технологиче-
скими агрегатами типа блоков АЭС или прокатного стана. Услов-
ную верхнюю границу множества .объектов управления для основ-
ных типов промышленных. производств авторы определяют на
организационном уровне цеха, что в свою очередь предполагает
включение в комплекс аадач системы управления (подсистемы
верхнего эшелона) не только ,координационного управления
всеми технологическими процессами (операциями), но и задач
оперативного организационного управления, т. е. для уровня
цеха системы управления более точно определять как автомати-
зированные системы (подсистемы) управления организационно-
технологическими процессами (АСУ, ОТП) (181. В известной
степени выбор границы множества рассматриваемых объектов
обоснован диапазоном значений цикла управления систем в ре-
альном времени (однократное решение ЭВМ задач управления):
для подсистем различных эшелонов цеховых систем эти значения
находятся в основном в секундно-минутном и часовом диапазонах,
а для задан АСУП или САПР конструкторского и технологиче-
ского назначения — в пределах дней, декады, месяца. Следует
также иметь в виду, что даже при реализации концепций интег-
рированных производственных, комплексов на практике АТК
в пределах цеха разрабатываются и внедряются в достаточной
степени автономно по отношению к другим работам по автоматиза-
ции на промышленном предприятии (в объединении).
Вышеназванные новые тенденции в области автоюатнзацин
технологических процессов и производств, а также обобщенные
сведения о полученных в 1980-е годы результатах в СССР и эа
рубежом отличают содержание предлагаемой книги от двух
предыдущих изданий.
В Соответствия с ГОСТ 24.003—84 «Автоматизированные системы управле-
ния. Термины в определения» АТК представляют собой «совокупность совместно
функционирующих автоматизированной системы управления технологическим
процессом в. техиолонпеокого объекта управления».
Г лава 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
1.1. СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС — АСУТП
Управляемый технологический процесс. Технологические при-
цессы служат материальной базой любого производства, поэтому
для повышения Таких характеристик производства, как произво-
дительность, качество (надежность) выпускаемой продукции, рен-
табельность производства, необходимо обеспечить «управля-
емость» процессов и внедрить автоматизированные системы управ-
ления ими
В понятие «технологический процесс как объект управления»
включается, в частности, технологическое оборудование, кроме
датчиков и/исполнительных органов, которые являются конструк-
тивными элементами оборудования, но входят в состав техниче-
ских средств АСУТП, поэтому управление технологическим про-
цессом в последующем изложении означает управление режимами
работы технологического оборудования.
Под термином «управляемый технологический процесс» в даль-
нейшем понимается такой процесс, для которого определены
входные контролируемые воздействия (управляющие, управля-
емые), установлены детерминированные или вероятностные зави-
симости между входными воздействиями и выходными параме-
трами выпускаемого изделия (продукта), разработаны методы
автоматического измерения входных воздействий и выходных
параметров (всех или их части) и методы управления процессом.
Таким образом, управляемый технологический процесс представ-
ляет собой процесс, в принципе подготовленный для внедрения
АСУТП, т. е. дли создания системы технологический процесс —
АСУТП (рис. 1.1).
Системный подход при проектировании АСУТП — новая ха-
рактерная черта автоматизации производства иа современном
этапе. У разработчика системы в период подготовки процесса
к управлению, с помощью АСУТП появляются дополнительные
возможности модифицировать сам процесс. При этом разработка
управляемого технологического процесса может быть тем эффек-
тивнее, чем сложнее система; от отдельной элементарной техно-
логической операции до комцлЭДСа технологических процессов.
Следует заметить, что принципиально безразлично, является ли
процесс управления в системе полностью автоматическим нлн же
в отдельных (или всех) контурах управления участвует человек —
оператор. Строго говоря, на современном этапе без участия чело-
века (по крайней мере в, подготовительных, вспомогательных.
5
Ряс. 1.1. Обобщенная
блок-схема системы тех-
нологический процесс —
АСУТП:
/ — ЭВМ: 3 — устройства
свяаи е оператором; 3 —
оператор; 4 — УСО; 5.9 —
автономные устройства ви-
зуального контроля; 6.9 —
датчики; 7 — исполнитель-
ные органы; 10 — ТОУ
контрольных операциях) не удается осуществить управление
технологическими процессами любого производства, поэтому
термин АСУТП выступает пока наиболее общим.
Системами автоматического управления1 можно условно
назвать современные системы, которые обеспечивают выполнение
основной технологической операции и тем более последователь-
ности операций в управляемом процессе без вмешательства чело-
века.
Задачу, выполняемую в системе технологический процесс —
АСУТП, можно сформулировать следующим образом: по получен-
ным данным о технологическом процессе составить прогноз хода
технологического процесса, а также составить и реализовать такой
план управляющих воздействий (в том числе изменение режимов
работы оборудования), чтобы в определенный момент времени
состояние технологического процесса отвечало некоторому
экстремальному значению обобщенного критерия качества про-
цесса. Для решения этой задачи необходимо иметь математиче-
скую модель процесса, которая составляет основное содержание
алгоритма управления, реализуемого АСУТП.
Математическая модель. В общем виде математическая модель
системы технологический процесс — АСУТП представляет собой
зависимость вида
у(< +Д0 = Л {и(0-|-Ву (0; F [£(*). П«1}- ЦП
Здесь у = уа, .... уп) — выходная переменная; — время
от начального цикла действия АСУТП до получения кош рольной
информации о результатах этого действия; А — оператор действия
АСУТП в целом; u (f) = {ит (0, и2 (0, и„ (0) — входные кон-
тролируемые воздействия; В н F — операторы управляющих
и неуправляющнх воздействий; £ (т) — {?, (т), (т), (т)) —
1 В последующем изложении такие системы особо отмечены, поскольку
уровень требований к надежности п другим эксплуатационным характеристикам
у них. в принципе, должен быть существенно выше, чем в системах с оператором.
6
контролируемые, но неуправляемые воздействия (например, изме-
ряемые параметры исходных материалов, используемых в про-
цессе); 7] (т) = {»)! (т), г]2 (т), т]п (т)} — неконтролируемые
воздействия.
В выражении (1.1) интервалы изменении временных параме-
тров t н т
+ Л /<т<Г + Д(,
где to — начало отсчета времени; Т — длительность интервала
наблюдения за поведением процесса.
В начальный момент времени у (to) = 0, т. е. результат дей-
ствия системы управления равен нулю. Следовательно, у (/) дли
АСУТП есть кусочно-гладкая монотонная неубывающая функция,
поскольку отрицательное значение выпуска продукции не
имеет смысла. За в функции у (?) можно принять любой момент
времени.
С учетом ограниченных ресурсов системы управления н про-
цесса вид математической модели в первую очередь зависит от
соотношения между временем реализации управляющего воздей-
ствия н длительности цикла технологического процесса. В общем
случае время запаздывания управляющего воздействия относи-
тельно изменения состояния технологического процесса
"^аап = ЛТцр. (1.2)
Здесь п — некоторая константа, 0 < п < оо; тпр — время,
прошедшее от изменения состояния входных параметров про-
цесса до изменения выходных параметров (время процесса).
Для АСУТП с управляющими ЭВМ всегда п > 0; если 0 <
< п •< 1, то возможно синхронное управление в реальном вре-
мени. В этом случае
^аап = Т8В 4- Tq6 Твыв Таап Тпр, (1-3)
где твв н тоб — время ввода и обработки информации о процессе
в ЭВМ; твыв — время отработки управляющего воздействия-
Тэап — время «чистого» запаздывания, т. е. время от начала дей-
ствия новых управляющих воздействий By (0 до получения кон-
трольной информации о новом значении выходной переменной.
Одним нз простых практических примеров реализации мате-
матической модели с временным соотношением 0 < п 1 служит
многоконтурная стабилизация параметров процесса по одному
из известных законов регулирования (П, ПИ, ПИД) в режиме
прямого цифрового управления от ЭВМ.
При п > 1 можно управлять не текущим, а только последу-
ющим состоянием стационарных процессов. В этом случае управ-
ляющая ЭВМ реализует циклический алгоритм управления в мас-
штабе времени, кратном реальному (и = 1, 2, 3 ...).
Практическими примерами могут служить также различные
алгоритмы адаптивного управления. Следует отметить, что пре-
дельный случай п оо имеет ясный физический смысл; он соот-
7
ветствует состоянию системы управления без обратной связи
(с нарушенной обратной связью).
Весьма часто при проектировании АСУТП, реализующей син-
хронный алгоритм управления, приходится учитывать, что суще-
ствующие в процессе неуправляемые воздействия |.(т) и т) (т)
могут быть определены и учтены не в текущем, а в последующем
состоянии процесса (например, после предварительной статистиче-
ской обработки результатов управления процессом). Поскольку
т] (т) — вектор случайных воздействий, характер которых в общем
случае неизвестен, выражение (1.1) принимает вид
М£(Г + А0 = МЛ{и(О + В№(О), £(т)}, (1.4)
где М — символ математического ожидания. В этом случае целе-
сообразно говорить о «синхронно-циклическом» алгоритме управ-
ления.
Приведенный общий анализ алгоритма работы системы техно-
логический процесс АСУТП можно распространить на процессы
как непрерывные, полунепрерывные, так и на дискретные с учетом
иерархичности производства.
Иерархичность системы унравлеиия. Представляет интерес
определение сферы действия (места) АСУТП в общей иерархиче-
ской структуре автоматизированной системы управления
производством.
Многоуровневой системе присущи следующие характерные
особенности [61]:
элементы верхнего уровня связаны с более крупными под-
системами и обрабатывают информацию за бблыпне периоды
времени;
элементы верхнего уровня связаны с более медленными про-
цессами управления системой (обмен со средой происходит с мень-
шей частотой, динамика процесса выражена слабо, относительно
велики периоды времени между моментами принятия решения);
описания и проблемы на верхних уровнях менее структуризи-
рованы, более трудны для количественной формализации, при-
нятие решения наиболее сложно.
Эти особенности в значительной степени влияют на выбор
способа расчленения и многоступенчатого построения управля-
ющих систем. При этом различие целей н характера производства
на различных уровнях определяет структуру (рнс. 1.2) автомати-
зированной системы управления производством в целом (АСУП).
Представляется целесообразным вписать все известные классы
АСУТП в два нижних иерархических уровня с идентификацией
по ступеням каждого уровня [77].
Нижний уровень иерархии управления а состоит на множества
систем управления отдельными технологическими операциями
(«работами»). На этом уровне АСУТП можно считать взаимно
независимыми. На ступени а' рассчитывают изменения режимов
н хода технологической операции (например, ведут расчет с по-
8
Рис. 1.2. Пример^ обобщенной
блок-схемы АСУТП с иерархи-
ческой структурой:
/. //—ступени; / — ВЦ пред-
приятия; 2 — подсистема оператив-
ного управления технологическими
линиями; 3—АСУ химическим про-
цессом; 4, 5 — АСУ технологиче-
скими линиями № 1 и 2; 6,7 — АСУ
технологическими операциями № I
и 2 (прямое цифровое управление);
8 — АСУ технологической опера-
цией №3 с многоковтуряым управ-
лением через регуляторы; 9, 10 —
АСУ технологическими операция*
ив № 4 н 5 через регуляторы; //—
14 — регуляторы
мощью ЭВМ уставок для
задания на • регулятор).
На ступени от обеспечи-
вают изменение режимов
и хода технологической операции, а на а" — вырабатывают и
корректируют конечное состояние каждой технологической опе-
рации в случае, когда операции связаны между собой.
В зависимости от особенностей конкретного технологического
и математического обеспечения АСУТП на практике реализуются
шесть вариантов построения АСУТП уровня а: [а", а", а'],
[а'", а"), ja", a']» [a", a'], (а"1, [а'1.
Следующий уровень АСУТП — уровень комплексного управ-
ления процессами производства отдельных изделий (материалов) 0.
Каждый процесс состоит из ряда технологических операций,
а задача управления на уровне 0 заключается в оптимизации
параллельно-последовательного выполнения операций по вре-
мени и качеству.
Устанавливают три ступени на уровне управления 0. На сту-
пени 0' рассчитывают изменение хода технологического процесса
в целом (например, система управления технологической линией).
На ступени 0", представленной множеством систем нижнего
уровня а, реализуется ход процесса, рассчитанный на ступени 0'.
На ступени 0'" вырабатывают график прохождения взаимосвязан-
ных процессов через узловые точки. На этой ступени практически
решаются задачи оперативного управления ходом производствен-
ного процесса на уровне цеха. Через эту ступень осуществляется
связь АСУТП с верхним уровнем АСУТП-у, на котором выраба-
тывается цель для уровня управления 0.
В зависимости от особенностей конкретного производства
н ресурсов технического и математического обеспечения АСУТП
н АСУП на практике реализуются следующие варианты постро-
ения системы уровня 0: [0W, 0', 0'1, 10', 0'1, [0*, 0'1. Сле-
дует отметить, что функции управления, реализуемые системами
уровня 0, также могут быть описаны выражениями вида (1.1)
и (1.4).
9
Рис. 1.3. При-
мер распреде-
ления функций
управления р
двухуровневых
АСУТП
(АСУОТП)
включен анализ
Состав основных функций управления. Рас-
смотрим состав функций» выполняемых по
уровням управления в двухуровневых АСУТП.
АСУТП включает в себя следующие уровни
(рнс. 1.3).
На уровне управления техно-
логической операцией это полу-
чение информации о выпуске изделий, техно-
логических потерях и браке, параметрах тех-
нологических операторов, контрольных изме-
рений; первичная фильтрация информации (вы-
деление полезного сигнала), контроль соответ-
ствия режима функционирования технологи-
ческой операции контрольным границам.
Обычно выполнения этих функций достаточно,
чтобы управлять относительно простыми техно-
логическими операциями, имея в виду процессы
обработки информации об их ходе (блоки / и
2 на рнс. 1.3).
Для технологических процессов в состав
основных функций управления может быть
соответствия результатов, полученных на техно-
логической операции, прогнозу хода технологической операции,
выполненного на базе математической модели операции. Эта функ-
ция реализуется с целью определить соответствие математиче-
ской модели реальному ходу технологической операции.
На уровне управления технологическим
процессом осуществляется управление процессом сбора
информации с технологических операций и ее интеграции. По
полученной информации проверяют соответствие математической
модели технологического процесса реальному ходу технологи-
ческого процесса (блоки 3 и 4).
При управлении одной технологической операцией после
выполнения функций анализа системы управления переходят
к решению задачи оптимизации технологического процесса. Для
этого можно либо по известным алгоритмам откорректировать
математическую модель технологической операции, либо ввести
в работу адаптационные алгоритмы. Для относительно простых
технологических операций управление технологическим процес-
сом можно оптимизировать в соответствии с заложенным в систему
законом управления (например, ПИД-закон). Решения, получен-
ные в системе управления, в последующем преобразуются в управ-
ляющие задания на регуляторы (если такие имеются в АСУТП)
и управляющие органы.
Таким образом завершается цикл управления технологической
операцией. Функции управления, приведенные выше, показаны
на рис. 1.3 в виде блоков 7 н 8.
10
Для двухуровневой системы управления после анализа соответ-
ствия математической модели технологического процесса требова-
ниям, предъявляемым к технологическому процессу, если они
ие соответствуют, в работу вводят адаптационный алгоритм.
Результаты работы алгоритма распределяются в виде заданий на
системы управления технологическими операциями (блоки 5 и 6).
Помимо функций, связанных в АСУТП с управлением техно-
логическими процессами в иерархических, интегрированных
АСУТП, реализуются и функции управления организационными
процессами. По уровням управления они распределяются следу-
ющим образом. На уровне технологической операции это прежде
всего отчет о выпуске годной продукции, технологических потерях
и браке, состоянии оборудования, ресурсного обеспечения (блок /).
Последующий логический счетный и формативный контроль необ-
ходимы, если информация используется как при автономном
управлении технологической операцией, так и при управлении
технологическим процессом в целом (блок 2). Следующими по
порядку реализации являются интеграция отчетных данных,
получаемых с технологических операций, анализ качества органи-
зационного управления технологического процесса, а также
необходимый технико-экономический анализ производства
(блоки 3 и 4). В блоках 5 и 6 реализуются задачи организации
работы технологического процесса, как правило, посредством
функционирования системы оперативного планирования произ-
водства и его ресурсного обеспечения. Она обеспечивает выдачу
плановых заданий (на сутки, смену) на технологические операции,
а также задания службам обеспечения. Если технологическая
операция не находится в жестком режиме конвейера, то на ее
уровне можно составлять оперативный план выполнения суточ-
ного или сменного задания (блок 7). Реализация организационного
плана работы технологической операции показана блоком 8.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ АСУТП
Классификация по критерию сложности объектом управления.
Известны несколько критериев классификации автоматизирован-
ных систем управления. Уже около двадцати лет в литературе
(например, [19]) и практической работе используют классифика-
цию технических средств АСУТП, за критерий которой принят
уровень решаемых задач по управлению объектом (централизо-
ванный контроль, управление в режиме советчика, управление
в замкнутом контуре).
В 1970 г. предложена классификация АСУТП применительно
к предприятиям с непрерывным и непрерывно-дискретным харак-
тером производства, за критерий которой взято число контроли-
руемых параметров и управляющих воздействий в соответствии
с ростом сложности объекта управления (табл. 1.1). Эта классифи-
кация позволяет ориентировочно определять номенклатурную
Таблица 1 1. Классификация АСУТП по сложности объектов управления
Основная характеристика класса АСУТП Основвые * функциональные признаки Таловые цринерн объектов управления Ступени иерархи- веских уровней
1—0. Автоматизиро- ванная система нро- граммного управле- ния 1—1. АСУ техноло- гическими установ- ками с малым чис- лом контролируе- мых и регулируемых параметров (до 20) 1—2. АСУ техноло- гическими установ- ками иля агрегата- ми с малым числом контролируемых и регулируемых пара- метров (около 40) 1—3. АСУ техноло- гическими установ- ками, агрегатами или процессами со средним числом кон- тролируемых, регу- лируемых н оптими- зируемых параме- тров (около 100) 1—4. АСУ техноло- гическими агрегата- ми или процессами с большим числом регулируемых и оп- тимизируемых пара- метров (около 800) 1—о. АСУ техноло- гическими передела- ми и производства- ми с агрегатами н установками, дли местного управле- ния которыми сред- ства вычислитель- ной техники не ис- пользуют 1—б. АСУ техноло- гическими передела- ми я производствами с агрегатами н уста- новками, оснащен- ными средствами вы- числительной тех- ники Управление по жест- кой программе с предварительно за- программированны- ми воздействиями Измерение, индика- ция, регистрация и одноконтурное регу- лирование параме- тров То же, что для клас- са I—1, н логиче- ские операции То же, что для клас- са 1—2, и многокон- турное регулирова- ние То же, что для клас- са 1—3, и вычисле- ние технико-эконо- мических показате- лей То же, что для клас- са 1—4, и диспетче- ризация при одно- ступенчатом уровне То же, что дЙя клас- са I—5, но при двух- ступенчатом : управ- ления Станки, смесепрн- готовнтели, поли- графические маши- ны Топки паровых кот- лов, весовые дозато- ры, установки авто- матического пожа- ротушения Технологические ко- тельные, методиче- ские печн, нагрева- тельные колодцы н фурмы доменных печей, ректифика- ционные колонки Конверторы, сек- ционные печи, хи- мические реакторы, установки первич- ной переработки нефти, коып лексы шихтоподготовкн обогатительных и агломерационных фабрик Энергоблоки, про- катные станы, до- менные печи, атом- ные реакторы, про- изводство этилен- бензола, производ- ство печной сажи Электролизные це- ха производства сер- ной кислоты, искус- ственного волокна, агломерационные фабрики, обогати- тельные фабрики Конверторные цеха, доменные нечи, це- ментные заводы, сер- нокислотные произ- водства, обогати- тельные комбинаты а', а* а', а" а', а* а', а’, а", В', г а', а', а*, В', 0', г. Г а', а*, а’, Р'. ₽"
12
Таблица 1.2. Классификация АСУТП
по функционально-алгоритмическому признаку
Основная ж а рактеристика класса АСУТП Основные функциональные првзвакн Типовые примеры объектов управления Ступени верархн- веских уровней
1. Системы логико- программного уп- равления (группой однотипных техно- логических устано- вок) 2. Системы опти- мального управле- ния (технологиче- ским процессом или режимами техноло- гической установки) 3. Системы ком- плексного управле- ния (технологиче- ской линией, участ- ком, цехом)— АСУОТП Прямое цифровое управление по жест- кой или полужест- кой программе и ре- жиме разделения времени между уп- равляемыми уста- новками Решение задачи ои- тимизация на осно- вании получаемой от управляемого объекта информа- ции и принятых ма- тематических моде- лей, выработка ре- гулирующих воз- действий Или сове- тов оператору в ре- альном времени Автоматический или полуавтоматический сбор, обработка, на- глядное отображе- ние технологической н организационно- производственной информации, управ- ление через опера- тивный персонал ходом технологиче- ских процессов Группы автоматизи- рованных постов контроля или испы- таний изделий элек- тронной техники, прецизионных меха- нообрабатывающих станков, откачных вакуумных постов, термического обо- рудования Химические реак- торы,* трубопрокат- ные станы, группа диффузионных пе- чей, установки пер- вичной переработки нефти Технологические ли- нки производства интегральных схем, кинескопов, энерго- блок атомной элек- тростанции, серно- кислотное произ- водство, доменная печь, тепловая элек- тростанция а', а', а’ а', а’, а”, В', г а’, Г, г. г
базу АСУТП и может служить основой для планирования раз-
работок, однако она не отражает функции, которые может вы-
полнять та или иная система управления [55].
Классификация по функционально-алгоритмическому признаку.
Представляется целесообразным разделить по функционально-
алгоритмическому признаку системы управления технологиче-
скими процессами на базе управляющих ЭВМ па три класса
(табл. 1.2).
Такая классификация в определенной мере условна, поскольку
функции, выполняемые системами указанных классов, могут
в ряде случаев перекрываться. Однако такое разделение АСУТП
13
имеет в настоящее время принципиальное практичес
для развертывания работ по автоматизации Text
процессов.
Осуществляя управление технологическим процессом, ЭВМ
получает информацию о ходе процесса <и выдает регулирующие
воздействия (в частном случае — советы оператору) в соответствии
с алгоритмом управления, заложенным в виде программ в запо-
минающие устройства.
К 1-му классу АСУТП относятся системы с наиболее
простой формой алгоритма управления — полностью запрограм-
мированным ходом процесса (ранее его вел оператор). Основная
функция центрального процессора АСУТП — логические опера-
ции по выполнению нескольких программ (в частном случае —
одной) с автоматическим распределением времени. Типовым алго-
ритмом управления служит заранее установленная последователь-
ность логических операций с условным или безусловным пере-
ходом от одной позиции к другой.
К системам 1-го класса относятся, в частности, системы пря-
мого многоканального цифрового регулирования (стабилизации
параметров) или системы прямого цифрового управления металло-
режущими станками.
В общем случае при управлении с помощью ЭВМ рядом техно-
логических установок в запоминающем устройстве хранится число
программ, реализующих типовой алгоритм, соответствующее числу
объектов управления. При этом с помощью специальной про-
граммы-диспетчера организуется мультипрограммный режим
работы машины.
АСУТП 2-го класса достаточно широко применяются
в непрерывных и непрерывно-дискретных производственных про-
цессах. Главной функцией центрального процессора в таких
системах являются выполнение на основании входных данных,
получаемых от объекта управления, математических операций
и выработка по результатам вычислений регулирующих воз-
действий.
Алгоритм управления процессом (объектом), как правило,
разрабатывается на основе его детерминированной или статисти-
ческой модели, что позволяет оптимизировать, т. е. управлять
процессом с целью удовлетворить некоторый критерий.
К системам 2-го класса относятся, в частности, системы пря-
мого многосвязного цифрового управления с оптимизацией, си-
стемы управления последовательными технологическими опера-
циями, связанными по качеству, системы адаптивного управления
технологическими комплексами.
АСУТП 3-го класса в основном охватывают среднюю
ступень иерархических систем управления производством [16].
Эго класс организационно-технологических АСУ — АСУОТП.
Главной функцией технологического характера является управ-
ление через оперативный персонал (операторов, технологов и т. д.)
14
ходом технологических процессов иа основании статистической
обработки технологической информации и текущего планового
задания.
Поскольку 3-й класс систем охватывает группу технологиче-
ских процессов, а следовательно, и ряд различных технологи-
ческих установок н целые производственные подразделения, то
в функции этих систем включают также обработку планово-
производственной информации н управление (по результатам
этой обработки) оперативным персоналом, работой участка, цеха.
Из вышесказанного следует, что алгоритм^ отдельных задач,
решаемых АСУТП 3-го класса, весьма разнообразны, носят в пер-
вую очередь информационно-вычислительный характер н каждый
алгоритм в отдельности прост для программирования. Однако
в целом задача анализа н прогноза хода производственного про-
цесса (например, реализация алгоритма управления технологи-
ческим процессом в целях оптимального номенклатурного распре-
деления выпускаемых изделий в зависимости от планового зада-
ния) может быть весьма сложной.
Следует отметить, что системы 3-го класса могут вырастать
нз систем 1-го и 2-го классов, когда ЭВМ осуществляет централи-
зованное управление (логико-программное или оптимальное)
группой технологических установок иа уровне производственного
участка, линии, цеха н на нее возлагаются дополнительные функ-
ции оперативно-диспетчерского управления с анализом работы
производственного подразделения н прогнозом его дальнейшего
хода.
1.3. ОСНОВНЫЕ СИСТЕМНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ
АСУТП, представляющие собой, как правило, сложные тех-
нические системы, характеризуются рядом системных показателей
эффективности, с помощью которых оценивают качество их функ-
ционирования. Понятие «эффективность» (*ЕФ) отражает степень
соответствия системы своему назначению, ее техническое совер-
шенство и экономическую целесообразность, а количественные
показатели эффективности в общем случае представляют собой
функции множества параметров реализуемых алгоритмов (управ-
ление), множества параметров КТС системы, множества параме-
тров ее элементов н множества параметров (факторов) внешней
среды, влияющих на функционирование системы [18].
К количественным (обобщенным) показателям эффективности
АСУТП как системы относится в первую очередь время ре-
шения задач управления конкретным ТОУ — 70,
которое определяется множеством параметров, характеризующих
АСУТП, ее элементы, условия эксплуатации, реализуемые алго-
ритмы. Данный показатель АСУТП с учетом особенностей его
функционирования эквивалентен стандартизованному1 показа-
* ГОСТ 26525—85 «Системы обработки данных. Показатели использования*.
15
телю систем обработки данных любого назначения — времени
работоспособности системы 70р: 7ср = То. 8 — Та. т, где Гв, 8 —
эксплуатационное время системы; Гц. т — время технических
простоев системы, обусловленных необходимостью поддерживать
н восстанавливать ее работоспособность (плановые профилакти-
ческие работы и ремонты, неплановые контроль технического
состояния и ремонты для устранения отказов и причин сбоев,
включая восстановление работоспособности программных
средств). Более строго показатель 70 соответствует другому
(по ГОСТ 26525—85) «вспомогательному» показателю Гр.в —
времени решения задач системой, определяемого как часть сум-
марного времени выполнения заданий системой, в течение
которого обработку данных выполняют по отлаженным про-
граммам.
Для такого класса систем обработки данных, как АСУТП
(АСУОТП), Тр.8 должно в общем случае соответствовать 7ср
(решение задач управления только по отлаженным программам).
Показатель 70 непосредственно связан с системным показате-
лем КТС (УВК) АСУТП, называемым эффективной про-
изводительностью УВК — IF, которую для иерархи-
ческих УВК в первом приближении можно оценивать суммой
эффективных производительностей (числом решаемых задач в еди-
ницу времени), входящих в него как составные части отдельных
УВК (ЭВМ):
N
W = s
i=t
где Wt — эффективная производительность t-го УВК; N — общее
их число в иерархическом УВК.
Производительность как системный показатель зависит не
только от быстродействия ЭВМ (числа выполняемых операций
обработки данных в единицу времени), но и от времени выполнения
процессов ввода, вывода, обмена информацией, времени обнару-
жения и устранения отказов и сбоев, степени параллелизма всех
выполняемых в УВК процессов.
Важнейшими (на стадии эксплуатации) системными показате-
лями АСУТП являются показатели надежности.
Как известно, для относительно простых систем, к которым можно
отнести локальные АСУТП, приняты следующие показатели:
Рс (т) — вероятность безотказной работы за время т при заданных
условиях эксплуатации, То — наработка на отказ, 7В, е — среднее
время восстановления системы. Для сложных систем, к которым
можно отнести иерархические АСУТП (АСУОТП), отказы отдель-
ных элементов приводят не к отказу всей системы, а к определен-
ному снижению общей эффективности, поэтому в качестве пока-
зателей надежности иерархических АСУТП целесообразно исполь-
зовать коэффициент снижения эффективности КЕ = Е/Ео, пока-
зывающий, какую часть эффективность реального УВК (Е) co-
le
ставляет от идеальной эффективности (£0); разности эффектив-
ностей Ео = £0 — Е.
К группе эксплуатационных системных показателей относятся
также показатели помехозащищенности и
готовности. Количественно помехозащищенность иерархи-
ческих УВК можно оценить с помощью коэффициента Кт —
= Еа/Е9, показывающего, какую часть составляет показатель
эффективности АСУТП, функционирующего в условиях помех
с заданными параметрами (£п), от показателя эффективности
для идеальных условий. Аналогично соответствующему показа-
телю надежности для оценки помехозащищенности можно исполь-
зовать абсолютную величину разности Ет = £0 — £п.
Готовность системы, характеризующая качество и быстроту
выполнения операций по подготовке к применению, может харак-
теризоваться вероятностью того, что АСУТП приведена в готов-
ность к выполнению своих функций за время, не превышающее
допустимое; средним временем подготовки к работе.
Наконец, важнейшим обобщенным системным показателем
служит экономичность АСУТП, оцениваемая затратами
на ее разработку, создание и эксплуатацию. '
Следует также отметить, что в практике проектирования часто
используют обобщенный показатель эффективности, выражаю-
щийся дробью — в числителе взвешенная сумма выбранных
технических показателей, а в знаменателе — приведенные за-
траты. При этом применяют метод последовательных уступок
по отношению к показателям с меньшим весом.
Глава 2
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ АСУТП
2.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ
УСТРАНЕНИЯ ДЕЙСТВИЯ ВОЗМУЩЕНИЙ
НА ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ
Природа возмущающих воздействий в АСУТП. На систему
и объект управления постоянно воздействуют возмущения. Фи-
зически природа и источники возмущений могут быть различными,
а сами возмущения — првложены как к системе объект управле-
ния — система управления в целом, так и к различным ее эле-
ментам. Чтобы повысить качество систем управления, эти воз-
мущения необходимо знать.
Общим источником возмущений как для объекта управления,
так и для системы управления служит среда, причем как физи-
ческая, так и информационная. К физической среде относятся
тепловые, электрические и магнитные поля, окружающая атмо-
17
сфера (например, температура, влажность, запыленность, наличие
агрессивных примесей), а также источники энергии. Для того
чтобы компенсировать возмущения, вызванные изменением пара*
метров среды, желательно вводить в систему управления допол-
нительные контуры управления по данным возмущениям.
Под информационной средой подразумевают внешнюю ин-
формацию, поступающую в систему управления. Отсутствие
управляющей информации в определенное время или ее ошибоч-
ность также можно рассматривать как возмущения, нарушающие
процессы управления. Чтобы устранить такого рода возмущения,
в системе управления надо предусмотреть соответствующие про-
граммы контроля качества (достоверности) поступающей ин-
формации. Если управляющей информации нет, то должны быть
предусмотрены либо алгоритмы, которые обеспечивают получение
требуемой информации от внешних источников методами кратко-
срочного прогнозирования хода в самой системе управления,
либо обеспечение аварийной остановки системы.
К внешним возмущениям относятся изменения
параметров материалов, комплектующих изделий, сырья, полу-
фабрикатов и т. п. относительно параметров, на которые был
настроен технологический процесс до появления этих изменений.
К ним можно отнести и изменение уставок в системе управления,
да и сами управляющие воздействия на объект управления. Дело
в том, что их отработка, которая изменяет один контролируемые
технологические операторы, приводит, в свою очередь, к боль-
шему или меньшему изменению других контролируемых техноло-
гических операторов, так как в объекте управления все техноло-
гические операторы так или иначе связаны. Если эти связи суще-
ственны, то систему управления надо проектировать как много-
связанную, с учетом перекрестных связей.
Отработка контролируемых технологических операторов
по тем же причинам ведет к изменению неконтролируемых техно-
логических операторов и, следовательно, к изменению статисти-
ческих характеристик технологической операции и технологиче-
ского процесса, что тоже надо иметь в виду при проектировании
системы управления.
Внутренние возмущения в системе и объекте
управления обычно связаны с неконтролируемыми изменениями
параметров оборудования, датчиков и исполнительных органов,
к ним же относятся и шумы разной природы, возникающие в кон-
туре управления. Уровень этих возмущающих воздействий сни-
жают как схемо-техническими решениями, так и применением
в системе управления устройств более высокого качества. Для
повышения отношения «сигнал—шум» можно использовать раз-
личные фильтры (как схемо-технические, так и программные) [68].
На качество управления, если под ним понимать соответствие
требуемым параметрам параметров получаемых изделий и про-
дуктов, большое влияние оказывает качество математических
18
Ряс. 2.1. Функциональная схе-
ма системного регулирования
по отклонению:
/ — влемент сравнения, вырабаты-
вающий сигнал отклонения факти-
ческого значения выходной вели-
чины от заданного; 2 — влеыеат.
обеспечивающий усиление сигнала
рассогласования него преобразова-
ние в вид. необходимый для работы
исполнительного органа; 3 — исполнительный орган*. ОУ — объект управления:
4— датчик выходной контролируемой величины; / —действующее возмущение
моделей» на основе которых ведется управление. Неточности»
а тем более ошибки в математической модели приводят к несоот-
ветствию параметров выходного продукта требуемым. Этот эффект
может интерпретироваться как результат воздействия на объект
управления возмущений. Снизить влияние этих возмущений на
процесс управления можно только повышением соответствия
математической модели объекту управления, в предельном слу-
чае — построением адаптивных управляющих систем.
Управление но отклонению. Известны два способа устранения
воздействия возмущений на объект управления: управление
(регулирование) по отклонению (принцип Ползунова—Уатта)
и управление (регулирование) по возмущению (принцип Поиселе).
Принцип регулирования по отклонению заключается в том, что
система управления оказывает на объект управления такое дей-
ствие» что оно направлено на устранение отклонения контроли-
руемой переменной от заданного значения (рис. 2.1). Отклонение
значения контролируемой величины от заданного под действием
любых возмущений (вырабатываются в блоке сравнения) преобра-
зуется в управляющее воздействие на объект управления, допол-
нительное к воздействию на этот же объект начальной уставки,
обеспечивающей получение заданных значений контролируемых
выходных параметров при отсутствии возмущений.
Для того, однако, чтобы даже при очень больших коэффи-
циентах усиления в цепи обратной связи на выходе ее появлялся
сигнал» позволяющий компенсировать действие возмущений» необ-
ходимо» чтобы он был на входе блока обратной связи. А так как
этот сигнал — суть разность между заданным значением контро-
лируемого выходного параметра и полученным прн воздействии
на объект управления возмущения» то из этого следует, что эта
разность должна иметь конечное значение и, следовательно»
в системах регулирования по отклонению невозможно полностью
устранить воздействие возмущения на регулируемую величину
(исключение составляет случай установившегося режима в аста-
тических системах» когда блок обратной связи вырабатывает ре-
гулирующее воздействие пропорционально интегралу отклонения
фактического значения контролируемой величины от заданного).
Из сказанного следует вывод, что при регулировании по
отклонению влияние возмущений иа объект управления хотя
19
Рис, 2.2. Графики изменения траектории управляемой точки и управляющих
воздействий в зависимости от закона регулирования
и можно, существенно уменьшить, но нельзя устранить пол-
ностью.
Рассмотрим основные принципы управления по отклонению
на примере движения управляемой точки а в двухмерной системе
координат х, у (рнс. 2,2). Пусть задана траектория движения
точки а в виде кривой у (/) с измерением координаты у при зна-
чениях аргументов х0, хх, х^. В результате действия возмущений
и несовершенства системы управления в момент хУ управляемая
точка будет иметь координаты, отличные от заданных хи ух. Пусть
в соответствии с некоторой новой траекторией движения точки а
эти координаты будут иметь значение Xi, у\. Измеренное в момент
Xi значение yf по отношению к заданному составит
&y=yi — yi- (2.1)
Как следует из этого соотношения, полученное &у отражает
состояние управляемого объекта на момент хх и никак не связано
ин с прошлым, ни с его будущим состоянием. Тем не менее &у
можно использовать как управляющее воздействие на регулятор
или систему управления. При этом управляющее воздействие г
может быть как нелинейной, так и линейной функцией
г = f (Д^). (2-2)
Такая система управления называется системой управления
по отклонению. Обычно в системах регулирования г = k Ьу,
где k — некоторый коэффициент.
^Управление по отклонению не позволяет в принципе получить
полную компенсацию возмущающих воздействий, потому что
20
никак не учитывает динамические свойства объекта управления^
К достоинствам систем управления, использующих статический
закон регулирования, относятся их хорошие динамические свой’
ства. и относительная легкость достижения устойчивости.
^Желание учесть динамику движения системы приводит к необ-
ходимости учитывать прошлое состояние объекта управления,
прогнозировать его будущее состояние и учитывать при управле-
нии этот прогноз.'
"Простейший способ учета прошлого состояния — иакоплеиие
значения отклонения реальной траектории движения управляемой
точки от желаемого, т. е. введение в закон регулирования интег-
рала от отклонения
r = /(jAydx), (2.3)
где в частном случае линейного регулирования используется
соотношение
г — k J A j/ Ди
для непрерывных систем регулирования (астатический закон
регулирования). Для дискретных систем управления соотноше-
ние (2.3) получает вид
r = ДйД*) (2.4)
при равных интервалах дискретности. Здесь F — дискретная
функция.
В астатических системах регулирования можно достичь полной
компенсации возмущений, если возмущения редко воздействуют
на объект управления. Одвако этот процесс идет достаточно мед-
ленно, и в это время успевают произойти изменения в состоянии
системы управления. Поэтому в ряде случаев достичь устойчивого
состояния объекта управления невозможно.
Желание учесть прогноз (будущее) состояния объекта управ-
ления приводит к необходимости ввести в систему управления
элемент, обеспечивающий получение такого прогноза. В качестве
простейшей математической операции, которую можно использо-
вать для прогнозирования движения управляемой точки, является
вычисление первой производной (скорости) ее движения. Закон
регулирования по первой производной
r«HdAy/d*) (2-5)
обеспечивает возможность управления с учетом прогнозируемого
будущего его состояния. В дискретном варианте системы управле-
ния выражение (2.5) приобретает вид
r = FI(Ayi-Ai<i.1)/AxI. (2.6)
Системы управления, которые реализуют при управлении
только закон (2.5) или (2.6), как правило, ие встречаются, так как
21
при малых значениях первой производной в системе управления
практически отсутствует обратная связь, а при больших значениях
система управления может оказаться неустойчивой. Поэтому,
говоря о законе регулирования по первой производной, обычно
имеют в виду закон регулирования, обеспечивающий наиболее
эффективное управление (ПИД-закои регулирования):
г = fl (by) + ft (j by dx) + f, (d Ay/dx). (2.7)
В некоторых случаях в качестве закона регулирования можно
использовать изодромиый закон регулирования
r = fi(Ay)+f,(jAydx). (2.8)
Использование этого закона позволяет осуществить эффектив-
ное управление объектом во время переходных процессов, обеспе-
чиваемое действием обратной связи по первой составляющей
формулы (2.8), что способствует относительно быстрому затуханию
возникших переходных процессов. Повышение точности регулиро-
вания в установившемся режиме обеспечивается действием обрат-
ной связи, определяемого вторым членом уравнения (2.8). На базе
соотношений (2.7) и (2.8) можно построить системы управления
с гибкой обратной связью, при которой в зависимости от характера
и значения изменения &у включаются в работу различные эле-
менты цепи обратной связи или различные блоки алгоритмов
управления.
Из рис. 2.2 видно, что на различных участках движения управ-
ляемой точки значения управляющих воздействий разные. Так,
при постоянном смещении фактической траектории движения по
отношению к желаемой управляющее воздействие, вырабатыва-
емое в соответствии с соотношением (2.3), постоянно будет расти
и, следовательно, будет расти управляющее воздействие по вы-
воду объекта управления на требуемую траекторию; при малых
отклонениях At/, ио относительно больших первых производных
эффективно управление по первой производной, так как оно может
обеспечить большее управляющее воздействие, чем воздействия,
полученные в соответствии с законом регулирования (2.2) и (2.3).
Однако при больших значеииях первой производной тзкая
система, как уже указывалось выше, может оказаться неустой-
чивой. В этом случае, а также когда первая производная оказы-
вается малой или равной иулю, управление можно вести с ис-
пользованием закона регулирования по отклонению.
В зависимости от сложности процесса управления в АСУТП
могут быть использованы различные алгоритмы управления,
реализующие те или иные законы регулирования. Однако широкое
распространение средств вычислительной техники (и особенно
микропроцессоров) позволяет существенно упростить реализацию
системы управления [33, 35]. Поэтому ПИД-законы регулирова-
ния, несмотря на свою наибольшую сложность по отношению
22
к другим, получают все большее распространение, приобретая
определенную универсальность в использовании^Так, в АСУТП
селенирования электрофотографических цилиндров температура
в камере нспарения стабилизируется с помощью прямого цифро-
вого управления от микропроцессора (ПМК «ГРАСмикро-08»),
реализующего ПИД-закон регулирования и работающего через
тиристоры на нагревательный элемент [64].
Использование в системах управления алгоритмов адаптации
применительно к настройке ПИД-регуляторов привело к появле-
нию нового класса устройств управления — самонастраива-
ющихся (адаптивных) ПИД-регуляторов. Достоинство таких ПИД-
регуляторов заключается в том, что при нх использовании можно
достаточно грубо описать управляемый процесс, практически
задав только параметры эквивалентного запаздывания и эффек-
тивной постоянной времени, что исключает необходимость по-
строения достаточно строгих математических моделей процесса.
Параметры ПИД-регулятора настраиваются автоматически
после его установки иа объект управления [1111.
В настоящее время иа базе микропроцессоров начат выпуск
адаптивных ПИД-регуляторов широкого назначения для исполь-
зования как в автономном режиме, так и под управлением цен-
тральной ЭВМ. В качестве примера можно привести адаптивные
ПИД-регуляторы иа базе микропроцессоров Unitec фирмы «Мэ-
жекс» (Measurex, США), предназначенных для использования
в интегрированной АСУТП Vision 2002 Network, адаптивные
ПИД-регуляторы иа базе микропроцессора MicroSPES фирмы
«Фоксборо» (Foxboro, США), адаптивный ПИД-регулятор модели
1771—1С и ряд других [108].
На базе микропроцессоров в адаптивных ПИД-регуляторах
реализуются и более сложные алгоритмы управления технологи-
ческими операциями и процессами. Кроме чисто цифровых адап-
тивных ПИД-регуляторов можно использовать и аналоговые
ПИД-регуляторы, адаптация которых обеспечивается встроенными
в них микропроцессорами.
Фирма «Фоксборо» выпускает такие аналоговые адаптивные
ПИД-регуляторы с управлением от встроенного в него микропро-
цессора Micro 760 [108].
Нашей промышленностью выпускаются программируемые
контроллеры для диспетчеризации, автоматики, телемеханики —
система микроДАТ [33 ] и иа ее базе микропроцессорная
система ГРАСмикро для построения распределенных АСУТП [64].
Система микроДАТ помимо других функций обеспечивает реали-
зацию всех стандартных законов регулирования и обеспечивает
адаптацию применительно к различным объектам управления
с учетом изменения их характеристик. С помощью указанной
системы можно настраивать параметры аналоговых ПИД-регу-
ляторов при их автономной работе. В составе системы микроДАТ
есть одноканальные цифровые регуляторы, сопоставимые по сто-
23
Рис. 2.3. Функциональная
схема системы регулирова-
ния ио возмущению:
I — датчик возмущений; 2 —
усилительно-исполнительный
блок; ОУ — объект управле-
ния; f — действующие воз-
мущение
имости с аналоговыми, ио превосходя-
щие их по функциональной гибкости.
Управление по возмущению.
АСУТП, построенные на принципе ре-
гулирования по возмущению, относи-
тельно просты в проектировании и экс-
плуатации, а сам принцип регулирова-
ния достаточно хорошо изучен и освоен
конструкторами.
В настоящее время начаты исследо-
вание и разработка нового направления
развития АСУТП — создание инвариант-
ных АСУТП на основе теории построе-
ния инвариантных систем управления
[5, 6].
Режимы ряда технологических процессов оказываются близ-
кими к границам их устойчивости (например, к таковым отно-
сятся крупнотоннажные установки первичной обработки нефти).
Использование принципа инвариантности позволило суще-
ственно улучшить динамические характеристики технологического
процесса. Система реализована на базе ЭВМ «Электроника-60» [71.
С помощью теории инвариантности разработаны структура и алго-
ритмы управления системы стабилизации толщины проката,
инвариантной относительно изменения параметров и структуры
каналов [31]. Попытка сформулировать принцип построения
инвариантных АСУТП предпринята в работе [37]. Использование
принципов инвариантности для построения инвариантных
корреляционно-экстремальных систем показано в работе [66].
Дело в том, что в обычных корреляционно-экстремальных системах
полагается, что погрешности, вносимые случайными возмуще-
ниями, в оценке статистических характеристик объекта управле-
ния или малы, или стабильны, и поэтому ими можно пренебречь.
Методы теории инвариантности позволяют построить корреля-
ционно-экстремальные системы, для которых эти ограничения
сняты.
Инвариантные системы управления относятся к классу систем
с компенсацией возмущений. Мы уже упоминали о принципе
Поиселе — регулировании по возмущению. Он заключается в том,
что в систему вводится специальное устройство, которое компен-
сирует воздействие возмущений (компенсатор). Система, показан-
ная на рис. 2.3, обеспечивает компенсацию только одного выбран-
ного возмущения за счет выбора структуры системы управления
(структурную компенсацию), поэтому системы управления струк-
турной компенсацией распространены весьма ограниченно.
Острая необходимость построения прецизионных систем управ-
ления привела к интенсификации работ по улучшению способов
компенсации возмущений. В 1930-х годах проф. Г. В. Щипаное
нашел достаточные математические соотношения, обеспечивающие
24
компенсацию возмущений в системах управления. Этот факт был
признан впоследствии открытием и стал основой построения
теории инвариантности. Современная теория инвариантности поз-
воляет при определенной структуре системы управления и свой-
ствах ее элементов обеспечивать абсолютную или частичную неза-
висимость (инвариантность) одной или нескольких выходных
переменных (координат) от одного или нескольких возмущающих
воздействий [51, 52, 53].
В теории инвариантности различают три ее вида:
абсолютную инвариантность — получение нулевых как вы-
нужденной (установившейся), так и переходной составляющих
от действия возмущений при ненулевых начальных условиях;
полную инвариантность — компенсацию только вынужден-
ной составляющей;
частичную инвариантность («инвариантность до в») — компен-
сацию вынужденной составляющей с точностью до некоторой
малой величины в.
Математически теория инвариантных систем достаточно хорошо
развита [52, 53, 54], поэтому мы ииже остановимся на некоторых
практических моментах конструирования инвариантных систем
управления.
Заметим, что основные решения теории инвариантности, пред-
лагаемые для непрерывных (аналоговых) систем управления,
справедливы и для импульсных, и для цифровых систем управ-
ления [75]. Это связано с фундаментальными свойствами идентич-
ности динамических свойств импульсных и непрерывных систем.
Одним из основных требований теории инвариантности к ин-
вариантным системам управления является наличие двух каналов
передачи возмущений (принцип «двухкаиальности», предложенный
Б. Н. Петровым). Смысл этого требования нетрудно понять,
рассмотрев простейшую функциональную схему системы регули-
рования по возмущению (см. рис. 2.3).
Пусть некоторое возмущение f воздействует иа объект управ-
ления ОУ. Тогда если бы нам удалось создать некоторую допол-
нительную цепь, проходя через которую возмущение f преобра-
зовывалось в —f, то воздействуя этим возмущением на ОУ, мы бы
получили полную компенсацию, так как поиятио, что f — f — 0.
Чтобы реализовать такую цепь на практике, надо иметь датчик /,
измеряющий возмущение, и обеспечить такую передаточную
функцию усилительно-исполнительного блока 2, чтобы иа его
выходе получить зиачеиие возмущения —f. Если передаточная
функция блока 2 остается неизменной в широком диапазоне ам-
плитуд и частот, то инвариантность системы управления будет
существовать практически для всех возмущений, если они, ко-
нечно, не очень велики. Это является одним из достоинств ин-
вариантных систем, так как иа возмущающие воздействия может
не накладываться никаких ограничений, за исключением конеч-
ности его величины.
25
Рис. 2.4. Функциональная
схема комбинироиаиной си-
стемы регулирования, обес-
печивающая достижение ин-
вариантности за счет исполь-
зования компенсационной
связи:
1 — блок сравнения; ? — уси-
лительный блок; 3 — испол-
нительный орган; 4 — датчик
отклонения фактического зна-
чения регулируемой величины
от заданного; К — компенси-
рующий элемент; ОУ — объект
управления; f — действующее
возмущение; — — — воз-
можные места подключения ком-
аеиеирующей связи
В ряде случаев по тем или иным причинам добиться абсолютной
инвариантности не удается. Тогда, чтобы улучшить динамические
характеристики системы управления, в нее можно ввести контур
управления по отклонению (на рис. 2.4 блок 4). На этом же ри-
сунке для иллюстрации приведены различные места подключения
компенсирующей связи для того случая, когда возмущение воз-
действует иа объект управления. В общем случае, однако, воз-
мущающее воздействие может быть приложено не только к объекту
управления, но и к любому элементу или блоку системы управле-
ния или даже ко всем сразу. Задачи построения инвариантных
систем управления для множества возмущений и выходных коор-
динат также решаются методами теории инвариантности.
Особой эффективности от применения методов теории инва-
риантности можно достичь применительно к сложным многомер-
ным нелинейным объектам управления. Дело в том, что в много-
связанных объектах управления изменение одного из регулиру-
емых параметров ведет к изменению других так же, как изменение
управляющего воздействия для управления одной из координат
приводит к изменению других. В системах управления по откло-
нению задача учета многосвязаиности управляемых переменных
решается с помощью математических моделей, которые, как изве-
стно, всегда приближенные. Поэтому точность управления с ро-
стом сложности объекта управления начинает снижаться, а в не-
которых случаях может привести к неустойчивости управляемого
процесса [751. Методы теории инвариантности позволяют в опре-
деленных случаях добиться автономности регулируемых координат
и исключить влияние перекрестных связей на качество управле-
ния [45].
2.2. СИСТЕМЫ ЛОГИКО-ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Принципы построения. Автоматизированные (автоматические)
системы логико-программного управления по сравнению с ручным
управлением имеют следующие преимущества: исключаются оши-
26
Рис. 2.5. Блок-схемы си-
стем логико-программ-
ного управления техноло-
гической операцией:
/ — управляющая ЭВМ;
2 — УВВИ; 8 — исполни-
тельные органы ялх регу-
ляторы; 4 — датчика; 8 —
технологическая операция;
6 — оператор
а)
бочные действия человека; можно использовать объем информации,
соответствующей знаниям специалистов многих смежных областей,
который значительно превосходит объем знаний отдельного опе-
ратора.
Поскольку к этому классу АСУТП относятся системы с алго-
ритмом управления, отражающим точное логико-программное
ведение процесса, ранее выполняемое оператором, практически
можно определить управляемый процесс как детерминированный.
В соответствии с этим выражение (1.1) обобщенной математиче-
ской модели следует представить в виде
уО + АО = А 1И(О + Ву(01. (2.9)
Наиболее простой системой прямого цифрового программного
управления (иерархические уровни а' и а") является система
без обратной связи (рис. 2.о, а). Функции управляющей ЭВМ
с УВВИ аналогичны функциям обычных программаторов без
обратной связи.
В/ блок-схеме АСУТП с двухступенчатой структурой управле-
ния (рис. 2.5, б) ЭВМ с УВВИ выполняет функции расчета и зада-
ния уставок (а') на локальные регуляторы (а*), т. е. функции,
которые ранее выполнял оператор. АСУТП прямого цифрового
управления с замкнутой автоматической обратной связью
(рис. 2.5, а) совмещают функции автоматического измерения пара-
метров и логического выбора рабочей точки технологического
режима с управлением (а1 и а"). Для случая, когда одной систе-
мой управления осуществляется логико-программное управление
группой технологических установок (операций), т. е. управля-
ющая ЭВМ работает в режиме разделения времени между управля-
емыми установками (рис. 2.6), выражение (2.9) мультиплици-
руется:
У1 (i + Aij) = lui (0 4“ (i)I;
№ (i + AiB) = A3 [u3 (0 + (/)];
У* (t 4- А/л) ~ А* («л (i) 4- ВнУь (01-
27
Рис. 2.6. Блок-схема системы логико-программного управления группой техно-
логических установок в режиме разделения времени:
/ — селекторный канал ЭВМ; 2 — блок прерывания программ; X — программко-управ-
ляемый канал; 4 — накопитель большой емкости; 6 — печатающее устройство; 6, 9 —
преобразователи «аналог—код» н «код—аналог»; 7. 8 — релейные входные а выходные
каналы; 10 — датчики; it — исполнительные органы: 12 — технологические установки
Здесь уи .... Уъ — выходные переменные 1-, 2-, ...» 4-й
технологических установок:
Ун = {»и. Уп....Ут}.
Ун = {Уи. »». Ут}'.
Ун ' {Уа. Уы......Укп},
Л/t, A/?, , Ыь — время от начала цикла действия АСУТП до
получения контрольной информации о результатах этого действия
для 1-, 2-, 4-й технологических установок; Аъ As, Afc — опера-
торы действия АСУТП на 1-, 2-,.... 4-ю технологические установки;
ut (О* и* ...» uk (О — входные управляемые воздействия иа
1-, 2-, 4-ю технологические установки:
«1(0 = {«и(0. «и(0. - • •. «1» (0);
«>(0 = {««(0. «и (0. • • •. «1п(0);
«ЛО = {«*1(0. «м(0........«*.(0).
В,, Вг, В» — операторы управляющих воздействий иа 1-,
2-1 4-ю технологические установки.
28
Рис. 2.7. Блок-схема снпсмы
управления нажимным механиз-
мом блюминга:
/ — управляющая ЭВМ; 2 —
УВВН; 3—5 — датчики скорости,
положения валка я металла: 6 —
пульт оператора; 7 — электропри-
вод нажимного механизма: 8 — на-
жимной мехаяязм
Все временные интервалы для 1-, 2-, .... Л-й установок опре-
деляются программой-диспетчером:
foi -С t -С + Л;
foa foa "h 7\;
fo -С fo +
где <01, /оа, ..., /о* — начала отсчета времени для 1-, 2-, ..., k-Ъ.
технологических установок; 7\, Та, ..., Тк — длительности интер-
валов наблюдения за работой 1-, 2-, ..., k-й. технологических
установок. В частном случае 7\ = 1\,= ... ® Тк; = A/j =
= ... = Л4.
Системы, построенные по такому принципу, практически
выполняют функции всех ступеней нижнего иерархического
уровня (а', а", а"')- Комплекс технических средств этих систем
включает: управляющую ЭВМ; УВВИ (преобразователи типа
«код—аналог» н «аналог—код», релейные выходные и входные
каналы); датчики информации; исполнительные органы и (или)
регуляторы. В зависимости от характера решаемых задач и числа
программно-управляемых технологических установок могут
применяться накопители большой емкости, печатающие устрой-
ства и другие типы устройств связи ЭВМ с оперативным персона-
лом. В качестве примера рассмотрим принципы построения ряда
конкретных АСУТП с различными структурными схемами и со-
ставом технических средств.
Системы одиопрограммиого управления. Одной из первых
отечественных систем, работающих в режиме прямого цифрового
управления с замкнутой автоматической обратной связью и вне-
дренных в промышленную эксплуатацию иа крупном металлурги-
ческом предприятии, была система автоматического управления
нажимным механизмом блюминга 1150 (рис. 2.7). Система обеспе-
чивала управление с высоким быстродействием нажимного устрой-
ства по 25 различным схемам обжатия с точностью отработки
для блюмсов не менее 0,2% [19].
Алгоритм работы включал:
управление электроприводом по треугольному и трапеце-
идальному закону в соответствии с заданными схемами обжатий;
выбор и.формирование схемы обжатий по номеру схемы и ре-
жиму работы;
29
сигнализацию оператору о ходе фактического выполнения
схемы обжатий;
контроль правильности логических решений;
контроль исправности функциональных блоков и датчиков
системы.
Система управляла только одной технологической опера-
цией — «освобождала правую руку» главного оператора блю-
минга. Однако программа, которая реализовывалась в системе
управляющей ЭВМ, представляет собой относительно сложный
комплекс взаимосвязанных логических операторов, выполняющих
все возможные варианты схем обжатий с обеспечением надежной
защиты от различного рода сбоев и аварийных ситуаций. При-
менение управляющей ЭВМ с универсальной структурой обеспе-
чило компактность и легкую изменяемость программы.
Другим примером АСУТП, в которых ЭВМ осуществляет
логико-программное управление одной уникальной технологиче-
ской установкой, служат системы управления процессом изго-
товления фотошаблонов для больших и сверхбольших интеграль-
ных схем (СБИС). В системе такого назначения может обеспечи-
ваться программное управление перемещением с точностью до
единиц микрометров по двум координатам верхнего и нижнего
столов прецизионной фотонаборной установки н фотозкспоииро-
ванием. Использование управляющей ЭВМ с универсальной
структурой позволяет свести к минимуму производственный цикл
изготовления промежуточного (увеличение 10х) фотошаблона для
СБИС произвольной топологии с обеспечением программного
контроля за ходом процесса (рис. 2.8). Поскольку приводами
столов являются шаговые двигатели, то программное управление
может осуществляться
без обратной связи по
положению. Исходная
информация о тополо-
гии СБИС, получаемая
по результатам тополо-
гического проектирова-
Рис. 2.8. Блочно-функцио-
нальная схема АТК изго-
товления первичных фото-
шаблонов:
30
ния иа больших универсальных ЭВМ, может вводиться в управ-
ляющую ЭВМ как автоматически, так и с помощью перфоленты.
Приведенные примеры АСУТП, где управляющая ЭВМ осуще-
ствляет логико-программное управление отдельными «уникаль^
ными» технологическими установками с требуемой высокой точ-
ностью н надежностью, представляют собой лишь частные случая
систем рассматриваемого класса. В общем случае применение
таких систем экономически эффективно только при управлении
группой технологических установок.
Системы мультипрограммного управления. Применение уни-
версальных управляющих ЭВМ позволяет осуществить мульти-
программное управление группой технологических установок
в режиме разделения времени между ними за счет пауз в выпол-
нении каждой программы на время изменения режима (перемеще-
ния) рабочих органов установки нлн транспортного запаздывания.
Если уровень надежности такой системы удовлетворяет производ-
ственным требованиям, то очевидны следующие ее преимущества
по сравнению с индивидуальными программаторами (регулято-
рами) на каждую установку:
сокращается электронное оборудование и в целом снижаются
капитальные затраты;
кроме основной программы ЭВМ может решать «вспомогатель-
ные» вычислительные задачи, выполнять статистическую обработку
результатов, оперативно наглядно отображать ход процесса управ-
ления, контролировать правильность выполнения программ нт. п.;
легко организует связь с АСУ более высокого уровня;
в принципе возможен переход к оптимизации управления.
Последнее преимущество особенно очевндпо в системах управ-
ления непрерывными технологическими процессами пря переходе
от многоканальной стабилизации режимов к многосвязному регу-
лированию с оптимизацией.
Одной нз первых отечественных систем мультипрограммного
управления, внедренных в промышленности, была система управ-
ления участком электрической формовки точечных диодов
(рис. 2.9). Система обеспечивает автоматическую подачу диодов
к рабочим контактам формовочно-измерительного устройства н
формовку диодов заданными по программе импульсами тока,
автоматически замеряет
необходимую информа-
цию для выбора режима
электрической формов-
ки [104].
Рис. 2.9. Блок-схема АСУТП
электрической формовкой
точечных диодов:
/ — управляющая ЭВМ: 2 —
блок коммутааяи; 8 ~ блока
измерения а формовки; 4 —
технологически» позиция
31
Рис. 2.10. Блок-схема системы «Элекон С-3»:
1, 2 — группы рабочих постов контроля; 8, 4 — вамерителъные станции; 6 — дешифра-
тор станций: 6 — регистр ввода—вывода ЭВМ: 7 — блок прерывания программ ЭВМ:
8 — регистр адреса: 9 — намять ЭВМ; 10 — устройство управления ЭВМ
В качестве другого примера эффективного применения АСУТП,
работающей в мультипрограммном режиме с разделением времени
между управляемыми установками, можно привести первую
отечественную систему автоматического контроля статических
параметров цифровых интегральных схем (ЦИС) — «Элекон С-3»
(ряс. 2.10). Система работала в режиме разбраковки и классифи-
кации ЦИС по группам (число групп — до 10), в режиме измерения
с регистрацией результатов испытаний по каждому тесту или
в режиме измерения с перфорацией результатов испытаний по
каждому тесту. Производительность комплекса до 10 000 схем
в час при 20—30 тестах на схему. Максимальное число тестов
для одной схемы — 100.
Система обеспечивала автоматический контроль электрических
параметров ЦИС в корпусе я на пластине; автоматическую клас-
сификацию ЦИС по одной из 10 классификационных групп; управ-
ление автоматическими загрузочно-разгрузочными и контак-
тирующими устройствами н устройствами зондового контроля.
В стандартный комплект системы входили две измерительные
станции, каждая из которых работала с пятью рабочими постами,
я управляющая ЭВМ. Распределение числовой информации н адре-
сов каналов между станциями обеспечивал дешифратор станций
в составе УВК.
ЭВМ в режиме разбраковки н классификации передает тесто-
вые комбииацяя из памяти чисел через регистр обмена на блока
32
программных источников питания в измерительных станциях
и адреса каналов станции из памяти команд через регистр адреса
ЭВМ, а также принимает сигналы готовности от рабочих постов,
сигналы прерывания от станций, сигналы «годен — не годен»
по каждому тесту нз аналогового компаратора измерительного
блока и классификацию ЦИС по результатам тестового контроля.
ЭВМ производит обегающий опрос регистра готовности первой
станции и выбирает первый рабочий пост для совместной работы
(готовность поста определяется наличием в его контактирующем
устройстве интегральной схемы). По сигналу готовности подклю-
чается коммутатор выводов через коммутатор рабочих постов
к схеме на рабочем посту. Таким образом, обеспечивается после-
довательное подключение постов станции к ЭВМ. После выдачи
сигнала включения поста первой станции ЭВМ программно пере-
ключается на поиск поста, готового к работе на второй станции,
и, обнаружив его, выдает сигнал включения этого поста.
Выходы коммутаторов рабочих постов, коммутаторов выводов
и измерительных блоков подключены к блоку прерывания ЭВМ,
обеспечивающей совместно с управляющей программой парал-
лельные подключение рабочих постов станции н выдачу тестовых
комбинаций, а также параллельность измерений.
Рассмотренный принцип мультипрограммного управления в по-
следующем был реализован в системах контроля БИС.
Появившиеся в 1970-х годах дешевые микропроцессоры и
мнкроЭВМ на их' основе продолжают все в большей степени
влиять на проектируемые АСУТП, неуклонно растет число вне-
дряемых двухуровневых АСУТП.
Микропроцессоры типа INTEL 8080 нашли интересное при-
менение при сборке автомобилей, для безопасности которых
регламентирован момент затягивания болтовых соединений. Раз-
работана двухуровневая иерархическая система контроля и управ-
ления автоматическими гаечными ключами в сборочных цехах
[79]. В ее состав могут входить до 256 микропроцессорных терми-
налов, каждый из которых обслуживает максимум 25 сборочных
инструментов.. Терминалы, состоящие нз микропроцессорного
блока СМ4400, быстродействующего модуля ввода — вывода, теле-
тайпа, соединяются, через последовательные линии связи (ско-
рость передачи 40—160 тыс. бнт/с) с супервизориой мини-ЭВМ
HP 2100. Моменты измеряются тензодатчиками, от которых сиг-
налы через аналого-цифровой преобразователь поступают в микро-
процессор. Последний рассчитывает действительный момент, при-
кладываемый к ганке, и выдает сигнал отключения гаечного
ключа в случае превышения допустимого значения момента.
С помощью таймера по времени нарастания сигнала от датчика
до максимального значения можно определить также такие де-
фекты, как сбитая резьба болта. Примеры двухуровневых микро-
процессорных АСУТП широко известны в практике создания
ГПС (см. гл. 6).
2 в. М. Вальхоя
33
2.3. СИСТЕМЫ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Принципы построения. Желание повысить качество управле-
ния технологическими процессами приводит к необходимости
создавать оптимальные системы управления. В зависимости от
уровня знаний о технологическом процессе, сложности динами-
ческих характеристик объекта управления, степени воздей-
ствия на технологический процесс неконтролируемых возмущений
можно использовать либо жесткие, заранее запрограммированные
методы достижения экстремальных параметров технологических
процессов без адаптации, либо системы управления с самонастрой-
кой — адаптационные системы [19]. Оптимальные системы управ-
ления без адаптации удобно использовать тогда, когда техноло-
гические процессы имеют точно описывающие их математические
модели, а неконтролируемые возмущающие воздействия малы,
либо отсутствуют вовсе< Перенастройка оптимальной системы
управления без адаптации требует участия в ней либо оператора,
либо управляющей ЭВМ, обеспечивающих изменение параметров
оптимизации и (при необходимости) рабочих программ.
Более эффективными адаптивными АСУТП являются системы,
в которых те или иные впды настройки выполняются автомати-
чески. АСУТП с самонастройкой предназначены обычно для
определения с помощью ЭВМ некоторых параметров математиче-
ских моделей технологических процессов (при использования
алгоритмов МГУА можно автоматически формировать структуру
математических моделей). Обычно же объектами настройки вы-
ступают коэффициенты корреляции, регрессии, пропорциональ-
ности в математических моделях законов регулирования, пара-
метры физических моделей и процессов, используемых в системе
управления н т. п.
В большинстве случаев информация о случайных переменах
в технологическом процессе либо неполная, либо может отсутство-
вать вообще, поэтому оптимальное управление технологическим
процессом, математическая модель которого полностью соответ-
ствует выражению (1.1), требует создании такой адаптивной си-
стемы управления, чтобы она в процессе работы могла самосто-
ятельно распознавать природу и характер случайных переменных
я (по полученным результатам) вырабатывать ту нли иную опти-
мальную стратегию управления. Таким образом,, адаптивная
система в соответствии с изменяющейся обстановкой должна
выполнять самонастройку как без изменения, так н с изменением
своей структуры (в случае необходимости). Другими словами,
система с адаптацией осуществляет оптимальное управление
процессом с помощью оптимизации структуры алгоритма управ-
ления (в некоторых случаях — структуры технических средств).
Следует отметить, что при решении проблемы построения
оптимальной адаптивной системы управления встречаются во
многих случаях настолько серьезные трудности, что приходится
34
пользоваться не оптимальными, а субоптнмальными стратеги-
ями [99].
Основное отличие систем оптимального управления от систем
логико-программного управления заключается в структуре не
технических средств, а алгоритмов управления.
Для технологических операций и процессов с высоким уровнем
шумов оптимальная система управления должна быть построена
с учетом этих обстоятельств.
Адаптивные АСУТП. Адаптивные системы управления можно
условно подразделить на адаптивные системы управления для
иезашумленных технологических процессов н для «шумящих»
объектов управления. Адаптивные АСУТП для «иешумящих»
илн «малошумящих» объектов могут быть спроектированы как
полностью с автоматизированными алгоритмами адаптации, так
и с алгоритмами, требующими участия оператора в адаптационном
процессе. Для «шумящих» технологических процессов использо-
вание алгоритмов адаптации с оператором ведет к возникновению
большого числа ошибок из-за малой эффективности работы опера-
тора в условиях больших шумов. Поэтому в оптимальных АСУТП
с адаптационными алгоритмами последние полностью реализуются
в ЭВМ, а в систему управления включаются специальные техни-
ческие или программные блоки, обеспечивающие фильтрацию
шумов.
Адаптпвпые АСУТП для «нешумящих» объектов. Одним из
относительно простых вариантов адаптивных систем управления
с оператором являются системы, в которых некоторому набору
параметров технологического процесса поставлена в соответствие
определенная совокупность его режимов, сформированная по
правилам «если..., то...». Эта система позволяет оператору по
конкретным исходным данным о технологическом процессе вы-
брать оптимальный план его ведения и, таким образом, реализо-
вать процесс адаптации системы управления к изменяющимся
условиям производства. Примером такой адаптивной АСУТП
может служить интегральная автоматизированная система управ-
ления кислородно-конвертерным цехом Днепровского металлур-
гического комбината [42]. В этой системе на базе исходной ин-
формации на текущую плавку оператор, используя ЭВМ, может
выбрать из данных о 500 последних плавках на конвертере наи-
более подходящий режим продувки и подачи материалов в кон-
вертер. Информацию об аналогичных плавках выводят на экран
дисплея в виде табличных данных и графиков, а принятые опера-
тором решения оценивает н контролирует вычислительная ма-
шина. Несмотря на относительную простоту адаптационной си-
стемы управления такого типа, она достаточно эффективна. В рас-
смотренном случае в результате оптимизации режимов конвертер-
ных плавок отклонения фактических содержания углерода и тем-
пературы стали от заданных для разных марок стали уменьшились
на 10—15%.
2*
35
Рис. 2.11. Переходный процесс в объ*
екте управления при воздействии сту-
пенчатого возмущения и использования
ПИД-закона управления
Адаптационные алгоритмы
широко используются в АСУТП
и в системах управления, реали-
зующих относительно простые
законы управления в условиях
небольшого шума нлн его отсут-
ствия. В настоящее время доста-
точно широко распространены
адаптивные ПИД-регуляторы,
используемые как автономные
цифровые устройства нлн вхо-
дящие в состав АСУТП.
Смысл адаптации заключается в автоматическом выборе коэф-
фициентов пропорциональности в формуле (2.7), определяющей
закон регулирования. Алгоритм анализирует реакцию объекта
на специально вводимое в систему управления возмущение или
на естественно возникающие возмущения (это соответствует ре-
жиму ведения активного нлн пассивного эксперимента). Общий
принцип адаптации заключается в следующем. Требования к ка-
честву регулирования формулируются в виде требований к пере-
ходной характеристике. Система анализирует расхождение между
заданной н реально полученной на объекте переходной характери-
стикой и рассчитывает такие коэффициенты настройки, прн кото-
рых это расхождение будет минимальным. Таким образом, опти-
мизируются переходные процессы в управляемом объекте, что,
в свою очередь, ведет к повышению стабильности качества про-
дукции и минимизации энергетических затрат.
На рис. 2.11 приведен типичный график переходного процесса
в объекте, управляемого по ПИД-закону и используемого для
самонастройки. На первом этапе в интервале времени /0 — /в
объект управления находится на некотором начальном исходном
уровне работы.,Это время используется для того, чтобы определить
наличие шумовой составляющей в системе регулирования, свя-
занной, в частности, с действием на объект неконтролируемых
переменных. Принято считать, что для нормальной работы адап-
тивного ПИД-регулятора сигнал расхождения между реальной
переходной характеристикой и заданной (т. е. сигнал необходи-
мости новой настройки регулятора) должен не менее чем в два раза
превышать уровень шумов [112]. Кроме того, на этом же интер-
вале выявляются возможности влияния на объект управления
постоянных возмущающих воздействий в целях их последующей
компенсации (такими возмущающими воздействиями на управля-
емый, например нагревательный, элемент могут быть находящиеся
рядом с ним другие нагревательные или охлаждающие элементы).
36
Рис. 2.12. Обобщенная блок-схема процесса обработки информации в адаптивных
системах:
1 — анализатор входных сигналов; I! — ноцель процесса; III — блок перспективы;
IV — блок самообучения: 1, 7 — анализатор сигнала а шума; 2, 8 — детерминированная
а стохастическая части модели процесса; а — блок прогноза хода процесса; 4 — блок
фильтрации; S — анализатор состояния: 8 — блок управления; 9 — блок расчета опти-
мального регламента; 10 — блок коррекции; // — анализатор эксперимента; 12 — блок
эксперимента
После окончания измерений на интервале tQ — tB на объект
управления подается ступенчатое возмущение от системы управ-
ления и в момент времени фиксируется значение запаздыва-
ния. Затем измеряются амплитуды колебаний затухающего про-
цесса Лх, Л8, Л8 н соответствующие моменты времени tu t*.
Полученные параметры переходного процесса сравниваются с ана-
логичными параметрами заданного эталонного переходного про-
цесса. Если обнаруженные расхождения превышают допустимые,
то алгоритм адаптации определяет новые коэффициенты настройки.
Если получено требуемое качество регулирования, то итеративный
процесс самонастройки адаптивного ПИД-регулятора завер-
шается. Аналогичные действия и расчеты выполняются н для
перехода объекта управления при снятии ступенчатого возму-
щения.
Использование адаптивных алгоритмов в ПИД-регуляторах
для управления технологическими процессами позволяет улуч-
шить реакцию системы управления на возмущение и уменьшить
перерегулирование, снизить расход энергии в производстве и со-
кратить сроки освоения технологического оборудования. Их
использование в 5% случаев дает существенный прямой эффект
и в 80% — косвенный эффект за счет вторичных факторов [111].
Адаптивные АСУТП для сложных «шумящих» объектов. Рас-
смотрим принципы построения систем оптимального управления
на примере обобщенной блок-схемы процесса обработки информа-
ции в адаптивных системах (рнс. 2.12).
37
Поступающая в систему управления информация с датчиков
состояния технологических процессов представляет собой ан-
самбль «сигнал — шум», который зависит от переменных £ (т),
т} (т)1. В частности, для характеристик технологического про-
цесса р (0 в большинстве случаев справедливо соотношение
р(0 = Мр(П + ро(0* (2-Ю)
где Мр(0— математическое ожидание значения определенного
параметра; р9 (0 — случайная функция, математическое ожидание
которой равно нулю.
При первичной обработке из поступающей в систему информа-
ции выделяется информация, определяющая основные закономер-
ности хода технологического процесса (сигнал), н информация,
связанная с воздействием на процесс неуправляемых и неконтро-
лируемых факторов, вызывающих неупорядоченность процесса
(шум). Блок обработки такой информации (см. рнс. 2.12) назы-
вается фильтром и может быть реализовал на базе как техниче-
ских, так и программных средств. Примером может служить
весьма часто используемый в системах управления линейный
фильтр Калмана [991.
При применении фильтра на входе системы управления исклю-
чается направленное на отработку неуправляемых возмущений
функционирование системы вхолостую и увеличиваются управ-
ляющие воздействия при отработке управляющих возмущений.
Результаты первичной обработки информации поступают в ана-
лизатор входа, определяющий соответствие полученной информа-
ции некоторым основным априорным представлением о процессе
(в противном случае режим технологического процесса рассма-
тривается как аварийный). По результатам обработки первичной
информации с использованием математической модели технологи-
ческого процесса прогнозируется ход технологического процесса
на время t т8ап.
Одновременно с прогнозом хода технологического процесса
на базе тех же данных с использованием математической модели
процесса рассчитывается оптимальный регламент ведения техно-
логического процесса (именно процесса, а не управления нм)
в соответствии с физическими, экономическими и другими огра-
ничениями, налагаемыми на процесс.
Данные прогноза хода технологического процесса н данные
по оптимальному регламенту ведения технологического процесса
анализируются в анализаторе состояния с точки зрения совмести-
мости области прогноза технологического процесса. Если эти
области пересекаются, то соответствующая информация пере-
дается в блок управления, вырабатывающий управляющие воз-
1 Шумы, обусловленные нестабильностью работы датчиков, а также недо-
статочной помехозащищенностью технических средств от внешних воздействий
в данной главе не рассматриваются.
38
действия. В противном случае состояние технологического про*
десса и системы управления нм интерпретируется как аварийное
(для неадаптнвных систем управления).
Для адаптивной системы управления в случае непересечения
областей прогноза и оптимального регламента ведения технологи*
ческого процесса управление процессом передается блоку экспе-
римента, в соответствии с программой которого вырабатываются
команды для блока управления. Информация о результатах
состояния текущего шага эксперимента проходит обработку,
при этом нз анализатора состояния она всегда направляется в ана-
лизатор эксперимента, где оцениваются результаты опыта (по
значениям и направлению изменения результатов эксперимента).
Если на i-м шаге эксперимента обеспечивается максимально
достижимое пересечение областей прогноза процесса и оптималь-
ного регламента его ведения, то эксперимент заканчивается,
соответствующая информация передается в блок коррекции,
который вносит изменения в математическую модель процесса.
В противном случае эксперимент продолжается.
Адаптивная система управлеиня описанной структуры ведет
самообучение при помощи активного эксперимента. В ряде случаев
для корректировки математической модели процесса приходится
ограничиваться результатами пассивного эксперимента. При этом
отсутствует блок эксперимента, а анализатор эксперимента за-
меняется на анализатор результатов процесса управления, кото-
рый в случае изменения качества управления через блок коррек-
ции корректирует математическую модель процесса с целью
улучшить качество управления.
Следует отметить, что в адаптивной системе управления с веде-
нием пассивного эксперимента непересечение областей прогноза
и оптимального регламента ведения процесса соответствует ава-
рийному режиму в неадаптнвной системе управления (потере
оптимальности управления).
Оптимальные системы управления с адаптацией по учету
случайных переменных делятся [19] на системы управления
с адаптацией: по отношению к объекту (изменяются коэффи-
циенты уравнений, характеризующих динамику объекта); по
сигналу (при обработке информации учитывается изменение
статистических характеристик входных сигналов); по возмуще-
ниям (учитываются статистические свойства возмущений, нару-
шающих ход процесса). Чтобы проиллюстрировать принципы
построения систем оптимального управления, рассмотрим несколь-
ко примеров таких систем.
Известны системы оптимального управления без адаптации,
используемые для управления последовательностью технологи-
ческих операций, между которыми существует транспортное
запаздывание. Каждая технологическая операция имеет свои
собственные входы и выходы, измеряемые переменные, возмущения
и погрешности измерений. К такого рода технологическим про*
39
Рве. 2.13. Блок-схема технологического процесса с транспортным запаздыванием:
I, 2, .... N — технологические операции; т*. т«.— элементы транспортного за-
паздывания; — входная переменная; Sv .... iff — выходные переменные техноло-
гических операций; Ц, .... и тц, Лп — контролируемые и неконтролируемые
неуправляемые входные воздействия; «р £*........— входные контролируемые воз-
действия; 2р йу .... — измеряемые переменные
цессам относится, например, производство химических веществ,
требующих проведения последовательных реакций [99].
Технологический процесс с элементами транспортного за-
паздывания можно представить блок-схемой, приведенной на
рнс. 2.13. Несмотря на наличие двух случайных переменных £
и *п, технологический процесс в первом приближении относится
к классу процессов, определяемых соотношением (1.1), поскольку
Предполагается, что я является гауссовым белым шумом с изве-
стным средним значением н дисперсией.
Адаптивная система управления с ведением пассивного экспе-
римента применяется при производстве полимеров в многореак-
торных агрегатах. Технологический процесс точно описывается
системой нелинейных дифференциальных уравнений, а случайные
возмущения, накладывающиеся на ход технологического процесса,
в основном соответствуют нормальному закону распределения
с известными характеристиками. Необходимость уточнить законы
распределения случайных переменных требует построения адап-
тивной системы управления.
Оптимизация технологического процесса производится по ка-
честву продукции изменением температуры реакторов. Целевая
функция системы выбирается как
я
Е — min S L (п). (2.11)
п=1
Здесь L = х'Ах + 4- 2u’Vx\ х, и — оптимизируемая и
управляющая переменные; А, Ни V — весовые параметры.
Экспериментальные исследования системы управления пока-
зали, что использование постоянных весовых параметров А, /Л
я V не дает желаемых результатов, хотя н улучшает качество
продукция. Поэтому при дальнейшем развитии системы управле-
ния она была переведена в класс оптимальных систем управления
с адаптацией, прячем последняя реализовывалась методами пас-
сивного эксперимента. В соответствии с результатами наблюдений
автоматически выбирались соответствующие весовые параметры
из заранее записанной в памяти ЭВМ библиотеки таблиц. Исполь-
40
Ряс. 2.14. Блок-схема системы адап-
тивного унравления полосовым ста-'
ном:
/ — полосовав стан; / — охлаждаю-
щая установка; 2 — чистовая группа
става; 3 — реверсивная черновая клеть;
4 — окалиноломатель: б — нагрева-
тельная печь; 6 — блок управления
распылителями; 7 — регуляторы; 8,
9 — датчики положения; 10 — датчика
температуры; II — УВК; 13 — инди-
каторы; 13 — печатающие устройства;
14 — устройство ввода заказов на по-
лосы; 16 — пульт ручного ввода дан-
ных
зование адаптационных алгоритмов в системе управления про-
цессом полимеризации значительно повысило качество продукции.
Описанная система управления относится к классу оптимальных
систем с адаптацией по отношению к объекту [101 -
• В системе управления полосовым стаиом горячей прокатки
на заводе «Wakayama» фирмы «Симитомо метал» (Sumitomo Metal,
Япония) также реализованы принципы самонастройки и адаптив-
ного управления станом (рис. 2.14). Функции адаптивного управ-
ления заключаются в корректировке математической модели стана
с учетом постепенного изменения таких условий прокатки, как
изнашивание и деформация валков. При последовательном дви-
жении сляба через клети по результатам расчета настройки стана
вводятся уточненные значения параметров. Предварительные
расчеты адаптации выполняются при прохождении металла через
первую клеть, точные — после того, как металл проходит через
все клети. При расчете учитываются фактические характеристики
сляба, в том числе отклонение химического состава стали и тем-
пературы от номинальных значеинй. При внедрении системы
особое внимание было уделено методам и программам контроля
расчета настройки стана, применение которых ускоряет коррек-
тировку математических моделей [73].
Так же, как и системы логико-программного управления,
системы оптимального управления могут представлять различные
ступени двух ннжних (а и (J) иерархических уровней АСУТП.
При этом возможны различные варианты соотношения степеней
сложности структур построения технических средств и алгоритмов
(программ).
Большинство систем экстремального управления несколькими
последовательными операциями с транспортным запаздыванием
охватывают ступени 0', 0", а'", а", а', а в некоторых случаях
и ступень 0'". Это касается в первую очередь АСУТП в металлур-
гии, а также в химии и нефтехимии, где для экстремального
управления технологическим процессом получения конечного
41
продукта практически требуется выполнение функций комплекс-
ного управления производством.
Для многих технологических процессов в производстве изделий
электронной техники, где последовательность операций связана
с качеством конечного изделия (полупроводниковые приборы,
радиодетали и др.), необходимы системы с относительно сложной
структурой технических средств. В таких системах в соответствии
с плановым номенклатурным распределением приборов устанав-
ливаются режимы на технологических агрегатах первой операции,
при этом управляющая ЭВМ через УВВИ измеряет режимы агре-
гатов и параметры полуфабрикатов.
По результатам измерений ЭВМ уточняет режимы агрегатов
второй технологической операции, а также рассчитывает поправки
для корректировки параметров следующей партии полуфабрика-
тов на первой технологической операции. Полученные после
n-й операции приборы попадают иа участок выходного контроля
и классификации, откуда результирующие данные снова посту-
пают в ЭВМ для уточнения планового номенклатурного распре-
деления. Алгоритм работы таких систем ие содержат блока само-
обучения, но может быть достаточно сложным (особенно при
охвате одной системой большого числа технологических операций
и агрегатов на каждой операции).
Характерным примером системы оптимального управления
(с элементами адаптации) технологическими операциями служит
АСУТП изготовления пленочных конденсаторов типа К70-6,
обеспечивающая индивидуальную обработку каждого конденса-
тора с целью получить высокоточные изделия с сохранением
высокой производительности оборудования [16].
Технологический процесс изготовления конденсаторов К70-6
состоит из следующих операций: намотки секций конденсаторов,
обязательной термообработки секций, доводочной термообработки,
термостабилизации, выходного контроля готового изделия
(рис. 2.15).
На операции иамотки секций конденсаторов контролируются:
натяжение пленки и фольги в процессе намотки (4 датчика инфор-
мации); емкость секций в процессе нх намотки (1 датчик информа-
ции). На операциях обязательной, доводочной термообработки
и термостабилизации секции конденсаторов контролируются: тем-
пература в камерах термообработки н термостабилизации (48 тер-
мопар); емкость секций конденсаторов в процессе термообработки
(9 измерительных позиций); давление в магистрали подачи воздуха
на операции термообработки и термостабилизации (9 датчиков
информации). На выходе технологического процесса контроли-
руются: емкость готовых изделий (С); температурный коэффициент
емкости (ТКЕ); тангенс угла потерь (tg б); электрическая проч-
ность изоляции (£/ал).
Наличие указанных датчиков выходного контроля позволяет
разбраковывать готовые изделия по UaJl и tg б, сортировать их
42
Технологическая линия
Агрегат Термообработка бункеры готовой
намотки L та Обязательная Индивидуальная Стабилизация продукции
бяж изме-
рения пара-
метров
блок управле-
ния нагрева-
толями
блок конт-
роля ёмкости
секции
блок управления
термообработ-
кой
бАокразвраюб
ки и раарасав-
ки
Цифровые устройст-
ва Ввода-Вывода
бяокобееаязифео
. контроля
4 ♦
Устройство дополни-
тельной памяти
Зтций вычиашяяль-
иыи комплекс
„Змофояит X-
_____________________-Я¥Л
Цифровые устройства
ввода-вывода
| gy двоими.
Рис. 2.15. Блок-схема АТК изготовления точных пленочных конденсаторов
по точности и группам ТКЕ и, кроме того, осуществить стати-
стический анализ технологического процесса в целом.
Задача стабилизации технологических режимов решается с по-
мощью автономных регуляторов температуры в камерах термо-
обработки, а также локальной системы стабилизации значений
емкости секций конденсаторов относительно заданного значения
на выходе операции намотки.
Задача минимизации отклонения «скользящего» среднего зна-
чения емкости конденсаторов на выходе процесса относительно
заданного номинала решается введением коррекции уставки
прибора контроля емкости секций конденсаторов в процессе
намотки. Коррекция пропорциональна отклонению «скользящего»
среднего от заданного значения в текущий момент времени.
Задача минимизации разброса текущих значений емкости
конденсаторов относительно заданного номинала решается на
операции доводочной термообработки путем создания благоприят-
ного режима термообработки практически для каждой секции
конденсаторов отдельно.
Все технологические операции процесса изготовления конден-
саторов связаиы единым транспортным механизмом.
Специальная локальная система синхронизирует такт работы
агрегата намотки с тактом движения транспортера переноса
секций конденсаторов и шагом дискретности управляющего вы-
числительного комплекса.
При создании этой системы был применен комплексный подход
проектирования. Для спроектированного изделия и технологи-
ческого процесса его изготовления было разработано специальное
технологическое оборудование, обеспечивающее индивидуальное
ведение технологических режимов при изготовлении каждого
43
изделия с оптимальным управлением ЭВМ. Технологическое
оборудование системы включает: агрегат намотки секций (с при-
бором активного контроля емкости); агрегат термообработки
(сиабжеи приборами контроля емкости с выходом на УВК, устрой-
ствами контроля температуры в каждой камере термообработки,
устройствами регулирования температуры в каждой термокамере);
оборудование транспортировки секций; оборудование выходного
контроля.
Элементы адаптации введены для того, чтобы компенсировать
разброс в однородности используемых рулонов диэлектрической
плеики. Для этого при загрузке на агрегате намотки каждого
нового рулона пленки выделялись (в качестве пробной партии)
первые изготовленные 15—20 конденсаторов, по результатам
контроля которых корректировались зиачения зависимостей (для
каждого номинала) роста емкости от температуры, хранимые
в памяти. Скорректированные значения использовались при
управлении ТП изготовления всех остальных конденсаторов из
данного рулона. Указанный цикл «самообучения» повторялся
для каждого нового рулоиа пленки. В результате в процессе
эксплуатации АТ К было обеспечено получение конденсаторов
класса точности 0,5, 1 и 2 до 80% от общего объема выпуска.
Подобные практические результаты получены при разработке
первой отечественной АСУТП с адаптацией. Система была по-
строена на базе машины УМ1-НХ и внедрена иа крупном трубо-
прокатном агрегате. Стадия самообучения в системе занимает
несколько минут (соответствует времени изготовления первых
5—7 труб) и заканчивается, когда размеры, предсказанные управ-
ляющей ЭВМ для каждой следующей трубы, начинают совпадать
в пределах допуска с ее действительными размерами. Применение
системы позволяет снизить разброс толщины стенок труб в сред-
нем иа 20—25% [19].
2.4. СИСТЕМЫ КОМПЛЕКСНОГО
(ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО) УПРАВЛЕНИЯ
Прннцнны построения. В системах комплексного управления
решаются в основном задачи, возлагаемые на структурные сту-
пени Р', Р", в некоторых случаях — задачи ступеней а* и Р".
Объектом управления при комплексном управлении является
организационно связанная (участок, линня, цех, замкнутое произ-
водство одного продукта) группа технологических процессов
(операций) с комплексом основного и вспомогательного оборудо-
вания, а также с потоками материалов, полуфабрикатов и энерго-
носителей. Таким образом, эти системы можно определить как
промежуточный организациоино-техиологический класс АСУ.
В большинстве систем рассматриваемого класса оперативный
персонал на основании анализа результатов обработки «преды-
дущего цикла управления», выполненной ЭВМ, принимает реше-
44
ине и выдает управляющие воздействия на объекты управления,
т. е. во многих случаях правомерно говорить о синхронно-цик-
лическом характере комплексного управления.
Отклонения управляющих воздействий нз-за особенностей
характера оператора могут быть представлены как составляющие
вектора случайных воздействий т) (т). Тогда математическая мо-
дель системы будет иметь вид
Му (t + ДО = 1 MAt (Ui (0 + Bt [Му (0]g (т)} +
+ S* (2.12)
/==*+!
где k и п — k — число технологических операций (установок)
в объекте комплексного управления, управляющие воздействия
для которых вырабатываются по алгоритмам с оптимизацией и
без оптимизации соответственно.
Следует отметить, что в таких системах часть управляющих
воздействий может передаваться автоматически нз ЭВМ на ис-
полнительные органы, регуляторы или АСУТП низшего уровня.
Задачи, решаемые АСУ, имеют смешанный организациоиио-тех-
нологический характер, поскольку объект управления представ-
ляет собой группу организационно связанных технологических
подсистем. Оперативный персонал является основным звеиом
АСУ для принятия решения и выдачи управляющих воздей-
ствий, поскольку сложность структуры объекта управления
с учетом его неупорядоченности в общем случае пока не позво-
ляет создавать с практически удовлетворительной степенью
приближения детерминированные илн статистические модели
для автоматического управления объектом в целом. АСУ комп-
лексного управления должны иметь связь с ннжним и верхним
уровнями АСУП, имеющей иерархическую структуру, по-
скольку они занимают в ней среднее положение.
Основная форма передачи информации наряду с электричес-
кими сигналами — ее наглядное отображение. В отличие от АСУ
организационного характера в АСУТП документ не является
основной формой передачи информации, а принцип автомати-
зации документооборота реализуется лишь при составлении
сводных форм о работе объекта управления (участка, линин,
цеха, замкнутого производства одного продукта) и не опреде-
ляет сути системы. К этому следует добавить, что внедрение АСУ
в производственные процессы должно, в принципе, приводить
к сокращению документооборота.
В соответствии с отмеченными особенностями систем комп-
лексного управления для их реализации в общем случае требуется
более обширный набор технических средств, в том числе: управ-
ляющая ЭВМ с блоком прерывания программ, селекторным и
программно-управляемым каналами; расширенный комплект эа-
45
Рис. 2.16. Блок-схема иерар-
хической системы управле-
ния металлургическим заво-
дом?
I _ уровевь плаввроввмя про-
вэводстаа; П — уровень оцера-
твввого управления; III — уро-
вевь прямого цифрового управ-
ления; 1 - блок ввода инфор-
мация о заказах; 3 — универ-
сальная ЭВМ: 3 — память боль-
шой емкости; 4 — устройство
печати программа завода*. 6 —
ЭВМ оперативного управления;
6 — пульты операторов: 7 —
табло операторов; в — датчик
мессе слитков; 9 — блок про-
граммного управления нажим-
ным устройством; 10 — управ-
ляющая ЭВМ; 11 — телетайп;
19 — датчик размеров слитков;
13 — блок управления ножни-
цами
поминающих устройств, включая накопители большой емкости;
комплект УВВИ, в первую очередь УВВ цифровой одноразряд-
ной и символьной информации (тетрады, байты или др.); ана-
лого-цифровые преобразователи с коммутаторами на большое
число каналов; центральный пульт контроля и управления;
локальные устройства ввода (ручного или автоматического) и
передачи информации; локальные устройства наглядного отобра-
жения и документирования с пультами вызова данных из ЭВМ;
локальные подсистемы, выполняющие функции сбора и первич-
ной переработки информации, автоматического контроля и уп-
равления отдельными технологическими операциями; устройства
двустороннего автоматического обмена информацией ЭВМ си-
стемы комплексного управления с ЭВМ верхнего и нижнего
уровней (еслн оии имеются).
Для того чтобы проиллюстрировать принципы построения
систем комплексного управления, рассмотрим несколько таких
систем, применяющихся в различных отраслях промышлен-
ности.
В металлургии успешные разработки систем комплексного
управления были осуществлены английской фирмой «Эллдот
оутомэйши» (Elliot Automation). Еще в 1959 г. фирма приступила
к созданию иерархической системы управления металлургичес-
ким заводом. На систему комплексного управления среднего
уровня (рис. 2.16) возложено оперативное управление произ-
водственным процессом через оперативный персонал, а также
путем взаимодействия с локальными системами управления
низшего уровня. В системе реализован двусторонний обмен
информацией через перфоленту с ЭВМ верхнего уровня, выпол-
няющую функции планирования производства.
Подобная же система была внедрена на металлургическом за-
воде в ЧСФР. Система комплексного управления разработана
на базе управляющей ЭВМ KDF-7 и осуществляет оперативное
46
управление производством в реальном времени, в том числе
автоматизированное управление работой обжимного стана за-
вода на основе суточной производственной программы, рассчи-
тываемой планирующей ЭВМ типа LEO 360. От ЭВМ верхнего
уровня KDF-7 получает также копию спецификации слитков,
которую она распределяет по заказам, проверяет в процессе
производства выполнение спецификации и в случае необходи-
мости корректирует программу. На систему возлагается выра-
ботка графика загрузки нагревательных колодцев слитками и
регулирование температуры слитков в каждом' колодце.
Система обеспечивает оперативный расчет двухчасовой про-
граммы прокатки для обжимного стана и контроль за ее выпол-
нением; при этом можно реализовать 65 различных маршрутов
и 865 комбинаций типов продукции и маршрутов. Наконец,
KDF-7 рассчитывает оптимальную длину отрезка для управле-
ния «летучими» ножницами.
Оперативный отчет о выполнении производственной про-
граммы передается в машину верхнего уровня н отображается
на табло диспетчера, который может принимать оперативные
решения по корректировке текущей программы [191.
Другим примером системы комплексного управления техно-
логическими процессами, внедренной на производстве с непре-
рывно-дискретным характером, служит система управления опе-
рациями агломерационной установки, подготовкой шихты и
работой плавильной печи на свницово-цинковом заводе. На
агломерационной установке н плавильной печн управляющая
ЭВМ типа ARCH непрерывно измеряет свыше 200 параметров
и осуществляет прямое цифровое регулирование режимов более
чем в 80 точках.
На установке для приготовления шихты ЭВМ рассчитывает
режим приготовления шихты и управляет операциями загрузки—
выгрузки шихты. В системе предусмотрены пульты управления
в диспетчерских каждого цеха для связи операторов с ЭВМ.
По требованию операторов ЭВМ выполняет вычисления на ос-
нове производимых измерений и выдает результаты на печь,
а также сигнализирует об отклонениях технологических ре-
жимов [19].
Одной из первых областей применения систем комплексного
управления с управляющими ЭВМ были непрерывные произ-
водства в химической и нефтехимической отраслях промышлен-
ности. В соответствии со спецификой непрерывных технологи-
ческих процессов масштабы объекта управления для этих систем
вырастают до уровня целого завода (замкнутое производство
одного продукта). Разбросанность объекта управления опреде-
ляет необходимость применять во многих случаях телемехани-
ческие системы для нейтрализованного контроля и управле-
ния [101].
47
Системы комплексного управления химическими производ-
ствами решают в первую очередь задачи непосредственного уп-
равления технологическими процессами, в большинстве случаев
с оптимизацией по критерию максимального выхода продукта.
Например, отечественная система комплексного управления «Кас-
кад» автоматически определяет оптимальный регламент техно-
логического процесса. В зависимости от ситуации на производ-
ственных участках она решает задачу обеспечения заданной
производительности предприятия, изменяя нагрузку по сырью
и перераспределяя потоки сырьевых продуктов. Система «Кас-
кад» работает в режиме «советчика» диспетчера.
Тепловые, гидро-и атомные стаиции как комплексы оборудо-
вания, реализующие иепрерывный «технологический процесс»
выработки одного продукта — электроэнергии, занимают особое
положеине среди промышленных объектов управления. Прак-
тически уже иа стадии проектирования первых крупных элек-
тростанций в силу .специфики этих сложных и замкнутых по
характеру производственной деятельности'Технологических комп-
лексов закладывались элементы современных систем комплекс-
ного управления в виде систем централизованного сбора н отобра-
жения оперативной информации; сигнализации отклонений ре-
жимов энергоблоков и т. д.
Появление современных управляющих ЭВМ завершило фор-
мирование «кибернетических» АСУТП в энергетике. Одной из
первых таких систем стала система комплексного управления
500-мегаваттным блоком тепловой электростанции в Фоули (Анг-
лия). Система собирает аналоговую информацию с 1200 точек
и дискретную информацию с 1800 точек. Управляющие воздей-
ствия передаются по 900 каиалам [19].
В пусковом режиме АСУТП включает различные агрегаты,
такие как котел, вентиляторы, турбииные масляные насосы,
откачивающие насосы и т. д. Агрегаты включаются в таком по-
рядке, при котором обеспечивается требуемый режим повышения
давления в котле. Затем турбииа подготавливается к приему
пара, и в момент согласования давления в котле и турбине вклю-
чается программа вывода турбины на заданный режим.
Система немедленно обнаруживает любое отклонение или
ошибочную ситуацию, анализирует их, после чего выполняются
необходимые корректирующие действия в пусковой программе.
В этом случае выдаются необходимые советы оператору на экран
электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и иа печатающие устройства.
Система продолжает автоматически контролировать и анализи-
ровать состояние агрегатов блока стаиции в режиме иоминальной
нагрузка. В случае аварийной ситуации система отключает
станцию с помощью устройств аварийной защиты и выдает опе-
ратору совет о необходимых действиях.
В рабочем режиме система в определенные периоды времени
подсчитывает эффективность работы блока станции, усредняя
48
Рис. 2.17. Блок-схема системы комплексного управления энергоблоком АЭС
/ — управляющае ЭВМ: 2 — устройства управления комплексом УЗВИ; 3 — цифровое
табло; 4 — мнемосхема; S — мяемотабло; 6 — дополнвтельиые блоки ОЗУ; 7 — допол-
нительные блоки ПЗУ: 8 — блоки прерывание программ; 9 — блоки цифровых входов—
выходов; 16 — многоканальные АЦП; 11 — преобразователи сперемещенве — код»;
12 — переключатель резерва; 13 — управление печатающими устройствами; 14 — ЦАГ;
15 — пульт оператора-технолога; 16 — группа печатающих устройств
данные за пятнадцатиминутный цикл, сравнивает с контрольными
значениями эффективности и вырабатывает совет оператору для
повышения эффективности работы станции. Кроме функции авто-
матического контроля за работой станции и комплексного управ-
ления процессом выработки электроэнергии через оператора
система выполняет ряд функций непосредственного управления
режимами работы отдельных агрегатов.
Известны системы, в которых все функции прямого управле-
ния режимами станции переданы локальным регуляторам. При-
мером может служить система комплексного управления тепловой
электростанцией, осуществляющая автоматический контроль
(с выдачей совета оператору) работы четырех энергетических
блоков мощностью 500 МВт, при этом управляющая ЭВМ после-
довательно измеряет 10 000 параметров (по 2500 на блок) [19].
Из сказанного видно, что система комплексного управлеиия
энергетическими объектами представляет собой весьма сложные
электронные комплексы, основную часть оборудование которых
составляют каналы ввода—вывода информации. При этом тре-
бования к производительности управляющих ЭВМ относительно
невелики, а требования к нх надежности крайне высоки, по-
скольку выход из строя ЭВМ практически лишает оператора
станции основной информации о состоянии объекта управления.
В связи с этим именно в энергетике появились АСУТП, построен-
ные на базе двух ЭВМ, работающих в режиме «горячего резерва».
В качестве примера можно привести систему комплексного управ-
ления атомной электростанцией (АЭС) мощностью 1250 МВт,
которая построена иа базе двух управляющих ЭВМ типа
Н-316 [19].
49
Рис. 2.18. Блок-схема оператнвно-дис-
иетчерского управления сборочным
производством цветных кинескопов:
/ — универсальная ЭВМ в ВЦ аредорвя*
твя; 3 — ЭВМ уровня оперативного уп-
равления; 3 — накопитель большой ем-
кости; 4 — устройства ввода дискретных
данных; S — устройство вывода информа-
ция на табло технологических линий; 6 —
мнемосхема сборочного производства; 7.
II, 14 — датчики дискретных данных на
линиях; 8, IS, IS — табло на ливнях; 9,
10 — табло диспетчера, директора; 13 —
печатающей устройство
Первая отечественная си-
стема комплексного управления
энергоблоком АЭС построена
на базе двух машин УМ1-НХ,
работающих в режиме «горя-
чего резерва». Система вклю-
чает также комплекс устройств
ввода—вывода информации по
3500 канвлам. и ряд устройств
наглядного отображения инфор-
мации (рис. 2.17). В отличие
от непрерывных н непрерывно-дискретных производств в дис-
кретных производствах выпускается продукция в виде за-
конченных изделий, исчисляемых количественной мерой (в еди-
ницах, сотнях, тысячах, миллионах штук), и все изделия
(или детали, из которых они собираются) проходят последова-
тельно ряд обрабатывающих н сборочных операций, на системы
комплексного управления такими производствами в первую
очередь возлагаются задэчи количественного учета н упорядо-
чивания производственных потоков материалов, деталей и из-
делий.* В связи с этим обмен количественной (дискретной) инфор-
мацией в таких системах представляет собой неотъемлемую часть
процесса управления, а наличие датчиков дискретной информации
и соответственно цифровых УВВИ в комплексе технических
средств АСУТП (АСУОТП) обязательно.
Примером системы комплексного управления иа предприя-
тиях с дискретным характером производства может служить
иерархическая система оперативно-диспетчерского управления
сборочным производством цветных кинескопов, блок-схема кото-
рой представлена на рис. 2.18 [19].
Г лава 3
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
3.1. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ
И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
Ивформациоивое обследование технологических операций и
вроцессов. Детальное исследование технологии и организации
производства представляет собой один нз основных этапов си-
стемного анализа и включает в себя исследование структуры
технологического процесса, технологического оборудования и
его реальных характеристик, установление наличия н определе-
ние достаточности информации о технологических факторах н
параметрах предмета труда в процессе производства, выявление
связей между ними. В процессе обследовании должна быть по
возможности собрана вся априорная информация о технологии
производства и обобщены сведения, имеющиеся о ней у эксплуа-
тационного персонала.
Началом обследования технологического процесса является
построение пооперационной схемы технологического процесса
в двух вариантах: так, как он был спроектирован, и так, как
он реально функционирует. Анализ этих двух схем позволяет
определить, можно ли усовершенствовать технологический про-
цесс, а также с чем связаны появившиеся в нем. изменения: про-
грессом в технологии и оборудовании, отсутствием требующегося
оборудования или попытками разрешить возникающие трудности
в реализации технологического процесса заданного качества.
Эти вопросы заслуживают серьезного внимания при дальней-
шем исследовании технологического процесса.
Особое же внимание надо обратить на наличие в технологи-
ческом процессе специальных подстроечных и компенсирующих
операций, операций селективной сборки. На схеме технологи-
ческого процесса необходимо привести контрольные операции
н указать, что на них выполняется: отбраковка, классификация
по группам нлн измерение контролируемых Параметров.
Следующий вопрос, подлежащий исследованию — изучение
технологического оборудования. При его изучении прежде всего
устанавливают паспортные реально достигнутые допуски на
управляемые н технологические факторы, дают предваритель-
ную оценку их достаточности для достижения требуемых пока-
зателей технологического процесса. В составе технологического
оборудования определяют различные системы регулирования н
управления, как встроенные в технологическое оборудование,
так н функционирующие самостоятельно. Оценка принципов
регулирования н управления, положенных в основу функциони-
рования систем регулирования и управления, позволит сделать
51
выводы о возможности повысить качество управления при за-
мене использованных способов и методов управления н регули-
рования более эффективными.
В составе технологического оборудования указывают аппа-
ратуру регистрации информации и ее отображения (это также
относится и к контрольно-измерительному оборудованию) как
возможные автоматизированные источники информации для бу-
дущей АСУТП.
Для технологических процессов, особенно вероятностных,
очень важно исследовать н проанализировать систему контроля
технологических факторов и параметров изделий в технологи-
ческом процессе. Поэтому анализу использованного в техноло-
гическом процессе измерительного оборудования необходимо
уделить особое внимание: изучить его технические точностные
характеристики, определить и оценить способы измерений тех-
нологических факторов и контролируемых парамегров, опре-
делить правильность установления контрольных точек по техно-
логическому процессу и получить ответ на вопрос, установлены ли
контрольные точки там, где нужно, или там, где можно.
Система контроля в технологическом процессе — это не только
контрольные операции и измерительное оборудование. Для
сложных, вероятностных технологических процессов в них, как
правило, предусмотрена система сбора информации о ходе тех-
нологического процесса с использованием оперативной докумен-
тации. Поэтому при исследовании определяют графики про-
хождения этой документации, порядок ее заполнения, обработки
и хранения. Очень важный вопрос — алгоритмы получения
соответствующих выводов о качестве технологического процесса
н необходимых мерах по его управлению и оценка эффективности
использованных в процессе методов управления. Для исследо-
вания управляемости технологического процесса можно исполь-
зовать метод опроса производственного персонала, хотя надо
помнить о том, что в этом случае полученные сведения будут
субъективными.
Если представляется возможным при ознакомлении с тех-
нологическим процессом провести по нему контрольные партии
(это могут быть обычные изделия, идущие на технологическом
процессе в данный момент, но имеющие сопроводительные листки),
то можно считать, что предварительная информация о техноло-
гическом процессе получена в достаточно возможном объеме.
Кстати, проведение контрольных партий, возможно, ответит
на два важных вопроса: о влиянии разброса параметров входных
материалов и полуфабрикатов на параметры производимых изде-
лий и об устойчивости технологического процесса относительно
допусков на изменение технологических факторов. Анализ первых
данных покажет, необходимо или нет вводить систематически
функционирующие входные контрольные операции, а анализ
вторых даст сведения об устойчивости технологического процесса
52
(при изменении технологических факторов и качества входных
материалов и полуфабрикатов в пределах установленных допус-
ков параметры готовых изделий должны укладываться в рамки,
установленные для технологического процесса).
В результате проведенного информационного обследования
технологического процесса кроме схем и описаний должны быть
получены следующие выводы:
соответствует ли функционирующий технологический процесс
спроектированному и каковы причины несоответствий, если они
будут обнаружены;
соответствуют ли характеристики технологического оборудо-
вания требованиям, предъявляемых к технологическому про-
цессу, и можно ли улучшить характеристики оборудования за
счет введения или замены действующих регуляторов и систем
управления новыми;
соответствуют ли характеристики контрольного оборудова-
ния требованиям, предъявляемым к нему технологическим про-
цессом;
эффективна ли существующая система управления техноло-
гическим процессом н избыточна (недостаточна) ли информация
для управления нм (предварительное заключение);
предварительная оценка необходимости и целесообразности
работ по дальнейшему исследованию технологического про-
цесса.
Информационное описание технологических операций н про-
цессов. Данные, полученные в результате информационного
обследования, служат основой для построения информационного
описания технологических объектов. Информационное описание
представляет собой в определенной мере информационную мо-
дель исследуемого объекта, которая может иметь три уровня
иерархии: технологического перехода, технол^ической опера-
ции и технологического процесса.
Уровень технологического перехода используется в основном
для описания наиболее важных элементов технологического
процесса, обычно существенно влияющих на качество всего
технологического процесса. Такне ключевые технологические
переходы детально исследуют с точки зрения построения мате-
матической модели процесса (технологического перехода) с по-
следующей оптимизацией как технологических операторов, так
и построения автоматизированной системы управления.
Технологический переход можно рассматривать как техноло-
гическую микрооперацию. Для нее в соответствии с существом
процесса (обработка, сборка и т. п.) строят структурную схему,
указывают число входов и выходов, определяют коэффициенты
передачи. В соответствии с моделью технологической операции
описываются выходные параметры предмета труда, если их можно
измерить непосредственно после завершения технологического
перехода. Если результаты технологического перехода можно
53
Рис. 3.1. Граф связи входных и вы-
ходных параметров:
I — технологические операторы; Я —
материалы, комплектующие изделия
.и полуфабрикаты; 3 — выходные па-
раметры наделай
получить после проведения тех*
нологнческой операции в полном
объеме нлн после нескольких тех-
нологических операций, то это не*
обходимо указать, дав примеча-
ние о возможности изменения этих
параметров с момента заверше-
ния технологического перехода
до момента измерения. Если та-
кие изменения существуют, то
желательно дать нм предвари-
тельную оценку и сделать пере-
счет на их непосредственную ве-
личину в момент завершения тех-
нологического перехода.
Особое внимание надо обра-
тить на статистические свойства
выходных параметров, и если не-
известна функция распределения,
то дать интервалы возможного их
изменения. В качестве входных параметров на технологическом
переходе выступают параметры полуфабрикатов, основных и вспо-
могательных материалов, поступающих в работу. Для них тоже
желательно указать область разброса контролируемых и некон-
тролируемых параметров. Описание технологических операторов
дается в форме физических нлн химических воздействий, которым
подвергается предмет труда на технологическом переходе (на-
пример, нагрев, травление н т. п.). Должны быть указаны номи-
нальные значения технологических операторов и допуски на
их изменения, при которых разброс входных параметров и тех-
нологических операторов не выводит технологический процесс
за установленные рамки качества. Разброс входных контроли-
руемых и неконтролируемых параметров, а также контролируе-
мых и неконтролируемых технологических операторов — суть
переменные вектора возмущающих воздействий. Информацион-
ный анализ технологического перехода включает в себя также
описание технологического оборудования, инструмента и ос-
настки, с помощью которых совершается этот технологический
переход с указанием регуляторов и систем управления, связан-
ных с технологическим переходом. Указываются также принципы
и законы регулирования, использованные для управления тех-
нологическими операторами.
Информационное описание технологического перехода завер-
шается составлением графа азаимосвязи входных параметров и
технологических операторов с выходными параметрами изделия
или полуфабриката, прошедшего технологический переход. На
рис. 3.1 слева дай перечень входных параметров предмета труда,
основных и вспомогательных материалов, технологических опе-
54
ff)
(fi+B*Cj о
------0 0-
0Д
Рис. 3.2. Структурные модели для тех- а)
нологических операций с независимыми &.
коэффициентами передачи (а — сборка,
б — контроль): в 0-
А, В, С — детали сборкк; D — яэделия, по-
ступающие иа контрольную операцию; Dt, Dt, Q&.
Dt — отсортированные изделия
раторов, справа—перечень выходных параметров предмета труда,
прошедшего технологический переход. Стрелками показаны связи
входных параметров с выходными, если они, конечно, известны
пли их можно установить в соответствии с физико-химическими
•войствами процесса. Может оказаться, что для некоторых вход*
пых (выходных) параметров нет связей. На это надо обратить
особое внимание: во*первых, эти связи могут существовать,
но мы их не знаем; во*вторых, эти связи могут замыкаться в целом
на технологической операции или технологическом процессе.
Информационное описание технологической операции вклю-
чает в себя все то, что было сказано об информационном описании
технологического перехода. Исключение составляют технологи-
ческие операции сборки и контроля, имеющие много входов
(выходов); они могут быть представлены структурно так, как
это показано на рис. 4.5. Надо помнить, однако, что такую форму
отображения технологической операции желательно использо-
вать тогда, когда коэффициент передачи на каждом последующем
технологическом переходе зависит от изменения коэффициента
передачи предыдущей. Если этой зависимости нет, то струк-
турная модель технологической операции сборки (контроля)
или, скажем, разборки (распределение, разагрегацня) могут быть
представлены так, как это показано иа рис. 3.2, с указанием
коэффициента передачи по каждому входу (выходу).
Дополнительно к описанию технологического перехода при
информационном описании технологической операции указы-
вается следующее:
описание ресурсов, накапливаемых из операции в виде стра-
ховых запасов или незавершенного производства, а также при-
чины их образования (технологические или организационные),
принципы расхода и пополнения (в соответствии со структурными
моделями технологических операций и регуляторов к инм);
виды отходов (возвратные и безвозвратные), и если известны
их параметры, то это тоже указывается (может стать, что кон-
троль за отходами окажется эффективным методом контроля за
качеством технологической операции);
подробное описание информационных связей технологической
операции с собственными системами управления;
способы управления технологической операцией (ручное уп-
равление, регуляторы, микропроцессорные системы, управляю-
щие машины), нх характеристики;
перечень входных установок на системы управления техно-
логической операции;
55
описание входных и выходных потоков информации на техно-
логической операции, как связанных непосредственно с управле-
нием технологическим процессом, так и с организацией его функ-
ционирования;
объемно-временные характеристики информационных потоков;
способы представления и получения информации (по техни-
ческим каналам, на магнитных или бумажных носителях;
адреса источников и приемников информации.
Информационное описание технологического процесса де-
лается, как правило, в блочном разрезе, где в качестве блоков
могут выступать основные технологические операции, а также
группы объединенных технологических операций, если среди
них нет таких, которые представляют особый интерес при иссле-
довании технологического процесса или при автоматизации уп-
равления им. Разделить технологический процесс на блоки можно
разными способами. Наиболее часто — по технологическому обо-
рудованию или его группам, представляющим так называемые
технологические участки (модули), на которых совершается
определенный законченный комплекс (совокупность) техноло-
гических операций, начиная с контроля предметов труда и мате-
риалов на входе технологического участка и заканчивая измере-
нием входных параметров предметов труда, прошедших обработку.
Основное внимание при построении информационной модели
технологического процесса надо уделять описанию взаимосвязи
технологических операций на технологическом процессе и, в част-
ности, выявлению возникающих изменений в параметрах пред-
мета труда по ходу технологического процесса из-за косвенного
влияния технологических процессов на параметры изделий,
формирование которых было завершено на предшествующих
технологических операциях. Эти данные представляют собой
вектор А [см. формулу (1.1)1 для технологического процесса
в целом. По этим данным так же, как для технологического пере-
хода и технологической операции, строится граф взаимосвязи
изменения параметров предмета труда по мере движения их
в технологическом процессе.
В управлении исследуемым технологическим процессом может
существовать система технологических регуляторов, связанных
между собой. В этом случае описываются их взаимосвязи, законы
регулирования, порядок изменения уставок. Если взаимосвя-
занное управление технологическими операциями осуществляется
вручную, то указываются способы получения информации и
методы регулирования процесса, параметры предметов труда,
материалов и комплектующих изделий, а также значения техно-
логических операторов, при которых в действие вступает система
управления.
При описании технологического процесса может выделяться
группа технологических операций, в основном определяющих
качество готовой продукции с целью ввести на этих операциях
56
контрольные экспресс-партии, необходимые для определения
настроенности операций перед запуском изделий в производство.
Контрольные экспресс-партии могут проводиться по определяю-
щим технологическим операциям и во время функционирования
технологического процесса в целом для его оперативной под-
стройки.
При составлении информационного описания технологического
процесса надо уделять большое внимание органнзацнн его работы
и, в частности, описанию системы управления организационными
процессами. Особое значение при этом придается системам опера-
тивной отчетности и оперативного планирования. Описание
системы организационного управления можно либо заимствовать
из соответствующих проектных документов по АСУП нлн АСУ
цехом, если такие системы функционируют на производстве,
либо составлять по описанию соответствующих неавтоматизиро-
ванных систем управления организационными процессами. Осо-
бое внимание надо уделить наличию в действующих организа-
ционных системах управления связей принимаемых организа-
ционных решений с параметрами технологического процесса,
параметрами входных материалов и комплектующих изделий,
контролируемыми параметрами предметов труда.
Таким образом, завершив построение информационного опи-
сания технологического процесса, исследователь будет распо-
лагать информационными моделями трех различных уровней
описания с детальными характеристиками всех входящих в него
элементов н систем управления: технологических н организа-
ционных. Полезность информационных моделей будет тем больше,
чем меньше в них пропущено сведений, казавшихся при обсле-
довании несущественными нлн второстепенными
3.2. АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ УПРАВЛЕНИЯ
Информационное описание технологического объекта управ-
ления позволяет получить определенные оценки качества техно-
логической операции н технологического процесса с позиций
совершенствования управления ими. К ним относятся оценка
точности и настроенности технологических операций, установ-
ление взаимосвязи параметров изделий по ходу технологического
процесса, определение ключевых технологических операций, наи-
более влияющих на весь технологический процесс, определение
управляемости отдельных технологических операций и техноло-
гического процесса в целом.
Анализ качества технологического процесса по изменению
доли (%) выхода годных. Одним нз относительно простых методов
исследования качества технологических процессов в целом яв-
ляется анализ доли выхода годных по всему технологическому
процессу.
57
Рис. 3.3. Изменение доли
(%) выход» годных но тех-
нологическому процессу:
/ — диффузия; И — фотолито-
графия*. Ill — вплавлевве
элевтродов, резка пластай иа
блоки арматуры; IV — сборка
блока арматуры на ножке; И —
проверка электрических харак-
теристик; V/ — настройка:
VII — классификация
Исследование техно-
логического процесса
позволяет построить гра-
фик изменения выхода
годной продукции по
данным тех контроль-
ных операций, которые имеются на технологическом процессе.
Понятно, что если контрольные операции следуют через не-
которое число других операций, то свойства технологических
процессов по таким данным можно изучать только для всей
группы в целом. Наличие контрольных операций можно ис-
пользовать для разбиения технологического процесса на блоки.
На рис. 3.3 приведен график изменения доли (%) выхода
годных для технологического процесса изготовления одного из
типов транзисторов, (мезопланарных), технология производства
которого изображена иа рис. 3.4.
Из рис. 3.3 следует, что график изменения доли выхода год-
ных охватывает лишь часть технологического процесса, который
имеет семь крупных блоков технологических операций, причем
пять из них являются непосредственно операциями изготовле-
ния прибора, и две автономные технологические операции, на
которых обеспечивается выполнение контрольных функций —
это операции контроля вольтамперных характеристик смонти-
рованных арматур и классификации изготовленных транзисто-
ров. Понятно, что кроме этих контрольных операций каждая
группа имеет свои контрольные операции, на основании данных
которых и определены доли выхода годных. Однако особенность
V н VII контрольных операций состоит в том, что они контроли-
руют параметры изделий, формирующихся из многих предше-
Рис. 3,4. Укрупненная блок-схема
технологического процесса производ-
ства одного иа типов транзистора:
I — резка слитка ва пластина; 2 — шля-
фоваяие оластвв; 3 — травление пластан;
4 — диффузия; S — фотолитография: в —
вплавлевве электродов; 7 — резка пластин
на блоки арматур; 8 — лряплавлевие бло-
ка арматур к ножке; 9 — настройка эмит-
тера: 10 — настройка базы; II — навесе-
ине защитного покрытия: 12 — монтаж
в корпусе; 13 — герметизация; 14 — ок-
раска; IS — испытания
58
ствующих технологических операций, а также зависящих от
качества материалов, используемых в технологическом про-
цессе.
Анализ технологического процесса показывает, что наимень-
шая доля выхода годных приходится на технологические опера-
ции фотолитографии (П), вплавлення электродов н резки пла-
стины на блоки арматур (III). Казалось бы, в качестве техноло-
гической операции с относительно малой долей выхода годных
должна быть указана н V операция. Но эта операция — кон-
трольная, она определяет качество изделия, зависящее от пред-
шествующих технологических операций, и причину такой от-
носительно большой отбраковки изделий надо искать не в ней.
Такне потерн продукции нельзя отнести н к операции, пред-
шествующей контрольной, а именно к операции VI (монтажу
арматуры на ножке), так как на ней предусмотрен собственный
контроль. Сказанное оказывается справедливым н для контроль-
ной операции VII — классификации, так как ее результаты
определяются всем предшествующим технологическим процессом.
Таким образом, анализ технологического процесса по выходу
годных с технологических операций производства данного типа
транзистора указывает на следующие группы технологических
операций, существенно влияющие на долю выхода годных тран-
зисторов — это группа операций I—IV.
Анализ качества технологического процесса по изменению ха-
рактера распределения контролируемых параметров. Если техноло-
гическое н измерительное оборудование позволяет при необходимо-
сти контролировать изменение определенных параметров по ходу
технологического процесса, то представляется возможным, анали-
зируя изменение характера распределения контролируемого пара-
метра, установить технологические операции, на которых необ-
ходимо ввести дополнительный контроль и управление. Так как
в реальном технологическом процессе не каждая технологичес-
кая операция сопровождается контрольной (даже если это прин-
ципиально возможно), то отклонение характера распределения
от установленного, выявленное в процессе контроля, может быть
следствием отклонений, возникших в технологическом процессе
на предыдущих операциях. Определение качества технологи-
ческого процесса с выявлением технологической операции, при-
водящей к искажению установленного характера распределения
контролируемого параметра, ведется от контрольной операции,
где установлено это отклонение, по направлению к началу тех-
нологического процесса. При проведении этих исследований
может оказаться, что в проверяемой технологической цепочке
будут встречаться технологические операции, априори не влияю-
щие иа изменение контролируемого параметра (например, опера-
ции промежуточного хранения полуфабрикатов), тем не менее
их не следует оставлять без внимания, так как может оказаться,
что именно в этих местах из-за различных неконтролируемых
59
нарушений выполнения технологических операций или воздей-
ствия на изделие неучтенных неконтролируемых факторов как
раз н возникают ненормальные отклонения контролируемых
параметров. Рассмотрим порядок анализа качества технологи-
ческого процесса по изменению характера распределения контро-
лируемого параметра на конкретном примере технологии произ-
водства полупроводниковых приборов.
По данным, полученным на участке технологических операций
изготовления полупроводниковых пластин (см. рис. 3.4), была
построена гистограмма плоскопараллельностн полупроводнико-
вых пластин после травления (рис. 3.5, а). При изучении гисто-
граммы обращено внимание на наличие пластин с достаточно
большой неплоскопараллельностью (от 9 до 13 мкм). Была по-
строена также гистограмма плоскопараллельностн пластин на
предшествующей технологической операции (рис. 3.5, б). На ней
видно, что тенденция снижения неплоскопараллельностн в левой
стороне гистограммы нарушается н (по сопоставлению с гисто-
граммой после травления) следует полагать, что причина доста-
точно большой неплоскопараллельностн пластин после травле-
ния лежит либо в некачественности выполнения шлифования,
либо предшествующей ему технологической операции. Выпол-
ненные измерения неплоскопараллельностн пластин (рис. 3.5, в)
показывают, что на гистограмме имеется сильный правосторон-
ний подъем, связанный с плохой регулировкой станка для резки
слитка на пластины, откуда следует, что при автоматизации
управления технологическим процессом резки пластин жела-
тельно иметь после операции резки кристалла на пластины кон-
трольную операцию плоскопараллельностн пластин.
Выборки, сделанные на трех указанных выше операциях,
позволяют сделать вывод о настроенности технологических опе-
60
раций и точности технологического процесса. Настроенность
технологического процесса определяется по средней х. Для опе-
рации резки настроенность определяется хр = 33 мкм, для опе-
рации шлифования хт = 7 мкм и для операции травления хт =
= 5,7 мкм. Из этих данных следует, что настроенность операции
резки существенно смещена в правую сторону и более чем в пять
раз превышает хт (последующая настройка станка для резки плас-
тин существенно снизит Jcp н, следовательно, повысит произво-
дительность труда на участке изготовления пластин, так как
длительность операций шлифования и травления существенно
зависит от соотношения значений хр, хш и хт).
По данным, полученным на участке изготовления пластин,
можно оценить точность технологических операций, входящих
в технологический процесс, н изменение точности технологичес-
кого процесса по мере движения пластины по технологическим
операциям. 6 качестве оценки точности технологического про-
цесса используется дисперсия выборки. По полученным данным
рассчитана дисперсия для операций резки, шлифования и трав-
ления: ор = 25, ош = 4,4 и от = 3,6. Таким образом, точность
технологического процесса возрастает по мере движения пластин
от начала процесса к его концу. На операцию диффузии, следую-
щую по технологическому процессу, пластины поступают с от-
носительно большой неплоскопараллельностью, хотя и в преде-
лах технических норм.
Анализ качества технологических процессов по основным
статистическим параметрам. При проведении информационного
обследования вероятностных технологических процессов могут
быть либо построены по полученным данным, либо получены
в действующей системе управления статистические характери-
стики контролируемых технологических процессов (так называе-
мые статистические характеристики генеральной совокупности
Понятно, что они отражают некоторые интегральные характе-
ристики технологического процесса в прошлом. Возникает вопрос,
что же представляет собой исследуемый технологический процесс:
установился ли он, имеет тенденцию к ухудшению или улучше-
нию? На этот вопрос может ответить статистический анализ
информации, полученной с технологического процесса, так назы-
ваемые статистические выборки [471.
Выборки могут быть взяты на технологическом процессе по
истечении времени, за которое набиралась генеральная сово-
купность (для ориентира укажем, что размер выборки должен
быть получен на базе измерения параметров 25—50 изделий,
размер генеральной совокупности должен быть больше выборки
в 8—10 раз). Для оценки качества технологического процесса
берутся несколько последовательных выборок через оговорен-
ный интервал времени, в качестве которого можно использовать
интервал, кратный длительности исследуемого технологического
процесса.
61
D'o
V
Рис. 3.6. Распределение параметра р на операции диффузии:
К.ГТ — контрольная гравнца теоретическая; КГП — контрольная граница практиче-
ская; р/с — плотность распределения (р <— частость, р = ntl^)’ е — размер интервала;
—----— эмпирическая кривая; — — — — теоретическая кривая
Чтобы оценить качество технологического процесса, можно
использовать как изменения среднего значения контролируемого
параметра в выборке хв по отношению к средней х генеральной
совокупности (для оценки настроенности технологического про-
цесса), так и изменения дисперсии выборки ая по отношению
к дисперсии генеральной совокупности (для оценки точности
технологического процесса). Кроме указанных можно исполь-
зовать н другие статистические характеристики, в том числе
производные от указанных. 6 качестве производной часто ис-
пользуется коэффициент точности, определяемый отношением
р> = 6а/б,
где 6 — практическое значение зоны рассеивания.
Методику определения оценки состояния технологического
процесса по результатам анализа основных статистических пара-
метров рассмотрим на примере оценки процесса диффузии. В ка-
честве контролируемого параметра выберем значение поверх-
ностного сопротивления полупроводниковой пластины р (рис. 3.6).
При исследовании технологической операции диффузии были
взяты три случайные выборки, обработка информации о которых
дала результаты, приведенные в табл. 3.1.
При расчете коэффициента точности технологического про-
цесса р зона рассеяния б = 2,64« 10~30м-см (верхняя контроль-
ная граница).
62
। Данные всех трех вы-
I борок показывают, что точ-
ность технологического
процесса по данный вы-
борок достаточно высока:
коэффициент точности ц <
< 1 (плохая точность тех-
нологического процесса
при р > 1), ах и о суще-
ственно лучше таковых для
генеральной совокупности.
Казалось бы, что не
должно быть особенного
беспокойства при исследо-
Таблица 3.1. Результаты обработки
параметра р полупроводниковых нластин
Параметр Номер партии Гене- ральная сово* куп- вость
1 2 3
(У, 10-е Ом’-см’ 0,213 0,0958 0,185 0,394
10“’ Ом-см 1,73 1,29 1,97 2,125
I0-3 Ом-см 0,484 0,218 0,420 —
ваинн этого технологического процесса: он достаточно каче-
ствен. Однако можно обратить внимание, что уже только в трех
выборках разброс о превышает 2 раза (а по сравнению с ге-
неральной совокупностью это число возрастает до 4 и более
раз), тогда как уменьшение среднего значения сопротивления р
в выборке составляет всего 1,5 раза, а по отношению к гене-
ральной совокупности — 1,7 раза.
Можно продолжить поиск другого параметра для контроля
результатов процесса диффузии, который был бы более чувстви-
телен к изменению режима процесса.
В качестве такого параметра можно использовать глубину
диффузии.
На рис. 3.7 приведен график изменения глубины диффузион-
ного слоя по девяти партиям пластин одного н того же слитка.
Как следует из графика, размах колебаний составляет два раза,
что больше, чем размах колебаний среднего значения р. Поэтому
для контроля процесса можно использовать этот параметр. Сле-
дует помнить, однако* что при выборе параметров контроля
хода технологического процесса необходимо учитывать доступ-
ность автоматизации нх измерения. В данном случае измерение
параметра оказывается более
Рис. 3.7, График глубины диффузной-
кого слоя
доступным автоматизации, чем и
определяется использование его
для контроля диффузии.
3.3. АНАЛИЗ УПРАВЛЯЕМОСТИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
УПРАВЛЕНИЯ
Несмотря на то, что при ин-
формационном обследовании не-
возможно получить исчерпываю-
щую информацию о технологи-
ческом процессе (она постоянно
63
дополняется на этапах технического и рабочего проектироза.
иия), тем не менее практически всегда можно сделать ряд по-
лезных заключений об управляемости исследуемого технологи-
ческого процесса.
По данным информационного обследования технологического
процесса обычно можно сделать следующие заключения: о соот-
ветствии рабочей области технологического процесса заданным
контрольным границам; о возможности управления номенкла-
турным распределением выпускаемой продукции за счет изме-
нения технологических факторов в пределах, допускаемых тех-
нологическим процессом; о некоторых технологических факторах,
которые можно использовать в дальнейшем в качестве управ-
ляющих.
Определение соответствия рабочей области технологического
процесса контрольным границам. На контролируемые параметры
материалов, полуфабрикатов и изделий могут быть установлены
контрольные границы, при выходе за которые состояние техно-
логического процесса считается аварийным, т. е. требующим
немедленного вмешательства или даже остановки процесса.
Контрольные границы на контролируемые показатели можно
устанавливать как экспериментально, так й исходя из опреде-
ленных теоретических соображений. Если ограничиваются мини-
мальные или максимальные значения параметра, то устанавли-
вается одна граница, если ограничивается диапазон изменения
контролируемой величины, то две границы. Анализ управляе-
мости технологического процесса по контрольным границам
заключается в установлении реального положения рабочей об-
ласти технологического процесса относительно контрольных гра-
ниц и определении достаточности или недостаточности «запаса»
в изменении контролируемых показателей.
Как известно, контролируемые границы устанавливаются
исходя из определенной достигнутой доли (%) выхода годных.
Если требуемая доля выхода годных определена, то можно найти
и допуск на контролируемые выходные параметры изделий,
а найдя их — сравнить с реальной долей выхода годных.
Для нормального закона, распределения выход годных р
равен
Р = 1 — 1/аа,
откуда
а = У1/(1-₽).
Зная значение а по статистическим таблицам (см. например,
[23, 24, 681), можно найти коэффициент Р, с помощью которого
могут быть определены допуски на отклонения контролируемого
параметра от среднего значения этого параметра для генеральной
совокупности: в ~ ро. Так, если допускается выход годных 70%
(т. е. 0,7), то коэффициент в, определяющий границы годных из-
делий, будет г = 1,03, а сами границы определяются форму-
64
лой е = ±1,03оп, где оп— стандартное отклонение для гене-
ральной совокупности.
Таким образом, при управлении технологической операцией
или технологическим процессом при выходе контролируемого
параметра за эти границы процесс следует считать расстроенным.
Для рассмотренного процесса диффузии при среднем значе-
нии =2,125.10-« Ом-см, а = 0,394* 10"80м-см и нормальном
законе распределения установлена доля выхода годных 0,7 (0 =
= 1,03), тогда контрольные границы будут определяться форму-
лой х8,в = х ± 1,03о, где хв,в— верхняя и инжняя контроль-
ные границы. В данном случае хв,н = (2,125.10-8± 0,406 х
X 10"®) Ом*см.
Для реального технологического процесса установлена лишь
верхняя контрольная граница (КГП) для р 2,75 Ом*см, что
выше фактически установленной границы (КГТ) для р >
2,531 Ом'См. Отсюда следует, во-первых, что на процессе
диффузии установлена только верхняя контрольная граница н
это обеспечивает выход годных уже равным или большим 85%
(распределение симметричное и снятие любой границы нз двух
дает увеличение площади распределения на 15%; 30%—для
обеих границ). Во-вторых, так как установленная контрольная
граница выше теоретической для 15% выхода годных, то сле-
дует, что запланированный выход годных на операции более
85% и для технологического процесса установлены достаточно
жесткие рамки, хотя и существенно меньшие, чем реальный
выход годных (5—10% — см. рис. 3.6).
Описанный выше метод установления контрольных границ
для нормальных распределений применим и для несимметричных
распределений, если онн существенно не отличаются от нормаль-
ного. Для того чтобы установить факт существенности или несу-
щественности отличия характера исследуемого распределения
от нормального, рассчитывают нормированные центральные мо-
менты и с их помощью оценивают симметрию и эксцесс (за-
остренность или уплощенность) распределения По соответствующим
статическим таблицам устанавливают существенность отличия ис-
следуемого закона распределения от нормального [23, 24, 68].
Кроме стандартных распределений типа нормального, биноми-
нального (см., например, рнс. 3.6) н других, в вероятностных
технологических процессах часто встречаются асимметричные
распределения (см., например, рис. 3.8). В ряде случаев (в том
числе — в последнем) асимметричные распределения могут быть
приведены к нормальному подбором некоторой функции от слу-
чайной величины (например, случайная величина х заменяется
преобразующей функцией 1g х). Плотность такого распределения
f (х) = Mi (ха ]/2я) exp [— (1g х—1g х0)/2о“,
где 1g х = у, 1g х0 = х0; М — коэффициент перехода от нату-
ральных логарифмов к десятичным, М = 0.4343.
3 В. М. Вальков 65
Преобразовав все значения х в у, группируют ряд по интер-
валам по у и рассчитывают у и D|g
KJ'H. КГВ — яижяяя я верхняя контроль-
ные границы (расчетные для 70% выхода год-
ных); р/с — плотность распределения
где С — константа.
После того как распределение приведено к логарифмически
нормальному, технологический процесс коитролйруется анало-
гично технологическому процессу; имеющему нормальное рас-
пределение контролируемого параметра путем сравнения.*#,
D\t, Qig выборок и генеральной, совокупности.
Контрольные границы.для преобразованного распределения
определяют исходя из заданного выхода годных так же, как это
было показано выше. Экспериментально установленные границы
сравнивают с теоретическими в системе преобразованных коор-
динат, т. е. экспериментальные граничные значения для кон-
тролируемых переменных пересчитывают так же, как и осталь-
ные данные с использованием уже установленной функции
преобразования. Такой функцией преобразования для распре-
деления, приведенного * на
рис. 3.8, является функция
у = lg (а —х) — 1g (х — Ь),
где х — исходное значение
переменной; у — преобразо-
ванное значение переменной;
а, b — константы (в данном
случае а — 1, b = 0,8).
Для использования ре-
зультатов аналнза(вапример,
расчетных значений контроль-
ных границ в управлении
технологическим процессом)
необходим обратный пересчет
полученных значений в ис-
ходные.
Определение возможности
управления номенклатурным
распределением выпускаемой
продукции. Для вероятност-
ных технологических процес-
сов характерны не только от-
66
носительно небольшой выход годных, но и достаточно большой диа-
пазон изменения выходных параметров изделий. Последнее приво-
дит к необходимое! и классифицировать изделия по группам. Для
стабильного технологического процесса распределение годных из-
делий по группам (%) сохраняйся на относительно длительном
отрезке времени функционирования технологического процесса.
При исследовании технологического процесса может быть
поставлен вопрос о возможности (или невозможности) управления
номенклатурным распределением годных изделий по группам
в связи с тем, что, во-первых, изделия более высоких квалифи-
кационных групп имеют, как правило, ббльшую потребительную
стоимость и потому желательно иметь больший нх выход (%) и,
во-вторых, заказчика может интересовать в разное время разное
распределение изделий по группам (например, в связи со сдви-
гами в структуре номенклатуры выпускаемых изделий). Таким
образом, возникает вопрос о том, можно лн в исследуемом тех-
нологическом процессе целенаправленно изменять распределе-
ние годных изделий по группам. Для этих целей необходимо
исследовать границы классификационных показателей и уста-
новить непротиворечивость требований к нх изменению реаль-
ному технологическому процессу. Последнее достигается иссле-
дованием корреляционных зависимостей между классификацион-
ными параметрами из-
делий.
Порядок определе-
ния возможности управ-
ления номенклатурным
распределением изделий
рассмотрим на примере
исследования принци-
пиальной возможности
повышения доли (%) вы-
хода высшей классифи-
кационной группы 6 од-
ного из типов транзи-
сторов. На рнс. 3.9 по-
казаны границы квали-
фикационных групп рас-
пределения транзисто-
ров по параметрам «0 и
7?ОСК. Приборы группы
6, пользующиеся у по-
1 ребителей большим
опросом, имеют доста-
точно большие значения
коэффициента передачи
По току сс0 и относитель-
но небольшую постояи-
102030405060706050100 OgC^te
Рис. 3.9. Распределение приборов по группам А,
Б. В (р — частость): а — распределение по а,;
б — распределение по
.3*
67
0,96
w
40 60 f20 RffC^nc
0,98
094
40
OtCK,nc
Рис. 3.10. Корреляционное
поле распределения параме-
тров а, по /?бСя
Рис. 3.11. Трансформи-
рованное корреляцион-
ное . поле с построенной
корреляционной зависи-
мостью Oq ио #бСя
ную времени RqCk. Возникает вопрос: если, предположим, удастся
настроить технологический процесс так, чтобы увеличилось
число приборов, попадающих в группу В по параметру сс0, не
приведет ли это автоматически к эквивалентному росту числа
приборов, не попадающих в группу В в связи с увеличением
£бСк? Значит, надо ответить на вопрос: какова реальная связь
в данном технологическом процессе между параметрами а0
и RqCk.
На рис. 3.10 приведено корреляционное поле распределения
параметров сц и ₽вСк для партии транзисторов, а на рнс. 3.11—
трансформированное корреляционное поле с построенной кор-
реляционной зависимостью сс0 и RqCk. Из нее следует, что инте-
ресующая нас зависимость положительна, т. е. в принципе рост сц
должен вести к росту £бСк. Однако для установленной группам Б
и В верхней классификационной границы ₽вСк — 40 нс можно
увеличить верхнюю классификационную границу по а9 = 0,992,
что выше установленной классификационной границы для группы
В а0 = 0,991. Таким образом, на данном технологическом про-
цессе возможно некоторое увеличение выпуска транзистора
группы В за счет смещения центра распределения транзисторов
по сс0 в сторону больших значений сц.
Определение управляющих факторов по математическим моде-
лям технологических процессов. В случае, если известны аналити-
ческие или экспериментально определенные зависимости пара-
метров изделий от технологических факторов, то, исследуя их,
можно определить наиболее эффективные управляющие техно-
логические операторы.
Пусть интересующий нас показатель (параметр) является
функцией многих переменных yt = f (хъ ..., xt). Изменение
любого аргумента ведет к изменению величины &yt = f (Xi 4-
-I- Дхх; xt + Дха; ...; x} 4- Дх^) — f (xu xit ..., Xj).
68
Переходя к производным и полагая, что членами, содержа-
щими Дх( второго и более порядка, можно пренебречь, получаем
= <31’
Для того чтобы можно было сравнить влияние различных
технологических операторов на контролируемый технологичес-
кий фактор, удобно перейти к безразмерной оценке
ЬуМ) = S Фу^дх,} (Xflyt) (Дх;/х,). (3.2)
Выражение (3.1) дает максимальное изменение функции
от изменения отдельных технологических операторов х}.
Обычно функции у — функции вида
» = (3.3)
С учетом выражения (3.3) уравнение (3.2) можно записать
в виде
dyt!y = S 1(йу1/дг„)(гр/у|)) [(дгр1дх,) (x,/z„)J (txxjx,). (3.4)
/”1
Формулы (3.2) н (3.4) определяют влияние отдельных техно-
логических операторов на контролируемый показатель, а также
значимость вклада изменения данного технологического опера-
тора в изменение контролируемого, и поэтому они могут быть
названы коэффициентами значимости.
Покажем процесс вычисления коэффициента значимости для
Коэффициента Ng, определяющего влияние поверхностной
концентрации иа толщину пассивной базы ш.
Для данного процесса днффузни имеем исходное уравнение
N. - Ne erfc [w/(2 V~D^)], (3.5)
где Ng — поверхностная концентрация; tan — время диффузии.
В формулу (3.5) температура диффузии Та» входит в неяв-
ном виде
Dn == Dn (Твл).
Чтобы определить dw/dNe, введем в уравнение (3.5) обозна-
чения 2 = w/(2VDnian), запишем = Na/erfc г. Отсюда после
дифференцирования и преобразования получаем
дг/дИе = (Игё/2) (Nt/Nl) е'.
Учитывая, что Дг/z = Дш/ш, найдем коэффициент значимости
влияния поверхностной концентрации на толщину пассивной
базы
b». Ng = (dz/dNg) (Ng/z) - (У~пЫае’*)/(2Ыег). (3.6)
6Q
Можно определить и другие коэффициенты значимости для
технологических операторов процесса диффузии. Исследуя их
совокупность, можно ранжировать технологические операторы
по степени их влияния на технологический процесс диффузии,
а именно на толщину пассивной базы. Кроме того, выражения
вида (3.6) могут быть использованы непосредственно для управ-
ления технологическим процессом.
3.4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СТРУКТУРЫ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
С ЦЕЛЬЮ ПОВЫСИТЬ ИХ УПРАВЛЯЕМОСТЬ И КАЧЕСТВО
В соответствии со свойствами технологических операций фор-
мируемые из них технологические процессы в большей или мень-
шей степени отражают эти операции. Особенно это заметно в по-
следовательных технологических цепочках, в которых содержатся
технологические процессы вероятностного характера, приводя-
щие к появлению значительных разбросов выходных параметров
изделий. Учитывая, что не существует и абсолютно детермини-
рованных технологических процессов, при построении любых
технологических процессов достаточной длины крайне важно
уменьшить влияние вероятностных изменений промежуточных
технологических процессов на изменение выходных параметров
изделия.
Введение компенсационных технологических операций. На
рис. 3.12 приведен график ивменення у (/) для технологического
процесса из двух технологических операций, нз которых управ-
ляемая — только вторая.
Управление технологическим процессом в случае, если обе
операции абсолютно детерминярованные, имеет вид
У «1 + Ь) = У (Л) + У = Ау (/0) + Au (4) + Ву + Ви (/,). (3.7)
6 случае, если переменные и и у не связаны между собой
в технологическом процессе (т. е. Au и Ви (Л) не действуют
на У (0). выражение (3.7) можно упростить
У = а1 + ^ = Ау(/<) + ВУ(0.
Реально, однако, действующие операторы А и В отличаются
от планируемых, т. е.
y*a1 + 4) = A*y(/0) + BV(M.
и из-за неточности действующего оператора А разброс выходных
параметров растет не только за счет неточности выдерживания
самих операторов Ан В, ио н за счет того, что объект их воздей-
ствия уже имеет отклонение реальных значений выходных пара-
метров от заданных и возникших иа предшествующих техноло-
гических операциях (на это указывает второй член уравнения).
Полученная в результате действия технологического процесса
70
разность между у (h + 4) — У* (G + у
4- /8) = &у (tt + t9) может оказаться
относительно большой и не удовлетво-
рять производство. Из достаточно
простых соображений можно пока?
зать, что если в технологическом про-
цессе за этими двумя технологиче-
скими операциями ввести третью (ком-
пенсирующую) такую, что
Вк у (У = у (ts) = — &у + У.
то
у 01 + 4 + 4) == у 01 + + by (Л +
+ it)-AffOx+^)=yOi + ^)-
Из сказанного следует, что даже
для абсолютно детерминированных
Рис. 3.12. Изменение контроли-
руемого параметра у по ходу
технологического процесса, со*
стоящего из двух технологиче-
ских операций
технологических процессов при отсут-
ствии по каким-либо причинам управления хотя бы на одной тех-
нологической операции может оказаться желательным введение
в технологический процесс дополнительной компенсирующей (и,
конечно, управляемой) технологической операции. При выборе
такой технологической операции важно, какой знак имеет отклоне-
ние &у (h + /9)* если оно меньше нуля, то в качестве компенси-
рующей операции можно повторно использовать предшествую-
щую технологическую операцию. Если же отклонение больше
нуля, то предшествующую технологическую операцию нельзя
использовать в качестве компенсирующей, так как ее повторе-
ние ведет к еще большему возрастанию Ду. В этом случае в ка-
честве компенсирующей должна быть предложена специально
сконструированная технологическая операция, имеющая опера-
тор Вк, отрицательный по отношению к действию оператора Вг
(т. е. оператор Вк оказывал бы на предмет труда обратное дей-
ствие). Так, если бы оператор Bs представлял собой операцию
осаждения какого-либо материала, то оператор Вк представлял
бы собой операцию травления осажденного материала и т. п.
Таким образом, за управляемой технологической операцией,
результаты действия которой, а также действия находящейся
перед ней частью технологического процесса известны, можно
при необходимости ввести компенсирующую операцию. Струк-
турная схема реального технологического процесса с компен-
сационной технологической* операцией будет иметь вид, пока-
занный на рис. 3.13, а, при наличии же в технологическом про-
цессе как отрицательных, так и положительных отклонений в ка-
честве компенсирующих окажутся необходимыми две технологи-
ческие операции (рис. 3.13, б).
Для чисто вероятностных технологических операций их ре-
зультат является случайной функцией, и выходные параметры
71
Лу^1г)>0
Рис. 3.13. Структурная схема тех*
яологического процесса с компен-
сирующими технологическими опе-
рациями: а — при использовании
иредшествующей технологической
операции в качестве одной из ком-
пенсирующих; б — при использо-
вании доиолнительных технологи*
ческях операций в качестве компен-
сирующих
предмета труда оказываются
распределенными по некото-
рому закону. Поэтому в тех-
нологическом процессе нельзя
достичь полной компенсации
отклонений Ду (tt + /а) при
использовании детерминиро-
ванных технологических операций, хотя и можно увеличить
число изделий, укладывающихся в допуски.
Примером управляемой компенсирующей технологической опе-
рации с Вя = — В8 может быть уже рассмотренная нами в тех-
нологическом процессе изготовления полупроводниковых плас-
тин операция травления (см. рис. 3.3). Как показано на гисто-
граммах рис. 3.5, оиа обеспечивает уменьшение неплоскопарал-
лельиости полупроводниковых пластин, полученных в резуль-
тате резки слитка иа пластины. В свою очередь, операцию шли-
фования пластин можно использовать не только для придания
поверхностям шлифуемых пластин соответствующего качества,
ио и для уменьшения толщины пластины. И тогда ее также можно
рассматривать как компенсационную с Вн = — В>.
В качестве компенсационной технологической операции, ана-
логичной основной (В« = В8), можно рассматривать также,
например, операцию гальванопокрытий. В случае, если толщина
полученного гальванопокрытия оказывается меньше необходи-
мой, то его можно увеличить за счет проведения повторной опе-
рации гальванопокрытия с использованием основного или ана-
логичного ему дополнительного оборудования.
Введение селективных сборочных операций. Повысить эффек-
тивность вероятностных технологических процессов можно, если
ввести в технологический процесс операции типа селективной
сборки. Сущность селективной сборочной операции заключается
в том, что если изделие состоит из некоторого числа взаимосвя-
занных деталей (элементов), а параметры этих элементов рас-
пределены по одинаковым (или близким друг к другу) законам,
то эти элементы можно подобрать так, что параметры готового
изделия будут укладываться в требуемый допуск. Например,
если
у (П «рГ (0 + ^(0,
72
а в свою очередь
S* 0) = Si W + ASi (0;
ss(O = ss(O-Ass(O;
a9iW = As«'0.
то в совокупности
У (9 = Si (0 + Si (0.
и выходные характеристики изделия в точности соответствуют
заданным.
Операция селективной сборки может быть введена в техноло-
гический процесс искусственно, если это, конечно, допускается
характером технологического процесса и свойствами обрабаты-
ваемого предмета труда. Так, одно сопротивление можно заменить
двумя последовательно включенными сопротивлениями, изго-
товленными по одной и той же технологии. Понятно, что, подби-
рая сопротивления по парам, можно добиться меньшего раз-
броса номинала пары, чем при изготовлении одного сопротив-
ления.
В качестве селективных могут выступать и операции подборки
предметов труда в определенные группы для дальнейшего про-
хождения технологического процесса, если все множество пред-
метов труда имеет слишком большие разбросы параметров. Еслй
для каждой такой группы можно установить собственные значе-
ния технологических операторов, повышающих выход годных
изделий, то введение технологической операции селективной
подборки в группы оправданно. В качестве примера можно
назвать подборки полупроводниковых пластин в группы по зна-
чениям поверхностного сопротивления или по глубине диффузий.
Производительность операции селективной сборки опреде-
ляют следующим образом. Пусть даны две группы деталей, из
которых надо собрать изделие. В каждое изделие входят две
детали: одна — из первой группы и вторая — из иторой. Поло-
жим также, что к каждой детали из первой группы может подойти
только одна деталь из второй группы. Число деталей в первой
и во второй группах одинаково. Распределение вероятностей
выбора детали из первой и иторой групп — равномерное по
интервалу значений параметров.
Изделие собирают следующим образом: из первой группы
наугад берут деталь и к ней подбирают деталь из второй группы
таким образом, что у случайно выбранной детали цроверяют
некоторые параметры и, если оии соответствуют по .условиям
сборки параметрам первой детали, то изделие собирается. В про-
тивном случае вторая деталь не возвращается во вторую группу,
а выбирают наугад следующую деталь второй группы, и все опе-
рации повторяются. В случае сборки годного изделия все ранее
извлеченные из второй группы детали и неиспользованные в сборке
73
возвращаются во вторую группу. Функционирование техноло-
гической операции заканчивается, когда каждой детали из пер-
вой группы будет подобрана вторая деталь из второй группы,
т. е. все изделия будут собраны.
Так как вероятность сборки за один шаг обратно пропорцио-
нальна числу изделий второй группы, а вероятность извлечения
любого из них
Pi = 1W, (3.8)
где : число изделий, находящихся в группе, в общем случае
Рп = 1/(JV — (П — 1)],
где N — начальное число изделий во второй группе (в предпо-
ложении по условию, что число деталей в первой группе равно
числу деталей во второй группе jVe); п — число извлеченных из
второй группы деталей.
Формула (3.8) определяет вероятность сборки изделия в пер-
вом цикле на каждом шаге. Видно, что вероятность сборки растет
с ростом числа выбранных деталей.
В зависимости от цикла сборки (сборка первого изделия,
сборка второго изделия и т. д.) вероятность сборки изделия на
каждом шаге каждого цикла имеет вид
1
Р-v - (ЛГ .
где у — порядковый номер цикла (или порядковый номер соби-
раемого изделия).
Полная сборка всех изделий будет произведена за / шагов
I = № — N (N — 1)/2 = N(N + 1)/2. ' (3.9)
Если изделие состоит из нескольких (больше одной) деталей,
подлежащих селективной сборке, то формула (3.9) принимает
вид
I = т IN (N + 1)/2], (3.10)
где т — число деталей, подлежащих подборке для изделия.
Иа формулы (3.10) следует, что число элементарных операций
подбора растет пропорционально числу деталей, требующих
подбора (для равновероятностного характера распределения па-
раметров подбираемых деталей).
Если селективная сборка осуществляется наиболее удачно,
с первого шага, то
I = mN. (3.11)
Формулы (3.10) и (3.11) дают крайние оценки затрат на под-
борку деталей: оптимистическую (3.10) и пессимистическую
(3.11). Средняя из этих двух оценок равна
I = т !V(V + 3)/41. (3.12)
74
Пример. Пусть путем селективной сборки надо собрать 10 изделий из двух
групп деталей, каждаи из которой содержит по 10 деталей. Распределение вероят-
ностей в обеих группах равномерное. Из формул (3.10), (3.11) и (3.12) получим:
55; 10 и 32,5 (~оЗ) шага.
Выше рассматривался случай, когда одной детали из одной
группы соответствует только одн'’ деталь из другой группы.
Если же таких деталей во второй группе несколько, то вероят-
ность селективной сборки изделия иа каждом шаге возрастает
в число раз, равное числу подходящих деталей в группе.
Кроме выполнения селективной сборки по единичным деталям
можно провести их предварительную группировку. Тогда даль-
нейшую сборку можно проводить обычным взятием деталей из
этих групп [93]. Ширина такой группы определяется формулой
So = |/JilM, - ЛДЛ1’,
где Sq — близость сопрягаемых параметров; х — порядковый
номер пары сопрягаемых параметров сборочной единицы; Ah А} —
контролируемые сопрягаемые параметры; k — весовой коэффи-
циент, учитывающий степень важности расхождения сопрягае-
мых параметров.
Указанная формула применяется для двух- и многопарамет-
рических сборок. Метод, получивший название групповой взаи-
мозаменяемости, позволяет существенно сократить затраты на
селективную сборку (по сравнению с индивидуальным подбором
деталей), если, конечно, качество сборочных единиц соответствует
предъявляемым к ним требованиям.
Введение дополнительных отбраковочных операций. Если в
технологическом процессе не принято соответствующих мер по
уменьшению разброса параметров или оии оказываются недоста-
точными, то иа «длинных» технологических процессах могут
находиться изделия, параметры которых заведомо выйдут за
допуски, и их движение по технологическому процессу лишь
«засорит» его и приведет к росту непроизводительных затрат.
Исключить движение по технологическому процессу изделий,
которые выйдут заведомо негодными, можно, если ввести в него
дополнительные отбраковочные операции. Принцип определения
местоположения операции отбраковки в технологическом про-
цессе рассмотрим иа примере технологического процесса, у кото-
рого для каждой технологической операции действие случайных
факторов приводит к распределению параметров по нормальному
закону.
Для аддитивных технологических процессов с нормальным
распределением параметров имеем
i
где о| — дисперсия контролируемого параметра по завершению
75
технологического процесса; о? — дисперсия контролируемого па-
раметра из t-й технологической операции.
Условием необходимости введения отбраковочной операции
является отношение
„2 ^„8
Ох > Опр»
где Одр — предельно допустимое значение дисперсии контроли-
руемого параметра по завершении технологического процесса.
Конкретное положение отбраковочной операции в технологи-
ческом процессе определяется (в зависимости от удобства ее
реализации, наличия контрольно-измерительной аппаратуры) воз-
можностью доступа к местам изделия, в котором должны осущесг-
ляться измерения. Естественно, что надо учитывать экономи-
ческие соображения целесообразности введения и функциониро-
вания отбраковочной операции.
Введение отбраковочной операции в технологический процесс
эквивалентно замене суммы дисперсий предшествующих техно-
логических операций на некоторую новую такую, что
_8 I „8 „8
Ц] “Г ^2 ^-> (Г1.2»
и тогда может оказаться
°х °пр»
(3.13)
что и требовалось получить. Может, однако, оказаться, что
в целом для технологического процесса введения одной отбрако-
вочной операции окажется недостаточным и неравенство (3.13)
удовлетворяться не будет. В таком случае в технологический
процесс надо ввести еще одну или несколько отбраковочных
операций.
Одним из вариантов отбраковочных операций, искусственно
вводимых в технологический процесс производства изделий
электронной техники, являются отбраковочные операции по
внешнему виду. Благодаря им снимаются с технологического
процесса изделия, которые, дойдя до конца технологического
процесса, были бы квалифицированы как брак.
Чтобы определить число контрольных операций, необходимо
учесть такие основные экономические факторы, как затраты иа
создание и функционирование отбраковочных операций. Поэтому
их число в технологическом процессе ограничивается не только
технологическими процессами, ио и допустимой разностью между
убытками, понесенными предприятием в результате обработки
изделий, которые уйдут в брак, и затратами на дополнительные
контрольные операции [54].
Г лава 4
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСУТП
4.1. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Основные положения. Алгоритмизация технологических про-
цессов представляет собой разработку математического описания
поведения системы технологический процесс — АСУТП на не-
скольких уровнях формализации; она является одной из основ-
ных составляющих процесса проектирования АСУТП иа всех
этапах. Автоматизация включает: изучение технологического
процесса и факторов, определяющих его поведение; постановку
задачи автоматизированного управления процессом; разработку
математической модели» алгоритма управления процессом и
программ применительно к конкретной управляющей ЭВМ [50|.
Результаты выполнения указанных работ представляют в виде
технических документов, основными из которых служат: мате-
матическое описание (математическая модель) процесса (объекта)
управления; блок-схема алгоритма управления; алгоритм в об-
щем виде, определяющий последовательность математических
и логических операций решения задачи; машинный алгоритм,
учитывающий особенности конкретной управляющей ЭВМ; про-
граммы на алгоритмическом языке в автокоде или в условных
адресах; рабочие программы в кодах машины с реальными адре-
сами и описание программ.
Для каждого из документов характерна определенная степень
полноты математического описания системы технологический про-
цесс — АСУТП с соответствующим уровнем формализации этого
описания. Назовем комплект всех перечисленных документов
математическим обеспечением АСУТП. В математическом обес-
печении АСУТП отражается математический аспект функциони-
рования системы. Его использование помогает разработчикам
создавать и эффективно эксплуатировать систему.
Трудоемкость и минимальные сроки создания математического
описания, а следовательно, и создание системы в целом главным
образом зависят от степени разработки методов прикладной
математики применительно к управлению технологическими про-
цессами, а также развитости программного обеспечения управ-
ляющих ЭВМ, на базе которых строятся АСУТП.
Введем термин «математическое обеспечение проектирования
АСУТП», включив в него все методы, приемы, стандартные алго-
ритмы, облегчающие и ускоряющие проектирование АСУТП:
методы исследования поведения технологических процессов и
построения математических моделей; приемы структурной теории
алгоритмов; программное обеспечение для автоматизации про-
77
граммировання; стандартное программное обеспечение, исполь-
зуемое как составная часть программ управления.
Типы и математический аппарат алгоритмов управления.
В составе математического обеспечения АСУТП большое место
занимают алгоритмы и программы, связанные с непосредствен-
ным управлением объектом. Используемый при этом математи-
ческий аппарат существенно зависит от класса АСУТП. Для
систем логико-программного управления он в основном ограни-
чивается логико-арифметическими и алгебраическими операциями;
в системах оптимального управления технологическими процес-
сами и комплексных системах управления используется практи-
чески весь аппарат прикладной математики.
Среди алгоритмов первичной обработки информации, полу-
чаемой с датчиков технологического процесса, как типовую часть
следует выделить алгоритмы реализации программных фильт-
ров. Средн иих наиболее распространены статистические про-
граммные фильтры для линейно статических и динамических
объектов с гауссовским шумом.
Благодаря наличию алгоритмов блока анализатора входа
в системе управления осуществляется статистический анализ
стационарной и нестационарных частей сигнала. При этом ис-
пользуются в основном методы корреляционного анализа.
В алгоритмах реализации модели пропесса, как правило,
выделяются программные блоки реализации отдельно детерми-
нированной и стохастической частей модели. При построении
математических моделей используются основные разделы при-
кладной математики, причем наиболее широко — корреляционный
и регрессионный анализ и методы математического планирования
эксперимента.
На основании результатов реализации алгоритмов блока
перспективы в системе управления формируется план управления
технологическим процессом. Алгоритмы блока перспективы под-
разделяются на две группы: алгоритмы, иа основании которых
вырабатывается прогноз поведения управляемого объекта; алго-
ритмы, реализующие оптимальный регламент ведения процесса
управления.
Основным результатом реализации алгоритмов оценки со-
стояния системы технологический процесс — АСУТП является
определение совместимости прогнозируемого состояния техно-
логического процесса и оптимального регламента его ведения.
Математический аппарат, иа котором базируются алгоритмы
получения обобщенной оценки состояния системы технологи-
ческий процесс — АСУТП, как правило, ограничивается логико-
арифметическими операциями.
Алгоритмы выработки управляющих воздействий обеспечи-
вают формирование процесса оптимального управления, выра-
ботку управляющих команд, преобразование их в сигналы уп-
равления и выдачу их в определенной времеинбй последователь-
78
кости. Математический аппарат, на котором базируются алго-
ритмы выработки управляющих воздействий, может включать
в себя методы динамического’программирования и вариационного
исчисления или ограничиваться логико-арифметическими опе-
рациями.
Алгоритмы блока самообучения предназначены для ведения
программы эксперимента, анализа полученных результатов и
определения соответствующих параметров математической мо-
дели технологического процесса. Для реализации алгоритмов
ведения эксперимента применяются логико-арифметические опе-
рации; для алгоритмов анализа результатов эксперимента —
корреляционный анализ, математический аппарат методов оценки
состояния (методы наименьших квадратов, максимального прав-
доподобия и др.); для алгоритмов коррекции модели процесса—
логико-арифметические операции.
В связи с тем, что основой для построения алгоритмов раз-
личных блоков могут служить одни и те же математические ме-
тоды, при дальнейшем изложении материала ойи объединены
в две группы:' методы построения математических моделей тех-
нологических процессов; методы оценки и оптимизации состоя-
ния объекта управления.
4.2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Построение математических моделей технологических процес-
сов. Методы построения математических моделей весьма разно-
образны: от использования физических закономерностей проте-
кания технологических процессов, экспертно модифицирован-
ных с помощью эмпирических оценок, до универсальных методов
группового учета аргументов (МГУА), полностью ориентиро-
ванных иа использование опытных данных ио технологическому
процессу и применение ЭВМ как интеллектуального инстру-
мента.
В настоящее время большинство математических моделей дей-
ствующих АСУТП построено с помощью методов, лежащих
между этими двумя границами. Оии характеризуются тем, что
структуру математической модели определяет исследователь,
а коэффициенты модели находят методами корреляционного н
регрессионного анализа, математического эксперимента, теории
чувствительности. 'Для этой же цели могут быть использованы
и алгоритмы МГУА. Причинно-следственные связи в новых мо-
делях отображаются в виде полиномов различной степени слож-
ности и не могут быть изменены без вмешательства проектиров-
щика. Использование МГУА позволяет при необходимости пере-
дать ЭВМ и функций автоматического определения вида и струк-
туры математйческой модели. Значимость технологических опера-
торов в математических моделях определяется либо непосредст-
79
веиио из самой модели (разумеется, при определенных коэффи-
циентах), либо экспертно, методами ранжирования по результатам
обследования технологического процесса, или априорно. Для
относительно простых объектов управления математическая мо-
дель технологического процесса реализуется косвенно, в выборе
соответствующего закона управления (регулирования). Коэф-
фициенты настройки такой системы управления отображают и
характеристики объекта управления, и характеристики системы
управления. Область их нахождения обычно определяется теоре-
тически исходя из известных динамических характеристик объекта
и системы управления и уточняется в процессе ввода АСУТП
в эксплуатацию и при самой эксплуатации.
Анализ хода (состояния) технологического процесса» Кроме
распространенных оценок, выполняемых определением разности
или отношений заданных и достигнутых показателей, могут быть
использованы оценки, полученные методами наименьших квад-
ратов и его разновидностями (интегральные и дифференциальные
оценки) максимального правдоподобия (в качестве интеграль-
ной оценки для объектов вероятностного характера, для сильно
зашумленных объектов). Для оценки состояния вероятностных
процессов, в основном с целью прогнозировать будущее состоя-
ние, можно использовать бейесовые оценки.
Оптимизация технологических процессов. Полученные различ-
ными методами математические модели предназначены для опти-
мизации технологических процессов. Они могут осуществляться
с помощью хорошо известных методов: вариационного исчисле-
ния и динамического программирования (для управления объ-
ектами со сложными динамическими характеристиками), линей-
ного программирования и различных градиентных методов (для
технологических процессов с большими постоянными времени).
Комплекс алгоритмов МГУА реализует задачи оптимизации
в широком спектре критериев МГУА. В системах управления,
использующих стандартные задачи управления, для определения
коэффициентов оптимальной настройки в процессе ввода АСУТП
и ее эксплуатации применяются различные адаптационные ал-
горитмы.
Анализ технологических процессов показывает, что выходная
переменная имеет сложную зависимость от параметров и вре-
мени [711. При этом детерминированные факторы определяют
значение и характер изменения математического ожидания вы-
ходной переменной, тогда как неуправляемые и неконтролируе-
мые факторы — значения и характер случайных отклонений
выходной переменной от значения математического ожидания.
Стохастические модели технологических и организационных
процессов. Неупорядоченность производства приводит его мате-
матическую модель
р (0 = Рог (О + р, (<)
(4.1)
80
к вероятностному виду
р(П = Мрор(0 + Мрт(0 + рор(0 + рт(0. . (4.2)
где рОр (0 и рт (0 — компоненты характеристики, значения
которых определяются организационными и технологическими
процессами; t — некоторая независимая переменная; Мрор и
Мрт — компоненты математического ожидания значения дан*
кого параметра, определяемые организационными и технологи-
ческими процессами.
В зависимости от выбранной модели объекта управления си-
стемы управления подразделяются на три класса:
технологические
М0 = Мрт(0 + р,(0;
организационные
Pop (0 Мрор (О И- Рт (0»
комплексные (4.2).
При создании системы управления любого класса предвари-
тельно необходимо найти хотя бы одну из функций Мр» (0 кли
МрОр (0. Для этого можно использовать два способа: априорный,
когда вид зависимости Мрт (0 или Мрор (0 выбирают исходя
из некоторых теоретических предпосылок об исследуемом объ-
екте; апостериорный, когда Мрт (0 или Мрор (0 определяют
экспериментально. В любом случае предполагается, что для
исследуемого объекта выполняется соотношение
Мр(0-Мрор(0 + Мр,(0. (4.3)
Для технологических процессов, не имеющих точного детер-
минированного математического описания, задача построения
математической модели технологического процесса в основном
сводится к нахождению функции Мрт (0 и реже р9 (0.
Методы корреляционного анализа. Одним из наиболее простых
и в ряде случаев дающих хорошие результаты методов опреде-
иия влияния технологических или организационных факторов
иа характеристики выпускаемой продукции является выявление
их статистической взаимосвязанности посредством нахождения
а)
1
8
4
6)
3
40 60 120 %Ск,нс 40 80 120 fyC,,HC
Рис. 4.1. Корреляционное поле распределения параметров: а—1/(1—а) по
/?бСв» б — Св по /?аСв
81
40 Вренне
40 во RBCK, нс
Рис. 4.2. Трансформированное
корреляционное поле распреде-
ления параметров: а — 1/(1 — а)
по б по
эмпирических коэффициен-
тов корреляции и корре-
ляционных отношений (да-
лее для краткости описа-
ния слово «эмпирический»
будем опускать).
Экспериментальные исследования зависимостей технологичес-
ких процессов и параметров изделий в силу их вероятностного
характера дают определенные разбросы экспериментальных дан-
ных, характеризующих эти связи. При их построении получаются
так называемые корреляционные поля, отражающие статисти-
ческий характер исследуемых зависимостей (рис. 4.1). Оии дают,
конечно, определенное представление о взаимосвязи переменных,
но малопригодны для статистических исследований и построения
математических моделей. Тем не менее, перестроив эти данные
(т. е. разбив ось абсцисс или ординат иа интервалы, сгруппиро-
вав экспериментальные данные по интервалам, подсчитав и
соединив середины распределений по интервалам), можно по-
строить корреляционные зависимости (рис. 4.2). Полученные
таким образом связи уже могут быть аппроксимированы анали-
тическими функциями. Тем не менее, для определения корреля-
ционных зависимостей более эффективно (хотя иногда к менее
наглядно) использовать аналитические методы. Предварительно
заметим, что при расчетах корреляционных связей используются
только два параметра распределения: среднее и дисперсия, кото-
рые полностью определяют только нормальный и логарифмичес-
кий законы распределения. Поэтому при исследовании корреля-
ционных отношений предварительно необходимо установить ха-
рактер изучаемых распределений. Если оии несущественно от-
личаются от указанных выше или могут быть приведены к иим
с помощью различных преобразователей, то, естественно, к ним
или к трансформированным распределениям полностью можно
применить изложенные ниже методы корреляционного анализа.
Коэффициент лииейной корреляции г статически характери-
зует лииейиую связанность переменных х и у, т. е. определяет
силу связи типа
а = ах + Ь;]
J W
Значение коэффициента корреляции лежит в пределах —1 <
< г < 1. Если т = 0, то линейиой корреляционной связи между х
и у иет, хотя нелинейная зависимость между х и у может суще-
ствовать; если | г | = 1, то между х и у имеется жесткая функ-
циональная зависимость.
82
Коэффициент линейной корреляции для двух переменных х
и у определяется так:
r ~ SgSgiN — i) (** — *)(yt — К); (4.5)
. г N 1,/2 . Г N I1*
X = 4x,; Y^Sy.-
Здесь S„ Sv — несмещенные и состоятельные оценки средне-
квадратических отклонений а„ ау; X, У — несмещенные и со-
стоятельные оценки средних значений а и Ь; W — число результа-
тов измерений.
Вычисленный по формуле (4.4) коэффициент корреляции дает
состоятельную, но смещенную оценку статической взаимосвязан-
ности переменных, одиако смещение ее убывает с ростом числа
испытаний и при N = 50 становится меиее 1% [23].
Из-за простоты вычисления коэффициента линейной корреля-
ции его часто используют для установления факта существования
статистической зависимости при нелинейной взаимосвязи перемен-
ных. Одиако необходимо проверить, можно ли применять к иссле-
дуемому объекту гипотезу о его линейности.
Значимость линейной корреляционной связи определяется соот-
ношением г гк„ где r,p = + N — 2)1/2; tf — критерий
Стыодента для ^-процентной доверительной вероятности.
Понятие линейной корреляции между двумя переменными мо-
жет быть распространено и иа тот случай, когда переменных больше
двух. Вычисляемый для множества переменных коэффициент
линейной корреляции
Яж/,......I = (1 - А/Ап)1".
где Д — определитель (л х л)-мериой корреляционной матрицы,
1 ГХ/И ГК/» • • • rx/t
А _ rVl* 1 rV/t • • • flf/t .
rt/x ГЦц П/х ... 1
Ди — определитель, получаемый из Д вычеркиванием первой стро-
ки н первого столбца.
Например, для трех переменных х, у, г коэффициент множест-
венной линейной корреляции находится по формуле
f'i,-w«/«+ri/.Y/2
r«/». • =------—т------- .
\ 1 “ Гш» /
83
Значимость множественного коэффициента корреляции опре-
деляется F-отиошением Фишера
[«’/(I - Л*)] [(N - п')/(п' - 1)] < «_„ (а),
где п' = л + 1; Fn--i; «-»• (о) — верхняя точка значимости при
л' — 1 степенях свободы числителя и N — п' степенях свободы
знаменателя, соответствующая уровню значимости а.
Критическое значение коэффициента множественной линейной
корреляции находят по формуле
„ _ Г f(a)(n--l) U/2
Коэффициент множественной линейной корреляции R считается
значимым, если его значение удовлетворяет неравенству R > R^.
Коэффициент линейной корреляции г используют в основном
для определения статистической взаимосвязи линейно зависимых
переменных. Для оценки же статистической взаимосвязи нелинейно
зависимых переменных следует использовать корреляционное отно-
шение Пирсона fl,» (ДЛЯ зависимости х от у) и (для зависимости
у от х):
1 S (»/»; —
Л»/* —
S (»/*>—?)*
___________
(AT-DS2
Здесь I, Г — число интервалов, иа которые разбиваются ординаты
хну; т/, m'i — число наблюдений (хц, ylt), абсциссы которых
попали в /-й интервал; X/yh Y/xt — условные средние:
— 1 т1 _ 1 mi
м1 1=1 ’ /=-(
Для корреляционного отношения всегда справедливо неравен-
ство 0 т| 1. При q — 1 между переменными х и у имеется
детерминированная функциональная зависимость; приц = 0 зави-
симости между переменными нет (при этом надо иметь в виду, что
из равенства Y]x/y = 0 не следует ТЬ/Х = 0, и наоборот).
Всегда т| > ] г |, причем в случае линейной корреляционной
зависимости Т] = | г | и = <|₽/х. Чем хуже выполняются ука-
занные соотношении, тем больше нелинейная зависимость у от х.
Приведем для примера значения г, и ^/х для двух пар элек-
трических параметров одного из типов транзисторов. Для мало-
сигнального коэффициента усиления в схеме с общим эмиттером
Би статистическим коэффициентом усиления в схеме с общим
84
рмнттером fiCT (г = 0,970; Ъ/у « 0,979; ty/, = 0,973) постоянной
цепи обратной связи ГбСк и для емкости коллекторного перехода
Си (г = —0,006; т|х/^ = 0,191; t|f/* = 0,252). В первом случае,
как мы видим, имеется практически линейная зависимость между
В и Во, (т|,/₽ яе ть/х яе г). Во втором случае коэффициент корре-
ляции г — —0,006 яе 0,0 говорит о крайней незначительности
связи CR и гоСя, а неравенство т|х/р =/= говорит о том, что если
и есть корреляционная зависимость между Сл и то оиа
нелинейная.
Методы регрессионного анализа. Для аппроксимации функ-
циональной зависимости между переменными х и у, значения кото-
рых заданы в виде статистических распределений, можно исполь-
зовать любую функцию fv (х), называемую регрессией у на х.
Переменную у при аппроксимации статистической зависимости
у от х функций fy (х) находят из уравнения
У = /,(•«) + л, (*. У),
где h, (х, у) — поправочный член, определяемый погрешностью
аппроксимации.
При построении математических моделей технологических про-
цессов используют в основном два виДа аппроксимации статисти-
ческой зависимости у от х: линейную (4.4) и параболическую
у = ох* + Ьх + с.
Для линейной регрессии
а = Р»« = г,, (S,/Sx); (4.6)
b = y — р,хх. (4.7)
Здесь р,х — коэффициент линейной регрессии у на х.
Полученные по формулам (4.6) и (4.7) коэффициенты уравнений
минимизируют средиеквадратическое отклонение
М [у — (ах + 6) ]• = min.
Математическое ожидание квадрата отклонения реальной зави-
симости у (х) от ее аппроксимации М [у — (ах + Ь)|* служит мерой
точности аппроксимации реальной статистической взаимосвязан-
ности выбранной регрессионной функции.
При вычислении регрессий на ЭВМ для корректировки матема-
тических моделей технологических процессов в системах управле-
ния уравнение Нелинейной регрессии /,(х) удобнее искать по
ортогональным полиномам Чебышева pt (х):
У = ЬоР» (*) + biPi (х) + ... + Ь„р, (х). (4.8)
Рекуррентность соотношений, используемых для определения
полиномов р} (х), позволяет облегчить программирование вычисле-
ний регрессивных полиномов высоких степеней иа ЭВМ.
85
В уравнении (4.8) коэффициенты при ортогональных полиномах
bj определяют по формуле
п
2 ад to)®»
= 4. / = 0, 1................п.
2^ (**)<•*
Здесь со* — вес измерения х(, определяемый из соотношения
®i : ©а: ... : со* = 11 SI : 1 15$ : ... : 1 | Si-
Истинные значения параметров Ь/ с надежностью Р лежат
в доверительных границах
при нахождении которых значение tt при заданном числе степеней
свободы k = h— j — 1 определяют по таблицам [23, 24, 281.
Значения 3 и Ht вычисляют по формулам:
3 = 2 lyi - Vo М) - Vi fa)---------V. (*«)]*;
(=«1
H,= Zffat).
(=1 '
Кроме рассмотренных выше регрессионных полиномов доста-
точно часто используют регрессионные полиномы вида
у = о» + 2 aiXi + 2 ai/XiXi + 2 at(x? Н-, (4.9)
где xt — нормированные факторы; at, atj, ati — коэффициенты
регрессии; i, / = 1, 2, 3, ..., k — номер фактора; / > k.
Коэффициенты регрессионных полиномов вида (4.8) и анало-
гичных ему можно определить методами математического планиро-
вания эксперимента.
Методы математического планирования эксперимента. Для
многофакторных технологических процессов, математическая мо-
дель которых соответствует зависимости Мрт (0 = MpT(tb ...
..., Q, статическую взаимосвязанность факторов можно определить
методами математического планирования эксперимента 171, 72].
Различают три типа эксперимента:
активный — экспериментатор преднамеренно наменяет
ход технологического процесса с целью получить его математиче-
скую модель;
пассивный — экспериментатор устанавливает связь меж-
ду технологическими секторами по результатам наблюдений за
самопроизвольными изменениями технологического процесса;
86
смешанный (активи о-п ассивный) — часть уп-
равляемых факторов изменяет экспериментатор по своему жела-
нию, а остальные изменяются самопроизвольно.
В связи с тем что при разработке математических моделей
многофакторных технологических процессов более эффективно
применение методов активного эксперимента, чем методов пассив-
ного и активно-пассивного экспериментов, методы активного
эксперимента будут рассмотрены подробнее [711.
При ведении активного эксперимента к технологическим факто-
рам предъявляют следующие основные требования: их управляе-
мость, наблюдаемость и совместная непротиворечивость.
Требование управляемости технологических факторов вытекает
из основного принципа ведения активного эксперимента, в котором
ход технологического процесса надо изменять целенаправленно.
Из требования управляемости технологического процесса вытекает
требование наблюдаемости, т. е. возможности измерения значений
технологических факторов с помощью имеющихся приборов,
причем погрешности измерения должны быть существенно меньше
наблюдаемых изменений управляемых факторов. Требование
совместной непротиворечивости измененных в процессе экспери-
мента факторов означает, что область выбираемых их значений
не должна лежать в закритических режимах работы технологиче-
ского оборудования, приводящих к его выходу из строя.
Основным инструментом метода активного планирования экспе-
римента является план опытов, во многом определяемых свойст-
вами (характеристиками) подлежащего оптимизации технологиче-
ского фактора, поэтому от правильности выбора оптимизируемого
фактора зависит успех решения поставленной задачи — разра-
ботки математической модели процесса. Оптимальное значение
технологического фактора должно соответствовать не только и не
столько оптимальному режиму данной технологической операции,
ио оптимальному состоянию всего технологического процесса в
целом («глобальный» оптимум). Эго условие необходимо выполнять
потому, что технологические операции в процессе производства
взаимосвязаны, а значит, несмотря иа вывод одйой технологиче-
ской операции в область оптимальных режимов работы, качество
всего технологического процесса может понизиться.
Важное требование к оптимизируемому фактору — возмож-
ность получения его количественной оценки. При этом если опти-
мизируемый технологический фактор до проведения эксперимента
обычно оценивали качественно (цвет, вкус, запах и т. п.), то коли-
чественную оценку ему надо присвоить. Операция присвоения
количественной оценки технологическому фактору называется
ранжированием, а присвоенное ему значение — рангом фактора.
Ранг оптимизируемого фактора присваивают по заранее выбранной
шкале целых или дробных значений методом экспертных оценок.
Основное отличие метода математического планирования экспе-
римента от классического метода планирования опытов заключа-
ет
(4.10)
ется в том, что при проведения эксперимента варньруется не одни,
а одновременно все технологические факторы. Это повышает произ-
водительность труда (сокращает число опытов) и снижает вероят-
ность ошибок.
При построении математических моделей технологического
процесса, если из теоретических соображений о процессе нельзя
сделать заключение о характере взаимосвязи между переменными,
математическую модель их взаимозависимости выбирают априори.
Аналогично задачам корреляционного и регрессионного анализа
в качестве таких моделей используют полиномы первой и второй
степеней. В частности, для двух переменных факторов эти поли-
номы могут иметь вид:
у = оо+<«л+ял;
j = а, + а,Х| + аА + + oii*i +
Нелинейность взанмосвяви технологических факторов приво-
дит к тому, что нелинейная модель (4.10) обычно имеет малую адек-
ватность для всей области иамеяеиия технологических факторов и
применяется в основном для описания малых областей факторов
пространства, в которых нелинейными зависимостями между
переменными можно пренебречь.
При математическом планировании активного эксперимента
необходимо выбрать основные уровни (начальные значения) факто-
ров и интервал их изменения (интервал варьирования). На первом
шаге эксперимента в качестве начального уровня выбирают значе-
ния технологических факторов, соответствующие нормальному
режиму технологического процесса. Интервал варьирования выби-
рают таким образом, чтобы он, с одной стороны, несколько раз
укладывался в диапазоне изменения варьируемого фактора, а
с другой — позволял бы пренебречь ошибками исполнительных
и измерительных приборов и механизмов.
Чтобы упростить запись и обработку результатов, полученных
при проведении активного эксперимента, масштабы переменных
выбирают так, чтобы верхний уровень фактора соответствовал +1,
нижний —1, основной нулю. Для натуральных непрерывных пере-
менных это требование нормировки выполняется путем преобра-
зования абсолютных значений технологических факторов xt в
относительные xj
где Х|0 — основной уровень переменной, относительно которого
ведется ее варьирование; Ц — интервал варьирования.
Различают два вида активного эксперимента — полный фак-
торный и дробный факторный эксперименты.
При полном факторном эксперименте реализуются все возмож-
ные сочетания уровней. Число опытов N для получения оценки
состояния технологического процесса при этом равно W = 2*,
где k — число варьируемых переменных. В частности, для трех
88
переменных необходимо провести восемь
опытов по матрице планирования, приве-
денной в табл. 4.1.
Значения ух — у9 оптимизируемого тех-
нологического фактора у при трехфактор-
ном активном эксперименте соответствуют
его значениям в вершинах куба фактор-
ного пространства (области существования
технологического процесса). По результа-
там полного факторного эксперимента на-
ходят коэффициенты аппроксимирующего
полинома (4.10)
N
at = S
/=1
где f — номер фактора (I ==* 0, 1, 2, ...).
Фактор xt при I = 0 называют фиктивным фактором и вводят
для удобства вычисления коэффициента а^, входящего в математи-
ческую модель технологического процесса (4.10). Фиктивному
фактору во всех опытах приписывают постоянное значение (напри-
мер, + 1). При введении фиктивного фактора в математическую
модель технологического процесса последняя имеет вид
У = / (*н *1. . *») (4.12)
Матрица планирования
для трех переменных
(8 опытов)
Номер опыте « «•
1 4-1 —1 —1 1
2 —1 +1 —1 2
3 —1 —1 +1 3
4 +1 +1 —1 4
5 +1 —1 +1 b
6 —1 +1 +1 6
7 +1 +1 +1 7
8 —1 —1 —1 8
(4.11)
Полный факторный эксперимент с N = 2* был использован при
определении коэффициентов линейного регрессионного полинома
для построения математической модели формирования толстопле-
ночных резисторов 141]
Нр = 13,65 + 0,41X1 + 0.45л> — 0,32xe + 0,19х4,
где — толщина резистивного слоя, мкм; xt — расстояние
сетка—трафарет—подложка, мм; х, — вязкость резистивной пас-
ты, мм; ха — давление ракеля, Н; х, — скорость движения ракеля-
мм/с.
Использование модели позволяет предсказать толщину рези,
стивного слоя с точностью не хуже ±10%. *
При полном факторном эксперименте появляется возможность
учесть без увеличения числа опытов взаимодействие технологиче-
ских факторов. В этом случае математическая модель технологи-
ческого процесса (4.12) будет иметь вид
у = ад + ад + ад + адад, (4.13)
а матрица планирования — соответствовать табл. 4.2.
Коэффициенты а( в выражении (4.13) вычисляются по формуле
(4.10), а коэффициент Ощ (в приведенном примере а12)
N
“ml = S VlXnjXiilN,
/=|
где т и I — номера факторов (m, I = 1, 2, ..., k при т I).
89
факторного эксперимента с нелинейными зависимостями факторов
из полученных результатов нельзя извлечь информацию о квадра-
тических членах математической модели [51. Если форма матема-
тической модели технологического процесса линейная, то число
опытов, проводимых для определения ее коэффициентов, по срав-
нению с числом опытов, проводимых при полном факторном ана-
лизе, можно сократить, поскольку при построении линейной мо-
дели принимается гипотеза о незиачимостн эффектов взаимодей-
ствия факторов. Поэтому столбцы взаимодействия в матрицах
планирования эксперимента можно заменить новой переменной.
Так, в иашем примере столбец xtx2 можно заменить столбцом х3
(табл. 4.3).
Из приведенной матрицы планирования следует, что при замене
столбца хгхг столбцом х9 (введение третьего переменного фактора)
число опытов остается таким же, как и для двух переменных фак-
торов (фактор х0 — фиктивный), т. е. равно четырем. Полученные
таким способом значения коэффициентов и а* будут смешанны-
ми оценками, включающими эффект истинного действия фактора
а£ и эффекта парных взаимодействий ati: аг аг + ага; а? —
=- а2 + а18; as = 4- а18.
В отличие от матрицы планирования полного факторного экс-
перимента, называемой полной репликой, матрица планирования,
составленная заменой столбцов взаимодействий на новые перемен-
ные факторы, называется дробной репликой (в рзссмотренном
случае — полу репликой).
Использование дробных реплик при планировании активного
эксперимента позволяет резко сократить число опытов, которые
необходимо провести для определения коэффициентов математиче-
ской модели технологического процесса. Так, в частности, при
анализе влияния 15 технологических факторов число опытов можно
уменьшить с 32 768 до 16. По этой причине в адаптивных системах
управления технологическими процессами алгоритмы «обучения»
системы управления строятся иа базе дробиого факторного ана-
лиза. Справедливость гипотезы незначимости взаимодействия тех-
нологических факторов для автоматизируемого технологического
процесса проверяют на этапе проектирования, а систему смешения
90
линейных эффектов с нелинейными, необходимую при замене пол-
ного факторного эксперимента дробным, выбирают и проверяют
еще на этапе исследования технологического процесса.
Математическую модель технологического процесса, получен-
ную методом активного планирования эксперимента, проверяют иа
адекватность и значимость ее коэффициентов uh а^.
Дисперсию адекватности модели для числа степеней свободы
определяют по формуле
N
Здесь f = N — \k + 1), где N — число опытов; k — число варьи-
руемых факторов.
По найденной дисперсии адекватности н известной диспер-
сии воспроизводимости опытов SJ по критерию Фишера опреде-
ляют адекватность модели технологического процесса
F = S’M/Sr
Значимость коэффициентов математической модели проверяют
аналогично значимости коэффициентов регрессионных полиномов.
Рассмотрим примеры использования метода активного экспери-
мента для решения конкретной задачи: построения математической
'модели процесса ультразвуковой приварки проволочных выводов
к контактным площадкам кремниевой интегральной схемы. Поло-
жим, что прочность сварки у нелинейно зависит от давления, при-
жимающего проволоку к контактной площадке Р, и от мощности
ультразвуковых колебаний w н соответствует зависимости
у = оо + ад + ад + ац4 + + аюад» (4.14)
где xt и х, — нормированные переменные, xt — (Р — 2,5)/3,5;
х2 = (w—4)/1,4.
Чтобы определить коэффициенты регрессии Oq, at, о.2» аи» Ом»
alz, в уравнении (4.14) используем схему рототабельного лланн
роваиия второго порядка для двух факторов с равномерным дубли-
рованием опытов (например, десять опытов в каждой серин опытов).
В соответствии с правилами построения рототабельиых планов
второго порядка для двух переменных надо иметь 13 серий экспе-
риментов (М = 13). Матрица планирования и результаты усредне-
ния по дублированным опытам представлены в табл. 4.4. Здесь же
шрнведеиы данные по усилиям отрыва проволоки от контактной
площадки yv, имеющие довольно хорошее совпадение с опытными
данными уа для случаев уп > 5.
С учетом рассчитанных коэффициентов регрессии имеем следую-
щую модель технологического процесса приварки выводов: у =
- 10,83 — 0,460xi 4- 0,973X8 — 0, IBlxj — 2,605x1 — 2,686ад.
Методы группого учета аргументов (МГУА). Необходимость
оптимизации и управления технологическими процессами служит
91
| № п/п | *о X» X, «51«,«. «п
1 +1 —1 —1 4-1 4-14-1 5,935 4,843
2 +1 4-1 —1 --1 4-1-1 9,945 9,295
3 —1 +1 4-1-1 11,96 12,16
4 +1 4-1 4-1 --I + 14-1 5,225 5,869
5 +1 —2 0 --2 0 0 10,58 11.12
6 +1 4-2 0 -2 о| 0 9,905 9,816
7 +1 с —2 ( +2 0 3,105 4,242
8 +1 с 4-2 ( 4-й 0 4,685 6,994
9 +1 с 0 ( 0 0 10,80 10,83
10 +1 ( 0 ( 0 0 10,86 10,83
11 4-1 ( 0 ( о| 0 10,80 10,83
12 4-1 ( 0 ( 0 0 10,08 10,83
13 4-1 0 0 0 0 0 11,61 10,83
Првмечаняе. Коэффициенты
регрессии следующие: для — 10,83;
для ж,—(—0.460); для я, — 0,973; для
(-0,181); для *2 -(—2,606); для
х,*, — (—2,686).
Таблица 4.4. Матрица планирования ПОСТОЯННЫМ стимулом раз*
при дублировании опытов вития различных методов
их математического ана*
лиза, что в настоящее вре-
мя особенно актуально,
так как технология произ-
водства постоянно услож-
няется и появляются но-
вые, сложные и мало изу-
ченные технологические
процессы, которыми, тем
не менее, надо управлять.
Кроме того, все увеличи-
вается число технологиче-
ских процессов, нормально
функционирующих только
в довольно ограниченных
областях технологических
параметров, выход за ко-
торые может привести не
только к серьезному сни-
жению производительно-
сти, но и вообще к выходу
объекта управления в аварийные состояния с непредсказуемыми
последствиями.
Современное развитие средств вычислительной техники, доступ-
ность их практически каждому исследователю в качестве пользова-
теля как персональных, так н суперЭВМ определяют дальнейшее
развитие математических методов анализа технологических объек-
тов и процессов: оио идет по пути разработки и реализации уни-
версальных вычислительных методов, алгоритмов и программ,
в которых ЭВМ отводится центральное место в качестве интеллек-
туального субъекта 15, 39, 40, 87, 881.
Метод и алгоритмы МГУА предназначены для машинной иден-
тификации, моделирования и прогнозирования сложных процессов
и систем, не требующих от пользователя квалифицированных зна-
ний об исследуемом объекте. МГУА требует от пользователя мини-
мума знаний: задания данных выборки наблюдений, предваритель-
ного определения класса моделей, среди которых следует искать
желаемую модель, критерия решения задачи идентификации
(соответствие построенной ЭВМ математической модели реальному
объекту). Сама задача идентификации (определение оптимальной
структуры математической модели, расчет ее параметров) решается
автоматически 187 V
Алгоритмы МГУА работают и при наличии «шума» в системе.
В зависимости от класса моделей это могут быть как «шумы» изме-
рений иа выходе объекта, так и входные «шумы». В качестве тако-
вых обычно рассматривается так называемый «белый шум». Однако,
92
как указывается в работах [38, 881, сами алгоритмы МГУА успеш-
но применяются и при сильно зашумленных факторах и коррели-
рованных шумах.
МГУА включает в себя следующие алгоритмы: комбинаторные,
селекциоиио-комбииаториые, итерационные, моделирования много-
мерных объектов (выходы заданы), объектный системный анализ
(входы » выходы во заданы).
Структурно-параметрическая идентификация представляет со-
бой совокупность процедур, позволяющих выбрать из множества
структур моделей некоторую функцию / и рассчитать такие пара-
метры функции, чтобы полученное решение обеспечивало минимум
некоторого критерия.
Принцип работы МГУА можно показать на следующем примере
[381. Пусть задан некоторый набор данных, о которых известно,
что они содержат как входные, так и выходные переменные.
Известно, что входные переменные (переменные состояния) — xlt
х2, х10, а выходные переменные ylt yit ..., ул. В принципе, в
данном случае мы можем получить четыре полных полинома
(линейных или нелинейных) и четыре уравнения:
01 = /1 (*>...*1»: Ув, У», У&
Ув = ft (*1, ylt у„ у&
Ув = /» (*1...*iol Ув, Ув, Ув),
Ув = ft (*i. *10» Ув, Ув, Ув)-
Применяя иитерациоиный алгоритм МГУА. мы получим две
системы:
(01 = /1(*1» *2» 01)) (01 = />(*.» *•» 0«)1 . ,5
l0i = /i (*»*». 01)/’ Ь» = /«(*>» *1. Ув)!' '
Из (4.15) следует, что для дальнейшего изучения объекта необ-
ходимо организовать четыре плана экспериментов:
(*1. *1. 01. 01). (*4» *4. 0». Ув)
(А. *>, 01» Ув), (*». 0.» 04)»’
Заметим, что длина выборки измерений для полученной системы
алгебраических уравнений равна числу уравнений в системе
(алгебраический минимум), однако для качественного решения
задачи структурно-параметрической идентификации желательно
брать число точек, в пять—десять раз большее алгебраического
минимума.
Задачу структурно-параметрической идентификации методами
МГУА решают в следующей последовательности [10, 87, 1051:
получение экспериментальных данных;
выбор иа основе анализа экспериментальных данных класса
базисных функций и соответствующего преобразования данных;
генерация различных моделей в выбранном классе функций;
93
оценка параметров структур и формирование множества функ-
ций, из которого предстоит выбрать в последующем наилучшую
модель;
выбор лучшей модели f в соответствии с критерием оптималь-
ности;
проверка адекватности полученной оптимальной модели.
Целями моделирования в МГУА являются: построение моделей
объекта исследования, отражающих закономерности вход—выход
(«физическая» или несмещенная модель); построение модели для
иаилучшей фильтрации (сглаживания) зашумленных выходных
переменных («фильтрующая» модель); получение иаилучшей мо-
дели для прогнозирования (экстраполяции) выходных переменных
(«прогнозирующая» модель).
В работе [87] приведены следующие классы моделей: регрес-
сионные модели статических объектов управления; модели вре-
менных рядов или процессов; модели динамических систем в виде
линейно-разностных уравнений.
Регрессионные модели статнчесиих моделей имеют вид, анало-
гичный уравнению
Уе = f (xt) + St = В(р (х() +
где I — индекс точки наблюдения; Ф (х) — известная из экспери-
мента М-мерная вектор-функция от х входных переменных; В —
неизвестная Му X М матрица параметров; Si — независимый
иекоррелируемый случайный вектор с нулевым средним и конечной
неизвестной дисперсией.
В ф (хг) можно представить полиномами различных степеней
вида
м мх
Ьтф/ (х) = 5 bj Пх?^, (4.16)
/=1 W
где Cjy могут принимать только целые значения 0, 1, .... ST.
Полиномы вида (4.16) широко используют в регрессионном
анализе и, в частности, в системах математического планирования
эксперимента.
Из моделей временийх рядов в МГУА достаточно широко ис-
пользуется также известная тригонометрическая модель тренда
процесса вида
м м
Ьтф(/)= 5 (п/Sln <о,7 + bj cos toft) — 5 Cj sin (<oz/4-ф;).
При моделировании динамических систем используют линейио-
разиостиые уравнения вида
LY LX
У* = S Аау&_а -j- 2 Bvxft_v+1 4-
a=l v.=l
где LY, LX — число учитываемых прошлых значений (запазды-
ваний для выходных и входных переменных): Ап .... ALy; Въ ...
94
..., BLX—матрицы неизвестных параметров; имеет смысл входного
процесса типа «белого шума». .
। Конкретные структуры математических моделей в МГУА фор-
Енруют двумя способами: экстремальную задачу выбора оптималь-
ой модели можно решать либо перебором конечного числа различ-
ых структур заданного класса, либо итерационным наращива-
нием сложности структур с использованием селекционных, или
рёл кс ц оиных методов.
В МГУА предусмотрена возможность использования целого
комплекса критериев, таких как критерии регулярности, непро-
тиворечивости, баланса прогноза,’ баланса переменных, интеграль-
ный критерий и др.
Основными системными критериями являются критерии регу-
лярности (A/?S) и непротиворечивости (CBS)t вычисленные по
принципу среднего:
.му • • му
ARS = IIMY 2 ARr, CBS = l/MY £ СВ,,
j=i e=i
где ARi н СВ( — значения соответствующих критериев для (-го
уравнения системы.
Критерии МГУА формируют разделением выборки (D) иа две
части (А и В):
х = (Xi/Х’в); y = (ytb|ytb);
0 = (XSXo)-'XoYo; 0 = 4, В, W, A[)B = D-, AftB = 0.
Критерий регулярности A/?S
lY.-Mxi*.
Критерий непротиворечивости CBS
цхХ-х^г
Методы МГУА достаточно широко применяют для построения
математических моделей различных процессов Имобъектов. Ниже
приведен пример использования МГУА для построения математи-
ческой модели прогноза хода технологического процесса в алюми-
ниевом электролизере [91.
Основным нарушением хода технологического процесса электро-
лиза является анодный эффект (искровой разряд иа границе между
электролитом и поверхностью погруженного в него анода). При
возникновении анодного эффекта снижаются производительность
и выход металла, увеличивается расход энергетических и мате-
риальных ресурсов, ухудшаются санитарно-гигиенические усло-
вия.
Чтобы предсказать наступление анодного эффекта, надо опреде-
лить разделяющую функцию между нормальным ходом техноло-
гического процесса и его нарушением. Предварительные исследо-
95
вания показали, что по мере приближения к анодному эффекту
в расплаве нарастают низкочастотные колебания электрического
тока. Модель процесса искали в виде соотношения (4.16), а в каче-
стве критерия использовали критерий CR, определяемый через
рассогласование наблюдаемых YB и модельных значений
выхода
С« = (ГЯ-УЯ)’(ГЯ-?Я).
Итерационная процедура построения модели заканчивается,
как только значения критерия CR для лучших моделей двух после-
довательных итераций совпадают. Полученная разделяющая функ-
ция имеет вид
Я* (х") = х! + 33,9X1 + 46,1хзх; — 67,Зх5хГз (4.17)
при значении критерия CR* — 0,34.
В формуле (4.17) х* — нормированные значения х/(
х/( = (х/( - х,)/о„,
где 2) — среднее; — дисперсия.
В свою очередь,
X/ = lg (10“SBB (fy_i)),
где SBB — оценка плотности спектра мощности.
В используемых выше формулах / — порядковый номер низко-
частотных колебаний (гармоник), t — время, в течение которого
в эксперименте после проведения измерений наступал анодный
эффект.
Полученная формула позволяет в подавляющем большинстве
случаев предсказывать наступление анодного эффекта более чем
за минуту до его наступления. Этого времени вполне достаточно,
чтобы принять необходимые меры для предотвращения нарушения
рабочего режима электролизера.
4.3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ОПТИМИЗАЦИИ
СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ
Методы оценки состояния объекта управления. Одной из основ-
ных задач, решаемых системой управления, является получение
оценки состояния объекта управления. В алгоритме управления
эту оценку может вырабатывать отдельный блок (в ряде случаев
блок оценки состояния объекта объединяется с блоком выработки
управляющих воздействий). Для оценки состояния управляемого
объекта используют методы наименьших квадратов, максималь-
ного правдоподобия, байесовых оценок и ранжирования.
Метод наименьших квадратов заключается
в таком определении оценки параметров состояния объекта (функ-
ция у), чтобы оии минимизировали квадратичное отклонение S
96
измеренных вначевий у от прогнозируемых значений f (хл, а^,
Д1* яп)» т. е.
s = Е [»»-/(•*»> ао> а,...а.)]*в» = min,
где Oq, alt ап — оцениваемые параметры состояния объекта;
Шь — веса измерений, обратно пропорциональные дисперсиям
(в качестве веса измерения может быть использовано число
измерений тк в точке k).
Отыскание значений параметров состояния объекта Oq, а1( ...
.... а,, сводится к решению систем уравнений, которые имеют вид
дЗ/дщ - 0.
Преимущество метода наименьших квадратов заключается в
том, что он ие требует каких-либо дополнительных сведений о ста-
тистических свойствах случайных переменных (за исключением
копечиости величин их дисперсий). Это позволяет относительно
широко использовать этот метод для построения алгоритмов блока
оценки состояний объекта в адаптивных АСУТП.
Метод наименьших квадратов дает возможность получить несме-
щенные и состоятельные оценки параметров at. Если прогнозируе-
мое состояние объекта описывается линейной зависимостью, то
оценки, полученные методом наименьших квадратов, являются
также и эффективными [681.
Метод максимального правдоподобия —
один из основных методов теории точечных оценок. С его помощью
можно получить такую оценку параметра или переменной, которая
максимизирует функцию правдоподобия
/.(*!, х„ Х») = Ф(Х1), ф(х,), .... ф(х„), (4.18)
где xt — случайная величина с подлежащей определению плот-
ностью вероятности <р (xt).
Из выражения (4.18) следует, что функцией правдоподобия слу-
жит плотность распределения вероятностей, рассматриваемая как
функция неизвестного параметра.
По методу максимального правдоподобия в «качестве оценки
каждого параметра «и выбирается такая функция yh (xlt х,,..., хя),
которая придает возможно большее значение величине L (xlt хг,...
• х»; Hl, Ul, »») для всех выборок (х,, х„ х„).
Чтобы получить совокупность т наиболее правдоподобных
оценок р! (хп ха, ..., ж»), yt (хп х,, ..., xft), ..., ут (xlt х,, .... хп),
решают систему т уравнений максимального правдоподобия
^-InZ-fx,, х„ . ...х,; pi, У2, = 0, *=- 1, 2....т.
Этот метод требует более сложных вычислений, чем метод наи-
меньших квадратов, однако полученные оценки могут оказаться
предпочтительнее (особенно в случаях малых выборок). Метод
применим к многомерным совокупностям, при этом получаются
4 В. М. Вкльков
97
состоятельные, асимптоматически не смещенные и асимптоматиче-
ски эффективные оценки. Метод максимального правдоподобия
широко применяют для оценки состояния статических и динами-
ческих объектов при наличии шума [12, 13, 62).
Метод байесовых оценок основан иа применении
формулы Байеса
(4.19)
S Р (Х|) Р <r‘/*i)
i=l
Из этой формулы следует, что вероятность состояния объекта
после испытаний равна произведению вероятности состояния до
испытания на соответствующую ей условную вероятность события,
которое произошло при испытании, деленному на полную вероят-
ность этого события. Формула (4.19) позволяет при известном сос-
тоянии объекта до испытаний и после испытаний у1 прогнозиро-
вать состояние объекта [12]. Качество управления объектом при
этом можно оценить определением математического ожидания
условной вероятности Е (xt/yl), В некоторых случаях в качестве
оценки вероятности р (Xi/y*) могут использоваться мода, медиана
и т. п.
Байесовы оценки наиболее широко применяют в системах управ-
ления дискретными технологическими процессами (например,
управление дискретными технологическими процессами по оценке
выхода годных изделий, точности изготовления механических дета-
лей ит. п.), хотя их можно использовать и в управлении непрерыв-
ными технологическими процессами. Особенно часто формулу
Байеса применяют для оценок состояния статистических и динами-
ческих объектов, имеющих большие шумы, что позволяет получить
весьма важные результаты, в частности, уравнения фильтра
Винера—Калмаиа и фильтра Калмаиа [12, 18, 621.
Метод ранжирования используют для оценки сос-
тояния объектов управления в том случае, когда необходимо кон-
тролировать параметры, ранее измерявшиеся качественно. Им
приписывают некоторые количественные оценки, т. е. вводят
ранжирование параметров [711. Допускаемая при этом производи-
тельность выбора количественных оценок затрудняет управление
объектом в адаптивных системах.
Чтобы унифицировать процесс ранжирования различных каче-
ственных параметров, можно использовать принцип нормирован-
ного ранжирования по какому-либо априорно принятому закону.
На примере одномерной задачи ранжирования проиллюстрируем принцип
введения априорного нормированного ранжирования.
Распределим все известные качественные опенки состоянии объекта управле-
ния по уровням таким образом, чтобы более значимые оценки находились на
верхних уровнях, а менее значимые — иа нижних. В итоге получим N уров-
ней качественных оценок. Присвоим каждому уровню качественной оценки па-
раметра объекта порядковый номер (для верхнего уровня качества п = 1).
Теперь найдем такой натуральный ряд, в котором независимо от числа уровней
98
качественное оценки параметра сумма членов ряда в любом случае равна еди-
нице, т. е. введем нормировку. Натуральный ряд, соответствующий данным усло-
виям, существует (предложен Л. В. Добролюбовым) н определяется выражением
s" = 2SwTb’ <4 20>
/=о
гае /=««•—!.
Нетрудно убедиться, что для любых W всегда Sjy = 1. В соответствии с со-
отношением (4.20) вес каждого качественного уровня находят по формуле
Р» = 2-^±1, * = 1.2....N.
Если при ранжировании несколько значений качественных параметров k
т1№лешл к одному и тому же уровню, то вес каждого качественного значении
определяют по формуле
Принцип нормированного ранжирования относительно легко распростра-
няется в на многомерные случаи (иаиример, сборочные операции, при которых
качество сборки определяется качеством изделий, поступающих на сборку).
Методы оптимизации состояния объекта управления. Оптими-
зация состояния объекта управления может быть проведена различ-
ными методами: вариационного исчисления, основанными иа прин-
ципе максимума, динамического программирования, градиент-
ными и др.
Методы вариационного исчисления при-
меняют в тех случаях, когда задачи оптимального управления
математически сводятся к определению неизвестных функций
у (х), обеспечивающих экстремум определенных интегралов вида
I = f F[y,(x). »з(х)...yi (х). yi(x)..........у'„(х), х] dx,
л = 1.2......N. (4.21)
Как известно, вариация бу функции у (х) переменного х есть
функция от х, определяемая при каждом значении х как разность
новой функции о (х) и функции у (х): бу — v (х) — у (х). Вариация
бу, вызывая изменение функциональных связей между х и у,
приводит к изменению функции F (у, (х), у, (х),у„ (х), х]. При-
ращение AF, соответствующее вариациям в„ .... d„, опреде-
ляется так:
ДК = F(и + «л; у, + вуа; ...;у» + вуп; x)-F(yi, у,.....у»; х).
Если функции у (х) и в (х) дифференцируемые, то вариация
производной у (х) есть
«у-= 6-^- = -±(6у) = о'(х)-у'(х).
99
Необходимом- но недостаточней условием экстремума функ-
ционала (4.20) является условие
в, = J 6F di. = ”. 6S | - J [ . (£) - 6g dx = 0
Xi ill Xi
для произвольно малой вариации by.
Основная задача оптимальных систем» решаемая методами
вариационного исчкслги^я, состоит в нахождении такой функции
управления, которая минимизировала бы функционал (4.21) при
следующих условиях: закрепленных граничных точках, подвиж-
ных граничных точках и минимума отклонения выходной перемен-
ной от заданного значения [ 121. Вариационные задачи при пере-
численных условиях в большинстве случаев решают численными
методами решения дифференциальных уравнений. Тем не меиее
ряд практически важных результатов можно получить и аналити-
чески.
Задача нахождения минимума функционала при закрепленных
конечных точках
/- j Р(У. if. t)it (4.22)
Jo
интерпретируется как нахождение оптимальной траектории дви-
жения объекта, обеспечивающей минимум отклонения скорости
у' от заданной.
Экстремум функционала / находят из решения дифференциаль-
ного уравнения, соответствующего обращению в нуль вариации
функционала,
dE/dtj — (d/dZ) (dF/S’j') - 0. (4.23)
Уравнение (4.23), определяющею оптилальпую траекторию у (Z),
является дифференциальный уравнением Эклера—Лагранжа и
может быть в ряде случаев решено аналитически.
Задача нахождения минимума функционала при подвижных
конечных точках (одна или обе точки перемещаются) обязательно
имеет решение в случаях, если функционал (4.23) минимизируется
при неподвижных конечных точках. Класс функций, удовлетво-
ряющих минимуму функционала, расширяется, так как положение
конечных точек не фиксировано [12].
Задача нахождения минимума функционала при условии мини-
мума отклонения выходной переменной от заданного значения
сводится к решению следующего уравнения:
- (d/dx) (FJ&) = 0, (4.24)
где F'u, gi, g'y — частные производные dF/dy, dgldx и dg/dy.
Задачу решают для объектов управления, которые описываются
функцией у’ (Z) = g (у, х) при начальных условиях у (Zo) — у,.
100
Оптимальную функцию управления у (0 находят из уравнения
(4.24) численными методами.
Использовать методы вариационного исчисления для оптимиза-
ции процессов управления не всегда эффективно из-за относитель-
ной сложности учета ограничений, налагаемых на изменения пере-
менных, а также нз-за необходимости решать иа управляющей
ЭВМ двухточечные краевые задачи, требующие значительных
затрат машинного времени.
Методы, основанные иа принципе макси-
мума, в отличие от классических методов вариационного исчисле-
ния наиболее широко применяют в случае наложения ограничений
на управляющие воздействия путем использования принципа
максимума Понтрягина [12]. Его применение в проектировании
оптимальных систем управления еще на этапе проектирования
позволяет определить основные особенности системы управления
И сделать некоторые заключения относительно ее структуры.
Принцип максимума дает необходимое и достаточное условие
оптимальности линейных систем, описываемых уравнением вида
л
0<(0=Jj Au(t)yt + тг, m„). i=l, 2....................n
или в векторной форме
У' (0 = А (/) у (04-Х (т).
В общем случае (например, для нелинейных систем) принцип
максимума дает только необходимое условие экстремума.
Управление объектом будет оптимальным, если обеспечивается
возможность получения экстремума функции
р = Ь'у (/),
где Ь' — вектор-столбец, зависящий от оптимизируемых коорди-
нат; у — вектор состояния рассматриваемого процесса л-го поряд-
ка.
Упрощенная геометрическая интерпретация принципа макси-
мума заключается в определении такого вектора управления х,
при котором вектор состояния y(tk) будет как можно дальше пере-
мещаться в направлении b (в этом случае р = ртщ)-
Принцип максимума при реализации оптимальных процессов
управления дает возможность учесть ограничения, налагаемые
на переменные, но имеет тот же недостаток, что и классические
вариационные методы оптимизации: требует решения на управ-
ляющий ЭВМ двухточечных краевых задач (выполнения большого
числа вычислительных операций).
Метод динамического программирова-
ния (предложенный Веллманом) основан иа одном из фундамен-
тальных принципов теории оптимальных процессов, заключаю-
щемся в том, что независимо от начального или конечного решения
решение, принимаемое на любом последующем шаге управления
101
системой, должно быть оптимальным по отношению к состоянию,
для которого оно определяется. Применение метода динамического
программирования строго обосновано для дискретных систем;
с некоторыми ограничениями этот метод можно использовать для
систем непрерывных.
Основное достоинство метода состоит в том, что он позволяет
заменить поиск закона оптимального управления на всем интер-
вале оптимизации поиском оптимальных решений на i последова-
тельных шагах управления. Следует, однако, иметь в виду, что
полученный методом динамического программирования оптималь-
ный закон управления в целом на всем интервале может быть
иеоптимальиым па его промежуточных участках {12].
Достаточно эффективный, хотя и приближенный способ, реали-
зующий метод динамического программирования для определения
оптимального закона управления S (у, 0 объекта, описываемого
уравнением у — Ро (у, х, t) на одном шаге оптимизации, заключа-
ется в следующем. Полагая, что
3 (у, t) = min j F (у, x, i) d/,
* (/) /.
запишем приближенное равенство
3(0, 0«min{F(y, x(0, fl Д/4-S (t 4-At, у 4-Ду)], (4.25)
Пл
где F — вектор функция состояния системы в точке /; у — траек-
тория движения; х — вектор управляющих воздействий; At —
шаг изменения независимой переменной.
Значение у + Ду можно приближенно записать
У 4- Ду = У (0 4- Д^о (У (0. X (0. 0 = У 4- Д^о {у. X (0). (4.26)
где Fo — вектор-функция состояния системы в точке t0.
Вычисленная по формулам на каждом шаге траектория движе-
ния оптимальна иа заданном интервале управления Т = tk — t0.
Поскольку для конечного момента времени th и любых у всегда
3 (tfe, у) — О, определение оптимальной стратегии можно начинать
с конечного момента времени tk (первый шаг t = th — Д t, второй
t = _ 2Д< и т. д.).
Недостатком метода динамического программирования (при его
использовании в оптимальных системах управления) является
необходимость выполнения большого числа шагов (At желательно
иметь небольшим) и относительно большого объема ОЗУ для хра-
нения промежуточных вычислений.
Градиентные методы используют для формирования
оптимальных стратегий управлении в адаптивных АСУТП, если
управление ведут на основе анализа поверхности отклика объекта.
Эти методы заключаются в том, что если область эксперимента,
ведущегося адаптивной системой управления, охватывает иеболь-
102
тую часть поверхности отклика, то для практических целей иа
каждом шаге управления область управления можно рассматри-
вать как плоскость. Определив уравнение плоскости, можно найти
направление, по которому следует двигаться к экстремальной
точке. Так как система управления иа каждом шаге должна вести
эксперимент в направлении максимальной крутизны поверхности
отклика, то такое управление будет оптимальным (для данного
момента оптимизации).
Направление движения с наибольшей крутизной восхождения
определяется градиентом
ЧУ = (dy/dxt) i + [dy/dxj /+•• + (ду/дхк) к,
для которого оценками частных производных dy/dxt служат коэф-
фициенты регрессии. При изменении независимых переменных xt
пропорционально коэффициентам регрессии движение в направле-
нии градиента функции осуществляется по самому крутому пути.
Указанный метод получил название «крутого восхождения»
[71, 721.
Различные градиентные методы построения оптимальных стра-
тегий различаются в основном лишь правилом выбора пробных
шагов в начальной точке управления и в тех промежуточных точ-
ках, в которых реализованное иа (I + 1)-м шаге состояние сущест-
венно отличается от состояния объекта управления, прогнозиро-
ванного системой иа 1-м шаге для (I + 1)-го шага.
К градиентным методам относятся, в частности, методы случай-
ного поиска, случайного поиска с пересчетом, различные варианты
метода «Опкон» и др. Однако метод «крутого восхождения» оказы-
вается лучшим как в смысле быстродействия, так и в смысле мини-
мума потерь на рысканье [71, 721.
Градиентные методы помимо очевидных преимуществ (простоты
реализации, сравнительно малого объема вычислений) имеют и
ряд недостатков. Самый существенный из них — трудность уста-
новления глобального экстремума при наличии иа поверхности
отклика частных экстремумов. При существующих методах поиска
глобального экстремума, базирующихся в осяовцрм иа случайном
выборе исходных точек и направления шагов, требуются большие
затраты на поиск и обработку полученных результатов.
4.4. УНИФИЦИРОВАННЫЕ СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ
И СИОТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ К НЕЙ
Характеристические параметры технологических операций.
Разнообразие технологических процессов производства сущест-
венно затрудняет создание АСУТП. Из-за множества частностей,
имеющихся во множестве технологических процессов, и, следова-
тельно, в АСУТП, усложняются не только проектирование каждой
конкретной системы управления, но и построение интегрированных
103
АСУ. Одним иэ методов решения проблемы индустриального про-
ектирования АСУТП является унификация основных элементов
систем и, в частности, унификация методов и процессов построения
их математического обеспечения.
Анализ технологических процессов различных производств
показывает, что операциями обработки, сборки, разборки (распре-
деления), нарезки (штампования), контроля (распределения),
тренировки я испытания практически исчерпывается весь их ком*
плекс. Чтобы сформулировать унифицированную структурную
модель технологической операции, введем три следующих харак-
теристических параметра: число входов пвх, число выходов пвых
и учетный коэффициент передачи технологической операции Кг
Первые два параметра не требуют пояснений, поэтому рассмотрим
только третий.
Учетным коэффициентом передачи по f-му входу будем называть
отношение счетного числа физических единиц материалов, ком-
плектующих изделий, сборочных узлов и т. п. у„ h поступивших
на вход технологической операции, к счетному числу физических
единиц.материалов, сборочных узлов и изделий, вышедших с /-го
выхода технологической операции рвых Учетный коэффициент
передачи операции i-го входа по /-му выходу
//Д'.. <• (4.27)
Поясним на примерах порядок вычисленкя учетного коэффициента передачи.
I. Рассмотрим операцию обработки — гкбку под прямым углом металличе-
ской полосы. Операция имеет один вход (NBz » i), на который в каждый опре-
деленный момент поступает одна металлическая полоса = 1 от.). На выходе
получаем один уголок (АГВЫХ = 1 шт.). Учетный коэффициент передачи данной
технологической операции, определяемый по формуле (4.27), Ку в 1.
2. Для операции нарезки — резки заготовки иа части, например, полупро-
водникового слитка (1 шт.) на пластины (50 шт.), по формуле (4.27) находим:
Ку = 50.
3. Для сборочной операции, на которой узел (1 от.) собирают их трех де-
талей: две одинаковые детали подают на 1-й вход, а третью деталь — на 2-й
вход. По формуле (4.27) получаем: Ку « 0,5; Ку = I. Суммарный учетный ко-
эффициент передачи на операции (Квх » 3 от.; К вых = 1 шт.) равен 0,3.
Описание технологических операций по характеристическим
параметрам. В соответствии с комплексом характеристических
параметров можно дать следующие описания технологических
операций.
Обработка — операция, имеющая для обрабатываемого
изделия один вход (пвх = 1), одни выход (пВЫх = 1) и учетный
коэффициент передачи1 == 1. Цель операции — выполнить
1 Ку = ! означает, что число изделий, поступивших на операцию, равно
числу изделий, вышедших с нее. Появление отходов, брака и т. д. после операции
не опровергает Ку= 1, а лишь означает, что данная операция представляет
собой совокупность операций «обработка» и «контроль», даже если последняя не
указана в структуре технологического процесса.
104
какую-либо технологическую обработку изделия (изменить его
физические или геометрические параметры).
Сборка — операция, имеющая несколько входов (ля8 = п)
и один выход (лвых = 1) с учетным относительным коэффициентом
передачи по любому из входов KlJ = 1. Цель операции — агреги-
ровать изделия (изготовить сборочные узлы из деталей и т. п ).
Для сборочной операции всегда выполняется соотношение
К'.уКу = К'^К'у - const.
Разборка (распределение) имеет один вход
(лвх = I) и несколько выходов (лвых >2) с учетным относитель-
ным коэффициентом передачи по любому выходу Ку > 1. Цель
операции — разагрегнровать сборочные узлы, распределить ком-
плект одинаковых деталей на несколько потоков.
Нарезка (штампование) имеет один вход (лвх = I)
и один выход (лвых = 1) с учетным коэффициентом передачи Ку >
> 1. Цель операции — перейти от групповой технологии обра-
ботки изделий к единичной.
Контроль — операция, имеющая один вход (лвх = 1) и
несколько выходов (лвых > 2) с учетным коэффициентом передачи
Ку'< I по любому выходу. Цель операции — проверить качество
изделий — направлена, как правило, на их сортировку (т. е. рас-
пределение по группам). Для этой операции учетный коэффициент
передачи по l-му входу К7 является случайной величиной с мате-
матическим ожиданием М IK, 1 и случайным отклонением А
К1,1 = NL.IN1.. = М [К# + Д.
Случайное отклонение А определяется действием переменных
Бит) (см. гл. 1, п. 1.1). Заметим, что для операции контроля
всегда выполняется соотношение £ К‘> = 1, где/ — номер выхода.
Тренировка имеет один вход (nBX = 1) и один выход
(лвмх = 1). Учетный коэффициент передачи Ку = 1. Цель опера-
ции — улучшить качество изделий. *
Испытание — операция, имеющая один вход (лвх = 1) и
один выход (пвых = 1) с учетным коэффициентом передачи Ку =
= 1. Цель операции — проверить качество изделия.
Для рассмотренных выше операций можно составить таблицу
их параметров (табл. 4.5).
Унифицированные структурпыа модели технологических опе-
раций. Данные табл. 4.5 позволяют провести анализ структур
операций. Из них, в частности, следует вывод, что структуры
операций «обработка», «тренировка», «испытание», «нарезка»,
«разборка» являются частными случаями по отношению к опера-
циям «сборка» и «контроль», и поэтому из дальнейшего рассмот-
рения их можно исключить; минимальное число входов в струк-
105
Таблица 4.5. Характеристические
параметры технологических операций
Операция Число входов Число выводов Учетный ковффя- 1 цпеит передачи |
.8 н их ,8 И я. . 8 ii к 1 8 ii и я
Обработка Тренировка Испытание Нарезка Сборка Разборка Контроль ! 1 1 1 N 1 1 ! 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 N N 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1
туре операции «сборка» и выхо-
дов в структуре операции «козт-
роль» ие может быть меньше
двух.
Таким образом, набор мини-
мальных унифицированных
структур технологических опе-
раций можно ограничить двумя
операциями: А и В (рис. 4.3).
Так как любая технологиче-
ская операция иа выходе кроме
основной годной продукции мо-
жет иметь брак, отходы и др.,
т. е. иметь несколько выходов,
выполнение которых (направле-
ние продукции и отходов в со-
ответствующие выходы) может
производиться только при на-
личии в составе операции автоматического или ручного контроля,
в ряде случаев имеет смысл объединить операции А и В в одну
унифицированную операцию, минимальная структура которой
приведена на рис. 4.4.
На основе минимальной структуры унифицированной операции
можно образовать структуры любых, более сложных илиболее
простых по структуре технологических операций. Например,
операции «обработка», «нарезка», «тренировка», «контроль» можно
представить унифицированной операцией, у которой задействованы
одни вход и один выход. Структуры более сложных операций ком-
понуются иа базе структуры унифицированной технологической
операции последовательным соединением входов и выходов мияи-
мальиых структур (рис. 4.5). В ряде частных случаев структуры
технологических операций, сформированных на базе унифициро-
ванной структуры, могут быть излишне избыточными. В этом слу-
чае можно использовать специальные (для данного технологиче-
ского процесса) структуры, имеющие более двух входов и выходов.
Структурная модель системы управления для технологической
операции. Унифицированная структурная модель операции лишь
структурно отражает процесс функционирования операция и пе
позволяет определить возможности управления им. Это объясни-
$
6uxj (х1
Рис. 4.3. Минимальные структурные модели технологические операций: а —
сборка; б — контроль
106
Рис. 4.4. Минимальная структурная
модель обобщенной техпологической
операции (без учета ресурсов)
в—
0x1
0x2
taxf
0ых2
в
*
I
ется тем, что в модели операции ие отражены управляющие воздей-
ствия, основными из которых являются воздействие по управлению
производительностью операции (организация труда и оборудова-
ния); управление технологическими параметрами операции.
С учетом этих воздействий математическую модель технологи-
ческой операции можно представить в виде
У.»в=/(У.Х. в. Ч. Е). (4-28)
где увых — вектор состояния выхода операции; увк — вектор
состоянии входа операции; а — вектор состояния производитель-
ности операции; 0 — вектор состоянии технологических парамет-
ров; т), | — возмущающее воздействие — воздействие контроли-
руемых и неконтролируемых факторов.
Рис. 4.5. Структурные модели сложных технологических операций: а — сборна
деталей (Л + В) -р С и контроль после каждой элементарной операция сборки;
б — сборка деталей Л а В с использованием материалов а и b а» (Л + а) + 5 4-В
и контроль после каждой элементарной операции; в — контроль с распредели
ниш иа пять груни (Л — Аг + Ла + Л8 + + брак)
107
i)
U 0 Au
6ы*1
6ьа2
Учитывая соотношения
(4.28) и полагая, что пере-
менные уп и и (страховой за-
пас, ресурс производитель-
ности и т. п.) обладают не-
пустыми областями вариа-
ции, минимальные структур-
ные модели операций «сборка»
и «контроль» можно предста-
вить в виде, показанном иа
n . _ .. рис. 4.6. На их базе можно
Рис. 4.6. Минимальные структурные мо- г ______ •
дели технологических операций с учетом скомпоновать структурную
управляющих воздействий к ресурсов: модель унифицированной one-
fl — сборка; б — контроль рации с учетом управляющих
воздействий (рис. 4.7).
Чтобы построить систему управления операцией, необходимую
в дальнейшем для создания на ее базе модели системы управления
производственным процессом, воспользуемся понятием «автоном-
ная операция». Под ней будем понимать такую технологическую
операцию, которая может функционировать за счет собственных
ресурсов (т. е. входы yBt и и разомкнуты). В этом случае при задай*
ной внешней уставке ^вн на систему управления Р операция может
функционировать (только за счет использования ресурсов Дувх и
Ди. Из структурной модели операции следует, что система управле-
ния иа операции! должна иметь входы (датчики информации):
состояние ресурсов — &ух„; tyn, Ди; состояние выходов — Увы*;
у1ы*\ состояние совокупности технологических параметров 8; вход
внешней уставки ут. Информация со входов у|х, yl* не вводится
в систему управления, так как при работе операции в автономном
режиме yj, = ОJ уЪ = 0.
Система управления автономной операцией должна определить
такие значения $1*, 6, Д, чтобы обеспечить соответствие
Увых внешней уставке уЮ1 т. е. осуществить управление расходом
ресурсов, имеющихся на операции. Унифицированная структур-
ная модель комплекса операция—система управления (при работе
операции в автономном ре-
жиме) показана на рис. 4.8.
Автономная операция
представляет собой некото-
рую абстракцию и в произ-
водственном процессе не су-
ществует. Управление же не-
автономной операцией, как
показано ниже, требует фор-
мирования управляющих воз-
действий не только на пред*
шествующие операции, кото-
рые определяют состояние
108
Ряс. 4.8. Система увраялепяя теэяалогяческяип операциями (структура я схема
саяаеЯ): а — сборка; б — контроль
входов данной операции, ио и на производительность данной
операции. Производительность операции определяется В общей
случае тремя факторами: датрагами труда, состоянием н режи-
мом работы технологического оборудования. Для унификации
целесообразно ввести операцию «распределение производитель-
ной силы» (РПС), минимальная структурная модель которой
совпадает с такой же моделью операции «сбора»: у1г — вход
по труду; yi„ — иход по сборудоваинго: и — управляющее воз-
действие. В этом случае все элементы структуры комплекса
РПС — система управления полностью совпадают с элемен-
тами структуры комплекса сборка — система управления. Но
кроме определения разумных сочетаний элементов «труд» и
«оборудование» операция РПС .должна выполнять работу по рас-
пределению резервов s ресурсов ко труду и оборудованию. Дру-
гими словами, унифицированная структура операции РПС пол-
ностью совпадает со структурной моделью унифицированной опе-
рации, представленной на рис. 4.7. Это позволяет организовать
работу ее системы управления по тем гаг принципам, что и для сис-
темы управления технологической операции.
Структурная ига® систзии упфОЕЖлия длл lioratwatsca тепви»-
логЕческип одерэдцпй. В общем случае практически любую произ-
водственную структуру :.:о;::ио представить в виде некоторой управ-
ляемой системы, имеющей несколько выходных величин, которые
связаны через объект упрааядая таи, что г.эисиети® одной из них
вызывает изменение других. 5>-~о приводит к тому, что система
управления комплексом технологических операции должна быть
109
Рис. 4.9. Схема системы управления технологическим процессом, состоящим из
трех технологических операций (двойные лнннк — материальные иотокн)
описана с учетом принципов теории мяогосвязяого регулирования,
т. е. в системе управления необходимо определить взаимовлияния,
а саму систему представить некоторым комплексом систем управле-
ния различных уровней. Таким образом, системы управления
связанных операций должны иметь структуру, отличную от струк-
туры систем управления, используемых для управления автоном-
ными операциями (рис. 4.9). В частности:
в систему управления операцией I должна быть введена инфор-
мация о состоянии выхода операции i—1. Полагая Ntu =
= ЛГвых(*~1) (® противном случае надо ввести операцию, проме-
жуточную между i и i — 1), можно ограничиться вводом в систему
управления информации, поступающей на вход операции;
между системами управления различными операциями необхо-
димо установить связи, отображающие свяви между управляемыми
операциями;
между системами управления технологическими операциями и
системой управления операцией РПС требуется установить связь
от Pt к Рп, а обратную связь между ними — через выходы опера-
ции РПС.
С учетом сказанного диаграмма структуры информационных
связей системы управления нулевого уровня приобретает вид,
показанный иа рис. 4; 10. Эти связи делятся иа три группы.
1. Директивные связи: — внешняя уставка на
i-ю операцию, т. е. директивная уставка иа 1-ю операцию, исходя-
щую от системы управления более высоких уровней. К ним отно-
сятся, в частности, директивы на изменение плана /-й операции
и директивные значения 0ь технологических параметров операции,
которые i-я операция должна поддерживать в заданном уровне.
ОВУ — отчеты i-й операции системе управления высшего уровня.
но
2. Учетные связи: — со-
стояние входа i-й операции, выхода (I—
— 1)-й; — состояние выхода i-й опе-
рации; ut — состояние производительно-
сти i-й операции; — фактическое со-
стояние параметров i-й операции.
3. Управляющие воздейст-
вия: — запрос на изменение внеш-
ней уставки операции I — 1 для управ-
лении входом у*п (например, при недоста-
точности нлн избыточности страховыхзапа-
сов); —директивы управления вхо-
дом i-й операции; — запрос системе
управления операцией РПС высшего уров-
ня для обеспечения необходимой произво-
дительности; i-й операции. По этому запро-
су операция РПС выделяет в зависимости
Рис. 4.10. Схема связей
системы управления тех-
нологической операцией
кулевого уровня
от наличия ресурсов труда и оборудования определенную произво-
дительную силу, информация о которой снова поступает в систему
управления Pt. В зависимости от этой информации система управ-
ления Pt определяет воздействия и 8t — директива на
соблюдение указанных значений параметров.
Глава б
ОБЕСПЕЧЕНИЕ АСУТП (АСУОТП)
6.1. ВИДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУТП
Создание и внедрение таких сложных систем, какими являются
АСУТП, связано с реализацией (материализацией) в тесной взаимо-
связи различных видов обеспечения, которые, в свою очередь,
отражают различные аспекты (страты) функционирования систем.
В соответствии с ГОСТ 24.003—34 для АСУ, в том числе и АСУТП,
выделяется ряд основных видов обеспечения, определяемых ниже.
Техническое обеспечение (system hardware) —
комплекс технических средств (КТС), применяемых для функцио-
нирования автоматизированной системы управления.
Согласно определению стандарта под КТС АСУТП понимают
все аппаратурные средства1 от ЭВМ до датчиков (измерительных
преобразователей) и исполнительных органов.
* Авторы считают, что применительно к АСУТП, КТС которых строят иа
базе ЭВМ, вернее было бы считать эквивалентом технического обеспечения аппа-
ратно-программные средства, поскольку одни и те же функции в различных си-
стемах могут выполнять нлн программные, или аппаратные средства, или их
комбинации.
111
Математическим обеспечением (mathema-
tical support) считают совокупность математических методов,
моделей и алгоритмов обработки информации» использованную
при создании автоматизированной системы управлении.
Программное обеспечение (system software)
представляет собой комплекс программ» реализующих алгоритмы
обработки информации. Его разделяют на общее (ОПО) и специаль-
ное (СПО). ОПО — совокупность программ, рассчитанных иа
широкий крут пользователей и предназначенных для организации
вычислительного процесса и (или) решений часто встречающихся
задач обработки информации, СПО — разрабатываемых при созда-
нии конкретной АСУТП для реализации ее функций.
Под информационным обеспечением (data
support) подразумевают совокупность реализованных решений по
объемам, размещению и формам организации информации, цирку-
лирующей в автоматизированной системе управления при ее функ-
ционировании.
Лингвистическое обеспечение (linguisticsup-
port) определяется как совокупность языковых средств для форма-
лизация естественного языка, построения и сочетания информа-
ционных единиц при общении персонала автоматизированной сис-
темы управления со средствами вычислительной техники при
функционировании АСУ.
В ГОСТ 24.003—84 выделяется также органнзацнон-
яое обеспечение (organizational support), определяемое
как совокупность документов, регламентирующих деятельность
персонала автоматизированной системы управления в условиях
ее функционирования (см. гл. 7)х.
Следует отметить особую, принципиальную роль математиче-
ского обеспечения именно для такого класса систем, какими
являются АСУТП. Реальность создания любой конкретной АСУТП
и получение реального эффекта от ее внедрения непосредственно
связаны с наличием достаточно адекватной математической модели
объекта управления н алгоритма ее реализации. Проблема
заключается в том, что во многих случаях сложность тех-
нологических процессов, недостаточность знаний о стохасти-
ческом векторе состояния процесса затрудняет формализацию
описания объекта управления (алгоритмнрованне). Последнее
в большой степени определяет весьма медленный ход процесса
внедрения АСУТП в различных отраслях народного хозяйства.
По этой причине авторы уделяют значительное внимание проб-
лемам, связанным с математическим обеспечением АСУТП
(см. гл. 3 и 4).
1 В ГОСТ 24.003—84 выделен еще один мд обеспечения —*яравовое,
но авторы его не рассматривают, так как оно имеет существенное значение в осаов-
ном в автоматизированных системах организационного управления (АСУП,
ОАСУ и т. п.).
112
В данной главе рассматриваются особенности технического,
программного, информационного и лингвистического обеспечения
АСУТП.
Необходимо отметить, что все основные виды обеспечения
АСУТП находятся в тесной взаимосвязи, обеспечивая реальное
функционирование системы, которое можно представить в виде
многоуровневого (стратифицированного) описания (уровень техни-
ческих средств, информационный уровень, уровень лингвистиче-
ского обеспечения и т. д.) [46].
Указанную взаимосвязь можно проиллюстрировать иа примере
таких средств связи ЭВМ с оперативным персоналом в АСУТП, как
специализированные пульты ввода-вывода (техническое обеспече-
ние), в которых для организации диалога используется субъестест-
венный язык — терминами естественного языка обозначаются
клавиши ввода информации и индикаторы вывода (лингвистиче-
ское обеспечение). При этом используются специальные поддер-
живающие работу схемы пульта н применяемый язык программные
средства (программное обеспечение). Подобную же связь
можно проследить при проектировании и реализации информа-
ционно-справочных подсистем.
6.2. АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА
(ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ)
Представляется возможным разделить аппаратные средства
современных АСУТП иа две большие группы: 1) управляющие
вычислительные комплексы (УВК) и 2) датчики и исполнительные
органы.
Наиболее широко применяемые на практике УВК выпускаются
специализированными предприятиями в виде законченных кон-
структивов, которые при создании АСУТП требуют выделения
определенной «производственной площади или отдельного помеще-
ния. В отличие от средств УВК датчики и исполнительные органы
чаще всего являются конструктивными элементами технологиче-
ского оборудования, связанными с УВК с помощью линий (физи-
ческой среды) передачи в виде двух или более проводов или воло-
конно-оптических кабелей.
Следует отметить, что в связи с развитием микропроцессорной
вычислительной техники на нижнем иерархическом уровне все
чаще применяются мнкроУВК нлн микроконтроллеры, которые
также могут встраиваться в технологическое оборудование, для
чего они имеют соответствующее конструктивное исполнение,
например в виде одноплатного электронного модуля (см. приложе-
ние 1). Деление на мнкроУВК и микроконтроллеры достаточно
условно. Под последними чаще всего понимают специализирован-
ные иа выполнение в автоматическом режиме определенных функ-
ций мнкроУВК- Назначение микроконтроллеров, как правило,
не требует использования устройств связи с оперативным персо-
налом.
113
В общем случае в состав УВК входят: ЭВМ (одна или несколь-
ко), комплектуемые необходимым набором стандартных внешних
устройств, различные типы устройств связи с объектом (УСО),
точнее, устройств связи с датчиками и исполнительными органами,
и устройства связи с оперативным персоналом (УСОП). УСО и
УСОП часто объединяют, называя их устройствами ввода—вывода
информации (УВВИ).
Как показывает отечественный и зарубежный опыт, подсистемы
связи с датчиками и приемниками (исполнительными органами)
информации в АСУТП составляют большую часть аппаратуры ниж-
него уровня УВК и во многих случаях превышают по объему и
стоимости электронное оборудование для обработки информации
(микроЭВМ). Разнообразие технологических процессов и техноло-
гического оборудования обусловило наличие обширной номенкла-
туры датчиков н исполнительных органов, что повлекло за собой
разработку относительно широкой номенклатуры устройств,
обеспечивающих автоматический обмен информации с микро-
ЭВМ [19].
Поскольку количество датчиков и исполнительных органов для
сложного ТОУ может исчисляться сотнями и даже тысячами,
а номенклатура — десятками, то возникает задача агрегатирова-
ния УСО в виде электронных модулей, при этом стремятся наиболее
экономичным способом удовлетворить системные требования.
Нахождению для конкретной АСУТП близкой к оптимальной (по
критерию экономичности) конфигурации подсистемы сопряжения
с датчиками и исполнительными органами в известной степени
противоречит стремление к сокращению числа вариантов разраба-
тываемых подсистем путем их типизации и стандартизации, что,
как правило, увеличивает среднюю избыточность аппаратуры для
каждой АСУТП.
Эта проблема была особенно острой ранее, когда строились
системы автоматизированного управления из базе одной ЭВМ.
Переход к иерархическим многомашинным УВК создает более
благоприятные условия для построения экономичных подсистем.
Практически задача заключается в формировании мнкроУВК,
т. е. в комплексированни групп с относительно небольшим числом
устройств связи с соответствующими микроЭВМ. Горизонтальная
декомпозиция множества устройств связи может осуществляться
как на основе агрегатного принципа с учетом территориальной
близости датчиков и исполнительных органов, так и на основе
их функциональной однотипности. Во всяком случае, задача
агрегатирования (коммутации, управления обменом) существенно
меньшего по количеству (например, на десятичный порядок) и
номенклатуре (может быть в несколько раз меньше) комплекса
устройств связи является более простой. Причем, как правило,
требования управления локальным ТОУ могут удовлетворяться
путем программного управления обменом, а также программного
контроля работоспособности мнкроУВК.
114
/, $ - тюмглки« процесса; ?. 4 — УВК еяожшх рехноясгичесинх процессов;
О, • — воординпрующяй УВК м уровжв зека; 7—9, JJ—/7 — ипкр&УВК; 10—13 —
пошмдоммяъзо саямяаие техвмогячесиа операция одвой технологической литая;
— коордятарувцвй УВК участца; 18—SO — отдельные агрегата (смета) участка
На рис. 5,1 показаны три базовые блок-схемы, нз которых могут
быть построены любые конфигурации иерархических УВК.
Всю номенклатуру операционных модулей У СО по обобщенному
схемно-функциональному признаку можно условно разделить на
следующие группы *:
1 В очередное раз можно подчеркнуть, что успеха в области микропроцес-
сорное техники позволили в настоящее время выполнять функции указанных
групп с вспользованпем МПК (микропроцессорных комплектов).
115
1) преобразователи «аналог—код» н «код—
2) устройства обмена цифровой информацией с преобразова-
нием форматов или без;
3) дешифраторы адресов и коммутаторы линий связи;
4) буферные ЗУ с функциями счета (без ник);
5) устройства локального управления обменом информацией
(локальные контроллеры);
6) устройства коммутации, усиления и преобразования анало-
говых сигналов.
К устройствам первой группы относятся следующие основные
типы преобразователей:
«напряжение—код» и «ток—код» постоянных и переменных
напряжений (в частности, напряжения милливольтового диапазона
в код);
«код—напряжение» и «код—ток»;
«перемещение—код» н «код—перемещение»;
«пневматический сигнал—код» и «код—пневматический сиг-
нал»;
«частота—код» н «код—частота».
Поскольку основной функцией указанных устройств является
аналого-цифровое или цифро-аналоговое преобразование, в отли-
чие от других групп для них первостепенное значение имеет такой
параметр, как точность преобразования. Кроме обычных логиче-
ских элементов требуется применение специальных схем, реали-
зующих указанную функцию.
При проектировании преобразователей «аналог—код» стре-
мятся согласовать диапазоны измеряемых аналоговых величин
с диапазонами выходных величии датчиков различных технологи-
ческих параметров. Диапазоны аналоговых величин, получаемых
с помощью преобразователей «код—аналог», также согласовыва-
ются с величинами входных сигналов исполнительных органов
(регуляторов). Что касается погрешностей преобразования, то
они при современном уровне аналого-цифровой техники состав-
ляют во многих случаях малые дол нот погрешностей сопрягаемых
устройств (датчиков, исполнительных органов) [67]. Причем
существенную составляющую суммарной погрешности вносят
электронные коммутаторы аналоговых сигналов, которыми ком-
плектуются аналого-цифровые преобразователи; этим в первую
очередь ограничивается количество датчиков, обслуживаемое
одним преобразователем (режим совмещения) [691. Следует отме-
тить, что достижения микроэлектроники в известной степени
облегчили проблему создания эффективных УСО. Так, уже серийно
выпускаются в виде монолитных БИС наиболее сложные виды
УСО — АЦП (см. приложение 2) [94].
Особо следует отметить преобразователи «перемещение—код» и
«код—перемещение», представляющие собой цифровые датчики,
и исполнительные органы. Они находят все большее применение в
системах управления технологическими установками с перемещаю-
116
щимися механизмами 120]. Например, широкое распространение
получили преобразователи «код—перемещение» на базе шаговых
двигателей. Такие устройства состоят из схемы преобразования
выходного (для ЭВМ) кода в пропорциональное количество импуль-
сов и импульсного исполнительного механизма (шаговый двига-
тель).
В отличие от устройств аналого-цифрового и цифро-аналогового
Преобразования, остальные операционные модули подсистем связи
с объектом строятся обычно на основе стандартных логических и
запоминающих элементов и выполняют функции автоматического
обмена цифровой информацией между ЭВМ с одной стороны, дат-
чиками и приемниками — с другой.
Разработка ряда операционных модулей может осуществляться
как параллельно с разработкой архитектуры минн- или микроЭВМ,
так н после завершения этой разработки, т. е. когда определена
система команд и, в частности, содержание команд ввода-вывода.
В любом случае выбор номенклатуры ряда и технических харак-
теристик модулей осуществляется, с одной стороны, с помощью
статистического анализа информационных потоков в объектах
управления [44], с другой стороны — на основе анализа парамет-
ров ЭВМ, ее интерфейса и комплектации каналами обмена с внеш-
ней средой.
Основным критерием выбора древовидной архитектуры подсис-
темы сопряжения является минимум капитальных затрат при
заданных значениях быстродействия и надежности передачи
информации. Очевидно, что поиск близкого к оптимуму варианта
может быть осуществлен методом направленного перебора. При
этом внутренний язык рассматриваемых подсястем должен отра-
жать передачу следующих видов информации:
слов из ЭВМ в приемники информации;
слов от датчиков в ЭВМ;
адресов для подсоединения заданного программой операцион-
ного модуля к ЭВМ;
адресов операционного модуля в ЭВМ;
функциональных признаков режима работы операционного
модуля с ЭВМ (ввод или вывод, тестовый контроль н др.);
признаков состояния операционного модуля (занятость, готов-
ность и др.);
запросов на прерывание;
сигналов обнаружения ошибки при передаче информации;
сигналов управления из ЭВМ (синхронизация, установка в ис-
ходное состояние и др.).
При реализации всего многообразия информационных сигналов
приходится иметь дело с различной формой их представления
(стандартным форматом данных, специальным форматом дискрет-
ных сигналов, бесформатными импульсными, аналоговыми сигна-
лами).
117
Исходными данным н для практического проектирования микро-
УВК являются параметры ряда операционных модулей, количе-
ство источников н приемников информации, форма ее представле-
ния и требуемые частоты обмена.
Несомненно высока и роль входящих в УВК устройств связи с
оперативным персоналом (УСОП).
В сложных АСУТП, н особенно АСУОТП, охватывающих
производственные подразделения, на оперативный персонал возла-
гается весьма важная часть функций принятия решений в про-
цессе управления. При иерархическом построении УВК режим
азанмодействия с оперативным персоналом имеет тенденцию
эволюционировать от информационно-справочного и информаци-
онно-советующего на верхнем уровне (координирующий УВК —
мастер, технолог, начальник подразделения) к информационно-
директивному на нижнем уровне (микроУВК — оператор). В част-
ности, в создаваемых гибких автоматизированных производствах
традиционная схема внутрисменного управления производствен-
ным процессом:
ЭВМ диспетчер мастер рабочий мастер диспет-
чер ЭВМ
имеет тенденцию к преобразованию в схему (15].
ЭВМ-»• оператор ГАП-»-ЭВМ
нлн (в случае отклонения хода производственного процесса от
запланированного) в схему
ЭВМ -► оператор ГАП ЭВМ
|----мастер------------|
Во всех случаях режим взаимодействия с оперативным персо-
налом для повышения эффективности управления должен носить
характер диалога.
В отечественной н зарубежной практике создания АСУТП, в
первую очередь сложными технологическими комплексами (напри-
мер, в энергетике, химии), известно немало разработок УСОП с
ЭВМ н через нее—с объектом управления. Аналнв ряда выполненных
разработок, а также требований к таким средствам позволил клас-
сифицировать УСОП и функции, выполняемые ими в системах.
Выделены следующие основные типы устройств:
спецнализнрованйые пульты ввода-вывода информации инди-
видуального пользования;
специализированные пульты группового пользования;
специализированные мнемонические схемы (группового поль-
зования);
цифровые табло группового пользования;
стандартные устройства регистрации информации;
устройства вывода звуковой информации;
устройства ввода—вывода на основе дисплеев (группового
и индивидуального пользования).
118
К перечисленным могут быть также добавлены стандартные
устройства ввода информации с бумажных носителей (они еще
применяются, например в СЧПУ), которыми пользуются опера-
торы УВК* а также устройства типа регистраторов производства.
К основным функциям, выполняемым УСОП, следует отнести:
1) отображение информации по команде от ЭВМ для оператив-
ного (немедленного) принятия решения;
2) отображение общего текущего состояния технологического
процесса (производства) по командам от ЭВМ;
3) выдачу ответов на запросы оперативного персонала о со-
стоянии отдельных технологических параметров, технологиче-
ского оборудования, о ходе производственного процесса, выпол-
нении плана и т. д.;
4) выдачу рекомендаций об изменении режимов технологиче-
ского процесса.
Следует отметить, что на практике все чаще пульты группо-
вого пользования дополняются мнемоническими схемами ТОУ
в виде отдельной конструкции или части пульта.
Непосредственное управление мнемоническими схемами от
ЭВМ позволяет отображать на них с высокой «ассоциативностью»
динамический образ технологического процесса, а при отобра-
жении на мнемосхеме технических средств АСУ ТП также и ди-
намику обмена информацией между ЭВМ и объектом. Например,
при разработке под руководством одного из авторов опытной си-
стемы управления конвейером вакуумной обработки 11ДПТ уда-
лось простыми средствами создать на мнемосхеме образ движуще-
гося конвейера и показать на мнемосхеме сборочного произ-
водства ЦЭЛТ динамику обмена информацией сборочных линий
с УВК, а также степень синхронизации процесса поступления
конусов и экранов на сборку (рис. 5.2).
Опыт первых разработок мнемосхем позволил отработать два
базовых подхода к их проектированию: разбиение технологиче-
ского процесса на операции с символическим отображением со-
стояния основных агрегатов (параметров) на каждой операции;
разбиение системы ТОУ—АСУТП (АСУОТП) на подсистемы, со-
ответствующие структуре АСУТП с символическим отображе-
нием элементов процесса обмена информацией в системе.
В связи с широким развитием в мире класса персональных
ЭВМ (ПЭВМ) н их возрастающей доступностью нх все чаще при-
меняют в качестве «интеллектуальных» устройств связи с оператив-
ным персоналом.
Необходимо заметить, что устройства связи с оперативным пер-
соналом тесно связаны с лингвистическим обеспечением АСУТП,
являясь в большой степени аппаратным, а точнее, аппаратно-
программным, отображением процессов общения (языкового) опе-
ративного персонала с техническими средствами АСУТП.
Следует подчеркнуть, что УВК, выпускаемые серийно специали-
зированными предприятиями, как правило, строятся по агре-
119
Рис. 5.2. Мнемосхема конвейера системы вакуумной обработки ЦЭЛТ:
/ — аагруэха: // — съем; /// — охлаждение, выключение насосов; IV — электроот-
пай; V — подогрев накала; VI — доактнвировка; VII — контроль эмиссии; VIII ~
акпвнровка; IX — высокочастотная обработка* X — контроль контура ВЧ; X! — кон-
троль вакуума; XII — откачка
гатно-модульному принципу. Так, УВК системы малых ЭВМ,
развиваемой СССР совместно с другими социалистическими стра-
нами, представляют собой открытые агрегатированиые системы
с заложенными возможностями пополнения (наращивания) ап-
паратных средств (так же, как и программного обеспечения).
Структура УВК СМ ЭВМ определяется их обширной (общегосу-
дарственной) сферой применения, и в связи с этим различают ти-
повые УВК и УВК специализированные (УВКС).
Первые построены на основе базовых комплексов (составляют
вычислительное ядро) н содержат технические средства, позволяю-
щие использовать нх автономно в составе, который задается тех-
ническими условиями иа поставку. УВКС, строящиеся иа базе
типовых комплексов с использованием дополнительных модулей
и конструктивов, имеют целевое назначение. Их состав опреде-
ляется спецификацией заказчика по согласованному техническому
обоснованию. УВКС представляют собой набор состыкованных
аппаратных средств, имеющих общее программное обеспечение
(в соответствии с конфигурацией комплекса) н комплект диагности-
ческих программ.
Старшими моделями средн УВК СМ ЭВМ являются УВК
СМ1420, построенные на базе 16-разрядной микроЭВМ с интер-
фейсом «общая шина» (ОШ) и реализующие функционально пол-
ный набор команд с плавающей запятой. В УВК могут использо-
ваться процессор СМ2420 с конструктивно встроенным ОЗУ ем-
костью 128 Келов и процессор СМ2420.01, который может работать
с ОЗУ емкостью до 1920 Келов. Быстродействие СМ1420 оцени-
вается как 1 млн оп./с (операции типа «регистр—регистр»), а про-
изводительность как 300 тыс. оп./с для вычислений с фиксирован-
ной запятой и 230 оп./с для расчетов с плавающей запятой.
Среди исполнений модели СМ1420 особый интерес представ-
120
ляют УВК СМ1420.21 и СМ1420.21.22 — двухмашинные функцио-
нально-распределенные комплексы повышенной надежности (на-
работка на отказ до 10 тыс. ч), рекомендуемые для использования
в системах управления производства, которые требуют круглосу-
точного надежного функционирования.
Специализированные комплексы на базе УВК СМ1420 заказы-
вают и поставляют, в частности, для комплектации верхнего
уровня цеховых АСУОТП. В приложении 3 приведен состав
УВКС на базе СМ1420.01, используемый в АСУГПС.
Младшие модели УВК СМ ЭВМ с интерфейсом О1П представ-
лены комплексами различных исполнений, построенными на базе
16-разрядной мнкроЭВМ СМ1300 с емкостью ОЗУ 64 Кбайт,
которая конструктивно выполнена в виде четырех печатных уз-
лов, размещенных в четырехместном монтажном блоке. Для мнкро-
ЭВМ СМ1300 задается наработка на отказ не менее 5000 ч. Ее
развитием является микроЭВМ СМ1300.01 с емкостью ОЗУ
128Кслов, выполненная конструктивно в виде пяти печатных узлов,
которые размещены в восьмнместном монтажном блоке. Типовые
комплексы на базе СМ 1300 (см. приложение 4) ориентированы ис-
ключительно на задачи АСУТП с различной комплектацией УСО
и являются иллюстрацией принципов агрегатнвностн и свободного
наращивания аппаратных средств, требуемых для реализации кон-
кретных АСУТП.
Широкое применение в автоматизированных производственных
системах находят также УВК на базе 16-разрядных мнкроЭВМ
с интерфейсом И41 (аналог «Multibus») типа СМ1800, СМ 1810,
СМ1814. Состав выпускаемых типовых УВК 1810 представлен
в приложении 5, среди них особый интерес представляют двух-
процессорные двухуровневые исполнения. Их нижний уровень
построен на базе модуля центрального процессора МЦП
СМ1800.2202 (МЦП-1), который входит в состав типовых УВК
СМ1810. Благодаря этому обеспечивается возможность комплекто-
вания УВКС 1810 модулями УСО из номенклатуры типовых
УВК 1800, в том числе модулями ввода и вывода гальванически
изолированных дискретных и аналоговых сигналов [851. Сущест-
венно, что УВК СМ1810 исполнений 30, 31, 48, 41 имеют блоки
резервного питания, которые обеспечивают сохранение инфор-
мации в ОЗУ при отключении напряжения.
Следует отметить УВК модели СМ1814, построенные на базе
модуля центрального процессора СМ1810, СМ2204 с системным
интерфейсом И41 и предназначенные для использования в АСУТП
при круглосуточной работе в производственных помещениях
с повышенной запыленностью и ограниченным доступом оператив-
ного персонала.
Аппаратным средствам АСУТП, встраиваемым в технологиче-
ское оборудование и представленным весьма широкой номенклату-
рой датчиков (измерительных преобразователей) и исполнитель-
ных органов, посвящено большое число публикаций, в том числе
121
книги [2, 3]. Поэтому авторы не считают необходимым рассматри-
вать принцип их действия, конструктивные н схемотехнологнче-
ские решения н ограничились лишь помещением в приложениях 6
и 7 информации о технических характеристиках наиболее широко
используемых на практике устройств.
При решении задач технического обеспечения АСУТП на совре-
менном этапе большое значение имеют два принципиальных во-
проса, связанных с реализацией «мозговой части» КТС АСУТП —
аппаратных средств обработки информации.
Первый вопрос, порожденный огромными успехами микро-
электроники, заключается в отходе от архитектуры фоннейма-
новской ЭВМ с последовательно-командным выполнением алго-
ритма решения задачи.
Возникают перспективы применения специализированных ми-
кропроцессоров, мнкроЭВМ и микроконтроллеров на нижнем
уровне иерархических АСУТП благодаря следующим факторам:
достижениям микроэлектронной схемотехнологин, позволяю-
щим выпускать в промышленных масштабах заказные, полузаказ-
ные (на вентильных н линейных матрицах), программируемые
логические БИС и СВИС, в том числе комбинированные аналого-
цифровые монолитные блоки;
наличию задач обработки информации, для решения которых
требуется более высокое быстродействие, чем в принципе могут
обеспечить самые быстродействующие ЭВМ с последовательно-
командным алгоритмом функционирования;
наличию широкого спектра простых задач (функций) управле-
ния, реализуемых в виде практически неизменного алгоритма
управления.
Первый из названных факторов определяет широкие техноло-
гические возможности и гибкость в реализации в БИС и СБИС
различных специальных функций н процессов обработки как на
основе аппаратно-программных или микропрограммных, так н
чисто аппаратных схемных решений. Два другие фактора опреде-
ляют наиболее распространенные в настоящее время области при-
менения специализированных микроЭВМ и контроллеров в иерар-
хических АСУТП.
В области управления технологическими процессами ограниче-
ния по быстродействию микроЭВМ проявились при их широком
внедрении в устройства ЧПУ (3-го поколения) металлообрабаты-
вающими станками. В частности, для выполнения функций точ-
ного интерполирования потребовались специализированные про-
цессоры. Непрерывно расширяющееся применение в АСУТП
средств технического зрения для автоматизации операций визуаль-
ного контроля и идентификации, а также реализации зрительных
способностей промышленных роботов также потребовало разра-
ботки специализированных процессоров (микроЭВМ) обработки
изображений.
122
нерекурси&шй ЦФ
л Гл)
Реиирсибеии ЦФ
Система 5ПФ
Рис. 6,3. Модули подсистем цифровой фильтрации
В более широком плане для нижнего уровня управления раз-
вивается на базе специализированных процессоров, в частности
скомплексироваиных с АЦП в одном кристалле, направление под-
систем (процессоров) обработки входных сигналов ТОУ [981.
Такие подсистемы формируются на известных принципах поточ-
ной (конвейерной) обработки: на вход в дискретные моменты вре-
мени т = О, Т, 2Т, ... (Т Гща) поступает поток цифровых
отсчетов х (0), х (1), х (2), ..., х (n), а в момефы времени t = т,
Т + т, 2Г + т, ..., пГ + т (0 < Т) формируется выходной
поток цифровых данных у (0), у (1), у (2), ..., у (п), ... Значение Т
определяет период дискретизации темпа поступления входных
данных, Там, — минимально допустимое значение Т (например,
время преобразования для входного АЦП); т — фаза поточной
обработки.
Чтобы преодолеть противоречия между многообразием функ-
ций обработки сигналов и специализацией иа вход обработки, соз-
даются наборы микропроцессорных модулей (МПМ) с програм-
мируемыми функциональными характеристиками, позволяющие
путем их компоновки, настройки н связей определять логику и
предельный темп обработки [98]. На рис. 5.3 показано объеди-
123
Устрайстбо
начальной загрузки
Рис. 5.4. Структура микропроцессорного модуля для программируемых под.
систем цифровой фильтрации:
ЦПЭ -> центральный процессорный «лемевт; СНЦФД — сигнал начала цикла
дискретизации
некие таких модулей в подсистемы цифровой фильтрации разных
классов, а иа рис. 5.4 — структура микропроцессорного модуля
для подобных подсистем. На основе двух микропроцессоров про-
цесс обработки распараллеливают иа два подпроцесса: выполне-
ния базовой операции фильтрации и вычисления адресов операн-
дов при организации циклов.
Запоминающие устройства микропроцессоров МП1 и МП2,
разделенные ПЗУ1 и ПЗУ2., хранят соответствующие программы
функционирования МП1 и МП2. Кроме того, в ПЗУ1 хранятся
массивы вращающих множителей, используемых при быстром
преобразовании Фурье (БПФ), а в ПЗУ2 — таблицы квадратов для
реализации операций умножения программно-табличным спосо-
бом. Программу работы модуля задает МПЦ а МП2 осуществ-
ляет только вычислительные операции цифровой фильтрации,
которые засылаются в его регистры под управлением МП1.
МП2 вычисляет адресе ячейки 03У2 и порта в интерфейс в целях
выбора посылаемых в МП2 на обработку операндов, а также
задает начальный адрес подпрограммы М2 [98].
Обширной областью использования специализированных ми-
кропроцессоров и микроконтроллеров на нижнем уровне иерархи-
ческих УВК является логико-программное управление техноло-
гическим оборудованием дискретного действия. На основе БИС
и СБИС с регулярной структурой, таких как программируемые
логические матрицы (ПЛМ) н ППЗУ, могут быть построены так
124
называем^* с-с/ лога процессоры, представляющие
упрощен!/ /;> M.-p - tb :->ВМ и обеспечивающие параллельную логи-
ческую оЗрагк/лу операндов в принципе неограниченной длины
[981. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) характе-
ризуются длительностью цикла однократного обслуживания кон-
тролируемых входов и управляемых выходов Гц — f 4- f,
где Гц — длительность цикла однократного обслуживания вхо-
дов—выходов контроллера; t' — время на анализ состояния вхо-
дов; Г — время на формирование команд управления.
Многообразие логических контроллеров ограничивается край-
ними вариантами последовательного и параллельного ПЛК,
отличающимися принципом взаимодействия с объектом управле-
ь k
ния. Для последовательных ПЛК f “ S Ч, f = S //, для
параллельных — f = t} (j = 1, 2, ...» k), ? = ff (j = 1*2, ...» m),
где k — количество формируемых команд управления. Функцио-
нальные возможности ПЛК как решающего элемента нижнего
уровня иерархических УВК могут быть проиллюстрированы кон-
фигурацией матричного контроллера унизерсального назначе-
ния, который реализует алгоритмы как последовательного, так
и параллельного ситуационного и ситуационно-последователь-
ного типов [981.
В состав ПЛК входят: модуль управления (он включает узел
выбора режимов, узел логического управления, счетчики адресов
н блок памяти адресов переходов, блок памяти запрограммиро-
ванных состояний входов, блок памяти запрограммированных
команд управления механизмами, схему сравнения на эквивалент-
ность запрограммированных состояний датчиков циклов и усло-
вий переходов с их фактическими значениями); выходной регистр;
узлы согласования (гальванической развязки) входных и выход-
ных сигналов; узел индикации.
Особенностью ПЛК как асинхронного программируемого авто-
мата является то, что он управляется не потоком команд (последо-
вательные ПЛК), а потоком состояний входов — комбинаций фак-
тических состояний управляемого объекта и внешней среды, об-
разуемых в последовательности интервалов дискретного автомат-
ного времени. В ПЛК используется принцип разбиения на модули
блоков памяти, что позволяет распараллеливать процесс обра-
щения к ней н процесс логической обработки состояний входов
и таким образом реализовывать в ЛПК возможности параллель-
ного взаимодействии с управляемым оборудованием.
Нельзя ие отметить другую очень важную тенденцию в приме-
нения нового, достаточно революционного по отношению к фон-
неймановской архитектуре принципа построения ЭВМ с сокра-
щенным набором команд (ЭВМ/СНК — RISC). Наряду с по-
строением эффективных рабочих мест ЭВМ/СНК могут найти при-
менение в первую очередь при реализации мощных контроллеров
125
для АСУТП. В отличие от реализации узкоспециализированных
иа определенные процедуры обработки информации на аппарат-
ном или микропрограммном уровне архитектура ЭВМ/СНК не
заменяет принципы фониеймановской (односумматор ной) ЭВМ»
а развивает нх, в частности в направлении конвейеризации выпол-
нения команд. Идеология ЭВМ/СНК базируется на ревизии тради-
ционного представления об увеличении производительности ЭВМ
при увеличении объема и мощности набора команд и реализуется
с помощью следующих технических решений:
фиксирования длины всех команд;
выполнения всех команд за один временной цикл;
аппаратной реализации управления (не микропрограммной);
обращения к ОЗУ только с помощью команд загрузки в ре-
гистр и записи из регистра;
вДчуа особенностей конвейеризации иа уровне архитектуры
Применительно к АСУТП (в частности, к построению контрол-
леров ТОУ) преимущества ЭВМ/СНК заключаются не столько
в достижении в несколько раз большей производительности за
счет уменьшения времени выполнения команд, эффективной кон-
вейеризации и меньшей частоте обращения к памяти, сколько
в упрощении и соответственно ускорении разработки приклад-
ного программного обеспечения и систем управления в целом.
Заметим, что недостатком применения ЭВМ/СНК по сравнению
с ЭВМ традиционной архитектуры является увеличение длины
программ (примерно в полтора раза) из-за уменьшенной мощности
комвид и применения единого формата команд.
Вторым принципиальным вопросом для проектирования тех-
нического обеспечения АСУТП является декомпозиция и распре-
деление вычислительных средств относительно объекта управле-
ния и применение идеологии локальных вычислительных сетей
(ЛВС) в указанной декомпозиции. Общеизвестно, что разработка
иерархических интегрированных АСУТП (АСУОТП) требует
организации автоматического обмена информацией между ЭВМ
всех иерархических уровней. В 1970-х годах были развиты под-
ходы, принципы построения устройств обмена между ЭВМ раз-
личных классов и их реализапии с учетом объективно существую-
щей древовидной конфигурации иерархических АСУТП и свойства
слабосвязанности решающих элементов между уровнями и на од-
ном уровне /20]. Иллюстрацией результатов этих работ служит
табл. 5.1.
Интенсивное проникновение микропроцессорной техники в
КТС управления ТОУ и концепций ЛВС привело в начале 1980-х
годов к использованию этих концепций и принципов реализации
в иерархических АСУТП, хотя для области управления техноло-
гическими процессами разработка стандартной архитектуры ЛВС
не вавершена 1781. В популярном в настоящее время проекте
стандарта ЛВС, разработанном фирмой Щженерал Моторе»
125
Т а б л н ц а 5.1. Варианты организации автоматического обмена
между ЭВМ
Условве обмена Обобщеяяая блок-схема Тяо автоматиче- ского обмеяа
У1ПК м У2ПК VICK > V2CK, где У1ПК < У1СК У2ПК < V2CK I Прерывание f
У1ПК > У2ПК VICK > V2CK, где У1ПК < V2CK 1 Прерывание t Ml и М2
У1ПК > У2ПК VICK > V2CK, где У1ПК < VJCK У2ПК < У2СК г—I Ф ффйг-ф 1—*[сГ)—» J
У2ПК ж УЗПК V2CK > УЗПК [дуЫпкЫ уси MnTHwl f ЛдериДмюе 1 [Орерыбание
У2ПК « УЗПК У2СК > УЗПК 1—4Ж1*"'1 f Г Прерывание f М2 и М3
V2CK > УЗПК У2СК ж УЗПДК [й2Ыс*Т~Гуси f ПрерыДанио] rnjpegwfawe |
УЗПК < У4ПК УЗПК > У4ПК Т Прерывание] ГЙр срывание! М3 и М4
(США) и носящем название «Протокол автоматизированного про-
изводства» (Manufacturing Automation Protocol — МАР), кото-
рый базируется на полной семиуровневой модели глобальной вы-
числительной сети (модели ISO), как показывает анализ, зало-
жена большая избыточность для такого относительно узкого
класса сетей, каким являются малые ЛВС, формируемые при
реализации иерархических УВК АСУ ОТП. Поэтому избнрительно
используются наиболее эффективные для области АСУТП техни-
ческие решения ЛВС с учетом слабосвязанностн подсистем
АСУТП. В частности, используется принцип последовательной
передачи информации между абонентами сети. В качестве физнче-
127
ской среды обмена применяются витые пары, а в случае необходи-
мости высоконнтенснвного обмена (во время сеансов связи) —
коаксиальные или оптоволоконные кабели.
Необходимо отметить, что концепции ЛВС обязательно пред-
полагают оперирование характеристиками топологических струк-
тур, известные варианты которых показаны на рис. 5.5. При этом
иа практике часто яспользуются комбинированные структуры
174]. Другим характерным практическим решением, обусловлен-
ным снижением стоимости электронной аппаратуры (а также слабо-
связаиности подсистем иерархических УВК), является широкое
применение связанных интерфейсов (телеграфных, телефонных
каналов) даже для иерархических УВК, подсистемы которых
рассредоточены на незначительных расстояниях (сотни метров).
В общем случае методы доступа к физической среде ЛВС опреде-
ляют использование в УВК тех или иных устройств связи.
123
5.3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Как уже отмечалось в п. 5.1, в соответствии с
ГОСТ 24.003—84 программное обеспечение любой АСУ, в том числе
АСУТП и АСУОТП, разделяется на общее и специальное. При
этом общее программное обеспечение, которым оснащаются се-
рийно выпускаемые УВК х, в первую очередь СМ ЭВМ, позво-
ляет в полном объеме использовать технические средства УВК
прн создании на их основе АСУТП (АСУОТП): оно построено по
модульному принципу как открытая система с заложенными воз-
можностями пополнения и расширения. В состав ОПО СМ ЭВМ
входят операционные системы различного назначения, системы
программирования, процедурно ориентированные пакеты приклад-
ных программ, рассчитанные на решение часто встречающихся
задач обработки информации, а также сервисные и контрольно-
диагностические программы.
В соответствии с ГОСТ 19781—83 «Программное обеспечение
систем обработки данных. Термины и определения» опера-
ционная система (ОС) определяется как «система про-
грамм, предназначенная для обеспечения определенного уровня
эффективности вычислительной системы за счет автоматизирован-
ного управления ее работой и предоставления пользователям
определенного набора услуг». В соответствии с тем же стандартом
термин система программирования трактуется
как «система автоматизации программирования, образуемая язы-
ком программирования, компиляторами или интерпретаторами
программ, представленных иа этом языке, соответствующей До-
кументацией, а также вспомогательными средствами для подго-
товки программ к выполнению». И наконец, пакет при-
кладных программ (ППП) — это «система прикладных
программ, предназначенная для решения задач определенного
класса».
В качестве иллюстрации в приложении 8 дан перечень так назы-
ваемого базового ПО для СМ ЭВМ, которое включает ОС для раз-
личных моделей СМ ЭВМ и средства их поддержки в виде систем
программирования и систем управления базами данных, а в при-
ложении 9 приведены примеры ППП, процедурно ориентирован-
ных на задачи технологии, автоматизации программирования и
автоматизации проектирования АСУ.
Основной частью разработки программного обеспечения
АСУТП является его специальная, ориентированная на управле-
ние конкретным ТОУ часть.
Специальное программное обеспечение (СПО) конкретной
АСУТП (АСУОТП) как неотъемлемая составляющая часть системы
1 При поставке конкретным заказчикам специфицированных УВК, кроме
ОПО. заводами-изготовителями поставляется необходимый комплект диагности-
ческих программ в соответствия с конфигурацией комплекса.
5 В. М. Ввлькоя 129
ОС
Рис. 5.6. Обобщенная конфигурация ПО АСУТП
представляет собой совокупность программ, размещаемую вместе
с машинной информационной базой в иерархическом ЗУ УВК.
Разработка СПО является весьма длительным и трудоемким про-
цессом в силу сложности н исключительного разнообразия управ-
ляемых ТОУ, функций и алгоритмов задач управления и соот-
ветственно их программных интерпретаций. Сложность ПО
АСУТП как системы (СПО и ОПО) может быть проиллюстрирована
обобщенной конфигурацией (рис. 5.6), в которой выделены функ-
циональные подсистемы, управляющие структуры, иерархиче-
ская база данных, вычислительные процедуры [90].
В создании такой системы следует выделить две главные про-
блемы: 1) постановку задачи автоматизации и описание алгорит-
мов управления реального времени (прикладное математическое
обеспечение); 2) разработку совокупности программ реального
времени с параллельными логико-вычислительными процессами
и организацией ситуационного управления решением задач.
Как показано в работе [29], создание ПО можно представить
как процесс задания и преобразования последовательности мо-
делей, реализуемый по схеме SYST* -> F* -> А* SYST -»-F—>
р А -и Р (SYST).
Модель SYST* —это описание АСУТП (АСУОТП) на уровне
подсистем.
Модели F* описывают подсистемы набором функций управле-
ния.
При построении модели А* (общий алгоритмический уровень)
детализируется каждая функция, строится модель ситуационного
управления, определяющая последовательность решения задач.
130
и выделяются алгоритмические модули, которые реализуют за-
дачи.
Модель SYST представляет собой набор требований к ПО;
при ее построении выполняется декомпозиция ПО на отдельные
подсистемы. При этом описания и функции подсистем могут отли-
чаться от описания системных подсистем (модель SYST*) из-за
отличия системных и программных функций, включающих не
только управляющие, но и информационные н вспомогательные
функции.
Модель F — описание системы иа уровне функциональных
элементов, она задает формальные требования к программам,
связи по информации и управлению между выделенными функцио-
нальными элементами.
Модель Р представляется в виде набора программных специфи-
каций на функциональные элементы системы, а алгоритмическая
модель А конкретизирует описание функциональных элементов
иа уровне алгоритмов с учетом всех требований к ПО, включая
обеспечение программной надежности.
Наконец, Р (SYST) — это полная программная реализация
системы, в которой можно выделить программные реализации
(модели) подсистем, задач модулей, а также алгоритмов и функций.
Разработка программной системы, которая должна обладать
свойствами1 функциональной достаточности (полноты), надеж-
ности (в том числе восстанавливаемости, наличия средств выяв-
ления ошибок), адаптируемости, модифицируемости, модуль-
ности построения и удобства эксплуатации, завершается иа ста-
диях рабочего проектирования н внедрения.
Процесс создания ПО начинается иа самых ранних стадиях
проектирования АСУТП (АСУОТП), а по результатам этапов си-
стемного проектирования и конструирования иерархического
УВК, по крайней мере, должно быть сформировано н/нлн разрабо-
тано общее программное обеспечение в совокупности с информа-
ционным. Трудоемкость и результаты этой работы в большой сте-
пени определяются степенью отработки ОПО координирующих
микроУВК, включаемых в конфигурацию иерархического УВК,
а в случае включения в конфигурацию моделей иерархических
УВК широкого применения (выпускаемых как промышленная про-
дукция) — степенью отработки н полнотой ОПО таких УВК
(включая программные средства обеспечения протоколов связи).
Более того, развитие принципов модульности и стандартизации
применительно к СПО позволяет в той или иной степени (в зависи-
мости от типа ТОУ) сформировать часть СПО на этапах систем-
ного проектирования и конструирования иерархических УВК.
Характерным примером такого результата может быть иерархи-
ческий УВК ГАП механообработки, когда на нижнем уровне
1 ГОСТ 24.104—85 «Автоматизированные системы управления. Общие
требования».
131
ПО мзтп
с централизо-
ванным управ-
лением
По иерархических АСУТП
Рис. 5.7. Обобщенная многослойная иерархическая схема СПО АСУТП
используются выпускаемые промышленностью ГПМ типа «станок
(обрабатывающий центр) — СЧПУ — робот (АСУ робота + мани-
пулятор) с встроенным СПО». К этому можно добавить обшир-
ный перечень программных модулей, выполняющих стаадартные
логико-вычислительные алгоритмы (модули) и широко исполь-
зуемых В ОПО различных АСУТП, стандартизованные программ-
ные подсистемы, проблемно-орйентированные на решение задач
управления некоторыми классами ТОУ, и, наконец, программные
модули процедур оперативного организационно-технологического
управления, в большой степени инвариантных к характеру ТОУ
[15]. Последнее было показано в работе [15] и иллюстрируется
структурной схемой СПО для решения задач оперативного управ-
ления (планирование подготовки производства -*• расчет ССЗ <-*
-> слежение за ресурсами -> анализ ситуаций).
Если представить комплекс специального ПО иерархического
УВК в виде обобщенной многослойной иерархической схемы
(рис. 5.7), то можно констатировать, что наиболее ограничены
возможности стандартизации ПО для УВК тех уровней, где ре-
шаются задачи, связанные с оптимизацией нлн адаптивным управ-
лением, а также выбором рабочей точки в математических моде-
лях ТОУ.
В алгоритмах и программных модулях, реализующих именно
эти задачи, отражаются особенности каждого конкретного вида
ТОУ. Тем не менее, как показал опыт, при ориентации на опре-
деленные классы ТОУ можно достичь серьезных успехов в стан-
дартизации СПО АСУТП, тесно связанной со стандартизацией
других видов обеспечения [22J.
132
Исследование возможностей стандартизации при создании ряда
АСУТП позволило сформулировать ряд базовых принципов, ко-
торые, в частности для координирующего УВК в иерархических
АСУТП, определяются следующим образом:
1) для выделенного класса задач распределение функций между
ОПО и СПО должно быть детерминировано, при этом необходимо
базироваться иа модульной организации УВК (аппаратные и
Программные модули);
2) количество и номенклатура устройств ввода—вывода, поря-
док адресации и другие системные параметры должны быть стан-
дартизованы для источников и приемников информации различ-
ного класса;
3) операционная система должна быть открытой для приема
и отработки новых внешних и внутренних сигналов прерываний
с ориентацией как на событие, так н на временной регламент;
4) организация машинных массивов данных (информацион-
ное обеспечение) для всех задач разрабатываемого класса АСУТП
должна быть стандартной; на основе этой организации вырабаты-
ваются и формулируются соответствующие требования к оформ-
лению программных модулей, в частности, должны быть стандарти-
зированы и формы выдачи результирующей информации (формы
сводок);
5) во всех архитектурных параметрах должна предусматри-
ваться количественная избыточность относительно их среднеста-
тистических значений в системе данного класса;
6) для стандартизации средств диалога оперативного персо-
нала с ЭВМ должно быть обеспечено применение естественного
языка с множеством подъязыков, имеющих единый синтаксис
и «служебный» словарь, но переменный функциональный словарь
(лингвистическое обеспечение).
Важнейшую роль для реализации принципов стандартизации
программного обеспечения играет операционная система (ОС).
В частности, оснащение координирующих УВК стандартными ОС
(базовым ОПО) позволяет освободить разработчиков конкретных
систем от формализации и программирования таких сложных за-
дач, как управление вводом—выводом, обслуживание устройств
связи с оперативным персоналом, планирование обработки обоб-
щений, управление очередями, обработка прерываний, организа-
ция таймеров, автоматический обмен между ЭВМ, диагностика и
индикация неисправностей.
При переходе к иерархическому построению УВК, так же как
и для аппаратных средств, в определенной степени меняется под-
ход к стандартизации программного обеспечения. Распределение
функциональных задач по иерархическим уровням предполагает
Дифференциацию выполняемых работ по программированию для
координирующих ЭВМ и микроЭВМ нижнего уровня. В целом
ПО для каждого уровня больше поддается стандартизации. Ос-
новными объектами стандартизации для координирующего УВК
133
I зк₽<имм Р'Йаширобания
сообщения । г^ДоЗсиоп&ма автоматизации коксйрйДра8сн(аЖ^д—*
Библиотека моЗм/ей и ")
текстовых заготовок |
Ifatacafou npsutccag I
IMSSS^T I
Файл*/ полмвйгимя
Про
ан*
м
[Йитерпййэдязд! I I
— I НиСпОЛя I
ТПдбсйстеом с/шабсчюгааяотуябП!О(1им~[
наго обеспечения |
рис. 5.8. Структура инструмен-
тальной системы автоматизации
становятся ОС, подсистемы взаимодействия с оперативным персо-
налом, расчета ТЭП, формирование машинной базы (банка)
данных, пользования базой данных в информационно-справочном
режиме, а для локальных мнкроУВК — подсистемы измерения,
предварительной обработки информации, прямого цифрового уп-
равления и регулирования режимов ТОУ, а также подсчета коли-
честв обрабатываемых и выпускаемых изделий в темпе работы тех-
нологического оборудования.
Достигнутые результаты в стандартизации ПО с системных
позиций определяют эффективность создания переносимого (мо-
бильного) ПО, т. е. однажды созданные программы или целые ком-
плексы программ могут использоваться на разнотипных ЭВМ
в различном сочетании, что существенно снижает затраты на соз-
дание нового ПО. Обобщенные оценки переноса программ на раз-
личных уровнях их описания в среду однотипных ЭВМ и ЭВМ
другого типа (инструментальные ЭВМ с кросс-средствами 1 авто-
матизации разработки программ) представлены в табл. 5.2. Ре-
шение существующих противоречий между мобильностью н эф-
фективностью использования разработанных программных средств
в значительной степени влияет на качество результатов системных
проектирования и конструирования иерархических УВК.
Уже отмечалась (см. п. 5.2) тенденция все более широкого
применения в АСУТП ПЭВМ. Поскольку ПЭВМ ориентированы
в основном на непрофессиональных программистов, особое зна-
чение приобретает наличие развитых инструментальных средств
для автоматизации разработки СПО. Примером активизации раз-
работок в этой области может служить инструментальная про-
граммная система, структура которой изображена иа рис. 5.8
° В ириложении 10 даны в качестве иллюстрации характеристики отечествен-
ных кросс-снстем для мнкроЭВМ.
134
Таблица 5.2. Обобщенные оценки эффективности переноса программ
Уровни переносмкости Условия Комвовенты ПО Работе, обв£печвваюп|де переносимость Эффек- тивность переносе не одно- типную ЭВМ, % Эффектней ость переноса ва ЭВМ другого типе, %
Уровень алгоритме» Алгоритмическая реа- лизуемость по ресур- сам ЭВМ Алгоритмы функ- циональных задач Выбор и/нли кор- ректировка алго- ритмов 10—20 10—20
Уровень специфика- ций требований Программная реали- зуемость по ресурсам ЭВМ Спецификация на модули, группы или комплексы программ Выбор и/яли кор- ректировка специ- фикации 15—25 10-20.
Уровень текстов про- грамм:
на языке высокого уровня Унификация техно- логии разработки, совместимость с ОС Тексты программ модулей и описание переменных Настройка системы автоматизации иа новую ЭВМ и усло- вия обработки 80—90 60—80
иа языке ассем- блера исходной ЭВМ Идентичность - типа ЭВМ, совместимость с ОС То же (на ассембле- ра) Выбор модулей,- иа-. стройка на интер- фейс и описание пе- ременных 60—80 Конвертирование не- эффективно по ис- пользованию ресур- сов ЭВМ
Уровень текстов про- грамм в объектном Коде исходной ЭВМ Идентичность типа ЭВМ, совместимость с ОС, унификация межмодульного ин- терфейса Текста программ мо- дулей в объектном коде Выбор модулей, кон- троль интерфейса по управлению и ин- формации S0—70 Интерпретация и эмуляция неэффек- тивны но использо- ванию ресурсов ЭВМ
2-й уровень 3-й уровень
Рис. 5.9. Фрагмент иерархического меню дли обеспечения работы инструментальной системы
180]. В данной системе, во-первых, выполняется функция обра-
ботки файлов пользователя с использованием библиотеки про-
граммных модулей и текстовых заготовок. Второй важной функ-
цией является поддержка пользовательского интерфейса, для чего
используются системные программы, которые обеспечивают диа-
лог с системой, в форме иерархического меню, использование ко-
мандного языка вопросов и ответов и взаимодействие с системой
в режиме экранного редактирования.' (На рис. 5.9 представлен
фрагмент иерархического меню.) Кроме того, инструментальная
система снабжает пользователя справочной информацией, а также
обеспечивает разработку, отладку и выполнение прикладных
программ с помощью специального инструментального языка.
Относительно новой задачей в области программного обеспе-
чения АСУТП (АСУОТП) является разработка программных
средств реализации протоколов и интерфейсов ЛВС. Как известно,
функции взаимодействия в ЛВС, так же как и в глобальных се-
тях, представлены набором уровней функций взаимодействия в со-
ответствии с семиуровневой моделью ISO, которые (кроме нижнего
физического уровня) реализуются программными средствами.
Как правило, при построении АСУТП (АСУОТП) на принципах
ЛВС иет необходимости реализовывать все уровни. Так, описан-
ный в работе [86] связной монитор взаимодействия процессов
производственной вычислительной сети кроме физического реали-
зует только функции канального, сетевого и транспортного уров-
ней.
Следует отметить, что применение принципов ЛВС в разработ-
ках АСУТП и АСУОТП практически только начинается, поэтому
иа данном этапе вопрос стандартизации решений связных мони-
торов процессов остается открытым.
6.4. ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Согласно определению ГОСТ 24.003—84 информационное обес-
печение АСУ определяется характеристиками информации, хра-
нимой и обрабатываемой в системе, в аспекте процедур опериро-
вания с данными безотносительно к их содержанию. Определим
термин данные применительно к АСУТП как первичные
сведении, получаемые от прямого наблюдения за ТОУ и выражае-
мые в форме чисел, слов или специальных обозначений, а термин
информация — как сведения, полученные после соответ-
ствующей переработки данных и раскрывающие содержание чи-
сел, слов и обозначений, которые описывают тот или иной ТОУ
136].
Заметим, что в АСУТП основную роль играет отображающая
информация, которая характеризует материальные или абстракт-
ные сущности посредством описания их свойств или отношений.
Применительно к информационному обеспечению принципы
системного подхода формулируются следующим образом:
137
создание единой информационной базы (ИБ) — применительно
к АСУТП это в основном внутримашинная ИБ;
разработка типовой схемы обмена данными между системой
и оперативным персоналом включая формирование ИБ, внесе-
ние в нее изменений и выдачу данных;
разработка единой общесистемной схемы хранения и обеспе-
чения решаемых задач исходными данными;
обеспечение возможности поэтапного и непрерывного наращи-
вания емкости информационной базы, т. е. динамического способа
ее формирования;
обеспечение одноразовости и независимости ввода данных от
времени решения и количества решаемых задач.
Исходя из перечисленных принципов основными задачами ин-
формационного обеспечения с учетом взаимосвязи с другими ви-
дами обеспечения функционирования системы являются: опреде-
ление форм информационного представления объектов н процес-
сов (ТОУ), структуры н состава информации, ее увязка с решае-
мыми задачами, а также формирование нормативного словаря
для обозначения и описания объектов и их свойств. Отражая
последнее положение, стандарт устанавливает, что в состав ин-
формационного обеспечения включаются нормативно-справочная
информация, необходимые классификаторы и унифицированные
документы, если таковые необходимы — в АСУТП онн могут быть
не нужны (рис. 5,10).
Следует отметить, что важность реализации системных прин-
ципов и решения задач информационного обеспечения возрастает
при увеличении масштабов ТОУ. На иижнем уровне управления
отдельными операциями задачи могут решаться в рамках разра-
ботки математического и программного обеспечения, прн пере-
ходе же к более высоким уровням, увеличении значимости опера-
тивного персонала в управлении и построении АСУОТП роль
информационного обеспечения становится все более важной,
а задача его разработки — в известной степени самостоятельной.
По мере изменения характера взаимодействия персонала с ЭВМ
(внутрнмашннной информационной базой) усложняется структура
и состав средств информационного обеспечения, а также усили-
вается его взаимосвязь с лингвистическим обеспечением. Для
иллюстрация этой тенденции можно привести структуру средств
информационного обеспечения автоматизированной информацион-
но-справочной подсистемы [211.
На рнс. 5.11 показано, что вся информация, хранящаяся во
внутрнмашннной информационной базе, делится на следующие
группы: предметная информация; каталоги; вспомогательные тек-
сты; справочники; управляющие таблицы; протокольная инфор-
мация.
Первая группа составляет основу базы данных, в нее входят
все массивы данных н информации, необходимой для персонала
(пользователей).
138
Информационное обеспечение АСУ
Определение объ- емов, размеще- ния и формы ор- ганизации инфор- мации в ИБ Определение со- держания и структура нор- мативно-справоч- ной информации Перечень, опреде- ление содержания к структура классификаторов Определение со- держания к структура (фор- ма) унифиццро- ванных докумен- тов
Информационная база АСУ
Внемашиншик совокуп- ность сообщений, сиг- налов и документов, используемая при функ- ционировании АСУ в форме, воспринимае- мой человеком Внутримаишнная'. со- вокупность используе- мых в АСУ данных на машинных носителях системы
Рис. 5.10. Общий состав информационного обеспечения АСУ
Средн массивов второй группы основную роль играет генераль-
ный каталог, формируемый в виде индексной таблицы, структура
которой может меняться для различных конфигураций системы
с учетом структуры и объема информации в предметной области.
Кроме того, предусматривается формирование частных катало-
гов по отдельным носителям и видам информации, что позволяет
организовать дополнительный сервис для пользователя н обеспе-
чить резервирование накопителей.
Вспомогательные тексты обеспечивают диалоговый режим ра-
боты системы. Так, совокупность кодограмм представляет собой
машинный справочник по структуре данных и способам их коди-
рования.
Инструктивные документы позволяют с помощью соответствую-
щих аппаратно-программных средств вызова выполнять «про-
граммируемое обучение» путем общения с подсистемой. Редакти-
рующие тексты предназначаются для оформления выходных
записей, а сигнальные — для информирования о различных не-
штатных ситуациях (отсутствие требуемой информации, сбой и Др.).
В состав информационного обеспечения входят также цифровые
справочники для перехода от одной системы кодирования к дру-
гой и текстовые справочники для расшифровки цифровых кодов.
139
База данных АИСС
Рис. 6.11. Стррвтура ИО ЛИСС
Во всех режимах используются специальные управляющие
таблицы, описывающие структуру и размещение информации
(описание массивов и записей), схему трансляции и контроля
запросов, реакции на внештатные ситуации. И наконец, преду-
сматривается формирование и накопление массива информации
протокольного типа.
Существенное влияние на эффективность информационного
обеспечения оказывают проектные решения виутримашиниой
части информационной базы.
Известно, что в действующих современных АСУ можно выде-
лить два основных вида организации виутримашиниой части ИБ:
пофайловую организацию массивов данных (по ГОСТ 20886—85
ф а й л— совокупность данных, которая состоит из логических
записей, относящихся к одной теме) и организацию на основе
баз данных.
Пофайловая организация предусматривает соз-
дание специализированных на решение конкретных задач масси-
вов данных, при этом осуществляется жесткая привязка данных
к алгоритмам преобразования и реализующим эти алгоритмы про-
граммам, что затрудняет процесс пользования информационной
базой и реализацию задач, инициируемые в форме запросов.
Существенным недостатком пофайловой организации является
избыточность информации, поскольку для решения различных
задач часто записываются одни и те же данные. Применение по-
файловой организации данных и в настоящее время объясняется
высокой скоростью обработки данных, поскольку структура и
организация файла соответствуют логике его обработки про-
граммой.
Общепризнана перспективность для практически любых авто-
матизированных систем обработки информации (включая АСУТП
и АСУОТП) создания баз данных, в той или иной
степени исключающего недостатки пофайловой организации. В со-
ответствии с ГОСТ 24.003—84 база данных АСУ — это
«совокупность используемых при функционировании АСУ дан-
ных, организованная по определенным правилам, предусматри-
вающим общие принципы описания, хранение и манипулирова-
ния данными, и независимая от прикладных программ».
В определении подчеркивается одно из основных свойств баз
данных — их «независимость» от прикладных программ. Послед-
нее означает, что измеиевие одних программ ие приводит х изме-
нению других. Таким образом, обеспечивается относительная
простота добавлении новых или модификация хранимых данных,
а также возможность применения общего управляемого способа
поиска данных.
К сожалению, в определении ие отмечено другое важнейшее
свойство организации ИБ иа основе баз данных — минимальная
избыточность данных, поскольку, в принципе, одними и теми же
Данными можно пользоваться при решении различных аадач.
141
На практике, как отмечается в работе 1591, «полностью независи-
мые данные бывают так же редко, как и полностью иеизбыточные».
Действительно, как показывает анализ эволюции концеппии баз
данных и опыта создания различных систем с базами данных,
проектировщики идут на различные компромиссы при организа-
ции машинных баз данных для получения практически приемле-
мого комплекса таких характеристик, как производительность,
гибкость, экономичность. Как правило, в АСУ выделяют несколько
баз данных, автоматически управляемых СУБД, которая может
обеспечивать одновременный доступ к каждой базе данных не-
скольких пользователей. В базы данных включают так называе-
мые общесистемные массивы, кроме того, исходя из практиче-
ской целесообразности в ИБ выделяют также локальные массивы
для решения отдельных задач.
Следует подчеркнуть, что для АСУОТП участков и цехов воз-
можность прямого доступа персонала к базам данных, диалоговой
работы с данными имеет существенное значение для эффектив-
ного принятия решений и выработки регулирующих воздействий.
Поэтому важным является развитие способов взаимодействия чело-
века с ЭВМ с возможностью прямого доступа к БД.
В качестве примера работ, выполненных в последние годы в этом
направлении, можно назвать описанный в работе (431 форматно-
табличный подход к организации взаимодействия с СУБД. Сред-
ства взаимодействия реализованы в СУБД ПЛАТОН для ЭВМ
ЕС 1010 в среде ОС и ДОС. Базы данных, поддерживаемые ука-
занной СУБД, состоят из иерархически расположенных сегмен-
тов. Каждый сегмент имеет в своем составе два основных вида
реквизитов: реквизиты, имеющие шаблон, и текстовые фраг-
менты (последовательности текстовых строк). Пользователь вза-
имодействует с БД в двух режимах — форматном (Ф-режим)
и табличном (Т-режим). Ф-режим позволяет работать только с од-
ним сегментом базы, при этом для работы с текстом пользователю
предоставляется электронный редактор, который действует в пре-
делах окна, отведенного фрагменту. Т-режим позволиет работать
с последовательностью сегментов одного уровня иерархии, при
этом иа экране дисплея присутствует таблица, каждая строка ко-
торой соответствует одному сегменту. В обоих режимах сущест-
вуют два состояния — командное и редактирования, связанные
возможностью перехода из одного в другое.
Как указывается в работе (431, важной особенностью формат-
но-табличного подхода (языка) к маиипулироваиию данными яв-
ляется возможность его поэтапного изучения. На первом этапе
можно научиться просматривать БД, на втором — находить
нужные данные, пользуясь механизмом контекстного поиска в таб-
лицах, на третьем — переходить к просмотру временной таблицы
и получению по ией итоговых строк. В результате осваиваются
мощные средства работы с данными и информацией, получаемой
в результате обработки данных.
142
б.б. ЛИНГВИСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Выделение лингвистических вопросов в отдельный уровень
разработки АСУ (АСУТП) впервые официально зафиксировано
выпущенным в 1974 г. стандарте иа автоматизированные системы
управления н, как указывалось в п. 5.1, закреплено
ГОСТ 24.003—84. Доледавнего времени в ряде литературных ис-
точииков этот вид обеспечения не выделялся, считалось, что эти
вопросы можно решать в основном на уровнях матемагического и
информационного обеспечения. Однако с позиций системного под-
хода сведение лингвистических вопросов в отдельную, специаль-
ную часть разработки АСУ явно оправдано.
При разработке лингвистического обеспечения должна быть
проведена четкая граница между тем, что должен делать человек,
и тем, что может сделать ЭВМ [46]. Это особенно важно для та-
кого класса систем обработки данных, какими являются АСУТП,
поскольку оперативный персонал не владеет профессиональными
знаниями в области использования ЭВМ, а многообразие реш?“-
мых задач определяется многообразием ТОУ.
Следует подчеркнуть, что все языковые средства, применяемые
в АСУТП, можно разделить иа три типа: естественно-специализи-
рованные; информационные; программирующие.
Естественно-специализированные и э ы -
к и представляют узкий набор терминов, ориентированный на
выбранную область применения, при этом синтаксис языка, как
правило, упрощенный.
Информационные языки предназначены для наи-
более простого перехода рт естественного языка к машинному.
При выборе языковых средств этого типа необходимо учитывать
тип информационного обеспечения — отображения объектов и их
отношений. Эффективность АСУТП во многом зависит от их удач-
ного построения.
Подход кпрограммирующим языкам в АСУТП,
в принципе, аналогичен принятым для других систем обработки
данных, однако в целях получения более качественных (по длине
и времени выполнения) программ иа практике чаще всего исполь-
зуют машинио-ориеитироваииые языки типа* языка ассемблера
или автокода.
Еще в конце 1960-х годов были созданы первые системы типа
«заполни пустые места» для управляющих ЭВМ конкретного
типа. В этих системах, базирующихся на унифицированных алго-
ритмических модулях, которые отражают специфические особен-
ности определенных классов ТОУ, и лингвистическом обеспече-
нии, ориентированном иа оперативный персонал, реализовыва-
лись комплексы ПО, которые позволяли заменить программиро-
вание функциональных задач управления вводом параметров, опи-
сывающих ТОУ. За рубежом возможности таких систем впервые
продемонстрировала фирма «Ай-Би-Эм» (IBM) на своей управлию-
143
щей ЭВМ IBM 1800 11091. Система PROSPRO-1800, использован-
ная для этой ЭВМ, состояла из отдельных заранее запрограммиро-
ванных подсистем сбора, обработки и регистрации данных, бло-
ков, управляющих операциями, а также подсистемы вывода дан-
ных иа пульт оператора (технолога). В каждую из подсистем опе-
ратор или технолог вводил данные с помощью специальных ин-
формационных бланков, которые представляли собой вариант
проблемно-ориентированного языка высокого уровня. В част-
ности, бланк обобщенного уравнения вида X = А 4- В (С 4-
4- (F/D)]e позволял путем задания его членов получать самые
различные алгебраические уравнения. На бланке давалась ин-
формация для определения частных форм и содержание уравне-
ний, а также конечный результат или исходные данные для ре-
шения следующего общего уравнения.
Бланк информации о регулирующих воздействиях служил
для составления дифференциальных соотношений (изменения уп-
равляемых переменных), которые сводились к стандартному урав-
нению вида
0 = ЛДу + ГаД« + Г3Д£ +
4- ^Дс»! + F6Av2 4- FeAoa,
где у — выходная переменная; и — входная переменная; £ —
неуправляемая переменная; vlt v2, os — другие переменные.
Комплект заполненных бланков (шести типов) системы
PROSPRO-1800 содержал полную информацию о переменных уп-
равляемого процесса и стратегии управления.
Интересной зарубежной разработкой в области стандартиза-
ции лингвистического и программного обеспечения, ориентирован-
ного на управление процессами и оборудованием, является язык
Control и его программное обеспечение, представляемое компиля-
тором, операционной системой и рабочей программой [103].
Первая версия этой стандартизированной системы разрабатыва-
лась американскими фирмами «Чейз Грасс эид Коппэ» (Chase
Grass and Copper) и «Тексас Инструменте» (Texas Instruments)
с ориентацией на конкретные аппаратные средства: миии-ЭВМ
модели 960 В с ОЗУ, имеющим объем памяти 64 К (16 разрядов),
ЗУ иа магнитных дисках, а также УСО с 2048 линиями входных и
дискретных сигналов, 512 — входных и выходных аналоговых
сигналов, 32 линиями связи с терминалами и другими ЭВМ.
Операционная система генерируется один раз фирмой — постав-
щиком ЭВМ под заданную конфигурацию аппаратных средств
(с учетом наращивания) и не требует в дальнейшем изменений.
Рабочая программа создается после загруаки операционной си-
стемы инженером по управлению в процессе активного диалога
с ЭВМ.
Одним из новшеств по сравнению с другими языками управле-
ния процессами явилось введение в язык Control понятия и а б о р.
Набор состоит из нескольких групп, включающих любое число
144
операторов вида ПРОВЕРКА, за которыми следует любое число
операторов вида ДЕЙСТВИЕ. Например, набор
ПРОВЕРКА
ДЕЙСТВИЕ
ПРОВЕРКА
ДЕЙСТВИЕ
КОНВ(ейер)1 ВП(еред) ВКЛ(ючен)
ТЕМП(ература) 17 1325
ПУСК(атель) == ВКЛ(ючить)
НАГРЕВ(атель) 17 = — ВЫКЛ(ючить)
КОНЩевнк) 22 « ЗАМКНУТ
КОНЦ(евяк) 23 - РАЗОМКНУТ
КОНВ(ейер) 2 НА (зед) == ВЫКЛ(ючить)
ЗАП(устить) ТАЙМЕР 28, 4, 5 121
ПОДН(ять) НАПР(яженне) 3 8,5 0,5
означает, что после его включения при положительных результа-
тах двух проверок (и промежуточном действии) конечное действие
определять при отсчете таймером № 28 4,5 с включением набора
№ 121 и увеличением выходной переменной НАПР 3 др значе-
ния 8,5 В со скоростью 0,5 В/с.
Применение системы Control, как указывают разработчики,
не требует привлечения профессиональных программистов, ис-
ключает ошибки компиляции, обеспечивает автоматическое оформ-
ление документации и уменьшает полную трудоемкость в среднем
в 10 раз.
В отечественной практике первая система программного обес-
печения типа «заполни пустые места» была разработана примени-
тельно к узкому классу систем контроля интегральных схем [19].
В результате была получена возможность без изменения программ
обеспечивать контроль относительно широкой номенклатуры ин-
тегральных схем путем введения лишь исходных данных об элек-
трических режимах конкретных схем.
В течение ряда лет разработки средств взаимодействия чело-
века с ЭВМ в конкретных АСУТП и АСУОТП (221 кроме реше-
ния частных задач управления в соответствующих системах были
направлены иа создание принципов и методов эффективного об-
мена информацией в реальном времени между управляющей вы-
числительной техникой и неквалифицированными ее пользовате-
лями. Результаты проведенных исследований и разработок пред-
ставляют класс специализированных языков диалога оператив-
ного персонала с иерархическими (или одноуровневыми) УВК,
а также методы и средства их практической реализации. В зависи-
мости от полноты технической (аппаратной или аппаратно-про-
граммной) реализации специализированный язык может рассма-
триваться как проблемно-ориентированный или машинно-ориен-
тированный.
! Основным стимулом дли разработки нового класса языков
^послужили идеи реализации машинно-ориентированных аппа-
ратно-программных средств, позволяющих с минимальной избы-
точностью удовлетворять требованиям широкого спектра приме-
нений и, таким образом, сэкономить значительную часть тех
|Средств и времени, которые тратятся многими предприятиями на
145
разработку конкретных АСУТП. Цели этого направления работ
были сформулированы и обоснованы в начале 1970-х годов и бази-
ровались на двух положениях: 1) технико-экономической целесо-
образности перехода от практики программирования специальных
задач управления для каждой АСУТП к разработке стандартных
для определенного класса АСУТП систем (подсистем) программ-
ного обеспечения в целях их последующего использования [221;
2) переходу в системах организационно-технологического управ-
ления от документальной формы передачи оперативной информа-
ции к ее наглядному отображению. Оба этих положения нашли
отражение в унифицированных диалоговых технических средствах,
которыми должны комплектоваться УВК. Основные принципы,
на которых базировалась разработка семейства языков диалога
оперативного персонала с УВК, заключаются в следующем:
1) осуществляется переход на этапе эксплуатации от докумен-
тированной формы представления диалога к наглядному отобра-
жению;
2) иа основе анализа усредненных характеристик естествен-
ных языковых форм в производственном процессе определяются
требования к минимальному словарному фонду и наиболее про-
стому синтаксису диалогового языка;
3) иа основе анализа разработок средств взаимодействия чело-
века с ЭВМ в конкретных АСУТП разрабатываются варианты
обобщенных алгоритмов диалога и их аппаратно-программной
реализации как стандартной компоненты средств УВК;
4) вводится классифицирование языков на подъязыки по при-
знаку сложности выполняемых оперативным персоналом функций
на различных иерархических уровнях;
5) как компромисс между эргономическими характеристиками
конструкции аппаратных средств диалога и средней избыточностью
словарного фонда выбираются синтаксические и семантические
формы двустороннего обмена семейства языков, определяющие
множество их схемно-конструктивных отображений;
6) конкретные конструкции средств (пультов) диалога с пере-
менным словарем основных и служебных терминов отображают
множество проблемно-ориентированных подъязыков;
7) разработка программных средств кодирования, вклинива-
ния запросов в систему программного обеспечения, выработки
многоуровневых ответов и их отображения, а также аппаратных
средств согласования с интерфейсом конкретных УВК означает
создание стандартных для данного УВК средств; для конкрет-
ных АТК изменение словарного фонда, при этом обеспечивает
применение средств, разработанных для тех областей применения,
требования которых учитывались;
8) при реализации машинно-ориентированных языков разраба-
тываются внутренний язык системы на основе классификации сло-
варного фонда, а также средства трансляции с языка оператив-
ке
иого персонала (запрос) иа внутренний язык системы (поисковое
предписание), взаимодействия с машинной бавой данных (сопо-
ставление поискового предписания с матрицей термии-массивов)
и инициирования программ обработки.
Эффективность новых принципов построения средств взаимо-
действия была показана при создании пультов индивидуального
и группового пользования. Базовой явилась разработка универ-
сального пульта ввода—вывода информации индивидуального
пользования (УПРВВ-1,2). Пульт и соответствующее программ-
ное обеспечение позволяют пользователю вводить и корректи-
ровать значении одиночных параметров, вводить массив данных,
решать технологические расчетные задачи с выдачей результата
из ЭВМ на цифровое табло, вводить значения одиночных пара-
метров, выводить массив данных последовательно по директивам
из ЭВМ.
Чтобы обеспечить выполнение перечисленных функций иа
различных технологических операциях, введено четыре клавиш-
ных поля, в том числе поле наименований параметров, поле наи-
менований категорий запросов (задач), поле десятичных цифр и
поле служебных клавиш. В отличие от клавиш первых двух по-
лей (функциональный словарь языка пользователя) значение кла-
виш для вэода чисел и служебных всегда одно и то же, т. е. они
составляют неизменную (служебную) часть словаря языка поль-
зователя. Эго относится также к ответам ЭВМ, выдаваемым в циф-
ровой форме иа табло (8 знакомест) и в форме директив, которые
определяют последовательность действий оператора (технолога),
иа одни из восьми траиспорантов. * Структура запроса опи-
сывается следующей системой металингвистических выра-
жений (22):
(запрос)(начало запроса) (исходные данные) (конец запроса)/
(начало запроса) (конец запроса)
(начало запроса) (сброс) (наименование запроса)
(сброс) (сброс)
(наименование запроса) (наименование клавиши в поле наиме-
нований задач)
(исходные данные) ::= (элемент данных)/(нсходные данные) (эле-
мент данных)
(элемент данных) ::= (наименование параметров)/(иаименованив
параметра) (номер параметра) (конец яа-
бора)/(нанмеяование параметра) (значение
яараметра)/(кокец набора)/
(наименование параметра) (номер параметра)
(конец набора) / (значение параметра)
(конец набора)
(наименование параметра) (наименование клавиши в ноле наи-
менований параметров)
(номер параметра) (двузначное десятичное целое)
(значение параметра) ::= (восьмизначное десятичное целое или
дробное)
(конец набора) ::= (конец набора)
(конец ааяроса) ::= (конец запроса)
147
Ответы (директивы) ЭВМ, отобранные иа транспарантах
УПРВВ-1, описываются следующим образом:
(ответ) (указать наименование запроса)
(указать смысл параметра)/
(набрать номер параметра)/
(набрать значение параметра)/
(указать пароль)/(результат)
(запрос приият)/(повторяте запрос)
Предусмотрены также следующие стандартные запросы:
1) (разрешение работы УПРВВ-1) ::= (сброс пароль)
(шифр) (конец набора)/(конец запроса)
(шифр) (двузначное десятичное целое)
2) (запрещение работы УПРВВ-1) ::= (запрет)
3) (обнуление базового массива УПРВВ) ::= (сброс)
(обнуление данных) (шифр) (конец набора) (конец запроса)
Пульт УПРВВ-1 ориентирован в основном иа индивидуаль-
ное использование (одним оператором), при этом алгоритмы об-
мена с ЭВМ (за исключением специальных расчетных алгоритмов)
стандартизированы и неизменны. В режиме диалога с ЭВМ мо-
жет работать и неквалифицированный оператор.
Выполняемые УПРВВ-1 функции составляют существенную
часть функций пультов группового пользования (пультов дис-
петчера, старшего мастера, начальника цеха). Поэтому преду-
смотрено встраивание УПРВВ-1 в пульты группового пользова-
ния и использование соответствующего программного обеспече-
ния.
Развитие дисплейной техники, расширение масштабов ее
промышленного производства наряду со снижением стоимости дис-
плеев и мнкроЭВМ в 1980-х годах привело к широкому внедре-
нию УСОП на основе дисплеев, скомплексироваииых с микропро-
цессорными средствами, и развитию специальных лингвистиче-
ских (сценарий диалога, меню, пакетный ввод и т. п.) и про-
граммных средств обеспечения диалога. В качестве примера можно
привести профессиональное автоматизированное рабочее место
диспетчера ПАРМ-Д, реализованное иа базе встроенной микро-
ЭВМ и обеспечивающее: автономное управление обработкой ин-
формации по виутрисмеииой программе (хранимой в ОЗУ или
НГМД); обмен информацией с координирующим УВК АСУ ГАП
по линиям связи (интерфейс радиально-последовательной связи —
ИРПС); ввод—вывод информации в диалоговом режиме с помощью
встроенного дисплея и клавиатуры; вывод информации в виде до-
кументов и отчетных форм любой сложности с произвольным
позиционированием данных (14].
Кроме выполнения оперативным персоналом части функций
управления ТОУ в режиме диалога (в частности, со средствами
терминальных станций, входящих в состав иерархического УВК,
иа основе персональных мнкроЭВМ с дисплеями) УСОП иа ос-
нове дисплеев широко используются в режиме отладки управляю-
щих программ и подсистем управления в комплексе. Типичным
148
примером использования дисплейной техники в производствен-
ных условиях могут служить СЧПУ третьего поколения в обра-
батывающих центрах, в которые встраиваются дисплеи для отобра-
жения, например в режиме отладки новых программ, траектории
режущего инструмента. Важной функцией видеотермииальных
средств в современных УВК является также диагностирование
состояния основных средств УВК и выполняемых программ.
Развитием средств взаимодействия оперативного персонала
с ЭВМ явилась разработка локальных информационно-справоч-
ных подсистем на базе дисплеев и развитых пультов индивидуаль-
ного пользования [211. Как показал опыт эксплуатации информа-
ционно-справочных подсистем руководителями, наличие их в ко-
ординирующем УВК может существенно повысить эффективность
АСУТП за счет возможности в любой момент по запросу получить
информацию о состоянии производства, технологических режимов,
оборудования и др. Причем удалось достигнуть такого уровня
стандартизации, что для использования разработанных средств
в самых различных системах требуется лишь создание соответ-
ствующей информационной базы (ио ие программного обеспе-
чения) и изменение содержательного словаря изыка пользо-
вателя.
Язык диалога пользователя с ЭВМ в значительной степени
определяет эффективность информационно-справочной подсистемы.
Поскольку персонал цехов ие имеет, как правило, необходимой
профессиональной подготовки, основные элементы запроса должны
быть сформулированы в терминах естественного языка. Одиако
требование удобства формирования запросов накладывает жесткие
ограничения иа объем словаря (в том числе и конструкцию пульта
пользователя), поэтому часть запроса должна вводяться в циф-
ровой форме. Выбрать нужный код персоналу поможет сама под-
система, представляющая по его требованию необходимые спра-
вочные данные (электронный каталог) иа дисплее.
Язык подсистемы рассматриваемого класса должен также вклю-
чать аппарат усиления запросов, обеспечивать выдачу информа-
ции иа любом из промежуточных этапов формирования запросов
для их уточнения признаками, относящимися к различным иерар-
хическим структурам понятий, содержать необходимые дирек-
тивы для защиты информации и ограничения доступа к ней.
Анализ совокупности категорий понятий, с которыми могут
оперировать пользователи информационно-справочных подсистем
АСУ, приводит к заключению о целесообразности применения
аиалитико-сиитегического метода классификации и индексации
(фасетной индексации).
Для формирования и передачи в систему запроса и директив
предусматриваются аппаратно-программные средства, включаю-
щие специальный пульт и программный комплекс для приема ди-
рективы, ее трансляции и инициирования соответствующих ис-
полнительных программ.
149
Ряс. 5.12. Пример набора поискового предписания пользователем:
И — инструктаж; У — уточнение; Пр — продолжение; С — сброс набора
С целью упростить формирование директив иа переднюю
панель пульта выводят следующие группы клавиш:
с наименованием основных, наиболее часто употребляемых
фасет;
для цифрового набора пользователем значений фасет, не вклю-
ченных в основное наборное поле пульта;
функциональные, определяющие характер запроса и режим
работы системы.
При обращении к информационно-справочной подсистеме поль-
зователь выбирает одну из интересующих его категорий понятий
и нажимает соответствующую клавишу. На передней панели пульта
имеются дополнительные клавиши для уточнения запроса в оп-
ределенном аспекте. Если же их нет, пользователь нажимает
клавишу «УТОЧНИТЬ», и подсистема выдает иа экран дисплея
список фасет, уточняющих данную категорию понятий иа очеред-
ном уровне.
После передачи в систему нужного кода с помощью клавиш
цифрового набора может быть:
произведена очередная итерация по уточнению данного ас-
пекта;
выполнен (с помощью соответствующей клавиши) переход
к другой категории понятий;
затребован документ по сформированному поисковому образу;
получена вспомогательная информация инструктивного, диа-
гностического или справочного характера.
Например, запись означает поисковый образ
(индекс), состоящий из семи фасет, первые три из которых отно-
сятся к категории А, следующие три — к категории В, послед-
ний — к категории С. При этом Alt Вх, В8, Сх — фасеты, для ко-
торых предусмотрены клавиши на наборном поле; а8, а8, Ь8 —
фасеты, код которых набирают с помощью цифровых клавиш.
На рис. 5.12 показано, как набирать иа пульте часть индекса
(АхЭдЗэ).
Символами С, И, У, П, ПР обозначаются функциональные кла-
виши, нспольауемые для передачи в систему следующих дирек-
тив: С — сброс, И — инструктаж, У — уточнение, П — поиск,
ПР — продолжение.
150
Рассмотренный способ поиска информации достаточно удобен
для неквалифицированного пользователя, обеспечивает при хра-
нении информация на магннтиых дисках быстрый (секундный диа-
пазон) вызов информации из массивов практически неограничен-
ного объема и может широко применяться на уровне координа-
ционного управления ТОУ.
Г лава 6
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ АСУТП
И АСУОТП В ГПС
6.1. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ АСУ ГПС
Весьма важная роль в интенснфнкацин экономики отводится
повышению организационной н технологической гибкости произ-
водства, его комплексной автоматизации с применением робото-
техники, микропроцессорной вычислительной техники, техноло-
гического оборудования с программным управлением, автоматизи-
рованного проектирования. Гибкие производственные системы
(ГПС) и их высший организационный уровень — гибкие автомати-
зированные производства (ГАП) — определяют качественно бо-
лее совершенный этап в комплексной автоматизации производства
и являются самым актуальным направлением создания и приме-
нения прогрессивных форм развития машиностроительных и при-
боростроительных предприятий (дискретное производство).
Предполагается, что внедрение ГПС позволяет в несколько
раз повысить производительность труда для мелко- и среднесерий-
ного производства, доля которого непрерывно растет и которое
дает в машиностроении и приборостроении высокоразвитых стран
др 80% выпускаемой продукции 117]. Среди целей, преследуе-
мых при создании ГАП, называют такие, как значительное сокра-
щение затрат материальных средств и времени на освоение вы-
пуска новой продукции, повышение качества* изделий, снижение
доли брака, увеличение объема выпуска продукции при значи-
тельном сокращении числа занятых рабочих, высвобождение
производственных площадей, повышение коэффициента загрузки
оборудования. Следует отметить, что, по многим оценкам, для
ГПС механообработки (наиболее широкая область внедрения)
особенно актуально резкое (во много раз) повышение коэффи-
циента использования оборудования, который, в частности в мелко-
серийном производстве, весьма ннзок и составляет лишь единицы
процентов.
Представляется интересной структура эксплуатируемых за
рубежом ГПС по числу и типу используемых станков. В табл. 6.1
151
Таблица 6.1. Число
ставков в ГПС
Число ставков в одной ГПС ГПС для обработка
корпус- ных де- талей тел враще- ния
1-3 12 3
4—6 10 5
7—9 8 2
10-12 4 1
13 и более 8 —
Таблица 6.2. Состав ставков в ГПС
Твп ставка ГПС для обработки
корпус- ВЫХ деталей тел враще- ния
Токарный 17 36
Сверлильный 23 3
Фрезерный 27 2
Шлифовальный 3 36
Обрабатывающий 181 8
центр Прочие 29 8
н 6.2 приведены данные о структуре 53 обследованных ГПС в Япо-
нии [82].
Хотя приведенные данные характеризуют прошедший этап,
примечательно небольшое количество охватываемого системами
управления технологического оборудования, что было вызвано
соображениями конкурентоспособности и быстрой окупаемости.
Наиболее существенным выводом, который вытекает нз опыта
проектирования и внедрения ГПС как в капиталистических стра-
нах, так и в странах Восточной Европы и СССР (где эти работы
ведутся с большим размахом), является необходимость широкого
комплекса подготовительных мероприятий. Проведенное в США
исследование показало, что до 60% проблем, возникающих прн
эксплуатация ГПС, вызваны недостаточным вниманием к решению
таких подготовительных задач, как определение цели создания
ГПС, оценка вероятного экономического эффекта от внедрения
ГПС, определение круга связанных с внедрением ГПС техниче-
ских проблем (прежде всего, в отношении гибкости н надежности),
изучение возможности освоения ГПС в установленные сроки 156].
В настоящее время признано, что создание таких сложных н
дорогостоящих производственных систем, какими являются ГАУ
и ГАЦ1 (ГПС на уровне участков, цехов), требует не только тща-
тельного проведения подготовительных работ, но и детальной раз-
работки проектов с рассмотрением всех аспектов нх реализации
и достаточно полным технико-экономическим обоснованием. За-
дача поректировання ГПС любого масштаба является многокри-
териальной и объективно предполагает многошаговый итератив-
ный процесс выполнения процедур анализа, расчетов и оценки
принимаемых решений [56].
Новый этап автоматизации дискретных производств, заклю-
чающийся в создании ГАП, ставит сложные задачи перед разработ-
чиками систем управления ГАП (АСУ ГАП). Эти системы должны
1 ГОСТ 26228—85. «Системы производственные гибкие. Термины и опре-
деления».
152
обеспечивать ие только автоматическое управление технологиче-
скими процессами (включая подготовительные и вспомогатель-
ные операции), транспортными и складскими объектами, участ-
ками комплектования инструментом, приспособлениями, заготов-
ками (материалами) н быстросменными программами управле-
ния различными технологическими агрегатами, но и синхрониза-
цию работы всех указанных компонентов (объектов управления)
с учетом частой смены номенклатуры изделий, которая должна
сопровождаться гибкой перестройкой технологических процес-
сов и материальных потоков. Как следствие, усложняются задачи
оперативного организационно-технологического управления на
верхнем уровне АСУ ГАП (АСУОТП), увеличивается разнообра-
зие задач на нижнем уровне управления (АСУТП), обусловли-
ваемое разнохарактерностью объектов управления (станки и дру-
гие технологические агрегаты с СЧПУ, манипуляторы роботов,
транспортно-накопительные средства, складские подсистемы и
др.). Это, в свою очередь, требует обеспечения автоматического
функционирования информационных потоков, т. е. обеспечения
взаимодействия всех аппаратно-программных средств между со-
бой и с оперативным персоналом и формирования таким образом
локальной многоуровневой производственной вычислительной
сети (рис. 6.1).
Для эффективного функционирования ГАП особое значение
приобретает поддержание живучести (надежности) всех элемен-
тов АСУТП и АСУОТП, контроль и диагностирование их состоя-
ния. Иерархию решаемых АСУ ГАП задач практически для боль-
шинства производств можно представить в виде обобщенной трех-
уровневой схемы. Пример такой схемы для ГАП механосборкн
представлен на рнс. 6.2 [32].
Проектирование АСУ ГАП является частью общего системо-
технического синтеза ГАП, что обусловливает зависимость этого
процесса от предыдущих этапов разработки организационной и
функциональной структур, технологических процессов и техноло-
гической структуры ГАП [56]. Результатом проектирования
АСУ ГАП является разработка ее аппаратного, программного,
информационного и лингвистического обеспечения. При этом,
как и при создании любой технической системы, перед разработ-
чиками стоят две основные проблемы. Первая — точно и детально
определить, что требуется от системы, каково назначение ее под-
систем, т. е. сформировать внешние требования к проектируемой
системе, непосредственно вытекающие из целей ее создания. Вто-
рая проблема связана с выбором оптимального (рационального)
варианта в смысле заданного множества критериев качества реали-
зации СУ ГАП, удовлетворяющего определенным внешним требо-
ваниям (ограничениям).
Решение указанных проблем сопряжено с большими трудно-
стями, вызванными высокой сложностью как разрабатываемой
АСУ ГАП, так и самой процедуры ее проектирования, а именно:
153
Связь с внешними системами ГАП Связь с внешними системами ГАП
Рис. 6.1. Обобщенная структурная схема АСУ ГПС
Рис. 6.2. Пример конфигурации ГАП механосборхк;
/ — сборочный робот; 2 — датчики очувствления; 3 — двухкоордииатный стол; 4 —
миогоннструментальная сбороваая головка; 3 — весанхронный конвейер; 6 — вспомога-
тельные устройства; 7 — модуль управления степенью подвижности; 8 — модуль взаимо-
действия с датчиками очувствления; 9 — модуль управления дискретными входами —
выходами; 10, 14 — модуля межуровневой связи системы управления ГАП; // — модуль
интерпретации программы потребителя: 12 — модуль реаляаапш сложных перемещений;
13 — модуль связи с высшим уровнем АСУ ГАП; 1S — модуль опергтжвко-двспетчер-
ского управления: 16 — модуль таймяровапя в диагностики; 17 — модуль генерация
состава системы: Л — мультипроцессорный магистральный интерфейс; 5 — радиальный
последовательный интерфейс; В — выход иа высший уровень АСУ
154
необходимостью учета большого числа ограничений и крите-
риев проектирования и управления, часто ие поддающихся кон-
структивному заданию;
разнообразием элементов н связей в технологическом комплексе
и самой АСУ ГАП;
существованием альтернативных вариантов используемого обо-
рудования, деталей, инструмента, технологических операций и
маршрутов обработки деталей в ГАП;
распределенным характером процессов управления, протекаю-
щих асинхронно, но координированно с высокой динамичностью
(в реальном масштабе времени);
большими (до миллионов слов) объемами информации, необхо-
димой для описания объекта проектирования и процессов управ-
ления 1561.
Сложность процесса проектирования АСУ ГАП приводит
к его реализации как многоэтапной процедуры с несколькими уров-
нями описания системы. Основой проектирования АСУ ГАП,
как и любой сложной системы, является системный анализ, за-
ключающийся в формировании целей построения АСУ ГАП,
описании действующих на систему факторов, исследовании ее
свойств с помощью моделирования и оптимизации (в широком
смысле) проектных решений по выбранному множеству критериев
эффективности.
Снизить сложность процесса проектирования позволяет по-
следовательно-параллельная, многоэтапная, итерационная про-
цедура, основывающаяся иа разбиении системы на подсистемы
с пошаговым уточнением ее характеристик. Практически все
процедуры проектирования ориентированы на использование
ЭВМ.
Невозможность (или неэффективность) полной формализации
процедур проектирования АСУ ГАП, вызванная их сложностью,
обусловливает необходимость учета как формальных, так и не-
формальных аспектов проектирования. Важнейшим инструмен-
том проектирования АСУ ГАП, позволяющим существенно повы-
сить эффективность разработанной СУ и самого процесса проек-
тирования, является, как показывает опыт, метод виртуальных
маршрутов 1561, основанный на выделении двух уровней проекти-
рования — виртуального и физического.
На виртуальном уровне формируют задачи, стоя-
щие перед разрабатываемой АСУ ГАП, определяют границы объ-
екта управления, выделяют существенные связи АСУ ГАП с внеш-
ней средой, выполняют структурный анализ и исследуют дина-
мику виртуальных информационных потоков в системе, а также
требования к основным характеристикам АСУ ГАП. Таким об-
разом, это уровень описания внешних требований к АСУ ГАП.
Проектирование АСУ ГАП иа виртуальном уровне состоит
в формировании и последовательной детализации внешних требо-
ваний Начиная от наиболее общих, отражающих содержание ос-
155
Состояния стонкоб
Состояния деталей
Рис. 6.3. Фрагмент спецификации модели информационных связей:
О " процесс: * * потоки информации: = — информация, которая использовалась иа
более высоких уровнях
новиых задач создания АСУ ГАП, и кончая требованиями к от-
дельным характеристикам системы иа уровне элементарных про-
цессов и структур данных.
Низкая степень формализации процедур проектирования, осо-
бенно иа первых этапах виртуального уровня, а также значи-
тельное влияние ошибочного определения внешних требований
к АСУ ГАП на качество всего процесса проектирования требуют
использования на виртуальном уровне средств повышения на-
дежности проектирования. Особое место среди них занимают си-
стемные спецификации [56].
Системные спецификации представляют собой описания раз-
личных классов требований, приемлемых как для создателей,
так и для заказчиков системы и ориентированных иа наиболее
понятную, непроцедурную, связанную с содержанием, а не с ре-
ализацией форму (рис. 6.3).
156
Рис. 6.4. Процедура спецификации внешних требований при проектировании
АСУ ГАП (АСУТП, АСУОТП)
Использование системных спецификаций при проектировании
обеспечивает формализации и упрощение процедур ввода, исправ-
лений н модификаций требований к системе, а также облегчает
выявление и анализ причин отклонений качества спроектирован-
ной системы от желаемого. Последовательность спецификации
требований к АСУ ГАП показана на рис. 6.4.
Физический уровень проектирования служит для
выбора методов и аглоритмов реализации процессов управления,
определения аппаратных, общесистемных, программных и ин-
формационных средств СУ ГАП, обеспечивающих выполнение
сформированных и детализированных иа виртуальном уровне
внешних требований.
Уровни проектирования пересекаются и требуют, как правило,
пошагового взаимного согласования, что определяет неоконча-
тельный характер результатов проектирования на большинстве
этапов.
Проектирование начинается с решения задач виртуального
уровня для неограниченных внртувльных ресурсов системы.
Затем на физическом уровне выявляются ограничения на реаль-
ные ресурсы, обусловленные применением реальных аппарат-
ных, программных и информационных средств. Согласование тре-
бований н возможностей приводит либо к изменениям в описа-
157
Нормирование множества
задач АСУ ГАП
I ---------
Структурный анализ
АСУ ГАП
Описание внешних
требований к АСУ ГАЛ
♦
Разработка и/или
уточнение алгоритмов
управления
Разработка архитекту-
ры, Зыбор технических
средств jj организация
сети связи (ЛВС)
Виряуаяб-
.ный уро-
вень проекти-
рования
Физический
уровень про-
ектирова-
ния
Фермиродание и/или
разработка общего
программного обес-
печения АСУ ГАП
н—_
___I J Разработка специального I
Г J/Wu twftflftwaqttowu базы |
I I Разработка комплекта I
I | документации |
1__ Монтаж и ошаадка, оценка L.
-----полученных результатов
Разработка ин-
формационного
обеспечения
АСУ ГАП
Рис, 6.5. Блок-схема разработки АСУТП (АСУОТП) в ГАП
ннях внешних требований, либо к выбору других вариантов средств
реализации АСУГАП, либо к тому и другому.
Процедура проектирования АСУ ГАП базируется на резуль-
татах этапа эскизного технического синтеза ГАП. Поскольку
конечным результатом рассматриваемой процедуры является оп-
ределение варианта архитектуры и топологии, основных техниче-
ских решений н выбор комплекса средств АСУ ГАП, ее можно
рассматривать как стадию, совмещающую в себе эскизное и тех-
ническое проектирование, позволяющую уточнить спецификации
иа ГАП в целом н подойти непосредственно к стадии рабочего
проектирования (рис. 6.5).
Ключевым вопросом иа стадии эскнзно-техинческого проекти-
рования СУ ГАП является выбор методов и алгоритмов реализа-
ции процессов управления функционированием ГАП в целом.
Характеристики алгоритмов решения задач существенно влияют
иа выбор комплекса технических средств, структуру н содержание
информационной базы ГАП, а также на характеристики специаль-
ного программного обеспечения АСУ ГАП. Формирование ком-
плекса алгоритмических и программных модулей начинается уже
158
иа этапе технологического синтеза ГАП, когда осуществляется
выбор основного технологического оборудования с СЧПУ, осна-
щенного общим программным обеспечением, которое обеспечи-
вает работу оборудования в автоматическом режиме (исключая
специальные программы управления обработки конкретных из-
делий). На виртуальном уровне проектирования при выполнении
структурного анализа может также специфицироваться ряд типо-
вых алгоритмических модулей АСУОТП, которые в большой сте-
пени инвариантны к типу производств. Во всех случаях результа-
том структурного анализа является с тон или иной степенью дета-
лизации формализованное алгоритмированиое описание АСУ
ГАП, определяемое термином алгоритмическая модель [56].
Это описание фактически отражает особенности функционирова-
ния ГАП (результаты технологического синтеза) или его норма-
тивно-алгоритмическую модель.
Процедуры физического уровня проектирования требуют воз-
можно более полной разработки моделей и алгоритмов управле-
ния для всех уровней и всех задач управления, хотя практика
создания АСУТП и ГАП в ряде случаев доказывает, что оконча-
тельная их отработка достигается только в процессе эксплуата-
ции. Что касается общего программного и информационного обес-
печения, то оно в значительной степени формируется на этапе
эскизно-технического проектирования при выборе технических
средств (выпускаемых промышленностью) и архитектуры АСУ
ГАП. Разработка же комплекса специального программного
Обеспечения в соответствии с действующими руководящими мате-
риалами относится к стадии рабочего проекта. Управляющие
программы обработки изделий для нижнего уровня управлении
оборудованием с СЧПУ в соответствии со спецификой ГАП раз-
рабатывают постоянно в процессе эксплуатации с помощью под-
систем САПР-TH (АСТПП) или полуавтоматически с отладкой
иа реальном оборудовании.
6.2. СЧПУ ОБОРУДОВАНИЕМ И АОУ
ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ - АСУТП НИЖНЕГО УРОВНЯ
На современном этапе можно считать, что наиболее распростра-
ненным подклассом АСУТП являются так называемые системы
числового программного управления (СЧПУ) станками, и другими
видами оборудования третьего поколения, т. е. построенные на
базе микроЭВМ [70]. СЧПУ третьего поколения состоят из
УЧПУ (УВК) и подсистемы датчиков и исполнительных органов,
конструктивно встраиваемых в оборудование.
Особенностью данного подкласса АСУТП является то, что
основное СПО — программы выполнения технологических опе-
раций, например механообработки или сборки, — изменяются
в соответствии с видом предметов труда, поэтому на практике
-приходится постоянно разрабатывать новые программы. В ГАП
159
СЧПУ оборудованием, включая манипуляторы промышленных
роботов (ПР), составляют нижний уровень.
Типичным примером УЧПУ третьего поколения для механо-
обрабатывающих станков является отечественная модель УЧПУ
ЗС 150-16, выполненная в виде шкафа (1660 x 690 x 600 мм) со
встроенными дисплейным пультом и фотосчитывающим устрой-
ством для автономного ввода управляющих программ. Являясь
практически УВК АСУ резания, модель ЗС 150-16 построена на
базе процессора СМ 1810, ОЗУ емкостью 128 Кбайт и ППЗУ
емкостью до 256 Кбайт для хранения функционального программ-
ного обеспечения. УСО комплекса может включать дискретных
входов/выходов до 480/240, в том числе силовых выходов (24 В,
2 А) до 90 и аналоговых входов/выходов до 20/8. Для связи с внеш-
ней средой, в том числе с ЭВМ высшего уровня, предусматривается
до 3 каналов ИРПС. Пульт оператора, выполненный на ЭЛТ
с 2000 символов (нлн элементов графики иа 60 x 300 точек), ис-
пользуется в двух режимах — управления и диагностическом
(инженерном). Обеспечивается хранение констант, параметров,
корректирующих данных и управляющих программ в ОЗУ в те-
чение 120 ч после выключения УЧПУ.
Разработанный комплекс программного обеспечения реализует
следующие функции:
программируемое управление электроавтоматикой стайка иа
языке ЯФП (расширенная версия);
коррекция погрешностей стайка (люфтов и погрешностей шага
ходовых винтов), прогиба и деформации узлов стайка;
прямое программирование на основе постоянных циклов, на-
личия условных и безусловных переходов в управляющей про-
грамме и развитой библиотеки подпрограмм (автоматический рас-
чет эквивалентного контура, поворот и смещение прямоуголь-
ной системы координат, масштабирование, возврат к базисным
точкам и иа траекторию и др.);
формообразование (линейная, круговая, сферическая интер-
поляция, нарезание резьбы с переменным шагом);
контроль параметров детали и инструмента;
функциональное и тестовое диагностирование;
автоматическая защита от аварийных ситуаций;
параметрическое программирование (до 199 параметров);
произвольный выбор систем кординат программирования и от-
работки программ;
диалоговое (по сменю») задание режимов;
графическая поддержка подготовки управляющих программ
в режиме типа «электронной лупы».
Устройство УЧПУ (УВК) ЗС 150-16, которым комплектуется
система СЧПУ ЗС 150, предназначено для управления (чнсло при-
водов координатных перемещений до 12) сверлнльно-фрезерио-
расточиыми ГПМ, тяжелыми и уникальными станками (токарными,
160
Рис. 6.6. Конфигурация
УЧПУ <Электроннна
М2101.04» двухблочного ис-
полнении:
/, 3 — микроЭВМ (одиоалот-
яые); 3 — контроллер ЗУ на
ЦМД; 4 — блок управления
Ьультом оператора; 6 — блок
управления электроприводами;
в — блок управления элек-
Ероавтоматикой; 7 — АЦП; 8 —
песета ЦМД; 9 — штатное ЗУ
ЦМД; 19 — пульт оператора;
11 — дисплеи
карусельными, вальцетокарными, сверлильио-фрезерно-расточ-
^ыми).
Одним из наиболее совершенных отечественных УВК
типа УЧПУ является «Электроника МС 2101» — базовая модель,
которой комплектуются ГПМ и станки токарной и шлифоваль-
ной групп.
В УЧПУ «Электроника МС 2101» максимально использованы
современные достижения в области микроэлектронной элемент-
ной базы (микропроцессорные комплекты, БИС). Оно построено
по блочно-модульному принципу и (в зависимости от типа управ-
ляемого оборудования и задач управления) состоит из двух или
более блоков с переменным составом печатных узлов.
Структурная схема УЧПУ двухблочного исполнения — «Элек-
троника М 2101.04» — показана иа рис. 6.6. Каждый блок пред-
ставляет собой функционально ориентированный микроУВК иа
базе микроЭВМ «Электроника НМС 12401.1» с интерйжйсом ОШ
[81].
Первый дисплейный блок (верхний уровень) во всех исполне-
ниях имеет одинаковую аппаратную часть и отличается только
программным обеспечением (управляющих программ). В его со-
став наряду со встроенным устройством отображения информации
и клавиатурой входят плата вычислителя (содержащая микропро-
цессор К1801ВЕ1Р, ОЗУ емкостью 32 Кбайт, ПЗУ емкостью до
40 Кбайт, интерфейс ИРПС иа 3 каиала, таймер и схему радиаль-
ных прерываний), плата радиальных цифровых входов/выходов
(до 48), плата контроллера ЗУ на цифровых магиатных доменах
(ЦМД), сменная кассета ЦМД (емкостью 32 Кбайт) и блок пита-
ния (рис. 6.7).
Вычислитель дисплейного блока связан с идентичным вычисли-
телем второго блока УЧПУ через ИРПО (телеграфный канал).
Структурная схема второго блока модели «Электроника НМС
12402.1» в четырехплатном испрлиеиии представлена иа
рис. 6.8. В состав этой микроЭВМ кроме платы вычислителя и
6 В. М. Вальков
161
Рис. 6.7. Структурная схема дисплейного блока УЧПУ:
1 — микропроцессор; 2 — ОЗУ; 3 — ПЗУ; 4 — блок телеграфных'каналов; 5 — дисплей;
6 — витерфейс радиальный параллельный: 7 — ЗУ на ЦМД(32 Кбайт); 8 — клавиатура:
9 — кассета ЦМД
блока питания входят плата связи с электроавтоматикой (64 вход-
ные и 32 выходные линии управления), плата связи с приводами
(4 ЦАП) и фотоимпульсиыми датчиками положения (до 5) и плата
АЦП (8 каналов).
В трехблочиом исполнении УЧПУ для фрезерио-сверлильиых
обрабатывающих центров и ГПМ (типа «Электроника МС 2101.02»)
третий блок выполняет функции командоаппарата, обеспечиваю-
щего связь с управляемым оборудованием с числом входов/вы-
ходов до 192/96.
Программное обеспечение УЧПУ «Электроника МС 2101»
имеет также блочио-модульную .структуру. Универсальным про-
граммным модулем, предназначенным для СЧПУ различных ГПМ
и станков, является дисплейный монитор, который позволяет ис-
пользовать возможности
буквенно-цифровой ин-
дикации и создавать
тексты «меню» для диа-
логового ввода управ-
ляющих программ.
Модуль ОС обеспечи-
вает взаимодействие
программных модулей.
Рис. 6.8. Структурная схема
блока УЧПУ с УСО:
1 — пропесеор; 2 — ОЗУ; 3 •—
ПЗУ; 4 — блок- телеграфных
кааалов; в — блок управле-
ния пркводаын ; б — АЦП; 7 —
блок управления электроав-
томатикой
162
планирует в соответствии с заданным приоритетом выполнение
задач, реагирует на внешние сигналы. Для решения основных
технологических задач служит модуль интерпретатора управляю*
щих программ, язык которого обеспечивает программирование
технологических функций (С-фуикщш, подпрограммы циклов и
др.). Модуль ПЛ ЧПУ размещается е памяти второго блока.
Наиболее сложная часть комплекса /фогрзммного обеспече-
ния относится к управлению электроавтоматикой стайка, ее со-
ставляющие распределены между первым и вторым блоками УЧПУ.
Семейство УЧПУ «Электроника МС 2101» непрерывно разви-
вается, применительно к вновь разрабатываемым ГПМ и много-
целевым стайкам наращиваются ПО и аппаратные средства, со-
вершенствуются средства отладки управляющих программ.
В настоящее время следует отметить тенденцию к разработке
и применению многопроцессорных УЧПУ, обладающих высокой
степенью гибкости и повышенной надежностью, например иерар-
хических УЧПУ, в которых нижний уровень управления реали-
зуется на базе типовых одноплатных микроконтроллеров [28].
Роль автоматизированных работотехнических комплексов
(АРТК) как подсистем (элементов) современных производствен-
ных систем неуклонно растет. Несмотря на скептическое отно-
шение, в том числе и высказываемое в научно-технической литера-
туре, к возможности эффективного применения средств робото-
техники в промышленном производстве, этот класс орудий труда
непрерывно совершенствуется, усложняются выполняемые нм
функции и расширяются интеллектуальные возможности. Стано-
вятся известны все новые примеры выполнения промышленными
роботами 1 (ПР) в автоматическом режиме с высокой эффектив-
ностью работ (технологических), которые ранее были немыслимы
без участия человека. Общепризнано, что в ГАП в условиях
«малолюдной» технологии промышленные роботы, особенно адап-
тивные (АПР), — необходимый компонент, обеспечивающий авто-
матическое выполнение многих основных и вспомогательных
операций.
Одним из главных условий внедрения ПР является построе-
ние систем управления ими иа базе микропроцессорной техники.
Положение дел с использованием вычислительной техники для
управления ПР по оценкам американских специалистов иллю-
стрирует табл. 6.3 128).
В настоящее время при управлении манипуляторами с про-
стой кинематической схемой (декартовой или цилиндрической
системой координат) и с числом степеней подвижности до 5 АСУ
1 В соответствия с ГОСТ 25686—85е «Манипуляторы. автооператоры я
промышленные роботы» ПР определяется как «автоматическая машина, стацио-
нарная или передвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде мани-
пулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого
Устройства программного управления для выполнения в производственном про-
цессе двигательных и управляющих функций».
163
Таблица 6.3. Динамике применения (%)
средств вычислительной техники в АСУПР
Подкласс 1983 г. 1990 т. 1996 р.
Мини- и микро- 70 79 82
ЭВМ Спецвычислители 1 6 6
Программируй- 28 15 12
мые контроллеры Системы беа ЭВМ 1 0 0
Таблица 6.4. Динамика
роста сложности
манипуляторов ПР
Число сте- пеней ПО- ДВИЖНОСТИ Доля (%) а общем объеме ПР
1983 г. 1990 г. 1993 р.
<4 35 27 24
5 31 30 28
6 34 41 45
7 0 2 3
манипулятором строится на базе одной микроЭВМ, скомплексиро*
ваниои с УСО для связи с датчиками аналоговой и дискретной
информации и исполнительными органами. Таким образом, обоб-
щенная схема ПР вписывается в обобщенную схему АТ К (см.
рис. 1.1), т. е. можно рассматривать ПР как разновидность АТК,
а входящую в его состав подсистему управления (СЧПУ) — как
разновидность АСУТП.
Технологическую операцию, процесс реализует рабочий орган
манипулятора, и по аналогии с определением, данным в п. 1.1,
ТОУ — это манипулятор без конструктивно встроенных в него
элементов системы управления (датчиков и исполнительных
органов). УВК кроме микроЭВМ и УСО включает средства связи
с оператором ПР или АРТК. На рис. 6.9 представлена функцио-
Рис. 6.9. Функциональная схема УВК типа УКМ 772:
I — центральный процессор; 2 — ОЗУ; 3 — таймер: 4 — интерфейс для датчиков обрат-
ной связи; 5 — блок управления приводом: в. 7 — модуля дискретной связи с маиапуля*
тором (внешним оборудованием); 8 — согласователь магистралей; 10 — устройство управ-
ления ФСУ и пультом оператора: И — интерфейс для пульта оператора; 13 — контроллер
НМЛ; 13 — интерфейс для пульта обучения; 14 — пульт обучения: 16 — пульт опера-
тора; 16 — НМЛ; 17 — пульт обучения
164
Ряс. 6.10. Конфигурация сборочного ПР фирмы «Хитачи»
вальная схема отечественного УВК типа УКМ 772 для управ-
ления манипуляторами прн автоматизации сварки, сборки и т. д.
По прогнозам американских специалистов, простые модели
ПР постепенно будут уступать место более сложным, с шести-
етепеввыми манипуляторами и шарнирной кинематической схе-
мой (табл. 6.4).
Прогнозируется также, что к 1995 г. каждый пятый ПР будет
иметь не менее двух «рук».
Усложнение конструкции, увеличение числа выполняемых
функций, введение адаптивных возможностей, повышение точ-
ности и скорости выполнения тех или ииых функций рабочим
органом (эффектором) приводят к необходимости применения
многопроцессорных распределенных систем управления, а значит
н перехода к системному проектированию и конструированию
иерархических УВК для АПР. В нашей стране уже применяется
АПР на базе манипулятора РМ-01 с многопроцессорной (7 моду-
лей) системой управления «Сфера-36» (новая модель—«Сфера-56»),
имеющей развитое программное обеспечение, встроенные средства
тестирования и аналитического программирования.
Примером многопроцессорного УВК с переменной конфигу-
рацией является комплекс сборочного робота фирмы «Хитачи»
(Япония). На рис. 6.10 представлена его конфигурация, которая
м< кет перестраиваться в зависимости от кинематической схемы
165
Рве. 6.11. Конфигурации иерархического УВК АПР «Интелледекс 605»
манипулятора и выполняемых задач. Параллельной работой
модулей управляет центральный процессор, также используе-
мый для программирования и обучения АПР. Все вычисления
по преобразованию координат и интерполяции в реальном вре-
мени выполняет процессор вычислений. Процессор приводов,
как это ясно из названия, управляет движениями манипулятора.
Конфигурацию иерархического УВК мощного АПР «Иител-
ледекс-605» фирмы «Интелледекс» (InieUsdex, США) иллюстри-
рует рис. 6.11 118]. Координирующий УВК (главный контрол-
лер) на базе микропроцессора «Интел 808&> и сопроцессора «Ин-
тел 8087» фирмы «Интел» ьыполняет основные расчеты и коор-
динирует работу остальных блоков. Для управления шаговым
двигателем каждой степени свободы используется пара микро-
процессоров типа Z8: ведущий микропроцессор принимает
сигналы о положении, вырабатывает команды двигателю, а ве
домый преобразует принимаемые команды в сигналы управления
поворотом двигателя. Вспомогательный контроллер иа базе
микропроцессора «Интел 8088» управляет средствами безопас-
ности и обработки специализированных на тип эффектора кодов.
Для гибкого программирования различных производственных
задач, выполняемых АПР, используется язык Робот Бейсик,
созданный иа основе широко используемого языка высокого
уровня Бейсик путем пополнения его 150 специализированными
командами [17, 84].
В работе [28] описана конфигурация двухуровневого УВК
(он выполнен в виде одного печатного узла), в котором верхний
166
уровень представлен микроУВК иа базе 16-разрядного микро-
процессора 68000, а нижний — шестью 8-разряднымн микро-
контроллерами приводов (имеющими АЦП) и одним микрокон-
троллером безопасности. Обмен информацией между уровнями
осуществляется через специальные регистры микроконтроллеров
с использованием тактики приоритетных векторных прерываний.
Микроминиатюрное исполнение такого достаточно сложного УВК
для АПР обеспечено благодаря реализации основной части ап-
паратных средств в виде СБИС и размещению всей схемы соеди-
нений СБИС в шестислойной печатной плате. Такое конструк-
тивное исполнение существенно расширяет сферу применения
АПР в производственных условиях, в том числе позволяет созда-
вать их на базе уже функционирующего технологического обо-
рудования.
б.З. АВТОМАТИЗАЦИЯ КОНТРОЛЯ
И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ В ГПС
В условиях ГАП функция контроля приобретает новое со-
держание и особое значение. Надежное функционирование боль-
шой системы машни, какой является ГАП, требует автоматичес-
кого контроля и диагностирования состояния всех звеньев этой
системы — от режимов работы технологического оборудования
до выполнения всех программ в вычислительной сети системы
управления в реальном времени производственного цикла.
В частности, робототехнические модули выполняют автомати-
чески операции, требующие визуального контроля. Это означает,
что в дополнение к датчикам технологических параметров и
состояния оборудования, для идентификации, автоматического
манипулирования деталями (заготовками, инструментом) и сборки
изделий требуются средства технического зрения, Практически
мы имеем дело с частным случаем распознавания технического
состояния объекта (взаимного расположения в пространстве
детали, инструмента, частей стайка) — техническим диагности-
рованием. Таким образом, контроль в условиях ГАП требует
новых «интеллектуальных» средств, не только непосредственно
измеряющих или сравнивающих уровни сигналов, но н оцени-
вающих состояние объекта.
Рассматривая проблему контроля правильности функциони-
рования таких сложных средств систем управления, как ЭВМ,
мы сталкиваемся с задачей их функционального диагностирова-
ния (функционального контроля и поиска функциональных
дефектов) в реальном времени, причем (ввиду аппаратно-программ-
ной реализации алгоритмов управления) диагностирования как
состояния аппаратуры, так и правильности выполнения рабочих
программ.
Контроль и диагностирование средств АСУ ГПС. Технические
средства АСУ ГАП иа всех уровнях (в первую очередь — АСУТП
1вт
иижнего уровня) должны обладать весьма высокой надежностью,
что обеспечивается в первую очередь применением методов,
алгоритмов и средств тестирования, самотестирования, диагно-
стирования и самодиагностирования с поиском дефектов 130].
Важнейший показатель надежности средств АСУ ГАП —
коэффициент готовности
Х₽ = Тср/(Твр+Тв).
Здесь Гср — среднее время наработки иа отказ; Г, = То + Та +
4- Т9 — время восстановления отказавшего узла или блока,
где То — время обнаружения дефекта; Тп — время поиска де-
фекта; Т9— время замены отказавшего элемента [30].
Среди наиболее распространенных методов тестирования необ-
ходимо выделить следующие: алгоритмический, тестирование иа
основе хранимой таблицы истинности, тестирование методом
сравнения с эталоном, внутрнаппаратный (с помощью тестов,
хранимых в памяти ЭВМ), тестирование на основе структурного
анализа.
Особое место занимает группа развивающихся методов само-
тестирования и самодиагностирования с поиском дефектов, реали-
зуемых элементами встроенного контроля.
Автоматические тестеры (АТЕ) различной сложности н назна-
чения еще длительное время будут играть важную роль в эксплуа-
тации технических средств АСУ, в том числе АСУ ГАП.
В состав измерительной части АТЕ обычно входят цифровые
мультиметры, счетчики-таймеры и коммутируемые схемы приема
выходных сигналов с тестируемого объекта. Как правило, все
перечисленные устройства в блочном исполнении комплекси-
руются вместе с управляемой ими ЭВМ. Конкретный состав
блоков, их технические характеристики, возможности коммута-
ции и перепрограммирования зависят от типа контролируемых
объектов (цифровые, линейные, гибридные, те или другие, либо
те н другие), а также от вида контроля (функциональный и/или
динамических параметров). Весьма важной особенностью совре-
менных АТЕ является наличие в их составе одного из широко
распространенных внешних интерфейсов, что позволяет вклю-
чать ЭВМ АТЕ в локальную вычислительную сеть (ЛВС) ГАП.
Важным средством повышения надежности систем управле-
ния ГАП является применение отказоустойчивых элементов,
узлов, подсистем. Это означает необходимость функционального
самоконтроля встроенных средств диагностирования, в част-
ности автоматического определения состояния исправности и
поиска дефектов (функционального диагностирования) с после-
дующим их устранением (например, автоматической заменой
дефектного узла исправным).
Применительно к современной элементной базе технических
средств АСУ ГАП — микропроцессорным средствам в однокри-
стальном исполнении, в виде печатных узлов, модулей и блоков—
168
концепция обнаружения ошибки с использованием Дополнитель-
ных встроенных аппаратно-программных средств применяется
все чаще. Еще в 1970-х гг. фирма «Ай-Би-Эм» (США) при созда-
нии вычислительной системы «Система 38» применила метод
сквозного регистра LSSD (Level Sensitive Scan Design) для ска-
нирования состояний элементов системы. Такой метод может
использоваться на всех конструктивных уровнях (БИС, схем-
ные платы, блок, системный конструктив) И1 ]. В начале 1980-х гг.
фирмы «Сторндж Текнолоджи» (Storage Technology Corp., США)
успешно применила метод сквозного сдвигового регистра с по-
следовательным сканированием состояний в сочетании со сред-
ствами генерации псевдослучайных тест-кодов и сигнатурного
анализа. Последние составляют основу метода самотестирования,
известного под названием «Bilbo». Очевидно, что наибольший
эффект в условиях эксплуатации этот метод может дать на уровне
цифровых подсистем, например микроУВК. Если СБИС (ИС,
БИС), узлы и блоки снабжены средствами самотестирования,
точность диагностирования существенно повышается — вплоть до
определения того, какая именно схема или сигнальный провод-
ник вышли нз строя. С помощью специального диагностического
процессора, обладающего средствами самотестирования, может
переводить подсистему в режимы тестирования по выводам или
самотестирования.
Для отмеченных методов принципиально важными показа-
телями являются вероятность отказа (сбоя), охват контролем
аппаратуры объекта самотестирования и самодиагностирования
и точность определения места отказа (сбоя). Уровень этих пока-
зателей в общем случае завискт от объема встроенных средств
самотестирования и самодиагностирования, при этом, как пра-
вило, у более сложных объектов удельный вес этих средств в об-
щем объеме аппаратуры меньше.
Альтернативным описанному подходом к обеспечению отказо-
устойчивости является применение мажоритарных структур, кото-
рые требуют несравнимо больше аппаратуры (в лучшем случае—
в три раза больше). Однако их применение позволяет обнаружи-
вать и «исправлять» одиночные отказы и сбои со стопроцентной
надежностью. Такой подход уже в иастоящре время начал при-
меняться в АСУТП. Этому способствовало резкое уменьшение
стоимости аппаратных средств управления благодаря широкому
развитию микропроцессорной техники. В частности, мажори-
тарный принцип нашел применение при построении серии УВК
«Огаст-ЗОО» фирмы «Огаст системе» (August systems, США) [92].
В этих УВК контроль и диагностирование выполняются по всему
циклу обработки информации — от ввода данных в ЭВМ до
выдачи управляющих воздействий (рис. 6.12). Следует отметить,
что в УВК предусмотрено трехкратное резервирование всех
ответственных блоков, включая внешние и внутренние источники
питания. Представляется, что в перспективе УВК с такой архи-
169
Рис. 6.12. УВК «Огаст ЗОС»: а — ириицна обработки информации; б~ конфи-
гурация
тектурой «сквозного самоднагностнрования» будут внедряться
в ГАН для координирующего управления группой технологи-
ческих агрегатов или одним сложным и ответственным техноло-
гическим агрегатом.
Необходимо указать и а новую и весьма важную задачу конт-
роля и диагностирования, связанную с обеспечением надежности
функционирования ЛВС, на основе которой строится АСУ ГАП.
Здесь можно выделить три формы избыточности, которые исполь-
зуются для решения в той или иной степени этой задачи: аппа-
ратную, программную и временную. Аппаратная избыточность
должна предупредить отказы аппаратных средств ЛВС, а про-
граммная и временная — случайные сбои. Программная избы-
точность включает применение специальных контрольных про-
грамм и контрольных кодов, предусматриваемых протоколами
связи в ЛВС. Временная избыточность подразумевает много-
кратное исполнение программ для отдельных функций, надеж-
ность которых должна быть особенно высокой.
Практической иллюстрацией комплексного использования ме-
тодов и средств контроля передачи информации и технического
состояния средств ЛВС может служить предложенная в работе
[74] система межмашинного обмена в распределенном вычисли-
тельном комплексе реального времени, включающем ЭВМ раз-
личных классов.
Контроль и диагностирование технологического оборудования
средствами АСУ ГАП. Эксплуатационный контроль должен охва-
тывать все виды технологического оборудования в ГАП, начиная
от материализующего освовные технологические процессы об-
работки материалов, деталей, полуфабрикатов и кончая автома-
170
тиэироваииыми транспортно-складскими подсистемами и промыш-
ленными роботами самого различного иаэиачеиия.
Задачи контроля и диагностирования классифицируют в за-
висимости от частоты и времени получения контролируемой ин-
формации. Так, применительно к процессам механической обра-
ботки различают контроль и диагностирование: непрерывные;
через короткие и длинные промежутки времени; по требованию;
во время включения станков; в короткие промежутки времени
лая каждой детали; к началу смены для каждой новой партии;
в перерывах в обработке.
Применение того или иного вида контроля зависит от объекта
контроля. Например, температуру всех узлов подсистемы СПИД
рекомендуется измерять все время при включенных станках,
силу резания, естественно, — только в процессе обработки.
Функционирование подсистемы централизованного смааываиия
обычно контролируют периодически. Контроль кинематических,
геометрических и динамических параметров станков, требующий
значительных затрат времени, как правило, проводят через
длительные промежутки — один раз в смену или перед началом
обработки новой партии изделий.
В качестве иллюстрации в табл. 6.5 приведен обобщенный
перечень параметров технического состояния станков, диагно-
стируемых средствами АСУ ГАП механообработки.
В табл. 6.6 приведены результаты обобщения известных
методов диагностирования с помощью средств АСУ технологи-
ческого оборудования различного назначения, функционирую-
щего в условиях ГАП.
Следует отметить, что при реализации ГАП функции контроля
и диагностирования с поиском дефектов технического состояния
исполнительного оборудования возлагаются, как правило, на
средства АСУТП. Например, для функционирующего в составе
ГПМ промышленного робота, представляющего по существу
Таблица 6.5. Двагвастсруаэдс параметры ГПМ еехаяообработки
Узел ставка КОИФОППРЗККМ'Э Й’УН^ВВЯ Контрояяруеммй яареиетр
Гидро* система Засорение пин утечкн в системе сма- зывания направляющих (при асполь- зованни пластичной смазка) Засорение или утечки в системе сма- зывания шпинделя (при использова- нии пвркулядиовной смазки) Правильность расхода охлаждающей жидкости Правильность заполнении реаервуа- ров (например, баков, коробок пе- редач) Давление Расход Расход Уровень
171
Продолжаем гава. в. 5
Уна Контролируемая фракция Контролируемый параметр
Ммияяшл зажима детали Контроль вращающегося ватрова Правильность усилия зажима, осо- бенно для самозажимных интронов Расход в яавимт Усилие
Подшипни- ка качения Переиатяг или внешняя нагрузка Разрушение Правильность смааяваиня Температура. Деформа- ция в двух направле- ниях. Давление (ври ги- дравлическом веренл* тяга) Температура. Деформа- ции. Ускоренна по трем направлениям Температура. Электри- ческое сопротивление ме- жду ротором и статором
Зубчатые колеса Разрушение Правильность смазывания Ускорение по трем на- правлениям. уровень внука Уровень звука. Темпе- ратура
Насосы Повреждение Уровень звука
Направ- ляющие Повреждение (особенно при ясполь- эованнв пластанной смазки) Соответствие перенатяга вли дроо селироваиия (дли гидростатически направляющих) Разрушение гидростатически опор Загрязнение или недостаток смази Наличие частиц в смазке Давление Раскоп- Давление Давление (для гидроста- тики) или той (в элек- тросистемах)
Ременные передачи Правильность натяжения Разрушен не Нагрузка на шкивах Акустическая эмиссия. Прерывание светового луча
Уплате- вив Разрушение дин уплотнений ков* тактного типа. Неправильнее работа контакта Температура. Зазор
179
Таблица 6.6. Методы дкагностировааня АСУ ТО
Нкнмаов&вне Краткая аарактервстижа Назначение
Метод временных интервалов Анализ простоев, контроль ре- жимов работы, расчет кинема- тических параметров путем сравнения с заданными норма- ми, определение циклограммы работы. Требует использования реле, переключателей, алектро- секундомеров, силомоментных датчиков н т. д. Первичная локализа- ция неисправностей
Метод эталонных (нормированных) модулей Сравнение экспериментально определенных н расчетных чис- ленных значений параметров н показателей качества (мощно- сти, КПД» усилий, ускорений, амплитуд вибраций в др.) с пас- портными данными к нормами технических условий. Не тре- бует сложной аппаратуры и программного обеспечении Расчет кваднметряче- ских показателей для оценки качества меха- напмон и диагностиро- напня
Метод эталонных (нормированных) зависимостей Сравнение экспериментально полученных функциональных зависимостей параметров ма- шины (уала) с эталонными. Требует сложной аппаратуры Особо точное и досто- верное диагностирова- ние
Метод сопостав- лении в наложе- ния осцилло- грамм Анализ одновременно записан- ных осциллограмм параметров (параметра) при различных условиях работы машины (узла) Диагностирование но- вых конструкций и про- филактический кон- троль
Корреляционные методы Косвенное обнаружение откло- нений в характере зависимости между параметрами нлн в из- менении параметра во времени. Не требует сложного математи- ческого обеспечении и реали- зуется с помощью мнкроЭВМ Диагностирование уз- лов движущихся меха- низмов (зубчатых пере- дач, подшипников и Др.)
Спектральные и спектр аль но-кор- реляционные ме- тоды Выделение в изменение соот- ветствующих высоко- н низко- частотных сигналов (ненример, акустических) от различных источников. Требует сложной аппаратуры в математического обеспечении Диагностирование уз- лов движущихся меха- низмов (зубчатых пере- дач, подшипников н др.)
Тестовые методы Подача внешних стимулиру- ющвх воздействий, частный случай диагностирования при обработке контрольной заго- товки но предельной стружив, погрешностям обработки Локализации места (уала) дефекта с опреде- ленной точностью
173
Продояжавяв тавя в.С
Наяиеяован1м парактервствка Наааачевве
Метод овределе- ння предельных (аварийных) со- стояний Обнаружений факта вчходэ ма- шин я устройств в недовустя- мые или не соответствующие заданном программе области. Как правило, сопровождается световод вли звуковой сигна- лизацией и (илв) срабатыва- нием автоблокировочных уст- ройств Определение недопу- стимого снижения уров- ня смаэки, засорения фильтров, поломки ин- струмента, нопадавня манииуляторя ПР в ве- довустямуго эону я т. и.
микро АТ К (АСУ ПР — манипулятор ПР), мы выделяем два
уровня контроля: внутренний (технологический), иа котором
контролируются состояние и действия манипулятора (в част*
ности, его эффекторов с помощью измерительных преобразова-
телей), и внешний, на котором контролю подвергаются исполне-
ние текущей программы, а также техническое состояние ПР
путем автоматической передачи данных из АСУ ПР в вышестоя-
щую подсистему управления гибким производственным модулем
(ГПМ). Функции этой подсистемы могут выполняться СЧПУ
(АСУТП) при реализации ГПМ, состоящего из одного станка и
одного ПР, локальной подсистемой управления ГПМ или коор-
динирующим УВК группы ГАП (верхний уровень АСУТП).
Создание ГАП как комплексно автоматизированной произ-
водственной системы требует интенсивного внедрения новых тех-
нических средств, заменяющих человека, в частности иа повсе-
местно выполняемых операциях контроля качества, а также точ-
ных сборочных и монтажных операциях. Ранее в связи с отсут-
ствием средств и методов автоматизации контроля, альтернатив-
ных возможностям сенсорного поля человека, иа него возлага-
лась комплексная оценка качества по определенным визуальным
признакам, эмпирически коррелируемым с явными н скрытыми
дефектами. Недостаточная производительность, субъективность
(часто из-за отсутствия количественных критериев) такой оценки
сдерживают интенсификацию производства и коренное улучше-
ние качества продукции. То же можно сказать и о многих сбо-
рочных и монтажных операциях, которые пока выполняются
вручную нлн полуавтоматически. Там, где требуется высокая
точность сборки, сварки или монтажа, особенно при производ-
стве миниатюрных видов продукции, внедрение робототехники
не обеспечивает переход на автоматический режим, если не ре-
шена задача визуальной оценки обстановки в эоне выполнения
операции [48].
Техническое зреине — это процесс обработки информации
с определенными входом, который включает несколько совокуп-
ностей значений яркости, отображающих с помощью телекамеры
174
проекции трехмерной сцены, и выходом, на котором получают
зависящие от целей реализуемого процесса краткое описание
представленной в изображении сцены или объекта. В нем содер-
жится, как правило, описание объектов и связей между ними,
а при необходимости — информации с структуре поверхностей
(форма, строение, материал и др.), расположение теней и источ-
ников света. Таким образом, в отличие от процесса обработки
изображений (например, при съемке поверхности Земли с искус-
ственного спутника), в котором входной и выходной информацией
является изображение, причем выходное изображение — улуч-
шенный вариант входного (целевая функция процесса), техни-
ческое зрение сводится к распознаванию изображения, при кото-
ром входная информация — изображение, а выходная — опи-
сание того, что в нем содержится.
В приложении к автоматизации технологических процессов
раслознаваиие изображений включается в функцию контроля
процесса управления (контроль соответствия технологическим
требованиям* технического состояния, в том числе взаимного
расположения предметов и орудий труда).
Значение яркости в каждой точке изображения определяется
такими физическими величинами, как интенсивность падающего
света, отражательные характеристики и ориентация поверхности
относительно источника света и рецепторного блока (экрана
телекамеры), и в простейшем случае идеально рассеивающей
поверхности выражается как
L — //? cos а,
где 1 — интенсивность падающего света; R — отражательная
способность; а — угол между падающим лучом и нормалью
к поверхности (угол падения).
В реальных свтуациях иа интенсивность света оказывают
влияние характеристики поглощения и рассеивание окружающей
среды, а также геометрические и фотометрические характери-
стики приемника.
При демпфировании яркости и восстановлении описания
объекта или сцены необходимо использовать некоторые априор-
ные знания, сформулированные в виде моделей сцеиы, освещения
и процесса формировании изображения. Модели предписывают,
какая конкретная сцена, наблюдаемая из ваданпой точки и при
определенном освещении, преобразуется в двумерный массив
входных значений яркости. В моделях сцен описания трехмер-
ного пространства вадаются описанием поверхностей и объектов.
В моделях освещения описываются источники света, их поло-
жение, протяженность, интенсивность излучения и т. п. Полная
модель должна учитывать вторичное освещение, связанное с отра-
жением и рассеиванием от близлежащих предметов, распреде-
ление теней и др. Модели приемника описывают его фотометри-
ческие и геометрические характеристики, которые определяют,
175
HanKlnma Шихана
Рис. 6.13. Схема восприятия оптического шюбражешя: а — в отраженном осте;
6— теневым Методом
какие точки трехмерного пространства отображаются в точке
двумерного изображения н как численно кодируется восприни-
маемый свет. В целом, техническое зрение — это активный про-
цесс, который определяет интерпретацию воспринимаемых данных
на основе указанных моделей.
При использовании оптических рецептаров изображение вос-
принимается двумя основными методами (рис. 6.13). Теневой
метод предусматривает размещение распознаваемого объекта между
источником света и рецепторным блоком.
Для различных задач распознавания изображения опреде-
лены следующие типовые этапы [17, 107):
176
автомат микросбарки ТВ- 'датчик
Процессор
Автомат микросварки Тв- -Затчик
Процессор t Г
Автомат микросварки тв- вшпчик
Процессор
tewwtw -в/ипическая
пиния связи
| Подсистема загрузки приборов
Центральный
пост
Пя/юЗМ ИтреЗШ 1®«<™е
Э —-Зр
»' 1Д Iwari
^Оператор
Рис. 6.14. Структурная схема системы увравлеиня микросварочвым комплексом
1) предварительная обработка исходной информации — кор-
рекция и стандартизация шкалы яркости, удаление размытостей
и шумов (обостроеиие, сглаживание);
2) соотношение н сопоставление (в случае нескольких проек-
ций изображения) с предварительным приведением в сопостави-
мый вид;
3) сегментация;
4) представление частей в виде упрощенных образов (границы
областей, остовы вытянутых объектов и т. п.);
5) описание в терминах свойств и взаимосвязей частей;
6) установление соответствия между описанием изображения
и моделями.
Практическое применение подсистемы технического зрения
получили в влектроиной и радиоэлектронной промышленности.
В частности, широко известны примеры использования таких
подсистем в ГАП печатных узлов 1117].
На рис. 6.14 изображена структурная схема совмещенной
подсистемы технического зрения отечественного робототехни-
ческого комплекса для монтажа кристаллов СБИС в корпус СТЗ.
Она обеспечивает подготовку сборки и контроль ее качества {581.
Следует отметить, что по предварительным прогнозам в про-
мышленности США к 1994 г. половина работающих в области
контроля (10% от общего числа работающих в промышленности)
будет заменена автоматическими контролерами, оснащенными
средствами технического зрения. Такими же средствами должно
бы о оснащено 25% установленных к тому времени ПР [117].
177
6.4. ИЕРАРХИЧЕСКИЕ УВК В АСУОТП И ГАП
Примером иерархического УВК, построенного в использова-
нием концепции ЛВС, является часть комплекса технических
средств известной отечественной системы автоматизации проек-
тирования, разработки и изготовления изделий в опытном произ-
водстве КАПРИ [4]. Структура УВК изображена иа рис. 6.15.
ЛВС состоит из нескольких станций связи, соединенных между
собой и с абонентами, в роли которых выступают ЭВМ (типа СМ4)
цехового уровня управлении, подсистемы группового упраале-
ния станками с ЧПУ, алфавитно-цифровые дисплеи (типа
15ИЭ-00-13) и персональные графические станции ПЕГАС для
связи с оперативным персоналом. Все информационные обмены
между компонентами ЛВС осуществляются с помощью среды
передачи данных в виде двухпроводной линии связи интерфей-
са ИРПС. В качестве базовой для средств связи и диалога (а в перс-
пективе и для управления технологическим оборудованием)
выбрана программно совместимая с СМ4 (СМ1420) мнкроЭВМ
«Электроника МС 1201.1». УЧПУ типа «Электроника НЦ-31»
в действующих стаиочных модулях хотя и не совместимо про-
граммно с базовыми, ио построено иа том же системном канале
обмена. Развивать станочный парк КАПРИ предполагается за
счет УЧПУ, совместимых с базовыми мнкроЭВМ.
Для организации функционирования ЛВС кроме стандартных
средств вычислительной техники в КТС используются специально
разработанные аппаратные средства. Так, в состав станций связи
и подсистем группового управлении (ие различающихся по со-
ставу аппаратуры) входят помимо мнкроЭВМ «Электроника
МС 1201.1» два специализированных блока «Телекварт», которые
Рис. 6.15. Структурная АСУ ГАП КАПРИ
178
осуществляют обмен байтами по четырем независимым приемо-
передающим последовательным каналам. Блоки выполнены в виде
печатных узлов одинарной ширины иа основе БИС К1002ХЛ1.
Другим видом специализированных аппаратных средств яв-
ляется блок дистанционного управления (БДУ) «Телепульт»,
используемый для автоматической связи подсистемы группового
управления станочными модулями с УЧПУ «Электроника НЦ-31»
и подсистемами управления загрузочных роботов типа «Электро-
ника 26». Вставляемый в конструктив УЧПУ блок в виде одного
печатного узла с габаритными размерами 366 x 220 мм благодаря
магистральной структуре УЧПУ имеет доступ (чтение—запись)
практически ко всем блокам УЧПУ. БДУ захватывает магистраль
с использованием арбитра, входящего в процессор УЧПУ (до-
полнительная нагрузка иа магистраль увеличивается всего на
0,1%). Существенно, что сигнал блокировки пульта УЧПУ
позволяет использовать пульт для диалога оперативного персо-
нала с подсистемой группового управления. Пульт выполнен иа
основе БИС асинхронного приемопередатчика К1002ХЛ1 и микро-
схем серий К155, К158, К559 и К589 [411.
Подсистема группового управления шестью станочными моду-
лями выполняет следующие функции: подготовка, коррекция и
передача в УЧПУ и обратный прием управляющих программ;
подготовка с помощью других ЭВМ, входящих в ЛВС, управляю-
щих программ; накопление статистической информации о работе
станочных модулей.
Входящая в ЛВС в качестве абонента специально разработан-
ная графическая станция ПЕГАС, выполненная также иа основе
микроЭВМ «Электроника МС 1201» и дисплея 15ИЭ-00-013, яв-
ляется рабочим местом технолога. С ее помощью разрабатывают
и визуализируют управляющие программы, в том числе модели-
руют процессы резания. Отметим, что связь описанного УВК
с подсистемами САПР интегрированной системы КАПРИ осу-
ществляется с помощью станции связи также по двухпроводным
линиям. Система, находящаяся в эксплуатации, непрерывно
развивается, что обеспечивается архитектурными решениями н
выбором аппаратно-программных средств иа этапе системного
проектирования. •
Другим характерным примером современных архитектурных
решений иерархических УВК с распределенными по уровнями
и по агрегатам на одном уровне микроУВК является комплекс
технических средств управления с переменной конфигурацией,
ориентированный иа сложные технологические линии [83].
Основой построения иерархического УВК являются микроУВК
с переменным составом УСО, имеющие магистрально-модульную
архитектуру и объединяемые в ЛВС с помощью интерфейса ИРПС.
Разработаны три модификации микроУВК: «Орион-3», «Орион-4»
и «Орион-мини». Кроме блоков микроЭВМ «Электроника
МС 1211.01» к единой магистрали подключаются: модуль связи
ш
Дискретные сигналы
Аналоге8ые сигналы
Рве. 6.16. Структурам схема УВК «Орвов-Э»
по четырем каналам ИРПС, реализованный на БИС К1002ХЛ1
и схемах АОТЮ1АС и АОТ128Б; модуль связи с панелью
управлении; модули УСО, в том числе модули приема и выдачи
аналоговых сигналов н модули приема и выдачи дискретных
сигналов с оптрониой развязкой. Конструктивно модули разме-
щаются так же, как и каркас микроЭВМ, — в соответствующих
посадочных местах конструктива микроУВК (их габаритные
размеры 483 x 580 x 266 мм, масса — ие более 28,5 кг). Преду-
сматривается ’А ‘ ~ л
числом типов
комплектации
размещаемой
«Электроника
ППЗУ 16 К
пост
Пост
дошлем*'’
выпуск модификаций «Ориоиа-3» с различным
модулей УСО, которые кроме соответствующей
будут обеспечиваться программой управления,
в печатном узле перепрограммируемого ППЗУ
МС 3404.02» с УФ-стираиием информации (объем
шестнадцатиразрядных слов). Следует заметить,
что в корпусе«Ориоиа-3»
располагаются аккуму-
ляторы. Эго позволяет
сохранять информацию
в ОЗУ в течение трех
суток после отключения
питания (рис. 6.16).
МикроУВК «Орион-4»
отличается от «Орио-
иа-3» тем, что вместо
микроЭВМ «Электрони-
ка МС 12117.01» в нем
применена одноплатная
мнкроЭВМ «Электрони-
ка МС 1201.02», а в но-
менклатуру УСО вве-
,XCW
САПР
дж-3*
ЗЕ~~
Лоо» (т-з1)
управления
Рис. 6.17. Структурная схема АСУ (АСУОТП)
ГАП яа базе УВК типа «Орвоя» и постов
управления (ПУ-3)
180
дены модули шестиканального четырнадцатиразрядного АЦП и
управления тиристорами.
МикроУВК «Орион-мини» может содержать вдвое меньшее
число модулей УСО.
Все указанные микроУВК, включающие модули УСО, форми-
руют первый уровень управления в иерархическом УВК.
Следующий уровень управления формируют координирую-
щие УВК, называемые постами управления ПУ-3. Функциональ-
ная схема ПУ-3 изображена на рис. 6.17. Связь с нижестоящим
уровнем, а также с подсистемой цехового уровня (центральный
пост управления), иа котором используется комплекс типа
15ВУМС-16 вл и МС0001-0004, осуществляется по каналам ИРПС.
Приведенные примеры иерархических УВК, в которых ис-
пользованы элементы концепций ЛВС, в определенной мере
характеризуют современные тенденции в системном проектиро-
вании и конструировании комплексов АСУОТП и ГАП.
Глава 7
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
И ВНЕДРЕНИЕ АСУТП (АСУОТП)
ГЛ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ
И ИСПОЛНИТЕЛИ РАЗРАБОТОК АСУТП
Краткая характеристика этанов работ. Создание конкретной
АСУТП для промышленного предприятия (от момента возникно-
вения идеи до внедрения системы в эксплуатацию) — длительный
процесс (до нескольких лет). В настоящее время в связи со зна-
чительным улучшением основных параметров технических средств,
усовершенствованием математического обеспечения, а также с по-
явлением групп специалистов, имеющих опыт проектирования и
внедрения систем, наметилась тенденция к сокращению срока
создания АСУТП.
Продолжительность создания АСУТП зависит от многих
факторов: степени сложности объекта управления и подготов-
ленности к автоматизированному управлению; стадия освоения
объекта управления в промышленности (проектирование, пуско-
наладочные работы, эксплуатация в режиме номинальной произ-
водительности) вл и регламента эксплуатации; функционально-
алгоритмической характеристики задач упраэления, реализуе-
мых в АСУТП; квалификации и численности групп специалистов,
выполняющих проектные работы, монтаж и внедрение АСУТП
иа промышленном предприятии; выбора комплекса технических
средств; подготовленности математического обеспечения, в том
числе степени стандартизации программного обеспечения; орга-
181
низании последовательно-параллельного выполнения отдельных
этапов работ (например, применения методов сетевого планиро-
вания и управпеиип).
Основные этаны проектирования такой АСУТП — предпроект-
ная проработка; разработка технического проекта; подготовка
рабочего проекта; моитгшно -наладочные работы иа объекте;
испытания и опытная зкснлу*тация.
На этапе пред проектной проработки выбирают
объект управления и устанавливают цели внедрения АСУТП.
Затем формируют вадачн управления и производят предпари
тельную оценку алгоритмов решения этих задач. Прй этом ана-
лизируют информационные потоки в системе технологический
процесс — АСУТП, предварительно намечают точки съема ин-
формации и приложения управляющих воздействий к процессу,
а также ориентировочно определяют функции оперативного
персонвла в работе системы. Наконец, производят приближен-
ную оценку состава и стоимости технических средств и предва-
рительную оценку ожидаемого экономического эффекта.
Результаты предпроектиой проработки служат исходными
материалами для составления технического задания иа проекти-
рование АСУТП. В техническом задании уточняются цели и
задачи АСУТП, определяются технические требования к системе
и составным частям, устанавливаются этапы разработки.
На этапе разработка техиического проекта
принимают все принципиальные решения по построению комп-
лекса технических средств, алгоритмов управления и комплекса
программного обеспечения; окончательно выбирают стандартные
и проектируют нестандартные технические средства; разрабаты-
вают функциональные и принципиальные схемы системы н ее
составных частей; проводят Физическое и математическое модели-
рование работы системы или ее отдельных элементов; уточняют
алгоритмы управления, объемы и форму представления инфор-
мации, циркулирующей г системе; частично или целиком разра-
батывают рабочие программы.
В тех случаях, когда некоторые принципиальные технические
решения можно принять только после их проверки в реально
функционирующей система технологический процесс — АСУТП
или после оглядки всего коьг^лекса программного обеспечения,
составляют эскизно-технический проект, отдельные разделы кото-
рого подлежат дальнейшей технической разработке иа следую-
щих этапах создания АСУТП.
На этапе подготовки рабочего проекта,
выпускаемого на основании материалов техиического проекта,
разрабатывают следующую техническую документацию {191:
комплект чертежей размещения и электрического соединения
технических средств ма предприятии, прокладки кабельных
трасс ит. п.; комплект рабочих чертежей на нестандартные тех-
нические средства; комплект программного, математического,
182
информационного и лингвистического обеспечения; комплект
рабочих чертежей строительной части (включая установки кои*
диционирования воздуха и электропитания); технические усло-
вия на АСУТП, инструкции по эксплуатации, программирова-
нию, описания технических средств, алгоритмов и программ.
Если проектируемая АСУТП должна взаимодействовать с тех-
нологическим оборудованием, находящимся в эксплуатации, в
рабочий проект включают также чертежи и схемы, которые
касаются изменений в конструкции оборудования при оснаще-
нии его дополнительными датчиками, исполнительными меха-
низмами и др.
Особое внимание при подготовке рабочего проекта уделяют
вопросам обеспечения электропитания, экранирования и зазем-
ления технических средств АСУТП. На этом этапе производят
также уточненный расчет ожидаемой экономической эффектив-
ности от внедрения АСУТП, поскольку становится известным
практически весь объем капитальных затрат иа проектирование,
изготовление, монтаж и наладку системы. Следует отметить, что
для вновь проектируемых автоматизированных технологических
комплексов рабочие проекты АСУТП включаются как составные
части общего рабочего проекта.
Монтажи о-н аладочные работы на объекте уп-
равления проводят после завершения рабочего проекта, а опыт-
ные (головные) образцы технических средств можно изготавли-
вать (или поставлять) параллельно в процессе проектировании.
Наиболее важным фактором, влияющим иа сроки выполнения
монтажных и наладочных работ, является время, выделяемое иа
стыковку АСУТП с объектом управления и комплексную от-
ладку программ при работе в реальном времени. В тех случаях,
когда длительные непроизводительные остановки технологичес-
кого оборудования неприемлемы для предприятия, используются
различные средства имитации работы технологического процесса.
Как правило, в процессе отладки АСУТП в комплексе с объек-
том управления и ввода ее в эксплуатацию выявляются новые
технические требования, которые ие были учтены при проекти-
ровании системы. В связи с этим одна из важнейших характерис-
тик внедряемых систем — способность к частичным изменениям
и дополнениям как технических средств, так и программного
обеспечения.
В соответствии с ГОСТ 24.104—85 «Автоматизированные си-
стемы управления. Общие требования» при вводе АСУ в действие
выделяют этап испытаний и опытной эксплуа-
тации. Определяют виды испытаний — предварительные и
приемочные. Предварительные испытания проводят совместно
разработчик и заказчик, чтобы определить работоспособность
системы и решить вопрос о возможности ее приемки в опытную
эксплуатацию. В соответствии с вышеуказанным стандартом
предварительные испытания АСУТП проводят иа действующем
183
ТОУ. Результаты приемки в опытную эксплуатацию оформляют
«Актом приемки в опытную эксплуатацию» иа основании прото-
колов предварительных испытаний. Продолжительность опытной
эксплуатации определяют по срокам, необходимым для проверки
правильности функционирования системы при выполнении всех
информационно-вычислительных и управляющих функций оценки
готовности оперативного персонала к взаимодействию с КТС
системы.
Приемочные испытания (государственные, межведоствеииые
или ведомственные) проводят с целью определить соответствие
системы требованиям ТЗ и ГОСТ 24.104—85, а также выявить
возможность ввода АСУТП (АСУОТП) в действие. Допускается
поэтапный ввод в действие системы с оформлением промежуточ-
ных актов. Приемочные испытания завершаются составлением
протокола всех испытаний и актом о вводе системы в действие.
Основные исполнители работ ио этапам. Разработка и внедре-
ние АСУТП включают в себя множество разнохарактерных работ,
каждая из которых требует специалистов различных специаль-
ностей и квалификации. В то же время работы на всех этапах
тесно связаны между собой (причем многие из иих выполняются
параллельно), результаты выполнения одной влияют иа ход
выполнения и результаты другой. Например, технические сред*
ства и программное обеспечение разрабатывают, как правило,
одновременно, при этом всегда ищут оптимальное (с экономи-
ческой точки зрения) распределение «нагрузки» между аппара-
турой и программой. В связи с этим для успешного создания
АСУТП в кратчайшие сроки весьма важно выбрать исполнителя
работ иа соответствующих этапах. Практически можно опреде-
лить три основных типа проектировщиков систем: 1) персонал
предприятия-потребителя; 2) изготовители (разработчики) тех-
нических средств; 3) специальные бригады, проектирующие си-
стемы.
В общем случае каждый тип проектировщика АСУТП имеет
свои сильные и слабые стороны. Потребитель лучше, чем кто-
либо другой, знает технологический процесс и конкретные усло-
вия производства. Кроме того, он наиболее заинтересован в оп-
тимальном построении системы и успешном ее внедрении, по-
скольку сам в дальнейшем должен ее эксплуатировать и получать
прибыль от внедрения. В принципе, если в составе производствен-
ного персонала имеются специалисты, знающие технические
средства АСУТП и программирование, то системы можно созда-
вать силами самого промышленного предприятия. Однако такая
форма проведения работ доступна лишь крупным предприя-
тиям. Чтобы выполнить работу по проектированию систем (вклю-
чая моделирование и программирование задач управления),
требуются специалисты весьма высокой квалификации, в кото-
рых, как правило, промышленные предприятия испытывают
недостаток. По этой причине персонал предприятия-потребителя
184
участвует в процессе создания системы в основном на этапе пред-
проектной проработки, а затем при монтаже и вводе АСУТП
в эксплуатацию.
Изготовители (разработчики) технических средств, во многих
случаях являясь разработчиками и программного обеспечения,
отлично знают характеристики и возможности своих изделий.
Поэтому, проектируя системы, они лучше, чем кто-либо, могут
обеспечить эффективное использование управляющих ЭВМ, орга-
низовать комплекс УВВИ и разработать наиболее компактную
производительную программу. Имея опыт проектирования других
систем, изготовители средств АСУТП могут добиться большого
успеха, даже впервые сталкиваясь с новым типом производства.
Существенно также то, что им проще обеспечить возможности
изменения или расширения проектируемой системы в будущем.
Изготовители средств, одиако, ие могут создать системы управ-
ления и тем более внедрить ее на промышленном предприятии
без участия персонала этого предприятия. Они, кроме того, «при-
вязаны» к своим изделиям, ограиичивая тем самым выбор других
(в ряде случаев более оптимальных) комплексов технических
средств.
Специальные бригады, проектирующие системы, как правило,
имеют в своем составе специалистов по системотехнике, ЭВМ,
датчикам и исполнительным механизмам, автоматизации и про-
граммированию. Эти бригады в общем случае выполняют все
работы от выбора объекта управления и задач АСУТП до внед-
рения. Поскольку они специализируются иа создании систем,
естественно, что работы должны выполняться ими в наиболее
короткие сроки. Одиако выбор таких исполнителей имеет опре-
деленные недостатки. Бригады проектировщиков, как правило,
разрабатывают то, что в данный момент требует потребитель, и
не более. Это устраивает потребителя, если требуется конструк-
тивно законченное специализированное оборудование, выполняю-
щее определенные функции быстро и эффективно. В этом случае
ие предусматривается никакого совершенствования и развития
системы.
Следует отметить, что бригады, специализирующиеся иа проек-
тировании системы, стремится выполнять работы на базе средств
АСУТП, с которыми они имели дело раньше, т. е. и в этом случае
существует тенденция к ограничению выбора технических средств.
Представляют интерес результаты опроса, проведенного аме-
риканским журналом «Control Engng», большого числа фирм,
которые использовали различных исполнителей иа отдельных
этапах создания АСУТП. Опрос показал, что наибольшее участие
на всех этапах принимали специальные проектные бригады
(табл. 7.1). Естественно, что системные подрядчики заняли пер-
вое место по монтажу систем иа промышленных предприятиях.
Минимальное участие в работах изготовителей оборудования,
по-видимому, объясняется тем, что значительная часть специаль-
185
T a fl л в и a 7.1. Основные иеполиитедн работ
ма различных этапах создания АСУТП
Исиолввтель работ Предпроектная проработка Рааработка тел- ивческвх тре- бований Проектирова- ние комплекса технических средств Моделирование | Рааработка про- грамм Монтаж систе- мы Ввод системы в действие । Отладка про* граммы
Центральное техни- ческое управление 38 24 23 13 6 18 12 5
Специальная проект- ная бригада 68 76 69 47 58 42 84 68
Персонал предприя- тия 33 30 28 20 31 43 43 39
Системный подрядчик 8 18 42 19 42 59 47 38
Подрядчик но спе- циализированному оборудованию 1 3 8 5 9 10 8 9
Изготовитель обору- дования 1 2 3 1 3 2 2 3
ных проектных бригад фактически представляла интересы фирм-
изготовителей (например, фирмы IBM).
Опыт разработки и внедрения отечественных АСУТП также
свидетельствует об эффективности работы специально созданных
проектных бригад. В отечественной практике создания АСУТП
получила распространение форма тесного сотрудничества раз-
работчиков технических средств, предприятия-изготовителя, спе-
циальной проектной бригады и персонала предприятия, где внед-
ряется система. Типичным примером такого сотрудничества может
служить разработка первой отечественной системы автомати-
ческого энергоблока атомной электростанции.
7.2. АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА ЗАДАЧ
ОРГАНИЗАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ В АСУОТП
Как уже указывалось выше, АСУОТП представляют собой
органическое единство автоматизированных систем управления
технологическими (АСУТП) и организационными процессами
(АСУОП). Ранг АСУОП в системе иерархий АСУ экономическими
объектами обычно относится к уровню технологической линии,
участка, цеха. Известно, что уже иа уровне технологической
линии в производстве даже одних и тех же изделий возникают
и объективно существуют определенные различия в организации
процесса функционирования производства. Они определяются
объемом производства, используемым типом оборудования и
даже квалификацией той рабочей силы, которой располагает
предприятие.
186
При проектировании
организационной части
комплексной АСУОТП од-
ним из важнейших этапов
работ является определе-
ние состава и функцио-
нальных задач АСУОП:
перечня задач, из взаимо-
связи и последовательно-
сти решения, смыслового
С0Дер* *аИИЛЯ Рис. tl. Дтл^роминая струятуряая
справочной информации, модель технологической операции
порядка формирования и
использования информационных массивов. В качестве теоре-
тической базы построения унифицированных элементов АСУОТП
могут быть использованы уравнения энергетического, материаль-
ного и стоимостного баланса и, в частности, обобщенные струк-
турные и математические модели эсссноинческой системы.
Базой для построения системы прсеккироэаиия задач управ-
ления организационными процессами служит минимальная уни-
фицированная структурная модель технологической операции,
которая, в свою очередь, представляет собой частный случай
обобщенной экономической модели и £ терших этой модели
имеет вид, приведенный иа рис. 7.1. В соответствии с описанием
минимальной унифицированной структурной модели, технологи-
ческой операции элементы и связи на рис. 7.1 обозначают сле-
дующее:
е„.р — поток стоимости входящих деталей, материалов, тру-
довых затрат и т. п., поступающих К£ технологическую опера-
цию 1;
Eptt — стоимость запасов (в том числе страховых) деталей,
материалов и т. п. в момент времени имеющихся иа входе тех-
нологической операции * (блок р);
вр_п — поток стоимости деталей, материалов и т. п., непо-
средственно поступающих на технологическую операцию;
Eat, — балансовая стоимость основных фондов, обеспечи-
вающих выполнение заданной технолог-ическ<$ операции (блок п);
вв-i» — поток стоимости изделий,, и«лернало0 к т. п., прошед-
ших технологическую операцию, ко не переданных на последую-
щую (поступающих, например, в выходной накопитель);
E9t9 — стоимость изделий, материалов и т.п., прошедших
обработку на технологической операции и находящихся иа ней
в момент времени t0 (блок э);
1 Поток евх. р имеет также стоимостную составляющую, соответствующую
стоимости прибавочного продукта, полученного иа технологической операции;
е измеряется как денежная единица, деленная иа единицу времени (д. ед./ед. вр.).
* Е измеряется в денежных единицах.
187
е>ых.в — поток стоимости изделий, материалов и т.п., про-
шедших технологическую операцию и переданных на другую;
ев_в — поток стоимости деталей, материалов и т. п. с перене-
сенными иа них соответствующими частями стоимости основных
фондов, оборотных средств, включая стоимость прибавочного
продукта, ушедших из процесса обработки в брак, технологи-
ческие отходы и т. п.;
Eet, — стоимость бракованных изделий, материалов, тех-
нологических отходов и т. п., находящихся на момент времени
иа технологической операции (блок к);
евнх. в — поток стоимости бракованных изделий, материалов,
технологических отходов и т. п., выведенных с технологической
операции.
Запишем уравнение баланса стоимости для технологической
операции
= ^pt 4“ ^nt Ч-(7.1)
где Eft — стоимость содержания каждого элемента £р, Еш Еа, £н.
Решение уравнения (7.1) даст иам комплекс задач оперативного
(дифференциального) учета и отчетности (интегрального учета).
В соответствии со структурной моделью технологической опе-
рации
t
£Р, = £»<.
Соотношение (7.2) — уравнение баланса стоимости в интег-
ральной форме, записанное для блока р. Оно так же, как и все
остальные приводимые ниже уравнения, является стандартной
формой интегральной задачи учета состояния входа.
Введем условное обозначение для интегральных задач учета*
ИАЛ (И — интегральная, А — учетная, J — буквенный индекс
элемента). Так, индекс задачи (7.1) записывается в виде ИАР.
Аналогично выражению (7.2) получаем уравнение баланса
стоимости для других элементов модели в виде стандартных
задач учета:
интегральной (ИАП)
t t t
Е„, - + J ep_„ dt - J e,_, dt - J df; (7,3)
0 0 0
интегральный (ИАЭ)
t t
E»t = Ent, -|- J eB—• d/ — J £>ых.в df; (7.4)
интегральной (ИАН)
t t
Eat — Ent, 4~ f an_B dl — f с»ых. и dt (7.5)
(«р-n dt (7.2)
188
Стандартная задача интегрального учета для всей технологи-
ческой операции — уравнение (7.1). Индекс задачи — ИАС. За-
дачи дифференциального (оперативного) учета получаются диф-
ференцированием по t уравнений (7.1)—(7.5):
состояния технологической операции в целом (ДАС)
*. - »» + ». + «. + «
входа технологической операции (ДАР)
Ср : енх. р И- Яр^,;
непосредственно технологического процесса (ДАП)
Ян= Яр^в Яц_р Я(ий
выхода технологической операции по годным изделиям, мате-
риалам и т. п. (ДАЭ)
я» = Яв_э свых< в;
выхода технологической операции по браку, технологическим
отходам и т. д. (ДАП)
Яи = Яр_и — Ярых, я-
Для технологической операции обычно ие выделяют внутрен-
ние потоки стоимостей, непосредственно входящие в нее. Отсюда
следует, что модель, приведенная иа рис. 7.1, излишне детализи-
рована. Однако для участка, технологической лииии, цеха все
блоки модели получают вполне конкретное «физическое» содер-
жание: р — место хранения страховых запасов изделий, мате-
риалов и т. п.; п — основные фонды — станки, технологическое
оборудование, производственные площади, рабочие и т.п.; »—
склад готовой продукции; к — место сбора (и хранения) брака и
технологических отходов. Поэтому для сохранения общих прин-
ципов построения АСУОП желательно иметь систему, обеспечи-
вающую полное соответствие модели рис. 7.1.
Принципы построения и основной состав функционального и
информационного обеспечения АСУОП для обобщенной струк-
турной модели экономической системы приведены в работе [261.
Здесь же ограничимся изложением принципов построения и
основного состава информационного обеспечения АСУОП на
уровне технологической операции.
Если технологический процесс ие подразделяется на блоки р,
п, э и н, то модель его будет иметь вид, приведенный иа рис. 7.2.
Уравнение баланса стоимости в этом случае
I t t
Ес = Е«/. + j я„. р df - j я,„.. (И - j я..., . d/ (7.6)
или в дифференциальной форме
= ^вх. р ^вых. в — £вых. (7.7)
189
Рнс. 7.2. Укруп-
ненная модель тех-
нологической one*
рации
Перечень стандартных задач интегрального
и дифференциального учета, вытекающих из
уравнений (7.6) н (7.7) и их «экономическое»
содержание приведены в табл. 7.2 и 7.3.
Кроме учетных задач в АСУОП можно выде-
лить также и группу задач оценки состояния
объекта управления и системы управления им1.
Сущность этих задач сводится к сравнению
фактического состояния объекта управления
с требуемым (например, плановым) и выра-
ботке оценки состояния объекта управления н системы управ-
ления нм.
Можно показать, что состав информационных задач оценки
состояния можно унифицировать, а сами задачи поставить более
полно (при их решении могут быть учтены поля допуска иа откло-
нения). Чтобы определить состав информационных задач оценки
состояния, воспользуемся уравнениями, вытекающими из ба-
ланса стоимости в системе, описываемой соотношением (7.1).
Номенклатура задач даиа в табл. 7.4, 7.5 в порядке их следо-
вания.
В зависимости от структуры управления производством учет-
ные задачи и информационные задачи оценки состояния можно
решать как автономно (т. е. для соответствующего уровня управ-
ления решают отдельные задачи групп ИА, ДА, ИН и ДН), так
и комплексно. В одну машинограмму (или видеограмму) могут
быть сведены результаты решения различных задач. Не анали-
зируя зависимости состава комплексов решаемых задач от уровня
и используемых законов управления, приведем два правила,
определяющие порядок объединения задач групп ИА, ДА, ИН
и ДН в комплексы.
Если задачи различных групп объединены в одну комплекс-
ную задачу параллельно, то минимальная информационная и ал-
горитмическая избыточность достигается при совпадении первых
цифровых индексов задач и одновременном совпадении первого
буквенного индекса задачи оценки состояния с первым буквен-
ным индексом одной из задач учета. Оптимальным комплексом
задач при параллельном объединении является комплекс ДА,,
ИА,, ДН,, ИН,, где t — первый цифровой индекс задачи.
При последовательном объединении задач групп ДА и ИА
в комплексную задачу минимальная информационней и алгорит-
мическая избыточность достигается в том случае, если из первых
цифровых индексов для каждой группы задач можно образовать
натуральный ряд чисел. Оптимальных комплексов задач при
последовательном объединении два: ДА100—ДА400, ИА100—ИА
ИА400.
1 Далее, для краткости — группа задач оценки состояния.
190
Т аб л в ц a 7ХСтавдартвме аадачя автегралмого учета
Самво* авмская форма аашсв Матемамчесаая форма оаввса
Вхо&жцие детали, материалы и т. л.
, Учет остатков остаток) Учет псетуплеит Учет состоящие (входящий Я1 входа 8 ИА 100 ИА101 ИАШ ^pte h t.+r J <ax. p dt J; f,+T Epi* + j *>x. p d/
Врал, техиолоеичеаше отходы
Учет остатков остаток) 1 Учет выхода 9 (входящий ИА200 ИД201 /u,+r
Учет состояния выхода 8 ИА211 fa*» + J Чых. в <W
Годные иаделия, материалы и т. н.
Учет остатков остаток) Учет выхода (входящий ИАЗОО ИА301 £at- /; G+r £•<•+ J •вых.» di h M-T
Учет состоянии выхода1 ИЛЗН £9t« + J efeiix. a dt
В дежиг до техмолоёиееской операции
Учет остатков (входящей остаток) ИА400 ** £pt« + + Bah ti tv+T t; tH-Г.
Учет частого оборотав ИА401 J eed/= Г *>x.pdt
4 4
— J евых. — J евых. а dt
191
Продолжение тевя. 7.9
Стандартная задача Симво- лическая форма всянси Математическая форма записи
Учет полного оборота * 1 Для интервалов врем + <о + Г- накопленным итог Для интервалов време входящего остатка; tg+* + Т ее отчетный период времени ИА411 вне fa+1 -ом аа отче IB 1 — — накоплен — «всходя h *.+т Eet = + J ес d* - текущий, накопленный итогом; tv+ тяый период временя Г. текущий, накопленным итогом с учетом выы итогом, с учетом входящего остатка щий остато».
Таблица 7.3. Стандартные задачи дифференциального учета
Стандартная задача Символическая форма аеяися Математическая форма ваписи
Оперативный учет поступлении ДА100 '.X. ,
Оперативный учет потерь ДА200 ^вых. и
Оперативный учет выпуска ДА300 евых.»
Оперативный учет чистого оборота ДА400 €вх. р — евых. И ~• £вых. в
Таблица 7.4. Стандартные задачи ицеякя состояния
объекта управления (интегральный учет)
Стандартная задача Симво- лическая форма .записв Математическая форма записи 1
Входящие детали, материалы и т. п.
За нас ИН100 Zn (ИА100°) — Zn (ИА100*) = ±Д
Текущий план 8 ИН101 Zn(HA101“) — Zn (ИА101*) — ±Д
Текущий план с учетом вхо- дящего остатка ИНШ zn(HAiii“) — г»(иА1п*)= ±д
Брак. технологические отходы
Размер сдаваемой партии ИН200 Zn (ИА200°) — Zn (ИА200*) = ± Д
Текущий план ИН201 Zn (ИА201”) - Zn (ИА201*) = ±Д
Текущий план с учетом вхо- дящего остатка ИН211 Zn (ИА211") — Zn (ИА211ф) = ±Д
192
Продолжекве табл. 7.4
Стандартная задача Симво- лическая форма аапясв Математическая форма записи 1
Годные изделия, материалы и т. п.
Объем незавершенного про- изводства ИНЗОО Zn (ИАЗОО") - Zn (ИАЗОО*) = ± Д
Текущий план 9 ИН301 Zn (ИА301°) - гп(ИА301ф) = ±д
Текущий план с учетом вхо- дящего остатка ИН311 гп(ИАЗп°)-гп(иАзп*)= ±д
В целом по технологической операции
Объем незавершенного про- изводства ИН400 Zn (ИА400°) — Zn (ИА400*) = ±Д
Чистый оборот ИН 401 Zn (ИА401°) - Zn (ИА401*) = ± Д
Полный оборот ИН411 Zn (ИА411") - Zn (ИА411*) = ±Д
* Zn — численны! результат решения задачи, индекс «п» — плановый.
<ф» — фактический, Д — допуск на отклонение от планового.
1 По задачам текущего плана — см . сноски к там. 7.2.
Таблица 7.5. Стандартные задачи оценка состоянии
объекта управлении
Стандартная задача Симво- лическая форма запаса Математическая форма записи
Темп поступления (деталей, материалов н т. п.) на вход Темп выхода брака, техно- логических отходов Темп выхода годных1 Темп чистого оборота 1 Эквивалентна аадаче ДН100 ДН200 ДН300 ДН400 оределення Zn (ДН100") - Zn (днюо*) = ±д Zn (ДН200") — Zn (ДН200*) = ±Д Zn (ДНЗОО”) - Zn (ДН200*) = ± Д Zn (ДН400") — Zn (ДН400*) = ±Д ритмичности.
Правила параллельного и последовательного объединения
Задач позволяют формировать и параллельно-последовательные
комплексы. Однако их информационная и алгоритмическая избы-
точность превышает таковую у комплексон, состоящих только
из параллельно или только последовательно объединенных за-
дач. Для примера приведем стандартные формы выходных ма-
шинограмм для параллельных, последовательных и параллельно-
последовательных комплексов задач (формы 7.1—7.4).
7 В. М. Валиков 193
Форма 7.1. Учет иоступлеяия
во -------------м------------
Форма 7.2. Оиеративная
оборотная ведомость
НакмевояанЯА (шифр) ПостуллвнвА Откловевяв от плева
1 3 • h 2 3 "l 1 3 h
ё 1 н В о. в i ё i
ДА100 ИА 101 ДН100 ИН 101
Форма 7.3. Оборотная ведомость
во--------------ва —-----------
Наяиеяовавве : (шифр) Поступ- л«яяе Потеря Выпуск Чистый оборот Остаток ва конец пред- шеству- ющего месяца Полный оборот
В РМ- 1 ё 1 а 5 В $ чш В 1 ₽ув‘ 1
ИА101 ИА201 И АЗО! ИА401 ИА400 ИА4П
Форма 7.4. Оборотная ведомость но -------------за ------------
Наименование (шифр) Поступление Потеря Выпуск Полные оборот
за сутки с качала месяца аа сутяи с качала месяца за сутки с начала месяца
шт. РУб-
ё • ё 1 1 S g а РУб | В w 1 ё руб. 1
ДА100 ИА101 ДА200 ИА201 ДА300 ИА301 ИА411
В машинограммах приняты df а? Д/ = 24 ч, Т = 1 мес, а
— Р^п^
(7.8)
где Pt — стоимость (себестоимость, оптовая цена и т. Д.) физи-
ческой единицы продукции, д. ед./ф. ед.; nt — поток выпускаемой
продукции, ф. ед./ед. вр.
194
Укажем, что для реальных производств стоимостные функции
могут иметь разрывы первого рода. В этих случаях в реальных
задачах АСУОП при решении задач групп МА, ДА, ИН и ДН
определенные интегралы должны быть заменены дискретными
суммами, а дифференциалы — приращениями. Такая замена,
однако, не приводит к каким-либо изменениям в составе групп
задач ИА, ДА, ИН и ДН.
Изложенные принципы аналитического построения системы
задач АСУ приведены для структурной модели технологической
операции с одним входом (см. рнс. 7 1 и 7.2). Минимальная уни-
фицированная модель технологической операции имеет два входа.
Для нее система задач учета решается «расщеплением» входного
потока иа необходимое число составляющих в соответствии с фор-
мулой
я
еМ. р ~ евт. р /»
где ^вх.р/—составляющие входящего потока стоимости (мате-
риалы, детали, трудовые затраты и т. п.).
В частном случае (для минимальной унифицированной струк-
турной модели технологической операции)
~ eBT. P 1 ^BS. р S (7.9)
Если в стоимости изделий необходимо учесть затраты основ-
ных фондов н оборотных средств на выпуск соответствующей
продукции, то уравнение (7.9) приобретает вид
^вх. р = ®вх* pl ~Ь евх. ря ®В1. р. ф ~Ь ^ВХ. р. С» (7.10)
где aBS. р. ф и е8х. р. с — соответствующие стоимостные потоки
затрат основных фондов и оборотных средств на технологической
операции.
Составляющие уравнения (7.10) надо учитывать при опреде-
лении содержания машинограмм, получаемых в АСУОП.
7.3* АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА
ИНФОРМАЦИОННЫХ МАССИВОВ АСУ
ОРГАНИЗАЦИОННЫМИ ПРОЦЕССАМИ
НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОПЕРАЦИИ
Состав информационных массивов определяется тем перечнем
функциональных задач, которые решаются в системе. Как мы уже
говорили, основной комплекс задач, подлежащих решению при
Управлении организационными процессами, определяется урав-
нением (7Д), а для технологической операции, в которой ие рас-
считываются промежуточные потоки стоимости, — уравнением
195
(7.6). С учетом соотношенией (7.8) и (7.10) уравнение баланса
стоимости для технологической операции будет иметь вид
Ecl — вх. pt
Ср», pi dt +
р. ф di 4“ I врх, р. с di
Ярых, р б/.
(7.11)
Чтобы с уравнением (7.11) было удобно работать, перегруп-
пируем его следующим ..образом:
Fpt, вх. pl 4~
Ер10 вх. р2 4“ I Явх. р2 di I I 4~
Грх. р. ф dt 4“
(7.12)
С учетом уравнения (7.8) из (7.12) получаем
Aipr.Bx.p2
Aipt. рнх. в ~~ J Opp», р di
(7.13)
Здесь Fpi.pi, FBI.pp — стоимость (себестоимость, оптовая цена,
цена базового года и т. д.) деталей (узлов, материалов и т. п.),
поступающих на 1-й и 2-й входы технологической операции
соответственно, д. ед./ф. ед.; е„. р.ф, е,х.р. „— аатраты основ-
ных фондов и оборотных средств на обработку из данной техно-
логической операции детали (узла, материала и т. п.), поступаю-
щих по 1-му и 2-му входам соответственно, д. ед./ф. ед.;
^>Ы1.р — стоимость (себестоимость, оптовая цена, цена базис-
ного года и т. д.) бракованных и годных деталей (узлов, материа-
лов и т. п.) технологических отходов, выходящих с'операции,
д. ед./ф. ед.; Aip(,Bxi, Aip,.,x2, Aip/.вых.р, Ai„. ,в,., —число де-
196
талей (узлов, материалов и т. п.), находящихся на технологичес-
кой операции иа момент времени 4> поступивших по 1-му и 2-му
входам, ушедших в брак и технологические отходы, годных,
ф. ед - > ftax.pi* ftax.pi* ftaMx. в, ftaux-a — поток деталей (узлов,
материалов и т. п.), соответственно поступающих иа технологи-
ческую операцию по 1-му и 2-му входам и выходящих из техноло-
гической операции в виде брака и технологических отходов,
годных изделий, ф. ед./ед. вр.
Значения коэффициентов FBUI.a и найдем из следую-
щих условий. Дифференцируя уравнение (7.12) для E„t = const,
получаем
евх. pi 4“ евх. р2 4“ евх. р. ф 4“ ^вх. р. о — евых. в — евых. . = О
или
^вх. pl 4“ евх. Р2 4" ®вх. р. ф 4“ Вах. р. а — еВЫ1 в 4“ ^анх. в — евнв.
С учетом уравнения (7.8) имеем
^вх. plftsx. рв 4“ ^вх. paftax. pl 4“ евх. р. ф 4“ евх. р. с = FBuxftaux.
Так как лв1.р1*1 = п,х. рЛ = пВых, где kt и k, — учетные
коэффициенты передачи, то получаем
(1/Й1) Fах. piftaux 4“ (M^l) F™. раЛвых 4“ ввх- р. ф 4“ ®вх. р. е — ^выхЛвых
ИЛИ
(1/fti) Fbx. pl 4~ (1/^а) ^вх. р2 4“ ^ВХ. р. ф/Лвых 4“ ^вх. р. с/Лвых ^вых-
(7-14)
Третий и четвертый члены уравнения (7.14) есть ие что иное,
как затраты основных фондов и оборотных средств на единицу
продукции, получаемой с технологической линии. Тогда стои-
мость единицы продукции будет определиться так*.
^1-Рвх. pl 4" W7BX. р2 4~ ^ВХ. р. ф 4" ^вх. р. С — ^вых» (7.15)
где X, и Ха — коэффициенты вхождения деталей (узлов, материа-
лов и т. п.) в единицу продукции, снимаемой с технологической
операции.
С учетом выражения (7.15) уравнение (7.13) приобретает
вид .
(7.16)
197
При совпадении себестоимости годных и негодных изделий,
получаемых с операции, потребительная стоимость их будет
различна. Поэтому в практических расчетах используют раз^
ные Рвых для годных и негодных изделий (FB&2Z,8 и Тогда
формулу (7.16) можно записать в виде
В уравнении (7.17) интегралы можно заменить суммами
t *
nt dt « 2 *** Д<Ь
t
где k — число интервалов времени производства (часов, смей,
дней и т. п.); niA — соответствующий поток, ф. ед./ед. вр.; Д<к —
интервал времени, ед. вр.
С учетом того, что все составляющие уравнения (7.17) могут
быть нормированы (им устанавливают некоторые плановые зна-
чения), получаем следующее содержание информационных мас-
сивов:
Eft —• плановый и фактический баланс технологической
операции в стоимостном выражении 1;
Ept, pi — стоимость страховых запасов по
1-му входу;
ЯивИг. Р2, fpz.Bi.p2 —то же по 2-му входу;
Е*„ — стоимость бракованной продукции, технологи-
ческих отходов, хранящихся на операции (обычно в АСУОП не
используются);
E*t., Ей, — стоимость годной продукции, хранящейся на
технологической операции (стоимость незавершенного произ-
водства);
Apr,». pi. pi — стоимость страховых запасов по 1-му
входу в натуральном выражении;
р2 —ТО же по 2-му входу;
Nai.t Nit. — стоимость бракованной продукции, технологи-
ческих отходов в натуральном выражении;
1 Далее для краткости написании определения «плановый» и «фактический?
будут опущены.
198
N°t,, Nit, — стоимость незавершенного производства в нату-
ральном выражении;
Fix. pi. Fix. pi — себестоимость (стоимость, оптовая цена и
т. п.) деталей (узлов, материалов и т. д.), поступающих на 1-й
вход;
Fix. р2> Fix. р2 — то же по 2-му входу;
Fiux. a. Fiux.x — стоимость (себестоимость, оптовая цена и
т. п.) негодного изделия;
Fiux. э> Fiax. s — то же годного изделия;
n»x. pi. n*i. pi — поток входящих деталей (узлов, материалов
и т. п ), поступающих на операцию по 1-му входу;
n!x. р2. nix. р2 — то же по 2-му входу;
л£ых. а. л?ых, а — поток бракованных изделий (узлов, мате-
риалов, технологических отходов и т. п.), получаемых с техно-
логической операции;
л°ых... "вых. в — поток годных изделий (узлов, материалов и
т. п.), получаемых с технологической операции;
к к
У Лвх. pi S Лвх. pi ^tk — поток входящих деталей, по-
1
ступающих по 1-му входу, накопленным итогом вай интервалов
времени tkt (часов, смен, дней и т. д.);
к к
Е л!,. ррД!»; S nix. рг Ди — то же по 2-му входу;
1 i
к к
2j л"ых. в Д<»; S л?ых. > А<» — поток бракованных изделий
1 1
накопленным итогом за к интервалов времени А/;
к к
У! п°ы». в Д<»; jp ntux. в Д<» — поток годных изделий накоп-
ленным итогом за к интервалов времени Д1.
Структура и содержание информационных массивов для
решения уравнения (7.17) — учетные задачи АСУОП —даются
только для одного вида массива — массива фактических данных
(массив плановых данных аналогичен), а информация о состоянии
входов — только для одного входа (табл. 7.6). Таблица инфор-
мационных массивов построена следующим образом. В первом
столбце перечислены все реквизиты, необходимые для полного
решения уравнения (7.17), а в последующих столбцах те рек-
визиты, которые используют при решении соответствующих
учетных задач. Таблица дает наглядное представление о входи-
мости реквизитов в информационные массивы аадач, а также
хорошо иллюстрирует развитие состава ииформациоиных мас-
сивов в соответствии с развитием комплекса функциональных
задач, решаемых в АСУОП. Реквизиты табл. 7.6 условно можно
разделить на нормативные, первичные и вторичные. К норма-
199
Таблица 7.6. Структура п содержание
стандартных информационных массивов учетных задач
для унифицированной технологической операции
Стандартный реквизит Индекс стандартной учетной задачи
ДАН» I 1 ДА200 1 8 w Ч 1 5 X юпги 1 ИАШ оогти 1 S X 3 X 1 ИАЗОО I ИА301 X ИА400 X ИА411
+
^cto + +
£р*0 + + + +
^Ht0 + + + +
+ + + +
Fах. р + + + + + + + +
Fвых. и + + + + + + + +
F вых. в + + + + + +
+ + + +
+ + +• +
+ + + +
ftBX. р + + + + + +
^вых. и + + + + + +
ЯВЫХ. Э + + + + + +
Еявх. р Ы + + + +
£ Пвых. и М + + + +
Е пвых. я Ы + + -ч + +
«с* + +
4 + + + + + + + + + + + +
т + + + + + + + +
t + + + + + + + + +1 + + + +
д/ + + + + + + + +1 +1 + + + +
200
тивным реквизитам относятся параметры (коэффициенты) урав-
нения (7.7), вписываемые в таблицу при ее формировании из
технологической, конструкторской и другой документации: Евх, р,
^вых.э» t9. К первичным (измеряемым) реквизитам отно-
сятся переменные величины, входящие в уравнение (7.16): Л/р/,,
Natol Nat,, *вх.р» Лвых-н» Лвых. в» £ КО НТОрИЧНЫМ — ВЫЧИСЛЯв-
мые переменные Ес/, £с/„ £₽/., Ев/,, Е^„ £пвх,р Д/, 2Хых.вАА
2]^>ых. в А$, Get-
В общем случае нормативные (для данного информационного
массива) реквизиты могут быть результатами решения каких-
либо задач. Так, стоимость выполнения технологической опера-
ции, относящаяся к множеству параметров Г, является предме-
том расчета [см. уравнение (7.15)].
Правила пользования таблицей информационных массивов
учетных задач при составлении информационных массивов для
конкретных систем управления заключаются в следующем.
1. По заданному содержанию учетной задачи определяют ее
индекс.
2. По вертикальному столбцу находят квадраты, лежащие
на пересечении столбцов и строк (отмечены «+»).
3. По найденным строкам находят параметры и переменные,
которые необходимы в массиве для решения соответствующей
учетной задачи.
Пример. Требуется определить состав и содержание информационный
массивов для интегральной учетной задачи выпуска готовой продукции.
По табл. 7.6 находим индекс учетной задачи — ИА311. В столбце ИА311
отмечены <+> квадраты, находящиеся на пересечении со строками: £а/, — объем
незавершенного производства на технологической операции в стоимостном вы-
ражения, д. ед.; Ганг, в — стоимость единицы годной продукции, д. ед./ф. ед.1;
N9( — объем незавершенного производства на технологической операции в коли-
чественном выражении, ф. ед.; лвыхэ—текущий выпуск продукции, ф. ед ./ед. вр.;
S «вых. в А/ — выпуск продукции накопленным итогом, ф. ед.; /0 — дата прове-
дения инвентаризации на технологической операции, ед. вр.; Т — отчетный
период, ед. вр.; t — текущее время, ед. вр.; А/ — интервал (период) учета, ед. вр.
Данный информационный массив позволяет решить уравнение интеграль-
ного учета состоянии выхода технологического процесса:
= f евых. a d*
нлн *
Etf = ^вых. = ^вых. J ^вых. эпвых. в d*
Ло
дли двух случаев: при х = t — интегральный учет состояния выхода технологи-
ческой операции на текущий момент времени t н при х ж 4- Т — интегральный
учет состояния выхода технологической операции за отчетный период Т.
1 Как уже указывалось, в эту группу параметров входят себестоимость,
цена и т. п. (в зависимости от требований к расчету).
201
7.4. ПРИНЦИПЫ АНАЛИТИЧЕСКОГО ПОСТРОЕНИЯ
ПОДСИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО УЧЕТА
Задачи оперативного учета массового и серийного производ-
ства обычно включают учет движения деталей и узлов в процессе
изготовления изделий, технологических потерь (отходов) и брака
иа производственных переходах (операциях), выполнения плана
на производственных операциях и технологических участках,
движения комплектующих деталей и состояние комплектации
сборки, незавершенного производства.
Несмотря иа общность задач, решаемых в подсистемах опера-
тивного учета, на каждом производстве имеются свои индиви-
дуальные особенности. Они определяются спецификой как орга-
низации технологических операций и технологического процесса
конкретного производства, так и системы управления.
Рассмотрим обобщенный процесс решения учетных задач
(рис. 7.3). Первичная информация, получаемая с технологичес-
кого процесса, записывается на входных документах и затем
вводится в ЭВМ (при аатоматическом вводе первичная информа-
ция поступает в ЭВМ непосредственно). Нормативная инфор-
мация, как правило, вводится с входных документов. Введенная
первичная и нормативная информация посредством комплекса
программ преобразуется в стандартный информационный мас-
сив (см. табл. 7.6), из которого получаются необходимые аыход-
Рис. 7.3. Обобщенный алгоритм решения учетных задач унифицированной сн.
стемы оперативного учета в комплексной АСУТП
202
ные машинограммы. Комплексы программ получения стандарт*
кого информационного массива и соответствующих выходных
машинограмм иа его базе состоят на унифицированных блоков
и ие требуют каккх-либо переделок или доработок в своем со*
ставе при различных функциональных задачах АСУОП н видах
входных и выходных документов.
Осуществляется лишь параметрическое задание программ:
при записи входных реквизитов — места стандартного реквн*
акта таблицы в первичном документе и наименования этого доку-
мента (шифра), при решении задач — состава типовых задач,
входящих в машинограмму, и поридка вывода полученных ре-
зультатов на печать.
При проектировании подсистемы оперативного учета воз-
можны три случая:
I) во входных документах имеются все реквизиты, необходи-
мые дли формироваиия стандартного информационного массива;
в этом случае можно решить все учетные задачи и задачи оценки
состояния объекта управления; требуется лишь параметрическое
задание программ формирования стандартного информационного
массива и программ формироваиия выходных машинограмм;
2) заданы состав и содержание (реквизиты) входных доку-
ментов; кроме параметрического задаиня программ требуется
определить состав и содержание выходных машинограмм, кото-
рые можно получить на базе реквизитов, имеющихся в пераичных
документах;
3) заданы состав и структура выходных машинограмм; кроме
параметрического задания программ требуется определить еще
и содержание (реквизиты) входных документов.
При проектировании подсистемы оперативного учета в по-
следних двух случаях необходимо воспользоваться табл. 7.7,
которая устанавливает взаимосвязи между реквизитами входных
документов, стандартными реквизитами, стандартными учетными
задачами и реквизитами выходных машинограмм (ядро таблицы—
взаимосвязь стандартных реквизитов н стандартных задач —
всегда имеет стандартный вид, приведенный в табл. 7.6).
Для случая, когда заданы входные документы (известны
входные реквизиты) и требуется определить состав и содержание
выходных машинограмм, подсистему оперативного учета проек-
тируют следующим образом. В графу «Наименование входного
документа» вписывают наименоваяня (шифры) входных доку-
ментов, а в строках, соответствующих строкам расположения
стандартных реквизитов, отмечают «+» квадраты. В графе «Ин-
декс стандартной задачи» находят задачи, все реквизиты которых
соответствующего индекса учетной задачи совпадают со всеми
реквизитами, находящимися во входных документах, или с их
частью. Из стандартных учетных задач выходные машинограммы
формируются по правилам параллельного или последовательного
203
Таблица 7.7. Взаимосвязь реквизитов со стандартными задачами
1 Реквизит входного документа 1 Наименование входного документа Стандарт- ный рекви- зит Индекс стандартной учетной задаче Наименование выходной машинограммы | Реквизит выходной машинограммы |
+ е + + + + ы + ч +
+ 1+ 1 + +
+ + /+2 + + +
+ + /+3 + + + +
+ /+* + + +
+ /+5 + +
+ / + » + +
объединения, либо произвольно, по требованиям системы уп-
равления.
В третьем случае, при заданных выходных машинограммах,
определяют состав входящих в иих стандартных учетных аадач
н соответствующие стандартные реквизиты. По входным рекви-
зитам необходимым для формирования машинограммы (табл. 7.7)
определяют входные стандартные реквизиты, на основании кото-
рых формируется содержание входных документов для получе-
ния заданной машинограммы.
Чтобы решить задачи Оценки состояния объекта управления,
аналогично табл. 7.6 строят таблицу для плановых значений
реквизитов, с которой работают так же, как и с таблицей под-
системы оперативного учета.
В ряде случаев оценку состояния объекта управления осуще-
ствляют не в виде решения соотношения
Zn (DAJ«) + Zn (DAJ*; ИА J*) = ±Д,
а в виде
Zn (DAJ*; HAJ*)
Zn(DAJ"; HAJn)
100%.
(7.18)
Так, для задач оперативного учета соотношение (7.18) имеет
смысл выполнения плана в процентах за час, смену, сутки; для
задач интегрального учета — выполнения текущего плана в про-
центах за декаду, месяц и т. д. накопленным итогом (накоплен-
ный факт к накопленному плану). Если в качестве значений HAJ"
принят плановый выпуск продукции на планируемый период Т,
то соотношение {Zn (HAJ*)/[Zn (HAJ")1} 100% имеет смысл доли
204
(%) выполнения всего плана (плана декады, месяца н т. п.) за
текущий период по факту с накопленным итогом: с начала де-
кады; с начала месяца и т. д.
Приведем пример пользования таблицей взаимосвязей реквизитов входных
и выходных документов и стандартного информационного массива. Рассмотрим
два случая.
I. Заданы состав и реквизиты входных документов, получаемых с техноло-
гической операция. Требуется определить состав я реквизиты выходной машино-
граммы, которые можно получить, используя имеющиеся входные документы.
Заполнение табл. 7.7 начинают с графы «Наименование входного документа».
На каждый документ заполняют свою графу. Реквизиты входных документов,
находящиеся в «шапке» документа (такие, как «Шифр технологической операции»,
«Шифр предшествующей технологической операции», «Шяфр последующей тех-
нологической операции», дата, отчетный период (месяц и т. п.)1 вносят также
в графу «Реквизит входного документа» *. При записи реквизитов входного доку-
мента в соответствующую графу их дают в порядке, определенном порядком за-
писи стандартных реквизитов.
Набор реквизитов первичных документов сравнивают с набором реквизитов
стандартных учетных задач н определяют те задачи, которые можно решить с ис-
пользованием данных входных документов: ту яли иную учетную задачу можно
решить только в том случае, если набор реквизитов во входных документах обра-
зует множество, включающее множество реквизитов соответствующей учетной
задачи. В случае, если множество реквизитов входных документов не включает
в себя все реквизиты данной учетной задачи, учетную задачу в полном объеме
решить нельзя.
После определения стандартных учетных задач, доступных для решения
с использованием данного множества входных реквизитов, из реквизитов стан-
дартных учетных задач формируют выходную машинограмму. Оптимальную
структуру машинограмм, как уже указывалось, определяют (по заданному со-
ставу стандартных учетных задач) правила параллельного и последовательного
объединения задач в комплексы. В общем случае она может быть определена
требованиями тех специалистов производства, которые работают с выходными
машинограммами. При формировании выходных машинограмм в них необходимо
предусмотреть использование соответствующих реквизитов «шапок» входных
документов. В нашем примере даны входные документы i, I + I, I + 2, имеющие
соответственно реквизиты /4-1, £4- 2, /4- 3 и /4“ 5.
Из таблицы следует, что совокупность реквизитов входных документов
/4- 1* /"I- 2, /,4- 3 и /4" 5 в целом не входит ни в одну стандартную учетную
задачу, множество реквизитов/4- 1, /4* 3 и /4- 5 совпадает со множеством рек-
визитов стандартной учетной задачи k 4- 2. Реквизит документа i — j 4" 2 вхо-
дит во множество реквизитов стандартной учетной задачи k. Однако он не исчер-
пывает это множество полностью: в задаче k есть еще один реквизит / 4- 4, от-
сутствующий во входных документах. Поэтому реквизит / 4- 4 н соответствующий
документ i для данной системы задач (стандартная задача k 4- 2) избыточен.
Таким образом, подсистема оперативного учета в данном случае будет состоять
на одной задачи &4* 2 и для ее функционирования необходимы два имеющиеся
на производстве входные документа »4- 1 н t-j-2. Выходная машинограмма
/ 4- л будет содержать в себе реквизиты задачи k 4- 2 и результаты стандартных
преобразований, выполненных над ними.
2. Заданы состав н реквизиты выходной машинограммы. Требуется опреде-
лить состав н реквизиты входных документов. Содержание и реквизиты выходной
машинограммы расписываются в графе «Наименование выходной машинограммы»
в порядке, соответствующем стандартным реквизитам. Во множестве реквизитов
стандартных учетных задач ищут такую стандартную учетную задачу или их
совокупность, чтобы множество их реквизитов было тождественно множеству
1 В стандартном информационном массиве (см. табл. 7.7) ряд перечисленных
реквизитов опущен из-за ограничения размера таблицы.
205
реквизитов выходной машинограммы. Если множества реквизитов совпадают,
остается сформировать содержание необходимого входного документа (входных
документов), или найти таковой (таковые) из уже существующих. В случае, если
множества не совпадают, возможны два варианта: либо реквизиты (и результаты
соответствующих преобразований над ними) из выходной машинограммы исклю-
чить, либо ввести дополнительные реквизиты, обеспечивающие тождественность
множества реквизитов выходной машинограммы и соответствующих стандартных
учетных задач.
В нашем примере задана выходная машинограмма /, имеющая реквизиты
/4- 2, / 4- 3 н / 4- 4. Реквизиты / 4- 2, / 4- 3 выходной машинограммы полностью
соответствуют множеству реквизитов стандартной учетной задачи й4~ 2, и,
следовательно, машинограмма I может содержать е себе как массив этих реквизи-
тов, так и результаты соответствующих преобразований над ними. Реквизит же
/4" 4 выходной машинограммы составляет лишь часть множества реквизитов
стандартной учетной задачи k 4- 3, поэтому его можно либо исключить из ма-
шинограммы, либо дополнить выходную машинограмму реквизитом / 4~ л.
В последнем случае выходная машинограмма будет содержать в себе реквизиты
задач Л4”2в&4-3я результаты соответствующих операций над ними. Входной
документ i 4- п для решения указанных задач должен яметь соответственно
реквизиты /4-2, /4- 3, / 4- 4 и f 4- 5. В противном случае, если множество рекви-
зитов выходной машинограммы не дополняется реквизитом /4-я, из нее надо
исключить и реквизит /4-4. Выходная машинограмма в этом случае — суть
реквизиты и результаты операций над ними стандартной учетной задачи Л-|- 2.
Входной документ в этом случае должен содержать реквизиты у 4“ 2 н ] 4- 3.
7.6- ПРИМЕНЕНИЕ АНАЛОГО-ЦИФРОВЫХ КОМПЛЕКСОВ
ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС - АСУТП
Основные функции аналого-цифровых комплексов. Системы
управления в большинстве случаев отрабатывают на реальном
объекте в производственных условиях, что может вносить эле-
мент дезорганизации в процесс производства и не позволяет
вести опыты во всех режимах (например, критических). Отсут-
ствие полной информации о процессе отражается на качестве
работы системы управления и длительности ее внедрения, а также
оказывает отрицательное психологическое действие на специали-
стов, которые в будущем должны эксплуатировать систему. По
этим причинам у производственников возникает недоверие к ра-
ботоспособности внедряемой системы управления и нежелание
с ней работать из-за боязни кажущегося повышения риска нару-
шения технологического процесса.
Избежать возникновения различных трудностей, связанных
с ведением отладки системы управления на реальном объекте,
в большинстве случаев можно, если предварительно отработать
систему управления иа физической модели технологического
процесса с использованием реальных датчиков и исполнительных
механизмов.
В настоящее время для моделирования систем технологический
процесс — АСУТП все более широко применяют аналого-циф-
ровые комплексы.
206
Для того чтобы полнее оценить преимущества моделирования
на аналого-цифровых комплексах перед моделированием на
аналоговых или цифровых машинах, следует указать основные
достоинства и недостатки аналоговой н цифровой аппаратуры
применительно к моделированию работы сложных систем.
Основными преимуществами аналоговых вычислительных ма-
шин (АВМ) перед ЭВМ1 являются:
сравнительно высокое быстродействие;
относительная простота сопряжения АВМ с реальными объ-
ектами (не надо применять аналого-цифровые и цифроаналоговые
п реобразовател и);
возможность работы с внешней аппаратурой в реальном вре-
мени;
наглядность получения результатов обработки информации;
относительная простота работы исследователя с АВМ.
Основные недостатки АВМ следующие:
большие затраты ручного труда на программирование задач;
ограниченные логические возможности;
относительно малая точность вычислений;
неудобство получения нелинейных зависимостей и моделиро-
вания транспортных запаздываний.
В отличие от АВМ для цифровых ЭВМ моделировать динамику
поведения объектов управления весьма сложно. Эта сложность
объясняется двумя причинами: большими затратами на состав-
ление программ при численном моделировании и относительно
большим временем для решеиия задачи, а также неудобством
варьирования параметров моделируемой системы в процессе
моделирования.
Недостатки АВМ н ЭВМ в значительной степени можно ком-
пенсировать при работе машии этих классов в комплексе. В част-
ности, процесс программирования задач на АВМ может быть
реализован относительно просто, если на ЭВМ, сопряженную
с АВМ, возложить функцию автоматической коммутации эле-
ментов АВМ, настройки переменных потенциометров, проверки
правильности скоммутированной иа АВМ схемы решеиия задач
(или хотя бы составления структурной схемы и режима ее про-
верки). Естественно, что ЭВМ в этих случаях необходимо оснас-
тить соответствующей аппаратурой, позволяющей реализовать
процессы автоматизации управления АВОД при наборе задачи
иа ней, и иметь возможность печатать соответствующие символы
структурных схем АВМ. Для автоматизации процессов програм-
мирования структурных схем на АВМ обычно используют алго-
ритмические языки, например, достаточно широко распростра-
1 Под ЭВМ так же, как а во всей книге, понимаются цифровые ЭВМ, по-
скольку данная аббревиатура в последние годы доминирует над ранее широко
применяемой — ЦВМ: следует отметить, что современные АВМ представляют
.собой таиже электронные ВМ.
207
неиные АНАТРАН (аналоговое транслирование) и АПЭЙЧ (аиа-
лотовое программирование и проверка).
Включение ЭВМ в моделирующие комплексы кроме автомати-
зации процесса программирования дает возможность осуществ-
лять программное изменение параметров аналоговой моделирую-
щей аппаратуры и уставок аналоговых регуляторов; контроль за
правильностью отработки выходных аналоговых регуляторов;
цифровую фильтрацию входных сигналов и передачу полезных
сигналов для обработки в АВМ.
Распределение конкретных задач моделирования системы уп-
равления между АВМ н ЦВМ может быть различным. Однако
поскольку для оценки состояния объекта и системы управления,
выработки оптимальных стратегий в большинстве случаев при-
меняют численные методы решения задач, то обычно для выра-
ботки критериев управления, управляющих сигналов и т. д.
используют цифровую часть аналого-цифрового комплекса, для
моделирования же непрерывных процессов и нх возмущений —
аналоговую. Такое распределение задач моделирования между
АВМ и ЭВМ не является жестким. При большом объеме вычис-
лительных операций затраты времени ЭВМ иа нх выполнение
становятся весьма существенными и воспринимаются как до-
полнительные запаздывания в моделируемой системе управления
технологическим процессом. Поэтому, если какие-либо алгоритмы
управления можио реализовать на аналоговой части комплекса, та-
кую возможность всегда используют. Кроме того, малую точность
вычислений на АВМ можно скомпенсировать за счет моделирова-
ния на ЭВМ некоторых элементов технологического процесса.
Для эффективной работы аналого-цифрового комплекса необ-
ходимо осуществить оптимальный выбор частоты обмена инфор
мацней между аналоговой н цифровой частью комплекса. В случае
слишком редких обращений высокочастотные сигналы могут
быть пропущены вообще, а при слишком частых цифровая часть
комплекса будет использоваться непроизводительно. Работа АВМ
и ЭВМ должна быть сннхроиизнрована от датчика времени либо
ЭВМ, либо АВМ.
Следует отметить, что при моделировании систем управления
на аналого-цифровых комплексах необходимо уделять особое
внимание вопросам фильтрации сигналов. Система фильтрации
аналого-цифрового комплекса должна удовлетворять двум тре-
бованиям: 1) максимально отфильтровывать те высокочастотные
возмущения, которых не может быть в реальной системе управ-
ления (иначе результаты будут характеризовать лишь комп-
лекс система — моделирующая аппаратура, а не моделируемые
объекты); 2) не искажать низкочастотные сигналы (в противном
случае снизится степень управляемости моделируемой системы
по сравнению с реальной).
Аппаратура аналого-цифровых комплексов. Типовой аналого-
цифровой комплекс включает ЭВМ, АВМ, блок аналого-цифровых
208
и цифро-аналоговых преобразо-
вателей, устройство управления,
устройство обмена (рис. 7.4). В за-
висимости от наэначеиня аналого-
цифрового комплекса в него мо-
жет входить различная аппара-
тура регистрации информации, в
частности, печатающие устройства,
графопостроители, цифровые
вольтметры, индикаторные устрой-
ства.
Для управления комплексом
можно использовать либо специ-
альные пульты ручного управле-
ния цифровой н аналоговой ча-
стями модели, либо уже имею-
щиеся в АВМ и ЭВМ пульты руч-
Рис. 7.4. Блок-схема аналого-
цифрового комплекса:
I — устройство обмеяа; 2 — устрой-
ство управления; 3 — внешнее устрой-
ство; 4 — ЛЯМ; S — блок преобразо-
вателей; 6 — ЭВМ; 7, в — пульта уо«
* равлепив
иого управления.
Возможности и особенности моделирования иа аналого-циф-
ровых комплексах технологических процессов и систем управ-
ления ими определяются, прежде всего, составом и характери-
стиками блоков и элементов АВМ-
Основным решающим элементом АВМ является линейный
(операционный) усилитель постоянного тока, имеющий большое
входное сопротивление, большой коэффициент усиления и малый
дрейф нуля. На базе операционного усилителя могут быть вы-
полнены следующие линейные решающие элементы: инвертор,
масштабный усилитель, сумматор, интегратор, иитегросумматор,
дифференцирующий элемент.
Кроме линейных элементов в АВМ используют блоки умно-
жения и деления, блоки, реализующие типовые нелинейности
систем автоматического регулирования САР (зону нечувстви-
тельности, насыщение, гистерезис), блоки запаздывания, набор
логических элементов.
Особенности моделирования систем технологический процесс —
АСУТП. Принципы построения структурных схем моделей и
вопросы моделирования систем автоматического регулирования
на базе аналоговой аппаратуры достаточно прлно описаны в ли-
тературе (например, {2, 701). Поэтому здесь рассматриваются
только некоторые основные вопросы моделирования организа-
ционно-технологических систем управления.
В системах комплексного управления, включающих управляю-
щие ЭВМ и операторов (мастеров, диспетчеров и т. д.), исполь-
зуются далеко не все известные законы регулирования. Это
объясняется как спецификой работы оператора в качестве управ-
ляющего или исполняющего эвена в системе, так и особенностями
функционирования производства как сложной системы. В част-
ности, из-за больших флуктуаций производства (шума объекта
8 В, М. Вальков
209
Рис. 7.5. Блок-схема монтажного
участка сборки электронно-опти-
ческих систем кинескопов:
1 — комплект заготовок*. 2 — приварка
держателя к цилиндру. 3 — промывка
к электрополировка; 4 — вакуумиы Й
отжвг; 6 — сборка арматуры; 6 — аа-
прессовяа; 7 — замер емкости; 8 —
заготовка; 9 — сборка катода; /0 —
оксидироваине катода; 11 — калибров-
ка смейсера; 12 — штамповка; 13 —
приварка экрана; 14 — посадка ва
ножку; 16 — соединение;. 16 — про-
мывка
управления) невозможно при-
менять в управлении органи-
зационными процессами диф-
ференциальный закон регулирования. Использовать для управ-
ления организационными и технологическими процессами за-
коны регулирования, содержащие производные (пропорцио-
нально-дифференциальный, ннтегроднфференцнальный, пропор-
ционально-интегроднфференцнальный), трудно и нэ-эа особен-
ностей человека-оператора, для которого вычисление производ-
ных представляет собой довольно сложную задачу. Поэтому
круг законов регулирования, используемых в управлении
организационно-техническими процессами (по крайней мере,
в настоящее время), ограничивается в основном пропорциональ-
ным, интегральным пропорционально-интегральным законами
регулирования. При этом пропорциональный закон регулиро-
вания применяют в управлении работой относительно несложных
объектов (например, отдельной технологической операцией), то-
гда как при управлении комплексом технологических операций
реализуются интегральный и пропорционально-интегральный
законы регулирования.
Модель технологического процесса составляют на основе его
блок-схемы. На блок-схеме выделяют основные технологические
участки (операции) с контролируемыми входом и выходом. Это
означает, что если на одном и том же оборудовании одни и тот же
оператор выполняет некоторую серию операций, то на блок-
схеме технологического процесса они представляются одной
комплексной операцией. На блок-схеме технологического про-
цесса отмечают также контрольные точки съема информации н
указывают места, к которым в процессе управления приклады-
ваются управляющие воздействия.
Поскольку основной целью аналого-цифрового моделирования
системы технологический процесс — АСУТП является исследо-
вание устойчивости системы к воздействиям случайных и детер-
минированных переменных, структурная модель системы, пол-
ностью соответствующая ее блок-схеме, может оказаться избы-
точной. Так, для технологического процесса, блок-схема кото-
рого приведена на рнс. 7.5, при структурном моделировании
требуется ие 16 (по числу технологических операций) линейных
210
ПИ®
Рис. 7.6. Структурная модель монтажного участка:
5 — усилители постоявкого тока, моделирующие операция 2—5, 6—8. 9—11, 12—13,
-IS (см. рис. Т.6) соответствеяно: ГШ — аналоговые генераторы шума; £« — источ-
ники. аадакнцне начальную проиаводвтельвость
элементов, а только пять: операции 2—5, 6—8, 9—11, 12—13,
14—16 объединяются (рис. 7.6).
При моделировании процесса управления а соответствии с ин-
тегральным законом регулирования информация с контрольных
точек подается иа блоки, моделирующие процесс принятия реше-
ния диспетчером (оператором). В общем случае этот блок пред-
ставляет собой последовательно включенные иитегросумматор
и два дискриминатора, моделирующие одновременно с разделе-
нием сигналов зону нечувствительности, н инвертор (рис. 7.7).
Инвертор и второй дискриминатор в блоке моделирования про-
цесса принятия решения могут потребоваться для выполнения
фазовых соотношений из-за инверсий операционных усилителей.
Структурная схема, к которой приводится блок-схема техноло-
гического процесса, служит моделируемой структурной схемой
технологического процесса с иитегрироваиными технологическими
операциями (рис. 7.8). В рассматриваемой схеме интегрирован-
ных операций три: две заго-
товительные (2 и 3) и одна
сборочная (4). Материалы на
операции 2 и 3 поступают
со склада /. Управляет про-
изводством диспетчер 5, по-
лучающий информацию о хо-
де производства с контроль-
ных точек, расположенных
на выходе интегрированных
технологических операций.
При построении модели
технологический процесс —
АСУТП, чтобы упростить
пример, приняты следующие
Рис. 7.7. Блок моделирования принятия
решения:
1 — яитегросуимятор; 1 — дискриминатор;
3 — инвертор
8*
211
Рис. 7.8. Блок-схема технологического про-
цесса:
«и л«. л«. п» — потоки деталей
допущения: транспортных
запаздываний в технологи-
ческом процессе и схеме
управления им иет, отсут-
ствуют также нелинейно*
сти типа зоны нечувстви-
тельности, ограничения и
гистерезиса. Для диспет-
чера принимается инте-
гральный закон регулиро-
вания. Управление ведется
по отклонению темпа вы-
пуска продукции от уста-
новленного, т. е. за оптимальное состояние производства прини-
мается режим kt (dni/dr) == A* (d/ij/df) или
Ai (dni/d/) — kt (<Wdt) = 0, (7.19)
где Ai, kt — коэффициенты вхождения деталей и гц в сборочный
узел; dnj/dl, dn^/di — темп поступления деталей и гц иа
сборку.
При выполнении соотношения (7.19) отклонение выпуска
деталей с операции 4 от заданного равно нулю. Для операции 4
с учетом интегрального закона регулирования и инверсии опера-
ционных усилителей управление регулирования представляется
в виде
1/Tnj f [Ai (dni/dZ) — kt (dn,/dZ) 1 dr = N (i).
Если выполняется равенство (7.19), то N (Г) = const, что
соответствует выдерживанию в производстве оптимального темпа
заданного поступления деталей иа сборку. Если
А» (dni/dr) > kt (dnjd/), (7.20)
то
N (0 = -ni (Г) > 0,
т. е. уменьшился темп поступления иа сборку деталей гц. Если
A, (dn^dO < kt (dnj/dZ), (7.21)
то
ЛГ (Г) = —-п, (Г) <0,
т. е. уменьшился темп поступления иа сборку деталей ni.
Естественно, что в случаях (7.20) и (7.21) диспетчер должен
принять соответствующие меры: в случае (7.20) увеличить темп
поступления для деталей гц с операции 3, в случае (7.21) — для
с операции 2. Одновременно это потребует, чтобы диспетчер при-
нял меры для увеличения поступления материала со склада на
соответствующую операцию.
Модель части системы управления, связанной с контролем*
зз операцией 4, принятием решения и выработкой управляющего
212
воздействия, моделируется иитегросумматором 1 с двумя входами
и дискриминатором (рис. 7.9). При этом на входы подаются напря-
жения, соответствующие величинам dni/d£ и dn^/dt Коэффи-
циенты передачи по входам интегросумматора определяются
величинами и В случае если выполняется равенство (7.20),
на входе иитегросумматора имеем N (t) = 0, что означает отсут-
ствие сигнала рассогласования (отсутствие необходимости вмеша-
тельства диспетчера в управление производством).
При ki (d/h/dl) kt (drit/dt) диспетчер вырабатывает управля-
ющее воздействие в соответствии с интегральным законом регу-
лирования, воздействуя при этом на технологический процесс
избирательно: если N (t) < 0, то управляющее воздействие при-
кладывается к операции 2, если N (?) > 0, то к операции 3.
Управление операциями поступления материалов со склада
моделируется аналогично управлению операциями 2 и 3:
l/Tn, J (fe,(<Wdi) - kt (dnJdOI At^-M (t);
l/Tn, j [A6(dn^di) - *,(d»i/d/)] di = L (i).
Исходные соотношения и значения переменных М (i) и L (0
приведены в табл. 7.8.
Рассмотренная модель системы технологический процесс —
АСУТП позволяет выявить основные особенности поведения
объекта управления в динамическом режиме (возмущения в этом
случае вводятся в соответствующие цепи модели и представляют
собой либо переменные, либо постоянные э. д. с.). Несмотря на
213
Таблица 7.8. Взаимосвязь
соотношений н /»< и значения
переменных М (/) н L (0
Исходное соотношение Звачеввя переменных
(dnj/dr) = k, (dn4/dr) k, (dnj/di) > k, {An./dl') k, (dn^/dt) < k, (inJit) sss з з s II II II J 8 S 3 a
A, (dn^df) *= A. (dl»{ lit) k, (dn^dfl > k, (dn;/d0 k, (inJit) < A, (dnj/dr) c* S iff и и и sss
большую степень упроще-
ния этой аналоговой мо-
дели, при исследовании
динамики ее работы в ком*
плексе с управляющей
ЭВМ объем эксперимента,
проводимого на производ-
стве, сокращается в 1,5—
2 раза.
7.6. ВЫБОР АРХИТЕКТУРЫ
И КОМПЛЕКСА
ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
АСУОТП
Решение задачи проек-
тирования иерархических
УВК на этапе системного
проектирования было предложено применительно к сложным
ТОУ еще в 1970-х годах [18] и базировалось на выборе
обобщенного критерия эффективности — экономичности (при
условии выполнения целевой функции АСУ) и аналитико-эври-
стическом подходе, который использовал известные расчетные
методы для элементов (подсистем) УВК, графоструктурный метод
для предварительного анализа архитектуры и топологии иерар-
хического УВК и эвристический метод для первоначального
выбора числа уровней иерархии и распределения элементов
обработки информации (управления) по агрегатам на каждом
уровне, т. е. формироваиия агрегатного дерева (графа) решающих
элементов. Эта методология представляется перспективной для
использования при проектировании АСУ различных АСУОТП,
в том числе ГАП. Реализация принципа агрегатного дерева (графа)
решающих элементов заключается в общем случае в представлении
каждому технологическому агрегату (операции) своего решающего
элемента — микроЭВМ (точнее мнкроУВК). Работа агрегатных
мнкроУВК координируется УВК более высокого уровня в соот-
ветствии с целями и задачами ТОУ в виде группы технологических
агрегатов (ТА).
Предлагаемый подход к решению задачи системного проекти-
рования базируется на получении иа начальных стадиях проекти-
рования (НИР, технические задания, техническое предложение)
двух принципиальных результатов:
1) предварительной оценки условной доли дохода (в единицу
времени) от внедрения АСУОТП на базе иерархического УВк
в общем доходе, получаемом при функционировании АСУОТП;
2) первичной разработки алгоритмов управления.
Исходными экономическими требованиями для системного
проектирования иерархических УВК ОТП является задание:
214
максимального проектного значения прироста дохода в единицу
времени (Д) с учетом всех источников экономической эффектив-
ности (Эо) за счет внедрения АСУ ОТП;
максимально допустимого приведенного объема затрат на
разработку и внедрение АСУ с учетом возможности тиражирова-
ния где t0 — норматианый срок окупаемости;
нормативных эксплуатационных расходов Сг;
Допустимого снижения прироста дохода из-за отказов элемен-
тов КТС АСУ (снижение эффективности функционирования АСУ)
в процессе эксплуатации С9.
Технические требования к проектированию можно разделить
иа две следующие группы.
1. Требования, которые были также исходными при разра-
ботке алгоритмов управления. В эту группу необходимо включить:
число источников (ИИ) и приемников информации (ПИ) с раз-
бивкой по агрегатам (операциям); точность измерения и регули-
рования; времеиийе характеристики задач управления, дикту-
емые временными параметрами ТОУ; допустимые веса н габарит-
ные размеры аппаратуры УВК; обобщенные требования к сред-
ствам взаимодействия с оперативным персоналом исходя из
распределения решающих функций с УВК; диапазон требований
к характеристикам надежности; топологические характеристики
ТОУ.
2. Требования, сформулированные по результатам разработки
алгоритмов. В эту группу включаем характеристики разработан-
ных алгоритмов в соответствии с распределением по ТА и задачам
в том числе число операций ЛГа, внутреннюю связность Пл, внеш-
нюю связность /7а, длину алгоритма N'a, требуемое время реали-
зации алгоритма Тл и скорость реализации алгоритма Ыл/Та,
время и скорость обновления входных данных Тоб и »об, удельную
объемность NA/nat оперативность реализации по входу Sa =
= vJvoet масштаб времени Мтл = TJToQ [19].
В том случае, когда отработку и даже разработку математи-
ческой модели и алгоритмов управления планируют в процессе
реальной эксплуатации, в частности, в условиях ГАП с последу-
ющим переходом от логико-программного управления отдельными
операциями к оптимальному управлению ими и от автоматизиро-
ванного контроля за ходом всех процессов к координационному
управлению ими, указанные характеристики алгоритмов выбирают
ориентировочно с учетом справочных и статистических данных.
Во всех случаях, чтобы сформулировать исходные требования
к проектируемому УВК, требуется формализовать схему инфор-
мационных потоков с учетом всей сложности, многофакторности
ТОУ, составить схему связей между агрегатами, операциями,
процессами, «формулировать функции оперативного персонала.
Задача выбора исходной схемы решающих элементов является
первым крупным операторным блоком в алгоритме системного
проектирования [18].
215
При выборе исходного числа уровней базируются прежде всего
на четырех основных эшелонах организационной иерархии ТОУ:
решения организационно-технологических задач управления
(участок, цех, замкнутое производство);
управления группой связанных технологических операции
(технологическая линия);
управления одной технологической операцией (ТА, установка);
управления одним параметром (несколькими параметрами)
Далее строится взвешенный граф агрегатной схемы.
Для вершин графа составляют таблицу технических требова-
ний, сформулированных при разработке алгоритмов или ориенти-
ровочно выбранных, если алгоритм не разработан (форма 7.5).
Состав иерархического УВК уточняют, направленно пере-
бирая отдельные типовые устройства УВК (например, микро-
процессорные комплекты) и схемы их сопряжения, чтобы достичь
варианта, близкого к экономичному.
При детальном анализе архитектуры, переборе экономичных
вариантов схем организации ввода — вывода, требуемого числа
внешних накопителей данных, устройств связи с оперативным
персоналом, другими УВК, датчиками и исполнительными орга-
нами можно приблизить решение к выбранному оптимуму. В от-
дельный блок в алгоритме выделяется выбор средств обмена между
УВК (УСИ) с учетом реализации протокола физического уровня
ЛВС и скоростей обмена каждого УВК по программно-управля-
емому (ПК) или селекторному (СК) каналу, если таковым осна-
щается соответствующая модель УВК.
Направленность переборов архитектурных решений отдель-
ных УВК определяется контрольными оценками производитель-
ности, а также требованиями к массогабарнтным характеристикам
[S (/ х h х d, р) ) со стороны ТОУ с учетом защиты УВК от
вредных внешних воздействий производственной среды. Чтобы
оценить производитель-
ность УВК и его основ-
ных частей при отсутст-
вии разработанного при-
кладного программного
обеспечения, проектиров-
щик может воспользовать-
ся известными методами
оценки иа основе матема-
тического моделирования
и (или) методом оценки пу-
тем решения эталонных
задач (типовых работ) (18).
Ориентировочная оцен-
ка надежностных характе-
ристик УВК обязательна,
так как для расчета эффек.
Форма 7.5. Привязка технических
требований к вершинам графа
агрегатной схемы
S h о | Число ИИ | S С ё S’ % о Ь "8 О Особые требо- вания к надеж- ости Номер модели 1 УВК |
1 2 3 4 S 3 7 в 9 to
А, Ах А* В, К
216
тивности иерархических УВК (стоимостных оценок, потерь эффек-
тивности) в случае отказа любого из составляющих УВК необ-
ходимо зиять вероятность его безотказной работы. Зная или за-
даваясь значениями интенсивностей отказов блоков УВК и при-
нимая показательный закон распределения отказов, можно по
известным формулам рассчитать вероятность безотказной работы
в течение определенного периода времени.
По всем отрицательным результатам контрольных оценок,
включая оценку суммарных затрат, в алгоритме предусматри-
ваются итерационные циклы.
Представленный алгоритм ориентирован на использование
ЭВМ дли его реализации, при этом его можно использовать как
при построении системы имитационного моделирования, начиная
с наиболее простого варианта статической детерминированной
имитации, так и системы диалоговой оптимизации (в широком
смысле) с выполнением проектировщиком функций эксперта на
тех или иных этапах процесса.
7.7. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВНЕДРЕНИЯ АСУТП
НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ
«Вживаемость» АСУТП в производство. Внедрение АСУТП
на промышленных предприятиях является заключительным этапом
разработки, на котором проверяются плодотворность заложенных
при проектировании идей и эффективность технических решений.
На этом этапе надо решить главную задачу разработки — обеспе-
чить «вживаемость» АСУТП в производство и получить эконо-
мический эффект от ее внедрения (в первую очередь, окупить
производственные затраты в наиболее короткие сроки). Сложность
выполнения этой задачи определяется тем, что при проектировании
(в том числе и на этапе моделирования) невозможно учесть все
факторы взаимодействия технических средств с оперативным
персоналом, а также предусмотреть все многообразие внешних
воздействий, от которых зависит надежная работа АСУТП.
Первая причина сложности задачи связана с производствен-
ными отношениями между работниками предприятия, которые
в большей или меньшей степени затрагиваются при автоматизации
процессов управления. Успех и сроки внедрения систем управле-
ния во многом зависят от заинтересованности н степени участия
оперативного персонала в этих работах.
Опыт работ по внедрению АСУТП позволяет сформулировать
общие рекомендации по обеспечению «вживаемости» АСУТП
в производство.
Для автоматизированного управления необходимо выбирать
одян из ключевых в общем производственном цикле технологиче-
ский процесс, а внедрение АСУТП должно давать прямой эконо-
мический эффект, причем желательно, чтобы интересы работа-
ющего персонала совпадали с конкретными целями автоматизации
217
процесса; это особенно важно для первой внедряемой иа пред*
приятии АСУТП.
Пусконаладочные работы надо проводить в минимально корот-
кие сроки и с минимальными неудобствами для оперативного
персонала, при этом необходимо показать высокую надежность
технических средств АСУТП, а уже иа стадии внедрения (на-
пример, с помощью устройств визуального отображения информа-
ции) — эффективность автоматизированного (автоматического)
управления данным технологическим процессом.
Внешнее художественно-конструкторское оформление тех-
нических средств АСУТП должно быть выполнено иа современном
мировом уровне.
Вторая причина, обусловливающая сложность внедрения
АСУТП, связана с тем, что система обязательно должна надежно
и долго (в соответствии с регламентом работы технологического
оборудования) функционировать в условиях воздействия электро-
магнитных и электростатических полей, а также импульсных
помех; окружающей производственной среды (температуры, влаж-
ности и др.); механических вибраций и ударных нагрузок. Вслед*
ствие этих воздействий сужается область устойчивой работы
элементов системы и возникает необходимость применять спе-
циальные меры защиты и рационально размещать технические
средства АСУТП.
На основе опыта внедрения первых АСУТП в различные
отрасли промышленности установлено, что перед внедрением
АСУТП необходимо разработать проект такого размещения тех-
нических средств системы, чтобы для нее были обеспечены нор-
мальные условия эксплуатации. Прн этом следует иметь в виду,
что стоимость средств обеспечения эксплуатационной надежности
(например, автономных мотор-геиераторов, установок для кон-
диционирования воздуха, газовых фильтров) составляет неболь-
шую часть стоимости основной аппаратуры АСУТП, и целесооб-
разность их повсеместного применения очевидна.
Поддержанию высокого уровня эксплуатационной надежности
и удобству обслуживания (в частности, вопросам профилакти-
ческого контроля состояния технических средств, функциональ-
ного контроля системы в целом, обеспечения минимального вре-
мени поиска и устранения неисправностей) необходимо уделять
особое внимание как при проектировании, так и при внедрении
Электрический монтаж. При проведении работ по электриче-
скому монтажу технических средств АСУТП необходимо приме-
нять специальные меры, чтобы обеспечить динамическую надеж-
ность функционирования системы управления. Для ряда произ-
водств осуществить защиту от внешних источников электромагнит-
ных и электростатических полей достаточно сложно, что еще
осложняется помехами, генерируемыми внутри системы, и не-
согласованностями в электрических цепях технических средств
218
АСУТП, расположенных на производственных участках большой
протяженности.
К основным причинам (внутренним и внешним), снижающим
динамическую надежность работы отдельных устройств АСУТП,
относятся: наводки от внешних электромагнитных полей; паразит-
ные связи между элементами через цепи питания и заземления
и перекрестные наводки; влияние электростатических полей;
ухудшение фронтов передаваемых сигналов^ обусловленное огра-
ниченной полосой пропускания линии связи; ухудшение фронтов
и задержки в распространении сигналов при включения нагрузок
с реактивными составляющими; затухание сигналов при вклю-
чении распределенных вдоль линии нагрузок. Эти факторы могут
проявиться как внутри замкнутых конструкций технических
средств (управляющих ЭВМ, центральных управляющих ком-
плексов, локальных подсистем), так и между элементами АСУТП,
часто разнесенными иа значительные расстояния.
Если меры повышения динамической надежности отдельных
технических средств предусматриваются иа стадии их констру-
ирования н изготовления, то надежный обмен информацией в ре-
альном времени между ними обеспечивается планированием раз-
мещения технических средств и кабельных соединений между
иями и тщательным электрическим монтажом.
Можно выделить три основных фактора, определяющих каче-
ство электрического монтажа систем управления: выбор первич-
ного источника электропитания; выбор схемы заземления; испол-
нение кабельных соединений.
К первичному источнику электропитания АСУТП предъяв-
ляются следующие требования: минимальные откловения от
номинальных значений электрических параметров источника (ам-
плитуды, частоты, фазы); отсутствие кратковременных отклонений
от стационарного режима («бросков» электропитания); исключение
передачи различного вида высокочастотных помех по силовым
кабельным соединениям.
Одним из наиболее стабильных и широко используемых источ-
ников электропитания АСУТП является мотор-генератор с боль-
шим моментом инерции. Применяются также статические пре-
образователи и аккумуляторные комплексы с «подзарядом» (для
отдельных технических средств, например ЭВМ). На тех пред-
приятиях, где возможны частые нарушения в системах энерго-
снабжения, монтируются установки, обеспечивающие автомати-
ческое отключение н включение первичных источников для
АСУТП. Чтобы исключить передачу высокочастотных помех
к техническим средствам, устанавливают стандартные фильтры
в сочетании со специальными схемами экранирования и зазем-
ления.
Специальные схемы заземления необходимо применять как
для обеспечения безопасности оперативного персонала, так и для
надежной работы системы. Основная цель создания ииднвидуаль-
219
ной схемы заземления для каждой АСУТП — исключить пара*
зитные контуры. Если отдельные точки в схеме заземления имеют
разные потенциалы, то в контуре протекают значительные токи,
которые могут вызвать ложные срабатывания чувствительных
логических и усилительных схем. Поэтому широко используются
отдельные и изолированные системы заземления для различных
схем. Типичным примером такого схемного решения может слу*
жить гальваническая развязка цепей термопар, соединяемых
с входом преобразователя «напряжение — код» мнлливольтового
диапазона, от выхода такого преобразователя. Идеальное техни-
ческое решение представляет собой изоляция каждого проводника
и заземление в одной точке общей электронной схемы.
При монтаже кабельных соединений учитывают тип сигнала
и уровень передаваемой ими мощности, при этом различают:
низкочастотные аналоговые сигналы; импульсные цифровые сиг*
налы; высокочастотные видеосигналы; уровни напряжения (тока)
с шумами, генерируемыми переключением реле, соленоидов и т. п.;
переменный ток силового электропитания.
Уровень аналоговых сигналов колеблется от нескольких мил-
ливольт (термопары) до сотни и более вольт (тахометры). Поэтому,
если в одном кабеле размещают проводники, которые передают
сигналы, различные по амплитуде, их необходимо экранировать
друг от друга.
Проводник, передающий импульсный цифровой сигнал,
является генератором помех, так что всегда желательно делать
его короче. Если этот проводник проходит рядом с проводником,
передающим аналоговый сигнал, последний должен быть выполнен
в виде скрученной экранированной пары. Следует отметить, что
в результате применения хорошо скрученных парных проводни-
ков без экранирования уровень наводок в смежных парах одного
кабель-провода понижается до 80 дБ.
Проводники для передачи видеосигналов надо монтировать
в отдельных кабель-проводах, полностью экранирующих нх от
проводников с аналоговыми и импульсными цифровыми сигналами
(другие типы сигналов нечувствительны к видеосигналам).
При передаче уровней напряжения (тока) в результате пере-
ключения реле и контакторов индуцируются высоковольтные
пики напряжения даже в проводниках с низким импедансом,
поэтому для цифровых схем необходимо предусматривать защиту
от этого типа помех (например, буферные реле). Как правило,
аналоговые схемы нечувствительны к этим высокочастотным
помехам.
Проводники силового электропитания необходимо монтировать
в металлических кабель-проводах вне конструкций технических
средств. Для защиты электронных схем от влияния нестационар-
ных процессов в системе электропитания целесообразно исполь-
зовать развязывающие трансформаторы с электрическим экра-
нированием.
220
Таблица 7.9. Вредине прпиеси а атмосфере
различных премышлеппых предприятий
Вад производства Примесь
Сталеплавильное Выплавка цветных металлов Нефтеперерабатывающее Цементное Производство серной кислоты Чугуно- и сталелитейное Производство ферросплавов Целлюлозное Производство азотной кислоты Бензохранилища Производство мыла и дезинфициру- ющих средств Производство соды Производство фосфорной кислоты Производство извести Обработка алюминиевой руды Производство фосфетных удобрений Пыль, окись углерода, фтористые соединения Окись серы, иыль, различные ме- таллы Соединения серы, гидрокарбопаты, дым, пыль Пыль, соедииеппя серы Двуокись и трпокнсь серы, кислот- пыи туман Пыль Пыль Соединения серы, пыль Кислотный туман и пары соляной кислоты Окись азота Углеводород Пыль Хлор Кислотный туман, фтористые соеди- нения Пыль, фтористые соединения Фтористые соединения, пыль, аммиак
Примечание. Вредные примеси * атмосфере можно разделить яа две основные группа: 1) взвешенные частица; 2) газы, молекулы котормх дисперси- рованы в воздухе. Для некоторых тягов производств можно выделить такне <вред- иые> составляющие атмосферы, как бактерии, вирусы и другие микроорганизмы.
Можно сформулировать следующие общие рекомендации для
электрического монтажа АСУТП на промышленном предприятии:
монтировать все сигнальные провода в стальных кабель-проводах;
разделять провода аналоговых и цифровых сигналов; обеспечивать
максимальное расстояние между сигнальными проводами и обо-
рудованием, в том числе кабелями электропитания; обеспечивать
иизкоомиую систему заземления; заземлять все экраны у первич-
ного источника электропитания; изолировать все кабель-провода
от конструкции технических средств.
Защита от воздействий производственной среды. В настоящее
время в ряде отраслей промышленности условия иа предприятиях
вполне удовлетворительны для длительного непрерывного функ-
ционирования технических средств АСУТП. Типичным примером
предприятия, где для реализации технологических процессов
обеспечена особая гигиена труда, может служить производство
полупроводниковых приборов. Прн внедрении АСУТП иа таких
предприятиях проблемы влияния производственной среды прак-
тически нет. Однако имеются отрасли промышленности (табл. 7.9),
для которых еще остается нерешенной задача полного очищения
производственных помещений от вредных примесей в производ-
ственной среде, причем длительное воздействие этих примесей
сказывается отрицательно не только иа работоспособности людей,
221
но и на нормальном функционировании технических средств 1114].
Источниками появления взвешенных частиц служат механи-
ческие процессы (особенно для частиц размером более ,10 мкм),
а также пь!ль и продукты сгорания (менее 10 мкм). Некоторые
виды частиц (кварц, известняк) оказывают вредное абразивное
действие иа движущие элементы УВВИ исполнительных органов
в АСУТП. Мелкодисперсные материалы (например, целлюлозное
волокно, органические соединения) могут нарушать работу сколь-
зящих и разрывных электрических контактов, а также движущих
элементов технических средств.
Ряд газообразных примесей (например, хлор, двуокись серы),
даже при очень низких концентрациях (допустимых для работы
человека), могут существенно повредить электронные блоки (вы-
звать коррозию в условиях повышенных температуры и влаж-
ности). В таких случаях эффективно применение благородных
металлов.
В настоящее время конструкторы затрачивают значительные
усилия иа поиск новых материалов и методов защиты от вредных
воздействий окружающей среды иа промышленных предприятиях.
Наиболее устойчивыми к воздействиям вредных примесей должны
быть датчики, исполнительные органы н другие технические
средства, находящиеся в непосредственной близости к технологи-
ческому оборудованию (встраиваемые микроконтроллеры и т. п.).
Центральные комплексы технических средств, как правило,
размещают в специально отведенных помещениях, оборудованных
различными устройствами для обеспечения и контроля реальных
условий окружающей среды, в том числе: установками кондици-
онирования воздуха; механическими воздушными фильтрами или
электрическими осадителями пыли; газовыми фильтрами (в основ-
ном на базе активированного угля н перманганата); системами
двойных дверей или воздушными шлюзами; регистраторами и
индикаторами температуры, относительной влажности и дав-
ления.
Г лава 8
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ
ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
8.1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ
АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Современные условии функционировании производства. Эти
условия характеризуются отказом от взгляда иа провзводство
как на объект, существующий «сам по себе», что связано с изме-
нениями, происходящими как во всем мире (интенсивной интегра-
цией экономических систем, появлением относительно большого
222
рынка предложений при ограниченном рынке сбыта, возникнове-
нием социальных проблем, обусловленных автоматизацией пронз*
водства, и глобальных экономических проблем), так н в нашей
стране (в ее экономике). Переход науки н промышленности иа
хозяйственный расчет, появление тенденции к самостоятельности
развития предприятий и зарождению рынка сбыта уже не могут
удовлетворяться определением эффективности систем автомати-
зации в терминах производительности, себестоимости и рентабель-
ности только самого производства.
На современного производителя продуктов и услуг (товара)
воздействует окружающая его среда, включающая целый комплекс
(сумму) фактор08* который состоит из чрезвычайно большого
числа составляющих и может только случайно полностью совпа-
дать по яаправлению с суммой факторов, определяющих интересы
производителя. Столь же случайна и полная противоположность
этих факторов. Однако в силу того, что действия производителя
и реакция окружающей среды взаимосвязаны (и довольно слож-
ными зависимостями), попытки удовлетворить интересы произ-
водителя любыми средствами, в том числе и автоматизации тех-
нологических процессов, без учета действующих иа него внешних
факторов не следует считать лучшей стратегией поведения. При
оценке целесообразности автоматизации технологических про-
цессов приходится ориентироваться иа некоторый согласованный
оптимум, предполагающий наименьшее расхождение суммарных
интересов производителя и окружающей его среды. Надо отме-
тить, что факторы окружающей среды могут иметь достаточно
большие постоянные времени, поэтому говоря о последствиях
автоматизации, надо рассматривать и временные срезы, позволя-
ющие оценить ее отдаленные последствия. К сожалению, в на-
стоящее время нет методики комплексного анализа эффективности
автоматизации производства, поэтому проблему системного ана-
лиза эффективности автоматизации технологических процессов
приходится рассматривать в основном иа понятийном уровне.
К тому же ие все факторы удается измерить в одних единицах
(например, в денежных), что дает дополнительные основания
к правомерности выполнения анализа иа уровне понятий и экс-
пертных оценок.
Основные свойства факторов. Факторы окружающей произво-
дителя среды, рассматриваемые в связи с автоматизацией техно-
логических процессов, достаточно сложны и разнообразны. Оии
могут как способствовать внедрению систем автоматизации техно-
логических процессов, так и противодействовать им (табл. 8.1).
Надо отметить, что благоприятные и противодействующие фак-
торы взаимно дополняют друг друга. Так, отсутствие конкуренции
может рассматриваться как благоприятный фактор, ио тогда
исчезнет и возможность заимствования передовых проектных
решений, а это превращает указанный фактор в противодейству-
ющий. Достаточно широкий рынок труда можно рассматривать
223
Таблица 8.1. Факторы среды, окружающей производителя
Фактор Направление действии •
благоприятное противодействующее
Рывок произво- дителей Рывок потреби- телей Рынок труда Рынок капитала Социальная сре- да Эргономическая среда Объективные за- коны природы и организации • Отнссггель Возможность заимствовать технические, организа- ционные и прочие решении Возможность удовлетво- рять и расширить спрос на товар Возможность оперативно набирать специалистов требуемых ирофнлей Возможность получить до- иоляительиый доход за счет новых инвестиций Свобода конкуренции Климатические, природ- ные ресурсы п т. и. Возможность максималь- ного иолезного нх исполь- зования в условиях авто- матизации, возможность работы в критических ре- жимах с максимальным выходом продукта но достижения максимальной су Конкуренция Желание повысить собствен- ную прибыль (в том числе за счет снижения цены иа товар) Противодействие сокраще- нию численности занятых работников Сокращение роста капита- ловложений (сокращение капитала в обороте) Ограничительное законода- тельство нз монополию, прибыль и т. н. Ограничения на загрязне- ния окружающей среда, продукты п т. н. (связанные с ними дополнительные за- траты) Дополнительные затраты на исследования, выход тех- нологических процессов на эакритичесхяе режимы при отказе систем управления имя интересов производителя.
как благоприятный фактор, ио если на нем наблюдается дефицит
специалистов по проектированию и эксплуатации автоматизи-
рованных технологических процессов, то это будет уже противо-
действующим фактором. В случае, если перечисленные факторы
можно вычислить или дать им экспертную оценку, то они иа
правах факторов доходов и затрат входят в расчет экономической
эффективности от внедрения АСУТП по рассматриваемой в п. 8.4
настоящей главы методике «затраты — прибыль». В противном
случае они рассматриваются как некоторые ограничения иа обла-
сти допустимых проектных решений по АСУТП.
Основные факторы н источники прибыли в системе первичный
производитель — промежуточный потребитель — конечный поль-
зователь. Определим, что первичный производитель — это эле*
меит системы, производящей иа базе собственных ресурсов 'Не-
которые материалы, комплектующие изделия или полуфабрикаты,
224
которые не может потреблять конечный пользователь. Указание
иа собственные ресурсы позволяет разорвать достаточно длинные
цепочки связей последовательно чередующихся элементов «пер-
вичный производитель — промежуточный потребитель» в ре-
альных производственно-экономических системах, а то, что про-
дукцию производителя не может непосредственно потреблять
пользователь, свидетельствует о том, что первичный производи-
тель не может непосредственно получить прибыль от конечного
пользователя (она может быть только перераспределена между
первичным производителем и промежуточным потребителем). Те-
перь ясно, что промежуточный потребитель может быть (если
между ним и производителем нет соглашений о перераспределении
прибыли) обладателем прибыли от продажи продукции (товаров)
конечному пользователю. В свою очередь, конечный потребитель,
если он получает прибыль от использования товара и не имеет
соглашения с промежуточным потребителем, ие получает прибыль
от внедрения АСУТП, и, следовательно, расчеты экономической
эффективности от внедрения АСУТП необходимо откорректировать
по этому фактору. Реально прибыль, получаемая в афере конеч-
ного потребления, между элементами системы производитель —
промежуточный потребитель — конечный пользователь может
быть перераспределена посредством соглашения о ценах в рас-
сматриваемой системе илн выплат каких-то вознаграждений
и т. п. Первичный производитель и промежуточный потребитель
могут полностью получить только ту часть прибыли, которая
образуется за счет роста производительности труда, экономии
ресурсов и других факторов,. действие которых экономически
замыкается в нем.
С другой стороны, конечный пользователь одни терпит убытки
от полученного товара, если нет каких-либо соглашений о распре-
делении их компенсации в рассматриваемой системе. Поэтому,
как правило, действуют соглашения о компенсации убытков
и в общем случае производитель обязан возместить часть потерь.
В связи с этим в расчетах экономической эффективности АСУТП
учет потерь от рекламаций и прочих аналогичных претензий
может и ие соответствовать реальным потерям конечного пользо-
вателя (это завышает расчетную экономическую эффективность
от внедрения АСУТП).
8.2. ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ
ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ АСУТП
Внедрение АСУТП направлено иа повышение эффективности
производства за счет повышения производительности труда,
увеличения объема производства, улучшения качества выпуска-
емой продукции, использования основных фондов, материалов
и сырья, снижения объема незавершенного производства и страхо-
вых запасов, уменьшения числа работающих иа предпри-
225
Таблица 8.2. Основные псточпижн
экономической аффектавностп АСУТП
Класс АСУТП Источник эффективности
Автоматианроваппые системы логико-иро- граммиого управлении без оптимизации Повышение производительности труда при выпол- нения технологической операции. Резкое сокраще- ние ошибок оперативного персонала и брака по прачипе ошибок. Стабилизация технологического процесса. Сокращение числа работающих при мультипрограммном управлении
Автоматизированные системы оптимального управления технологи- ческим ироцессом Автоматизированные системы комплексного управления (АСУОТП) Повышение качества я надежности выпускаемых изделий (продукта). Увеличение объема выпуска продукции. Оптимизация номенклатурного рас- пределения выпускаемых изделий Сокращение потерь рабочего времени иа участках и технологических линиях. Повышение оператив- ности управления производственным процессом со стороны оперативного персонала. Повышение качества управления технологическим ироцессом
ятии (табл. 8.2). Внедрение систем управления отличается от
обычных работ по внедрению новой техники тем, что позволяет
перевести производственный процесс на качественно новую сту-
пень развития, характеризуемую более высокой по сравнению
с предшествующей ступенью организацией (упорядоченностью).
Качественное улучшение организации производства обусловлено
значительным увеличением объема обрабатываемой в системе
управления информации, резким увеличением скорости ее обра*
ботки и применением для выработки управляющих решений
более сложных методов и алгоритмов, чем те, что использовались
до внедрения АСУТП.
В соответствии с теоретическими основами оценки экономи-
ческой эффективности систем управления 191 ] экономический
эффект, получаемый от внедрения одной н той же системы, зависит
от уровня организованности производства (стабильности и на-
строенности технологического процесса) до и после внедрения
АСУТП, т. е. может быть различным для разных производств.
Значение основных источников экономической эффективности
применительно к различным технологическим процессам и классам
систем управления можно проиллюстрировать примерами из
отечественной и зарубежной практики применения АСУТП. Так,
благодаря внедрению системы управления нажимным устрой-
ством блюминга 1150 за счет повышения производительности
обжимного стана производство получило годовой экономический
эффект свыше 120 тыс. руб. Внедрение адаптивной системы управ-
ления прокатным станом на трубопрокатном заводе обеспечило
снижение затрат в производстве более чем иа 225 тыс. руб. за счет
сокращения разброса размеров труб. Внедрение системы управле-
226
ння участком формовки точечных диодов иа полупроводниковом
заводе дало возможность сократить на несколько десятков человек
число работников, занятых иа данной технологической операции,
и тем самым получить ежегодный экономический эффект более
100 тыс. руб. Сокращение производственного персонала при
внедрении иа приборостроительном заводе электронного контро-
лера электрических счетчиков АСУТП «Аргус» дало экономиче-
ский эффект более 200 тыс. руб. Большой экономический эф-
фект (свыше 500 тыс. руб. в год) получен от внедрения иа серий-
ном заводе миогопостовой системы контроля цифровых инте-
гральных схем «Элекон С-3».
Большую экономическую эффективность от внедрения АСУТП
можно показать также на примере ряда зарубежных фирм цел-
люлозно-бумажной промышленности [19]. Внедрение системы
управления бумагоделательными машинами позволило умень-
шить среднеквадратичное отклонение массы 1 ма бумаги н ее
алажиости в 3—5 раз. При внедрении АСУТП благодаря пяти-
процентному увеличению скорости машин производительностью
200 т в день высокосортной бумаги получен дополнительный
валовой доход около 500 тыс. долл, в год, а машин производи-
тельностью 500 т в день упаковочного картона — 450 тыс. долл,
в год. Время переналадки технологического процесса с выпуска
одного типа бумаги на выпуск другого при внедрении АСУТП
сокращено иа 20%, скорость производства бумаги увеличена
иа 15%, выпуск продукции — на 19%, а эффективность бумаго-
делательной машины — на 2%. В результате внедрения АСУТП
на процессе отбеливания изменение белизны бумаги уменьшилось
иа 50%, вязкости — иа 47%, остаточной щелочи — на 43%,
остаточного хлора — иа 73%; затраты иа химикаты снизились
на 14,8%, потребление пара — иа 11,6%. Затраты на разработку
и внедрение системы управления процессом отбеливания оку-
пились за восемь месяцев эксплуатации системы.
На другом предприятии затраты на внедрение управляющей
ЭВМ окупились за год благодаря увеличению выпуска продукции,
снижению брака, уменьшению стоимости отбеливания и стабили-
зации качества. Прн внедрении системы управления технологи-
ческими процессами при производстве крафт-картоиа годовой
доход увеличился иа 500 тыс. долл, за счет улучшения управ-
ления массой 1 мя картона и уменьшения его влажности.
В ряде случаев внедрение АСУТП позволило существенно
сократить капитальные вложения, связанные с необходимостью
расширять производство или часто его перестраивать с выпуска
одного типа продукции иа выпуск другого. Так, в производстве
целлюлозы требуется относительно часто менять сорт [19].
Чтобы удовлетворить потребности заказчика, в этом случае
надо было бы ввести в строй дополнительный целлюлозный завод
с отбеливающей установкой, строительство которого обошлось бы
примерно в 50 млн долл. Применение же управляющей ЭВМ
227
для оперативной перенастройки технологического процесса позво-
лило обойтись имеющимися производственными мощностями.
Следует отметить, что помимо явных источников экономической
эффективности внедрение АСУТП в производство дает возмож-
ность использовать и скрытые его ресурсы за счет получения
достоверной оперативной информации, повышения качества уп-
равления производством и надежности системы управления,
упрощения контроля за состоянием производства н ряд других.
При разработке АСУТП невозможно предварительно оценить
выгоду, получаемую от реализации скрытых ресурсов, ио по
результатам эксплуатации систем управления можно сделать
вывод о том, что иа их долю может приходиться до 50% всего
дохода, связанного с внедрением АСУТП.
8.3. ОСНОВНЫЕ ЗАТРАТЫ НА СОЗДАНИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИЮ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
Основные затраты на создание системы управления состоят,
как правило, из затрат иа предпроектиые и проектные работы Sn
н затрат на приобретение специального оборудования, устанав-
ливаемого в системе управления So6. При этом в стоимость проект-
ных работ включаются все расходы, связанные с разработкой
проекта (в том числе разработкой математического обеспечения
и внедрением системы управления), в стоимость оборудования—
стоимость средств управляющей вычислительной техники, уст-
ройств подготовки, передачи и отображения информации, а также
стоимость тех узлов технологического оборудования, модерни-
зация или разработка которых вызвана условиями работы обо-
рудования в системе технологический процесс — АСУТП.
Ориентировочно оценить затраты на оборудование АСУТП
можно, воспользовавшись данными табл. 8.3. Типичными при-
мерами АСУТП с малым, средним и большим объемом решаемых
задач служат соответственно системы управления химическими
Таблица 8.3. Типичный состав и стоимость оборудования
УВК АСУТП для различных объемов задач
Объем решаемых задач Объем, тыс. слов Стандартные Число каналов Ориеяти- стои- мость, тыс. руб-
ОЗУ внешней памяти Аяа- лото- вый ввод Цифровой
ввод вы- вод
Малый 32—64 256 Видеотерминал Тоже, АЦПУ по- следовательное 100 144 64 60
Средний 256 20 000 ' 400 1500 96 120
Большой 1024 16 000— 40 000 Тоже, АЦПУ па- раллельное 1000 3500 168 240
228
Таблица 8.4. Среднее распределение затрат нря созданиж АСУТП
Статья аатрат Затраты, %
Технвческие средства ЭВМ Внешняя память УВВИ; аналоговые цифровые стандартные 20 15 7 3 5
Разработка и внедре- ние Программирование Руководство проектом, разработка и ввод в эксплуатацию 25 25
установками, процессами производства цемента и энергоблоками
атомных электростанций.
Относительное распределение затрат на проектирование,
приобретение оборудования и внедрение системы управления
даио в табл. 8.4.
Кроме затрат иа создание системы управления предприятие
несет еще и затраты иа ее эксплуатацию. Полагая, что затраты
на создание и эксплуатацию АСУТП равномерно окупаются по
годам ее функционирования, можно определить ориентировоч-
ные годовые затраты на систему управления
2 = (Sn + S06)/7' + S8«0, (8.1)
где Т — время эксплуатации; S8Ite — годовые эксплуатацион-
ные затраты.
Для систем управления технологическими процессами прини-
мается обычно Т = 5-ь7 лет. При этом если в процессе работы
в систему были внесены изменения, приведшие к изменению Sn,
S9tto или £Об, то годовые затраты иа эксплуатацию системы уп-
равления необходимо пересчитать.
Эксплуатационные затраты иа систему управления можно
определить по формуле
•5эжс = Sa. о + Se. ф + S. Sh. (8-2)
Здесь Sa. п — годовой фонд заработной платы персонала, обслу-
живающего систему управления; S8, ф— амортизационные от-
числения и плата аа фонды; S8 — затраты иа электроэнергию,
воду н т. п.; SK — годовые затраты иа материалы и комплектую-
щие изделия.
Амортизационные отчисления и плата за фонды
я
Sa, ф = So61 (ал1 4- Оф),
229
где So6(— стоимость t-го типа оборудования; — амортиза-
ционные отчисления по t-му типу оборудования; а* — отчисления
за фонды.
Годовой фонд заработной платы персонала, обслуживающего
систему управления,
5;. п = /р5(1+*ц.н)т', (8.3)
где /р — время работы обслуживающего персонала за год; S8< п —
средняя годовая ставка обслуживающего персонала (с учетом
рааличиых начислений); £ц. д — коэффициент цеховых, накладных
расходов; т* — численность обслуживающего систему персонала,
в том числе персонала, обслуживающего специализированные
устройства технологического оборудования.
8.4. МЕТОДИКА ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО РАСЧЕТА
ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
Увеличение объема производства при внедрении системы
управления связано с увеличением темпа прироста объема вы-
пускаемой продукции по отношению к таковому при отсутствии
системы управления. Объем выпускаемой продукции при внедре-
нии системы управления
В=В. + В, + В„, (8.4)
где В, — объем выпущенной продукции за прошедший год до
внедрения системы управления; Ва — планируемый прирост объ-
ема выпускаемой продукции при отсутствии системы управления;
Bi — дополнительное (сверхплановое) увеличение объема вы-
пускаемой продукции прн внедрении системы управления. Вели-
чину Bi определяют, как правило, в процессе опытной эксплуата-
ции системы управления, а если необходимо провести предвари-
тельные (до опытного внедрения) экономические расчеты, то
используют метод аналогий-
Внедрение системы управления позволяет улучшить качество
продукции и увеличить долю (%) изделий высших сорта или
классификационных групп, имеющих большие потребительскую
стоимость и цену (следовательно, дающих производству большую
прибыль). Прибыль, которую получает предприятие за счет вы-
пуска изделий высших сорта или классификационных групп
с учетом увеличения объема производства при внедрении системы
управления, можно определить по формуле
Р- = 2 BiPt - 2 (S.i + S.o Р,. (8.5)
i*=! t=l
Здесь B't — объем выпускаемой продукции <-й группы после
внедрения системы управления; Ви — объем выпущенной про-
дукции f-й группы за прошедший год до внедрения системы уп-
230
равления; Bai — планируемый прирост объема выпускаемой про-
дукции i-й группы при остутствии системы управления.
Прибыль, полученную иа единицу продукция без системы
управления Pt и с ией Pi, вычисляют по формулам:
Pt = С t0 — St; Рi = С to — St,
где Сю и С'ю — цена единицы продукции при отсутствии системы
управления и с ией соответственно; St и 5< — себестоимость
единицы продукции прн отсутствии системы управления и с ией
соответственно.
Если внедрение системы управления ведет к сокращению
числа основных и вспомогательных рабочих, а также численности
административно-управленческого персонала, то заработная плата
с цеховыми накладными расходами в производстве уменьшится
иа величину
Si .. п = /₽. с$с... о (1 + -) (8.6)
где /р.о — время работы персонала, подлежащего сокращению,
за прошедший год; S0>8.n — средняя часовая ставка сокращен-
ного персонала (с учетом начислений); те — численность сокра-
щенного персонала.
Тогда снижение удельных трудовых затрат от внедрения си-
стемы управления можно определить по формуле
ASe. п = (1 Н- £». в) (5а. п/(Вв£ + Bat) — (Sa. и — 5с. ». n)/^nj» (8-7)
где — коэффициент общезаводских накладных расходов;
5з.п — фонд заработной платы с общезаводскими накладными
расходами до внедрения системы управления.
Снижение удельного расхода затрат на материалы и комплек-
тующие изделия
АСК. н = Ск. ы/(£?в Ч- Ва) — Са. ы/В , (8.8)
где Ск. « и Cg. и — стоимость комплектующих изделий и материа-
лов иа планируемый год при отсутствии системы управления
и с ней соответственно.
С учетом затрат на создание и эксплуатацию системы управ-
ления получаем снижение себестоимости t-го типа изделий
as; = s( - as;. п - дс;.«+z/b. (8.9)
При определении экономической эффективности АСУТП необ-
ходимо учитывать потери в производстве, которые могут возник-
нуть в связи с выходом из строя системы управления. Полагая,
что при отказе системы управления предприятие несет убытки Dop
только от невыполнения плана реализации, получим
/)Пр = Вцр iP't (^пр/^пр)»
(“1
где Вор t — объем продукции, недрвыпущенной из-за простоя
системы упрааления; t'ap — время простоя системы управления
231
в течение года во время работы технологического оборудования;
/пр — плановое время работы технологического оборудования
в году.
Прибыль от внедрения системы управления с учетом убытков
от ее простоев можно найти по формуле
p«v = Е (1 - - Е (в.< + вп() Pi. (8.Ю)
(=1
Из формул (8.2) и (8.10) можно получить срок окупаемости
затрат на создание и функционирование системы управления
(без учета уровня общей организованности производства или
технологического процесса)
Ток = (Sn + 5об)Л^ пр Зэке)- (8.11)
Пример использования методики детерминированного расчета
для оценки экономической эффективности внедрения АСУТП
дан в приложении 9.
8.6. МЕТОД РАСЧЕТА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
С УЧЕТОМ НЕУПОРЯДОЧЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА
Результаты, полученные при детерминированном расчете эко-
номической эффективности, справедливы лишь при условии
абсолютной упорядоченности производства, т. е. его абсолютной
стабильности. Ясно, что абсолютно стабильных технологических
процессов в реальном производстве нет, поскольку последние
подвержены воздействию многих случайных факторов, изменение
которых вызвано изменением свойств как объектов производства,
так и организационных процессов упрааления им. Нестабильность
производства всегда приводит к уменьшению предварительного
расчетного (в предположении абсолютной стабильности произ-
водства) экономического эффекта, получаемого от виедреиия
системы управления.
В качестве обобщенного критерия эффективности работы си-
стемы управления, который учитывает нестабильность произ-
водства, принимают неупорядоченность системы гп 191]. При
этом за основу оценки гп берут отклонение контролируемой пере-
менной у (/) от ее оптимального значения уот (t). Действительно,
в случае идеальной системы управления результатом ее действия
в каждый момент времени было бы такое значение уот кото-
рое для системы является оптимальным, т. е. при любом t выпол-
нялось бы условие у ($ — уот (/)• Из-за несовершенства системы
управления у (/) отклоняется от уот (О’, эти отклонения и ха-
рактеризуют степень неупорядоченности системы управления
в целом.
Если для технологических процессов оптимальное значение
Уопт (0 нельзя вычислить исходя из теоретических предпосылок,
232
в расчетах используют значение уот (/), определяемое на базе
экспериментальных данных.
Неупорядоченность гп связана с объемом используемой и
перерабатываемой в системе управления информации / следую-
щим соотношением:
drn = -<xrndZ, (8.12)
где а — коэффициент пропорциональности.
Знак «минус» в формуле (8.12) объясняется тем, что увеличе-
ние объема обрабатываемой информации ведет к уменьшению
неупорядоченности процесса.
При больших гп (т. е. при несовершенной системе управления)
даже небольшой объем дополнительной (по отношению к ранее
используемой) информации о состоянии объекта позволяет заметно
улучшить качество управления им, тогда как при малых гп (т. е.
высоком качестве системы управления) для дальнейшего улуч-
шения работы системы необходимо получить большой объем
дополнительной информации.
Интегрируя уравнения (8.11), (8.12), получим
Г» = г. (8.13)
где гп шх — максимальная неупорядоченность системы при I =
= о (гвш„ = 1,0).
Если известно промежуточное значение г,' [О С rtf’ < I
для некоторого соответствующего ему управления, характери-
зуемого объемом обрабатываемой информации I = 1„, то коэф-
фициент а определяется из соотношения
„ __ 1т, Г»
п
Тогда
ГП = 'оехР [ - (Wo)1п(<»т«/г’)]. (8.14)
Так как 1п (г„/г»‘) > 0, то из формулы (8.14) следует, что г„
убывает по экспоненциальному закону с ростом объема обраба-
тываемон в системе управления информации [911.
Оптимальному действию системы управления объектом с не-
упорядоченностью соответствует не только выполнение условия
0(О-0ои(О = О, (8.15)
но и выполнение условия
<*0(0-Й0оп.(О = О (8.16)
при любом моменте времени t.
Невыполнение системой управления условий (8.15) и (8.16)
ведет в производстве к потерям двух видов.
233
Потери, связанные с отклонением у (f) от уоох (/), опреде-
ляются по формуле
/
А = »0п,. »)/»очт(0-9(0/с1<.
где <р (/, y0QT, у) — весовая функция отклонения у (/) от у„пт (/)
для разных моментов времени.
Потери второго вида вызваны тем, что если в некоторый мо-
мент времени t произошло отклонение у (t) от ропт U). то для
минимизации потерь первого вида система управления за воз-
можно малый промежуток времени di должна компенсировать
это отклонение, но тогда Ay (t) не будет уже равно dyOOI (i).
Потери второго вида определяются функционалом
т
В = Jф(<1, Son,. sXdSon, — Ay)dt, (8.17)
где ф (i, Уап, у) — весовая функция.
В формуле (8.17) выражена цена отклонения dy (/) от dyonT (0,
которой характеризуется несовершенство системы (качество уп-
равления). Учет потерь второго вида приводит к следующей
оценке влияния неупорядоченности:
т
[ Уопт. У) (dyoor — dy)
r. _ I________________________ (818)
Г" Уопт(Т)+»(Т)
т. e. Гп — нормированное значение В.
Поскольку из математической модели системы (1.1) следует,
что неупорядоченность системы есть случайная величина, за
неупорядоченность системы можно принять математическое ожи-
дание величины Гл — г = М [/nJ. Тогда выражение (8.18) при-
нимает вид:
для непрерывных технологических процессов
т
j ф I'- Son, «). У (01/Уоот (0 - У №<И
Уоп,(Т) + у(Т) ' ’
для дискретных
S ♦ [6о Уопт 0к)• У ] I болт (^н)-в (<К) I
__м *___________________________________ (о.1У)
Г у,„(Т) + у(Т)
Здесь
6(ШТ (^к) — У опт (^к) Уопт (^я ^о)>
fi(Q = yM —у(^ —М-
234
В общем случае у (f) является векторной функцией у =
— {1/1(0» У* (i)t • •» Уп (0} и неупорядоченность производства оп-
ределяется по формуле
т
| Ч’|ф*опт— <Ur|
г= НУ опт (Л + У (ЛI ’
где $ (/, у01и, у, dye, dp) — вектор-функция ф.
В качестве нормы || у0„ (Т) + у (Т) || может быть выбрана
сумма компонент вектора у, которая представляет собой выпуск
продукции по всем видам изделий ва время Т
1у<ш.СО+у(Т)1!= 2 (УоиI(0+У|(Л] •
р»"1
Определив коэффициент упорядоченности как /? = 1/г и
используя уравнение (8.13), можно найти экономическую эффек-
тивность проектируемой системы управления с учетом неупоря-
доченности производства!
5 = 5ш„(1-^1ПЯ№). (8.20)
где £„,> — максимальное значение экономической эффективности
от внедрения системы управления; R, — начальная упорядочен-
ность производства на момент введения в действие системы управ-
ления (определяется по экспериментальным данным); S и So—
стоимость сбора и обработки информации для проектируемой и
существующей системы управления (см. например, 191 ]).
Как следует из уравнения (8.20), учет неупорядоченности
производства всегда ведет к снижению оценок экономической эф-
фективности АСУТП, определенной по детерминированной .ме-
тодике расчета.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Для ЭВМ, средств преобразования и передачи информации
сфера производства была, остается и будет одной из важных,
если не самой важной, областью применения в аспекте удовлет-
ворения потребностей человеческого общества.
Автоматизация иа базе ЭВМ технологических процессов и
производств в наиболее развитых странах мира, в том числе
в СССР, началась еще в 1950-х годах. Первые успехи в области
создания АСУТП в производствах с непрерывным и непрерывно-
дискретным характером стимулировали развитие технологии,
так как строгое формализованное описание потребовало глубокого
ее изучения.
Проблемам создания адекватных моделей технологических опе-
раций, процессов и производственных комплексов, а также алго-
ритмов управления нми посвящено большое количество научных
трудов. Результаты этих миоголетных исследований весьма важны
для обеспечения действительно широкого развития эффективной
автоматизации технологических процессов и производств на
современном этапе. Они являются фундаментом применения
современной вычислительной техники в области материального
производства, поэтому в книге им уделено весьма большое вни-
мание.
Указанное подтверждается результатами применения ЭВМ
в таких сферах, как конструирование и управление организацион-
ными процессами иа различных уровнях. Несмотря на широкий
фронт работ и использование все более совершенной вычисли-
тельной (в широком смысле) техники, успехи в этих сферах более
чем скромны. Оказалось, что прн современном уровне логико-
математических методов формализовать, алгоритмизировать ин-
теллектуальную деятельность человека непросто. Область тех-
нологии и организационно-технологических процессов оказалась
в более выгодном положении. Недостаточно широкое развитие
автоматизации технологических процессов н производств, мед
ленное накопление эффективных результатов в существенной
мере были предопределены отвлечением значительной части ре
сурсов, вкладываемых в использование вычислительной техники,
в другие сферы человеческой деятельности. Тем не менее следует
констатировать ускорение автоматизации технологических про-
цессов и производств и, что весьма существенно, развитие этого
процесса в направлении комплексной компьютерной автомати-
зации. Мы стоим на рубеже создания крупных автоматизирован-
ных производственных комплексов (в том числе автоматизиро-
ванных заводов), которые действительно могут обеспечивать
требуемую на данном этапе развития общества эффективность
(см. приложение 11) [8].
236
Вот почему авторы старались более широко раскрыть сущ-
ность всех аспектов, связанных с АСУТП, осмыслив их функцио-
нирование как элементов систем автоматизированного произ-
водства. Это проявилось в изложении материалов, посвящеииых
ГПС, поскольку в последние годы ГПС н их высший уровень —
ГАП — стали знаменем автоматизации дискретных производств.
В книге довольно скромно представлены вопросы технического
обеспечения на базе достижений современной микропроцессорной
техники, поскольку им посвящено много публикаций. Авторы
ограничились попыткой показать взаимосвязь всех видов систем-
ного обеспечения: аппаратного, программного, информационного,
лингвистического н т. д., что, по их мнению, является принци-
пиальным для успешного проектирования н применения систем
управления. Конкретная информация по различным средствам
КТС АСУТП приведена в основном в приложениях 1—6, 12—
17. Сведения в приложениях 12, 13, 14 выбраны по инфор-
мации, изложенной в книге Родионова В. Д., Терехова В. А.,
Яковлева В. Б. «Технические средства АСУТП» (1989).
g ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Характеристики отечественных одноплатных микроЭВМ
Характеристика «Электроника МС 1201» ПМВ02 Высокопроизводительная микроЭВМ на базе ВИС К1810ВМ66 «Электроника МС 2702»
Разрядность 16 16 16 8
Быстродействие, тыс. оп./с 400 (коротких) — — 500 (коротких)
Тактовая частота, МГц — 2,5/5 2.5/5 —
Объем резидентного ОЗУ, Кбайт До 56 (+8) 128 128 1
Объем резидентного ПЗУ, ППЗУ, Кбайт До 16 64 (ППЗУ с переключением) 32 (ППЗУ с переключением) До 12
Системный интерфейс ОШ IEEE 796 И41 И41
Наличие средств прерывания 2 входа от внешних устройств, 1 — для прямого доступа 15 входов векторного прерывания 8 входов векторного пре- рывания До 24 входов
Каналы ввода—вы- вода 3 телеграфных канала (2—19 Кбайт; 1 — 0,3 Кбайт) 24 линии программируе- мого ввода—вывода, 1 ка- нал ИРПС 3 канала побайтного вво- да—вывода, 1 канал ИРПС 24 линии параллельно- го ввода—вывода, 1 ка- нал ИРПС
Наличие тайлера — Интервальный тайлер 3 канала тайлера (16 раз- рядов) 3 канала тайлера
Размеры платы, мм - 280X 240 5700 мм* 360 X 260 358X244 (в корпусе)
Дополнительные све- дения Связь через ОШ с до- полнительными пла- тами, в том числе ИРПР; используется в СЧПУ и ДВК Ориентирована на мно- гомашинные комплексы (внутренняя и внешняя магистрали) С целью повысить вы- числительную мощность в состав включен ариф- метический сопроцессор Ориентирована на ис- пользование в качестве встраиваемого контрол- лера
239
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Основные характеристики отечественных БИС-АЦП
Характеристика К572ПВ1 (А, Б. В) КР572ПВ2 (А, Б, В) KI107ПВ1 КИ13ПВ1 (А, Б, В) КН03ПВ1А
Способ преобра- зования Конструктивно- технологическое нсполнекие Внешние элемен- ты и источники питания, необхо- димые для экс- плуатации Диапазон преоб- разуемого сигна- ла, В Последовательное приближение КМОП-БИС в 48-вы- водном металлоке- рамическом корпусе типа 4134.48-2 Компаратор напря- жения или опера- ционный усилитель, источник опорного напряжения, гене- ратор тактовых им- пульсов Щ = (54-15) ±5% U2 = 15 В ±5% ±10 Двойное интегриро- вание КМОП-БИС в 40-вы- водном пластмассо- вом корпусе типа 2123.40-2 или метал- локерамическом ти- па 4134.48-2 Источник опорного напряжения; не- сколько резисторов и конденсаторов, ге- нераторов тактовых импульсов иг = 5 В±1% Uz = 5 В±1% ±0,1999; 1,999 Параллельное Биполярная БИС в 48-выводном металлокерамиче- ском корпусе ти- па 2207.48-1 Генератор такто- вых импульсов 5 В±1% Ut = 6 В±1% —2,0—0 Последовательн Биполярная БИС с тонкопленоч- ными резистора- ми в 18-выводном корпусе типа 210Б.24-1 Несколько рези- сторов = 5 В±1% иг = -15 в±1% 0—10 ое приближение Биполярная БИС с тонкопленочны- ми резисторами в 24-выводном ке- рамическом кор- пусе типа 210Б.24-1 Несколько кон- денсаторов; для специал ьного ре- жима — внешний источник опорно- го напряжения Ux = 5 В ±5% t/B = —5,2 ±5% внутр ~ = 2,5 ±0,1
Продолжение приложения 2
Характеристика К572ПВ1 (А. Б, В) КР572ПВ2 (А, Б, В) КН07ПВ1 Ki J13ПВ1 (А. Б, В) К1Ю8ПВ1А
Число ДВОИЧНЫХ разрядов выход- ного кода 12 3,5 * 6 10 10
Время преобразо- вания, мкс НО 16-10s о,1 30 0,9
Абсолютная по- грешность преоб- разования в ко- нечной точке шка- лы, ед. младшего разряда ±127 1 — А; 3 — Б; 5 — В (ед. счета) -3,1 ±40 От —4,0 до 4,0
Нелинейность, % ±0.05 — А; ±0,1 - Б; ±0,2 — В — ±0,5 < со со 1 1 -1 — СЧ о о" о -н -н -н ±0,1
Потребляемая мощ- ность, Вт 0,1 0,02 1 1 0,5
* Число десятичных разрядов. •• Тактовая частота в серу ах.
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Характеристики некоторых серийно выпускаемых преобразователей (датчиков)
Измеряемая величина Обозначение Тип (принцип действия) Диапазон измене- ния входной величины Погрешность Габаритные размеры, мм Дополнительны* данные
Угловое пере меще- ние ПИКП1-АЗ ПИКП1-А2 ПИКП1-А1 Поворотный индуктосин 0—360° 5" 0 173X8 (статор) 0 148X8 (ротор) 2°
15" 0 130X8 (статор) 0 105X8 (ротор)
30" 0 100X8 (статор) 0 78X8 (ротор;
ПИКП2-1Ф ПИКП2-2Ф Фотоэлек- трический (импульсный) 4' 0 100X55 0 50X80 5000 имп./об, унитар- ный код 2500 имп./об, унитар- ный код
УП10-1 Электронно- оптический (позиционный) 30' 0 50X65 10 двоичных разря- дов
Линейное перемеще- ние ПИЛП-Л Линейный индуктосин Зависит от длины линейки 13 мкм на длине 190 мм Лннеек: 300Х 20X0,5 400Х 20X0,5 5ООХ2ОХ 0,5 600X20X0,5 700X20X0,5 800X20X0,5 1000 X 20X 0,5 1100X20X0,5 Головки: 75X35X 10 Классы точности определяются по ГОСТ 20965—75*
Продолжение приложения 3
Измеряемая величина Обозначение Тип (принцип действия) Диапазон измене- ния входной величины Погрешность Габаритные размеры, мм Допол н ительн ые данные
Темпера- тура, °C ЭТС-2 Сильфонно- реостатный От —60 до 4-100 1 - = 84 Ом
ЭТС-5 От —50 до 4-400 3 — 7?вн = 75 Ом
ППФ-1 От 350 до 1400 2% — ^вых = ЮС мкА
ДЖК-2 Диалатомиче- ский От 50 до 100 0,8 — Выход релейный
ТР-200 От 25 до 200 5 —
дткм Термобиме- таллический От —30 до 4-30 0,5—2,5% —
ТРК-3 Сильфонный От 66 до 98 1.2 —
ТРД-3 От —25 до 4-8 1.0 —
КР От 30 до 105 2 —
тдд Манометри- ческий От —30 до 4-50 От —1,0 до 4-1,5
ФЭП-4 Фотоэлек- • трический От 500 до 2000 1% — ^нагр = 100 Ом t/вых = 50 мкв
Давление ЭДД-30 ЭДД-22 Мембранно- индуктивный 0—2,4.10s Па 0—5,9* 104 Па 1,5% — t/вых = 6 В 7?вн — ЮО Ом
ЕДО дкм Мембранно- емкостный 0—9,8* 10* Па 5,3-104— 6,7 • 104 Па 1—5% 0 18X100X47 0 12X2,5 t-вых ~ (25-t-30)± ±(34-5) пФ Свых = (154-20) ± ±3 пФ
Продолжение приложения 3
Измеряемая величина Обозначение Тип (принцип действия) Диапазон иэмеке- , кня входной величины Погрешность Габаритное размеры, мм Дополнительнее данные
Давление ПЭ-6 ДПД-9 РД-8-Т Мембранно- пьезоэлек- трический 0—9,8-10® Па 4,9-10а— 9,8-10* Па 9,9-106 Па 1-3% 1,5—5,0% 4% 25,4X78 130X95X310 /вых ~ З-г-5 кГц /вых = ЮО кГц
Расход (жидкости и газа) РЭМ Ротаметри- чески и 0,025—63 м»/ч (воды) 2,5% 270Х 120 X 50— 565X 312X 245 Индукционная катуш- ка датчика предна- значена для работы в качестве плеча диф- ференциально-транс- форматорной схемы
Уровень сыпучих материалов ДУЗ-1 Мембранный — 3 Па 240Х 145X70 Выход релейный
Уровень жидкости СУ-3 РСУ-3 РП-40 ПК-16 Механический 150 мм 20 мм 0—150 мм 0—365 мм ±5 мм ±1 мм ±20 мм ±5 мм 0 115X380 304X 230X187
ЭСУ-2 Емкостной ±2,5 мм - —
Концентра- ция горю- чих газов и паров ор- ганических соединений в воздухе СГГ2-В4Б Каталитиче- ский 0,8% об. На, СзН8 и других состав- ляющих 0,2—0,5% 302X188X 128 Работа на вход стан- дартного потенцио- метра
Продолжение приложения 3
Измеряемая величина Обозначение Тип (принцип действия) Диапазон измене- ния входной величина Погрешность Габаритные размеры, мм Дополнительные данные
Содержание О8 в газах ГДРП-3 ГЛ-5108 Деионизаци- онный 0,2% Оа (не элек- трохимические смеси) 0,5—0,0001% об. Os в различных газах 5% 10% 357Х 340X146 Работа на вход стан- дартного потенцио- метра
ТХГ-5Б Термо- химический 0—1% об. Оя (га- зовые смеси) 5% 176X176X350
МГК Магнитный 0—100% об. О2 в различных сме- сях 2-5% 288X422X166
Геометри- ческие размеры И-29 Электро- механический 100 мкм 0,4 мкм 305Х 530Х 125 Выход релейный (раз- браковка деталей на 50 групп)
БВ-Н8О8 Пневмоэлек- трический 0,1—0,3 мм 49 Па 140Х 60X85 Выход релейный
БВ-779У БВ-1000 Механический ±0,5 0—1 мм 0,5 мкм 1,0 мкм 190X100X70 215Х 20X70 Выход релейный (раз- браковка деталей на 4 группы)
БВ-1009/50-2К Пневмоэлек- трический ±2 мм 98 Па 120Х 108Х 100 Выход релейный (2 предельных, 1 пла- вающий контакт); мо- дификация БВ-Ю09/60-6К (6 предельных кон- тактов)
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Состав УВКС на базе СМ1420.01
Нвммеяоваяие Обозначение Примечание
Процессор Устройство внешней памяти на магнитных дисках Устройство внешней памяти на сменных магнитных дисках Устройство внешней памяти на гибких ма- гнитных дисках Устройство внешней памяти на магнитной ленте Устройство ввода—вы- вода перфоленточн ое комбинированное Устройство печатающее Видеотерминал алфа- витно-цифровой Мультиплексор переда- чи данных Контроллер Блок расширения си- стемы Б PC Устройство сопряже- ний вычислительных машин Устройство комбиниро- ванное быстродейству- ющее Устройство связи с объ- ектом СМ2420 СМ1420.5410; СМ1420.5410.03 СМ5407.02 СМ5631.01 СМ5301.09 СМ1420.6204 или СМ 1420.6204.02 СМ1420.6308 СМ1420.6301 CMI420.6302 СМ1420.6305 СМ1420.7202 СМ1420.7204 ВТА 2000-15 СМ8514 СМ1420.6010 СМ 1420.0111 А-71118 УКБ-200 УСО-3 УСО-4 УСО-5 2 НМД СМ5410; емкость ЮМБайт На базе ЕС5061; емкость 20.46 МБайт На базе двух ЕС5074; емкость 512 Кбайт До 4 накопителей Считывание — до 300 строк/с; вы- вод — до 50 строк/с На базе знакосинтезирующего устройства А521-4/6—100 зн./мин, 128 символов в строке На базе АРО-1156 — 100 эн./с, 132 символа в строке На базе ДМ-180 — 180 зн./с, 132 символа в строке На базе СМ6315 — 500 стр./мин, 132 символа в строке На базе ВТА 2000-15 с контрол- лером ИРПС На базе BIA 2000-15 с контрол- лером ИРПР Размер поля изображения 200х Х175 мм; чиспо выводимых на экран знаков — 1920 (24 строки по 80 знаков) Содержит 16 каналов связи с ин- терфейсом ИРПС; скорость обме- на информацией до 9600 бит/с на расстоянии до 500 м Скорость обмена до 9600 бит/с, дальность до 500 м Для подключения контроллеров и дополнительных внешних уст- ройств (до 6) Связь с ЕС ЭВМ; скорость пере- дачи до 400 слов/с Для ввода информации с датчи- ков объекта и вывода информа- ции на объект Ввод-вывод сигналов с объектов Дискретных сигналов ввода — 640 Дискретных сигналов вывода — 416
245
Продолжение приложения 4
Наименование Обозначение Примечание
Расширитель интерфей- са РИФ СМ Устройство отображе- ния графической ин- формации СМ4101 СМ7300 Увеличивает мощность ОШ ЭВМ. позволяет подключить дополни- тельно 19 единиц нагрузки Состоит из дисплейного процес- сора и экранного монитора со световым пером; размер рабочего поля 240X240 мм; емкости бу- ферного ЗУ — 120 Келов; макси- мальная длина линий, выводи- мых на экран, 120 мм
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Состав типовых УВК на базе СМ1300
Наименование устройства Число ва нсполиевне
1701 1701.01 1701.02 36 12 1705
МикроЭВМ СМ 1300 » СМ 1300.01 Процессор специализированный для выполнения быстрого преобразова- ния Фурье и обработки сигналов (СПФ СМ) Устройство центрального УЦ-Ф Оперативное запоминающее устрой- ство полупроводниковое (128 Келов) БЭ 9851, БЭ 9858 Контроллер для выхода на парал- лельный интерфейс ИРПР БЭ 9793 Контроллер для выхода на после- довательный интерфейс ИРПС БЭ 9767 Контроллер ИРПР БЭ 9794 Контроллер накопителя на магнит- ных дисках (КНМД) 6/12 СМ5400/5410 Накопитель на сменных магнитных дисках (НСМД) СМ5400 Видеотерминал алфавитно-цифро- вой: В ТА 2000-30 ВТА 2000-15 СМ7209 Контроллер канала общего поль- зования для измерительных уст- ройств с байт-последовательным и байт-параллельным обменом инфор- мации Алфавитно-цифровое печатающее устройство последовательное на ба- зе СМ6301 1 2 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 > 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
246
Продолжение приложения 5
Наименование устройства Число на исполнение
1701 1701.01 1701.02 36 12 1705
Устройство внешней памяти на ма- гнитной ленте (УВПМЛ) СМ5301.09 Накопитель на магнитной ленте (НМД) CM5300.01 Устройство отображения графиче- ской информации ЭПГ CM (CM7300) Видеотерминал с программируемым форматом АЦВ CM СМ7407 Устройство комбинированное бы- стродействующее УКБ-200 Датчик включений и выключения цепи (ДВВС) Графопостроитель зависимостей Н306 Сетевой микропроцессорный адап- тер для СМ ЭВМ СМА-СМ1 Сетевой микропроцессорный адап- тер для ЕС ЭВМ СМА-2 Устройство ввода аналоговых сиг- налов в составе: УВА-1 СМ9104.02 УВА-5 CM9104.06 (128 входов) Устройство ввода—вывода дискрет- ных сигналов УВД-5 CM9104.12 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. II 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1 1 1 1 1 1 - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 - - 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Состав типовых комплексов СМ1810
Наименование устройства Шифр я о ® S я S si 3* s Число на исполнение Примеча- ние
о * О 2 S - СЧ ч- U1
Модуль централь- ного процессора (МЦП) Модуль систем- ного контроля (МСК-16) Модуль централь- ного процессора (МЦП) Модуль последо- вательного ин- терфейса (МИРПС-М) СМ 1810.2204 СМ1810.2005 CM1810.2202 СМ 1810.4106 2 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 16-раз- рядный 16-раз- рядный 8-раз- рядный 4 выхода илпс
247
Продолжение приложения 6
Наименование устройства Шифр s 5 я ж "и 3* ж
Контроллер (НГМД) Модуль опера- тивный запоми- нающий (МОЗ), 256 Кбайт СМ1810.5125 2
СМ1810.3515 1
Модуль опера- тивный запоми- нающий (М3), 1 Мбайт СМ1810.3516.03 1
Многоканальный модуль связи Д63.049.003 1
Контроллер на- копителя на гиб- ких магнитных и несменных ди- сках СМ1810.5126 2
Контроллер НГМД СМ5640
НМД типа «Вин- честер», 40 Мбайт (0 133 мм) СМ5514 -
АЦВ (ПНВ) СМ7209 —
Печатающее уст- СМ6329.02;
ройство СМ6317
Блок питания В2503.01; 2
В253.03 2
Блок приборный БПР-1, БПР-2 Блок монтажный: — —
БМ-1 —
БМ-2 — —
БМ-3 —
БМ __ —
Стойка (тумба) СМ1810.0103 —
Стойка СМ1810.0102 —
Число свободных мест — -
Максимальное число подклю- чаемых БР —
Число на исполнение Прнмеча- ине
2 S - т я- <Л
— — __ — 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 3516 — 4 Мбайт; 3516.01 — 3 Мбайт; 3616.02 — 2 Мбайт 500 Кбайт; возможна замена на СМ5639 ЕС5323 Возможна замена на ЕС5508 РО 203 Возможна замена на ВТА 2000-15 //=600 мм = 1200 мм
- - - - 2 1 1 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1
1 1 1 1 1
1
1
1 1 — 1 1 6 2 1 2 2 1
6 6 12 8 1 1 1 1
248
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Базовое программное обеспечение
Краткоз наименование Операциоааая система и программная среда Тип ЭВМ
ДИАМС-2 дос кп КОБОЛ СМ ОС РВ 3.0 РАФОС-2 РОС РВ ОС ДЕМОС ТЕДОС МОС РВ ДИАМС-3 ДОС 1810 МИКРОС-86 ДЕМОС-32 РПЛ 1600 ДОС 1800 ОС СФП ПАСКАЛЬ 1800 ОС 1800 СП «языки» СПО гп-од-см Система «САТЕЛЛИТ-2» СПО «ФОБРИН-3» СУБД БАРС СУБД МИРИС ПРОЕКТ БД ПС ДАП ПС поток ФОБ РИН-2 СПФ ДЕМОС ПС ОС РВ; ДИАМС СМ МОДУЛА-2 СУБД «БАЗИС» СПО «БАЗА СУБД СМ» СПО «БАЗА СМ-4» СУРБД СМ СПО СОРТ СУБД «БАЗИС-2» СУБД (МИКРО-СЕТОР) СПО СИММИ СУБД МИРИС СЕРВИС СМ СПО «ЗАПРОС-СМ» СУБД СМ 1800 ПП СКАТ 1800 СЕТР МИНИ; ММК СМ; ПТМГ; система интеграции неоднородных баз данных ОСРВ; РАФОС; ДОС КП ОСРВ 3.0; ОСРВ 3.1 ОС РВ; РАФОС; ДОС КП ОС РВ ОС РВ 3.0 ОС РВ 3.0 РАФОС-2 ОС РВ 3.0 ОС РВ 3.0; СУБД МИРИС ОС РВ 2.1 ДОС кп ОС РВ 2.0 ОС РВ 3.0 ОСРВ 3.0; ОС РВ3.1 ДОС АСПО; РОС АСПО ДОС АСПО ОС РВ ОС РВ 3.0 ОС РВ ДОС АСПО; РОС АСПО ОС РВ 2.0 ОС РВ 2.1 ОС РВ ОС РВ МОС РВ СМ-4; СМ1420 СМ-4 СМ-4; СМ1420 СМ-4; СМ1420; СМ1300 СМ-4; СМ1420 СМ-4; СМ 1420 СМ-4 СМ-4; СМ 1420; СМ 1600; СМ 1300 СМ 1800 СМ-4; СМ1420; СМ 1600 СМ1810 СМ1810 СМ1700 СМ 1600 СМ1800 СМ 1800 CM180G СМ 1800 СМ-4 СМ-4; СМ1600 СМ-4; СМ1420 СМ-4 СМ-4 СМ-4; СМ1420 СМ1420; СУБД МИРИС СМ-4 СМ-4; СМ1420 СМ-4 СМ1700 СМ-4; СМ1420; СМ 1600 СМ-4 СМ-1; СМ-2 СМ-1; СМ-2 СМ-4 СМ-4 СМ-4П CM-IM; СМ-2М СМ-4 СМ1300 СМ-4 СМ-4 СМ-4 СМ1800 СМ 1800 СМ ЭВМ
249
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Программные средства технологии,
автоматизации программирования и автоматизации проектирования АСУ
Краткое наименование ОС и программ- ная среда Тип ЭВМ Номер ЦФАП
ППП «УЧЕТ СМ-4» ОС РВ СМ-4; СМ1420 693
ППП «ТЕХНОЛОГИЯ см» ОС РВ 2.0 СМ ЭВМ 521
ППП «КАПРИЗ» ОС РВ 2.0 СМ-4 524
ППП «Генератор табуляграмм для СМ-3,4» ОС РВ 2.0 СМ-3,4 377
ППП «ФОНД» PC РВ 2.0 СМ-4 522
ППП АРМ-РР ОС РВ 3.0 СМ-4; СМ1420 691
СПО гп-од см ОС РВ СМ-4; СМ1600 534
ППП «СОВЕТ» ОС РВ-2 СМ-4 523
ППП «ГИПОТЕЗА» ОС РВ 2.0 СМ-4 525
ППП «КОБОЛ» СМ СМ-4 404
ППП «диполь» СМ ЭВМ 526
ППП «Генератор табуляграмм универсальный» — СМ ЭВМ 146
ППП «ТЕХТРАН-СМ» ОС РВ СМ ЭВМ 619
ППП «инкаэл-см» — СМ-4 617
ППП «Автоинтервью с—с» СМ 1800 73
ППП «Процесс—СМ 1800» СМ 1800 406
СПО «ЭКОНОМИКА» — СМ1800 512
ППП ПД — СМ 1800; СПО СМ 1800 474
ППП «Генератор табуляграмм СМ-1,2» ДОС АСПО СМ-1,2 519
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Пример детерминированного расчета
экономической эффективности внедрения АСУТП
Определим срок окупаемости затрат на создание АСУТП в производстве
изделий электронной техники. Проектные затраты на АСУТП составили Sn =
= 80 тыс. руб., капитальные вложения (стоимость оборудования системы) Soe =
= 160 тыс. руб., длительность эксплуатации системы управления (по экспертным
оценкам) Т — 7 лет (поскольку предприятие работает в две смены пять дней в не-
делю, то длительность эксплуатации системы управления Т — 29 540 ч при
среднем числе рабочих часов в год 4220 ч).
Затраты на создание системы известны, определим по формуле (8.2) затраты
на эксплуатацию системы. Предварительно по формуле (8.3) вычислим годовой
фонд заработной платы персонала, обслуживающего систему управления, учи-
тывая, что ?р = 4220, $с. з. ц = 0,7 руб., k„. n = 1,0; т' — 4 чел. (в одну смену),
S' п = 23 632 руб. ж 23,6 тыс. руб.
Чтобы упростить расчеты амортизационных отчислений и платы за фонды,
примем, что для всего оборудования системы управления амортизационные
отчисления одинаковы, т. е. aai = йа = 0,02, а плата за фонды аф = 0,06. Тогда
по формуле (8.3) получим Sa. ф = 12 800 руб. Из опыта эксплуатации системы
аналогичного назначения известно, что затраты на электроэнергию и вспомога-
тельные материалы при работе данной системы составляют 5800 руб. в год. Это
позволяет по формуле (8.2) вычислить полный объем затрат на эксплуатацию
системы SaBC = 42,2 тыс. руб. Тогда ориентировочные годовые затраты на созда-
ние и эксплуатацию системы управления, определяемые по формуле (8.1), будут
равны Z т 76,5 тыс. руб.
Учитывая, что Вв = 1-10’ шт., В'п = 1 • 10е шт., Вп~5-108 шт. заданы,
вычислим объем выпускаемой продукции после внедрения системы управления
250
по формуле (8.4): В' = 1,15-10’ шт. По формуле (8.6) найдем снижение трудовых
затрат на производстве. Учитывая, что для данного производства 5' 3 п=
= 0,53 руб., Лц ц = 1,0, тс = 12 чед. в одну смену, рассчитаем: Зс.8. п =
= 53 678 руб. fv 53,7 тыс. руб.
Определив фонд заработной платы персонала до внедрения системы (S8. п=
= 71 571 руб. » 71,6 тыс. руб.), по формуле (8.7) найдем снижение удельных
трудовых затрат на единицу продукции: AS' п =9,87-10-8 руб.
Снижение удельного расхода материалов и комплектующих изделий можно
рассчитать по формуле (8.8). Чтобы упростить расчеты в примере, примем, что
удельный расход комплектующих изделий и материалов при внедрении рассма-
триваемой АСУТП управления не изменился, т. е. AC* u — 0.
Технологический процесс в производстве построен таким образом, что он
является единым для всех выпускаемых типономиналов изделий, которые опре-
деляются после классификации. Изготовление всех типономиналов изделий по
одной технологии означает, что себестоимость всех типономиналов данного изде-
лия одинакова. Поскольку для производства, рассматриваемого в нашем примере,
для всех номиналов изделий S/ = 8-10-а руб., то далее получаем себестоимость
единицы продукции при функционировании системы управления S;=7,71X
ХЮ"8 руб. и по формуле (8.9)—снижение себестоимости изделия AS} =
= 0,29-Ю"8 руб.
Испытания системы управления показали, что при ее функционировании
изменяются не только себестоимость изделия, но и номенклатурное распределение
изделий по группам А, Б, В, Г (в % от всего объема выпускаемых изделий)
Распределение по группам................ А Б В Г
До внедрения АСУТП..................... 21,3 44,7 26,0 8,0
После > АСУТП.......................... 14,2 42,5 31,3 12,0
Цены Cto на приборы по группам установлены следующим образом: Сд0 =
= <5до = 8,0-10"8 руб., Сбо = 1,25до; Св® = 1,85до; Сго = 2,5Saq. Прибыль
от продажи приборов групп Б, В, Г составит 6,4-10-8 руб., 14,4-10-8 руб., 20,0Х
X 1(г8 руб. По формуле (8.5) определим прибыль, которую получкт производство
за один прибор после внедрения системы управления P‘t. По группе А она соста-
вит 0,29-10-8 руб., по Б — 1,89-10"8 руб., по В — 6,69-10-8 руб., по Г — 12.29Х
ХЮ”8 руб. (при неизменных ценах на приборы).
Воспользовавшись формулой (8.10), можно было бы определить прибыль,
получаемую производством от внедрения системы управления технологическим
процессом за счет изменения номенклатурного распределения выпускаемых при-
боров. Однако для этого кроме полученных данных необходимо знать еще и время
простоя системы управления в течение года во время работы технологического
оборудования.
Для нашего случая принимается /прс^р * 0,5-10-8 и в формуле (8.10) им
можно пренебречь (т. е. принять Р^р = Pj. Тогда прибыль, получаемую от
внедрения системы управления технологическим процессом, можно вычислить
по формуле (8.5). Подставляя в нее соответствующие данные, найдем годовую
прибыль от внедрения системы управления: Р' tv 140,2 тыс. руб., а по формуле
(8.11) — срок окупаемости затрат на создание системы управления TOR » 2,5 года.
ПРИЛОЖЕНИЕ 10. Пример расчета экономической
эффективности АСУТП с учетом неупорядоченности производства
На производстве имеется система управления с управляющей ЭВМ, обраба-
тывающая некоторый объем информации /0. Эксплуатационные расходы на си-
стему S3Kn = 42,2 тыс. руб. Плановый выпуск продукции за месяц уоат (Г) =
= 9,58-10® шт., а плановый выпуск за сутки боп; = 0,435-10* шт.
Определим по формуле (8.14) неупорядоченность производства, полагая, что
весовая функция для любых отклонений
б (^к): Ф [^к, Уот (0» У (0) 1-
251
Суммируя фактический выпуск продукции за все дни месяца, найдем у (Т) =
= 9,72 -10* шт. Тогда из формулы (8.19) получаем г = 0,052 н из формулы (8.20)
/?0 = 19,23.
Проектируемая система управления характеризуется следующими данными:
/н = 2/0 и SgKC. н = 2SgKC, т. е. в эксплуатацию вводится вторая АСУТП,
аналогичная уже внедренной на этом производстве.
В соответствии с методикой детерминированного расчета экономической
эффективности найдем прибыль от внедрения второй АСУТП:
р; = р- - s; „ = 86,5 тыс. руб. = gmax.
В расчете предполагается, что внедрение второй системы управления, ана-
логичной первой, уже не ведет к сокращению численности обслуживающего пер-
сонала, а также то, что вторая система устанавливается на том же технологиче-
ском процессе, что и первая, лишь с целью увеличить объем обрабатываемой
информации.
ио формуле (8.11) получаем срок окупаемости второй системы управления
Лж. н = 5,4 года.
При учете неупорядоченности производства экономическая эффективность
внедрения АСУТП в соответствии с формулой (8.20) снижается. Для второй
АСУТП получаем | = 82,0 тыс. руб., как было определено для первой, и срок
окупаемости второй системы управления будет не 5,4, а 6,03 года.
ПРИЛОЖЕНИЕ 11. Западно-европейские проекты
в области автоматизации
(прогряиадя F.URECA принята в 1987 г.)
Назначение проекта Срок разра- ботки, мес. Стоимость, мли. экю Страна, участвующие в разработке
Создание гибкого автоматизиро- ванного производства на основе использования лазерной техноло- гии для различных применений: резки, сварки, отделки, обработ- ки поверхностей и др. 72 70 Франция, Ита- лия, Швейцария
Создание автоматизированного предприятия на базе использова- ния ГПС по выпуску электрон- ных узлов, включая систему под- готовки производства и контроль качества продукции 72 30 Франция, Ита- лия, Испания
Разработка комплекса гибких производственных модулей для производства печатных плат, включая систему контроля каче- ства 48 34,5 Англия, Италия
Разработка гибкой сборочной си- стемы узлов телефонных автома- тов 28 3,8 Испания, Бель- гия, Англия
Разработка автоматизированной системы контроля качества круп- ных и сложных изделий из новых композитных материалов на базе 1 использования нейтронографии 60 15 Франция, Испа- ния, Германия
252
Продолженве арвложеввя U
Назначение проекта Срок разра- ботки» мес. Стоимость, млн. экю Страны, уч аствующие в разработке
Создание лазерного робота для раскроя тканей в поточном авто- матизированном производстве 60 20 Франция, Пор- тугалия
Разработка гибкой производствен- ной системы для выпуска узлов и деталей автомобильных двига- телей и коробок передач 48 10 Англия, Италия
Разработка системы сборки хо- лодильных компрессоров 48 22,5 Италия, Швеция
Создание экспертной системы для автоматизированного производ- ства стальных конструкций 48 11 Англия, Нидер- ланды, Франция, Италия, Финлян- дия, Дания
Разработка архитектуры ЛВС на базе СБИС для систем контроля производственных процессов 72 26,5 Финляндия, Франция, Ита- лия, Англия, Португалия
Разработка автоматизированно- го производства стиральных ма- шин 48 8 Франция, Ита- лия, Испания
ПРИЛОЖЕНИЕ 12 Агрегатные комплексы ГПС в АСУТП
Наименование комплекса Функциональные состав Области арименевня
Агрегатный комплекс анало- говых электриче- ских средств ре- гулирования на микроэлектрон- ной базе АКЭСР Регулирующие устрой- ства аналоговые и релей- ные (П, ПИ, ПИД); функ- ционал ьные п реобразова- тельные устройства; вспо- могательные устройства (питания и др.) АСУ непрерывными и полунепрерывными ТП, включающие сложные пере- крестные связи и каскад- ные схемы регулирования
Агрегатный комплекс средств контроля и регу- лирования АСКР Центральные устройства аналого-цифрового преоб- разования, программной обработки дискретной ин- формации; устройства пре- образования информации в аналоговой форме; уст- ройства уплотнения инфор- мации и ее передачи по каналам связи; УСОП; установки непрерывного избирательного контроля и позиционного регулирова- ния; многоточечной цифро- вой регистрации, центра- лизованного контроля и многоканального регули- рования Централизованный кон- троль и управление работой перекачивающих агрегатов для магистральных газопро- водов, турбо- и гидрогене- раторов, циклических тек- стильных производств, ре- гулирование термоконстант- ных помещений и др.
Агрегатный комплекс щито- вых электриче- ских средств ре- гулирования «Ка- скад-2» Регулирующие аналого- вые и релейные устрой- ства; функциональные и вспомогательные блоки Локальные и централи- зованные системы контроля и автоматизации с неболь- шим числом контролируе- мых параметров
КТС для ло- кальных инфор- мационно-упра- аляющих систем типа ЛИУС-2 Комплектные средства преобразования информа- ции, ввода и коммутации, обработки, хранения, об- мена и вывода информа- ции АСУТП нижнего уровня
Микропроцес- сорные средства диспетчеризации, автоматики, те- лемеханики (Ми- кро ДАТ) Устройства сбора, хра- нения н первичной обра- ботки технологической ин- формации; средства пря- мого цифрового регулиро- вания и цифровой коррек- ции уставок локальных регуляторов; средства ло- гико-программного управ- ления Распределенные АСУТП в металлургии, химии и неф- техимии, энергетике, маши- не- и приборостроении, а также непромышленной сфе- ры (коммунальное хозяй- ство, транспорт, контроль окружающей среды)
254
Продолжение приложения 12
Наименование комплекса Функциональный состав Области применения
Агрегатный комплекс средств сбора и обработки дис- кретной инфор- мации (АСПИ) Устройства регистрации информации, сбора, пере- дачи и первичной обработ- ки информации АСУТП и АСУОТП для сбора и формирования дис- кретной первичной инфор- мации (учет готовой продук- ции и формирование раз- личных многографных до- кументов)
Агрегатный комплекс элек- трических испол- нительных меха- низмов (АКЭИМ) Исполнительные меха- низмы однооборотные, мно- гооборотные и прямоходо- вые, построенные из уни- фицированных блоков и модулей АСУТП во всех отраслях промышленности
Агрегатный комплекс средств гидравлического контроля и регу- лирования (АСГР) Гидравлические анало- говые и дискретные эле- менты; гидравлические датчики и регуляторы; ги- дравлические поршневые исполнительные механизмы Локальные системы регу- лирования с реализацией больших перестановочных усилий в исполнительных механизмах
Агрегатный функционально- аппаратурный комплекс пнев- матических средств «Центр» Многоканальные регу- лирующие блоки, блоки обнаружения отклонений, УСОП (пульты оператора, цифровой регистрации и др.) АСУТП с числом регули- рующих параметров до не- скольких сотен, преимуще- ственно в отраслях с агрес- сивной и пожароопасной средой
Агрегатный комплекс щито- вых пневматиче- ских средств ре- гулирования Регулирующие аналого- вые и позиционные устрой- ства; функциональные и вспомогательные блоки Локальные системы кон- троля и регулирования ТП с агрессивной и пожаро- опасной средой
Агрегатный комплекс средств вычислительной техники (АСВТ-М) Устройства непрерывно- го управления и перера- ботки информации (универ- сальные и специализиро- ванные процессоры), ЗУ, УВВИ, УСОП АСУТП и АСУОТП, свя- занные с обработкой боль- шого количества информа- ции и реализацией слож- ных алгоритмов в различ- ных отраслях промышлен- ности
Агрегатный комплекс средств телемеханической техники (АСТТ) Устройства телемехани- ки: генераторы токовых импульсов, блоки переда- чи ТИ, блоки управления приемом телесигналов и телеизмерений на пунктах управления, блоки зада- ния режимов АПД «Микро» Контроль и управление протяженными объектами и объектами на значительном расстоянии во всех отраслях народного хозяйства
255
ПРИЛОЖЕНИЕ 13. Состав средств комплекса
1. Средства обработки информации и управления обшего натн«че«ия.
2. Средства обмена информацией и сопряжения УВК:
а) контроллеры связи;
б) элементы связи с аппаратурой передачи дапнил;
в) элементы преобразования сигналов;
г) элементы контроля и диагностики.
3. Средства хранения информации:
а) элементы ОЗУ;
б) элементы ППЗУ;
в) таймер интервальный.
4. Средства ввода—вывода информации общею назначения:
а) элементы ввода, вывода и коммутации сигналов постоянного тока;
б) элементы ввода и вывода частотных сигналов;
в) элементы ввода и вывода сигналов времени;
г) элементы ввода и вывода дискретных сигналов;
д) элементы ввода и вывода импульсных ст налов.
5. Средства для подключения стандартных УСОП и внешнего накопителя:
а) элементы вывода и управления цифровыми нядикаюпамн:
б) элементы сопряжения с алфавитно-цифровым дисплеем;
в) элементы вывода на матричное печатающее устройство;
г) элементы ввода—вывода перфолент;
д) элементы сопряжения с кассетным накопителем
6. Оперативно-диспетчерское оборудование:
а) модули задания цифровых и дискретных сигналов;
б) модули гальванического разделения;
в) модули цифровой индикации и сигнализации.
7. Специализированные средства программного киааядного и логического
управления:
а) элемент логико-программного управления;
б) модуль контроля и управления;
в) преобразователь логический.
8. Преобразователи унифицированных ст налов и усилители мощности:
а) преобразователь сопротивления в постоянный ток;
б) элемент преобразования дискретных сигналов;
в) усилители сигналов постоянного тока и дискретных сигналов. .
256
ПРИЛОЖЕНИЕ 14. Характеристики комплексов АСТТ
Тип комплекса I Максимальное число контролируе- 1 мых пунктов (КП) Максимальное число сигналов на КП Топология и физическая среда каналов связи Дальноеть действия
Дискретные команды j Дискретные или непрерывные команды на регуляторы или МО Телеизмерение текущих параме- тров Телеизмерение интервальных (по времени) параметров S ч 99 4> ч н
ТК-301 36 256 52 256 256 256 Радиальная, выде- ленный телефонный канал 30 км
ТМ-310 99 Всего 120 210 120 120 Линия с Я = 3 кОм и С до 0,6 мкФ
ТМ-320 96 Всего 48 - 56
ТМ-321 24 16 - 4 - 40 30 км
ТМ-120-3 128 8 8 16 3 2 Древовидная маги- страль, кабель или воздушная линия 30 км по кабелю. 70 км по воздушной линии
ТМ-120-2 30 8 - 8 - 16 Магистраль, ведом- ственный телефон- ный канал Зависит от обеспечения требований к каналам связи
ТМ-120-1М 30 16 - 16 - 48 Древовидная. ра- диальная. ведом- ственный телефон- ный канал
ТМ-130, ТМ-132 120 8 8 16 В 16 Древовидная маги- страль, ведомствен- ный или выделен- ный телефонный ка- нал 25 км по кабельной, 60 км по воздушной линии связи
ТМ-131 240 8 8 16 8 16 Ведомственный теле- графный канал 2000 км
увтк-зоо 99 Всего 120 512 240 480 Радиальная, ведом- ственный или вы- деленный телефон- ный канал Линия связи с Я = 3 кОм С — 0,6 мкФ
УВТК-501 30 256 16 256
ТМ-512 1 - - 60 - 480 Радиальная, уплот- ненный проводной или радиоканал Зависит от обеспечения требований к каналам связи
257
> ж к , я н ь X ф 3 ж о
о> Максимальное число контролируе- мых пунктов (КП)
о Дискретные команды Максимальное число сигналов на КП
1 Дискретные или непрерывные команды на регуляторы или МО
5 Телеизмерение текущих параме- тров
о Телеизмерение интервальных (по времени) параметров
W Телесигнализация
Магистральная, 40-жильный маги- стральный кабель Топология и физическая среда каналов связи
ж К Дальность действия
Продолжение приложения 14
Продолжение приложения 15
Марка « Ч 2 2 s “ л я Is? О = У Время одного оборота вала, с Рабочий угол поворота вала,° Напряжение питания при 50 Гц. В Потребляемая мощность, В- А Габаритные । размеры, мм Дополни- тельные сведения
МЭО-400/250К 400 250 90. 240 220/380 400 645X565X Х655 Управление контактное
МЭО-400/250К 1000 250 980Х670Х Х650
БИМ-2,5/120 2.5 120 120; 90; 270 127; 220 150 246X230X Х210 Управле- ние бес- контактное
БИМ-25/100 25 100 113Х374Х Х480
МЭ 0-1,6/40 1.6-10 40 90 -240 220 40 234X234X Х213 Управле- ние бес- контакт- ное или контактное
МЭО-10/ЮО 10 120 102 366X356X Х325
МЭ 0-25/40 40 110; 200 220 64 366х356X Х320
МЭО-25/250 250 300 425х455х X 455
МЭО-63/40 63 - 220 64- 585 425Х455Х Х550
МЭО-63/250
МЭО-160/Ю0 160 250 508X 520X Х500
МЭО-160/Ю0 550 508X620X X 500
МЭО-400/250 400 250 450 640X840X Х615
МЭМ-1.6 1,6 1—6,3 ie пред (104- 160)Х Х360 льных марок 220/380 электро 120 600 ТрИВОД! он рядов MS Привод запорной илк регу- лирующей арматуры К н МЭО.
МЭМ-2.5 • Приводите 2,5 я даань
ПРИЛОЖЕНИЕ 16. Характеристики ряда электроуправляемых
исполнительных органов и приводов
Марка Тип Напряжение пита- ния электромагни- | тов. В 1 Выходные характеристики Зона нечувстви- тельности Габарит- ные размеры, мм Дополни- тельные сведения
Давление (кгс/см’) или кру- тящий момент (кгс- м) Время переме- щения (с) или переме- щение (мм)
АГП-1 Электро- гидравли- ческий привод • 48 115 кгс-ы 10 с (полный ход поршня) 0.5 нА Потребляе- мая мощность 650 В-А (380/220 В. 50 Гц)
259
Продолжение приложения 16
fiapjta Тип Напряжение пита- ния электромагни- тов. В Выходные характеристики Зона нечувстви- тельности Габарит- ные размеры. Дополни- тельные сведения
Давление (кгс/см*) или кру- тящий момент (кгс- м) Время переме- щения (с) или переме- щение (мм)
аРК-1 i;il3 J Электро- гидравли- ческий клапан 48 40 кгс/см* 150 мм 0,5 мА — Потребляе- мая мощность 650 В А (380/220 В, 50 Гц)
Электро- управляе- мый пнев- мопривод ~~ 550 кгс/см* 0—100 мм; 0—500 мм - 425Х X 275Х Х212; 825 X X 275Х Х212 Два концевых микропере- ключателя, реохорд положения поршня
Р-50 КЭ2 Электро- управляе- мое пнев- мореле 36, 127, 220 (50 Гц) 4 кгс/см* (давле- ние воз- духа) - 142Х X 66x45 Трехходовое
Клапан электро- магнитный 12. 24, 36 (50 Гц) 2 кгс/см* (давле- ние воз- духа) 220Х X 150x55
ВР • Клапан электро- пневматн- ческий 127 (50 Гц) 6 кгс/см* (давле- ние воз- духа) 392 X Х232Х X 133 Четырех- ходовый
БВ64 • Воздухе- распреде- литель 127, 220, 380 (50 Гц) 95Х322Х X 130
В64 » - Трехходо- вый
• Данные приводятся по предельным вначением механизмов.
ПРИЛОЖЕНИЕ 17. Некоторые типы шаговых электродвигателей
Тип двигателя Частота приеми- стости. Гц’ Шаг. ° Номи- нальный момент, кга* ем* Электри- ческие потери. Вт * Ток в j>aBe, Напряжение питания. В
1. Низкочастотные, трехфазные
Ш ДА-3-1 500 15 0,01 8,5 0,325 27
Ш ДА-3-2 450 15 0,04 13,5 0,5 27
ШД-75/300 300 3 0,075 14 0,3 24
Ш ДА-3-3 350 15 0,1 17,5 0,65 27
ШД-ЗОО/ЗОО 300 3 0,3 36,0 0,75 24
Ш ДА-3-4 150 15 0,4 27,0 1.0 27
Ш ДА-3-5 150 15 0,6 34,0 1,45 27
260
Продол жени* приложения 17
Тип двигателя Частота приеми- стости, Гц » Шаг,® Номи- нальный момент, кгс- см* Электри- ческие потерн, Вт • Ток в ^аэе. Напряжение питания, В
ШДА-3-6 100 15 1,0 50,0 1,95 27
ШД-2 200 6 3,0 200,0 8.3 12
2. Высокоч астотные, трехфаэные
ШД-5 1200 1,5 0,5 108 2,0 V
ШД-4Б 800 3,0 2,0 140 2,6 g
ШД-4 800 1.5 2.5 140 2.6 27
3. Низкочастотные, четырехфазные
ДШ-0.025А 450 22,5 0,025 24 0,45 27
ШДА-1ФК 200 22,5 0,03 9 0,165 28
ДШ-0.04А 350 22,5 0,04 20 0,35 27
ШДА-1 210 22,5 0,04 9 0,165 28
ШДА-1А 210 22,5 0,04 9 0,325 14
ШДА-2ФК 140 22,5 0,08 12 0,215 28
ШДА-2А 150 22,5 0,1 12 0,44 14
ШДА-ЗФ 120 22,5 0,2 20 0,37 28
ШДА-3 130 22,5 0,25 20 0,37 28
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
I. Абилов А. Г., Джафаров Г. Д., Юснфов Р. Ю. Синтез инвариантные си-
стем автоматического управления процессом термического крекингаУУТеорня
инвариантности, теория чувствительности и их применение: Тез. докл. VII Все-
союз. совещания. — М.: Наука, 1987.— 172 с.
2. Автоматические приборы, регуляторы и управляющие машины: Справ.
пособие/Под ред. Б. Д. Кошар ск ого, — 2-е изд. — Л.; Машиностроение.
1968.—880 с.
3. 'Агейкин Д. И., Костина Е. Н., Кузнецова Н. Н. Датчики контроля и
регулирования. — М.: Машиностроение, 1965.-928 с.
4. Адамов Е. О., Иванов В. Г., Лягувов М. М. Аппаратные средства си-
стемы КАПРИ//Микропроцессориые средства и системы. — 1987. — № 2. —
С. 22—24.
5. Алиев Р. А. Промышленные инвариантные системы автоматического
управления. — М.: Энергия, 1971,—112 с.
6. Алиев Р. А. Принцип инвариантности и его применение дли проектиро-
вании промышленных систем управления. — М.: Энергоатомиэдат, 1985.—
7, Алиев Т. М., Тер-Хачатуров А. А. Основы проектирования инвариантных
систем с применением микроЭВМУ/Теория инвариантности, теория чувствитель-
ности и нх применение. Tea. докл. VI Всесок». совещания. — М.: Наука, 1982.—
С. 194—195. •
8. Антонюк Б. Д. О западно-европейских программах и области инфор-
матнни/УМнкропроцессорные средства и системы. — 1988. — № 3. — С. 3—15.
9. Аралбаеаа Г. Г., Сарычев А. П. Прогнозирование анодного эффекта
в алюминиевых электролизерах по спектральным характеристикам иа основе
МГУАУ/Автоматика. — 1987. — № 6. — С. 38—44.
10. Атрощенко В. В., Брусиловский П. А., Фридман А. Н. Коллектив моде-
лей для идентификации сложных технологических объектов уиравления//Авто-
матнка. — 1987. — № 4. — С. 14—20.
И. Берглунд Н. Проверка кристаллов, плат и системы в целом методом
сквозного сдвигового регистра/УЭлектроннна. — 1979. — № 6. — С. 35—40.
12. Болтянский В. Г. Математические методы оптимального управления. —
М.; Наука, 1971.-408 с.
13. Бойчук Л. М., Ивахвевко Н. А., Путятин В. Г. Определение оптималь-
ных весов измерений для цифрового прогнозирующего фильтраУ/Автоматика, —
1984. — № 16. — С. 459-462.
14. ВрискЕц А. 3., МкцнкС. И., Шкуркив Ю. П. Профессиональное авто-
матизированное рабочее место в управлении ироизводством/УЭлектронная тех-
ника. — 1985. — Выи. 4. — С. 39—42. — (Сер. 9. Экономика и системы управ*
ления).
15. Брискяя А. 3., Шкуркян Ю. П. Принципы построения системы оператив-
ного управления гибким автоматизированным пронзводствомУУЭлектрониая тех-
нике. — 1984. — Выи. 3. — С. 20—24. — (Сер. 9. Экономика и системы управ-
ления).
16. Вальков В. М. Автоматизация управления производством изделий элек-
троники. — М.: Радио и связь, 1982.-222 с.
17. Вальков В. М. Контроль в ГАП. — Л.: Машиностроение, 1986. — 232 с.
18. Вальков В. Микроэлектронные управляющие вычислительные ком-
плексы: системное проектирование и конструирование. — Л.: Машиностроение,
1990. —224 с.
19. Вальков В. М., Вершив В. Е. Автоматизированные системы управления
технологическими процессами. — 2-е изд., иерераб. н дои. — Л.: Машинострое-
ние, 1977. — 240 с.
20. Вальков В. ГЛ., Колесов В. Н. Организация автоматического взаимодей-
ствия между ЦВМ в иерархических АСУ//УС и М. — 1974. — №6. — С. 78—83.
262
21. Вальков В. М., Колесов В. Н., РождественскиМ. г. Результаты раз-
работки локальной информационно-справочной системы для АСОУУ/УС и М. —
1977.— № 4.—С. 128—134.
22. Вальков В. М., Никаноров Р. А. Вопросы стандартизации математиче-
ского обеспечения АСУТПУ/Электроиная промышленность. — 1975. — Выл. 12.—
С. 27—29.
23. Веиецкий И. Г., Веиецкан В. И. Основные математико-статистические
понятия и формулы в экономическом анализе: Справочник. — 2-е изд. — ?А.:
Статистика, 1979. — 448 с.
24. Веиецкий И. В., Кильдишов С. Г. Основы математической статистики. —
М.: Госстатиздат, 1963. — 308 с.
25. Вершин В. Е. Аналитическое определение состава задач подсистемы
АСУП/УЭлектронная текинка. — 1972. — Выл. 4. — С. 66—73. — (Сер. 9. АСУ).
26. Вершин В. Е., Набиев Я. Н. Построение моделей экономических систем
иа основе использования соотношений энергетического балаисаУУЭлектроиная
техника. — Выл. 2.— С. 57—61. — (Сер. 9. АСУ).
27. Ганькин А. Л., Исаков А. В., Соловьев Г. Н. ЭВМ с сокращенными на-
борами хомандУУЗарубежная радиоэлектроника. — 1988. — № 10. — С. 37—52.
26. Горбачев В. С. Микропроцессорные системы управления промышлен-
ными роботами//Михропроцессориые средства и системы. — 1987. — № 2. —
С. 30—37.
29. Давиденко К* Я. Технология многоуровневого автоматизированного
проектирования программного обеспечения АСУТПУ/УС и М. — 1986. — № 3.—
30. Данилов В. В., Колесов Н. В. Обеспечение отказоустойчивы® цифровые
систем гибких автоматических проиэводств/УЭлектронная техника. — 1984. —
Вып- 3. — С. 33—37. — (Сер. 8. Управление качеством, стандартизация, метро-
логия, испытания).
31. Данилюк В. В., Кузнецов Б. И. Анализ инвариантных структур систем
стабилизации ирокаткиУУТеория инвариантности, теория чувствительности и ив
применение: Тез. докл. VI Всесоюз. совещания. — М.: Наука, 1982. — С. 198—
32. Демин В. А., Митяшии И. П., Пантелеев А. В. Проблемы и пути созда-
ния систем управления гибкими сборочными модулямщупроблемы создания
гибких автоматизированных производств. — М.: Наука, 1987. — С. 120—126.
33. Дихенко К. И. Микропроцессорный комплекс технических средств (Ми-
кроДАТ) дли АСУТП. Состояние и перспективы развитияУУПриборы н системы
управления. — 1986. — № 2. —С. 14—17.
34. Длин А. М. Математическая статистика в технике. — М.: Фнзматгпо,
1958. —466 с.
35. Жабеев В. П., Карпенко В. А., Кротевич В. А. Цифровой регулятор не
базе микропроцессора К580ИК80//Прнборы и системы управления. — 1986. —
86. Зайцев Н. Г. Принципы информационного обеспечения в система® перс=
работки информации и управления. — Киев: Наук, думка, 1976. — 182 Со
37. Зиганшин Г. 3. Синтез инвариантных АСУТПУ/Теория ииварналтноагаэ
теория чувствительности и их применение: Тез докл. VI Всесоюз. совещания. —
М.: Наука, 1982. —С. 213—214.
38. Ивахиевко А. Г. О выборе множества выходных переменных и примеие-
инн МГУА для пассивного и активного планирования эксперимента/УАвтома-
тика. — 1986. — № 1. — С. 92—94.
39. Ивахиенко А. Г., Мюллер И. А. Семоорганизация прогнозирующее
моделей.— Киев; Техн1ка, 1985. — 221 с.
40. ’ Ивахиеико А. Г., Юрачковский Ю. II. Моделирование сложных систем
по экспериментальным данным. — М.: Радио и связь, 1987. — 187 с.
41. Ильин В. П., Лястнов М. М. Аппаратура дистанционного контроля н
управления станками с УЧПУ//Микропроцессорные средства н системы. —
1987. — № 2.—С. 41—42.
42. Интегрированная АСУ кислородно-конвертерным цехом Днепропетров-
ского металлургического комбината/В. А. Карлик, В. Ф. Лебедкин,
яез
В. И. Шапиро н др.//Приборы и системы управления. — 1988. — № 2. —
С. 1—3.
43. Казмеико С. В. Взаимодействие конечного пользователя с базами дан-
ных на основе форматно-табличного иодходя//УС и М. — 1988. — № 2. —
С. 67—71.
44. Клюев А. С.. Глазов Б. В., Дубровский А. X. Проектирование систем
автоматизации технологических процессов: Справ. пособна/Под ред. А. С. К л юе-
ва. — М.: Энергия, 1980.—512 с.
45. Колпакоза Н. П. К теории систем с несколькими регулируемыми коор-
динатами//Теория инвариантности в системах автоматического управления
Тр. II Всесоюз. совещания.—М.: Наука, 1964. — С. 144—154.
46. Котов Р. Т. Лингвистические аспекты автоматизированных систем управ-
ления.— М.: Наука, 1977.— 166 с.
47. Коуден Д. Д. Статистические методы контроля качества: Пер. с англ. —
М.: Фиэматгиз, 1961. — 623 с.
48. Крылов В. П., Славинский 3. М. Совмещенные системы технического
зрения — путь к развитию гибких автоматизированных проиэводств//Проблемы
создания гибких автоматизированных производств. — М.: Наука, 1987.—
С. 177—180.
49. Кузьмин Н. Н., Николаев А. Б., Храмов Л. Б. Синтез инвариантных
систем управления ГАП//Теория инвариантности, чувствительности и их приме-
нение: Тез. дркл. VU Всесоюз. совещания. — И.: Наука. 1987. — С. 167—168.
50. Кулик В. Т. Алгоритмизация объектов управления: Справочник. —
Киев: Наук, думка, 1968. — 323 с.
51. Кухтевко А. И. Основные этапы формирования инвариантности. — Ч. 1:
Основополагающие работы//Автоматияа. — 1984. — № 2. — С. 3—13.
52. Кухтенко А. И. Основные этапы формирования теории инвариантности.—
Ч. 2; Расширение тематики исследований//Автоматика.— 1985. — № 2,—
С. 3-14.
53. Кухтевко А. И. Основные этапы формирования теории инвариантно-
сти.— Ч. 3: Нелинейные инвариантные системы//Автоматика.— 1985.—
№ 6. — С. 3-14.
54. Кучер В. Я«, Лазарев Н. М. Определение оптимального уровня допусти-
мой доли дефектной продукция//Прнборы я системы управления. — 1985. —
№ 6. — С. 38—39.
55. Левин А. А., Вальденберг Ю. С., Барышников И. В. Классификация
автоматизированных систем управления технологическими процессами и произ-
водствами//Приборы и системы управления.— 1970. — № 4.—С. 10—11.
56. Лескив А. А., Пономарев В. М., Спиридонов А. М. Гибкие автоматические
производства. Спецификация внешних требований при проектировании систем
управления.— Л., 1986.— 24 с. — (Препринт ЛИИАН № 15).
57. Лысенко Э. В. Проектирование автоматизированных систем управления
технологическими процессами.—М.: Радио и связь, 1987. — 272 с.
58. Математическая модель системы управления автоматическим микросва-
рочиым комплексом/А. О. Ваганов, 3. М. Славинский, М. А. Фе-
доткин и др.//Проблемы создания гибких автоматизированных производств.—
М.; Наука, 1987. G. 126—137.
59. Мартив Дж. Организация баз данных в вычислительных системах: Пер.
с англ. — М.: Мир, 1987.— 616 с.
50. Менский Б. М. Принцип инвариантности в автоматическом регулирова-
нии и управлении. — М.: Машиностроение, 1972. — 247 с.
61. Месарович Д. Применение теории многоуровневых систем в управлении
процессами//Труды института инженеров ио электротехнике и радиоэлектронике
(иер. с англ.). — 1970. — Т. 58. — № 1. — С. 122—135.
62. Методы и средства фильтрации периодических помех в АСУТП, связан-
ные с формированием материальных иотоков/Р. Т. Ф р а я к о. М. С. Фель-
зер, И. Д. Стецюк и Др.//Управляющие системы и машины.— 1984. —
№5.-С. 114—117.
63. Микропроцессор для регулировки прокатного стана//Электроника (пер.
с англ.).— 1975. — № 6. — С. 21—22.
264
84. Микропроцессорная система ГРАСмикро для построения распределен-
ных АСУТП/К. Б. Пальчик, Я. А. Ха а у хае в, В. В. Алешечкин
и др.//Приборы и системы управления. — I960. — № 7. — С. 2—3.
65. Микропроцессорнан система управления технологическим процессом
селенирования электрографических цилиндров/В. В. Терентьев, С. Л. X а-
чатуров, К. Б. Пальчик и др.//Приборы и системы управления. —
1986.— Ns 2.— С. 3—5.
86. Микропроцессорные инвариантные корреляционно-экстремальные си*
стемы/Т. А. Алиев, Т. А. Бадалов, Н. Ф. Мусаева и др.//Теория
инвариантности, теория чувствительности и их ирнменевие: Тез. докл. VII Все*
союз, совещания. — М.: Наука, 1937.— С. 152—153.
67. Микроэлектронные цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразова-
тели информации/под ред. В. Б. Смолова.—Л.: Энергия, 1976. — 336с.
58. Митропольские А. К. Техника статистических вычислений. — 2-е изд.—
М.: Наука, 1971. —576 с.
69. Моисеев В. С. Системное проектирование преобразователей информа-
ции.—Л.: Машиностроение, 1982. — 255 с.
70. Мисников В. А., Вальков В. М., Омельченко И. С. Автоматизированные
и автоматические системы управления технологическими процессами. — М.:
Машиностроение, 1978. — 232 с.
71. Налимов В. В. Теория эксперимента. — М.: Наука, 1971. —207 с.
72. Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистические методы планирования
экстремальных экспериментов. — М..* Наука, 1965. — 340 с.
73. Оиаря М., Мароока Я., Ямамото Я. Опыт создания системы управления
с вычислительной машиной иа полосовом стане горячей прохатки/уТруды ин-
ститута инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (пер. с англ.). —
1970.— Т. 53. — № 1. —С. 35—43.
74. Организация межмашинных обменов в распределенном вычислительном
комплексе реального времени/А. А. М о р о з о в, В. И. В ь ю н, А. Ф. 3 у б е ц
и др.//УС и М. — 1985. — № 3. — С. 51—54.
75. Павлов В. В. Инвариантность и автономность нелинейных систем управ-
ления.— Киев: Наук, думка, 1971. — 271 с.
76. Пайк Г. Математическое обеспечение в системах управления производ-
ственными ироцессамн//Труды института инженеров по электротехнике х радио-
электронике (иер. с англ.) — 1970. — Т. 58 — № I. — С. 95—106.
77. Петров Б. Н., Рутковский В. Ю. Двухконтурная инвариантность систем
автоматического управлеихя//ДАН ООСР.— 1965. — Т. 161. — № 4.—
С. 789—791.
78. Прангмшвилн И. В., Подлазов В. С., Стецюра Г. Г. Локальные микронро-
цессорные вычислительные сети. — М.: Наука, 1984.— 176 с.
79. Применение микропроцессоров для контроля моментов, создаваемых
автоматическими ключами//Электроника (пер. с англ.). — 1974. — № 12.—
С. 15—17.
80. Принципы организации инструментальных средств автоматизации при-
кладного программирования для персональных ЭВМ/Ю. С. Яковлев,
Б. В. Н о в и к о в, Ю. М. Ш т е р н к др,//У С и М. — 1988. - М2. — С. 3—8.
81. Программное управление станками н промышленными роботами: Учебник
для СПТУ/В. Л. Косовский, Ю. Г. Козырев, А. Н. К о в ш о в и др. —
М.: Высш, шк., 1986. — 287 с.
82. Развитие гибких автоматизированных производственных систем/Л. В о-
дачек, Б. Дудников, В. Калачев и др./Состояние и развитие гиб-
ких автоматизированных производственных систем. — М., 1986. — С. 7—22.
83. Распределенные системы управления технологическим оборудованием
и гибкими автоматизированными линиямн/М. Н. Кузнецов, Ю. Н. Г ро-
мов, Ю. В. Кумачев и др.//Микропроцессорные средства и системы.—
1987. —№ 2. —С. 24—30.
84. Розенблат Р. Роботы становятся к сборочным линиям//Электроника
(пер. с англ.).— 1973. — № 15.—С. 27—45.
85. Система малых электронных вычислительных машин (СМ ЭВМ): Каталог
по вычислительным комплексам, техническим средствам, программному обеспе-
265
чению и сопровождению. — М.: Международный центр научной н технической
информации, Институт электронных управляющих машин, 1987. — 104 с.
86, Соловей В. И., РЛвкалевич С. Б., Простаков А. М. Программная реали-
зация связного монитора процессов производственной вычислительной сети//УС
и М. — 1988. — № 6. — С. 112—116.
87. Стешеяио В. С. Алгоритмы МГУА как основа автоматизации процесса
моделирования по экспериментальным данвымУ/Автоматика. — 1988. — №4. —
С. 44—55.
88. Стеиашко В. С., Юрачковский Ю. П. Современное состояние метода
группового учета аргумеитов//Автоматика. — 1986. — № 4. — С. 36—44.
89. Струткнсаий А. Н. Система управления гальваническим производством//
Управляющие машины и системы. — Киев: УкрНИТИ, 1970. — 82 с.
90. Тимофеев Б. Б., Зайцев В. Г. Особенности индустриальной технологии
разработки программного обеспечения АСУТП//УС и М. — 1986. — № 4. —
91. ТрайезяыЕюв В. А. Автоматическое управление и экономика//Автоматика
и телемеханика.— 1966. — № 1. — С. 5—22.
92. Уэнсли Д. %. Высоконадежная система с тройным резервированием для
управления технологичесиими ироцессами//Электроиика (пер. с англ.). — 1983.—
№ 2. — С. 32—39.
93. Фарберов И. Б., Крылоа Г. В. Оптимизация процесса сортировки дета*
лей я сборочных единиц одного типоразмера//Приборы и системы управления. —
1985. — fe 9. —С. 11—12.
94. Федорпюв Б. Г., Телец В. А., Дегтяренко В. П. Мккроэлектроиные циф-
роаналоговые и аналого-цифровые преобразователи. — М.: Радио и связь, 1984.—
120 с.
95. Федоров В. В. Математическая теория планирования эксперимента. —
М.: Наука, 1982. — 312 с.
96. Фивегер Г. Эффективность атоматизации производства//3арубежная
радиоэлектронииа. — 1989. — № 3. — С. 33—38.
97. Флейшер Е. Г. Организация межпроцессорного обмена в УЧПУ с под-
чиненными коитроллерами/Микропроцессорные средства и системы. — 1987. —
Хе 2.—С. 43—48.
98. Фурман И. А., Никоиов А. И. Математическая модель и принципы
структурной организации параллельных логических коитроллеров//УС и М. —
1936. - № 4. — С. 47—53.
99. Хикс А. Использование вычислительных машин для управления произ-
водственными процессами в химической промышленности//Труды института
инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (пер. с англ.).— 1970.—
Т. 58. —№ 1. —С. 7—13.
100. Хрипии Л. Н., Лысков В. П., Медведев О. Е. Оптимизация операции
формирования толстопленочных резисторов//Приборы и системы управления.—
1988. — С. 35—33.
101. Чокетт П., Нотой А., Уотсон К. Дистанционное управление производ-
ственным процессом с использованием ЭВМ//Труды института инженеров ио
электротехнике и радиоэлектронике (пер. с англ.). — 1970. — Т. 58. — № L —
С. 13—20.
102. Шеккер Д. Автоматизированные системы подготовки программ для
контроллеров производственных процессов//Электроника (пер. с англ.).— 1988.
№ 9. — С. 13—14.
103. Шеффлер Д., Темпль Р. Язык, работающий в реальном времени, для
управления производственными процессамц//Труды института инженеров ио
электротехнике и радиоэлектронике (пер. с англ.) — 1970. — Т. 58. — № I. —
С. 106—121.
104. Шлгогаев В. В. Применение управляющих электронных мапши типа
УМ1-НХ в системах автоматизации и управления технологическими процессами
при производстве элементов электронной техники//Электроииая техника. —
1969. — Выл. 3. — С. 56—62.
105. Юрачковсций Ю. П. Методы самоорганизации модели в случае актив-
ного эксперимента//Автоматика.— 1988. — № I. — С. 94.
266
106. Эиштебв В. Л., Сеннчкп В. И. Языковые ередства архитектора АСУ.—
М.: Энергия, 1979. — 136 с.
107. Artly 1. W. Automated visual Inspection systems can boost quality con-
trol affordably//Iudustrial Eng.— 1982.— N 12. — P. 28—30, 32.
108. Bailey S. J. Process — embedded decision booms in distributed con-
trol//Control Eng. — 1988. — N 13. — P. 80-88.
109. Bates D. O. PROSPRO/1800//1EEE Trans. Ind. Electron and Control
instrum. — 1968 (1969). —N 2. —P. 70-75.
110. Beadle R. O. Reduction of electrical noise in compute* and control Instal-
lations In steel mills//IEEE Trans. Ind. and Gen. Appl. — 1967. — Mar/Apr.—
P. 79-89.
111. Carmon A. Considerations In the application of self-tuning PID controllers
using EXACT — tuning algorlthm//Measurement and Control. — 1986. — Vol. 19.—
N 9. — P. 260—266.
112. Cheshire K. Expert systems aid temperature unit mlftuning/ZContr. and
Instrum.—1986. —Vol. 48. —N 12.—P. 42—43.
113. Lawrence C. Computers run the factoryZ/Electronics Week. — 1985.—
March 25. — P. 55-60.
114. Neuman E. W., Riley R. Protecting the computer in a process envlro-
menV/Control Eng. — 1970. — N 9. — P. 7^-75.
115. Opic R. The production of selftuning controllers/ZContr. and Instrum. —
1987. —N 7. —P. 49, 51.
116. Shyamsunder C. R., Mosoder P. К.» Stariwas Q. J. Statistical control
of VLST fabrication processles: a software system//lEEE Trans, on semiconductor
manufacturing. —1988. — N 2. — P. 72-412.
117. Weber D. M. Bigger bag of technology sharpens machine vlsionZ/Electro-
nics. — 1985. — Sept. 2. —P. 41—45.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.......................................................... 3
Глава I. Общая характеристика автоматизированных систем управ-
ления технологическими процессами.................................... 5
1.1. Система технологический процесс—АСУТП............... —
1.2. Классификация АСУТП ................................ II
1.3. Основные системные показатели .................. 15
Глава 2. Принципы построения АСУТП............................... 17
2.1. Основные принципы устранения действия возмущений
иа объект управления..................................... —
2,2. Системы логико-программного управления............ 26
2.3. Системы оптимального управления................... 34
2.4. Системы комплексного (организационно-технологиче-
ского) управления....................................... 44
Глава 3. Системный анализ технологических объектов управления 51
3.1. Информационное обследование и описание техноло-
гических объектов управления............................. —
3.2. Анализ качества функционирования технологических
объектов управления............................... 57
3.3. Анализ управляемости технологических объектов уп-
равлении ............................................... 63
3.4. Совершенствование структуры технологических про-
цессов с целью повысить их управляемость и качество 70
Глава 4. Математическое обеспечение проектирования АСУТП... 77
4.1. Алгоритмизация технологических процессов и мате-
матическое обеспечение............................. —
4.2. Методы построения математических моделей техноло-
гических процессов ..................................... 79
4.3. Методы оценки и оптимизации состояния объекта уп-
равления ............................................... 96
4.4. Унифицированные структурные модели технологиче-
ской операции и системы управлении к пей........ 103
Глава 5. Обеспечение АСУТП (АСУОТП)................................ Ill
5.1. Виды обеспечения АСУТП.............................. —
5.2. Аппаратные средства (техническое обеспечение).... 113
5.3. Программное обеспечение........................... 129
5.4. Информационное обеспечение........................ 137
5.5. Лингвистическое обеспечение....................... 143
Г л а в а 6. Особенности построевня АСУТП н АСУОТП в ГПС.... 151
6.1. Некоторые особенности проектирования АСУ ГПС
6.2. СЧПУ оборудованием и АСУ промышленных роботов —
АСУТП ннжвего уровня.................................. |59
6.3. Автоматизация контроля и диагностирования в ГПС 167
6.4. Иерархические УВК в АСУОТП и ГАП.................. 178
Глава 7. Проектирование и внедрение АСУТП (АСУОТП)................. 181
7.1. Основные этапы и исполнители разработок АСУТП ~
7.2. Аналитическое определение состава задач организа-
ционного управления в АСУОТП.......................... 186
7.3. Аналитическое определение состава информационных
массивов АСУ организационными процессами на тех-
нологической оиерации................................. 195
7.4. Принципы аналитического построения подсистем опе-
ративного учета....................................... 202
7.5. Применение аналого-цифровых комплексов для моде-
лирования систем технологический процесс—АСУТП 206
268
7.6. Выбо^ архитектуры я комплекса технических среаста
7.7. Обеспечение внедрения АСУТП на промышленных
предприятиях ......................................
Глава 8. Экономическая эффективность применения систем управле-
ния технологическими процессами.......................
8.1. Системный анализ эффективности автоматизации тех-
нологических процессов ...............................
8.2. Основные источники экономической эффективности
АСУТП.................................................
8.3. Основные затраты иа создание и эксплуатацию системы
управления......................................
8.4. Методам детерминированного расчета экономической
эффективности.........................................
8.5. Метод расчета экономической эффективности с учетом
неупорядоченности производства ..................
1. Характеристики отечественных одноплатных микроЭВМ
2. Основные карактериствки отечественных БИС-АЦП
3. Характеристики некоторых серийно выпускаемых пре-
образователей (датчиков)............................
4. Состав УВКС иа базе CMI420.0I...................
5. Состаи типовых УВК на базе СМ 1300 .............
6. Состав типовых комплексов CMI8I0................
7. Базовое программное обеспечение.................
8. Программные сродства технологии, автоматизации иро
граммировання н автоматнаанви проектировании АСУ
9. Пример детерминированного расчета экономической
эффективности внедрении АСУТП.......................
10. Гфимер расчета экономической эффективности АСУТП
Заключение
Приложение
Приложение
Пр вложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
с учетом неупорядоченности производства.........
Приложение 11. Западноевропейские проекты в области автоматизации
(программа EURECA принята в 1987 г.)............................
Приложение 12. Агрегатные комплексы ГПС в АСУТП.................
Приложение 13. Состав средств комплекса МякроДАТ................
Приложение 14. Характеристики комплексов АСТТ...................
Приложение 15. Характеристики ряда электроприводов..............
Приложение 16. Характеристики ряда электроуправляемых исполни-
тельных механизмов .............................................
Приложение 17. Характеристики ряда шаговых двигателей (исполни
тельных органов)................................................
714
222
223
230
232
236
238
239
241
245
246
247
249
280
251
252
254
255
257
250
?!П
250
262
Список литературы...............................................