Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ
1.1 CALS-технологии и актуальность создания интегрированной информационной среды предприятия 11
1.2 Методологические основы создания интегрированных информационных систем 13
1.2.1 Нисходящее блочно-иерархическое проектирование ИИС 14
1.2.2 Технологии реинжиниринга и параллельного проектирования 17
1.2.3 Отечественное представление об интегрированной информационной среде предприятия 21
1.3 Производственный процесс получения мономера изопрена как основа создания интегрированной информационной среды ЗАО «Каучук» 25
1.4 Специфические особенности нефтехимического производства 32
1.5 Выводы. Цели и задачи исследования 33
ГЛАВА 2. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
2.1 Информационное представление нефтехимического производства как химико-технологической системы 35
2.1.1 Типовые технологические операторы и элементы ХТС 37
2.1.2 Типовые технологические операторы и структура нефтехимического производства 40
2.2 Способы информационного описания химико-технологических систем и их элементов 43
2.2.1 Информационное описание элементов на (і-м) уровне иерархии ....43
2.2.2 Информационное описание элементов на (і+1)-м уровне иерархии.46
2.3 Аналитическое описание химико-технологических систем 48
2.4 Нормативное обеспечение информационного описания нефтехимического производства 64
2.5 Проблемы формализованного представления информационного пространства нефтехимического производства 68
ВЫВОДЫ 71
ГЛАВА 3 РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ
3.1 Представление графических моделей в информационной системе 72
3.2 Методика преобразования технологической схемы в графические модели 75
3.3 Преобразование технологической схемы получения мономера-изопрена в графическую модель 78
ВЫВОДЫ 95
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА БАЗЫ ЗНАНИЙ ПРОИЗВОДСТВА
4.1 Базы данных 97
4.1.1 Методология построения баз данных .97
4.1.2 Модели данных в информационных системах 99
4.2 Интерактивный поиск информации 108
4.3 Разработка экспертной системы -. 112
4.3.1 Задача экспертной системы 112
. 4.3.2 Оболочка экспертной системы CLIPS 113
4.3.3 Разработка экспертной системы 114
ВЫВОДЫ 118
ГЛАВА 5 ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА МОНОМЕРА КАУЧУКА
5.1 Структура информационной системы 119
5.1.1 Структурная схема элементов программы 121
5.1.2 Навигационная система 125
5.1.3 Создание справочной системы программы 127
5.1.4 Организация поиска в структуре базы данных 129
5.2 Принципы функционирования информационной системы 129
ВЫВОДЫ 145
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 146
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 148
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Сведения об апробации результатов. Акты внедрения
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Графические модели производства мономера изопрена каучука
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Экранные формы электронной информационной системы
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Листинг экспертной системы
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Листинг /фрагменты/ информационной системы
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Организация поиска в структуре базы данных
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Этапы создания навигационного меню
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Экспертные системы. Интерфейс CLIPS. Программирование в CLIPS
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Расчет экономической эффективности
- CALS-технологии и актуальность создания интегрированной информационной среды предприятия
- Информационное представление нефтехимического производства как химико-технологической системы
- Представление графических моделей в информационной системе
- Базы данных
- Структура информационной системы
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие автоматизации проектирования и управления производством происходит в направлении интеграции автоматизированных систем, используемых на различных этапах жизненного цикла промышленных изделий. Эта тенденция оформилась в совокупность моделей, методов, программного обеспечения, международных и национальных стандартов, получившую название CALS- технологий. Базовой концепцией стала идея информационной интеграции стадий жизненного цикла продукции, состоящая в отказе от «бумажной среды» и переходе к интегрированной информационной среде. Информационная интеграция заключается в том, что все автоматизированные системы, применяемые на различных стадиях жизненного цикла, оперируют не с традиционными документами и даже не с их электронными отображениями, а с формализованными информационными моделями, описывающими технологию производства и использование изделий.
Интегрированная информационная среда представляет собой совокупность распределенных баз данных, в которой действуют единые, стандартные правила хранения, обновления, поиска и передачи информации.
Революционность подхода состоит в том, что многие поколения инженеров воспитаны на культуре, базирующейся на сотнях стандартов ЕСКД и ЕСТД, детально регламентирующих ведение дел с использованием бумажной документации. С появлением CALS открываются следующие возможности: появляются принципиально новые средства инженерного труда; изменяется организация и технология инженерных работ; перерабатывается и частично дополняется нормативная база; -сокращается трудоемкость процессов технической подготовки и освоения производства.
По определению, приведенному в стандарте ISO 9004-1, жизненный цикл продукции - это совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции, до момента удовлетворе- ния этих потребностей и утилизации продукции.
Объектом создания CALS и информационной интеграции служит иерархическое производство. При этом перспективным в рамках развития CALS -технологий представляется интеграция существующих АСУТП на основе создания единой информационной среды нефтехимического производства. Особенностями АСУТП потенциально-опасных химических производств является то, что они характеризуются наличием большого количества нештатных ситуаций, неформализуемостью целей и эволюционным характером управления; многообразием аппаратурно-технологического управления, способов получения информации, постов управления, физико-химических явлений, информационной и психологической перегрузкой производственного персонала.
Современные автоматизированные управляющие комплексы химико-технологическими процессами (АУК) представляют собой сложные иерархические человеко-машинные системы, поэтому их дальнейшее развитие связано с усовершенствованием всех компонентов системы, в том числе повышением квалификации производственного персонала, выполняющего одну из важнейших функций в системе управления - принятие решений.
Повышение требований законодательства в области промышленной безопасности, экологии, а также динамика экономической коньюктуры вынуждают руководителей химических производств комплексно интенсифицировать и совершенствовать все компоненты производства.
Интенсификация технологий приводит к повышению энергонасыщенности современных химических производств, приближению технологических параметров (температуры, давлений, содержания опасных веществ) к их критическим значениям. Растут единичные мощности аппаратов, количество находящихся в них опасных веществ, расширяется номенклатура выпускаемой продукции, вводится для переработки сырье из различных источников, внедряются гибкие технологические схемы, ориентированные на производства продукции различного качества.
Ответственность при принятии решений производственным персоналом возрастает еще из-за того, что экономическая выгода приводит к созданию индустриальных комплексов, узлов энергораспределения, тепло- и газоснабжения вблизи мест проживания людей.
Задача управления для производственного персонала химического предприятия осложняется тем, что развивается техническое обеспечение производства: аппаратурно-технологическое оформление, система контроля и управления. При совершенствовании систем контроля и управления вводятся полностью распределенные АСУТП, а в перспективе предусматривается оснащение предприятий интегрированными информационными системами, обеспечивающими эффективную реакцию и перенастройку предприятия на требования коммерческой деятельности, обеспечение предприятия точной и своевременной информацией о текущем и предшествующем состоянии производства, позволяющей корректировать работу установок предприятия.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности принятия управленческих решений производственного процесса получения мономера изопрена путем разработки метода формализованного представления информации и создания интегрированной информационной среды нефтехимического производства.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи диссертационного исследования:
Обоснование и выбор метода построения информационной системы производства на основе возможностей современных информационных технологий.
Классификация способов представления информации в автоматизированных системах нефтехимического производства.
Разработка метода иерархического представления текстовой и графической информации производства мономера изопрена.
Разработка методики автоматического поиска информации для передачи в АСУ и АСУТП.
Практическая реализация интегрированной информационной среды производства мономера.
Предметом исследования являются информационные потоки, регламентирующие производственный процесс и используемые в автоматизированной системе управления предприятием.
Объектом исследования является информационное обеспечение автоматизированной системы управления процессом получения мономера изопрена на ЗАО «Каучук».
Теоретической и методологической основой исследования послужили научные труды по вопросам функций, способов отображения ХТС и создания информационных систем отечественных и зарубежных ученых: А.Ю. Абызгильдина, Ю.М. Абызгильдина, P. Brusilovsky, Т.А. Гавриловой, В.М. Глушкова, Е.Н. Зайцевой, В.В. Кафарова, П.А. Кирпичникова, В.В. Кульбы, Н.В. Макаровой, Л.Г. Мамиконова , В.А. Петрушина , С. Peylo, Б.Я. Советова, И. Ю.Юсупова.
В ходе исследования использовался аппарат теории управления, системного анализа, основ термодинамики и технологии нефтехимических процессов, теории графов и математической логики, методы создания искусственного интеллекта, методы объектно-ориентированного и Web- программирования.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
Предложен способ иерархического представления производственных объектов и процессов в виде графических моделей.
Разработана сводная классификация иерархических процедур технологического регламента процесса получения мономера изопрена.
Формализовано описание процесса производства изопрена каучука в виде древовидной структуры с четко прослеживаемыми отношениями между элементами.
4. Разработана информационная модель процесса производства каучука, включающая в себя иерархическое описание процесса, технологические схемы, модели аппаратов, оснащение их средствами КИПиА.
5. Создан алгоритм, позволяющий осуществлять автоматический поиск графической и текстовой информации для передачи в локальные АСУ и АСУ ТП. Основные положения, выносимые на защиту:
1. Сводная классификация процедур технологического регламента полу чения мономера изопрена.
Информационная модель процесса получения мономера изопрена.
Структура интегрированной информационной среды.
Алгоритм автоматизированного поиска информации в программной реализации информационной среды.
Методика использования разработанной системы «IMS-К» в качестве интеллектуального обучающего комплекса для подготовки управляющего персонала
Практическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке программной реализации интегрированной информационной среды «IMS-K», представляющей собой совокупность распределенных баз данных, в которой действуют единые стандартные правила хранения, обновления, поиска и передачи информации.
Разработанная система отвечает требованиям международных стандартов ИСО 9000, обеспечивая информационную поддержку процесса получения мономера каучука с детализацией информации до уровня режимных параметров локальных технологических элементов.
Апробация и использование результатов исследования. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научном семинаре кафедры «Автоматизированные технологические и информационные системы» филиала УГНТУ в г. Стерлитамаке, на заседании научно-технического совета ЗАО «Каучук», на научном семинаре кафедры «Системы автоматизации производства» Оренбургского государственного университета.
Результаты диссертационной работы в виде информационной среды «Information Module System - К» приняты к внедрению на ЗАО «Каучук». В режиме поэтапного внедрения система принята к использованию в качестве электрон- ного интеллектуального комплекса для обучения управленческого персонала.
Адаптированная версия системы, инструкции по ее использованию и контрольно-обучающие тесты внедрены в учебный процесс Стерлитамакского филиала УГНТУ и приняты к использованию в учебном процессе кафедры систем автоматизации производства ГОУ ОГУ.
CALS-технологии и актуальность создания интегрированной информационной среды предприятия
Одним из направлений развития информационных технологий в промышленности является все более полный обхват стадий жизненного цикла выпускаемой продукции [13, 30, 62]. Мировой рынок постепенно отторгает продукцию, не снабженную электронной документацией и не обладающую средствами интегрированной логистической поддержки постпроизводственных стадий жизненного цикла [88].
По определению, приведенному в стандарте ISO 9004-1 (ISO -International Organization of Standardization - международная организация по стандартизации) [126], жизненный цикл (ЖЦ) продукции есть "совокупность процессов, выполняемых от момента выявления потребностей общества в определенной продукции, до момента удовлетворения этих потребностей и утилизации продукции" [127]. Русскоязычное наименование этой концепции и стратегии - информационная поддержка жизненного цикла изделия (ИЛИ), или ИЛИ - технологии [129, 130].
В условиях жесткой конкуренции на внутреннем и внешнем рынках к промышленной продукции предъявляются требования, удовлетворение которых невозможно без внедрения CALS-технологий [23, 98, 122, 128,130]:
- представление конструкторской и технологической документации в электронном виде;
- представление эксплуатационной и ремонтной документации в форме электронных технических руководств;
- организация интегрированной логистической поддержки изделий;
- наличие на предприятиях стандартов ИСО 9000:2000 систем менеджмента качества.
Применение CALS-технологий позволяет эффективно решать проблемы обеспечения качества выпускаемой продукции за счет компьютерной поддержки процессов разработки, производства, пуско-наладочных работ, организации планово-предупредительных работ и гарантийного ремонта [88, 98, 122, 129].
Внедрение CALS на предприятии обычно предполагает:
- полное или частичное реформирование процессов на предприятии,
включая проектирование, конструирование, подготовку производства, управление производством, сервисное обслуживание;
- использование современных информационных технологий;
- совместное использование данных, полученных на различных стадиях жизненного цикла продукта;
- использование международных стандартов в области информационных технологий в целях успешной интеграции, совместного использования и управления информацией [24, 41, 42, 61].
Таким образом, интеграция отечественного производства в мировой рынок выдвигает на первый план проблему формализованного описания объектов производства в соответствии с требованиями международных стандартов ИСО 9000 [30, 128, 130]. Особую актуальность для нашей страны приобретает перевод в электронную форму максимально возможного объема накопленной технической информации [16, 41, 94].
Традиционно упорядоченное хранение информации о производстве и ее передача в автоматизированные системы (АС) для переработки и использования обеспечивается с помощью информационных систем (ИС) различного целевого назначения (бухгалтерские, складские, технологические). Однако внедрение CALS-технологий предполагает использование нового подхода - создания единого информационного пространства предприятия, или, согласно [94], интегрированной информационной среды (ИИС), призванной обеспечить информационными ресурсами сквозную компьютерную поддержку выпускаемой продукции.
Проблема разработки ИИС, в силу новизны самой концепции CALS-тех-нологий для России [20], еще не имеет наработанных практических решений. Отсутствие наработанных практических решений, в свою очередь, предполагает наличие научных проблем, неизбежно возникающих в процессе формализации описания производственных процессов и объектов.
Можно сделать вывод, что разработка методов формализованного описания отечественного промышленного производства с целью его интеграции в систему международных стандартов является актуальным научным направлением.
В рамках разработки данного научного направления рассмотрим современные подходы к созданию ИИС.
Информационное представление нефтехимического производства как химико-технологической системы
Любая химико-технологическая система (ХТС) имеет определенную технологическую структуру и заданные параметры, а взаимодействие ХТС с окружающей средой и результаты ее функционирования характеризуются входными и выходными переменными, представляющими собой некоторые информационные сигналы [33, 35, 36] (рис. 2.1).
Технологическая структура, или технологическая топология ХТС - это строение и внутренняя форма организации системы, отражающая состав элементов и особенности взаимосвязей между ними [34, 36, 37].
Технологическую структуру ХТС (G) формально можно охарактеризовать числом элементов определенного конструкционного типа N3, в которых протекают химико-технологические процессы (ХТП) g3, известным законом взаимосвязей между отдельными элементами R и числом технологических потоков NTn [36]:
В основе анализа технологической структуры ХТС лежит понятие технологического оператора (ТО) [35, 36]. Технологический оператор - часть химико-технологического процесса, качественно и (или) количественно преобразующего параметры входных технологических потоков (ТП) данного k-го элемента ХТС Х{к) =(х]{к\х2{к\...,хп{к)) в параметры его выходных ТП =(У]ік\у2ік\...,у„т) (рисунок2.2).
Так, реактор, в котором протекает экзотермическая реакция A + B C + Q, представляет собой ТО, осуществляющий как качественное (выходной ТП содержит новую химическую компоненту), так и количественное (температура выходного потока выше температуры входного потока) преобразование параметров входного ТП, содержащего два химических компонента. Рекуперативный теплообменник является ТО, осуществляющим количественное преобразование температур входных ТП.
Представление графических моделей в информационной системе
При создании информационных систем промышленных объектов, включающих большое количество элементов со сложными связями, необходимо первоначально составить графическую модель. Далее следует системный анализ, составление структуры информационной системы и различные процедуры насыщения данными и интеллектуальными компонентами [40, 93].
Современный этап развития компьютерной графики характеризуется переходом к целостным графическим информационным технологиям и графическим информационным системам, являющихся технологической основой создания национальных информационных ресурсов (федеральных, региональных, корпоративных).
Развитие технологии становится невозможным без сопровождения автоматизированными системами проектирования, управления производством и базами данных, учета и контроля [7, 19, 43, 44]. Системы обработки информации предъявляют новые требования к информации, заключенной в технологических схемах. Анализ и оптимизация химико-технологических систем становится невозможной без разработки оптимального метода графического изображения технологических схем.
Технологическая схема - основной документ, описывающий производственный процесс любого промышленного предприятия. Назначение технологической схемы - показать связи между входящими в нее элементами [37]. С ростом уровня жизни технология производства продуктов непрерывно развивается. Количество элементов в технологических цепочках растет. Увеличивается количество связей между элементами. В первую очередь это относится к производствам с развитой структурой, какими являются предприятия нефтяного, нефтехимического и химического профиля. На простых технологических установках количество аппаратов может достигать десятков, в комбинированных процессах - сотен. Усложняется система обвязки аппаратов трубопроводами -технологическая схема превращается в сеть запутанных линий (рисунок 3.1).
Отсутствие единых принципов составления схем также усложняет сис темный анализ схем процессов, между собой подобных. Это, в свою очередь,
приводит к необходимости разработки всех стадий при создании информационных систем для каждого процесса в отдельности.
В графической информационной системе главной интеграционной платформой является комплекс графических моделей. Классическим примером графической информационной системы является географическая информационная система (ГИС) (рисунок 3.2).
В ГИС информационный ресурс в виде баз данных имеет пространственную и временную привязку к системе графических моделей [47]. Для нефтехимических предприятий одним из элементов информационных систем является структурная схема, которая сопровождает объект на всех этапах жизненного цикла - от эскизного проектирования до начала эксплуатации. По завершении этапа проектирования структурная схема трансформируется в соответствующий электронный архив со своей системой. Структурная схема является основой предметной базы данных, сопровождающей объект у эксплуатационников и обеспечивающей все регламентные работы, модернизацию, тренаж, тестирование и диагностику.
Принципиальным отличием современных информационных систем от традиционных является комплексность и стандартность представления в электронном виде всех видов информации, сопровождающих структурную схему [19, 43, 61, 101, 119]. Необходимо разработать чрезвычайно эффективные алгоритмы хранения и обработки информации. Применительно к нефтехимическому предприятию, с целью повышения эффективности хранения и скорости обработки информации, желательно использовать типовые графические модели схем, приспособленные для хранения информации о реальных промышленных объектах.
Базы данных
На этапе проектирования и эксплуатации в соответствии с требованиями стандартов CALS информационная поддержка должна осуществляться путем создания и использования интерактивных руководств, являющихся комплексом баз данных [10, 99, 100].
При разработке интегрированной информационной среды нефтехимического предприятия перед нами стоит задача свести в единую структуру всю текстовую и графическую информацию (рисунок 4.1), применяемую на данном предприятии, т. е. возникает необходимость создания базы данных предприятия.
Создание структуры таблиц БД
Ввод и редактирование данных в таблицах БД
Создавая базу данных необходимо упорядочить информацию по различным признакам для быстрой выработки с произвольным сочетанием признаков [14, 61, 93]. Следует отметить, что это становится возможным в том случае, ее ли данные структурированы, т.е. введены соглашения о способах представления данных [100].
Таким образом, база данных - это поименная совокупность структурированных данных, относящихся к определенной предметной области [43, 45].
Следует отметить, что ядром любой базы является модель данных. Модель данных представляет собой множество структур данных, ограничений целостности и операций манипулирования данными (рисунок 4.2). С помощью модели данных могут быть представлены объекты предметной области и взаимосвязи между ними [100].
Разрабатываемая система управления базами данных основывается на использовании иерархической (рисунок 4.3), сетевой или реляционной модели, на комбинации этих моделей или подмножестве [17, 45].
Модели данных в ИС
Главная цель проведения моделирования - изыскание вариантов решений, позволяющих улучшить основные показатели работы, устройств и систем, технологических процессов [14, 45, 100]. Необходимым элементом моделирования является анализ потоков данных.
Проведенный анализ литературных источников [4, 11, 26, 45, 86, 90, 93, 97, 118], позволил выделить ряд определений составляющих систему элементов.
Объект - совокупность свойств элемента, которые могут быть исследованы и описаны. Каждый объект обычно состоит из других объектов, т.е. представляет собой некоторую систему.
Система - это объект, состоящий их элементов, находящихся между собой в различных отношениях и связях, которые обеспечивают ее целостное функционирование.
Состояние системы в любой момент времени характеризуется ее структурой, т.е. составом, свойствами элементов, их отношениями и связями между собой.
Таким образом, разработка модели в общем случае означает объединение отдельных составляющих системы в единую модель. При этом каждая подсистема изолирована от других частей модели и решает собственные задачи.
Структуру системы вместе с ее компонентами можно представить в графическом или текстовом виде (рис. 4.4 - 4.7).
Структура информационной системы
Разработка информационной системы вызвана необходимостью систематизации большого объема разнородной теоретической и практической информации об объекте [21, 27, 47, 49, 54, 99].
Факторами, определяющими структуру и требования к информационной модели, являются:
Большой объем документации, регламентирующей функционирование объекта в различных режимах (инструкции, регламенты, стандарты);
Большие массивы информации о параметрах процесса, разнородность их характеристик (по способам контроля, воздействия, временным характеристикам);
Разнообразие химико-технологических схем и типов оборудования;
Требования быстрого доступа к информации;
Защита информации от несанкционированного доступа.
Современные инструментальные средства синтеза баз данных позволяет создавать структуры данных, наполнять их данными и управлять ими. СУБД организует взаимодействие пользователя с информацией, реализует ввод данных в базу, упорядочивает ее хранение и позволяет получать сведения из БД в виде документов разнообразной формы. Исходя из этого, задача разработки информационной системы заключается в систематизации информации, разработке структуры базы данных, выборе модели хранения данных и обосновании выбора СУБД [38, 49, 55, 61, 64, 90, 109].
База данных должна быть реализована таким образом, чтобы, с одной стороны, с ней было легко работать, с другой стороны, достигался высокий уровень защищенности. Естественно, что логически и физически она должна быть разделена с самими компонентами ЭОК, которые ею пользуются. Компоненты в этом случае делятся на серверные (обладающие функцией редактирования БД) и клиентские (обладающие только функцией просмотра) [56, 84, 99]. Решение этой задачи естественным образом представляется в рамках объектно-ориентированной парадигмы [17, 93, 101, 111]. Есть какой-либо абстрактный объект-блок данных, который содержит абстрактные же методы работы со своим содержимым, точку входа, ссылки на другие (соседние, хотя и не обязательно) блоки, свое название и версию. Тогда получаем блочную структуру БД (рисунок 5.1).
