Введение к работе
Управление технологическими процессами современных промышленных предприятий обеспечивается автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП). Сложность технологических процессов определяется уровнем применяемых технологий. Использование современных технологий усложняет технологические процессы и значительно повышает требования к условиям их реализации. Эти требования касаются норм (по микроклимату, освещенности и пр.) и параметров ресурсов (электроснабжения, теплоснабжения и пр.). При этом возрастает роль и значимость процессов обеспечения (ПО) условий реализации технологических процессов.
Характерными свойствами ПО является их развитая номенклатура, сложная структура, взаимозависимость, иерархичность, динамичность характеристик, неоднородность, пространственная распределенность источников и пр. Перспективы развития процессов обеспечения состоят в их усложнении и усилении их воздействия на качество продукции, что превращает их из второстепенных в определяющие и требует решения актуальной проблемы – исследования и разработки систем автоматизации процессов обеспечения производства.
Взаимозависимость процессов обеспечения, наличие общих системных функций по их управлению и мониторингу обуславливают реализацию систем автоматизации процессов обеспечения в классе интегрированных систем. Наличие в задачах мониторинга и управления процессами обеспечения существенной информационной составляющей требует современных решений по организации взаимодействия информационных компонент (потоков, процессов, алгоритмов и пр.) с использованием перспективных подходов к построению связей с применением средств локальных промышленных сетей. Поэтому система автоматизации процессов обеспечения производства должна быть реализована в классе интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения (ИАСУПО) на основе локальных промышленных сетей.
В настоящее время в сфере проектирования и реализации систем автоматизации процессов обеспечения можно отметить известные разработки систем автоматизации инженерно-технического оборудования современных промышленных зданий, реализованные в логике «интеллектуального» здания. Однако они, как правило, ориентированы на решение одной из задач: управление электроснабжением, управление и эксплуатация информационных сетей и пр. Известны также проекты локальных систем управления, функционирующих в рамках отдельных зданий (Табунщиков Ю.А., Ясин Ю.И., К. Гертис и др.), характеризующихся отсутствием интегративности процессов. Среди работ, носящих системный характер, следует отметить разработки таких организаций, как Honey Well, Andones Controls, Johnson Controls, Siemens, относящиеся однако к управлению офисными зданиями. В целом же, следует констатировать, что сегодня системный подход к автоматизации процессов обеспечения производства не нашел широкого применения, что обусловлено рядом факторов.
Практически отсутствуют известные результаты в области разработки сложных концептуальных моделей систем указанного класса, обеспечивающих представления обобщенной структуры системы как единого целого, так и представления стратифицированной структуры, отличающейся детализацией состава. Известные уровневые модели технических систем (Диденко К.И., Хетагуров Я.А. и др.) отличаются ограниченным использованием уровневой архитектуры за счет распределения по уровням только ресурсного обеспечения. С другой стороны, уровневые модели сложных объектов в идеологии логических уровней (Т. Лири, С.Б. Переслегин, Г.А. Щеглов и др.) слабо адаптированы к особенностям технических объектов.
Требует развития и совершенствования методика проектирования ИАСУПО, прежде всего в реализации задач, оказывающих существенное воздействие на качество проектных решений. К числу таких задач относится выбор рационального комплекса технических средств, максимально учитывающий особенности системы. Известные подходы к решению этой задачи (Диденко К.И., Шастова Г.А., Преснухин Л.Ш. и др.), основываются, как правило, на использовании критериев, не обеспечивающих выбор с учетом взаимосвязей параметров технических средств и характеристик системы.
Определение объемов оборудования (ресурсов) для обработки и передачи информации основывается на определении вероятностно-временных характеристик информационных каналов, характеризующих прохождение информационных процессов по уровням иерархии (вероятность блокировки, средняя длина очереди, среднее время пребывания и пр.). Определение этих характеристик требует разработки модели системы массового обслуживания в классе многофазной сети массового обслуживания с переменным числом обслуживающих приборов в фазах и переменной интенсивностью обслуживания в каждой фазе. Однако, известные подходы к созданию таких моделей (Башарин Г.П., Скляревич А.А., Назаров А.А. и др.), не учитывают влияния соседних фаз.
Широкая номенклатура регулируемых параметров процессов обеспечения производства, их распределенность в пространстве, взаимосвязанность обуславливают необходимость создания методики проектирования подсистем локального управления ИАСУПО на основе модельного подхода, реализуемого в программной среде автоматизированного проектирования.
Таким образом, необходимость развития методов и средств автоматизации процессов обеспечения современного высокотехнологического производства обуславливает актуальность научной задачи исследования и разработки моделей и методик проектирования интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения на основе локальных промышленных сетей.
Цель работы – разработка интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства на основе локальных промышленных сетей, обеспечивающих повышения качества технологических процессов.
Указанная цель определяет реализацию следующих задач исследований:
1. Анализ структуры и свойств процессов обеспечения условий производства.
2. Разработка концептуальной модели ИАСУПО в классе уровневых моделей и создание на ее основе:
– стратифицированной структуры ИАСУПО;
– модели виртуального информационного канала;
– модели контура локального управления.
3. Создание методики проектирования ИАСУПО, включающей:
– методику рационального выбора технического базиса (комплекса технических средств) системы;
– разработку методики определения системных вероятностно-времен-ных характеристик;
– методику проектирования типовой подсистемы локального управления.
4. Реализация и практическая апробация ИАСУПО.
Методы исследований. В работе использован математический аппарат теории множеств, теории вероятностей, математического моделирования, теории систем массового обслуживания.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:
– разработанная концептуальная модель ИАСУПО представлена в классе моделей логических уровней со сложной иерархией уровней, учитывающей динамику отношений категорий представления системы;
– методика рационального выбора комплекса технических средств основывается на предложенной двухкомпонентной критериальной модели, включающей локальные индикаторы средств технического базиса и индикаторы системных характеристик;
– для исследования вероятностно-временных характеристик системы виртуальный информационный канал представляется моделью сети массового обслуживания (СеМО);
– межфазные потоки в модели СеМО заменяются эквивалентным пуассоновским потоком на основе предложенного способа аппроксимации;
– методика проектирования типовой подсистемы локального управления основывается на полученной модели контура локального управления и использовании интерактивного подхода к эволюционному проектированию средств, законов и параметров управления.
Основные положения, выносимые на защиту:
– структуризация процессов обеспечения производства;
– подход к разработке уровневой модели ИАСУПО на основе использования логических уровней;
– применение уровневой модели ИАСУПО для получения стратифицированной структуры системы, для формирования модели виртуального информационного канала и модели контура локального управления с использованием вертикальной и контурной декомпозиции;
– методика рационального выбора технического базиса системы;
– применение для исследования вероятностно-временных характеристик СеМО как модели виртуального информационного канала;
– методика проектирования подсистем управления, основанная на интерактивном подходе с применением программной среды проектирования и эволюционной стратегии развития сложности исследуемых моделей регуляторов;
– результаты расчета вероятностно-временных системных характеристик с использованием комплекса моделей;
– результаты практической реализации ИАСУПО.
Достоверность и обоснованность результатов работы основывается на результатах имитационного моделирования, данных экспериментальных исследований, практическом применении теоретических исследований, а также корректном использовании известного математического аппарата и методологии общей теории систем, теории систем массового обслуживания, математического моделирования.
Практическая ценность работы состоит в том, что уровневая модель ИАСУПО, основанная на идеологии логических уровней, обеспечивает при проектировании детальное стратифицированное представление ее структуры.
Предложенная методика выбора рационального технического базиса может быть использована также в отношении объектов, располагающих расширенным множеством характеристик и установленными отношениями локальных и системных показателей.
Разработанная методика проектирования локальных подсистем управления, основанная на применении интерактивного подхода с использованием инструментальной среды, обеспечивает устойчивое эволюционное формирование рациональных инженерных проектных решений.
Практическое применение предложенных моделей и методики проектирования ИАСУПО обеспечивают проектные решения подсистем электро-, водо-, теплоснабжения, дающие существенную экономию потребления основных ресурсов предприятий.
Реализация результатов работы. Полученные результаты внедрены в практику проектирования автоматизированных систем управления инженерным оборудованием современных производственных зданий в ООО «БМС» (г. Пермь).
Результаты работы используются на кафедре «Автоматика и телемеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета при преподавании дисциплин «Локальные системы управления», «Автоматизированные информационно-управляющие системы».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях (Краевая НТК «Автоматизированные системы управления и информационные технологии», Пермь, 2007 г.; VII Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Управление большими системами», Пермь, май, 2010 г.; XXVII Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + SE’10», Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, май, 2010 г) и научно-технических семинарах, проводимых на ОАО «СТАР» (г. Пермь) и НОЦ «Проблемы управления» при ПНИПУ .
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 94 наименований и 2х приложений. Работа представлена на 133 с., в том числе 110 с. основного текста, содержит 40 рисунков и 6 таблиц.
