Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
1. Назначение автоматизированных систем
Автоматизированная система (АС) представляет собой организационно-техническую систему, обеспечивающую выработку решений на основе автоматизации информационных процессов в различных сферах деятельности (управление, проектирование, производство и т. д.) или их сочетаниях.
В зависимости от сферы автоматизируемой деятельности АС разделяют на:
1) автоматизированные системы управления (АСУП, АСУ ТП, АСУ ГПС и др.);
2) системы автоматизированного проектирования (САПР);
3) автоматизированные системы научных исследований (АСНИ);
4) АС обработки и передачи информации (АСОИ);
5) автоматизированные системы технологической подготовки производства (АСТПП);
6) автоматизированные системы контроля и испытаний (АСК);
7) системы, автоматизирующие сочетания различных видов деятельности.
АС реализуют информационную технологию в виде определенной последовательности информационно связанных функций, задач или процедур, выполняемых в автоматизированном (интерактивном) или автоматическом режимах.
Целесообразность создания и внедрения АС определяется социальным, научно-техническим и другими полезными эффектами, получаемыми в результате автоматизации.
2. Состав и виды структур автоматизированных систем
В процессе функционирования АС представляет собой совокупность:
- комплекса средств автоматизации;
- организационно-методических и технических документов;
- специалистов, использующих их в процессе своей профессиональной деятельности. Таким образом, АС – это человекомашинная система с интерактивным управлением.
В процессе проектирования АС (ее частей) разрабатывают, в общем случае, следующие виды обеспечений: техническое, программное, информационное, организационно-методическое, метрологическое, правовое, математическое, лингвистическое, эргономическое.
Комплекс средств автоматизации автоматизированной системы – это совокупность взаимосогласованных компонентов и комплексов программного, технического и информационного обеспечения, разрабатываемая, изготовляемая и поставляемая как продукция производственно-технического назначения.
Проектные решения по программному, техническому и информационному обеспечениям реализуют как изделия в виде взаимоувязанной совокупности компонент и комплексов, входящих в состав АС (их частей) с необходимой документацией.
Проектные решения по остальным видам обеспечения входят в состав АС (их частей) в качестве организационно-методических и эксплуатационных документов или реализуются в компонентах программного, технического или информационного обеспечения.
Проектные решения математического обеспечения реализуют, как правило, через программное или, в отдельных случаях, техническое обеспечение, а лингвистическое обеспечение представляют и реализуют в информационном или программном обеспечении.
Внутреннее строение систем характеризуют при помощи структур, описывающих устойчивые связи между их элементами.
При описании АС используют следующие виды структур, отличающиеся типами элементов и связей между ними:
1) функциональные (элементы – функции, задачи, процедуры; связи – информационные);
2) технические (элементы – устройства, компоненты и комплексы; связи – линии и каналы связи);
3) организационные (элементы – коллективы людей и отдельные исполнители; связи – информационные, соподчинения и взаимодействия):
4) документальные (элементы – неделимые составные части и документы АС; связи – взаимодействия, входимости и соподчинения);
5) алгоритмические (элементы – алгоритмы; связи – информационные);
6) программные (элементы – программные модули и изделия; связи – управляющие);
7) информационные (элементы – формы существования и представления информации в системе; связи – операции преобразования информации в системе)
3. Виды обеспечений автоматизированных систем и их характеристика
В процессе проектирования АС (ее частей) разрабатывают, в общем случае, следующие виды обеспечений: техническое, программное, информационное, организационно-методическое, метрологическое, правовое, математическое, лингвистическое, эргономическое.
Комплекс средств автоматизации автоматизированной системы – это совокупность взаимосогласованных компонентов и комплексов программного, технического и информационного обеспечения, разрабатываемая, изготовляемая и поставляемая как продукция производственно-технического назначения.
Программное обеспечение автоматизированной системы – совокупность программ на носителях информации с программной документацией по ГОСТ 19. 101.
Техническое обеспечение автоматизированной системы – совокупность средств реализации управляющих воздействий, средств получения, ввода, подготовки, преобразования, обработки, хранения, регистрации, вывода, отображения, использования и передачи данных.
Информационное обеспечение автоматизированной системы – совокупность системно-ориентированных данных, описывающих принятый в системе словарь базовых описаний (классификаторы, типовые модели, элементы автоматизации, форматы документации и т. д.), и актуализируемых данных о состоянии информационной модели объекта автоматизации (объекта управления, объекта проектирования) на всех этапах его жизненного цикла.
Организационно-методическое обеспечение автоматизированной системы – совокупность документов, определяющих: организационную структуру объекта и системы автоматизации, необходимых для выполнения конкретных автоматизируемых функций; деятельность в условиях функционирования системы, а также формы представления результатов деятельности.
Правовое обеспечение автоматизированной системы – совокупность правовых норм, регламентирующих правоотношения при функционировании автоматизированной системы, и юридический статус результатов ее функционирования.
Математическое обеспечение автоматизированной системы – совокупность математических методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых при функционировании системы.
Лингвистическое обеспечение автоматизированной системы – совокупность языковых средств для формализации естественного языка, построения и сочетания информационных единиц, используемых в АС при функционировании системы для общения с КСА.
Эргономическое обеспечение автоматизированной системы – совокупность взаимосвязанных требований, направленных на согласование психологических, психофизиологических, антропометрических, физиологических характеристик и возможностей человека-оператора, технических характеристик КСА, параметров среды на рабочем месте.
4. Термины и определения ( ГОСТ 32.003-90)
1.1 автоматизированная система; АС: Система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.
Примечания:
1. В зависимости от вида деятельности выделяют, например следующие виды АС: автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР), автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) и др.
2. В зависимости от вида управляемого объекта (процесса) АСУ делят, например на АСУ технологическими процессами (АСУТП), АСУ предприятиями (АСУП) и т.д.
1.2 интегрированная автоматизированная система; ИАС: Совокупность двух или более взаимоувязанных АС, в которой функционирование одной из них зависит от результатов функционирования другой (других) так, что эту совокупность можно рассматривать как единую АС
1.3 функция автоматизированной системы; функция АС: Совокупность действий АС, направленная на достижение определенной цели
1.4 задача автоматизированной системы; задача АС: Функция или часть функции АС, представляющая собой формализованную совокупность автоматических действий, выполнение которых приводит к результату заданного вида
1.5 алгоритм функционирования автоматизированной системы; алгоритм функционирования АС: Алгоритм, задающий условия и последовательность действий компонентов автоматизированной системы при выполнении ею своих функций
1.6 научно-технический уровень автоматизированной системы; НТУ АС: Показатель или совокупность показателей, характеризующая степень соответствия технических и экономических характеристик АС современным достижениям науки и техники
2.1 пользователь автоматизированной системы; пользователь AC: Лицо, участвующее в функционировании АС или использующее результаты ее функционирования
2.2 эксплуатационный персонал автоматизированной системы; эксплуатационный персонал АС: -
2.3 организационное обеспечение автоматизированной системы; организационное обеспечение АС: Совокупность документов, устанавливающих организационную структуру, права и обязанности пользователей и эксплуатационного персонала АС в условиях функционирования, проверки и обеспечения работоспособности АС
2.4 методическое обеспечение автоматизированной системы; методическое обеспечение АС: Совокупность документов, описывающих технологию функционирования АС, методы выбора и применения пользователями технологических приемов для получения конкретных результатов при функционировании АС
2.5 техническое обеспечение автоматизированной системы; техническое обеспечение АС: Совокупность всех технических средств, используемых при функционировании АС
2.6 математическое обеспечение автоматизированной системы; математическое обеспечение АС: Совокупность математических методов, моделей и алгоритмов, примененных в АС
2.7 программное обеспечение автоматизированной системы; программное обеспечение АС: Совокупность программ на носителях данных и программных документов, предназначенная для отладки, функционирования и проверки работоспособности АС
2.8 информационное обеспечение автоматизированной системы; информационное обеспечение АС: Совокупность форм документов, классификаторов, нормативной базы и реализованных решений по объемам, размещению и формам существования информации, применяемой в АС при ее функционировании
2.9 лингвистическое обеспечение автоматизированной системы; лингвистическое обеспечение АС: Совокупность средств и правил для формализации естественного языка, используемых при общении пользователей и эксплуатационного персонала АС с комплексом средств автоматизации при функционировании АС
2.10 правовое обеспечение автоматизированной системы; правовое обеспечение АС: Совокупность правовых норм, регламентирующих правовые отношения при функционировании АС и юридический статус результатов ее функционирования.
Примечание. Правовое обеспечение реализуют в организационном обеспечении АС
2.11 эргономическое обеспечение автоматизированной системы; эргономическое обеспечение АС: Совокупность реализованных решений в АС по согласованию психологических, психофизиологических, антропометрических, физиологических характеристик и возможностей пользователей АС с техническими характеристиками комплекса средств автоматизации АС и параметрами рабочей среды на рабочих местах персонала АС
2.12 комплекс средств автоматизации автоматизированной системы; КСА АС: Совокупность всех компонентов АС, за исключением людей
2.13 компонент автоматизированной системы; компонент AC: Часть АС, выделенная по определенному признаку или совокупности признаков и рассматриваемая как единое целое
2.14 комплектующее изделие в автоматизированной системе; комплектующее изделие АС: Изделие или единица научно-технической продукции, применяемое как составная часть АС в соответствии с техническими условиями или техническим заданием на него
2.15 программное изделие в автоматизированной системе; программное изделие АС: Программное средство, изготовленное, прошедшее испытания установленного вида и поставляемое как продукция производственно-технического назначения для применения в АС
2.16 информационное средство. Комплекс упорядоченной относительно постоянной информации на носителе данных, описывающей параметры и характеристики заданной области применения, и соответствующей документации, предназначенный для поставки пользователю.
Примечание. Документация информационного средства может поставляться на носителе данных
2.17 информационное изделие в автоматизированной системе; информационное изделие в АС: Информационное средство, изготовленное, прошедшее испытания установленного вида и поставляемое как продукция производственно-технического назначения для применения в АС
2.18 программно-технический комплекс автоматизированной системы; ПТК АС: Продукция, представляющая собой совокупность средств вычислительной техники, программного обеспечения и средств создания и заполнения машинной информационной базы при вводе системы в действие достаточных для выполнения одной или более задач АС
2.19 информационная база автоматизированной системы; информационная база АС: Совокупность упорядоченной информации, используемой при функционировании АС
2.20 внемашинная информационная база автоматизированной системы; внемашинная информационная база АС: Часть информационной базы АС, представляющая собой совокупность документов, предназначенных для непосредственного восприятия человеком без применения средств вычислительной техники
2.21 машинная информационная база автоматизированной системы; машинная информационная база АС: Часть информационной базы АС, представляющая собой совокупность используемой в АС информации на носителях данных
2.22 автоматизированное рабочее место; АРМ: Программно-технический комплекс АС, предназначенный для автоматизации деятельности определенного вида.
5. Принципы создания автоматизированных систем
АС создают в соответствии с техническим заданием, являющимся основным исходным документом, на основании которого проводят приемку ее заказчиком.
При создании АС необходимо руководствоваться принципами системности, развития (открытости), совместимости, стандартизации (унификации) и эффективности.
Принцип системности заключается в том, что при декомпозиции должны быть установлены такие связи между структурными элементами системы, которые обеспечивают цельность АС и ее взаимодействие с другими системами.
Принцип развития (открытости) заключается в том, что, исходя из перспектив развития объекта автоматизации, АС должна создаваться с учетом возможности пополнения и обновления функций и состава АС без нарушения ее функционирования.
Принцип совместимости заключается в том, что при создании систем должны быть реализованы информационные интерфейсы, благодаря которым она может взаимодействовать с другими системами в соответствии с установленными правилами и протоколами.
Принцип стандартизации (унификации) заключается в том, что при создании систем должны быть рационально применены типовые, унифицированные и стандартизованные элементы, проектные решения, пакеты прикладных программ, комплексы, компоненты.
Принцип эффективности заключается в достижении рационального соотношения между затратами на создание АС и целевыми эффектами, включая конечные результаты, получаемые в результате автоматизации.
При создании (модернизации) объектов автоматизации должно быть предусмотрено проведение работ по созданию (модернизации) АС.
6. Основные рекомендуемые положения по созданию и функционированию автоматизированных систем
Создание АС осуществляют в плановом порядке в соответствии с действующими положениями и нормативными актами.
Планирование и разработку АС осуществляют по правилам, установленным для продукции единичного производства.
Техническое задание на создание АС является основным документом, определяющим порядок создания и требования к АС. Разработку АС и ее приемку при вводе в действие проводят в соответствии с ТЗ.
Создание АС осуществляют специализированные научно-исследователь-ские, проектные и конструкторские организации (далее – разработчик) в соответствии с техническим заданием (ТЗ), выдаваемым заказчиком. Возможно создание АС непосредственно заказчиком при условии создания специализированного подразделения.
При создании АС следует обращать внимание на:
1) интеграцию экономических и информационных процессов, технических, программных и организационно-методических средств;
2) развитие системного и программно-целевого подхода в планировании, автоматизации работы объекта, в процессах получения и обработки информации на объекте автоматизации;
3) углубление взаимодействия человека и вычислительной техники на основе диалоговых методов и средств, автоматизированных рабочих мест и интеллектуальных терминалов;
4) построение сетей ЭВМ на базе неоднородных вычислительных средств;
5) индустриализацию процессов создания АС, развитие САПР и тиражирования типовых элементов АС;
6) построение информационного фонда в виде распределенной по объектам и уровням иерархии автоматизированной базы данных;
7) минимизацию документооборота, замену его передачей текущей информации по каналам связи и представление ее на устройствах отображения;
8) максимальную автоматизацию формирования первичных исходных сведений;
9) создание гибких систем управления, способных адаптироваться к изменяющимся условиям производства и выпускаемой продукции.
Создание АС требует, как правило, изменения (совершенствования) организационной структуры объекта автоматизации.
Принципы совершенствования структуры включают следующие основные положения:
1) выделение структурных звеньев на каждом организационном уровне должно осуществляться так, чтобы каждое звено работало на достижение определенной совокупности целей; требуемая при этом интеграция всех видов деятельности достигается созданием специализированных подразделений, полностью отвечающих за выполнение определенной группы функций;
2) организационная структура должна базироваться на интегрированных информационных потоках; потоки между звеньями должны быть сведены до минимума и идти кратчайшими маршрутами;
3) достижение единства организации процессов планирования, учета, анализа, регулирования, т. е. обеспечения координации и синхронизации действия всех служб и исполнителей должно быть получено за счет усиления непосредственного контакта с вычислительным комплексом.
7. Концепция системного подхода к проектированию автоматизированных систем
Системный подход отличается от традиционного предположением о том, что целое обладает такими качествами (свойствами), каких нет у его частей. Наличием этих качеств целое, собственно, и отличается от любой своей части. Данная связь между целым и его частями была положена в основу первых определений системы, например такого: «система – это совокупность связанных между собой частей».
Целью объединения элементов в систему и является получение таких свойств и способностей в выполнении требуемых функций, каких нет у каждого отдельно взятого элемента.
При этом части системы могут представлять собой системы, которые называют подсистемами. Подсистема обладает свойством функциональной полноты, т. е. ей присущи все свойства системы.
Системный подход к проектированию АСУ ТП заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиция системы) и учете при ее разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей между ними.
Системный подход опирается на известный диалектический закон взаимосвязи и взаимообусловленности явлений в мире и в обществе и требует рассмотрения изучаемых явлений и объектов не только как самостоятельной системы, но и как подсистемы некоторой большей системы, по отношению к которой нельзя рассматривать данную систему как замкнутую. Системный подход требует прослеживания как можно большего числа связей (не только внутренних, но и внешних), чтобы не упустить действительно существенные связи и факторы и оценить их эффекты.
Системный подход к анализу и разработке систем в том или ином аспекте используется многими науками (системотехника, исследование операций, системный анализ и др.). Между этими науками нет четких границ, поэтому весьма часто в них используются одинаковые математические методы. И в настоящее время усилия специалистов направлены на разработку общей теории систем, использующей изоморфизм (аналогичность) процессов, протекающих в системах различного типа (технических, биологических, экономических, социальных). Общая теория систем должна стать теоретическим фундаментом системотехники и других, смежных с ней, дисциплин. Остановимся кратко на сущности упомянутых теорий и их применении при проектировании АСУ ТП.
8. Терминология системного подхода к проектированию автоматизированных систем
Системный подход к проектированию АСУ ТП заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиция системы) и учете при ее разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей между ними.
Системный подход опирается на известный диалектический закон взаимосвязи и взаимообусловленности явлений в мире и в обществе и требует рассмотрения изучаемых явлений и объектов не только как самостоятельной системы, но и как подсистемы некоторой большей системы, по отношению к которой нельзя рассматривать данную систему как замкнутую. Системный подход требует прослеживания как можно большего числа связей (не только внутренних, но и внешних), чтобы не упустить действительно существенные связи и факторы и оценить их эффекты.
Системный подход к анализу и разработке систем в том или ином аспекте используется многими науками (системотехника, исследование операций, системный анализ и др.). Между этими науками нет четких границ, поэтому весьма часто в них используются одинаковые математические методы. И в настоящее время усилия специалистов направлены на разработку общей теории систем, использующей изоморфизм (аналогичность) процессов, протекающих в системах различного типа (технических, биологических, экономических, социальных). Общая теория систем должна стать теоретическим фундаментом системотехники и других, смежных с ней, дисциплин. Остановимся кратко на сущности упомянутых теорий и их применении при проектировании АСУ ТП.
9. Системотехнический подход к проектированию сложных систем. Системотехнические признаки сложных систем
Системотехника. Данная наука представляет собой направление в кибернетике, изучающее вопросы планирования, проектирования и поведения сложных информационных систем. Это определение не является строгим, и существует множество других определений этой науки, что свидетельствует о ее развитии.
Нет единого определения и сложной системы. Сформулированы следующие семь признаков, которые ограничивают класс систем, рассматриваемых в системотехнике:
1) система создается человеком из различного оборудования и сырья;
2) система обладает цельностью, все ее части служат достижению единой цели;
3) система является большой как с точки зрения разнообразия составляющих ее элементов, так и с точки зрения числа одинаковых частей, возможно, числа выполняемых функций и стоимости;
4) система является сложной, т. е. изменение какой-либо переменной влечет за собой изменение многих других переменных, причем математическая модель системы должна быть достаточно сложной;
5) система является полуавтоматической, т. е. часть ее функций всегда выполняется автоматами, а часть – человеком;
6) входные воздействия системы имеют стохастическую природу, отсюда следует невозможность предсказания поведения системы для любого момента времени;
7) большинство систем, и в первую очередь наиболее сложные системы, содержат элементы конкурентной ситуации.
10. Системотехнические направления процесса проектирования сложных автоматизированных систем
Процесс проектирования можно подразделить на ряд направлений. В частности, возможны следующие деления:
Первое направление предполагает, что конструирование системы проходит в хронологическом порядке ряд определенных фаз (например, начало работы, организация рабочей группы, предварительное конструирование, основное конструирование, создание макета экспериментальной проверки, обкатка и оценка испытаний). Следует отметить, что фазы работ в значительной степени зависят от проектируемой системы и не являются одинаковыми для всех систем.
Этапы конструирования системы – это логические этапы. Они не обязательно должны выполняться в заданном порядке. Например, прикладные программы для управляющей вычислительной машины можно разрабатывать одновременно с изготовлением опытного образца системы.
Важная группа этапов, позволяющая успешно разделять проблему на части для анализа, основана на предположении, что любое событие на одном каком-нибудь входе и реакцию системы на это событие можно изучать изолированно от того случая, когда подобные события имеют место на двух или более входах одновременно. Из этого следует, что этапами изучения могут быть разработка в предположении единичных воздействий, разработка в предположении многократных воздействий, совершающихся в известном порядке, и разработка с учетом конкретной ситуации.
Другая важная группа этапов связана с моделированием и заменой моделью реально работающей системы. Ввиду универсальности широко используется статистическое моделирование. Высокая степень абстракции, до которой доводится процесс разработки на основе анализа и моделирования, является одной из отличительных черт системотехники.
В качестве аппарата для инженера-системотехника может служить любая математическая дисциплина, но наибольшее значение имеет теория вероятностей и математическая статистика.
Составными частями могут быть локальные системы и системы более высокого иерархического уровня, системы связи, системы отображения информации и др.
Разбиение на подсистемы выполняется с учетом естественной структуры технологического процесса, удобства организации проектирования и других факторов. При этом следует стремиться обеспечить минимум связей между подсистемами.
11. Основные системотехнические принципы создания сложных систем и их краткая характеристика
Особое значение в системотехнике имеет системный подход, который проявляется в ряде принципов конструирования сложной системы.
Главным, фундаментальным, принципом является принцип максимума эффективности, точнее – максимума ее математического ожидания. Критерием эффективности является отношение (или разность) показателей ценности результатов, полученных в процессе функционирования системы, к показателю затрат на ее создание.
Принцип согласования (субоптимизации) частных (локальных) критериев эффективности между собой и общим (глобальным) критерием гласит, что для оптимального функционирования системы в целом не требуется оптимизации работы каждой из ее подсистем. Для достижения общей цели должны быть согласованы между собой критерии эффективности каждой подсистемы (причем эти частные критерии могут не совпадать с частными оптимумами). В связи с этим улучшение работы одной из подсистем, не согласованное в общесистемном плане, может привести к снижению эффективности системы в целом.
Принцип централизации информации заключается в том, что система управления и принятия решений эффективна только в том случае, когда информация собирается, хранится и обрабатывается на основе единых массивов, единого банка данных, который может быть и децентрализованным.
Принцип явлений с малой вероятностью утверждает, что основную задачу системы пересматривать нельзя, а основные характеристики системы не должны значительно изменяться для того, чтобы система оказывалось пригодной также в ситуациях, имеющих малую вероятность наступления. В настоящей главе рассмотрены только основные принципы и методы системотехники.
Исследование операций. Это научное направление в исследовании и проектировании систем основано на математическом моделировании процессов и явлений.
Системный анализ. Это научное направление является методологией исследования трудно наблюдаемых и трудно понимаемых свойств и отношений в объектах, заключающейся в представлении этих объектов в качестве целенаправленных систем, и изучения свойств этих систем и взаимоотношений между целями и средствами их реализации.
12. Принцип максимума эффективности автоматизированных систем
Главным, фундаментальным, принципом является принцип максимума эффективности, точнее – максимума ее математического ожидания. Критерием эффективности является отношение (или разность) показателей ценности результатов, полученных в процессе функционирования системы, к показателю затрат на ее создание. Сложность задачи определения показателя эффективности обусловливается, в частности, тем обстоятельством, что она вытекает из задач системы более высокого уровня и задается ими. Поэтому конструктор конкретной системы должен ориентироваться в проблеме более высокого ранга, чем рассматриваемая, правильно оценивать результаты выполняемой работы. На этапе формулирования критерия эффективности необходим тесный контакт с заказчиком.
При оценке эффективности можно использовать следующие методы аналогии, экспертных оценок, прямых расчетов, математического моделирования и другие.
С помощью принципа эффективности можно сформулировать основной метод проектирования систем: единая система разделяется на части по функциональному признаку, устанавливаются возможные варианты реализации этих частей, связей между ними и на заданном множестве вариантов выбирается структура системы, отвечающая требованиям максимума математического ожидания эффективности.
13. Принцип согласования частных критериев эффективности. Методы многокритериальной оптимизации
Принцип согласования (субоптимизации) частных (локальных) критериев эффективности между собой и общим (глобальным) критерием гласит, что для оптимального функционирования системы в целом не требуется оптимизации работы каждой из ее подсистем. Для достижения общей цели должны быть согласованы между собой критерии эффективности каждой подсистемы (причем эти частные критерии могут не совпадать с частными оптимумами). В связи с этим улучшение работы одной из подсистем, не согласованное в общесистемном плане, может привести к снижению эффективности системы в целом.
14. Принцип оптимума автоматизации
Из принципа оптимума автоматизации вытекает, что не все задачи, особенно для частных случаев, должны решаться автоматически. Уровень автоматизации необходимо обосновать исходя из критериев эффективности.
15. Принцип централизации информации и принцип игнорирования маловероятных явлений
Принцип централизации информации заключается в том, что система управления и принятия решений эффективна только в том случае, когда информация собирается, хранится и обрабатывается на основе единых массивов, единого банка данных, который может быть и децентрализованным.
Принцип явлений с малой вероятностью утверждает, что основную задачу системы пересматривать нельзя, а основные характеристики системы не должны значительно изменяться для того, чтобы система оказывалось пригодной также в ситуациях, имеющих малую вероятность наступления. В настоящей главе рассмотрены только основные принципы и методы системотехники.
16. Методология исследований операций при проектировании автоматизированных систем
Исследование операций. Это научное направление в исследовании и проектировании систем основано на математическом моделировании процессов и явлений. Различных определений науки об исследовании операций, как и системотехники, существует очень много. Более того, трудно провести четкое разделение между этими науками. Полагают, что специалист по исследованию операций имеет склонность к оптимизации операций в существующих системах, в то время как специалист по системотехнике склонен к созданию новых систем.
Под операцией обычно понимают действие, осуществляемое некоторой организацией согласно определенным условиям и инструкциям, подразумевая под организацией систему, включающую в себя коллективы людей.
Часто операции являются малоэффективными из-за подмены целей в организации операций. Поэтому, как правило, работа исследователей операций начинается с анализа критерия эффективности операции. Классическим примером успешного применения исследований операций является решение вопроса о целесообразности установки зенитных орудий на торговых судах союзников во время второй мировой войны.
При исследовании операций широко используется системный подход и математическое моделирование.
Как показала практика, методы исследования операций наиболее пригодны для исследования и разработки организационных систем, однако их можно использовать и при проектировании систем управления технологическими процессами на этапе постановки целей, определения показателей эффективности, составлении и исследовании математических моделей.
17. Этапы исследования автоматизированных систем в соответствии с методологией системного анализа
Рассмотрим основные этапы системного анализа, используемые при проектировании организационных и технологических систем управления.
На первом этапе формируется постановка задачи, которая состоит из определения объекта исследования, постановки целей, а также задания критериев для улучшения объекта и управления им. Этот этап плохо формализуется, поэтому успех определяется прежде всего искусством и опытом исследователя, глубиной его понимания поставленной проблемы. Этот этап важен, поскольку неправильная или неполная постановка целей может свести на нет результаты последующего анализа.
На втором этапе очерчиваются границы изучаемой системы, и ведется ее первичная структуризация. Совокупность объектов и процессов, имеющих отношение к поставленной цели, разбивается на два класса: изучаемую систему и внешнюю среду. Такое разделение происходит в результате последовательного перебора и включения в систему объектов и процессов, оказывающих заметное влияние на процесс достижения поставленных целей.
Окончание перебора может произойти, прежде всего потому, что будут исчерпаны все существенные факторы. Систему в этом случае можно рассматривать как замкнутую, т. е. с известной степенью приближения, не зависящей от внешней среды.
Другая возможность ограничения системы от внешней среды основывается на том, что в ряде случаев при изучении системы можно ограничиться лишь влиянием внешней среды на систему и пренебречь (с точки зрения поставленных целей) влиянием системы на среду. При этом получаем открытую систему, поведение которой зависит от входных сигналов, поступающих из внешней среды.
Завершение процесса первичной структуризации состоит в том, что выделяются отдельные составные части – элементы изучаемой системы, а возможные внешние воздействия представляются в виде совокупности элементарных воздействий.
Третий этап заключается в составлении математической модели изучаемой системы. Первым шагом в этом направлении является параметризация, т. е. описание выделенных элементов системы и элементарных воздействий на нее с помощью тех или иных параметров. Особую роль играют параметры, принимающие конечные множества значений. Эти параметры позволяют описать процессы и объекты, которые не могут быть охарактеризованы с помощью обычных числовых параметров, а различаются лишь косвенно.
Параметризация изучаемой системы представляет собой лишь первый шаг в построении ее математической модели. Второй шаг заключается в установлении различного рода зависимостей между введенными параметрами. Характер этих зависимостей может быть любым: для количественных (числовых) параметров зависимости обычно задают в виде систем уравнений (обыкновенных алгебраических или дифференциальных); для качественных параметров используют табличные способы задания зависимостей, основанные на перечислении всех возможных комбинаций значений параметров.
Наряду с вполне определенными функциональными зависимостями (задаваемыми однозначными функциями) в системном анализе используется различного рода вероятностные соотношения.
Зависимости между элементами обычно являются весьма сложными и разнообразными. Описание всех этих зависимостей также весьма сложно и громоздко, поэтому при построении математической модели обычно стремятся, по возможности, сократить это описание. Одним из наиболее употребительных приемов является разбиение изучаемой системы на подсистемы, выделение типовых подсистем, установление иерархии подсистем и стандартизации связей подсистем на одних уровнях с однотипными системами на других уровнях.
Выделение подсистем и установление их иерархии, помимо упрощения описания, преследует и другую цель: в процессе исследования уточняется первоначальная структура и параметры системы, а также окончательно определяются цели и критерии. В результате этого (третьего) этапа возникает законченная математическая модель системы, описанная на формальном математическом языке.
Задачей следующих этапов является исследование построенной модели. В отличие от классического случая для сложных систем, как правило, не удается найти аналитического решений, позволяющих описать поведение системы в общем виде, поэтому обычно при исследовании пользуются прямым (имитационным) моделированием изучаемой системы на ЭВМ.
В большинстве случаев применяют метод «проб и ошибок», который, в отличие от классического случая, при системном анализе является не только основным, но, как правило, и единственно возможным, поскольку известные аналитические приемы (вариационные методы, принцип максимума Понтрягина и др.) для сложных систем непригодны.
Таким образом, системный анализ представляет собой методологию исследования весьма сложных и неопределенных проблем, которая может быть использована при проектировании сложных АСУ ТП.
18. Принципы проектирования иерархических АСУ ТП. Признаки образования иерархических уровней АСУ ТП
АСУ ТП являются сложными системами управления. Как было указано ранее, существует множество определений сложной системы, которые подчеркивают тот или иной признак сложности. Не всякая АСУ ТП состоит из иерархически организованных подсистем. Но если эта система иерархически организована, ее, несомненно, следует считать сложной. Так как большинство АСУ ТП представляет собой системы комплексной автоматизации каких-либо процессов, состоящих из ряда подпроцессов со своими локальными системами управления, большинство из них является иерархическими в том или ином плане. Отсюда вытекает важность рассмотрения методов исследования и проектирования указанных систем.
Задачи проектирования иерархических АСУ ТП во многом зависят от признаков, которые положены в основу при подразделении сложной системы на соответствующие уровни иерархии.
Чаще всего используется организационный признак, который позволяет отображать фактически существующую субординацию (рис. 2.1). При этом каждый из уровней можно подразделить еще на ряд подуровней. Так, АСУ ТП первого уровня могут быть подразделены на локальные системы управления отдельными агрегатами и системы комплексного управления технологическими процессами (автоматическими линиями, участками производства и пр.).
В качестве признака часто используется избранный метод управления: регулирование, обучение и адаптация, самоорганизация.
Рис. 2.1. Двухуровневая система с нижестоящими управляющими системами
и единственной вышестоящей управляющей системой
В ряде случаев подразделение на основные уровни или расчленение основных уровней на подуровни можно выполнять по признаку, характеризующему определенный аспект деятельности.
Систему можно разбить на иерархически связанные между собой уровни также по временному признаку. В этом случае при отнесении элементов к тому или иному уровню в основу кладется интервал времени, через который необходимо вмешательство последующего уровня в процесс управления нижестоящим уровнем для обеспечения нормального функционирования системы.
Иерархические системы управления образуются также в результате расчленения какой-либо сложной задачи на более простые подзадачи. В этом случае элементы иерархической структуры называют уровнями сложности принимаемого решения.
В АСУ ТП весьма распространены двухуровневые системы (рис. 2.1), методы синтеза и анализа которых в настоящее время разработаны наиболее полно.
Ввиду того, что алгоритмы управления локальных подсистем С1–Сп не учитывают связей между отдельными подпроцессами, возникает проблема координации. Сущность этой проблемы заключается в следующем: требуется разработать систему более высокого иерархического уровня Со, которая управляла бы локальными подсистемами таким образом, чтобы они функционировали согласованно и были подчинены общей цели.
19. Принципы проектирования алгоритмов управления в иерархических АСУ ТП
В теории иерархических систем разработаны несколько принципов, пригодных для синтеза алгоритма функционирования координатора Со, которые подобны принципу обратной связи в теории автоматического регулирования и управления.
Принцип прогнозирования взаимодействий заключается в том, что управляющие воздействия верхнего уровня распределяются между подсистемами нижнего уровня таким образом, что каждая из подсистем становится автономной относительно других подсистем этого же уровня.
Принцип оценки взаимодействий в отличие от принципа прогнозирования взаимодействий утверждает, что задача координации решается всякий раз, когда ошибка прогнозирования находится в заданной области.
Принцип согласования взаимодействий заключается в том, что элементы С1 и С2 трактуют связующий сигнал как дополнительную переменную решения. Этот принцип утверждает, что управляющее воздействие (вектор т) решает поставленную задачу, когда т является решением задач управления подсистемами С1 и С2 и связующие сигналы, выбранные нижестоящими элементами, совпадают с действительными значениями связующих переменных.
В теории иерархических систем рассмотрены вопросы применимости указанных принципов, синтеза процедур координации и анализа скорости их сходимости.
Наиболее часто в двухуровневой АСУ ТП используют линейную процедуру координации. При линейной координации координирующие сигналы подаются дискретно в некоторые последовательные моменты времени.
20. Структура государственной системы стандартизации РФ
При проектировании систем автоматизации приходится обращаться ко всей системе стандартов Российской Федерации, а также к различным руководящим и методическим материалам и документам, правилам и нормам. В РФ действуют следующие системы документов (системы стандартов), регламентирующих проектные, строительные, монтажные и эксплуатационные работы на территории РФ:
ГСС – Государственная система стандартизации;
ЕСКД – Единая система конструкторской документации;
ЕСТД – Единая система технологической документации;
СПКП – Система показателей качества продукции;
УСД – Унифицированные системы документации;
СИБИД – Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу;
ГСИ – Государственная система обеспечения единства измерений;
ЕСЗКС – Единая система защиты от коррозии и старения материалов и изделий;
ССБТ – Система стандартов безопасности труда;
ЕСТПП – Единая система технологической подготовки производства;
ЕСПД – Единая система программной документации;
СПДС – Система проектной документации для строительства;
СНиП – Строительные нормы и правила;
СанПиН – Санитарные правила и нормы.
21. Состав проектной документации при двухстадийном проектировании АСУ ТП в соотвествии со СНиП 1.02.01-85
В соответствии со СНиП 1.02.01-85 проектирование систем автоматизации технологических процессов выполняют в две стадии: проект и рабочая документация или в одну стадию: рабочий проект.
В проекте разрабатывается следующая документация:
1) структурная схема управления и контроля (для сложных систем управления);
2) структурная схема комплекса технических средств (КТС);
3) структурные схемы комплексов средств автоматизации;
4) функциональные схемы автоматизации технологических процессов.
Для объектов с несложным технологическим процессом и простыми системами автоматизации допускается вместо функциональных схем автоматизации составлять перечни параметров контроля, регулирования, управления и сигнализации;
5) планы расположения щитов, пультов, средств вычислительной техники и т. д.;
6) заявочные ведомости приборов и средств автоматизации, средств вычислительной техники, электроаппаратуры, трубопроводной арматуры, щитов и пультов, основных монтажных материалов и изделий, нестандартизированного оборудования;
7) технические требования на разработку нестандартизированного оборудования;
8) локальная смета на монтажные работы, приобретение и монтаж технических средств систем автоматизации, составленные в порядке, установленном СНиП 1.02.01-85;
9) пояснительная записка;
10) задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на разработки, связанные с автоматизацией объекта:
а) на обеспечение средств автоматизации электроэнергией, сжатым воздухом, гидравлической энергией, теплоносителями, хладоагентами (требуемых параметров); на теплоизоляцию трубных проводок и устройств;
б) на проектирование помещений систем автоматизации (для установки щитов, пультов, средств вычислительной техники, датчиков и т. д.), а также помещений для работы оперативного персонала, кабельных сооружений (туннелей, каналов, эстакад и т. д.), проемов и закладных устройств в строительных конструкциях;
в) на обеспечение средствами производственной связи;
г) на размещение и установку на технологическом оборудовании и трубопроводах закладных устройств, первичных приборов, регулирующих и запорных органов и т. п.;
д) на устройства пожаротушения и пожарной сигнализации.
22. Особенности разработки проектной документации на создание АСУ ТП при одностадийном проектировании
В состав рабочего проекта при одностадийном проектировании входят:
а) техническая документация, разрабатываемая в составе рабочей документации при двухстадийном проектировании;
б) локальная смета на оборудование и монтаж;
в) задания генпроектировщику (смежным организациям или заказчику) на работы, связанные с автоматизацией объекта.
Допускается совмещать функциональные схемы автоматизации с технологическими (монтажно-технологическими), разрабатываемыми в основных комплектах технологического проекта объекта. При этом такая совмещенная схема должна быть приложена к основному комплекту проекта автоматизации.
Принципиальные электрические, пневматические и гидравлические схемы контуров контроля и регулирования допускается не включать в состав основного комплекта рабочих чертежей, если взаимные связи приборов и аппаратуры, входящие в состав этих контуров, просты или однозначны и могут быть с достаточной полнотой отображены в других схемах.
Для комплектов технических средств операторских и диспетчерских помещений, в которые кроме щитов и пультов включаются защитовые конструкции (стойки, щиты зажимов и т. п.), а также электрические и трубные проводки (штатные кабели и трубы, несущие и опорные конструкции), в состав документации дополнительно включают:
Для аппаратурных стоек общий вид может содержать только схему расположения блоков или модулей в стойке.
23. Состав рабочей документации на создание АСУ ТП, регламентируемый ГОСТ 21.408-93 СПДС, ГОСТ 34.201-89 и РМ4-59-95
Состав рабочей документации на создание АС ТП регламентируется также ГОСТ 21.408-93 СПДС «Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов» и ГОСТ 34.201-89 «Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем».
В соответствии с ГОСТ 21.408-93 в состав основного комплекта рабочих чертежей систем автоматизации в общем случае включают:
- общие данные по рабочим чертежам;
- схемы автоматизации;
- схемы принципиальные (электрические, пневматические);
- схемы (таблицы) соединений и подключения внешних проводок;
- чертежи расположения оборудования и внешних проводок;
- чертежи установок средств автоматизации.
ГОСТ 34.201-89 предусматривает следующие документы, разрабатываемые при проектировании системы в целом или ее частей.
На стадии создания эскизного проекта (ЭП) разрабатываются:
- ведомость эскизного проекта;
- пояснительная записка к эскизному проекту;
- схема организационной структуры;
- схема структурная комплекса технических средств;
- схема функциональной структуры;
- перечень заданий на разработку специализированных (новых) технических средств;
- схема автоматизации;
- технические задания на разработку специализированных (новых) технических средств.
На стадии создания технического проекта (ТП):
- схема организационной структуры;
- схема структурная комплекса технических средств;
- схема функциональной структуры;
- перечень заданий на разработку специализированных (новых) технических средств;
- схема автоматизации;
- технические задания на разработку специализированных (новых) технических средств;
- задания на разработку строительных, электротехнических, санитарно-технических и других разделов проекта, связанных с созданием системы;
- ведомость технического проекта;
- ведомость покупных изделий;
- перечень входных сигналов и данных;
- перечень выходных сигналов (документов);
- перечень заданий на разработку строительных, электротехнических, санитарно-технических и других разделов проекта, связанных с созданием системы;
- пояснительная записка к техническому проекту;
- описание автоматизируемых функций;
- описание постановки задач (комплекса задач);
- описание информационного обеспечения системы;
- описание организации информационной базы;
- описание систем классификации и кодирования;
- описание массива информации;
- описание комплекса технических средств;
- описание программного обеспечения;
- описание алгоритма (проектной процедуры);
- описание организационной структуры;
- план расположения;
- ведомость оборудования и материалов;
- локальный сметный расчет;
- проектная оценка надежности системы;
- чертеж формы документа (видеокадра).
На стадии создания рабочей документации (РД) разрабатываются:
- проектная оценка надежности системы;
- чертеж формы документа (видеокадра);
- ведомость держателей подлинников;
- ведомость эксплуатационных документов;
- спецификация оборудования;
- ведомость потребности в материалах;
- ведомость машинных носителей информации;
- массив входных данных;
- каталог базы данных;
- состав выходных данных (сообщений);
- локальная смета;
- методика (технология) автоматизированного проектирования;
- технологическая инструкция;
- руководство пользователя;
- инструкция по формированию и ведению базы данных (набора данных);
- инструкция по эксплуатации КТС;
- схема соединений внешних проводок;
- схема подключения внешних проводок;
- таблица соединений и подключений;
- схема деления системы (структурная);
- чертеж общего вида;
- чертеж установки технических средств;
- схема принципиальная;
- схема структурная комплекса технических средств;
- план расположения оборудования и проводок;
- описание технологического процесса обработки данных (включая телеобработку);
- общее описание системы;
- программа и методика испытаний (компонентов, комплексов средств автоматизации, подсистемы, систем);
- формуляр;
- паспорт.
24. Назначение функциональных схем автоматизации
Схемы функциональные разъясняют определенные процессы, протекающие в отдельных функциональных цепях изделия или в изделии в целом. Этими схемами пользуются для изучения принципов работы изделия, а также при его наладке, приемке, контроле и ремонте. Функциональная схема по сравнению со структурной более подробно раскрывает функции отдельных элементов и устройств.
Схема является основным техническим документом, определяющим функционально-блочную структуру отдельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования технологического процесса и оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации (в том числе средствами телемеханики и вычислительной техники).
Объектом управления в системах автоматизации технологических процессов является совокупность основного и вспомогательного оборудования вместе с встроенными в него запорными и регулирующими органами, а также энергии, сырья и других материалов, определяемых особенностями используемой технологии.
Задачи автоматизации решаются наиболее эффективно тогда, когда они прорабатываются в процессе разработки технологического процесса. В этот период нередко выявляется необходимость изменения технологических схем с целью приспособления их к требованиям автоматизации, установленным на основании технико-экономического анализа.
Создание эффективных систем автоматизации предопределяет необходимость глубокого изучения технологического процесса не только проектировщиками, но и специалистами монтажных, наладочных и эксплуатационных организаций.
При разработке функциональных схем автоматизации технологических процессов необходимо следующее:
25. Общие принципы разработки функциональных схем автоматизации
Практически не ограничены и условия их функционирования и требования по управлению и автоматизации. Однако, базируясь на опыте проектирования систем управления и автоматизации, можно сформулировать некоторые общие принципы, которыми следует руководствоваться при разработке функциональных схем автоматизации:
1) уровень автоматизации технологического процесса в каждый период времени должен определяться не только целесообразностью внедрения определенного комплекса технических средств и достигнутым уровнем научно-технических разработок, но и перспективой модернизации и развития технологических процессов. Должна сохраняться возможность наращивания функций управления;
2) при разработке функциональных и других видов схем автоматизации и выборе технических средств должны учитываться: вид и характер технологического процесса, условия пожаро- и взрывоопасности, агрессивность и токсичность окружающей среды и т. д.; параметры и физико-химические свойства измеряемой среды; расстояние от мест установки датчиков, вспомогательных устройств, исполнительных механизмов, приводов машин и запорных органов до пунктов управления и контроля; требуемая точность и быстродействие средств автоматизации;
3) система автоматизации технологических процессов должна строиться, как правило, на базе серийно выпускаемых средств автоматизации и вычислительной техники. Необходимо стремиться к применению однотипных средств автоматизации и предпочтительно унифицированных систем, характеризующихся простотой сочетания, взаимозаменяемостью и удобством компоновки на щитах управления. Использование однотипной аппаратуры дает значительные преимущества при монтаже, наладке, эксплуатации, обеспечении запасными частями и т. п.
4) в качестве локальных средств сбора и накопления первичной информации (автоматических датчиков), вторичных приборов, регулирующих и исполнительных устройств следует использовать преимущественно приборы и средства автоматизации Государственной системы промышленных приборов (ГСП);
5) в случаях, когда функциональные схемы автоматизации не могут быть построены на базе только серийной аппаратуры, в процессе проектирования выдаются соответствующие технические задания на разработку новых средств автоматизации;
6) выбор средств автоматизации, использующих вспомогательную энергию (электрическую, пневматическую и гидравлическую), определяется условиями пожаро- и взрывоопасности автоматизируемого объекта, агрессивности окружающей среды, требованиями к быстродействию, дальности передачи сигналов информации и управления и т. д.;
7) количество приборов, аппаратуры управления и сигнализации, устанавливаемой на оперативных щитах и пультах, должно быть ограничено. Избыток аппаратуры усложняет эксплуатацию, отвлекает внимание обслуживающего персонала от наблюдения за основными приборами, определяющими ход технологического процесса, увеличивает стоимость установки и сроки монтажных и наладочных работ. Приборы и средства автоматизации вспомогательного назначения целесообразнее размещать на отдельных щитах, располагаемых в производственных помещениях вблизи технологического оборудования.
26. Условные графические изображения средств измерения и автоматизации, технологического оборудования и коммуникации на функциональных схемах автоматизации
Размеры графических условных обозначений приборов
и средств автоматизации по ГОСТ 21. 404-85
|
Наименование |
Обозначение |
|
Прибор:
а) основное обозначение
б) допускаемое обозначение |
|
|
Исполнительный механизм
|
Рис. 5.3. Пример построения условного обозначения прибора для измерения,
регистрации и автоматического регулирования перепада давления
Основные условные обозначения приборов и средств
автоматизации по ГОСТ 21.404-85
|
Наименование |
Обозначение |
|
1. Прибор, устанавливаемый вне щита (по месту):
а) основное обозначение
б) допускаемое обозначение
|
|
|
2. Прибор, устанавливаемый на щите, пульте:
а) основное обозначение
б) допускаемое обозначение |
|
|
3. Исполнительный механизм. Общее обозначение |
|
|
4. Исполнительный механизм, который при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала:
а) открывает регулирующий орган
б) закрывает регулирующий орган
в) оставляет регулирующий орган в неизменном положении
|
|
|
5. Исполнительный механизм с дополнительным ручным приводом Примечание. Обозначение может применяться с любым из дополнительных знаков, характеризующих положение регулирующего органа при прекращении подачи энергии или управляющего сигнала |
|
|
6. Линия связи. Общее обозначение |
|
|
7. Пересечение линий связи без соединения друг с другом
|
|
|
8. Пересечение линий связи с соединением между со- бой
|