Метод формализованного создания систем промышленной автоматизации на основе виртуального моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Звольский, Леонид Станиславович

• Звольский, Леонид Станиславович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Звольский, Леонид Станиславович

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕТОДА ФОРМАЛИЗОВАННОГО СОЗДАНИЯ СП А.

1.1. АНАЛИЗ ОБЩЕЙ СТРУКТУРЫ СПА И ПРИНЦИПОВ ЕЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ.

1.2. АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ СПА.

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОЙ СПЕЦИФИКОЙ.

2.1. ПРИНЦИПЫ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ.

2.2. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЛЯ ИССЛЕДУЕМЫХ ОБЪЕКТОВ.

2.3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСНОВЫ УСО ДЛЯ ОБЪЕКТОВ С ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНОЙ СПЕЦИФИКОЙ.

2.4. ВИРТУАЛЬНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ УСО.

ГЛАВА 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ СПА.

3.1. КОМПЛЕКТНОСТЬ ПРОЕКТНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ.

3.2. ВИРТУАЛЬНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ СПА.

ГЛАВА 4. СОПРОВОЖДЕНИЕ СПА И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ.;.

4.1. ПРИНЦИПЫ СТРУКТУРНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ И АНАЛИЗ ИХ ЭВОЛЮЦИОННОГО РАЗВИТИЯ.

4.2 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

4.3. СОПРОВОЖДЕНИЕ ИЛИ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ СПА.

4.4. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМЫ С ОПЕРАТОРОМ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод формализованного создания систем промышленной автоматизации на основе виртуального моделирования»

Актуальность темы исследования. Экономический спад советской, а затем и российской промышленности наметившийся к концу 80-х началу 90-х годов привел к значительному сокращению финансирования научных и практических разработок в большинстве направлений народно-хозяйственной деятельности.

Вследствие этого, снизились темпы внедрения современных информационных технологий в научные и исследовательские разработки и в такие наукоемкие сферы производства, к которой относится оборонная промышленность.

Потенциально опасные производственные технологии, реализуемые в этой сфере, предъявляют особые требования к структурной организации автоматизированных систем управления процессами и производственными комплексами. Невозможность создания полностью автоматических систем для исследуемых объектов, исключающих наличие в контуре управления человека, как субъекта системы, не позволяет с помощью математических методов полностью смоделировать и протестировать создаваемую СПА до ее внедрения на объекте [1,2]. В идеальном случае, управление такими процессами должно выполняться в так называемом, «безлюдном» дистанционном режиме, с целью минимизации аварийных рисков в процессе функционирования производства. При создании автоматизированных систем для таких объектов, часто отсутствует возможность «прогонки» и проверки принимаемых и принятых проектных решений с использованием объектового оборудования.

Автоматизированные системы управления технологическими процессами являются базовыми элементами при проектировании новых или модернизации существующих производств.

Системы обеспечивают выполнение функции дистанционного контроля и управления, сбор данных и передачу их на верхние уровни для принятия на их основе решений по управлению производством.

При заданных технических требованиях к системам их практическое проектирование включает в себя следующие основные этапы: структурный анализ систем, проектирование систем, внедрение и сопровождение систем. [6-12].

В работе эти процессы рассматриваются как комплекс инженерно-технических мероприятий, направленных на реализацию необходимых работ в рамках упомянутых этапов и определяются термином «создание» систем.

Факторами, усложняющими создание современных систем управления, являются интенсификация технологических процессов, а также объединение отдельных агрегатов в крупные технологические комплексы и производства, которые должны управляться единой интегрированной системой. Проблемы построения таких систем исследуются в рамках нового научного направления -архитектура АСУ, предметом которого является разработка концепций взаимосвязи распределенной информационно-вычислительной среды на логическом (функциональном), программном и физическом уровнях [83,84,85].

Развитие современных информационных технологий и теории информационных систем, новая техническая база средств автоматизации нашли широкое применение в практике проектирования систем.

В соответствии с данными авторов[13,14,86], наиболее трудоемким видом работ при создании различных автоматизированных систем считается разработка программного обеспечения, на которое приходится до половины времени разработки системы в целом. По той же оценке разработка и согласование технического задания на создание системы составляет более четверти отпущенного времени, остальное время используется для проектирования или графического начертания схем и внедрения систем.

Этот факт указывает на неэффективность традиционных методов создания систем, по крайней мере, на двух указанных выше этапах, а именно на этапе структурного анализа систем и разработки программного обеспечения.

Сегодня новые подходы базируются на использовании различных моделей, построенных на основе теории информационных систем, теории автоматов, локальных и глобальных вычислительных сетей и т.п. и объединяются общим названием «автоматизация проектирования АСУ». 5

В отличие от «чистого» проектирования АСУ, теперь чаще ставится задача создания систем в целом, как информационно взаимосвязанных функциональных структур состоящих из различных уровней: собственно АСУ или нижнего уровня, цехового звена или среднего уровня, административного и корпоративного звеньев высшего уровня.

Новые концепции базируются па следующих положениях:

• разложение (декомпозиция) создаваемой системы на подсистемы, связанные через стандартизованные интерфейсы, что упрощает проектирование, модификацию и эксплуатацию систем;

• систематизация действий проектировщика на основе алгоритма проектирования, связывающего стадии создания, виды проектных работ и проектных документов в единое целое;

• контроль результатов работ каждой стадии на основе критериев качества и аналитических методов;

• проблемно-ориентированная запись исходных данных на языке проектирования для улучшения взаимопонимания между участниками работ; предпочтительное применение графических форм представления исходных данных;

• повторное применение готовых компонентов на основе принципов модульности и параметризации при наличии четкого описания условий применения (интерфейсов);

Для реализации этих концепций предлагаются различные системы автоматизации проектирования и программирования (САПР на основе CAD, САМ, CATIA , SCADA и MES-системы и др.), которые, в основном, ориентированы на создание «глобальных» информационных структур, что является определенным недостатком, связанным с их адаптацией к производственным структурам «среднего» цехового уровня, составляющим основу любых промышленных предприятий. Внедрение подобных подходов на действующих предприятиях весьма проблематично, так как оно связано с большими материальными затратами и требует зачастую «революционной» структурной и кадровой реорганизации предприятий, что не всегда приемлемо для действующих предприятий, сохранивших в условиях экономического спада производственные мощности и профессиональный кадровый состав.

В обычной практике задача создания системы автоматизации с учетом требований среднего звена (простейший случай) решается проектировщиком системы совместно с технологом. Проектировщику системы приходится решать задачи формализации технического задания, высказанного технологом на естественном языке. В более сложных случаях необходимо использовать специальные грамматики, учитывающие свойства управляемого объекта, высказанные технологом на естественном языке, которые порождают автоматные сети (графы переходов автомата), эквивалентные в смысле поведения управляемому объекту.

Такой подход, в общем случае, неадекватно описывает реальный процесс ввиду неизбежного наличия неоднозначностей и неполноты высказываний, при переводе их на языки формальной логики. Вследствие сложности обратного перехода от формального описания к описанию, составленному технологом, исправление ошибок, неверно принятых проектных решений и неправильного функционирования системы управления, затруднено и выявляется лишь при «прогонке» созданных систем с использованием объектового оборудования.

Эти проблемы решаются различными подходами, позволяющими упростить взаимосвязь технолога с разработчиком систем, программистом и конструктором и облегчить адекватное описание уже после некоторой обработки формального описания и моделирования на ЭВМ, которое упрощает переход от формального к неформальному описанию. В аспекте рассматриваемых проблем, особые требования предъявляются к методам выбора эффективных и надежных решений, способам их тестирования и выявления несостоятельных решений на начальных стадиях проектирования.

Отсутствие таких методов приводит к тому, что неверно выбранные стратегии и ошибки проектирования и организации управления на начальных стадиях создания систем, становятся очевидными лишь при их практической реализации с использованием уникального объектового оборудования. Это, 7 зачастую, приводит к значительным материальным, а в худшем случае, и людским потерям, при наступлении каких-либо форс-мажорных обстоятельств на производствах, реализующих потенциально опасные технологии.

Минимизации риска при управлении наукоемкими и дорогостоящими производствами является характерным требованием для исследуемых объектов с потенциально опасной спецификой функционирования. Эта сфера инженерной деятельности жестко регламентируется специальными отраслевыми руководящими материалами, ГОСТ и стандартами предприятий, требованиями нормативной документации, указывающих на необходимость улучшения качества управления производствами, в том числе и с помощью автоматизированных систем. [3 - 5].

Предлагаемый в работе метод формализованного создания автоматизированных систем направлен на устранение отмеченных недостатков и обеспечивает возможность коллективного анализа принимаемых решений на всех этапах создания систем (анализе систем, проектировании, программировании и сопровождении), их виртуального моделирования, тестирования, выявления и корректировки несостоятельных решений, до начала их реализации.

Это позволяет принимать выверенные решения на начальных стадиях создания систем, сберегать материальные ресурсы, повышать производительность инженерного труда, а так же снизить влияние субъективного фактора на качество принимаемых решений и повысить их эффективность, что является достаточно актуальной задачей для исследуемой области.

Формализованный метод позволяет создавать на виртуальном уровне как простейшие системы управления, (например, управление отдельным агрегатом), так и системы управления множеством различных агрегатов и механизмов, объединенных в комплексные производственные структуры, с учетом современных тенденций в области внедрения информационных технологий, о которых говорилось выше.

В частности, используемая в работе модель «черного ящика» для структурного анализа систем позволяет показать, что любая, сколь угодно 8 простая (отдельный агрегат) или сложная (комплекс агрегатов) система является составляющей частью общей производственной структуры. Такая структура должна состоять, по крайней мере, из трех взаимосвязанных уровней или систем, определенных в работе как: организационная система, технологическая и техническая.

Поэтому, при создании любых (простых или сложных) систем в данном подходе объективно учитываются требования всех уровней, которые в работе рассматриваются как равнозначные, и по структурной организации систем, и по ответственности каждой из них за выбор технических решений, качество и надежность способов их реализации в процессе создания и функционирования систем.

В этом смысле, такие структуры целесообразнее называть не «чистыми» автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУТП), а системами промышленной автоматизации (СПА), придавая этому более узкий смысл, когда речь идет о создании системы управления примитивными объектами, или более широкий смысл, когда речь идет о создании комплексных многоуровневых систем.

При этом, формализованное выполнение необходимых процессов инженерной деятельности выполняется на каждом этапе до уровня возможной достаточности виртуальных структур и графических образов, которые создаются без ущерба требований указанных в нормативной документации и обеспечивают последующую «быструю» их адаптацию в практической реализации. Исходя из этого, сформулированы основные цели и задачи работы.

Цели и задачи исследования состоят в разработке и внедрении метода формализованного создания СПА, позволяющего на виртуальном уровне (без использования объектового оборудования), выполнять значительную часть проектных и конструкторских работ, создавать документы и программные продукты, которые затем используются при практической реализации и внедрении СПА. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• разработка метода формализованного построения типовых структур СПА; 9

• разработка новых технических конструкций для создания систем;

• разработка формализованных алгоритмов для программирования систем;

• разработка новых структур СПЛ с улучшенной функциональной надежностью;

• исследование принципов функционирования человеко - машинных систем и поиск путей повышения их эксплуатационной надежности.

Объект, предмет и методы исследования. В качестве объектов исследования выбраны действующие в ФГУП ФНПЦ «Алтай» технологические процессы изготовления изделий на основе смесевых твердых топлив (СТТ) и процесс производства взрывчатых веществ (ВВ) общепромышленного назначения. Предметом исследования являются процессы инженерной деятельности, реализуемые при создании СПА.

Теоретической и методической основой исследования явились: структурный системный анализ, методы и подходы теории управления, методологии построения и структурного анализа систем, компьютерных сетей и баз данных, интеллектуальных пользовательских интерфейсов, имитационного моделирования и др. В работе используются теоретические труды советских, российских и зарубежных ученых: А.А. Ляпунова, В.И. Лоскутова, Ф.И. Перегудова, В.П. Тарасенко, А.А.Шалыто, Е.С.Вентцель, Джеймс Х.Х., С.А. Юдицкого, В.В.Кафарова, Оптнер С., В.А. Силича, А.С. Жаркова, Н.М. Оскорбина, Ф.А. Попова и др., в которых рассматриваются вопросы теории и практики создания автоматизированных систем управления промышленными производствами. Известно, что существуют и другие подходы, рассматривающие лишь отдельные проблемы создания АСУ.[82]. В частности сотрудниками института им. Е.О. Патопа, г. Киев, разработан так называемый «схемный эмулятор» (авт. свидетельство №214-ПА от 12.08.96), ориентированный на метод формализованного аппаратного проектирования систем автоматизации (без алгоритмических программ), построенный на использовании моделей «черного ящика» и автоматных принципах функционирования технологической и технической систем. Метод «схемного» эмулирования предполагает, что из процесса создания АСУ вообще исключается стадия логического программирования (из процесса исключается программист, как субъект организационной структуры). Все логические функции управления должны быть, после моделирования схем, реализованы за счет «прошивки» аппаратных средств (микросхем и контроллеров) которые реализуют необходимые логические функции управления процессом. Реализация такого подхода, пока не нашла широкого применения.

Предлагаемый в данной работе метод является комплексным и предполагает использование и аппаратных и программно-логических средств, для реализации процессов создания СПА и обеспечивает эволюционный переход к использованию новейших информационных технологий и повышения эффективности функционирования промышленных предприятий в современных экономических условиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• создан научно-обоснованный метод, обеспечивающий интеграцию четырех функционально разделенных в обычной практике процессов инженерной деятельности реализуемых при создании СПА, и позволяющий виртуально моделировать, коллективно анализировать и тестировать необходимые процессы до их практической реализации с целью поиска оптимальных решений;

• найден и реализован подход, позволяющий характеризовать автоматизируемые объекты, не физико-химическими явлениями и математическим описанием реализуемых технологических процессов, а универсальной системотехнической характеристикой (СТХ), которая обеспечивает достаточную для реализации метода формализацию структур, логических моделей и графических образов.

Практическая значимость работы заключается в том, что: • внедрен метод формализованного создания СПА на основе виртуальных моделей, который обеспечивает повышение производительности инженерного труда вдвое, на всех стадиях создания СПА - от технического задания до внедрения и сопровождения систем, и позволяет сокращать время адаптации виртуальных структур к реальным объектам;

• разработан и используется в инженерной практике специализированный программный конфигуратор, позволяющий на основе универсальной СТХ конструировать технические средства систем, моделировать графические образы и структуры СПА, исследовать и тестировать их на начальных стадиях создания, что снижает практические риски аварий при «прогонке» системы с использованием уникального объектового оборудования;

• предложен формализованный алгоритм разработки и реализации программ автоматизированного дистанционного управления сложными промышленными объектами не имеющий логических тупиковых ветвей, что повышает качество управления процессами;

• реализованы структурные схемы СПА с улучшенной функциональной надежностью, основанные на способе логического резервирования составных частей системы.

• на основе полученных результатов разработаны три типовые конструкции УСО, проектные документы и программные продукты, обеспечивающие «быструю» адаптацию формализованных структур в случае принятия решений направленных на практическое создание СПА.

Руководимый автором коллектив получил в 2002 году Государственную лицензию «Д-304412, рег. № ГС-6-22-02-21-0-2204001038-00554-1» на право самостоятельного (без услуг Генпроектировщика) выполнения работ по созданию СПА для потенциально опасных технологических процессов. За разработку и внедрение СПА для производства ВВВ, автору в 2002 году, в составе коллектива, присуждена премия Правительства Российской федерации, а в 2003 году вручена Почетная грамота Российского агентства по боеприпасам, которая имеет статус Правительственной награды.

Реализация результатов работы. Метод формализованного создания СПА на основе виртуальных моделей применяются на действующем предприятии

ФГУП ФНПЦ «Алтай») в течение ряда лет, где созданы различные СПА для производства зарядов на основе СРТТ и ВВВ.

В полном объеме эффективность метода была проверена при создании и внедрении СПА различного назначения, созданных в кратчайшие сроки для выполнения шести международных контрактов с подписанием актов внедрения.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на научно-практических конференциях ФГУП ФНПЦ «Алтай», Алтайском государственном университете и представлены в различных публикациях. По теме работы в открытой печати опубликовано 19 статей.

На защиту выносятся:

• метод формализованного проектирования, конструирования, программирования и сопровождения СПА для технологических процессов с дискретным характером функционирования;

• формализованное конструирование УСО с улучшенными функциональными характеристиками;

• формализованный алгоритм разработки программного обеспечения СПА и применимость новых схемных решений для повышения функциональной надежности систем.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Материал изложен на 150 страницах, включает 27 рисунков, 19 таблиц, 87 наименований литературы, 4 приложения.

Автор выражает благодарность Генеральному директору - генеральному конструктору, ФГУП ФНПЦ «Алтай», д. т. н., член-корр. РАН А.С. Жаркову, за помощь в определении темы исследований и научное консультирование, научному руководителю, д.т.н., профессору Ф.А. Попову за постановку задач исследования, а так же сотрудникам лаборатории, за помощь в оформлении работы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Звольский, Леонид Станиславович

Эти выводы справедливы для промышленных объектов с дискретным характером производства, где часть производственных циклов можно повторить заново, приостановить и продолжить без материальных потерь, но не могут быть распространены на быстротекущие процессы, какими является, например, утилизация зарядов, где время цикла измеряется секундами.

При создании СПА для таких процессов 100% резервирование ТСА, очевидно, не гарантирует требуемой функциональной надежности, так как время ввода в

112 эксплуатацию резервной СПА, может оказаться намного больше времени протекания самого процесса.

В таких системах повышение функциональной надежности, чаще всего, осуществляется за счет дублирования количества однотипных каналов, работающих параллельно, но тогда такую систему можно рассматривать как несколько обычных СПА работающих одновременно.

Из изложенного следует, что в области создания СПА для потенциально опасных процессов, наблюдается тенденция к повышению функциональной надежности технических систем за счет использования при их создании ТСА с повышенными техническими и эксплуатационными характеристиками. При этом функциональная надежность обеспечивается не технической надежностью отдельных элементов, а такими схемными решениями при проектировании СПА при которых минимизируется время восстановления работоспособности системы в целом.

Таким образом, функциональная надежность технических систем для потенциально опасных процессов, имеет первостепенное значение и пути ее повышения не в увеличении количества ТСА и создания резервных 100 % структур, а в использовании современных материалов и технологий, развитии методов их организации - схемных и конструктивных решений.

4.4. Функциональная надежность системы с оператором

Известным недостатком в эргатических системах с дистанционными режимами управления, является наличие интеллектуального звена или оператора системы через которого «замкнуты» отдельные контуры управления.

Разработчики СПА постоянно ищут новые решения для уменьшения влияния этой составляющей и повышения функциональной надежности систем управления.

Так широко распространяемые в конце 90 - х годов, на рынке средств автоматизации получили программные продукты под общим названием SCADA, которые в определенной степени, явились инструментом, позволившим частично снизить нагрузку на интеллектуальную составляющую систем автоматизации.

В частности, в [66] показано, что анализируемые нами производства (или подобные им) относятся к классическим потоковым технологиям где, технологические процессы можно рассматривать как последовательность работ (поток), включающую ряд этапов в логистическом процессе производства. Потоки в процессе производства формируются, выполняют производственную задачу и гасятся (разбираются). Цель управления объектом с потоковой технологией - организация структуры и поддержание требуемых параметров различного рода потоков'. Эти цели достигаются путем решения двух групп задач:

• регулирование параметров потока в заданном режиме (управление функционированием);

• формирование, мониторинг, реконфигурация и гашение (разборка) структур потоков.

Первая группа задач решается различными системами автоматизации, включающими регуляторы, блокировки, программные автоматы (контроллеры). Эти задачи решаются на основе хорошо изученных принципов обратной связи.

Решение второй группы задач сводится к настройке оборудования и решается оператором средствами дистанционного управления.

Основные этапы решения этих задач закрепляются в производственных заданиях, регламентах, должностных инструкциях и автоматизируются лишь частично в виде алгоритмов функционально - группового управления.

Связь с процессами объекта управления выполняется системой автоматизации, обеспечивающей управление функционированием через локальные регуляторы, защиты, блокировки. Связь в режиме функционально - группового управления осуществляется через оператора системы и реализуется посредство человеко -машинного интерфейса (MMI).

Получая данные об объекте управления, оператор осуществляет дистанционное управление им и создает базу данных системы.

Фактическая задача управления структурой информационных потоков решается применением функций программно логической системы (это не обязательно SCADA , а любая программно - логическая система) по приведенной ниже схеме. [67]

1.Работают устройства автоматизации. Оператор анализирует результаты работы регуляторов, механизмов, защит, блокирово, оценивает ситуацию и поток событий.

2. По потоку событий и текущим целям определяет необходимость изменения структуры потоков. Если таковой необходимости нет, то переходит к пункту 1 - иначе к пункту 3

3. Оператор проводит визуальный анализ текущего состояния структуры потоков по мнемосхемам (графические модели структуры) и сопоставляет ее с требуемой структурой.

4. Определяет отличия путем умозрительного анализа изображения и формирует команды ДУ на исполнительные механизмы структуры, через коммутирующие узлы системы автоматизации. Далее переходит к пункту 1.

На рис. 26 приведена схема взаимодействия оператора со средствами программно -логического управления ( в данном примере со SCADA).

Оператор, анализируя модель ОУ, представленную в системе как совокупность параметров и активных мнемосхем, воссоздает в своем сознании НФБД содержащую фактическое состояние и конфигурацию материальных потоков в текущий момент времени (t). Здесь он и выступает как интеллектуальное звено системы. В соответствии с производственным заданием он формирует в НФБД параметры либо структуру технологического потока в следующий момент времени (t+1).

SCADA (MMIL

Рис. 26 - Взаимодействие оператора со SCADA - системой

По отличиям параметров и структуры текущих потоков выбирает совокупность управляющих процедур, обеспечивающих преобразование текущей структуры потоков в требуемую.

Далее выбранные процедуры реализуются средствами SCADA - системы в последовательность команд ДУ, которые исполняются средствами системы автоматизации и уже фиксируется в формальной БД.

Таким образом, оператор работает с двумя БД: формальной, поддерживаемой средствами SCADA и НФБД, отражаемой в производственных заданиях, регламентах, знаниях персонала и должностных инструкциях. Алгоритм работы оператора с БД приведен на рис. 27. При таких схемах построения НФБД фактически является основной в деятельности оперативного персонала, она более информативна, так как содержит потоки, их параметры, аккумулирует и управляет умениями в реальном масштабе времени.

Поскольку она находится вне СПА, эффективность управления по ней целиком определяется квалификацией персонала, т.е. оперативность и точность решения задач управления структурой потоков зависит от субъективного фактора. Следствием этого являются многочисленные материальные потери.

Неформальная база данных

Оборудование и технологические процессы

Частные Па ш данных

J I

Параметры Alarm

Команды ш Мнемосхемы . Щй-'л ■

Функции Тренды тт-г

Протокол ■ Архивы текущих событий

Журнал

Рис. 27 - Работа оператора с НФБД

В больших корпоративных компаниях идут на значительные финансовые затраты для уменьшения влияния интеллектуальной составляющей на процессы управления сложными дорогостоящими процессами.

Ведутся работы по формализации НФБД, возлагая роль интеллектуального звена на структуры более высокого уровня, в которых СПА вместе с объектом управления становится по отношению к этой структуре нижним звеном. Обычно такие структуры верхнего уровня называют СДУ представляющей собой мощный аналитический центр способный посредством современных программно математических методов формализовать процедуры управления потоковыми технологиями.

Теперь эти формализованные знания представляют собой логическую модель управления, хранящуюся в СДУ, которая постоянно (по принципам обратной связи) сравнивается с реакцией объекта на управляющие воздействия.

Очевидно, что при таком подходе любое значительное изменение структуры потоков требует адекватного изменения логической формализованной модели управления хранящейся в СДУ. Тем не менее, при этом значительно минимизируется роль «интеллектуального звена» в управлении любым процессом.

Анализ различных принципов взаимодействия оператора с техническими средствами и методов оценки надежности показывает, что для оценки функциональной надежности может быть использован «принцип максимизации возможностей». В соответствие с ним, функции надежности равнозначно распределяются между оператором и техническими средствами. В качестве метода оценки целесообразно использовать «системотехнический», который предполагает использование вероятностных методов оценки функциональной надежности, в отличие, например, от метода операционно-психофизического оценки который строится на экспериментальных данных. Исходя из этого, можно оценить функциональную надежность системы с оператором, за определенный период (например, за цикл изготовления изделия) и оценить выигрыш по вероятности безотказной работы СПА за счет компенсации ошибок оператора и восстановления отказов[68 - 70].

При этом обычно выделяют следующие допущения:

• отказы техники и восстановление отказов являются редкими, случайными и независимыми события;

• появление более одного однотипного отказа за время работы системы (to,to+t) практически невозможно

• способность оператора к компенсации ошибок и безошибочной работе являются независимыми свойствами.

Тогда вероятность безотказной работы системы вычисляется по формуле (15) как произведение вероятностей.

Pi Oct) = PT(to,t)Pon ft), (15) где Рт (to,t) - вероятность безотказной работы ТСА в течение времени (to,to+t).

Роп (t) - вероятность безошибочной работы оператора за момент времени t, при условии, что техника в это время работает безотказно. to - общее время работы системы t - рассматриваемый период работы системы с оператором.

Очевидно, что у каждого конкретного специалиста эта вероятность может быть разной. Тогда в случае «мгновенной» компенсации оператором ошибки с вероятностью (р), вероятность безотказной работы системы за исследуемый период может быть определена по формуле (16)

Р2 (t0,t) = PT(t0,t) {Роп ft) +[1 - Роп (t)Jpj . (16)

В случае компенсации только отказов ТСА вероятность безотказной работы системы за период t вычисляется по формуле (17).

РзМ =Pon(t) {Pm (to,t) + PK(t0,t, 5)}, (17) где Рк ( to, t , д) - условная вероятность безотказной работы системы в течение времени (to + t) с компенсацией последствий отказов, при условии, что в момент 5 (to< д < to + t) произошел отказ.

А вероятность безотказной работы системы с компенсацией ошибок оператора и отказов ТСА определяется по формуле (18)

РаМ = (PJt) +[1 - Роп (t)]p}[Pm (to, t) + PK(t0,t, S)J. (18)

Теперь по формуле 19, можно оценить выигрыш в надежности по вероятности безотказной работы СПА в целом за счет «быстрого» восстановления ее функциональной надежности

Pj(to,t)

Wp = -. (19)

Pi (U)

Очевидно, что выигрыш надежности увеличивается с ростом (Роп) и Рк (to,t,S) или с увеличением уровня натренированности оператора на компенсации отказов и ошибок.

Таким образом, для повышения функциональной надежности СПА необходимо, помимо увеличения уровня натренированности оператора, уменьшать общее количество оперативных задач, которые ему необходимо решать в реальной обстановке с минимумом резерва времени и максимумом ответственности. Как указывалось ранее, пути достижения этой цели лежат в отыскании компромисса между автоматизированными и автоматическими контурами управления и увеличении нагрузки на аппаратные и программно -логические методы контроля и управления сложными производственными объектами. Иными словами, высокая функциональная надежность создаваемых систем зависит не только от применяемых технических средств и организации их функционального взаимодействия, но и от способов управления ими.

Проведенный в этой главе анализ показывает, что:

• в эргатических системах, где часть контуров управления «замкнута» через оператора функциональная надежность СПА имеет приоритетное значение для исследуемых объектов;

• обеспечение функциональной надежности может быть достигнуто, как за счет уменьшения нагрузки на оператора, так и за счет таких схемных решений (например, логических супервизоров, логического резервирования), и использования таких ТСА, с расширенными функциональными характеристиками, которые обеспечивают быстрое обнаружение неисправных элементов и их замену в минимально короткое время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполнен комплекс научных исследований, в результате которых разработан метод формализованного создания (проектирования, конструирования и программирования) СПА для объектов с дискретным характером производственных процессов и реализуемых на них потенциально опасных технологий.

2. Разработан программный продукт «BOX 2004», обеспечивающий возможность виртуального конструирования УСО, на основе выявленной при исследовании универсальной СТХ, и выбора их оптимальных конструкций, па

3.Предложен формализованный алгоритм разработки программно -математического аппарата для различных СПА, обеспечивающий «быструю» адаптацию разработанных программ при практической реализации проектных решений.

4. Найдены и реализованы решения, обеспечивающие повышение функциональной надежности эргатических структур и показано, что их функциональная надежность зависит не только от надежности технических средств, но и от надежности работы организационной системы представителями которой является оператор системы и оперативный персонал.

5. Виртуальное выполнение процессов инженерной деятельности обеспечивает повышение производительности инженерного труда вдвое и снижает влияние субъективного фактора на их качество, за счет возможности компьютерного моделирования и анализа неверно выбранных решений (стратегий), на начальных стадиях создания СПА.

6.Созданы три типовые конструкции УСО для СПА различной информационной мощности (малой, средней и большой) и формализованный пакет документов и программ к ним.

7. Метод может быть использован как для создания новых СПА, так и для анализа качества функционирования ранее созданных структур20.

20 В пршюжепии D приведен пример такого анализа для действующей СПА в ФГУП ФНПЦ «Алтай»

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Звольский, Леонид Станиславович, 2006 год

1. Гасов В.М., Меньков А.В., Соломонов JI.A и др. Системное проектирование взаимодействия человека с техническими средствами. // Под ред. В.Н. Четверикова, серия из 7 книг, М.: Высшая школа, 1991.- С.3-15.

2. Мейстер Д. Эргономические основы разработки сложных систем // Пер. с англ. под ред. Т.П. Бурмистровой.-М.: Высшая школа, 1979.-317 С.

3. ГОСТ 24.104 85 Информационная технология. Автоматизированные системы управления. Общие требования. // Взамен ГОСТ-17.195-76,ГОСТ 20.912-75,ГОСТ 24.205-80, введен с 01.01.87, группа П87, М.: Издательство стандартов, 1986-20 С.

4. ГОСТ 34.601 90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Стадии создания. //Взамен ШСТ-24.601-86, ГОСТ 24.602-86, введен с 01.01.92, группа П87, М.: Издательство стандартов, 1991- С. 45-52.

5. ПБ 09 540 - 03 Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств.

6. ГОСТ 19.102-77. Единая система программной документации. Стадии разработки // Введен с 01.01.80, группа Т55, М.: Издательство стандартов, 1988.-С. 50-52.

7. ГОСТ 34.602 89 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Техническое задание на создание автоматизированных систем. // Взамен ГОСТ-24.201-85, Введен с 01.01.90, группа П87, М.: Издательство стандартов, 1999-С. 15-28.

8. ГОСТ 21.408 93 Система проектной документации для строительства. Правила выполнения рабочей документации автоматизации технологических процессов. // Введен с 01.12.94, М.: Издательство стандартов, 1995 - 40 С.

9. ГОСТ 19.101 77 (СТ СЭВ 1626-79) Единая система программной документации. Виды программ и программных документов. // С изменением №1 утв. в июне 1981, введен с 01.01.80, группа Т55, М.: Издательство стандартов, 1988-С. 46-49.

10. СНиП 1.02.01 85 Строительные нормы и правила проектирования системавтоматизации».

11. Нормы времени на выполнение конструкторских работ по системам автоматизации технологических процессов, М.: Проектмонтажавтоматика-1992,- 44 С.

12. Вентцель Е.С. Исследование операций. М.: Советское радио, 1972.-552 С.

13. Яковлев В.Б., Канатов И.И. Автоматизированное управление технологическими процессами. // Издательство Ленинградского университета, 1983.-С. 14-18.

14. Раппопорт Г.Н., Солин Ю.В., Гривцов С.П, Автоматизированные системы управления технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1977.-246 С.

15. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ. М.: Высшая школа, 1989.-368 С.

16. Федоров Ю.Н. Основы построения АСУТП взрывоопасных производств. В 2 -х томах, Т.1 Методология,- 720 С.,Т.2., Проектирование,- 632 С., М.: «СИНТЕГ», 2006.

17. Касти Дж. Большие системы. Связность, сложность и катастрофы. М.: Наука, 1982.

18. Лоскутов В.И. Основы современной техники управления. М.: Эконмика, 1973.-310 С.

19. Методы алгоритмизации непрерывных технологических процессов // Под. Ред.В.В. Иванова, М.: Наука, 1975.-400 С.

20. Глушков В.М. Синтез цифровых автоматов. М.: Физматгиз,1962 476 С.

21. Силич В.А. Содержательные модели систем и их использование при проектировании АСУ. Томск: изд. ТГУ,1984 С. 5-27.

22. Захаров В.Н., Поспелов Д.А., Хазацкиц В.Е. Системы управления. М., Энергия, 1977.-416 с.

23. Общесистемные и организационные проблемы проектирования и внедрения АСУ. // Под ред. В.И. Скурихина. Киев.: Техшка, 1974.- 207 С.

24. Лернер А.Я., Розенман Е.А., Оптимальное управление. М.: Энергия, 1970 3601. С.

25. Таран В.А, Уздник С.С., Кофанов Ю.Н. Математические вопросы автоматизации производственных процессов. М- Высшая школа, 1991- 22 С.

26. Кузин Л.Т. Расчет и проектирование дискретных систем управления. М.: Машгиз, 1962.-670 С.

27. Сети ЭВМ // под. ред.В.М. Глушкова, М.: Связь, 1977.- 280 С.

28. Маршалл В. Основные опасности химических производств. // Пер. с англ. под ред. ЧайноваБ.Б, Черноплекова А.Н.-М.: Мир,1989.-С. 15-35.

29. Бесчастнов М.В., Соколов В.М., Кац М.И. Аварии в химических производствах и меры их предупреждения. -М.: Химия, 1976 С. 77-78.

30. Смилянский Г.Л. Какая АСУ эффективна?, М.: Экономика,1988-304 С.

31. Клюев А.С., Глазов Б.В., Дубровский А.Х. и др. «Проектирование систем автоматизации ТП», М.: Энергоатомиздатю, 1990-464 С.

32. Правила устройств электроустановок (ПУЭ).М.:Госэнергонадзор, 2000 606 С.

33. Родионов В.Д., Терехов В.А.,Яковлев В.Б. Технические средства АСУ ТП. М.: Высшая школа ,1989. -263 С.

34. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля .// Под ред. А.С. Клюева.М.: Энергия, 1991.-432 С.

35. Миндин М.Б. Особенности применения щитов по ОСТ36.13 76 в проектной документации по автоматизации технологических процессов // Сер. Монтаж и наладка средств автоматизации. М.: ЦБНТИ, 1986-С. 8-10.

36. Жарков А.С., Попов Ф.А., Звольский J1.C. «Опыт создания АСУ ТП для потенциально опасных производств», // Материалы четвертой научно -практической конференции «Современные средства и системы автоматизации». Томск: издательство ТУСУР,2004 .- С. 93- 99.

37. Жарков А.С., Потапов М.Г., Звольский JI.C. и др. Современные автоматизированные системы управления взрывоопасным технологическим процессом. // Журнал СТА- Современные технологии автоматизации, М.: издательство СТА-ПРЕСС,- №1,-2001 .-С. 40-48.

38. Венда В.Ф. Инженерная психология и синтез систем отображения информации. М.: Машиностроение,1982-С. 5-12.

39. Галактионов А.И. Основы инженерной психологии проектирования АСУ ТП. М.: Энергия, 1978.-С.7-32.

40. Справочник по инженерной психологии. // Под ред. Б.Ф. Ломова. М., Машиностроение, 1982.-212 С.

41. ВСН 03 86 Инструкция по проектированию и строительству зданий, сооружений и инженерно-технических средств.

42. Малые ЭВМ и их применение // Под ред. Дедова Ю.А.М.: Статистика, 1980231 С.

43. Каган Б.М., Каневский М.М., Электронные вычислительные машины и системы. //2-изд. дополненное и перераб., М.: Энергия, 1985.-352 С.

44. Быстриков В.Т., Звольский Л.С.,Чанков А.И. «Программное обеспечение многотерминальной диалоговой системы на базе УВК М 6000», // Журнал ППО, -№9,- М.: изд-во ЦНИИНТИ, 1984.- С. 13-14

45. Абрамов Г.Г., Литвинов А.И., Звольский Л.С. и др. Совершенствование автоматизированной системы управления производством базальтовой продукции // Доклады III Всероссийской научно-практической конференции, 3-6 июня, Бийск, М.: ЦЭИ Химмаш,2003 С. 40-44.

46. Жарков А.С., Петров Е.А., Звольский Л.С и др. «Аавтоматизированный технологический комплекс производства высокопредохранительных ВВ», ВСМ №5-6(441 -442).

47. Петров Е.А., Звольский Л.С., Митрофанов Н.Н. и др. « Опыт построения сложных технологических систем управления с использованием отечественных технических средств на примере производства ВВВ», // Журнал Оборонная техника- №1,2001.

48. Основы теории вычислительных систем. // Под ред. С.А.Майорова, М.: Наука, 1978.

49. Ястребенецкий М.А.Надежность технических средств в АСУ технологическими процессами, М.: Энергоиздат, 1982 217 С.

50. Кокс Д.Р., Смит В.Л. Теория восстановления. М.: Советское радио, 1967- 298 С.

51. Розенберг В.Л. и др. Что такое теория массового обслуживания.М.: Машиностроение, 1965.

52. Журавлев Ю.П., Котелюк Л.А., Циклинский Н.И. Надежность и контроль ЭВМ. М.: Советское радио, 1978.-416 С.

53. Контроль функционирования больших систем. // Под ред. Шибанова Г.П., М.: Машиностроение, 1977-360 С.

54. Ткачев О.А. Анализ надежности резервированных вычислительных систем, М.: Приборпром, НТО им. Вавилова С.И.,1988. -51 С.

55. Антропов А.Т. Концепция построения АСУ ТП производственного отделения ОАО АК «Транснефтепродукт» // Материалы четвертой научно практическойконференции «Современные средства и системы автоматизации», издательство ТУСУР, Томск, 2004.- С. 5- 12.

56. ГОСТ 27.310 95 Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения. // Введен впервые с 01.01.1997 Минск.: Издательство стандартов, 1996.-19 С.

57. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев АЛО. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965 524 С.

58. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А. Некоторые математические вопросы обслуживания сложных систем. М.: Советское радио, 1971.-272 С.

59. Звольский J1.C., Чанков А.И., Масютин Е.А. Виртуально? Нет, реально! // Журнал, «InTech», 1,2005, Томск.: ООО «Проект»,-№- С. 44-50.

60. Жарков А.С., Попов Ф.А., Звольский JI.C. Системный подход к информатизации процессов изготовления зарядов РДТТ на основе СРТТ. //Журнал БП, №3- 2003 г.

61. Быстриков В.Т., Звольский Л.С. Диспетчеризация выполнения задач АСУ процессом изготовления стеклопластиковых изделий. ВСМ №5,1988.

62. Abramov G.G., Abramov D.G., Zvolskiy L.S., ets. Supercritical water oxidation set up for organic waste and the results of itc testing. //Abstracts book of the II International Workshop I-IEMs - 2006, Moscow 2006.-C. 79.

63. Шалыто A.A. Автоматное проектирование программ. Алгоритмизация и программирование задач логического управления// Известия АН: Теория и системы управления.- 2000- №6 С. 63-81.

64. Ляпунов А.А. О логических схемах программ // Проблемы кибернетики. Вып. 1. М.: Физматгиз, 1958.

65. Джеймс Х.Х. Знакомство со стандартом на языки программирования PLC:IEC 1131-3(МЭК 1131-3) //Мир компьютерной автоматизации.-1995.- №1. 78.10дицкий С.А., Мачергут В.З. Логическое управление дискретными процессами.- М.: Машиностроение, 1987.

66. Кафаров В.В., Дорохов И.И., Манков Е.Р. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии. М.: Наука, 1976. 80.0птнер С. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем: // Пер. с англ. - М.: Сов. радио, 1969.

67. Жарков А.С., Елисеев В.Г., Лапшин В.Ф., Шутов В.В. АСУТП кристаллизации на основе технических средств КТС ЛИУС-2 // Передовой производственный опыт.- 1984.-№12.- С. 7-9.

68. Жарков А.С., Попов Ф.А., Демидов Г.А. АСУ производством зарядов крупногабаритных РДТТ. Современный подход к проектированию- М.:ЦЭИ «Химмаш», 2003.-147 С.

69. В.А.Горбатов и др. Логическое управление технологическими процессами. -М.: Энергия, 1978.

70. А.В. Максимов, Н.М. Оскорбин. Многопользовательские информационные системы: Основы теории и методы исследования.// Монография. -Барнаул: Изд-во Алт.ун-та, 2005. -250 С.

71. Звольский Л.С. Логическое резервирование в системах промышленной автоматизации // Вестник ТГУ. №298 - 2006:- С,47-49.