Введение
В настоящее время автоматизированные информационные системы контроля (АИСК) получили большое распространение в различных отраслях: энергетике, экологической безопасности, нефтеперерабатывающей промышленности, безопасности автомобильного транспорта.
Однако разработка автоматизированных информационных систем контроля для производства строительных материалов на современном этапе сдерживается рядом причин, среди которых можно выделить следующие: сложностью их структуризации, реальным масштабом времени функционирования отдельных модулей, необходимостью оценки* и контроля параметров отдельных подсистем и системы в целом, а также особенностью характеристик информационного и программного обеспечения, обусловленной нечеткими числами, недостаточным использованием возможностей типизации разработки, сокращающей в несколько раз затраты на проектирование и внедрение.
Актуальность решения задач оптимального синтеза информационного и программного обеспечения систем обработки данных объясняется повышением требований к эффективности, качеству и надежности систем, увеличением числа и объема информационных массивов, сложностью и стоимостью разработки и отладки программ, используемых в подсистемах АИСК, переходом от разработки простых и слабо связанных программ к комплексам или системам, содержащим сложно взаимодействующие программы объемом в десятки и сотни тысяч команд.
В связи с этим актуальным является разработка специальных аналитических и процедурных моделей подсистем АИСК.
Предмет исследования. Автоматизированные информационные системы контроля параметров технологического процесса.
Цель исследования. Цель исследования заключается в' разработке аналитических, процедурных и информационных моделей автоматической
5
информационной системы контроля технологического процесса тепловлажностной обработки железобетонных изделий.
Методы исследования. В работе использовались методы системного анализа, математического моделирования, объектно-ориентированного проектирования, теории нечетких множеств, теории информационных систем и процессов.
Научная новизна работы. Разработаны аналитические и процедурные модели автоматизированной информационной системы контроля для выбранной предметной области с учетом нечеткости характеристик информационного и программного обеспечения.
В результате диссертационного исследования получены и обоснованы следующие научные результаты:
- разработана информационная модель АИСК;
- поставлены и решены задачи синтеза оптимальной структуры информационных массивов (ИМ) АИСК, а именно
- синтез оптимальной структуры информационного массива системы обработки запросов и данных;
- синтез оптимальной структуры информационного. массива,
работающего в режиме реального времени;
- синтез оптимальной логической и физической структуры информационного массива данных;
- разработана аналитическая модель предметной области, включающая
- обоснование и формализацию факторов неопределенности, присущих рассматриваемому процессу на основе использования теории нечетких множеств;
- аналитическую модель процесса тепловлажностной обработки железобетонных изделий, включающую формализованные факторы неопределенности;
- предложена процедура проверка адекватности аналитической модели. Практическая ценность работы. Разработанное специальное
6
программное обеспечение позволяет на практике реализовать следующие процедуры:
- решение задачи синтеза оптимальной структуры информационного массива системы обработки запросов и данных с использованием технологического критерия;
- решение задачи синтеза оптимальной структуры информационного массива, работающей в режиме реального времени;
- решение задачи синтеза оптимальной логической и физической структуры информационного массива данных;
- решение уравнений аналитической модели, формализующей предметную область и позволяющей проводить имитационные исследования в широком диапазоне изменения входных параметров, обусловленных влиянием факторов неопределенности.
Реализация работы. На основе результатов, полученных в работе, реализованы элементы информационной системы контроля, на ОАО "Тамбовмаш" и ОАО «Бокинский силикатный завод», в учебно-методических разработках для студентов специальности 071900 «Информационные системы и технологии».
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на Всероссийских и международных научных конференциях: «Теплофизические измерения в начале XXI века» (Тамбов, 2001), IV Всероссийская межвузовская научная конференция «Формирование специалиста в условиях региона: новые подходы» (Тамбов, 2004 г.), VII Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и пяти приложений, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 12 таблиц.
7
Во введении обоснована актуальность, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы, определены объект и предмет исследования, сформулированы основные цели и задачи исследования, представлены методы их решения. Кратко излагается содержание диссертации.
В первой главе «Автоматизированные информационные системы контроля: методы разработки» выполнен анализ современного состояния аналитического и процедурного обеспечения автоматизированных информационных систем контроля сложных технологических объектов.
Рассмотрены основные особенности аналитического, процедурного и информационного обеспечения АИСК для процесса тепловлажностной обработки железобетонных изделий (ЖБИ), функционирующего в условиях влияния факторов неопределенности.
Проведен аналитический обзор современной литературы по вопросам разработки структуры и описания модулей АИСК, формализуется цель и задачи исследования.
Во второй главе «Задачи синтеза оптимальной структуры информационных массивов» поставлены три задачи синтеза ИМ подсистем АИСК, которые включают оптимальный выбор состава модулей и массивов информационных элементов, межмодульных связей, а также структуры подсистемы в целом, формализуемой в виде процедурной модели с учетом заданных технико-экономических характеристик функционирования разрабатываемой системы.
В связи с тем, что в общем случае можно только приблизительно определить границы изменения параметров, входящих в поставленные задачи синтеза оптимальной структуры ИМ АИСК, а также сделать некоторые лингвистические оценки характера их изменения, в работе использовался аппарат теории нечетких множеств, а для формализации этих параметров - числа L-R типа.
8 В третьей главе «Разработка аналитической модели АИСК»
приводится аналитическое описание рассматриваемой предметной области, пригодное как для проведения имитационного исследования влияния режимных параметров и условий функционирования на качественные показатели процесса тепловлажностной обработки изделий, так и для прогноза состояния объекта управления.
Использование аналитической модели в системе имитаций ситуаций АИСК позволяет проводить оценки планируемого состояния объекта управления, оценки отклонений от планируемого состояния, выявление причин отклонений, а также анализ возможных решений и принимаемых действий.
Проведен выбор и формализация качественных показателей, а так же выполнена оценка адекватности разработанной аналитической модели.
Для оценки адекватности аналитической модели проведены имитационные исследования, результаты которых позволили оценить адекватность аналитической модели процесса ТВО ЖБИ, при построении которой использовались нечеткие числа L-R типа, а так же выявить влияния режимных параметров на качественные показатели процесса.
На основе анализа результатов имитационного исследования рассматриваемого технологического процесса выявлены основные факторы, оказывающие влияние на качественные показатели процесса ТВО ЖБИ и на качество готового продукта.
В четвертой главе «Разработка процедур решения задач синтеза оптимальной структуры информационных массивов» предлагаются схемы решения задач, поставленных в гл. 2.
Поставленные задачи относятся к классу задач нелинейного целочисленного программирования с нечеткими параметрами. Решение таких задач сводится к последовательности решения задач, основанных на методе ветвей и границ.
9
В главе приводятся решения задачи синтеза оптимальной структуры ИМ, работающего в режиме реального времени в условиях неопределенности; синтеза оптимальной структуры ИМ системы обработки данных и запросов в условиях неопределенности; синтеза оптимальной структуры информационного массива данных в условиях неопределенности.
На защиту диссертации выносятся:
• Структура информационной модели автоматизированной информационной системы контроля основных параметров технологического процесса тепловлажностной обработки ЖБИ.
• Постановки задач синтеза оптимальной структуры информационных массивов АИСК, в том числе:
о постановка задачи синтеза оптимальной структуры
информационного массива, работающего в режиме реального
времени; о постановка задачи синтеза оптимальной структуры ИМ системы
обработки запросов и данных; о постановка задачи синтеза оптимальной структуры
информационного массива данных;
• Аналитическое обеспечение предметной области, включающее:
о аналитическую модель процесса тепловлажностной обработки
железобетонных изделий (ЖБИ) в условиях неопределенности, о формализацию качественных показателей технологического
процесса.
• Процедуры решения задач синтеза оптимальной структуры ИМ подсистем АИСК
10
Глава 1. Автоматизированные информационные системы контроля: методы разработки
Актуальность решения задач оптимального синтеза информационного и программного обеспечения систем обработки данных в автоматизированных информационных системах контроля объясняется повышением требований к эффективности, качеству и надежности систем, увеличением числа и объема информационных массивов, сложности и стоимости разработки и отладки используемых в АИСК программ, переходом от разработки простых и слабосвязанных программ к комплексам или системам, содержащим сложно взаимодействующие программы объемом в десятки и сотни тысяч команд.
Большое распространение при создании АИСК получили пакеты программ визуализации измерительной информации на дисплейных пультах операторов, называемых конфигураторами пультов оператора, или SCAD A (Supervisory Control And DataAcquisitionVnporpaMMaMH. В последнее время эти системы имеют более точное название: MMI/SCADA, где MMI (Man Machine Interface) определяет наличие человеко-машинного интерфейса. Эти пакеты позволяют создавать полное высококачественное программное обеспечение пультов оператора, реализуемых на различных разновидностях персональных компьютеров и рабочих станций компьютерных сетей [1,2,3]. Если ранее каждая фирма, выпускающая микропроцессорные системы управления, разрабатывала свои собственные, закрытые SCADA -программы, предназначенные только для среды данной системы, то начиная со второй половины 80-х годов ряд зарубежных фирм, а с 90-х годов и многие отечественные фирмы стали разрабатывать универсальные и открытые SCADA -программы, имеющие совокупность интерфейсов, протоколов, драйверов, которые можно использовать для широкого класса разнообразных микропроцессорных систем. Кроме того, в них имеются специальные инструментальные средства, позволяющие создавать новые драйверы для
II
подключения к пультам операторов не предусмотренных заранее контроллеров, приборов, различных вычислительных устройств. Эти разработки достигли такого высокого уровня, что ряд фирм, выпускающих системы автоматизации, отказались от собственных закрытых SCAD А-программ, а многие пользователи стали реализовывать пульты операторов на своих предприятиях с помощью одной определенной открытой SCADA-программы независимо от типа контроллерных систем автоматизации на отдельных участках производства.
Сейчас на нашем рынке распространяются около 20 открытых SCADA -программ, отличающихся друг от друга структурой, функциональными, техническими и стоимостными характеристиками, а также методами сопровождения их у потребителей.
Система SCADA GoodHelp разработана фирмой "Индустриальные компьютерные системы" (ICOS), г. Жуковский Московской обл., и предназначена для создания многоуровневых многозадачных распределенных систем управления технологическими процессами в реальном времени. Различные варианты пакета перекрывают широкий спектр АСУ ТП от простейших с одной станцией до сетевых распределенных комплексов АСУ ТП предприятия с сотнями узлов сети. Программа GoodHelp работает на PC совместимых компьютерах в среде DOS. Программа GoodHelp осуществляет: сбор и обработку информации, получаемой с различных устройств ввода/вывода и технологических контроллеров; реализацию законов регулирования и логическое управление технологическими объектами; графическое многоэкранное отображение информации в виде мнемосхем; архивацию данных; выдачу отчетной информации в форматах ASCII и dBASE.
Компания Wonderware (США) — это крупнейший в мире независимый поставщик систем программного обеспечения промышленной автоматизации. В 1989 году корпорация Wonderware совершила революцию в сфере автоматизации, предложив первую программу производственного
12
назначения, SCADA- программу InTouch, базирующуюся на операционной системе Windows. Сегодня программы фирмы Wonderware работают на тысячах предприятий, представляющих широкий спектр отраслей промышленности от машиностроения и металлургии до химической, нефтегазовой, фармацевтической и пищевой промышленности.
Фирма Wonderware предлагает набор программ, объединенный общим названием The Wonderware Factory Suite, который является первым в отрасли автоматизации набором программ, позволяющий управлять в реальном времени производственным процессом на любом иерархическом уровне предприятия. Набор программ обеспечивает операторам, инженерам и руководителям среднего и высшего звена одновременный доступ к системе управления. В настоящее время набор программ The Wonderware Factory Suite состоит из четырех ключевых программ Wonderware: InTouch, InTrack, InSupport и InBatch. Набор программ связан с системой Microsoft BackOffice Suite. Это означает, что программы InTouch, InTrack, InSupport и InBatch интегрируется с серверами Microsoft SQL Server, Windovs NT Server, System Management Server, SNA Server и Mail Server.
Программа SCADA InTouch -это один из самых мощных и гибких средств разработки операторских интерфейсов для создания АСУ ТП дискретных и непрерывных производств, распределенных систем управления, диспетчерского управления и сбора данных и других областей промышленного применения. Рабочие характеристики программы InTouch следующие.
Объектно-ориентированная графика программы InTouch делает разработку прикладных программ более быстрой, творческой, точной и удобной. Мощные средства объектно-ориентированного проектирования облегчают рисование, расположение, выравнивание, разделение на слои, размещение в пространстве, вращение, инвертирование, дублирование, вырезание, копирование, вставку, стирание и многие другие операции.
13
Программа InTouch допускает неограниченное количество динамических изображений в каждом окне.
Мультипликационные связи обеспечивают возможность динамизации (оживления) любых объектов и их комбинаций для создания практически неограниченного набора мультипликационных характеристик, включая изменения размеров, цвета, перемещений и/или положений. Мастер-объекты включают в себя полную библиотеку Мастер-объектов (Wizards), то есть предварительно конфигурированных вспомогательных средств (таких как переключатели, ползунковые регуляторы и счетчики), позволяющих быстро создавать прикладные программы для конкретных условий производственного предприятия. При помощи дополнительного модуля инструментальных средств (Extensibility Toolkit) можно создать свои собственные Мастер-объекты, приспособленные к нуждам отрасли.
Язык сценариев InTouch позволяет создавать собственные сценарные функции. При помощи дополнительного модуля инструментальных средств возможно добавить их к меню пользователя.
Благодаря новой функции динамической переадресации ссылок пользователи могут быстро и легко изменять связи между переменными (тегами) в InTouch и адресами программируемых логических контроллеров, ячейками электронных таблиц Excel, другими адресами, доступными через динамический обмен данными (DDE) и др.
Функция распределенной системы аварийной сигнализации одновременно поддерживает многочисленные аварийные серверы, что позволяет операторам одновременно получать и оценивать аварийную информацию с различных удаленных пунктов.
Распределенная система исторических трендов позволяет динамически определять различные информационные источники исторических файлов для каждого пера на диаграмме трендов.
В состав дополнительных модулей InTouch входит менеджер рецептов. Этот модуль разработан для периодических процессов и позволяет легко
14
создавать, модифицировать и загружать рецепты или установочные параметры. Такие переменные как уставки, ингредиенты, временные и температурные характеристики помещаются в базу данных и могут быть загружены в контроллер в любой момент. Модуль статистического контроля технологического процесса (SPC), выпускаемый в виде одноузловой или распределенной системы, является мощным средством мониторинга и анализа статистических показателей технологического процесса. Сопоставление рассчитанных в реальном масштабе времени статистических показателей с заранее установленными верхними и нижними пределами регулирования позволяет улучшить качество процесса и, в конечном счете, качество продукции. Программа поддерживает гистограммы, графики Парето и самые разнообразные способы графического представления статистической информации. Модуль обращения к структурному языку запросов (SQL), предоставляет пользователям доступ к наиболее известным программам баз данных (SQL сервер фирмы Microsoft, Oracle, dBase и др.), поддерживающим стандарт связности открытых баз данных (ODBC).
Имеется широкий ассортимент серверов ввода-вывода для сотен наиболее популярных управляющих устройств, включая Allen-Bradley, Siemens, MODICON,h др. Все серверы обеспечивают стандартную связь по динамическому обмену данных (DDE) с любыми прикладными программами Windows/DDE, а также поддерживают систему быстрого динамического обмена данными ("fastDDE") для связи с программными изделиями Wonderware. Кроме того предлагается набор инструментальных средств для разработки собственных DDE-серверов.
nporpaMMaWonderware InTrack - это объектно-ориентированное прикладное программное обеспечение для архитектуры "клиент/сервер". Оно позволяет предприятиям легко моделировать и контролировать каждую стадию производственного процесса от получения сырья, материалов и комплектующих до выпуска готовой продукции. Программа InTrack дает возможность совершенствовать производственный процесс за счет
15
сокращения расхода времени и ресурсов, кроме того, модульная архитектура InTrack дает пользователям возможность начать с одного участка и в последующем расширять систему, охватывая все новые и новые участки производства.
Система InTrack полностью подготовлена к выполнению своих функций благодаря включению в нее среды разработки приложений, укомплектованной экранами, сценариями и библиотекой, которая содержит более 40 предварительно конфигурированных вспомогательных средств (Мастер-объектов), специально разработанных для управления производством.
При помощи InTrack можно определять и моделировать процессы, контролировать незавершенное производство и заводские материально-технические запасы, автоматизировать сбор данных, определять очередность работ для составления графиков и диспетчеризации и т.д.
Программа InTrack включает в себя все объекты и характеристики SCADA/MMI, свойственные системе InTouch, в том числе теги, текущие и исторические тренды, аварийные сигналы, сценарные функции и Мастер-объекты.
Встроенные в InTrack функции и DDE-серверы .открывают возможность автоматизации задач учета, планирования и диспетчеризации производства. Программа InTrack может обеспечить связи с устройствами сбора данных и автоматической идентификации (например, со считывателями штриховых кодов), различными информационными табло и другими системами (например, системой планирования ресурсов предприятия). Система масштабируется как по числу пользователей, так и по количеству используемых баз данных.
Открытая архитектура * "клиент/сервер", заложенная в InTrack, позволяет пользователям, работающим в операционной системе Windows, получать доступ к серверам на базе UNIX или Windows NT.
16
Программа InTrack поставляется в комплекте с собственными шаблонами отчетов. Кроме того, пользуясь генератором отчетов, можно создавать свои форматы отчетов.
Программа InTrack интегрируется с InTouch для создания новых мощных средств разработки прикладных программ.
Программа Wonderware InBatsch - это гибкая, поддерживаемая и масштабируемая программа управления, специально разработанная для моделирования и автоматизации процессов дозирования и смешения. При помощи InBatsch пользователи в металлургической, химической,: пищевой промышленности могут моделировать свои процессы, создавать рецепты, имитировать исполнение рецептов, сопоставляя их с моделью, управлять реальным процессом, пользуясь моделью для справок..
Поэтапное управление периодическим процессом заложено в модель процесса, что исключает необходимость написания собственного программного кода и резко снижает объем инженерных работ по сопровождению системы при эксплуатации. К конкретным функциям относятся краткосрочное планирование, инициализация партий, управление циклами и этапами периодического процесса, статистика периодических процессов и составление отчетов. Технологи могут разрабатывать рецепты, используя удобный графический интерфейс пользователя, что ускоряет поступление продукта на рынок. Технологическая и информационная модель, созданная в InBatsch, описывает возможности оборудования и технологических процессов, состав реквизитов, наиболее полно удовлетворяющих потребности специалистов предприятия в информации. Модель позволяет быстро изменить конфигурацию технологического процесса и системы управления при переходе на другой вид продукции.
Рецепты в системе InBatsch создаются путем выборки возможностей оборудования и технологических процессов предприятия из моделей процессов. Рецепты вводятся в виде Основных Рецептов (не зависящих от оборудования и технологии) и преобразуются в Контрольные Рецепты
17
(зависящие от оборудования) во время выполнения программы. Управление рецептами распространяется также на потребности в оборудовании, ввод материалов, вывод материалов и процедуры.
Программа InBatsch обеспечивает простую (plug and play) интеграцию с InTouch. Это предоставляет оператору возможность использования интерактивного графического интерфейса для мониторинга и .управления периодическим процессом.
Программа Wonderware InSuppopt - это самое мощное в индустрии программных средств инструментальное средство для нахождения и устранения неисправностей. Оно обеспечивает легкий интерактивный доступ к системе нахождения и устранения неисправностей, а также к документации по ремонту. Это помогает быстро диагностировать и ремонтировать сложное производственное оборудование и процессы. Программа InSuppopt сводит к минимуму простои, сокращает эксплуатационные расходы и поддерживает оборудование в исправном рабочем состоянии. Диагностические возможности системы InSuppopt способны быстро помочь операторам технологических процессов выявить и устранить неисправности. Программа InSuppopt дает им всегда доступный источник точной информации. Это резко сокращает простои производства.
Экспертная система InSuppopt анализирует симптомы неисправностей, учитывает время ремонта, стоимость ремонтных работ и вероятность неудачи каждого из возможных вариантов стратегии устранения неисправностей, а затем выдает оператору решение, требующее наименьших затрат. В системе InSuppopt предусмотрена методика для анализа множественных аварийных сигналов или симптомов и разработки единой стратегии их устранения. Программа InSuppopt позволяет разработать процедуры нахождения и устранения неисправностей, которые выдают четкие поэтапные инструкции по обслуживанию и ремонту оборудования для операторов и техников, обслуживающих производственную линию. Такая информация, как снятые крупным планом фотографии отдельных |
