Модели автоматизированных систем управления производственными процессами
Управление производственным процессом основано на использовании системы автоматизированного управления, целью такого управления является улучшение технических и экономических показателей производственного процесса и предприятия в целом.
Основой создания системы управления предприятием является разработка модели управления производственными процессами.
Основные этапы создания АСУ ПП – технико-экономический анализ оценки целесообразности автоматизации и выбор степени автоматизации, моделирование производственного процесса как объекта управления, разработка алгоритмов управления и структуры системы, техническая реализация системы. Между этими этапами существует тесная связь, обусловленная, прежде всего, экономическими соображениями.
Наличие такой связи предполагает многоэтапный циклический характер разработки системы, с постепенным усложнением и уточнением математической модели для каждого из этапов разработки системы управления.
Такое комплексное рассмотрение всех этапов представляет собой системный подход к процедуре проектирования систем управления производственными процессами.
При проведении технико-экономического анализа в качестве критериев оценки качества управления принимаются себестоимость продукции на некотором интервале времени, качество продукции.
Большая размерность входов и выходов, сложная структура и неопределенность преобразований входных потоков, случайные изменения преобразований приводят к необходимости применения имитационного моделирования для оценки качества системы управления.
При выборе структурной схемы и алгоритма управления АСУ ПП существенной является информация о состоянии производственного процесса с учетом его динамических свойств не только в текущий, но и в прошедшие моменты времени.
На этом этапе уже учитываются погрешности измерений, степень достоверности результатов в условиях большого объема информационных потоков, что также требует применения имитационного моделирования.
После выбора структурной схемы АСУ определяется информация, которую можно (и нужно) использовать в управляющем устройстве, задача которого – на основе поступающей информации вырабатывать решения об управляющем воздействии на входе процесса с целью изменения его выходных характеристик. Алгоритм управления предполагает установление соотношений между информацией о состоянии процесса, вводимой в управляющее устройство и управляющим воздействием, поступающим из управляющего устройства на вход процесса.
На этапе технической реализации производится выбор вариантов технических средств, реализующих алгоритм управления.
Модели автоматизированных систем управления предприятием
Предприятие представляется в виде совокупности взаимосвязанных функциональных подсистем и управляющих звеньев, обеспечивающих производственную деятельность.
Подсистемы производственной деятельности обеспечивают выполнение:
- основных производственных процессов по выпуску основной и вспомогательной продукции,
- обслуживающих процессов (ремонтные, энергетические, транспортные службы), процессов развития внедрение новой техники, строительство, интеллектуальные разработки).
Обеспечивающие подсистемы: основные и оборотные фонды (материальные ресурсы многоразового и одноразового использования), трудовые ресурсы (организация труда, зарплата, подготовка кадров), интеллектуальные ресурсы (научные исследования), подсистемы, обеспечивающие финансовую деятельность, маркетинг.
Информационные и управляющие системы таких комплексов оперируют интенсивными потоками информации (ввод, переработка, преобразование) и структурированы исходя из задач информации и управления.
Предприятие рассматривается как динамическая модель системы с управлением, которая объединяет в единой схеме с обратными связями все аспекты функционирования.
Рассматриваются взаимосвязанные потоки: материалов, заказов, денежных средств, оборудования, рабочей силы.
Сущность производственных процессов: преобразование материальных, энергетических, финансовых, трудовых ресурсов в продукт, оцениваемый экономическими показателями (например, себестоимостью). При этом учитываются все возмущения, отклоняющие производственный процесс от заданных условий: возмущающие факторы внешней среды (первичны) и возмущающие факторы, обусловленные внутренними связями.
Возмущающие факторы внешней среды:
- технологические отклонения параметров процессов и средств труда;
- организационные и информационные возмущения, связанные с несовершенством организации производства, планирования, обработки и отображения информации;
- социальные – колебания индивидуальной производительности (заболевания, нарушения дисциплины).
Возмущения, обусловленные внутренними связями:
- организационные и технологические связи: возмущения на входе одного объекта (брак) вызывает возмущение на других объектах;
- возмущения процесса управления: управление одним элементом (устранение возмущения) вызывает возмущение в другом).
Динамическое моделирование предприятия представляет собой изучение деятельности предприятия как информационной системы с обратной связью. На вход производственного процесса поступают ресурсы, на выходе – готовая продукция.
Цель управления - улучшение технических и экономических показателей производственного процесса и предприятия в целом.
Критериями оценки качества управления могут быть себестоимость, качество продукции.
Система управления решает три основные задачи: сбор и передача информации об управляемом объекте, переработка информации, выдача управляющих воздействий на объект управления.
Большая размерность входов и выходов, сложная структура и неопределенность преобразований входных потоков, случайные изменения преобразований приводят к необходимости применения имитационного моделирования для оценки качества системы управления.
Алгоритм управления предполагает установление соотношений между информацией о состоянии процесса, вводимой в управляющее устройство и управляющим воздействием, поступающим из управляющего устройства на вход процесса.
Системы управления производственной деятельностью предприятия основаны на автоматизации информационных процессов предприятия.
Системы управления производством эффективны только при условии создания единой схемы движения информации от первичной до выдачи информации управляющим органам. Для этого необходим единый комплекс взаимоувязанных моделей различных уровней планирования и производства.
Различают два основных типа автоматизированных систем управления: системы организационно-экономического или административного управления и системы управления технологическими процессами.
Главные отличия этих двух типов – в характере объекта управления и форме передачи информации.
В организационно-экономических и административных системах управления объекты управления – человеческие коллективы, форма передачи информации – документы.
В системах управления технологическими процессами объекты управления – машины, процессы, приборы, устройства, форма передачи информации – различные сигналы (электрические, механические, световые и др.).
Интегрированные системы управления – объединение систем управления предприятием и технологическими процессами. Им присуще организация информационных процессов на предприятии и организация их выполнения.
Объект управления – совокупность процессов, свойственных данному предприятию, по преобразованию ресурсов (материалы, оборудование, энергетические, трудовые, финансовые ресурсы) в готовую продукцию.
Особенности таких систем, обуславливающие их сложность: большое число разнородных элементов и высокая степень их взаимосвязи в процессе производства, неопределенность результатов выполнения многих процессов (брак, сбои, несвоевременные поставки, нерегулярность спроса), нестационарность предприятия (постоянное изменение и развитие предприятия, сложность работы с людьми).
Среди систем управления этого типа могут быть выделены системы управления обслуживанием на транспорте (оперативное обслуживание пассажиров, повышение загрузки транспортных средств, контроль операций и др.), системы контроля (проверка оборудования, диспетчеризация и др.).
Информационные и управляющие системы предприятий и отраслей оперируют интенсивными потоками информации (ввод, переработка, преобразование информации) и структурированы исходя из задач обеспечения информацией и управления.
Особенности моделирования автоматизированных систем управления предприятием:
- модель для оценки качества управления должна быть моделью системы в целом, описывающей функционирование управляющих и управляемых объектов;
- сложность моделирования алгоритмов управления (обработки информации) – необходимо воспроизводить реальные алгоритмы планирования и обработки информации полностью, в таком виде, в каком они фигурируют в реальной системе;
- трудность компактного моделирования информационного поля и информационных процессов.
Предприятие представляется как комплекс сетей каналов информации на основе пунктов контроля реальных процессов (производство, сбыт, строительство, наем рабочей силы).
Каждому пункту деятельности предприятия соответствует пункт принятия решений, основанных на информации из внутренних и внешних источников. Принятое решение управляет действием и является источником новой информации.
В каждом из трех элементов (решение – действие – информация) имеют место запаздывания (для выполнения каждого из них необходимо время), выходы их элементов могут быть неадекватны входу (усиления или ослабления), могут быть искажения или шумы. Любая точка системы может быть чувствительнее к одним видам возмущений по сравнению с другими.
Решения принимаются на многих уровнях – системы управления предприятиями имеют иерархическую многомодульную структуру.
Основные этапы создания АСУ:
- технико-экономический анализ и выбор степени автоматизации исходя их целей управления (улучшение технико-экономических показателей производственного процесса);
- моделирование производственного процесса как объекта управления;
- разработка алгоритмов управления (принятия решений) и структуры системы;
- техническая реализация системы.
Между этапами существует связь, что обуславливает циклический характер разработки системы с постепенным усложнением и уточнением модели. Такое комплексное рассмотрение всех этапов представляет собой системный подход к проектированию АСУ.
Большая размерность входов и выходов, сложная структура и неопределенность преобразования входных потоков приводят к необходимости применения имитационного моделирования для оценки качества системы управления.
Шеннон: "Любой набор правил для разработки моделей в лучшем случае имеет ограниченную полезность и может служить лишь предположительно в качестве каркаса будущей модели или отправного пункта в ее построении".
** Один из фундаментальных приемов – бритва Оккама: "Не множь сущности без необходимости". (Не нужна модель прогноза погоды на один день, если с ней нужно работать два дня).
* "Кортеж" - последовательность в виде перечисления. Практическая полезность кортежных видов записей – удобная, близкая к математической, знаковая форма записи понятий и операций, связанных с системами.
Определение устойчивости по Ляпунову: движение устойчиво, если достаточно малые отклонения от него порождают траектории, которые остаются близкими к исходной траектории на достаточно большом интервале времени. Например, при полете самолета автопилот обеспечивает этот принцип, при полете ракеты этот принцип не действует.
Крылов А.Н.: "Сколько бы ни было точно математическое решение, оно не может быть точнее тех приближенных предпосылок, на коих оно основано. Об этом часто забывают, делают вначале какое-нибудь грубое приближенное предположение или допущение, часто даже не оговорив таковое, а затем придают полученной формуле гораздо большее доверие, нежели она заслуживает".
1Консервативные силы - силы поля, в котором работа, совершаемая над частицей силами поля, зависит лишь от начального и конечного положений частицы и не зависит от пути, по которому двигалась частица.
2 Алгоритм в системном исследовании – предписание определенной последовательности неформализованных действий (в частности, творческой деятельности). В математике алгоритм – точное формальное предписание, однозначно определяющее содержание и последовательность действий (операций).
3 Под методом обычно понимается некий унифицированный подход, с помощью которого ищутся пути решения поставленной задачи.