4.1. Потоки информации в автоматическом производственном процессе. Основные требования к информации

Под интегрированной автоматизированной системой управления (ИАСУ) будем понимать интегрированную систему, состоящую из трех основных компонент: автоматизированной системы технологической подготовки производства (АСТПП), системы планирования, автоматизированной системы управления технологическими процессами.

Внутренние и внешние связи в ИАСУ ГПС можно представить в виде довольно сложных сетей физических, информационных и управ­ляющих потоков. Физические потоки отражают, например, движение материальных, трудовых и энергетических ресурсов, информационные — передачу данных различного рода между производственными подразделениями, управляющие характеризуют связи между точками, где принимаются решения и где эти решения выполняются.

В самом общем виде производственная система является взаимосвязанной совокупностью трех систем: физической (станки, склады, транспорт), информационной и решающей. В физической системе осуществляется собственно производство изделий, а решающая система, пользуясь информационной системой, обеспечивает управление производством. На рис. 4.1 показана структурная схема ИАСУ ГПС машиностроительного производства и взаимосвязь протекающих в ней процессов. Однако на рисунке не отражены организационная структура,соподчинение и роль компонентов, их физическая рассредоточен- ность, что очень важно для разработки конкретной проблемно-ориен­тированной ГПС.

Гибкая пароизводственная система- это производственная еденица или совокупность технического оборудования, автоматически переналаживаемого при производстве изделий произвольной номенклатуры в установленных пределах их характеристик. Органи

Рис.

зационная структура производ­ства подразделяется на четыре уровня (рис. 4.2).

Первый уровень — гибкий производственный модуль (ГПМ) — единица технологического обо­рудования с устройством программного управления и сред­ствами автоматизации технологического процесса (накопителями, спутниками, устройствами загрузки и выгрузки, замены технологи­ческой оснастки, удаления отходов, контроля, переналадки и т.д.). ГПМ функционирует автономно, осуществляет многократные циклы и должен характеризоваться способностью встраивания в систему более высокого уровня.

Второй уровень — гибкий автоматизированный участок (ГАУ), гибкая автоматизированная линия (ГАЛ) — совокупность ГПМ, объе­диненных автоматизированной системой управления и функциониру­ющих по технологическому маршруту, в котором предусмотрена или не предусмотрена возможность изменения последовательности ис­пользования технологического оборудования.

Третий уровень — гибкий автоматизированный цех (ГАЦ) — совокупность ГАУ и (или) ГАЛ, предназначенная для изготовления изделий заданной номенклатуры.

Четвертый уровень — гибкий автоматизированный завод (ГАЗ) — совокупность ГАЦ, предназначенная для выпуска готовых изделий в соответствии с планом основного производства.

Основная функциональная система ГПС — система обеспече­ния функционирования технологического оборудования (СОФТО) ГПС — представляет собой совокупность взаимосвязанных автомати­зированных систем: автоматизированной системы научных исследова­ний (АСНИ), САПР, АСТПП; системы управления предприятием (АСУП); транспортно-складской системы (АТСС); системы инстру­ментального обеспечения (АСИО); системы автоматизированного контроля (САК); системы удаления отходов (АСУО) и т.д. Система АТСС представляет собой транспортные и складские устройства для укладки, хранения, временного накопления, разгрузки и доставки предметов труда, технологической оснастки и удаления отходов. Система АСИО включает взаимосвязанные накопители, устройства смены инструмента и контроля его качества, обеспечивающие хране­ние, автоматическую установку и замену инструмента.

Постановка и решение задач согласования и адаптации составляю­щих компонентов ИАСУ ГПС путем выбора принципов и схем ком­плексно-автоматизированной технологии, состава и режимов автома­тического и роботизированного технологического оборудования, функциональной, организационно-экономической, организационно- технологической, информационной структур, общей алгоритмической модели функционирования АСУ в составе компонент (САПР, АСНИ, АСТПП, автоматизированная система организационно-экономическо­го управления (АСОЭУ), АСУ и др.) в рамках единой процедуры управления служат методологической основой создания ИАСУ ГПС. В результате системного проектирования и реализации единой проце­дуры управления в концептуальной модели ГПС все программно- управляемое оборудование, входящее в состав ГПМ и оснащенное встроенными микроЗВМ (станки с ЧПУ, автоматические транспо- ртно-складские системы, автоматические контрольно-измерительные системы и т.д.), работает во взаимосвязанных и взаимообусловленных режимах.

ИАСУ ГПС на заводе предназначена для автоматизированного управления производственными процессами конструирования изде­лий, технологической подготовки производства и изготовления изде­лий в соответствии с техническим заданием (ТЗ) на изделие с обеспе­чением технологической гибкости производства, высокой производи­тельности, бесперебойности работы технологического программно- управляемого оборудования.

В ИАСУ ГАЗ входят подсистемы (рис. 4.3):

САПР, которая конструирует изделия, узлы, детали, разрабатыва­ет требования к ним;

АСУП, планирующая и координирующая работу всех подсистем ИАСУ ГАЗ;

АСНИ, исследующая готовые образцы изделий на соответствие требованиям технического задания (ТЗ);

АСТПП, проектирующая технологические процессы и управляю­щие программы для станков с ЧПУ, технологическую оснастку, инструмент;

автоматизированная система организационно-экономического управления (АСОЭУ), осуществляющая текущее и оперативное планирование и учет хода производственных процессов;

автоматизированная система организационно-технологического управления (АСОТУ), управляющая технологическим объектом управления, сконструированным из комплекса ГПМ, снабженных локальными информационно-управляющими системами управления;

распределенная САК, контролирующая качество функционирова­ния ГПС и качество изготовления изделий.

Практически подсистемы САПР, АСУП, АСНИ объединяют в комплекс верхнего уровня иерархии ГПС, на котором вырабатывается стратегия организационно-экономического управления, планируется загрузка ГПС, осуществляется подготовка производства для функцио­нирования ГПС, автоматизированно проектируются изделия. Таким образом, компоненты АСУП — САПР—АСНИ образуют информаци­онную среду для ГПС, реализованную в виде верхнего уровня общего распределенного банка данных ИАСУ ГАЗ. Компоненты АСТПП, АСОЭУ, САК, АСОТУ объединяют в комплекс иерархии нижнего уровня ГПС, на котором решаются тактические задачи организационно-технологического планирования и управления, автоматизированно подготовляются технологические управляющие программы и осущес­твляется непосредственное цифровое управление технологическим объектом управления в режиме реального времени.

Эти подсистемы нижнего уровня иерархии (рис. 4.4) генерируют внутреннюю информационную среду, реализованную в виде нижнего уровня распределенного банка данных ИАСУ ГАЗ-банка данных ИАСУ ГАЦ со своими системами управления базами данных (СУБД).

В свою очередь, каждая подсистема ИАСУ ГПС, например АСУ ОТ ГПС, — очень сложная система, обладающая сложными информа­ционной, организационно-экономической, организационно-технологи­ческой и функциональной структурами. Поэтому теоретической базой создания ИАСУ ГПС служит теория иерархических систем. Методо­логической базой создания ИАСУ ГПС служит системный подход. Известные принципы и приемы декомпозиции и интеграции, исполь­зуемые соответственно для системного анализа и синтеза при систем­ном проектировании ИАСУ ГПС машиностроительной отрасли

должны рассматриваться комплексно. Принципы декомпозиции позволяют представить сложные функциональную, организационно- экономическую, организационно-технологическую и информацион­ную структуры, а также общую алгоритмическую модель функциони­рования ИАСУ ГПС в виде совокупности иерархически подчиненных функциональных компонентов, каждый из которых имеет определен­ные границы (система, подсистема, управляющий блок, комплекс задач, задача, процедура и т.д.).

Имитационные модели и многоуровневая иерархическая концеп­ция являются основными средствами интеграции этих компонентов. В многоуровневой иерархии каждый уровень управления должен под­держивать значения переменных, задаваемых вышестоящим блоком, и, в свою очередь, должен устанавливать ограничения, критерии для подчиненных уровней управления. Эти процедуры многоуровневой координации носят итеративный характер.

Основные трудности в реализации концепции многоуровневой координации в ИАСУ ГПС связаны с широким диапазоном временных масштабов выполнения функций планирования и управления; интервал изменяется от года при планировании на уровне ГАЗ до нескольких секунд при управлении технологическими процессами на уровне ГПМ. Главное научное управление в решении возникающих здесь проблем — концепция многослойной временной иерархии, согласно которой задачи планирования и управления на любом уровне разбивают на несколько подзадач с различными временными горизонтами и моделями, различающимися степенью детали­зации.

Аналогично задачи оптимального управления технологическим объектом управления (ТОУ) решают в реальном масштабе времени с применением концепции многослойной функциональной иерархии, позволяющей находить компромисс между стоимостью и точностью решения. В соответствии с этой концепцией выделяют четыре слоя каждой функции управления: самоорганизацию, адаптацию, оптими­зацию, регулирование.

В ИАСУ ГПС горизонтальное объединение необходимых функций и ресурсов, гарантирующее минимум связей с другими подсистемами, сочетается с вертикальной интеграцией уровней планирования и управления. Поэтому необходимо создание многоуровневой ИАСУ ГПС с единой информационной базой и целью управления.

Комплексно-автоматизированные технологические процессы и роботизированное программно-управляемое технологическое оборудо­вание составляют в комплексе ТОУ, которым управляет АСУ организационно-технологического класса.

На уровне ГПМ ТОУ является исполнительной частью ИАСУ ГПС и в него входят (рис.

На уровне ГАУ и ГАЛ в ТОУ входит несколько ГПМ, ATM, ACM, объединенных единой АТСС и единой интегрированной АСУ (соответственно ИАСУ, ГАУ и ИАСУ ГАЛ). На уровне ГАЦ в ТОУ входит несколько ГАЛ и ГАУ, несколько автоматизированных внутрицеховых и цеховых складов, объединенных автоматизированной транспортной сетью и единой интегрированной АСУ на уровне цеха (ИАСУ ГАЦ). Такими образом, ТОУ машиностроения свойственны следующие особенности:

наличие как непрерывных, так и дискретных (дискретно-непрерывных) технологических процессов;

значительные объемы производства при широкой номенклатуре и различных партиях деталей, требующих изготовления и транспортирования большого числа инструмента, полуфабрикатов, заготовок и деталей;

многообразие организационно-технологических и организационно- экономических показателей производства;

связь между отдельными автоматизированными цехами, участками, линиями;

нестационарность производственных процессов, связанная с необходимостью производства на одном и том же технологическом оборудовании разнообразных изделий;

большое число возмущающих воздействий и, следовательно, стохастический характер поведения объектов управления;

значительная интенсивность материальных и энергетических 'потоков;

необходимость переработки больших массивов организационно-технологической и производственно-экономической информации в процессе принятия решений;

большая объемность и размерность задач планирования и управ­ления и, следовательно, неизбежность их декомпозиции при решении на распределенной локальной вычислительной сети;

участие в управлении группы компетентных экспертов-операторов, руководителей ГПС (лиц, принимающих решения).

В машиностроении ИАСУ ГПС нужно проектировать, основываясь на принципах группового изготовления изделий, и обеспечивать быструю автоматическую перестройку производства с выпуска одного вида изделия на выпуск другого вида изделия в пределах технологических возможностей благодаря смене управляющих программ и инструкций. Режим работы ГПС можно интерпретировать как дис­кретный на малом промежутке времени и непрерывный на большом (24 ч в сутки, 8000-8500 ч в год).

Информационная база ИАСУ ГПС. Принципиальной особенностью ИАСУ ГПС является то, что она позволяет осуществлять оперативное управление производством в реальном масштабе времени на уровне АСУ ОТ и максимально к нему приближенным на уровне АСОЭУ. Высокая оперативность достигается благодаря достаточной и необходимой информации. Так как объемы данных велики и их взаимосвязи сложны, необходимо организовать информационную базу таким образом, чтобы обеспечить эффективную обработку информации, а также ее достоверность, своевременность, полноту, точность, адресуемость, обращение и доступность, сравнимость и др. Постоянные значительные изменения номенклатуры выпускаемых изделий требуют адекватных изменений в адаптивном информационном обеспечении в ИАСУ ГПС. Поэтому необходима гибкость структур системы обработки данных и всего программного обеспечения.

На рис. 4.6 условно показано распределение априорной и текущей информации в ИАСУ ГПС. Априорная разделяется на информацию

Рис. 4.6. Характер распределения априор­ной и текущей информации в ИАСУ ГПС

о процессах, критериях, методах управления и т.д., заложенная в систему конструкторами и эконо­мистами (информация компонент САПР, АСУП, АСНИ), и информацию, которой располагают технологи и организаторы производства (информация компонент АСТПП, АСОЭУ, САК, АСУ ОТ). Эти два

множества пересекаются, но ни одно из них не включает в себя другое полностью. Очевидно, что в случае достаточно сложных ГПС

проектировщик системы управления не может знать технологию на уровне технолога, а технолог — систему управления на уровне сис­темного и прикладного программиста и т.д. Аналогично текущая и оперативная информация в ИАСУ ГПС представляет собой объедине­ние двух непересекающихся множеств — информации, полученной в процессе работы диспетчерами и операторами, а также информации, генерируемой автоматическими ГПМ и другими элементами ГПС.

Функционирование ИАСУ ГПС связано с обработкой больших объемов информации за короткие сроки. Рассмотрим некоторые особенности информации, циркулирующей в ИАСУ ГПС и необходимой для нормальной работы системы, а также обеспечивающей непрерывное изменение программы функционирования ИАСУ ГПС в связи с быстрой перестройкой технологии и сменой объектов производства, в частности, информации комплекса (ТОУ—ИАСУ).

Она включает следующую информацию:

о структуре и характеристиках ТОУ, о множестве входов и выходов ТОУ, их взаимосвязи и характеристике устройств сьема информации и каналов связи;

о состоянии ТОУ и ИАСУ;

о характеристиках и состоянии внешней среды, в которой функционирует ИАСУ ГПС, и действующих на нее внешних возмущениях;

о целях функционирования ИАСУ ГПС, критериях, по которым оценивается эффективность работы, и ограничениях, подлежащих учету;

о допустимых и предпочтительных стратегиях планирования и управления в ИАСУ ГПС.

При одновременной разработке и проектировании ИАСУ ГПС как комплексной системы технология—оборудования — САУ нет достаточной информации:

об описании характеристик ТОУ и ИАСУ; известны лишь приближенные аппроксимирующие модели объектов или модели заданы с точностью до набора параметров, т.е. известна структура ТОУ и ИАСУ, но не известны точные значения параметров моделей; в распоряжении проектировщиков имеются лишь экспериментальные оценки, мнение экспертов и т.д., но нет полной информации о связи между критериями, характеризующими качество работы системы, и ограничениями;

о состоянии (начальном, текущем) ТОУ и ИАСУ ГПС; выходные или промежуточные переменные состояния ТОУ и ИАСУ или изменя­ются со случайными погрешностями, или не поддаются измерению и контролю; пространство наблюдений меньшей размерности, чем пространство состояний; в ИАСУ имеется агрегированная или иска­женная информация;

о поведении всей или ее отдельных компонентов; внешняя среда, ТОУ или ИАСУ содержат непредсказуемые или стохастические процессы; в систему управления входят активные элементы с некоторой свободой и самостоятельностью поведения, например, лица, принимающие решения;

об общей цели, а также частных критериях эффективности, внешних ограничениях и требованиях к системе ИАСУ с точки зрения оптимальности ее функционирования; неопределенность такого вида часто возникает, когда не удается сформировать обобщенный крите­рий или систему частных критериев в виде математических выраже­ний, неполна система нормативов на новое изделие и т.д.; в то же время выбор управляющих воздействий, а также стратегии и тактики планирования и управления в ИАСУ ГПС определяется имеющейся в данный момент информацией.

Таким образом, ценность разнообразной информации в ИАСУ ГПС значительно выше, чем, например, в традиционных системах АСУП и АСУТП. Поэтому, как правило, ИАСУ ГПС функционирует на основе развитого банка данных, имеющего базу данных и систему управления базой данных. Под базой данных (БД) понимаем совокуп­ность взаимосвязанных, хранящихся вместе данных при такой минимальной избыточности, которая допускает их оптимальное использование для одного или нескольких приложений. Данные запоминаются так, чтобы они были независимы от предметной области. Для генера­ции или модификации существующих данных, а также поиска дан­ных в БД применяют общий управляемый способ. При использовании распределенной вычислительной сети из разных ЭВМ, имеющих свои промышленно-сопровождаемые СУБД, возникает сложная проблема разработки и внедрения неоднородных БД.

Определяющими особенностями применения технологии построения БД в ИАСУ ГПС являются ее иерархическая структура, отображенная на распределенную локальную вычислительную сеть (ЛВС) ЭВМ. Необходимость такой децентрализации в первом приближении определяется четырьмя уровнями в организационной структуре ИАСУ ГАЗ, а также спецификой информационных моделей основных подсистем ИАСУ ГАЗ, существенно различающихся по характеру и методам обработки информации. Реализация централизованного банка данных при значительной неравномерности потоков информации на четырех уровнях привела бы к усложнению системы и неэффективности использования локальной сети ЭВМ. Например, возникающие в ГАУ изменения состояния ГПМ (завершение операции, выход из строя модуля и др.) прерывают работу ЭВМ, требуют обработки информации в реальном масштабе времени в соответствии с системой установленных относительных и абсолютных приоритетов.

При этом время, необходимое на обработку прерываний, определяется выполнением соответствующей программы внесения изменений в динамические информационные массивы ГАУ и ГПМ и может оказаться значительным. При повышении частоты прерывания до определенного значения может оказаться, что центральная (заводская) ЭВМ или цеховая ЭВМ не могут интенсивно обрабатывать прерывания в реальном масштабе времени. Это приводит к возникновению значительных объемов необработанных запросов прерываний и в итоге — к простоям технологического оборудования или к тупиковым ситуациям в работе вычислительной системы.

В результате анализа возникающих производственных ситуаций выявляют прерывания, которые может отрабатывать система или ЭВМ каждого уровня, и тем самым сводится к минимуму информационный обмен между уровнями. На нижнем уровне информационное содержание банков данных определяется в основном задачами управления ГПМ и может быть представлено в виде наборов часто коррек­тируемых массивов, хранящих программу, управляющую работой ГПМ в текущий момент времени, и массивов, отражающих изменение режимов его работы с течением времени. Одна из основных задач проектирования банка данных уровня ГАУ или ГАЛ — определение структур, способов хранения, обработки и обмена информацией различных поколений массивов в соответствии с различными видами и спецификой ГПМ и сроками хранения массивов.

На уровне ИАСУ ГАЦ банк данных состоит из массивов, содержащих календарно-плановые, трудовые, технологические и другие нормативы, обеспечивающие решение задач оперативно-календарного планирования (ОКП), диспетчеризации и управления. На этом уровне осуществляется хранение управляющих программ для ГПМ, технологических и других нормативов. Здесь могут решаться опера­ционные и отладочные задачи АС ТПП, в том числе разработка программ для ГПМ и достаточно простых автоматизированных технологий.

С уровня ИАСУ ГАЗ, на котором реализуются наиболее сложные функции САПР, АСНИ, АСУП, в банк данных ИАСУ ГАД могут передаваться требуемые для данного цеха составляющие нормативных массивов, массивы комплексно-автоматизированных технологических процессов и другая информация.

Иерархия уровней банка данных соответствует сквозной техноло­гии автоматизированного проектирования по схеме: САПР—АСНИ— АСУП—АСТПП—АСОЭУ—АСОТУ—ТОУ—САК—АСУ—АСПИ (здесь АСПИ — автоматизированная система производственных испытаний).

Рассмотрим задачи и особенности системного проектирования банков данных на двух нижних уровнях — ИАСУ ГПС и ИАСУ ГАЦ.

Основные задачи проектирования следующие: распределение массивов по уровням и приоритетам; определение характеристик обмена информацией между уровнями; проектирование логических и физических структур хранения информации; выбор базовой системы программного обеспечения для реализации распределенного банка данных; обеспечение итеративного быстросходящегося автоматизированного процесса проектирования программного обеспечения.

Существенным является проектирование конкретных структур хранения информации.

Существующие подходы к проектированию ориентируются, как правило, на уже имеющиеся СУБД. Но более эффективна разработка технических требований к СУБД на основе реализуемой информационной модели проблемно-ориентированной ИАСУ ГПС. Такой подход тем более необходим в ИАСУ ГПС машиностроения, где очень высоки требования к эксплуатационным характеристикам банка данных. В первую очередь это относится к выбору класса СУБД из числа трех наиболее распространенных: сетевых, иерархических и реляционных.

Определяющими при выборе структуры банка данных уровня ГАЦ помимо его состава являются особенности реализации на его основе комплекса функциональных задач по оперативному управлению производством, включая задачи оперативно-календарного планирования (ОКП), учета хода производства и его диспетчеризации. Эти особенности определяются, во-первых, необходимостью интеграции производственного планирования и управления в подсистемах, входящих в ИАСУ ГАЦ, в единую систему ИПУ и, во-вторых, — необходимостью полной автоматизации основных технологических процессов организационно-экономического управления на уровне цеха и завода.

Автоматический пооперационный учет хода производства на уровне ГАУ и ГАЦ, а также доступность информации о состоянии производства в любой момент времени позволяют непрерывно оперативно планировать производство и управлять им, вносить коррективы по мере изменения производственной ситуации. Это, в свою очередь, требует принципиально новых моделей ОКП в рамках интегрирован­ного планирования и управления (ИПУ), эффективных и в то же время достаточно простых, чтобы реализация алгоритмов на РВС ЭВМ была быстрой и оперативной при управлении производственным процессом. Существенное требование к модели ОКП в ИАСУ ГАЦ — минимизация объема и размерности ее информационной базы, позво­ляющая реализовать оперативное управление вычислительными ресурсами РВС ЭВМ уровня ГАЦ.

Информационная система на уровне ИАСУ ГАЦ должна поддерживать три иерархически упорядоченных сверху вниз вида деятельности предприятия: 1) стратегическое и текущее планирование, 2) организационное управление, 3) оперативное планирование и управление. Все эти три вида деятельности ГПС должны базироваться на электронных средствах сбора, обработки, хранения и распределения данных. Первые два вида деятельности тесно связаны с принятием решений, а третий вид — с подготовкой оптимальной информации для первых двух.