Глава 2 структура аис

$ 2.1 ПОНЯТИЕ СТРУКТУРЫ АИС

Свойства любой системы и проявление ее функций во време­ни определяются в значительной степени ее структурой. Под структурой понимают совокупность элементов системы и связей между ними, отражающих их взаимодействие. Накопленный опыт разработки и эксплуатации АИС в настоящее время позво­ляет определить основные принципиальные схемы функциониро­вания АИС и структурный состав подсистем. Структура АИС должна обеспечить выполнение процесса автоматизированного управления с задан­ным критерием качества.

Рис. 2.1. Блок-схе­ма автоматизированного управле­ния производством

Автоматизированное управление реали­зуется на основе взаимодействия автомати­зированной системы управления и объекта управления (рис. 2.1). Связи между АИС и объектом управления могут носить матери­альный, технологический или информацион­ный характер. При материальном представ­лении мы имеем движение предметов труда по технологическим операциям и изучаем материальные потоки. Информационное представление является кибернетическим и позволяет с самых общих позиций оценить процесс автоматизи­рованного управления. При информационном подходе связи отображают информацию, которая имеет место в системе. От производства П поступает осведомительная информация ОИ. В АИС хранится нормативная (условно-постоянная) информация НИ, и от АИС на объект управления формируется управляющая информация УИ. В условно-постоянной информации содержится совокупность данных, документов об объекте, которыми регламентируются действия по управлению. Так как процесс управления сопровождается непрерывной обработкой информации, то должна быть принята некоторая схема обработки информации, которая зависит от конкретных задач управления, сложности объекта, имеющихся вычислительных ресурсов и т. д. Осведомительная информация—это информация, поступающая функционирования объекта управления. Она должна содержать данные по отклонению производственного процесса от немого режима. Эта информация по своему характеру является оперативной; она передается и обрабатывается на ЭВМ по возникновения и зачастую преобразуется в форму, удобную представления на машинном носителе или для передачи по каналу связи. Ввод информации с объекта может осуществляться автоматически от датчиков, если в качестве управляемого про­цесса выступает технологический процесс, либо с помощью опе­ратора, который задает некоторые обобщенные данные по функционированию производства, как организационно-экономического объекта управления.

Управляющая информация по своему характеру является оперативной. В зависимости от уровня объекта управления меняются характер управляющей информации и частота ее посту­пления. Чем выше уровень объекта, тем выше ценность инфор­мации и меньше частота поступления. Таким образом, процесс автоматизированного управления включает в себя получение информации о ходе производства, выработку управляющих ре­шений с помощью АИС, выдачу управляющей информации для изменения состояния производства. Этот цикл идет непрерывно.

Процесс управления реализуется с обратной связью, которая проявляется в том, что изменение состояния производства, возникшее из-за внешних возмущений либо вследствие управляющих воздействий, непрерывно передается в АИС для получения и выработки управляющего решения. Блок-схема (Рис. 2.1) может быть раскрыта далее, если перейти к вы­явлению организационной структуры объекта управления и структуры АИС. Остановимся более подробно на понятии структуры.

Структура любой системы может изучаться извне для оценки отдельных частей системы, т. е. подсистем и отношений между ними. При этом устанавливаются основные части системы. Такое изучение системы применительно к АИС позволяет выделить две основные части: функциональную и обеспечивающую.

Структура системы может изучаться и изнутри, когда проводится анализ отдельных свойств, позволяющих системе достигать заданной цели. При этом изучаются функции системы. Наметился ряд подходов к изучению структуры, основными из которых можно считать структурный и функциональный. При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы и связи между ними. Совокупность элементов и связей, взятых во взаимодействии, позволяет судить о струк­туре системы в целом, причем эти связи могут быть описаны на различных уровнях. Самое общее описание — это концептуаль­ное, содержательное, качественное, когда не осуществляется ни­какой формализации, но имеется полное представление о действиях и составе системы. Менее общим является топологическое описание, позволяющее определить в самых общих понятиях со­ставные части системы и перейти к формализации. Дальнейшее уточнение приводит к логическому описанию, когда на уровни алгебры логики некоторых математических представлений мож­но логически описать свойства системы, чтобы перейти к их реализации. Наиболее конкретным уровнем модельного представле­ния является физическое представление структуры, когда мы переходим к реализации структуры на каких-то конкретных элементах. Такое представление может привести к так называе­мой технической структуре АИС, т. е. к комплексу технических средств. Физический уровень представления позволяет найти зна­чение параметров отдельных частей системы и реализовать си­стему на требуемом техническом уровне.

Менее общим считают функциональный подход, когда рассматриваются отдельные функции, алгоритмы поведения си­стемы. Под функцией обычно понимают свойства системы, при­водящие к достижению цели. Если общую цель системы разбить на подцели, то при функциональном подходе получаем разбиение общей системы на отдельные составляющие по функциям, т. е. происходит выделение функциональных подсистем. Функцио­нальный подход позволяет осуществить количественную оценку свойств. В частности, свойства могут быть выражены в виде не­которых характеристик элементов подсистем либо характеристик системы в целом. Исходя из функционального подхода, АИС может быть декомпозирована на функциональные подсистемы и задачи. Это особенно важно при проектировании АИС из-за сложности ее структуры.

Однако деление системы даже по одному функциональному признаку не является однозначным. Прежде всего, должны быть выделены границы между частями системы, что осуществляется зачастую субъективно. Выбор принципа выделения отдельных функциональных подсистем должен удовлетворять достаточно четко сформулированным критериям: во-первых, обеспечивать их максимальную автономность: во-вторых, учитывать особенности применяемых экономико-математических методов и моделей; в-третьих, учитывать функциональные особенности подсистем по характеру решаемых задач и используемой для решения этих задач информации. Очень важным является нахождение оптимального варианта деления системы на функциональные части. При управлении предприятием такое деление может быть выполнено по уровням управления, фазам и существующим организационным подсистемам. Опыт разработки АИС показывает, что выделение функциональных подсистем по традиционным органи­зационным принципам, сложившимся до внедрения АИС, является нецелесообразным. Более рациональным является разделение функциональной части АИС на функциональные задачи. Функциональная задача определяется конкретной задачей управления и, что не менее важно, вычислительным процессом, позволяющим реализовать вычислительную задачу, которая является отобра­жением реальной задачи управления. Таким образом, функцио­нальная структура АИС является составной частью структуры, определяет основные функции, и процесс функционирования АИС во времени, как процесс взаимодействия элементов, обеспечивающих устойчивую бесперебойную работу объекта управления, удовлетворяющую заданным ограничениям и критериям качест­ва. Однако функциональная часть системы не может работать без обеспечивающей части.

Обеспечивающая часть — это совокупность организационно­го, информационного, математического, алгоритмического, про­граммного, лингвистического, эргономического, правового обес­печений. Разработка обеспечивающих подсистем является само­стоятельной задачей, и эту работу выполняют выпускники ряда учебных специальностей. Таким образом, как структурный, так и функциональный подходы приводят к делению структуры АИС на отдельные подсистемы. ГОСТ определяет подсистему АИС как часть автоматизированной системы управления, выде­ленную по определенному аспекту деления. В соответствии с этим функциональная часть АИС состоит из комплекса админи­стративных, организационных и экономико-математических ме­тодов, обеспечивающих решение задач планирования, учета и анализа показателей для принятия управленческих действий в подсистемах АИС.

Структура АИС имеет иерархический характер. В ней могут быть выделены определенные уровни иерархии, что наглядно проявляется в интегрированной системе управления, обобщен­ная блок-схема которой представлена на рис. 2.2. На нижнем уровне имеется система автоматического управления (САУ), выше располагаются автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУ ТП), автоматизированная система управления предприятием (АСУП), отраслевая автома­тизированная система управления (ОАСУ), общегосударствен­ная автоматизированная система управления (ОГАС). Для любой из этих систем может быть произведена декомпозиция: в структуре выделяются уровни управления, которые отличаются друг от друга периодичностью принимаемых управленческих решений, уровнем интеграции обработки данных, общностью алгоритмов автоматизированных функций управления. Уровни управления в определенной степени зависят и от характера объекта. Если в качестве объекта управления выступает пред­приятие, то основными уровнями управления являются перспективное планирование и прогнозирование деятельности предприя­тия управление подготовкой производства, технико-экономиче­ское управление, общезаводское производственное планирование и управление, оперативное управление. В соответствии с этими уровнями управления могут быть определены функции управле­ния и. как следствие, установлены функциональные задачи и функциональные подсистемы. Если на каком-то уровне управле­ния выделена задача управления, то для ее решения с использо­ванием АИС необходимо поставить цель, разработать идеальную модель функционирования объекта, которая устанавливала бы оптимальный способ достижения цели: регулярного получения модели фактического состояния объекта и, при сравнении ее с идеальной, нахождения отклонения реальной траектории движения от идеальной, установления информации, направленной на устранение отклонения фактического состояния системы от идеальной модели. Решение этих задач предполагает расчленение процесса управления на отдельные фазы: планирование, учет, регулирование. Кроме того, могут иметь место вспомогательные фазы: нормирование, контроль и анализ хода производства. Деление системы управления на фазы управления позволяет к разработке алгоритмов. Получение общих алгоритмов дает возможность расчленить процесс управления между сложившимися службами предприятия. Поэтому возникает новая организационная структура управления объектом в условиях АИС.

Н

аряду с экономико-алгоритмической общностью задач, включаемых в функциональную подсистему, мы получаем информаци­онную общность, что позволяет минимизировать внешние связи данной подсистемы. Такой подход позволяет выделить типовые функциональные подсистемы, которые реализуются на современных технических средствах с минимальными затратами.

Наряду с организационной и функциональной существенной является техническая структура АИС, определяемая возможно­стями современных средств вычислительной техники. Историчес­ки техническая структура сформировалась как структура децен­трализованная, иерархическая, и выделился ряд уровней иерар­хия. На рис. 2.3 представлена обобщенная схема АСУП для трехуровневого управления. Подсистема третьего уровня обслу­живает производственный участок (ПО), где используются средства местной автоматики: управляющая вычислительная машина (УВМ), воздействующая через исполнительный меха­низм (ИМ) на производственный участок. Исходная информация ДМ функционирования поступает в ЭВМ через датчики (Д), ко­торые снимают непрерывную информацию с производственного объекта. Требуемый режим функционирования предписывается подсистемой второго уровня через УВМ либо регулятор (Р). В зависимости от сложности производственного объекта локальные автоматические устройства могут функционировать в одноконтурных или в многоконтурных схемах управления. Подсистема второго уровня обеспечивает стабилизацию управляющих параметров и поддержание их на заданном уровне, осуществляет контроль за состоянием производственных объектов. Она здесь выступает как промежуточная, используются средства сбора и передачи информации (ПСПИ), средства выдачи данных (ПВД), которые являются однотипными для подсистем первого и второго уровней. Управляющая вычислительная машина определяет зону оптимального режима работы технологического оборудования, выдает обобщенные показатели хода производства, обеспечивает передачу их в подсистему верхнего уровня. Наивысшим органом управления является подсистема первого уровня, объединяющая работу локальных автоматических систем и систем управления второго уровня. Она решает задачи, связан­ные с оптимизацией работы всего предприятия, а поэтому здесь используются наиболее мощные вычислительные машины, кото­рые превосходят ЭВМ второго уровня и по своим ресурсам обес­печивают решение всех возникающих задач. Отчетность о дея­тельности АИС и текущая информация передаются в отраслевую систему управления. Такая иерархическая структура системы связана, прежде всего, с возможностями работы высокопроизво­дительных вычислительных машин, которые могут централизо­ванно обслуживать крупные предприятия, а порой и совокуп­ность предприятий. С точки зрения используемых технических средств, в нашей стране существуют три основных направления развития вычислительных машин. Первое направление — это выпуск микроЭВМ (например, «Электроника 60»). Они выпус­каются с различным комплектом периферийной техники, обес­печивают работу непосредственно с объектом, стыкуются с, ма­шинами большей мощности и тем самым являются достаточно универсальным средством для автоматизации технологических процессов, экспериментальных исследований, комплексных ис­пытаний аппаратуры. Второе направление — это развитие мини-ЭВМ серии СМ. Эти машины по своему характеру явля­ются управляющими вычислительными машинами. Они работают в совокупности с аппаратурой съема информации, могут вхо­дить в состав информационно-вычислительных комплексов, где для связи с объектом используется аппаратура типа «КАМАК». Данные машины имеют средства для работы в режиме разделения времени, что позволяет организовывать на их базе дисплейные классы, в которых разработчики — исследователи и проекти­ровщики могут работать независимо друг от друга. Мини-ЭВМ этого типа получили широкое распространение в оперативном управлении производством, в управлении технологическими про­цессами, организационно-экономической деятельности предприя­тия на уровне цеха. Третье направление — это производство мощных универсальных вычислительных машин единой серии типа ЕС. Они обладают высокой производительностью, возмож­ностями работы в различных операционных системах. Использо­вание новых типов операционных систем позволяет создавать ряд виртуальных машин на базе машин ЕС 1060, организовывать режим коллективного доступа, объединять эти машины в вычис­лительные системы коллективного пользования. В последние го­ды получают развитие персональные ЭВМ, которые позволяют перейти к децентрализованной структуре АИС; она, в свою очередь, дает возможность уменьшить связи между отдельными подсистемами и осуществить обработку информации непосредст­венно в месте ее возникновения. В целом структура системы при этом упрощается, на различных участках системы могут быть использованы однотипные алгоритмы обработки информации. Распределительная система приводит и к распределенной информационной базе. Построение автоматизированных систем управления с такой структурой является перспективным направлением развития АИС. Исходя из структуры системы, можно применительно к АИС выделить три основных аспекта: организационную структуру АИС, определяющую связи между отдельными организационными подразделениями предприятия в условиях автоматизированного управления; функциональную структуру, которая определяет взаимосвязи и выделяет функции АИС, и техническую структуру, отражающую комплекс технических средств, одной и той же организационной структуры могут быть раз­даны разные функциональные и технические структуры. Однако для конкретной системы они тесно связаны, поскольку оптимальная техническая структура может быть создана приме­нительно к определенным организационным и функциональным задачам. Оптимизация структуры является сложной теоретической зада­чей, а поэтому актуальной является проблема формализации структуры АИС, т. е. переход от концептуального модельного описания к описанию логическому, на уровне которого можно применить известный математический аппарат.