автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение качества управления технологическими процессами производства на основе процедуры распределенного мониторинга объектов в режиме реального времени с применением инструментов трехмерного моделирования

На правах рукописи

Тихомиров Василий Васильевич

Повышение качества управления автоматизированным производством на основе процедуры распределенного мониторинга состоянии объектов в режиме реального времени с применением инструментов трехмерного моделирования

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009 г.

003471719

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН»

Научный руководитель: Кандидат технических наук, профессор

Шемелин Владимир Константинович Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Фролов Евгений Борисович

Кандидат технических наук Москалев Андрей Александрович

Ведущая организация: Институт проблем управления РАН

им. В.А. Трапезникова (г. Москва)

Защита диссертации состоится « /7 » и /о/7 я 2009 г. в -/¡О г часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 в ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, Вадковский переулок, д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан « /6^ » АикК 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета, к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Наряду со стремительным ростом числа предприятий, применяющих современные информационные технологии и оборудование, актуальным является процессы и механизмы совершенствования методов контроля работоспособности оборудования, процедур реагирования на аварийные ситуации, стратегического планирования деятельности предприятия на основе систем распределенного контроля состояний результатов эксплуатации оборудования. Важной целью на этом направлении является существенное расширение зоны контроля, повышение его достоверности и оперативности реагирования, что может быть достигнуто разработкой и применением средств и методов распределенного мониторинга всех уровней промышленного производства в режиме реального времени.

Проведя анализ архитектуры существующих систем мониторинга технологического процесса, различных фирм разработчиков, были выявлены следующие проблемы:

- наличие разрозненной информации различных систем АСУ и АСУТП предприятия;

- отсутствие централизованного контроля и доступа заинтересованных служб предприятия к оперативной и архивной технологической информации из различных систем АСУ и АСУТП;

- плохая масштабируемость систем, отсутствие набора единых интерфейсов, позволяющих произвести эффективную интеграцию дополнительных компонентов в состав системы;

- невозможность точного конфигурирования и настройки под конкретные задачи технологического процесса;

- отсутствие единой обобщенной концепции интеграции компонентов от различных производителей;

В результате исследования было выявлено, что разрешить указанные недостатки и противоречия возможно в процессе развертывания и широкого

3

использования распределенной системы мониторинга, в основе своей построенной с учетом согласованных системных принципов и международных стандартов в области промышленного производства и информационных технологий.

Исходя из перечисленного, тема диссертации направлена на повышение качества управления технологическим процессом производства на основе процесса распределенного мониторинга объектов в режиме реального времени, с применением инструментов трехмерного моделирования.

Целью работы является повышение качества управления технологическими процессами производства на основе системы распределенного мониторинга состояний объектов в режиме реального времени.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие

научные задачи:

- анализ существующих систем распределенного мониторинга и разработка классификации критериев интеграции прикладных компонентов распределенных систем мониторинга реального времени;

- разработка архитектуры распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства, как фактора повышения качества управления производственным процессом;

- разработка моделей распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства в режиме реального времени

- разработка методики интеграции системы распределенного мониторинга в структуру производственного процесса с применением среды 5САОА;

- определение областей целесообразного применения процедур распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства на основе многофакторной классификации методов мониторинга, с применением инструментов трехмерного моделирования;

- определение практической и экономической целесообразности применения разработанных в диссертации положений по оценке качества технологического процесса.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов теории управления, программного моделирования, основных положений принципов интеграции, технологии автоматизированных систем управления, а также средств визуализации и объектного построения.

Научная новизна работы заключается в:

- разработке архитектуры распределенного мониторинга состояний объектов автоматизированного производства в режиме реального времени, как фактора повышения качества управления производственным процессом;

- определение функциональных связей между объектами распределенного мониторинга, что позволяет настроить и сконфигурировать среду управления автоматизированным производством, достигнув требуемого повышения качества управления;

- разработке моделей и методики интеграции системы распределенного мониторинга в структуру производственного процесса с применением среды БСАОА, как фактора повышения общей эффективности автоматизированного производства.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты, в виде методики интеграции компонентов визуализации в программной среде ЗСАОА, позволяют снизить стоимость системы управления технологическим процессом, повысить его качество. При этом достигается ряд преимуществ: сокращение итогового времени проектирования и разработки программного обеспечения, упрощение интеграции компонентов визуализации, повышение качества отладки управляющих программ, гибкость конфигурирования интегрируемых

компонентов системы. Разработанные в диссертации положения используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Апробация работы. Теоретические и практические результаты, полученные автором, докладывались на заседаниях кафедры «Компьютерные Системы управления» МГТУ «Станкин», на Международном форуме информатизации МФИ-2007 и международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 - в издании, включенном в перечень ВАК РФ, а также 2 издания по темам международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 158 страниц основного текста, 44 рисунков и 4 таблиц. Список литературы содержит 44 наименований, в том числе 7, опубликованных в Интернете.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, отмечена ее научная новизна и практическая ценность.

В первой главе на основе научных трудов в области разработки программного обеспечения систем управления и информационных систем в промышленности, производится анализ систем мониторинга с позиций требований, предъявляемых к ним. Исследованы архитектуры организации приложений и современный процесс интеграции компонентов мониторинга для составляющей систем управления.

В результате выявлено несколько направлений для улучшения качества мониторинга и прогнозирования.

Первое направление - это выявление причин возникновения изменений параметров, обнаруживаемых системой мониторинга. Это направление получило название диагностики по данным мониторинга. Основной особенностью этого направления является увеличение диапазона измерений и сложности анализа контролируемых сигналов в уже имеющихся точках контроля.

Следствием ограничений является то, что эффективные системы мониторинга и глубокой диагностики появляются только в новых поколениях систем контроля и управления. Это негативно сказывается на стоимости и сроках реализации систем.

Второе направление - превентивная (профилактическая) диагностика, которая использует индивидуальные алгоритмы и точки контроля объекта для обнаружения каждого вида дефекта на этапе зарождения, позволяющие контролировать развитие этих дефектов в течение всего жизненного цикла объекта контроля. Для применения в системах мониторинга превентивных методов диагностики необходимо не только расширять и усложнять методы анализа, но и увеличивать количество узлов контроля. При этом возможно обойтись без использования датчиков определенных сигналов и привлечения к работам по конфигурированию их производителей.

Как следствие, переход от упрощенных систем мониторинга, выполняющих функции аварийной защиты, к системам мониторинга с функциями превентивной диагностики носит скорее не технический, а экономический характер.

На сегодняшний день обобщенную архитектуру распределенных систем мониторинга технологических процессов можно представить в следующем виде (Рис. 1). Из представленной схемы выделяются следующие основные элементы:

- диспетчерские системы (MES, ЕАМ, ERP);

- сервер АСУТП (фактическое ядро системы);

- компоненты визуализации;

- хранилища данных (сервера реального времени и архивных данных);

- контроллеры ввода/вывода;

- сторонние системы - относятся к области программных компонентов (в свою очередь, аппаратное обеспечение производства (контроллеры) не является программным модулем системы).

Область применения программных средств и область использования аппаратных программируемых контроллеров (PLC) пересекаются в частях реализации ядра системы на сервере АСУТП и протоколов взаимодействия между ними.

ш о h X Ф X

о с 2 о ас X

3

X 5 2 га а

U

О а. с л

5

га с ю О

Диспетчерские системы

MES, ЕАМ, ERP

f S Редакторы PLC программ

SFC FBD LD ST IL

1 4 i-

[Область исследования"

j 3D 2D Video 5

j i 11 !

I/O

Системный Локальный Сменный Сетевой * iiiil

архив архив носитель диск ЯЛ|1|Д

I/O I/O

Рис. 1. Обобщенная архитектура систем мониторинга технологического процесса Исполнение управляющих программ для производственных процессов с одной стороны не критично к вычислительным ресурсам, но с другой стороны требуют соблюдения параметров выполнения в реальном времени, надежности и доступности. Следовательно, выбор компонентов и алгоритмов их взаимодействия при интеграции остается открытым.

Достижение цели повысит качество управления технологическим процессом производства. Классификация подходов систем мониторинга и их структуры повысит эффективность проектирования и планирования создания и разработки систем управления, также систематизирует набор компонентов необходимых для реализации какой-либо задачи мониторинга. Специфицированные программные протоколы и интерфейсы взаимодействия между системными компонентами, на основе программных технологий, позволят создать распределенную, легко расширяемую и структурно гибкую платформу для построения систем мониторинга технологического процесса, на основе которой можно строить различные модификации соответствующие потребностям стремительно развивающегося рынка систем управления.

Во второй главе сформулирован принцип классификации построения систем мониторинга производственных процессов и разработаны модели распределенного мониторинга производственного процесса. Также производится сравнение методов принятия решений, с применением графовых моделей, при использовании традиционных методов контроля параметров производственного процесса и при использовании методов распределенного мониторинга.

Для доказательства эффективности применения распределенного мониторинга при организации взаимодействия корпораций и пользователей, рассмотрим модели принятия решений по контролю параметров оборудования при использовании традиционных методов и методов с использованием средств распределенного мониторинга.

Процедура принятия решений при традиционном методе контроля параметров, когда решение принимает человек (оператор), качество принятия решения в сильной степени зависит от таких субъективных факторов как: уровень подготовленности пользователя, качество и полнота средств контроля, наличие развитых визуальных средств контроля. При этом процедура принятия решений, особенно при наличии контроля многочисленных параметров качества и (или) недостаточной обученности

персонала, представляет собой итерационный процесс, эффективность зависит от входных неопределенностей, перечисленных выше. Процедура принятия решений при традиционном способе представлена в виде блок-схемы на рис. 2.

Процесс принятия решений, согласно схеме на рис. 2, представляет собой, в общем случае, итерационный процесс, с корректировкой первичных сведений о параметрах контроля на каждом пробном цикле, причем количество итераций напрямую зависит от субъективных параметров источника запроса. При этом необходимость процесса итерации (корректировки запросов) возникают либо по причине получения неполной информации (правая ветвь корректировки запроса - см. рис. 2), либо по причине получения неадекватной информации (левая ветвь корректировки -см. рис. 2). Получение нужной информации без итераций является в этом случае скорее случайным процессом, своеобразным «везением». Такая процедура имеет низкую эффективность реализации поиска нужной информации.

Формально процедуру принятия решений при традиционном запросе можно представить в виде следующего выражения:

Р:Ч -> Я], ч е 0;

) = 0,1,2,.. т. (1)

^(Т, V, А) = Г (я).

Где:

Р - цель принятия решения;

(} - некоторое множество запросов на информацию;

Я - содержание одиночного запроса;

Т - семантическая точность запроса;

^ - некоторое множество результатов;

V - полнота запроса, информации;

А - эффективность отклика на получение дополнительной информации.

Рис. 2. Блок-схема реализации традиционного способа принятия решений при контроле параметров процесса

При этом итерационный процесс поиска нужного решения отображается некоторой последовательностью приближений:

г=г Ся> = ^ 1Ся>: ^ 2Сч) = 1(я»; (2)

ГЗ(ч) = Г(С(Ч));где:ге1Ч.

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что при реализации традиционных методов принятия решений субъективный фактор оказывает негативную роль на процедуру поиска, значительно увеличивая время принятия решений и снижая качество контроля параметров процесса. В частном случае результат вообще может быть не достигнут (при ] = 0, см. формула 1).

В случае применения автоматизированной подсистемы распределенного мониторинга (см. рис. 3), процедура принятия решений по контролю параметров производственной системы реализуется самой подсистемой, без

участия человека. Данную модель принятия решений можно отобразить в виде следующего выражения (3):

Р: <3- К-3,3=1,2, ...т. (3)

.-Т

Потребность в контроле параметров процесса

г

Анализ всех параметров процесса

1

Принятие решения по контролю процесса

Рис. 3. Блок-схема реализации процесса принятия решений, при использовании автоматизированной подсистемы распределенного мониторинга производственного процесса

Анализ выражения (3) показывает, что применение автоматизированной подсистемы распределенного мониторинга производственного процесса исключает итерационный процесс, упрощает процедуру принятия решений, делая ее более эффективной.

Поскольку графические модели обладают большей наглядностью по сравнению с аналитическими, то отобразим представленные выше модели в виде сетей Петри (рис. 4 и рис. 5). При этом представленные в сети Петри на рис. 4 состояния Р4, Р5, Р6, реализуют факт возможных запросов на дополнительную информацию.

Рис. 4. Сеть Петри по реализации традиционного способа контроля параметров производственного процесса

Перечень позиций сети:

Р1 - состояние фиксирующее потребность в контроле параметров процесса;

Р2 - состояние анализа первоначальных данных процесса; РЗ - состояние проверки достаточности данных для принятия решения; Р4, Р5, Р6 - состояния возможных запросов по дополнительной информации; Перечень переходов сети:

11 - переход в состояние анализа первоначальных данных процесса; \2 - переход на проверку достаточности данных для принятия решения; 13, Х4, 15 - переходы на реализацию возможных запросов по дополнительной информации;

гб, \1, 18 - переходы на повторный анализ первоначальных данных процесса;

19 - переход в первоначальное состояние после принятия решения. Анализ сети Петри (см. рис. 4) показывает следующее:

- при заданной начальной маркировке построенная сеть является безопасной и обладает качеством живости, при этом сеть имеет

явные границы ограничения по достижимости возможных состояний;

- можно предположить, что итерационные циклы по возможным дополнительным запросам на информацию (реализация трех дуг сети из позиции РЗ в позиции Р4 , Р5, Р6, Р2 через переходы гЗ, 15 и 16, 18) имеют, в общем случае, равную вероятность исхода по сравнению с процессом получения положительного результата принятия решения (при реализации переходов 11 - М -19 из позиции РЗ в позицию начального состояния Р1).

Сеть Петри, отображающая процесс принятия решения по контролю параметров производственного процесса с помощью автоматизированной подсистемы распределенного мониторинга представлена на рис. 5.

Рис. 5. Сеть Петри по процедуре принятия решения в контексте контроля параметров производственного процесса, с помощью автоматизированной

Перечень позиций сети:

Р1 - состояние потребности в контроле параметров процесса; Р2 - состояние анализа данных процесса;

РЗ - состояние принятия решения по контролю параметров производственного процесса; Перечень переходов сети:

И - переход в состояние анализа данных процесса;

\2 - переход в состояние принятия решения по контролю параметров

производственного процесса;

Р

Р.

Р.

подсистемы распределенного мониторинга

13 - возможный переход в состояние анализа данных по требованию оператора.

14 - переход в начальное состояние после принятия решения по контролю параметров производственного процесса;

Анализ сети Петри (см. рис. 5) показывает следующее:

- построенная сеть является безопасной и обладает качеством живости;

- процедура принятия решения в контексте контроля параметров производственного процесса, с помощью автоматизированной подсистемы распределенного мониторинга устраняет итерационные процессы, что приводит к значительному упрощению процедуры принятия решения. В частном случае может потребоваться только уточнение информации (реализация перехода 13 из позиции РЗ в позицию Р2), в случае вмешательства оператора.

Таким образом, анализ моделей характеризующих случаи традиционного способа по контролю параметров производственного процесса с помощью оператора и применения процедуры принятия решения в контексте контроля параметров производственного процесса, с помощью автоматизированной подсистемы распределенного мониторинга показывает явное преимущество второго способа, как более надежного, гибкого и эффективного.

После анализа моделей и основных архитектур систем мониторинга произведена классификация подходов к их построению. Классификация построена в виде перечисления типов мониторинга по вертикали и вида хранения получаемых данных по горизонтали. Таким образом, столбцы и строки полученной таблицы определяют многообразие подходов при решении задач построения систем мониторинга (Рис. 6).

"^Отображение ские уроани\_ 3-х мерная визуализация 2-х мерная визуализация Видео

Предоставлемая информация 3-х мерные объекты Спрайты / Мнемосхемы Потоковое изображение

Типы мониторинга \Web- мониторинг/Сотовый мониторинг На объекте управления

Операционный мониторинг

Целевой мониторинг

Способ обработки данных Последовательная обработка (модульная)

Реального времени Архивация данных

Способ передачи данных Через графические библиотеки

По локальной / глобальной сетям

Управление данными Команды графического редактора |

Сервисы сетевых подключений

Драйверы сетевых подключений

Рис. 6. Классификация подходов при построении систем мониторинга

В зависимости от технологии, способа обработки данных, способа доступа и вида их хранения может быть выбран тот или иной тип мониторинга. Это позволяет с наибольшей гибкостью подобрать для конкретного технологического процесса тот тип мониторинга, который с максимальной эффективностью будет осуществлять контроль параметров системы и обеспечивать своевременное реагирование. Приведенные принципы классификации формируют обобщенное представление типов и видов мониторинга применительно к выбранному технологическому процессу производства. Данное представление позволяет производить анализ и выбор системы мониторинга и ее структуры, как на начальных стадиях разработки системы, так и в процессе ее эволюции.

Третья глава посвящена созданию методики интеграции системы мониторинга в структуре производственного процесса с использованием среды ЭСАОЛ.

Методика основывается на принципах жизненного цикла программного обеспечения, объектно-ориентированного проектирования и компонентного подхода, и представляется в как набор шагов (Рис. 7), итерационно выполняемых в ходе очередного цикла разработки программного

16

обеспечения. Применительно к проблемной области интеграции систем мониторинга методика включает следующие составляющие:

- Принципы классификации типов мониторинга для производств;

- Единая платформа интеграции;

- Средства компонентов визуализации;

- Интерфейсы и протоколы интеграции;

- Принципы интеграции компонентов;

- Конфигурирование и оптимизация компонентов системы.

Сначала в соответствии с принципами классификации (см. рис. 6) типов мониторинга производств осуществляется выбор типа мониторинга, исходя из решаемых прикладных задач.

Рис. 7. Этапы методики интеграции системы распределенного мониторинга

На втором шаге происходит формирование и настройка единой платформы исполняемого окружения. Здесь осуществляется реализация интерфейсов и протоколов системы, компонентов конфигурирования и компонентов бизнес логики пользовательского интерфейса. Впоследствии эти интерфейсы и типы применяются для оптимизации и конфигурирования

приложения. Интеграция функциональности реализует алгоритмы взаимодействия интегрированных частей системы. Реализуется функциональность, которая обеспечивает согласованную работу интегрируемых компонентов, логику их взаимодействия с другими компонентами, реакцию на события других компонентов, согласование состояний объектов системы.

На рис. 8 представлена схема последовательности этапов интеграции с используемой информацией в ходе процесса.

На первом этапе производится анализ и инициирование программных протоколов и интерфейсов интегрируемых модулей. Затем происходит их выделение и подключение к серверу данных. Используя в качестве основы выделенные протоколы и интерфейсы, реализуется модуль интеграции. После чего выполняется конфигурирование созданных компонентов визуализации, с последующим объединением в библиотеки для работы с объектами.

Как завершающий этап, создается модель для выполнения задач конкретного технологического процесса, в данном случае - визуализации и контроля. На базе созданной модели, строится последующая структура интеграции средств мониторинга, на основе применения предлагаемых в данной работе методов интеграции.

Процесс интеграции носит итерационный характер. Сначала происходит размещение интегрируемых компонентов в файловой структуре системы, настройка и конфигурирование окружения (протоколов и интерфейсов). Затем происходит создание общей файловой структуры для интегрированных компонентов, включение в базовые средства инсталляции элементов установки интегрированных компонентов. Последовательность исполнения уровней отражает специфику интеграции компонентов. После проведения цикла выполнения уровней происходит выполнение деятельностей аналитического уровня, после чего возможно выявления дефектов и ошибок, устранение которых осуществляется на вышестоящих уровнях. Таким

образом, количество итераций происходит не однократно. Множественность итераций зависит от развития и эволюции систем мониторинга, появления новых алгоритмов функционирования и средств интеграции.

где 1—и — переходы этапов

—► - функциональные связи - логические связи Рис. 8. Принципы интеграции компонентов визуализации Основным результатом применения общей структуры интеграции компонентов является возможность последующего конфигурирования компонентов системы и ее интерфейсов, протоколов согласно сформированным требованиям.

В четвертой главе на базе предложенных теоретических и практических результатов представлены способы реализации повышения качества управления производством на основе методов распределенного мониторинга с применением ЗО моделирования в системе БСАОА. Также обосновывается экономическая целесообразность.

Решение задачи внедрения визуальных компонентов

На рисунке 9 показана схема внедрение визуальных компонентов в систему мониторинга на уровне БСАБА. Исходя из нее, для интерфейсов и протоколов интеграции можно выделить 3 уровня в соответствии с их специализацией и решаемыми задачами:

Мобильная связь

I

«Тонкий» клиент визуализации

N

%. \

\

«Толстый» клиент [визуализации

Модули ее А РА

Другие\ компоненть!4 Модуль интеграции "^изуа-ции

Компонент визуа-ции 1

р|06ъ

Компонент визуа-ции N

ъекты р ^

-(Среда и биб-теки"]^

|Технологии I / 1-V

^Уровень • —' визуализации данных

Сервер данных АСУТП

Подсистема визуализации ОРС Сервер визуа-ции

Другие БСАОА

Уровень

управление

данными

_Ч------—----- -------------------

Ч X | ~ | Уровень

Р1.С Сервер данных

Данные ТП вшэ/вси.

Рис. 9. Внедрение визуальных компонентов в систему мониторинга на уровне БСАБА

1. Аппаратный уровень данных.

2. Уровень управления данными.

3. Уровень визуализации данных.

Уровень взаимодействия с аппаратурой скрывает особенности работы аппаратных решений. На этом уровне инкапсулируют доступ к Р1.С-устройствам, реализуют работу с протоколами промышленных сетей (РгойЬш, ШегЬиз, САТ^ореп, и другие), встраивают ОРС-серверы для интеграции в ЯСАОА-систему.

Подуровень взаимодействия с аппаратурой, позволяет разделять компоненты, работающие с данными приложений и данными PLC устройств. Это обусловлено различиями в способах организации работы с данными. В частности, в случае отказа некоторого узла реконфигурация осуществляется автоматически, что повышает надежность системы и облегчает ее администрирование.

Уровень управления данными отвечает за преобразование данных с PLC-контроллеров, баз данных, трансляторов, компиляторов, генераторов кода, выполняет для различных процессов механизмы конвертирования и фильтрации. Уровень реализует многопоточную функциональность управления данными и определяет внутреннее представление информации, работу с файловой системой, с сетевыми протоколами обмена данных и т.д.

В качестве разделяемых средств доступа применяются интегрированные в контроллеры устройств сети, Web-серверы WebPLC и интерфейс ОРС (OLE for Process Control), что повышает надежность системы и расширяет возможности диагностики. Открытость контроллеров и систем позволяет решить проблемы, вызванные многообразием различных несовместимых сетевых устройств и ПО, устранить трудности их интеграции и организовать передачу данных между ними и на другие уровни глобальной системы управления предприятием в реальном времени.

Уровень визуального представления реализует компоненты человеко-машинного (HMI) интерфейса по типу виртуальных элементов. На этом уровне располагают редакторы управляющих программ, инструменты моделирования объекта управления, инструменты для построения графиков диагностики и отслеживания состояния процесса, панели управляющих элементов, элементы отображения статистики, а также диалоги взаимодействия с оператором (рис. 10).

Рис. 10. Пример редактора 3-х мерной визуализации с изменением параметров в автоматизированном режиме в соответствии с управляющей программой

Основные задачи, выполняемые на уровне визуализации:

- создание и компиляция управляющих программ (УП);

- эмуляция, исполнение и отладка УП;

- моделирование объекта;

- диагностика и конфигурирование оборудования процесса производств; Набор технологий, применяемых на данном уровне, довольно широкий и

выбирается применительно к конкретному типу мониторинга с использованием приведенной ранее классификации (см. рис. 6). Экономическая целесообразность системы мониторинга В таблице 1 приведен расчет экономического эффекта применения автоматизированной системы мониторинга ДТП (центральных тепловых пунктов) на базе системы мониторинга SCADA TRACE MODE. Эффект достигается путем экономии расхода тепловой и электрической энергии.

Таблица 1. Экономическая целесообразность мониторинга ЦТП

Контро- Едини- Расчетная Расчет- Коэффи- Цена Эффек-

лируе- ца изме- тепловая ная циент учетно- тивно-

мый рения нагрузка тепловая эффекти- го пара- сть

параметр (до внед- нагрузка вности метра внедре-

рения) (после КВл. (руб.) Ц ния

Рбаз. внедрения) Р (руб.) Э

Расход тепловой энергии Гкал/ мес 69.41 55.52 91 815* 10 302

(1)

Расход

электроэнергии КВт/мес 35 640 26 730 100 1,5* 13 365

(2)

Итого в месяц: 23 667

""Значения цен приведены на 2007 год. Формулы расчета экономической эффективности: Э = Э, + Э3, где:

Э] = (Рбаз.1 -Р^Ц/КвлУЮО = 13.89*815*91 / 100 = 10 302 руб. Э2 = (Рбаз.2 - Р2)*Ц2*Квл.2/100 = 8910* 1,5 * 100 / 100 = 13 365 руб. л, = Рбаз.1 -Pi = 69.41 -55.52= 13.89 Гкал/мес &2 = Рбаз.2 - Р2 = 35 640 - 26 730 = 8 910 КВт/мес

В свою очередь, значения Д| и Д2 достигаются путем экономии расхода контролируемых параметров. Итого: Э = Э, + Э2= 10302+13365 = 23 667 руб. Расчет затрат на внедрение системы на базе SCADA TRACE MODE: Проектирование - 50 000 руб. Разработка - 45 000 руб. Интеграция - 25 000 руб.

Оборудование (контроллеры, шины, материалы) - 247 000 руб. Монтаж и отладка - 36 000 руб.

Итого затрат: 403 000 руб. Срок окупаемости ~ 1,5 года.

На основе упрощенного расчета экономического эффекта, при применении программно реализованной системы контроля и мониторинга БСАОА, показано, что при внедрении данной системы срок окупаемости создаваемого продукта является приемлемым для промышленного производства и может быть принят при разработке сторонних планов внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

- Решена задача повышения качества управления автоматизированным производством на основе создания моделей и методики организации архитектуры распределенного мониторинга состояний объектов электроэнергетической промышленности.

- Установлены функциональные связи между объектами распределенного мониторинга, что позволяет настроить и сконфигурировать среду управления автоматизированным производством, достигнув требуемого повышения качества управления.

- Предложена модель распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства в режиме реального времени, показывающая преимущества автоматизации производственного процесса,

- Определена многоэтапная циклическая процедура интеграции системы распределенного мониторинга в структуру производственного процесса с применением среды ЗСАБА, как фактор повышения эффективности всей производственной системы.

- Определены области целесообразного применения в электроэнергетике процедур распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства, на основе многофакторной классификации методов и принципов мониторинга с применением инструментов трехмерного моделирования.

- Показаны практические и экономические результаты применения разработанных в диссертации положений по оценке качества

технологического процесса в электроэнергетической промышленности. В частности, срок окупаемости разработанных компонентов мониторинга равен 1,5 годам.

- Результаты данной работы могут быть рекомендованы для применения на предприятиях других прикладных областей, требующих улучшения качества управления.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

- Тихомиров В.В., Козак Н.В., Бабак Д.А., 3D визуализация работы программ электроавтоматики//Труды Международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». Москва 2005. - Том 3 - С. 11-13.

- Тихомиров В.В. Основные принципы применения 3D моделирования в системах автоматизированного управления//Труды международная научно-техническая конференция «Информационные средства и технологии». Москва 2007. - Том 3 - С- 190-194

I

- Тихомиров В.В., Шемелин В.К., Классификация подходов и принципы интеграции системы мониторингу в промышленную систему предприятия//Системы управления и информационные технологии, г. Воронеж. 2008 г. №3.3(33). - С. 412-416

- Тихомиров В.В., Шемелин В.К., Методика оценки характеристик качества систем мониторингаУ/Объединенный научный журнал, 2009 г., №2. - С. 68-71

- Тихомиров В.В., Шемелин В.К., Повышение качества управления технологическим процессом на основе интеграции системы мониторинга в промышленную среду предприятия//Объединенный научный журнал, 2009 г., №1. - С. 70-73

- Тихомиров В.В., Шемелин В.К., Основы построения 3D визуализации в системах электроавтоматики/Юбъединенный научный журнал, 2009 г., №1.-С. 74-79.

Подписано в печать 04.05.2009

Формат 60x90'Лб Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Заказ№92

Отпечатано в «ИПД Триальфа»,

103305, Москва, Зеленоград, проезд 4807, д,1., стр.1

Глоссарий.

Введение.

Глава 1. Анализ проблем распределенного мониторинга объектов промышленного производства. Постановка задач исследования.

1.1 Основные характеристики и особенности мониторинга современного машиностроительного производства Тенденции построения программного обеспечения систем управления.

1.2 Обобщенная архитектура систем мониторинга производственных систем.

1.3 Обоснование построения распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства в режиме реального времени.

1.4 Постановка задачи исследования.

Глава 2. Разработка моделей распределенного мониторинга состояний производственного процесса.

2.1 Обобщенная модель исследования методов и целей контроля системы мониторинга.

2.2 Разработка структурных моделей распределенного мониторинга предприятий с учетом областей и типов производств.

2.3 Принципы классификации построения систем мониторинга производственных процессов.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3. Методика интеграции системы мониторинга в структуре производственного процесса с использованием среды вСАВА.

3.1 Определение методов и средств интеграции системы распределенного производственного мониторинга на основе модели жизненного цикла компонентов интеграции.

3.2 Разработка средств визуализации мониторинга на основе трехмерной графики.

3.3 Методы обеспечения качества интеграции системы мониторинга производственных процессов.

3.4 Выводы по главе.

Глава 4. Способы реализации повышения качества управления производством на основе методов распределенного мониторинга с применением 3D моделирования.

4.1 Определение спецификаций для построения распределенного мониторинга, с использованием механизма системы SC ADA.

4.2 Построение единого исполняемого окружения компонентов мониторинга.

4.3 Встраивание системы визуализации типа 3D как подсистемы мониторинга производственных процессов.

4.4 Выводы по главе.

С развитием промышленности и ростом производств, появилась необходимость повышения экономической эффективности бизнес-процессов по предоставлению услуг. Наряду со стремительным ростом их числа и сложности, заставляют уделять большое внимание совершенствованию принципов и механизмов контроля работоспособности оборудования, процедур реагирования на аварийные ситуации, стратегическому планированию деятельности предприятия на основе глубокого изучения и анализа результатов эксплуатации оборудования. Важной целью на этом направлении является существенное расширение качества и зоны контроля, повышение его достоверности и оперативности реагирования, что может быть достигнуто разработкой и применением средств и методов распределенного мониторинга всех уровней промышленного производства в режиме реального времени.

Достижению такой комплексной цели чрезвычайно способствует активное использование современных информационных технологий, программных и аппаратных средств во всех подразделениях, участвующих в эксплуатации, планировании и управлении. Однако построение целостного корпоративного решения на основе использующихся в настоящий момент частных систем контроля и управления оборудованием (различных типов и/или различных производителей) потребует значительных финансовых и временных усилий. Кроме того, многие элементы инфраструктуры предприятий могут находятся вне зоны автоматического контроля и не могут быть туда включены с помощью имеющихся средств.

Проведя анализ архитектуры существующих систем мониторинга технологического процесса различных фирм разработчиков (Siemens AG, Bosch, EES, INSYS), были выявлены следующие проблемы:

• наличие принципов и инструментов построения систем мониторинга, усложняющих проектирование, разработку и анализ при создании элементов системы с нуля или расширении ее возможностей;

• плохая масштабируемость систем, отсутствие набора единых интерфейсов, позволяющих произвести эффективную интеграцию дополнительных компонентов в состав системы; невозможность точного конфигурирования и настройки под конкретные задачи технологического процесса;

• ■ отсутствие единой обобщенной концепции интеграции компонентов от различных производителей;

Актуальность. В результате исследования было выявлено, что разрешить указанные недостатки и противоречия возможно в процессе развертывания и широкого использования распределенной; системы, мониторинга, в основе своей построенной? с учетом согласованных системных принципов и международных стандартов в. области? промышленного производства и информационных технологий:

Предлагаемое решение поставленной; задачи основывается на создании классификации подходов и разработке принципов; интеграции» системы мониторинга в SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition — системы интеграции устройств и получения данных) промышленных предприятий, в том числе и предприятий с филиалами в разных городах.

На данный момент большинство систем мониторинга имеют набор открытых интерфейсов, что позволяет безболезненно проводить их интеграцию в SCADA системы предприятий и их сети. Также интеграции позволит объединить в общей базе данных информацию из различных систем АСУ (Автоматизированная Система Управления) и АСУТП (Автоматизированная Система Управления Технологическим Процессом) предприятия; обеспечить расчет и диагностику необходимых технологических процессов предприятия, предоставить централизованный доступ всех служб предприятия к оперативной и архивной технологической информации из различных систем управления [5]. Это уменьшит стоимость проектирования, разработки и внедрения систем мониторинга, а также повысит качество промышленной системы в целом.

Целью диссертации является повышение качества управления технологическими процессами производства на основе системы распределенного мониторинга состояний объектов в режиме реального времени.

Объектом и предметом исследования в данной работе является анализ и разработка моделей и методов распределенного мониторинга технологического процесса, характеризующиеся построением распределенной системы ввода вывода и децентрализацией обработки данных.

Задачи исследования. Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:

• анализ существующих систем распределенного мониторинга и разработка классификации критериев интеграции прикладных компонентов распределенных систем мониторинга реального времени;

• разработка архитектуры распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства, как фактора повышения качества управления производственным процессом;

• разработка моделей распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства в режиме реального времени

• разработка методики интеграции системы распределенного мониторинга в структуру производственного процесса с применением среды 8СМ)А;

• определение областей целесообразного применения процедур распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства на основе многофакторной классификации методов мониторинга с применением инструментов трехмерного моделирования;

• определение практической и экономической целесообразности применения разработанных в диссертации положений по оценке качества технологического процесса.

Научная новизна работы заключается в:

• разработке архитектуры распределенного мониторинга состояний объектов автоматизированного производства в режиме реального времени, как фактора повышения качества управления производственным процессом;

• определение функциональных связей между объектами распределенного мониторинга, что позволяет настроить и сконфигурировать среду управления автоматизированным производством, достигнув требуемого повышения качества управления;

• разработке моделей и методики интеграции системы распределенного мониторинга в структуру производственного процесса с применением среды БСАБА, как фактора повышения общей эффективности автоматизированного производства.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием соответствующих разделов теории управления, программного моделирования, основных положений принципов интеграции, технологии автоматизированных систем управления, а также средств визуализации и объектного построения.

Практическая значимость работы. Полученные в диссертации результаты, в виде методики интеграции компонентов визуализации в программной среде БСАОА, позволяют снизить стоимость системы управления технологическим процессом, повысить его качество. При этом достигается ряд преимуществ: сокращение итогового времени проектирования и разработки программного обеспечения, упрощение интеграции компонентов визуализации, повышение качества отладки управляющих программ, гибкость конфигурирования интегрируемых компонентов системы. Разработанные в диссертации положения используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Апробация работы. Теоретические и практические результаты, полученные автором, докладывались на заседаниях кафедры «Компьютерные Системы управления» МГТУ «Станкин», на Международном форуме информатизации МФИ-2007 и международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 - в издании, включенном в перечень ВАК РФ, а также 2 издания по темам международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Содержит 158 страниц основного текста, 44 рисунков и 4 таблиц. Список литературы содержит 44 наименований, в том числе 7, опубликованных в Интернете.

Основные выводы и результаты работы

1. Решена задача повышения качества управления автоматизированным производством на основе создания моделей и методики организации архитектуры распределенного мониторинга состояний объектов электроэнергетической промышленности.

2. Установлены функциональные связи между объектами распределенного мониторинга, что позволяет настроить и сконфигурировать среду управления автоматизированным производством, достигнув требуемого повышения качества управления.

3. Предложена модель распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства в режиме реального времени, показывающая преимущества автоматизации производственного процесса.

4. Определена многоэтапная циклическая процедура интеграции системы распределенного мониторинга в структуру производственного процесса с применением среды БСАОА, как фактор повышения эффективности всей производственной системы.

5. Определены области целесообразного применения в электроэнергетике процедур распределенного мониторинга состояний объектов промышленного производства, на основе многофакторной классификации методов и принципов мониторинга с применением инструментов трехмерного моделирования.

6. Показаны практические и экономические результаты применения разработанных в диссертации положений по оценке качества технологического процесса в электроэнергетической промышленности. В частности, срок окупаемости разработанных компонентов мониторинга равен 1,5 годам.

7. Результаты данной работы могут быть рекомендованы для применения на предприятиях других прикладных областей, требующих улучшения качества управления.

1. ГОСТ 15467-79. Раздел «Управление качеством продукции. Основные понятия. Термины и определения».

2. Катцель Д. Инвестиции в HMI отражают расширяющийся рынок // Control Engineering Россия, 2006. №1. С. 43-49.8. http://www.insapov.ru/automation.html интернет портал Рафаэль Инсапов, г. Москва.

3. МакКлеллан М. Применение MES систем // Издательство Saint Lucie Press. ISBN: 1574441353.10.http://www.adastra.ru/products/dev/scada/ сайт Adastra - разработчика SCADA систем и HMI консолей.

4. П.Фельдман Я.А. Создаем информационные системы: Разработка прикладных информационно-управляющих систем для предприятий, организаций и средней школы это просто! Изд. Солон-Пресс 2006, 119 стр. ISBN: 978-5-98003-256-2 ,

5. Шерешевский JI. Вопросы открытости SCADA-систем. "Мир компьютерной автоматизации", №4, 2003 г.

6. Шехтман М.Б. Модульная интегрированная SCADA "КРУГ-2000" -новые решения. "Промышленные АСУ и контроллеры". №2, 2004 г.

7. Н.Калядин А. Windows NT для встраиваемых приложений. Открытые системы. N 2(28) 1998. Стр.15-18

8. Черемисин А., Кобызев О. Linux реального времени. Открытые системы. №09-10 1999. Интернет версия http://www.osp.ru/os/1999/09-10/177813/

9. Сосонкин B.JL, Мартинов Г.М. Принципы построения систем ЧПУ с открытой архитектурой // Приборы и системы управления. 1996. №8, С. 18-21.

10. Microsoft Corporation. Анализ требований и создание архитектуры решений на основе Microsoft .NET. Учебный курс MCSD. Пер. с англ. под ред. Врублевского А.Р. Москва: Издательско-торговый дом «Русская Редакция»,2004.— 416 стр.: ил. ISBN 5-7502-0248-8.

11. TwinCAT Information System (Base). Открытый Интернет ресурс ftp://ftp.beckhoff.com/Software/TwinCAT/InfoSystem.19.http://www.mm-software.com/ сайт компании М&М Software GmbH -разработчика программнь1х решений в сфере автоматизации производства.

12. Сосонкин В. JL, Мартинов Г.М., Любимов А.Б. Интерпретация диалога в windows-интерфейсе систем управления // Приборы и системы управления. 1998. №12. С. 10-13.

13. Крачтен Ф. Введение в Rational Unified Process. 2-е издание. Изд. Вильяме 2002 г. 240 стр., с ил; ISBN 5-8459-0239-8, 0-201-70710-1

14. Бидли М., Швабер К. // Serum, Agile-разработка ПО. Издание Prentice Hall, осень 2001 года.

15. Мунипов В.М., Зинченко В.П. Эргономика: человекоориентированное проектирование техники, программных средств и среды. Изд. Логос, 2001 г. 356 с. ISBN 5-94010-043-0

16. Таненбаум Э. ван Стен М. Распределённые системы. Принципы и парадигмы. Спб. Изд. Питер, 2003 877 е.: ил. - (Серия «Классика computer science»). ISBN 5-272-00053-6

17. Николайчук О.И. Современные средства автоматизации: Практические решения Изд. Солон-Пресс 2006, 247 стр. ISBN: 978-5-98003-287-6

18. Уодтке К. Информационная архитектура: чертежи для сайта КУДИЦ-Образ, 2004 г., 320 стр. ISBN 0-7357-1250-6, 5-93378-081-2

19. Смит Ф. Цифровое производство набирает обороты // Control Engineering Россия, 2007 № 11. Интернет версия публикации: http://www.controlengrussia.com/nov07-3 .php4?art=l 594

20. Мандел Т. Разработка пользовательского интерфейса ДМК, 2001, 416 стр. ISBN 5-94074-069-3

21. Торрес Р. Дж. Практическое руководство по проектированию и разработке пользовательского интерфейса 2002 г.: Вильяме: Серия института качества программного обеспечения, 400 стр., ISBN 5-84590367-Х

22. Макгрегор Д., Сайке Д. Тестирование объектно-ориентированногопрограммного обеспечения. Практическое пособие. Пер. с англ. К.:i

23. ООО «ТИД «ДС», 2002.-432 с. ISBN 996-7992-12-8

24. Капустин Н.М., Кузнецов П.М., Схиртладзе А.Г. и др. Автоматизация производственных процессов в машиностроении: Учеб. для втузов / Под ред. Н.М. Капустина. — М.: Высш. шк.,2004.—415 с: ил. ISBN 506-004583-8

25. Долганов И.Ю. Программируемые контроллеры SIMATIC S7/C7 // Автоматизация в промышленности. 2005. №4

26. Буч Г., Рамбо Д., Джекобсон А. Язык UML: Руководство пользователя. СПб.: "Питер", 2004, 430 стр. ISBN 5-94074-260-2

27. Шикин Е.В., Боресков A.B. Компьютерная графика. Полигональные модели. -М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2001.-464с.

28. Никулин Е.А. Компьютерная геометрия и алгоритмы машинной графики. -СПб.: БХВ-Петербург, 2003. -560с.

29. Порев В.Н. Компьютерная графика. -СПб.: БХВ-Петербург, 2002. -432с.

30. Тихомиров Ю. Программирование трехмерной графики. -СПб.: БХВ-Петербург, 2001*. -256с.

31. Томпсон H. Секреты программирования трехмерной графики для Windows 95: Пер. с англ. -СПб.: Питер, 1997. -352с.

32. Роджерс Д. Алгоритмические основы машинной графики. -М.:Мир, 1989. 512с.

33. Колесников С. ИТ в промышленности Технологии и протоколы передачи данных в промышленности: Industrial Ethernet // Электронное издание газеты "Компьютер-Информ", СПб. 2008г.

34. Липаев В.В. Качество программных средств. Методические рекомендации. Под общей ред. проф., д.т.н. А.А.Полякова. М: Янус-К, 2002. 400 е., 47 илл.