автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства на основе локальных промышленных сетей

Южаков Алексей Александрович

РАЗРАБОТКА ИНТЕГРИРОВАННЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ ЛОКАЛЬНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕТЕЙ

Специальность: 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4852549

' 1 СЕН 2011

Пермь-2011

4852549

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и телемеханика» ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ)

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, профессор Матушкин Николай Николаевич

доктор технических наук, профессор Столбов Валерий Юрьевич

кандидат технических наук, Федорищев Иван Федорович

Ведущее предприятие ■

ГОУ ВПО «Казанский государственный технический университет им. А.Н. Туполева (КГТУ-КАИ)»

Защита состоится « 23 » сентября 2011 г. в 15.00 на заседании Диссертационного совета Д 212.188.04 при ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ) по адресу:

614990, г.Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 345.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет».

Автореферат разослан «10» августа 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор I^l A.A. Южаков

Общая характеристика работы

Управление технологическими процессами современных промышленных предприятий обеспечивается автоматизированными системами управления технологическими процессами (АСУ ТП). Сложность технологических процессов определяется уровнем применяемых технологий. Использование современных технологий усложняет технологические процессы и значительно повышает требования к условиям их реализации. Эти требования касаются норм (по микроклимату, освещенности и пр.) и параметров ресурсов (электроснабжения, теплоснабжения и пр.). При этом возрастает роль и значимость процессов обеспечения (ПО) условий реализации технологических процессов.

Характерными свойствами ПО является их развитая номенклатура, сложная структура, взаимозависимость, иерархичность, динамичность характеристик, неоднородность, пространственная распределенность источников и пр. Перспективы развития процессов обеспечения состоят в их усложнении и усилении их воздействия на качество продукции, что превращает их из второстепенных в определяющие и требует решения актуальной проблемы - исследования и разработки систем автоматизации процессов обеспечения производства.

Взаимозависимость процессов обеспечения, наличие общих системных функций по их управлению и мониторингу обуславливают реализацию систем автоматизации процессов обеспечения в классе интегрированных систем. Наличие в задачах мониторинга и управления процессами обеспечения существенной информационной составляющей требует современных решений по организации взаимодействия информационных компонент (потоков, процессов, алгоритмов и пр.) с использованием перспективных подходов к построению связей с применением средств локальных промышленных сетей. Поэтому система автоматизации процессов обеспечения производства должна быть реализована в классе интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения (ИАСУПО) на основе локальных промышленных сетей.

В настоящее время в сфере проектирования и реализации систем автоматизации процессов обеспечения можно отметить известные разработки систем автоматизации инженерно-технического оборудования современных промышленных зданий, реализованные в логике «интеллектуального» здания. Однако они, как правило, ориентированы на решение одной из задач: управление электроснабжением, управление и эксплуатация информационных сетей и пр. Известны также проекты локальных систем управления, функционирующих в рамках отдельных зданий (Табунщиков Ю.А., Ясин Ю.И., К. Гертис и др.), характеризующихся отсутствием интегративности процессов. Среди работ, носящих системный характер, следует отметить разработки таких организаций, как Honey Well, Andones Controls, Johnson Controls, Siemens, относящиеся однако к управлению офисными зданиями. В целом же, следует констатировать, что сегодня системный подход к автомати-

зации процессов обеспечения производства не нашел широкого применения, что обусловлено рядом факторов.

Практически отсутствуют известные результаты в области разработки сложных концептуальных моделей систем указанного класса, обеспечивающих представления обобщенной структуры системы как единого целого, так и представления стратифицированной структуры, отличающейся детализацией состава. Известные уровневые модели технических систем (Диденко К.И., Хетагуров Я.А. и др.) отличаются ограниченным использованием уровневой архитектуры за счет распределения по уровням только ресурсного обеспечения. С другой стороны, уровневые модели сложных объектов в идеологии логических уровней (Т. Лири, С.Б. Переслегин, Г.А. Щеглов и др.) слабо адаптированы к особенностям технических объектов.

Требует развития и совершенствования методика проектирования ИАСУПО, прежде всего в реализации задач, оказывающих существенное воздействие на качество проектных решений. К числу таких задач относится выбор рационального комплекса технических средств, максимально учитывающий особенности системы. Известные подходы к решению этой задачи (Диденко К.И., Шастова Г.А., Преснухин Л.Ш. и др.), основываются, как правило, на использовании критериев, не обеспечивающих выбор с учетом взаимосвязей параметров технических средств и характеристик системы.

Определение объемов оборудования (ресурсов) для обработки и передачи информации основывается на определении вероятностно-временных характеристик информационных каналов, характеризующих прохождение информационных процессов по уровням иерархии (вероятность блокировки, средняя длина очереди, среднее время пребывания и пр.). Определение этих характеристик требует разработки модели системы массового обслуживания в классе многофазной сети массового обслуживания с переменным числом обслуживающих приборов в фазах и переменной интенсивностью обслуживания в каждой фазе. Однако, известные подходы к созданию таких моделей (Башарин Г.П., Скляревич A.A., Назаров A.A. и др.), не учитывают влияния соседних фаз.

Широкая номенклатура регулируемых параметров процессов обеспечения производства, их распределенность в пространстве, взаимосвязанность обуславливают необходимость создания методики проектирования подсистем локального управления ИАСУПО на основе модельного подхода, реализуемого в программной среде автоматизированного проектирования.

Таким образом, необходимость развития методов и средств автоматизации процессов обеспечения современного высокотехнологического производства обуславливает актуальность научной задачи исследования и разработки моделей и методик проектирования интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения на основе локальных промышленных сетей.

Цель работы - разработка интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства на основе локальных

промышленных сетей, обеспечивающих повышения качества технологических процессов.

Указанная цель определяет реализацию следующих задач исследований:

1. Анализ структуры и свойств процессов обеспечения условий производства.

2. Разработка концептуальной модели ИАСУПО в классе уровневых моделей и создание на ее основе:

- стратифицированной структуры ИАСУПО;

- модели виртуального информационного канала;

- модели контура локального управления.

3. Создание методики проектирования ИАСУПО, включающей:

- методику рационального выбора технического базиса (комплекса технических средств) системы;

- разработку методики определения системных вероятностно-временных характеристик;

- методику проектирования типовой подсистемы локального управления.

4. Реализация и практическая апробация ИАСУПО.

Методы исследований. В работе использован математический аппарат теории множеств, теории вероятностей, математического моделирования, теории систем массового обслуживания.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:

- разработанная концептуальная модель ИАСУПО представлена в классе моделей логических уровней со сложной иерархией уровней, учитывающей динамику отношений категорий представления системы;

- методика рационального выбора комплекса технических средств основывается на предложенной двухкомпонентной критериальной модели, включающей локальные индикаторы средств технического базиса и индикаторы системных характеристик;

- для исследования вероятностно-временных характеристик системы виртуальный информационный канал представляется моделью сети массового обслуживания (СеМО);

- межфазные потоки в модели СеМО заменяются эквивалентным пуас-соновским потоком на основе предложенного способа аппроксимации;

- методика проектирования типовой подсистемы локального управления основывается на полученной модели контура локального управления и использовании интерактивного подхода к эволюционному проектированию средств, законов и параметров управления.

Основные положения, выносимые на защиту:

- структуризация процессов обеспечения производства;

- подход к разработке уровневой модели ИАСУПО на основе использования логических уровней;

- применение уровневой модели ИАСУПО для получения стратифицированной структуры системы, для формирования модели виртуального информационного канала и модели контура локального управления с использованием вертикальной и контурной декомпозиции;

- методика рационального выбора технического базиса системы;

- применение для исследования вероятностно-временных характеристик СеМО как модели виртуального информационного канала;

- методика проектирования подсистем управления, основанная на интерактивном подходе с применением программной среды проектирования и эволюционной стратегии развития сложности исследуемых моделей регуляторов;

- результаты расчета вероятностно-временных системных характеристик с использованием комплекса моделей;

- результаты практической реализации ИАСУПО.

Достоверность и обоснованность результатов работы основывается

на результатах имитационного моделирования, данных экспериментальных исследований, практическом применении теоретических исследований, а также корректном использовании известного математического аппарата и методологии общей теории систем, теории систем массового обслуживания, математического моделирования.

Практическая ценность работы состоит в том, что уровневая модель ИАСУПО, основанная на идеологии логических уровней, обеспечивает при проектировании детальное стратифицированное представление ее структуры.

Предложенная методика выбора рационального технического базиса может быть использована также в отношении объектов, располагающих расширенным множеством характеристик и установленными отношениями локальных и системных показателей.

Разработанная методика проектирования локальных подсистем управления, основанная на применении интерактивного подхода с использованием инструментальной среды, обеспечивает устойчивое эволюционное формирование рациональных инженерных проектных решений.

Практическое применение предложенных моделей и методики проектирования ИАСУПО обеспечивают проектные решения подсистем электро-, водо-, теплоснабжения, дающие существенную экономию потребления основных ресурсов предприятий.

Реализация результатов работы. Полученные результаты внедрены в практику проектирования автоматизированных систем управления инженерным оборудованием современных производственных зданий в ООО «БМС» (г. Пермь).

Результаты работы используются на кафедре «Автоматика и телемеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета при преподавании дисциплин «Локальные системы управления», «Автоматизированные информационно-управляющие системы».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-практических

конференциях (Краевая НТК «Автоматизированные системы управления и информационные технологии», Пермь, 2007 г.; VII Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Управление большими системами», Пермь, май, 2010 г.; XXVII Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + SE'10», Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, май, 2010 г) и научно-технических семинарах, проводимых на ОАО «СТАР» (г. Пермь) и НОЦ «Проблемы управления» при ПНИПУ.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в Перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 94 наименований и 2х приложений. Работа представлена на 133 е., в том числе 110 с. основного текста, содержит 40 рисунков и 6 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, раскрыта научная новизна и практическая ценность результатов работы, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ состояния и перспектив развития систем автоматизации процессов обеспечения условий производства. Процессная модель современного производства имеет сложную структуру и позволяет выделить процессы обеспечения состояния ресурсов производственной среды и процессы обеспечения норм реализации технологических процессов. Процессы обеспечения производства реализуются в производствен-но-технологи-ческой среде предприятия. Проведен анализ факторов влияния этих процессов на элементную структуру среды. Показано, что основой для выполнения процессов обеспечения является структура ресурсов промыш-ленно-произ-водственных зданий, содержащая производственно-технологическое оборудование, средства коммуникаций и прочие ресурсы. Процессы обеспечения производства реализуют сложные цели и являются определяющим фактором обеспечения качества продукции.

Показано, что взаимозависимость процессов обеспечения, наличие значительного числа системных функций обусловливают целесообразность интеграции мониторинга и управления и реализацию систем автоматизации процессов обеспечения в классе интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения. К особенностям ИАСУПО, определяемых свойствами и характеристиками процессов обеспечения, следует отнести функционирование в режиме реального времени, наличие интенсивных информационных потоков, необходимость взаимодействия с ERP и MES-системами предприятия. Исходя из этих особенностей, организацию связей в ИАСУПО целесообразно выполнить на основе современных локальных промышленных сетей.

В целом установлено, что проектирование ИАСУПО требует разработки подходов, учитывающих сложность структуры системы и особенности используемого базиса локальных промышленных сетей.

Вторая глава посвящена разработке концептуальной модели ИАСУПО.

Определено, что структура ИАСУПО представляется моделью, содержащей 3-й логических уровня (рис.1).

Рис. 1. Уровневая модель ИАСУПО

Уровень состава системы. Этот нижний уровень включает базовые ресурсы, на которых протекает реализация и взаимодействие компонент системы. По сути, уровень состава системы описывает некоторую территорию или ареал существования системы. Уровень состава - это набор категорий приложения системы, обладающих свойством статики. На этом уровне нет движения. Уровень состава представляется на соответствующих подуровнях (стратах) в форме иерархических структур ресурсов данных, функций и технических модулей: подуровень состава данных (страта Б); подуровень состава функций (страта Р); подуровень состава технических модулей (страта Я).

Представление о системе на подуровне задается в форме иерархических структур соответствующих элементов состава (технических модулей, функций, данных). Всё находящееся на этом уровне отвечает на вопросы «Что», «Где»?

Связи между элементами т\, ..., тп структур задаются отношениями совместности, представляемые матрицами смежности вида: М, = где € О, 1; = 1, если /и,- и связаны между собой.

Уровень действий. Уровень содержит формы представления системы, раскрывающие динамику - движения или изменения информации. Эти движения рассматриваются с использованием соответствующих ресурсов уровней состава системы. На уровне действий представление системы задается

иерархическими структурами на следующих подуровнях: подуровень процессов (страта Пр); подуровень алгоритмов (страта А); подуровень потоков (страта П).

Компоненты уровня отвечают на вопрос «Что делает?».

Уровень идентичности. Этот высший уровень дает представление о системе в форме подсистем и идентифицирует систему как целостное образование, обеспечивающее выполнение заданных целей. Единицами структуры этого уровня представления системы являются подсистемы, реализующие подцели.

Предложенная уровневая модель ИАСУПО определяет структуру системы в физическом, функциональном и информационном пространствах и имеет сложную иерархию составляющих.

Структура логических уровней основывается на внешней иерархии модели. Группировка является механизмом образования логических уровней. Каждый уровень - это определенное обобщение информации. Чем ближе к вершине пирамиды, тем степень обобщения (целостности) системы выше.

Структура подуровней характеризуется внутренней иерархией, выстраиваемой на принципах «индукция/дедукция». Ось группировки избирается по принимаемому фактору группирования. Внутренние иерархические отношения статичны.

Особенности логических уровней модели определяются динамическими отношениями элементов, располагаемых на смежных уровнях. Так, движение информации на уровне действий выполняется на элементах (с использованием элементов) уровня состава системы. При переходе от высшего уровня к низшему изменение качества достигается изменением количества: повышение интенсивности информационных потоков требует увеличения числа параллельно работающих ресурсных модулей. Т.е., чтобы изменить характеристики компонента уровня действий, надо изменять число компонентов системы на уровне состава. Изменения на верхнем уровне отражаются на всех нижних уровнях. Так увеличение количества подцелей ведет к возрастанию числа Пр, П, А и, в конечном счете, к увеличению числа элементов структуры состава.

Предложенная уровневая модель ИАСУПО позволяет получить как детальное представление системы, так и наглядное отображение ее общего замысла. Детальное представление системы обеспечивается стратифицированной структурой системы. Произведены структурные иерархические представления системы во всех выделенных стратах, определены особенности и свойства соответствующих форм представления. Раскрыта интегрирующая роль структуры информационных процессов, обеспечивающих содержательное представление системы в информационном пространстве.

Показано, что уровневая модель ИАСУПО позволяет с использованием вертикальной декомпозиции функционально-элементной структуры (по признаку цели информационных процессов) сформировать модель виртуального информационного канала (ВК). Модель ВК представляет реализацию этапов Пр на выделенных ресурсах и является основой для вычисления вероятност-

но-временных характеристик системы с последующим определением параметров ресурсного обеспечения информационных процессов. Уровневая модель ИАСУПО обеспечивает также формирование моделей контуров локального управления с использованием контурной декомпозиции функционально-элементной структуры. Модели контуров управления являются основой проектирования и исследования каналов локального управления системы.

Третья глава посвящена методике проектирования ИАСУПО с учетом ее особенностей и специфики.

Предложена методика выбора комплекса технических средств (КТС), основывающаяся на применении критериев, позволяющих производить рациональный выбор с учетом особенностей проектируемой системы, учитывая взаимосвязи параметров КТС и системных параметров.

Разработана критериальная модель на основе объединенного критерия, включающая две группы локальных критериев: {Ky},j =1... т, i =/... п, где п - количество сопоставляемых КТС; т - число параметров КТС. {Klp\, р е s, где i - число характеристик системы, реализованной на КТС. Общее число локальных критериев т + s = к.

Расчет значений объединенного критерия - Qh для каждого из i-го сопоставляемых КТС, основывается на иерархическом применении метода сверток. Используется гипотеза о линейности свертки, широко применяемая в квалиметрии.

а =1>л,

где aiv = (ynwiv-yiv)/ymxv, /е 1...и; yit =\IKlt.

Весовые коэффициенты Ь„ характеризующие важность каждого из локальных критериев в комплексной оценке, устанавливаются на основе экс-

к

пертных оценок. При этом £г>„ =1. и ¿„больше нуля Значение объединенно-

V=1

го критерия для i-го КТС лежит в диапазоне от 0 до 1. Меньшее значение Qi соответствует лучшему из сопоставляемых КТС.

Разработана методика определения системных вероятностно-временных характеристик, основанная на модельном подходе с использованием виртуального информационного канала (ВК). Элементная структура ВК позволяет определить динамические характеристики потоков сообщений (вероятность отказа, средняя длина очереди т.д.). В свою очередь, определение динамических характеристик ВК обеспечивается моделью ВК как сети массового обслуживания (СеМО).

Предложенная методика реализуется в виде поэтапной процедуры. На первом этапе производится выбор и обоснование модели СеМО. К ее отличительным особенностям относятся: переменная интенсивность обслуживания сообщения; различное число обслуживающих сообщение приборов; наличие трех фаз обработки.

Второй этап характеризуется разработкой аналитической модели фазы обслуживания. В качестве аналитической модели фазы предложено исполь-

зовать векторную модель (ВМ) СМО с отказами, для которой получены следующие выражения:

^ 9шах

^опс = 2Л*,) ЕД'«), (1)

1=0 В1=псв(дГ()+1

где Ртк - вероятность отказа в обслуживании; Р(;с,) - вероятность состояния х(; число состояний графа ВМ СМО.

п (Р(т)р)"'=^п Р = ---—, (2)

4тах (т)Л"' Я <7тах ^ „,.

I П №)Р)т=,тш

/=0 т=?га;„

Л

где р---загрузка системы, Я - интенсивность входного потока заявок, // -

интенсивность потока обслуживания прибора.

Третий этап состоит в разработке аналитической и имитационной моделей СеМО. Для СеМО известные аналитические результаты получены только для простых случаев, а использование имитационных моделей требует значительных вычислительных затрат. Трехфазная СеМО содержит в каждой фазе и, обслуживающих приборов (г = 1.. .3). На вход СеМО поступает пуассоновский поток заявок с интенсивностью К. Время обслуживания прибора /-й фазы экспоненциально распределено, причем интенсивность обслуживания - (X/. Поступая в г'-ю фазу, заявка требует для своего обслуживания случайное число приборов обслуживания тпроизвольно распределенных в диапазоне [дт;„. \ с вероятностью Р(т,). При этом на первой фазе заяв-

ка обслуживается т\ приборами последовательно, следовательно, интенсивность ее обслуживания = \\.л!ти а на последующих фазах - параллельно, т.е. = 0 = 2, 3). В качестве модели фазы применена векторная модель СМО.

По окончании обслуживания в г'-й фазе (г = 1, 2) заявка переходит в следующую (г + 1)-ю фазу, если тм <исв.+|(х;), где «С[!+| (х,) - число свободных обслуживающих приборов в (г + 1)-й фазе состояния ху, либо происходит блокировка и заявка теряется. При этом в г'-й фазе иг, приборов освобождается, а в (г + 1)-й фазе т,,\ прибор занимается заявкой для обслуживания.

Состояние СеМО в фиксированный момент времени определяется вектором Ху =(Ф1,Ф2,Фз),где ф{ = (Кп ,К„ ,...,К„ )> Кт ~ количест-

£/1шп I (/:гпп 1+1 Ушах/ '

во заявок в г'-й фазе, каждая из которых обслуживается /я, приборами.

По графу СеМО с нанесенными интенсивностями переходов составляется система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), из решения которой находятся вероятности Р(Х7), а на основании последних определяются и

характеристики СеМО. Для решения СЛАУ и расчета характеристик разработана программа статистического (имитационного) моделирования СеМО. Аналитическое решение СЛАУ для практически исследуемых уровней АСКДУ (и1 = 50-70, п2 = 2-5, и3 = 1-3) не представляется возможным вследствие огромной размерности. Поэтому был рассмотрен приближенный (числовой) аппроксимационный метод расчета.

Для СеМО с большим числом состояний необходимы приближенные методы расчета. В работе реализован метод, основанный на аппроксимаци-онных моделях. При использовании аппроксимационной модели предполагается, что поток обслуживающих вызовов системы М(к)1М1щ, т1 = дтт -дтах» (г = 1, ..., р, р - число фаз модели) является пуассоновским. При этом стационарные вероятности состояний определяются согласно (2), а интенсивность обслуживания (^о6с):

'*> <7тах!"

А,б(, = ЕД*,) I (3)

т^гтШ

Проведенный анализ зависимостей Ртк(п) показал, что на выходе фаз присутствует поток, который существенно отличается от пуассоновского, а это искажает расчет характеристик СеМО. Предложен способ коррекции ^•обс» основанный на аппроксимации потока обслуживания эквивалентным пуассоновским потоком. Тогда поступления вызовов в следующую фазу образуется из интенсивности обслуживания /\.о5с/ предыдущей фазы следующим образом:

а) аппроксимация первой фазы: для системы М(К)/М/и„ »/, = [дпш, I ... <7тах 1], где = X, вычисляем Р(х/) и определяем (на основании (1) и (2))

^-обсЬ

б) аппроксимация последующих фаз: Я,обы аппроксимируется пуассоновским потоком, так, что получаем Хг (/ = 2, 3). Затем для тех же значений г в системах М(К)/М/и„ от, = [дП1ш;... дтах,,] определяем Хобс, на основании (1) и (2).

В указанной постановке на основе применения в фазах векторной модели СМО проводилось моделирование СеМО и сравнение этих результатов с результатами имитационного моделирования. Пример расчета Ртк для трехфазной СеМО приведен в таблице. Определение Р„ш позволяет рассчитать необходимый объем оборудования фаз ИАСУПО. Статистический анализ с использованием критерия Уилкоксона показал, что сходимость результатов, полученных на имитационной модели и результатов предложенной аппроксимационной модели с коррекцией интенсивности не хуже 10 %.

Разработана методика проектирования типовых подсистем локального управления, реализуемая на основе модельного подхода, осуществляемого с применением модели контура управления. В основу методики проектирования подсистем локального управления в составе ИАСУПО положен интерактивный способ использования средств автоматизированного проектирования и методов моделирования.

Таблица

Результаты моделирования 3-хфазной СеМО_

П\, «2, «1 Имитационная модель Аппроксимационная модель

Ротк1 ^отк2 РоткЗ PQTKT. -^OTKI PQTK2 Р(лкЗ

20 0,2849 0,1819 0,1330 0,4931 0,2778 0,1745 0,1329 0,4740

25 0,1242 0,0835 0,0694 0,2533 0,1223 0,0855 0,0693 0,2702

30 0,0737 0,0527 0,0441 0,1592 0,0749 0,0515 0,0413 0,1636

35 0,0416 0,0330 0,0289 0,1001 0,0399 0,0319 0,0289 0,1016

40 0,0141 0,0127 0,0118 0,0382 0,0147 0,0128 0,0118 0,0410

45 0,0090 0,0073 0,0064 0,0226 0,0083 0,0071 0,0065 0,0210

50 0,0030 0,0028 0,0023 0,0084 0,0035 0,029 0,0022 0,0078

Методика проектирования типовых подсистем включает: обоснование и выбор программной среды проектирования; разработку и реализацию в этой среде модели объекта управления; выполнение эволюционной стратегии моделирования подсистем управления, заключающейся в направленном переборе вариантов регуляторов для достижения заданного качества регулирования.

Методика реализована в программной среде ЕБР-г. Экспериментальные исследования убедительно показали ее эффективность. Использование разработанной методики в среде ЕБР-г позволило определить в интерактивном режиме рациональные законы регулирования и типы исполнительных механизмов, обеспечивающие заданные требования к качеству управления параметрами микроклимата в сложном объеме производственного помещения с учетом комплексных воздействий со стороны окружающей среды. На рис. 2 приведен пример регулирования температуры технологического помещения.

1 - ambient db Tmp - средняя температура внешней среды (°С);

2 - room db Т - средняя температура воздуха в помещении (°С);

3 - room Coollnj - энергия, затрачиваемая на охлаждение (кВт).

Рис. 2. Регулирование температуры в технологическом помещении

В четвертой главе приведена практическая реализация интегрированной автоматизированной системы управления процессами обеспечения производства. В процессе разработки технического проекта ИАСУПО на основе системного анализа особенностей, свойств и характеристик процессов обеспечения производства и условий взаимодействия локальных промышленных сетей (Fieldbus - шина - Lon Works) и средств EPR-системы были успешно применены теоретические результаты и положения, изложенные в диссертационной работе.

Обоснована рациональная архитектура ИАСУПО комплексом производственно-офисных зданий, функционально-техническая структура которой содержит три уровня. Первый (низший) уровень осуществляет сбор, преобразование, обработку данных и формирование управляющих воздействий. Второй уровень производит диспетчеризацию и накопление информации. Третий уровень обеспечивает ведение баз данных, настройку и взаимодействие с ЛВС предприятия. Обмен информацией по внутренним связям ИАСУПО реализован на основе сети Lon Works. В состав подсистем ИАСУПО входят виды ресурсов, обеспечивающих реализацию системных функций по мониторингу и управлению оборудованием производственно-технологической среды комплекса зданий. Архивная база данных по технологическим параметрам, событиям и сообщениям процессов обеспечения реализована в формате MSSQL Server 2000.

Структура программного обеспечения ИАСУПО содержит многозадачную операционную систему управляющих контроллеров Lon, SCADA-систему, Trace Mode 5, Windows 2000 Server, MSSQL Server 2000.

Экспериментальные исследования ИАСУПО подтвердили возможность практической реализации теоретических результатов и расчетную экономическую эффективность, составляющую не менее 1,5 млн. руб. в год. Апробация ИАСУПО показала также, что система обеспечивает эффективный интегрированный контроль состояния процессов обеспечения, а значит и качество условий реализации производственно-технологических процессов. В приложении 3 представлены копии документов, подтверждающих практическое применение результатов диссертационной работы.

В заключении приведены основные результаты исследований, сформулированы выводы и определены основные направления развития подходов к построению интегрированных систем управления процессами обеспечения условий производства, реализуемых на основе локальных промышленных сетей.

В приложениях представлены алгоритм разработки модели температурного поля помещения, акт внедрения ИАСУПО в опытную эксплуатацию и акт внедрения результатов диссертационной работы в учебный процесс.

Основные результаты работы и выводы

1. В результате анализа процессов обеспечения условий производства определено возрастание их роли в достижении высокого качества продукции. Разработана классификация этих процессов, выявлена их сложная иерархи-

ческая структура. Показано, что реализация процессов обеспечения осуществляется на ресурсах производственно-технологической среды предприятия.

2. Разработана новая уровневая концептуальная модель интегрированной автоматизированной системы управления процессами обеспечения производства с использованием когнитивных технологий формирования логических уровней, обеспечивающих динамическое взаимодействие различных форм представления структуры системы.

3. Разработана методика проектирования ИАСУПО в области реализации проектных задач, оказывающих существенное воздействие на качество проектных решений.

Предложена и разработана методика рационального выбора комплекса технических средств, максимально учитывающая особенности системы и основанная на использовании критериальной модели, обеспечивающей учет взаимосвязи параметров технических средств и системных характеристик.

Разработаны модели и методы определения системных вероятностно-временных характеристик на основе использования модели виртуального информационного канала (ВК). Предложено представить ВК многофазной системой массового обслуживания с меняющимися параметрами, фазы которой характеризуются неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов и переменной интенсивностью обслуживания. Для целей исследования многофазной модели СМО предложен и разработан оригинальный комплекс моделей СМО. Предложен аппроксимационный метод, позволяющий существенно сократить объем вычислений, в основу которого положена аппроксимация фазовых потоков пуассоновскими.

Разработана методика проектирования типовой подсистемы локального управления с применением модели контура локального управления. В основу методики положен интерактивный подход с использованием программной среды автоматизированного проектирования и эволюционной стратегии развития последовательности используемых моделей регуляторов.

4. Осуществлена реализация и практическая реализация предложенных основных теоретических положений, разработанных в диссертационной работе. Методика проектирования применена при выполнении проектных работ по реализации системы автоматизации процессами обеспечения производства в рамках производственного комплекса зданий.

Основные публикации по теме диссертационной работы.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Матушкин H.H., Южаков Алексей А. Определение емкостно-временных характеристик автоматизированной системы контроля и диспетчерского управления инженерным оборудованием здания // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, № 4,2010. С. 151-154.

2. Южаков Алексей A. Lon Works - технология построения автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», № 9,2010. - С. 102-105.

3. Южаков Алексей А. Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления на базе технологии LON WORKS // Электросвязь. -2010,-№6.-С. 52-53.

Другие статьи и материалы конференций:

1. Автоматизированная система диспетчерского управления инженерным оборудованием здания / Южаков Алексей А. и др. // Информационные управляющие системы: сб. науч. тр. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2005.-С. 138-142.

2. Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления бизнес-центра «Славяновский» / Южаков Алексей А. и др. // Информационные управляющие системы: сб. науч. тр. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. унта, 2007.-С. 80-85.

3. Южаков Алексей А., Южаков A.A. Система диспетчерского контроля и управления бизнес-центра «Славянский» // Автоматизированные системы управления и информационные технологии: материалы краевой НТК. -Пермь, Пресстайм, 2007. - С. 14-17.

4. Щавлев В.Е., Южаков A.A., Южаков Алексей А. Создание модели автоматической системы управления микроклиматом // Системы мониторинга и управления: сб. науч. тр. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. -С. 219-229.

5. Калинин Д.Ю., Южаков Алексей А. Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления (АСДКИУ) // Тезисы докладов YII Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Управление большими системами»: Пермь, ПГТУ, 2010, т.2. - С. 84-89.

6. Матушкин H.H., Южаков Алексей А. Особенности расчета объема оборудования автоматизированной системы контроля и диспетчерского управления инженерным оборудованием здания // Системы мониторинга и управления: сб. науч. тр. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. - С. 80-85.

7. Капгер И.В., Южаков A.A., Южаков Алексей А. Анализ реализаций криптографических преобразований сообщений в системах управления промышленных сетей LON интеллектуальных зданий // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе: труды межунар. конф. - Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2010. - С. 117-118.

8. Южаков Алексей А. Моделирование автоматизированной системы контроля и диспетчерского управления инженерным оборудованием здания сетью массового обслуживания // Управление большими системами: тез. докл. YII Всероссийской школы-конференции молодых ученых. - Пермь, ПГТУ, 2010, т.2. - С. 172-176.

Подписано в печать 08.08.2011. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 1539/2011.

Издательство

Пермского государственного технического университета. Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113. Тел. (342) 219-80-33.

Введение.

1. Состояние и перспективы развития систем автоматизации процессов обеспечения условий производства.

1.1. Процессы машиностроительного производства.

1.1.1. Процессная модель.

1.1.2. Процессы обеспечения условий реализации современного производства.

1.2. Производственно-технологическая среда.

1.2.1. Структура и организация производственно-технологической среды.

1.2.2. Промышленно-производственные здания как элементы производственно-технологической среды.

1.3. Системы автоматизации процессов обеспечения производства.

1.3.1. Особенности систем автоматизации процессов обеспечения производства.

1.3.2. Состояние развития систем автоматизации процессов обеспечения производства.

1.4. Выводы.

2. Разработка концептуальной модели интегрированной автоматизированной системы управления процессами обеспечения производства

2.1. Виды концептуальных моделей систем управления.

2.2. Концептуальная модель интегрированной автоматизированной системы управления процессами обеспечения в классе моделей логических уровней.

2.2.1. Теоретическое описание уровней модели.

2.2.2. Внутреннее устройство модели.

- 2.2.3гУровневая модель ИАСУПО .77777.7.77.77. 77.

2.3. Применение уровневой модели ИАСУПО.

2.3.1. Стратифицированная структура модели ИАСУПО.

2.3.1.1. Стратифицированная модель представления системы в физическом пространстве.

2.3.1.2. Стратифицированная модель представления системы в функциональном пространстве.

2.3.1.3. Стратифицированная модель представления системы в информационном пространстве.

2.3.2. Модель виртуального информационного канала.

2.3.3. Модель контура управления.

2.4. Выводы.

3. Методика проектирования интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения.

3.1. Методика выбора комплекса технических средств.

3.1.1. Объединенная критериальная модель выбора КТС.

3.1.2. Процедура определения значений объединенного критерия

3.2. Разработка методики определения вероятностно-временных характеристик ИАСУПО.

3.2.1. Виртуальный информационный канал как модель систем массового обслуживания.

3.2.2. Аналитическая модель фазы СеМО.

3.2.3. Аналитическая модель многофазной СеМО.

3.2.4. Аппроксимационный метод расчета СеМО с отказами в обслуживании.

3.2.5. Анализ результатов исследования вероятностно-временных характеристик.

3.3. Разработка методики проектирования типовых подсистем локального управления.

3.3.1. Выбор программной среды проектирования.

3.3.2. Разработка модели температурного поля как объекта управления.

3.3.3. Исследование модели температурного поля помещения.

3.3.4. Определение параметров реального регулятора типовой подсистемы локального управления.

3.4. Выводы.

4. Реализация интегрированной автоматизированной системы управления процессами обеспечения производства.

4.1. Структура системы.

4.2. Состав подсистем ИАСУПО.

4.3. Информационное обеспечение.

4.4. Программное обеспечение ИАСУПО.

4.5. Результаты опытной эксплуатации ИАСУПО.

4.6. Выводы.

Управление современными промышленными предприятиями обеспечивается сложными автоматизированными системами управления. Системы предприятий имеют три уровня: ERP-системы, MES-системы и АСУ-ТП -автоматизированные системы управления технологическими процессами.

Система ERP - Enterprise Resource Planning осуществляет автоматизированное управление административно-финансовой и административно-хозяйственной деятельностью предприятия.

Новый класс систем управления производством составляют MES-системы (Manufacturing Execution System). Основное назначение MES-систем:

- оперативное планирование и решение следующих задач управления производством:

- сбор фактических данных в режиме реального времени по всей цепочке производства продукции;

- обработка получаемых в режиме реального времени данных о производственных процессах;

- выработка в режиме реального времени управляющих и корректирующих воздействий на технологическое оборудование.

Перечисленные задачи используются для решения стратегических задач управления производством в ERP-системах.

В ERP- и MES-системах автоматизации подлежат процессы, документооборота, учета, управления персоналом, финансовой отчетности. Задачи, относящиеся к мониторингу и управлению технологическими процессами, в указанных системах управления представлены слабо.

Эти задачи возложены на АСУ-ТП-системы: сбор данных измерительной информации о состоянии технологических процессов; визуализация технологических процессов; преобразование, передача, хранение технологической информации; локальное управление пр. Следует отметить, что четкой границы между MES-системами и АСУ-ТП нет. Характерно их взаимное пересечение в силу имеющейся определенной неразрывности выполняемых функций. Спектр реализуемых задач, структура элементов и организация их взаимодействия в системах АСУ-ТП определяются в существенной степени особенностями производственных процессов.

Основной составляющей производственного процесса машиностроительного предприятия являются технологические процессы, содержащие действия по изменению состояний предметов труда. Сложность технологических процессов определяется уровнем реализуемых технологий. Использование в производстве критических технологий, нанотехнологий, информационных технологий в существенной степени усложняет технологические процессы, а также значительно повышает требования к условиям их реализации. В свою очередь, жесткие и разнообразные требования к условиям реализации технологических процессов в современной производственной среде требуют по отношению к ее элементам, обеспечения как норм (по микроклимату, освещенности, чистоте, безопасности и пр.), так и параметров ресурсов (электроснабжения, теплоснабжения, водоснабжения, коммуникаций и пр.). Причем важно, что современные промышленные технологии требуют все возрастающего внимания к обязательному качественному обеспечению указанных норм состояния производственной среды и параметров ее ресурсного обеспечения. При этом, безусловно, возрастает роль и значимость процессов обеспечения (ПО) условий реализации производственно-технологических процессов. Исходя из общих и доминирующих тенденций к интеграции, эти процессы обеспечения сливаются с технологическими процессами, составляя фактически их специфическую часть.

К числу отличительных признаков процессов обеспечения следует отнести то, что их результатами являются определенные ресурсы и условия эффективного выполнения технологических процессов. Кроме того, процессы обеспечения и их результаты имеют непосредственное взаимодействие с производимыми продуктами, что значительно отличает их от вспомогательных процессов. Отметим также такую особенность процессов обеспечения — они реализуются на элементах производственно-технологической среды производства.

Характерными свойствами процессов обеспечения является их широкая-номенклатура, сложная структура, иерархичность и взаимосвязность, наличие сложных неоднородных и интенсивных информационных потоков, преобладание локальных контуров управления, пространственная распределенность и т.д.

Перспективы развития процессов обеспечения в общей структуре производственно-технологических процессов состоят в их усложнении, а также в усилении значимости и роли в воздействии на качество продукции, что предопределено дальнейшим совершенствованием технологий машиностроительного производства. В свою очередь, повышение роли и сложности процессов обеспечения превращает их из второстепенных в определяющие и требует развития новых подходов к формам и методам их организации и управления, в том числе с применением инфокоммуникационных технологий.

В целом, системы автоматизации процессов обеспечения могут быть выполнены в классе автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства (АСУ ПО), реализуемых с учетом свойств и отличительных признаков процессов обеспечения производства.

Взаимозависимость процессов обеспечения, наличие общих системных функций по их управлению и мониторингу обуславливают реализацию систем автоматизации процессов обеспечения как интегрированных систем. Достижение качества интегрированности требует, в свою очередь, свойств многоканальности, а также иерархичности и многослойности структуры систем автоматизации.

Наличие в задачах мониторинга и управления процессами обеспечения существенной информационной составляющей требуют от системы современных решений по организации взаимодействия информационных компо нент (потоков, процессов, алгоритмов и пр.), которая должна осуществляться С использованием перспективных ПОДХОДОВ К построению связей С нием идеологии и средств локальных промышленных сетей. При 3TOivi топологически распределенные средства управления, обработки и преобразования информации, задействованные в локальных контурах, взаимодейств>тот по локальной сети и коллективно используют общие ресурсы системы. Таким образом, система автоматизации процессов обеспечения производства- должна быть реализована в классе интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения (ИАСУПО) на основе локальнЫ^< промышленных сетей.

Исследование и реализация ИАСУПО является комплексной а^стгуальг ной задачей, сложность которой обусловлена, прежде всего, свойст:в^л^и и качествами процессов обеспечения.

Актуальность решений комплексной задачи исследования и реализации ИАСУПО определяется возрастающим, в связи с развитием новых технологий, воздействием процессов обеспечения производства на качество тт}роДУк~ ции, а значит необходимостью повышения эффективности управления: .этими процессами, снижения эксплуатационных расходов и повышением у^ровня безопасности производства.

В настоящее время известны определенные решения в сфере проектирования и реализации систем автоматизации процессов обеспечения. ^Анализируя состояние развития этих систем, следует принимать во вниманЯ^ разработки, относящиеся к системам автоматизации инженерно-технич:е:окого оборудования современных зданий, которые могут рассматриваться ка^к элементы производственно-технологической среды, на которой реализзтотся процессы обеспечения производства. Прежде всего, следует выделить достаточно распространенные системы, реализуемые в логике «интеллектуального» здания. Однако они ограничены в спектре решаемых задач и специ^-ЛИЗИ" рованы, как правило, на решение одной из задач: управление электросы^-^же" нием, управление и эксплуатация информационных сетей; организация: зачета потребления ресурсов и пр. Определенное число разработок относится ic системам относительно небольшой размерности, функционирующих в р^лухках отдельных зданий, в том числе многоэтажных жилищных комплексов. Отличительной особенностью известных разработок авторов Табунщикова Ю-А > Ясина Ю.И., К. Гертиса, Н. Нара и др. является отсутствие интегративиости процессов и наличие высокой специализированное™ в структурных perxi^HÍI"" ях.

Число известных исследований и разработок систем в классе

ИАСУПО относительно невелико. Среди носящих системный характер следует «отметить разработки таких организаций, как Honey Well, Andones Controls, Johnson Controls, Siemens, относящиеся к направлениям централизованных: комплексов управления зданиями.

Следует констатировать, что сегодня системный подход к автоматизации процессов обеспечения производства не нашел широкого примеи^зяия.

Это обстоятельство в значительной степени обусловлено целым рядом факторов.

Прежде всего, следует отметить, что на сегодняшний день отсутствуют известные результаты в области разработки сложных концептуальных моделей систем указанного класса, обеспечивающих возможности представления обобщенной структуры системы, как единого целого, так и представления стратифицированной структуры, отличающейся высокой детализацией состава. Указанные модели должны обеспечивать также отображение взаимодействия элементов уровней иерархии и учитывать наличие развитой информационной составляющей процессов обеспечения производства. Известные уровневые модели технических систем отличаются ограниченным использованием уровневой архитектуры за счет распределения по уровням только ресурсного обеспечения (модель PROFILE1 м), либо только функций (модель САИ). В работах Диденко К.И., Хетагурова Я.А. и др. уровневые модели раскрывают только определенные формы представления систем: технический ресурс, реализуемые функции, топологию и пр. С другой стороны, уровневые модели сложных объектов (познание, субъективный опыт, концепция знания и др.), содержащиеся в известных работах Т. Лири, Перелегина С.Б., Щеглова Г.А. и др., слабо адаптированы к особенностям технических систем.

Требует развития и совершенствования методика проектирования ИАСУПО, прежде всего в области реализации проектных задач, оказывающих существенное воздействие на качество проектных решений. К числу таких задач относится выбор комплекса технических средств, максимально учитывающий особенности системы. Известные подходы к решению этой задачи, представленные в работах Диденко К.И., Шастовой Г.А., Преснухина Л.Ш. и др., основываются на использовании точечных критериев, либо обобщенных критериев, но не обеспечивающих выбор с учетом взаимосвязей параметров технических средств и характеристик систем. В этой связи необходимо разработать использовать объединенные критериальные модели выбора комплекса технических средств.

Актуальной задачей проектирования является определение вероятностно-временных характеристик информационных каналов, характеризующих прохождение информационных процессов по уровням иерархии (вероятность блокировки, средняя длина очереди, среднее время пребывания и пр.). Эти вероятностно-временные характеристики необходимы как ограничения при определении объемов оборудования (ресурсов) для обработки и передачи информации по информационным каналам.

Определение указанных характеристик требует разработки модели системы массового обслуживания в классе многофазной сети массового обслуживания с переменным числом обслуживающих приборов в фазах и переменной интенсивностью обслуживания в каждой фазе. Известные подходы к созданию таких моделей, изложенные в работах Башарина Г.П., Скляревича A.A., Назарова A.A. и др. не учитывают влияния соседних фаз.

Проектирование ИАСУПО включает решение задач проектирования подсистем управления. Широкая номенклатура регулируемых параметров процессов обеспечения производства, их распределенность в пространстве, взаимосвязанность обуславливают необходимость создания методики проектирования подсистем локального управления ИАСУПО на основе модельного подхода, реализуемого в программной среде автоматизированного проектирования.

Подтверждение обоснованности результатов теоретических исследований ИАСУПО и их прикладной значимости требует практической реализации и апробации ИАСУПО.

Таким образом, анализ состояния развития современных автоматизированных систем управления производственными процессами предприятий показал наличие проблемы — необходимости эффективного управления процессами обеспечения производства, создающими устойчивые условия реализации передовых технологий машиностроения.

Путь решения указанной проблемы состоит в разработке и применении автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства.

Объектом исследований являются интегрированные автоматизированные системы управления процессами обеспечения производства.

Предмет исследований - проектирование интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства на основе локальных промышленных сетей.

Цель работы - разработка интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения производства на основе локальных промышленных сетей.

Указанная цель определяет реализацию следующих задач исследований:

1. Анализ структуры и свойств процессов обеспечения условий производства.

2. Разработка концептуальной модели ИАСУПО в классе уровневых моделей и создание на ее основе:

- стратифицированной структуры ИАСУПО;

- модели виртуального информационного канала;

- модели контура локального управления.

3. Создание методики проектирования ИАСУПО, включающей:

- методику рационального выбора технического базиса (комплекса технических средств) системы;

- разработку методики определения системных вероятностно-временных характеристик;

- методику проектирования типовой подсистемы локального управления.

4. Реализация и практическая апробация ИАСУПО.

Решение поставленных задач позволит обеспечить проектирование эффективных ИАСУПО, создающих требуемые условия для реализации современных передовых технологий машиностроительного производства.

Методы исследований. В работе использован математический аппарат теории множеств, теории вероятностей, математического моделирования, теории систем массового обслуживания.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:

- разработанная концептуальная модель ИАСУПО представлена в классе моделей логических уровней со сложной иерархией уровней, учитывающей динамику отношений категорий представления системы;

- разработанная методика рационального выбора комплекса технических средств ИАСУПО, основывается на предложенной двухкомпонентной критериальной модели, включающей локальные индикаторы средств технического базиса и индикаторы системных характеристик ИАСУПО;

- модель виртуального информационного канала для исследования вероятностно-временных характеристик систем представляется моделью сети массового обслуживания (СеМО);

- межфазные потоки в модели СеМО представляются эквивалентным пуассоновским потоком на основе предложенного способа аппроксимации;

- методика проектирования типовой подсистемы локального управления основывается на полученной модели контура локального управления и использовании интерактивного подхода к эволюционному проектированию средств, законов и параметров управления.

Основные положения, выносимые на защиту:

- структуризация процессов обеспечения производства;

- подход к разработке уровневой модели ИАСУПО на основе использования логических уровней;

- применение уровневой модели ИАСУПО для получения стратифицированной структуры системы, для формирования модели виртуального информационного канала и модели контура локального управления с использованием вертикальной и контурной декомпозиции;

- методика рационального выбора технического базиса системы;

- применение для исследования вероятностно-временных характеристик модели виртуального информационного канала как сети массового обслуживания;

- результаты расчета вероятностно-временных системных характеристик с использованием комплекса моделей и оценка, подтверждающая их достоверность;

- методика проектирования подсистем управления, основанная на интерактивном подходе с применением программной среды проектирования и эволюционной стратегии развития сложности исследуемых моделей регуляторов;

- результаты практической реализации ИАСУПО.

Достоверность и обоснованность результатов работы основывается на результатах имитационного моделирования, данных экспериментальных исследований, практическом применении теоретических исследований, а также корректном использованием известного математического аппарата и ме методологии общей теории систем, теории систем массового обслуживания, математического моделирования.

Практическая ценность работы состоит, прежде всего, в выполнении исследований и разработке методики проектирования систем автоматизации процессов обеспечения производства, в основу которых положены результаты теоре гических исследований.

Созданная уровневая модель ИАСУПО, основанная на идеологии логических уровней, в практическом своем использовании позволяет получить как целостное представление сложной системы управления, так и стратифицированное представление ее структуры, обеспечивая при этом возможность изучения взаимовлияния и совместного применения различных форм представления системы.

Предложенная методика выбора рационального технического базиса системы имеет возможности универсального использования в отношении объектов, располагающих расширенным множеством характеристик и установленными отношениями локальных и системных показателей.

Разработанная методика проектирования локальных подсистем управления, основанная на применении интерактивного подхода с использованием инструментальной среды, обеспечивает устойчивое эволюционное формирование рациональных инженерных проектных ре-шеншПрактическое применение разработанных моделей и методики проектирования ИАСУПО позволяют получить проектные решения подсистем электро-, водо-, теплоснабжения, обеспечивающие существенную экономию потребления основных ресурсов предприятий.

Реализация результатов работы. Полученные результаты внедрены в практику проектирования автоматизированных систем управления инженерным оборудованием современных производственных и офисных зданий в ООО «БМС» (г. Пермь).

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на кафедре «Автоматика и телемеханика» Пермского национального исследовательского политехнического университета при преподавании дисциплин «Локальные системы управления», «Встроенные микропроцессорные системы».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на научно-практических конференциях и семинарах различного уровня, наиболее значимые из которых:

- Краевая НТК «Автоматизированные системы управления и информационные технологии», Пермь, 2007 г.;

- VII Всероссийская школа-конференция молодых ученых «Управление большими системами», Пермь, май, 2010 г.;

- XXVII Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе 1Т + 8Е'10», Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, май, 2010 г.;

- научно-технический семинар «Современные методы и алгоритмы нечеткого управления», г. Пермь, ОАО «СТАР»;

- научно-технический семинар «Современные проблемы управления сложными системами», г. Пермь, НОЦ «Проблемы управления» при ПНИ-ПУ.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 94 наименований и 3-х приложений. Работа выполнена на 130 стр., в том числе 126 стр. основного текста, содержит 40 рисунков и 6 таблиц.

Основные результаты работы и выводы

1. В результате выполненного анализа процессов обеспечения условий производства определено возрастание их роли в обеспечении высокого качества продукции. Получена и проанализирована классификация этих процессов, выявлена их сложная иерархическая структура. Определены их свойства: развитая номенклатура, взаимозависимость, динамичность характеристик, неоднородность и большая интенсивность информационных потоков, пространственная распределенность источников. Реализация процессов обеспечения осуществляется на ресурсах производственно-технологической среды предприятия, в том числе на инженерно-техническом оборудовании производственно-промышленных зданий.

Возрастание масштабов и номенклатуры процессов обеспечения, повышение их динамики, усложнение и рост интенсивности информационных потоков требуют автоматизации этих процессов. Показано, что существующая практика создания систем автоматизации процессов обеспечения как совокупности локальных систем мониторинга и управления не отвечает современным требованиям, исходящим их наличия взаимосвязанности процессов и необходимости мониторинга системных характеристик.

Определено, что автоматизация процессов обеспечения производства должна производиться в классе интегрированных систем автоматизированного управления, имеющих сложную иерархическую структуру, функционирующих в режиме реального времени и реализуемых с применением локальных промышленных сетей.

2. На основе проведенного анализа известных подходов к построению концептуальных моделей технических систем и сложных объектов разработана уровневая модель интегрированной автоматизированной системы управления процессами обеспечения производства с использованием когнитивных технологий формирования логических уровней, обеспечивающих определение динамического взаимодействия различных форм представления структуры системы.

Показано, что уровневая модель ИАСУПО позволяет объединить различные формы представления структуры системы в единое целое, выделяя при этом в стратах подуровней детализированные отношения внутри форм представления структуры. Модель позволяет определить необходимые для проектирования отношения компонент информационного представления системы с выделением доминанты информационных процессов. Внешняя иерархия логических уровней, основанная на принципе «общее/частное», устанавливает динамику отношений между формами представления системы, отнесенными к смежным логическим уровням. Внутренняя иерархия стратифицированных представлений системы на подуровнях определяет статичные отношения в форме представления системы, устанавливаемые на принципах индукции/дедукции. Полученное в модели разнообразие отношений в различных формах представления системы обеспечивает полноту описания структуры системы.

Обосновано использование уровневой модели для целей исследования и проектирования ИАСУПО.

Установлено, что располагаемые на логических уровнях слои (страты) иерархических описаний системы в определенных формах ее представлений обеспечивают структурирование в физическом, функциональном и информационном пространствах.

Интегрированное отображение иерархических структур системы в соответствующих стратах составляют стратифицированную структуру системы. Стратифицированная структура системы устанавливает отношения элементов различных стратифицированных представлений системы, что позволяет обеспечить согласованное применение принципа модульности проектных решений в различных слоях системы.

Показано, что уровневая модель системы позволяет с применением «вертикальной» декомпозиции получить модель виртуального информационного канала как основы для исследования вероятностно-временных характеристик процессов передачи и обработки информации.

Получены с использованием «контурной» декомпозиции модели структуры системы контурные модели локального управления, обеспечивающие проектирование и исследование контуров локального управления.

3. Разработана методика проектирования ИАСУПО в области реализации проектных задач, оказывающих существенное воздействие на качество проектных решений. Предложена и разработана процедура выбора комплекса технических средств, максимально учитывающая особенности системы, основанная на использовании объединенной критериальной модели, обеспечивающей учет взаимосвязи параметров технических средств и системных характеристик.

Разработаны модели и методы определения системных вероятностно-временных характеристик на основе использования модели виртуального информационного канала (ВИК). Предложено представить ВК многофазной системой массового обслуживания с меняющимися параметрами, фазы которой характеризуются неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов и переменной интенсивностью обслуживания. Для целей исследования предложен и разработан комплекс моделей СМО. Разработана динамическая модель фазы сети массового обслуживания как векторная модель СМО. Предложен аппроксимационный метод, позволяющий существенно сократить объем вычислений, в основу которого положена аппроксимация фазовых потоков пуассоновскими.

Разработана методика проектирования типовой подсистемы локального управления с применением модели контура локального управления. В основе методики положен интерактивный подход с использованием программной среды автоматизированного проектирования и эволюционной стратегии развития последовательности используемых моделей регуляторов. Применение методики проектирования в среде ЕБР-г позволили определить в интерактивном режиме рациональные законы регулирования и типы используемых исполнительных механизмов, которые обеспечивают заданные требования к качеству регулирования в контуре.

4. Осуществлена разработка технического проекта и практическая реализация ИАСУПО на основе использованных полученных теоретических результатов. Методика проектирования применена при выполнении проектных задач по реализации системы автоматизации процессами обеспечения производства в рамках промышленно-производственного комплекса зданий. Результаты проектирования системы и ее опытной эксплуатации подтвердили основные теоретические положения, разработанные в диссертации. Проведенный анализ показал, что применение разработанной и внедренной ИАСУПО обеспечивает экономию не менее 1,5 млн. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены актуальные научные и практические результаты исследований и реализации интегрированных автоматизированных систем управления процессами обеспечения современного производства, роль и значимость которых возрастают в связи с увеличением влияния на качество основной продукции предприятий по мере дальнейшего освоения и применения современных передовых технологий.

1. Менеджмент процессов / Под ред. Й. Беккера, JI. Вилкова, В. Та-ратухина, М. Кугелера, М. Роземана. М.: Эксмо, 2007. - 384 с.

2. Схиртладзе А.Г., Ярушин С.Г. Технологические процессы в машиностроении. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. - 496 с.

3. Туровец О.Г., Бухалков М.И., Родинов В.Б. и др. Организация производства и управление предприятием / Под ред. О.Г. Туровца. М.: ИНФА-М, 2003. - 528 с.

4. Анциферова И.В. Менеджмент развития новых технологий: учебное пособие. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010.-215 с.

5. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 234 с.

6. Душин В.К. Теоретические основы информационных процессов и систем. М.: Дашков и Ко, 2003. - 348 с.

7. Казанцев А.К., Серова JI.C. Основы производственного менеджмента: учебное пособие. М.: ИНФА-М, 2002. - 348 с.

8. Переслегин С. Возвращение к звездам: Фантастика и эволюция. -М.: ACT: ACT Москва, СПб.: Terra Fantastica, 2010. 570 с.

9. Елиферов В.Г., Репин В.В. Бизнес-процессы. Регламентация и управление. М.: ИНФА-М 2004. - 272 с.

10. Игнатьев М.Б., Путилов В.А., Смольков Г.Я. Модели и системы управления комплексными экспериментальными исследованиями. — М'.: Наука, 1986.-232 с.

11. Авдеев Б.Я. и др. Цифровые адаптивные информационно-измерительные системы / Под ред. Б.Я. Авдеева и Е.А. Чернявского. — СПб.: Энергоатомиздат, 1997. 368 с.

12. Александров А. Что же такое «интеллектуальное здание» //Компьютера. 1997. - № 48.

13. Интеллектуальные здания. Проектирование и эксплуатация информационной инфраструктуры / Харкер Дж. и др. — М.: Сети МП 1996. -160 с.

14. Карпов С. Бюллетень «Автоматизация зданий». 2008. - № 4 (19). - URL: http://www.i-dom.ru/about/press.aspx.

15. Табунщиков Ю.А., Шилкин Н.В., Бродач М.М. Энергоэффективное высотное здание / АВОК. 2002. - № 3. - URL: http://www.abok.ru/forspec/articles.php?nid=1519.

16. Хитрых Д. ANSYS CFX: проектируем инженерные системы здания // САПР и графика 2005, вып. 8 - 2005 Электронный ресурс. - URL: http://www.sapr.ru/Article.aspx?id=7823

17. Виртуальное проектирование и имитационное моделирование подсистем «Умного дома» Электронный ресурс. — URL: http://aldebaran.usaaa.rU/8084//Architecton/numbers/201022/035.

18. Моделирование интеллектуального здания Электронный ресурс.- URL: http://www.armo-group.ru/model.html.

19. Хвощ С.Т., Дорошенко В.В., Горовой В.В. Организация последовательных мультипликативных каналов САУ М: Машиностроение, 1989. -271 с.

20. Хвощ С., Амаду X. Промышленные сети на базе стандарта MIL-STD-1553B // СТА. 1999. - № 1. - С. 42^15.

21. Мельников П. Техника автоматизации зданий на базе технологии EIB // СТА. 1999. - № 2. - С. 36-42.

22. LON-технология: построение распределенных приложений, пер. с нем. / Д. Дитрих и др. Пермь, Звезда, 1999. - 345 с.

23. Кругляк К. Промышленные сети: цены и средства // СТА. 2002.- № 4. С. 6-17.

24. Южаков Алексей A. Lon Works технология построения автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ», № 9, 2010. - С. 102-105.

25. Южаков Алексей А. и др. Автоматизированная система диспетчерского управления инженерным оборудованием здания // Информационные управляющие системы: сб. науч. тр. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2005.-С. 138-142.

26. Могилевский В.Д. Формализация динамических систем. М.: Вузовская книга, 1999. - 216 с.

27. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. М.: Машиностроение, 1985. - 199 с.

28. Винер Н. Кибернетика. М.: Наука, 1983. - 396 с.

29. Григорьев Л.Ю., Кудрявцев Д.В., Горелик С.Л. Корпоративная архитектура и ее составляющие. Электронный ресурс. — URL: http://hqhltd.yandex.net/vandbtm?fmode=iniect&url=.

30. ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1-99 «Взаимосвязи открытых систем. Базовая эталонная модель» (http://www/e-nigma/ru/stat/gost2.htmQ.33. трейдер Ю.А., Шаров A.A. Системы и модели. М.: Радио и связь, 1982.- 152 с.

31. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления.-М.: Энергоиздат, 1981.-231 с.

32. Модель ISO/OSI. Электронный ресурс. URL: http://vv303.narod.ru/files/inst/oliter/appendx/default.htm.

33. Protocol PROFILE. Электронный ресурс. URL: http://reghts.rosnet.ru/protocoldescription /ruhelp/russian/isap/c428671.htm.

34. Холл М. 77 лучших техник НЛП. С-ПБ: Прайм-Еврознак, 2008. -438 с.

35. Щеглов Г.А. Динамический принцип построения модели логических уровней НЛП. Электронный ресурс. URL: http://www.vestniknlp/index.php?sid=250&did=722

36. Уман А.И. Современная, интерпретация модели формирования содержания образования. Электронный ресурс. URL: http://www.berner.edu3000.ru/wladimir biblos/umanl.htm.

37. Перелегин С.Б., Перелегина Е.А. Концепция «Знания» в логике шестиуровневого подхода Бертрана Рассела. Электронный ресурс. — URL: http://www.psychotechnology.ru/publication/item31.html

38. Системный анализ и принятие решений: Словарь-справочник: Учеб. пособие / Под ред. В.Н. Волковой, В.Н. Козлова. М.: Высш. шк., 2004.-616 с.

39. Диденко К.И. Проектирование агрегатных комплексов технических средств для АСУ ТП. М.: Энергоатомиздат. 1984. - 288 с.

40. Балашов Е.П., Пузанков A.B. Проектирование информационно-управляющих систем. — М.: Радио и связь, 1987. 256 с.

41. Смирнов О.Л. и др. САПР: формирование и функционирование проектных модулей. М.: Машиностроение, 1987. - 272 с.

42. Калинин Д.Ю., Южаков Алексей А. Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления (АСДКИУ) // Тезисы докладов YII Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Управление большими системами»: Пермь, ПГТУ, 2010, т.2. С. 84-89.

43. Норенков И.П., Маничев В.Б. Система автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. М.: Высш. шк., 1983. - 272 с.

44. Южаков Алексей А. и др. Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления бизнес-центра «Славяновский» // Информационные управляющие системы: сб. науч. тр. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2007. - С. 80-85.

45. Попов A.A., Телушкин И.М., Бушуев С.Н. и др. Основы общей теории систем. Часть 1. С-Пб.: ВАС, 1992. - 248 с.

46. Shannon С.Е. Mathematicel Theory of Commanication // Bell System Technical Journal. 1948, T. 27. C. 379-423, 623-656.

47. Структуры данных и алгоритмы. Электронный ресурс. — URL: http://khpi-lip.mipk.kharkiv.edu/librery/datastr/book/prto/html.

48. Хетагуров Я.А., Древа Ю.Г. Проектирование информационно-вычислительных комплексов. М.: Высш. шк., 1987. - 280 с.

49. Матушкин Н.Н. Прикладные аспекты теории массового обслуживания в проектировании проблемно-ориентированных информационно-управляющих систем / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 1997. — 52 с.

50. Мухин В.И. Исследование систем управления. Анализ и синтез систем управления. М.: Экзамен, 2006. - 479 с.

51. Виленкин С.Я., Трахтенгерц Э.А. Математическое обеспечение управляющих вычислительных машин. М.: Энергия, 1972. — 329 с.

52. Вычислительные сети и сетевые протоколы / Д. Дэвис и др. -М., Мир, 1982. 563 с.

53. Особенности локальных вычислительных сетей, используемых Bi распределенных системах управления процессами / А.В. Афанасьев и др. // Тезисы докладов XV Всесоюзной школы-семинар по вычислительным сетям. М.-Л., 1990, ч. 3. - С. 263-268.

54. Объектовые шины передачи данных // Экспресс-информация, серия «Приборы и элементы автоматики и вычислительной техники», 1989, №35.-С. 10-18.

55. Мельников В.А., Кальченко С.Б., Харченко B.C. Динамическая архитектура и модульные вычислительные системы на БИС // Зарубежная радиоэлектроника, 1990. № 1. С. 64-84.

56. Преснухин Л.Ш., Шахнов В.А. Конструирование электронных вычислительных машин и систем. М.: Высш. шк., 1986. - 512 с.

57. Шастова Г.А., Коёкин А.И. Выбор и оптимизация структуры информационных систем. М.: Энергия, 1972. — 256 с.

58. Вольц M. Profubus — открытая шина промышленного применения. Электронный ресурс. URL: http://www.mka.ru/?p=40754.

59. Mini EVK Users Guide Электронный ресурс.: Echelon Corporation, 2006, URL: http://www.echelon.com/support/docurnentation/manuals/dev-tools/078-0302-00.pdf/

60. Протокол Modbus. Электронный ресурс. URL: http://modicon.com/techpubs/toc7.html.

61. Кофман А., Крюон О. Массовое обслуживание. Теория и приложения. М.: Мир, 1965.-302 с.

62. Риордан Дж. Вероятностные системы обслуживания. — М,: Связь, 1966.- 184 с.

63. Саати Т.Л. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Сов. радио, 1971. - 520 с.

64. Гнеденко В.Б., Коваленко H.H. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Наука, 1966. - 431 с.

65. Клейнрок JI. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. - 600 с.

66. Джейсуол Н. Очереди с приоритетами. М.: Мир, 1973. - 280 с.

67. Хинчин А .Я. Работы по математической теории массового обслуживания. М.: Физматгиз, 1963. - 235 с.

68. Овчаров JI.A. Прикладные задачи теории массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1969. - 324 с.

69. Горцев A.M. Адаптивное управление потоками задач в вычислительной системе // Автоматика и вычислительная техника. 1982. — № 6. — С. 53-60.

70. Коротаев И.А., Терпугов А.Ф. Приближенный расчет характеристик многолинейных систем массового обслуживания с вспомогательными приборами // Автоматика и вычислительная техника. — 1982. — № 6. — С. 61-65.

71. Назаров A.A. и др. Исследование и оптимизация управляемой адаптивной терминальной измерительной системы // Автоматика и телемеханика. 1996. - № 4. - С. 96-100.

72. Назаров A.A. и др. Критерий эквивалентности уравнений глобального и детального балансов цепей Маркова // Автоматика и телемеханика. 1995. - № 12. - Є. 71-78.

73. Зоркальцев A.B., Южаков A.A. Анализ функционирования фрагмента информационно-измерительной системы // Автометрия. — 1995. № 3. - С. 9-13.

74. Бройтман M.JL, Эттингер Б.Я. Анализ процессов буферизации в системах телеобработки // Автоматика и вычислительная техника. 1981. — №2.-С. 55-61.

75. Ивановский В.Б. О мультипликативной форме решения в экспоненциальных сетях с ограниченными очередями и блокировками // Автоматика и вычислительная техника. — 1983. — № 5. — С. 19-24.

76. Скворцов A.B. Моделирование потоков в информационных системах // Приборы и систем управления. 1983. № 9. — С. 17-18.

77. Назаров A.A. Асимптотический анализ марковизируемых систем. Томск: Изд-во Томск, гос. ун-та, 1991. - 280 с.

78. Башарин Г.П., Громов А.И. Матричный метод нахождения стационарного распределения для некоторых нестандартных систем массового обслуживания // Автоматика и телемеханика. 1978. - № 1. - С. 29-38.

79. Виленхин С.Я., Ермаков A.C. Итерационный метод анализа разомкнутых многофазных систем массового обслуживания с блокировками // Автоматика и телемеханика. 1981. — № 1. - С. 20—26.

80. Арндт К. Аппроксимация трехфазных многоканальных систем массового обслуживания с блокировками // Техническая кибернетика. -1983.-№6.-С. 122-128.

81. Бронштейн H.H., Семензяев К.А. Справочник по математике. -М.: Наука, 1986.-544 с.

82. Матушкин H.H., Южаков Алексей А. Определение емкостно-временных характеристик автоматизированной системы контроля и диспетчерского управления инженерным оборудованием здания // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, № 4, 2010. С. 151-154.

83. Богословский В.Н. Тепловой режим здания — М.: Стройиздат, 1979. 248 с.

84. Описание программного продукта ESP-r Электронный ресурс. -URL: http://www.esru.strath.ac.uk/Programs/ESP-r overview.htm

85. Официальный сайт U.S. Department of Energy Электронный pe-сурс. — URL: http://www.eere.energy.gov/.

86. Щавлев B.E., Южаков A.A., Южаков Алексей А. Создание модели автоматической системы управления микроклиматом // Системы мониторинга и управления: сб. науч. тр. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010.-С. 219-229.

87. Luisa Brotas «ESP-r course notes» Energy Systems Research Unit Department of Mechanical Engineering University of Strathclyde, Glasgow, UK, 2008.

88. Описание устройства «фанкойл» Электронный ресурс. URL: http://www.tehnoklimat.ru/fancoil.php

89. Южаков Алексей А. Автоматизированная система диспетчерского контроля и управления на базе технологии LON WORKS // Электросвязь. 2010. - № 6. - С. 52-53.1. Основной алгоритм1. Алгоритм процедурысоздания климатической зоны

90. Алгоритм процедуры создания контура управления1. НачалоX

91. Задать количество периодов управленияX

92. Указать положение и вид датчикаX

93. Указать положение исполнительное о механизма

94. Задать закон управления на каждом периодевести параметры контура юнияупраеле1. Соотнестиконтуры управления с зонамиX1. Конец

95. Алгоритм процедуры создания контура управленияо1. ТЗ 5 Чзш о\ ог £1. Л) іч а> гэ <1) ТЗ 0}1. ТЗ Iою <1л