Інформаційна модель об’єктів управління технологічними процесами

Детальне дослідження технології і організації виробництва є одним з основних етапів системного аналізу і включає, окрім дослідження структури технологічного процесу, також дослідження технологічного устаткування і його реальних характеристик, встановлення наявності і визначення достатності інформації про технологічні чинники і параметри предмету праці в процесі виробництва, виявлення зв'язків між ними. В процесі обстеження має бути по можливості зібрана вся апріорна інформація про технологію виробництва і узагальнені відомості, що є про неї у експлуатаційного персоналу.

Початком обстеження технологічного процесу є побудова поопераційної схеми технологічного процесу в двох варіантах: так, як він був спроектований, і так, як він реально функціонує. Аналіз цих двох схем дозволяє визначити, чи можна удосконалити технологічний процес, а також з чим пов'язані зміни, що з'явилися в нім: прогресом в технології і устаткуванні, відсутністю потрібного устаткування або спробами вирішити виникаючі труднощі в реалізації технологічного процесу заданої якості. Ці питання заслуговують на серйозну увагу при подальшому дослідженні технологічного процесу.

Особливу увагу треба звернути на наявність в технологічному процесі спеціальних підстроєчных і компенсуючих операцій, операцій селективної збірки. На схемі технологічного процесу необхідно привести контрольні операції і вказати, що на них виконується: відбракування, класифікація за групами або вимір контрольованих параметрів.

Наступне питання, що підлягає дослідженню, — вивчення технологічного устаткування. При його вивченні перш за все встановлюють паспортні реально досягнуті допуски на керовані і технологічні чинники, дають попередню оцінку їх достатності для досягнення необхідних показників технологічного процесу. У складі технологічного устаткування визначають різні системи регулювання і управління, як вбудовані в технологічне устаткування, так і функціонуючі самостійно. Оцінка принципів регулювання і управління, покладених в основу функціонування систем регулювання і управління, дозволить зробити виводи про можливість підвищити якість управління при заміні використовуваних способів і методів управління і регулювання на більш ефективні.

У складі технологічного устаткування указують апаратуру реєстрації інформації і її відображення (це також відноситься і до контрольно-вимірювального устаткування) як можливі автоматизовані джерела інформації для майбутньої АСУТП.

Для технологічних процесів, особливо імовірнісних, дуже важливо дослідити і проаналізувати систему контролю технологічних чинників і параметрів виробів в технологічному процесі. Тому аналізу використаного в технологічному процесі вимірювального устаткування необхідно приділити особливу увагу: вивчити його технічні точнісні характеристики, визначити і оцінити способи вимірів технологічних чинників і контрольованих параметрів, визначити правильність встановлення контрольних точок по технологічному процесу і отримати відповідь на питання, чи встановлені контрольні точки там, де потрібно, або там, де можливо.

Система контролю в технологічному процесі — це не лише контрольні операції і вимірювальне устаткування. Для складних, імовірнісних технологічних процесів в них, як правило, передбачена система збору інформації про хід технологічного процесу з використанням оперативної документації. Тому при дослідженні визначають графіки проходження цієї документації, порядок її заповнення, обробки і зберігання. Дуже важливе питання — алгоритми отримання відповідних висновків про якість технологічного процесу і необхідні заходи з його управління і оцінка ефективності використаних в процесі методів управління. Для дослідження керованості технологічного процесу можна використовувати метод опиту виробничого персоналу, хоча треба пам'ятати про те, що в цьому випадку отримані відомості будуть суб'єктивними.

Якщо представляється можливим при ознайомленні з технологічним процесом провести по ньому контрольні партії (це можуть бути звичайні вироби, що йдуть на технологічному процесі в даний момент, але які мають супровідні листки), то можна вважати, що попередня інформація про технологічний процес отримана в досить можливому об'ємі. До речі, проведення контрольних партій, можливо, відповість на два важливі питання: про вплив розкиду параметрів вхідних матеріалів і напівфабрикатів на параметри виробів, що виготовляються, і про стійкість технологічного процесу щодо допусків на зміну технологічних чинників. Аналіз перших даних покаже, необхідно або ні вводити систематично функціонуючі вхідні контрольні операції, а аналіз других дасть відомості про стійкість технологічного процесу (при зміні технологічних чинників і якості вхідних матеріалів і напівфабрикатів в межах встановлених допусків параметри готових виробів повинні укладатися в рамки, встановлені для технологічного процесу).

В результаті проведеного інформаційного обстеження технологічного процесу окрім схем і описів мають бути отримані наступні висновки:

• чи відповідає функціонуючий технологічний процес спроектованому і які причини невідповідностей, якщо вони будуть виявлені;

• чи відповідають характеристики технологічного устаткування вимогам, що пред'являються до технологічного процесу, і чи можна поліпшити характеристики устаткування за рахунок заміни регулювальників, що діють, і систем управління новими;

• чи відповідають характеристики контрольного устаткування вимогам, що пред'являються до нього технологічним процесом;

• чи ефективна існуюча система управління технологічним процесом і чи надлишкова (недостатня) інформація для управління ним (попередній висновок);

• попередня оцінка необхідності і доцільності робіт по подальшому дослідженню технологічного процесу.

Дані, отримані в результаті інформаційного обстеження, служать основою для побудови інформаційного опису технологічних об'єктів. Інформаційний опис є до певної міри інформаційною моделлю досліджуваного об'єкту, яка може мати три рівні ієрархії: технологічного переходу, технологічної операції і технологічного процесу.

Рівень технологічного переходу використовується в основному для опису найбільш важливих елементів технологічного процесу, що зазвичай істотно впливають на якість всього технологічного процесу. Такі ключові технологічні переходи детально досліджують з точки зору побудови математичної моделі процесу (технологічного переходу) з подальшою оптимізацією як технологічних операторів, так і побудови автоматизованої системи управління.

Технологічний перехід можна розглядати як технологічну мікрооперацію. Для неї відповідно до суті процесу (обробка, збірка і т. п.) будують структурну схему, указують число входів і виходів, визначають коефіцієнти передачі. Відповідно до моделі технологічної операції описуються вихідні параметри предмету праці, якщо їх можна зміряти безпосередньо після завершення технологічного переходу. Якщо результати технологічного переходу можна отримати після проведення технологічної операції в повному об'ємі або після декількох технологічних операцій, то це необхідно вказати, давши примітку про можливість зміни цих параметрів з моменту завершення технологічного переходу до моменту виміру. Якщо такі зміни існують, то бажано дати їм попередню оцінку і зробити перерахунок на їх безпосередню величину у момент завершення технологічного переходу.

Особливу увагу треба звернути на статистичні властивості вихідних параметрів, і якщо невідома функція розподілу, то дати інтервали можливої їх зміни. Як вхідні параметри на технологічному переході виступають параметри напівфабрикатів, основних і допоміжних матеріалів, що поступають в роботу. Для них теж бажано вказати область розкиду контрольованих і неконтрольованих параметрів. Опис технологічних операторів дається у формі фізичних або хімічних дій, яким піддається предмет праці на технологічному переході (наприклад, нагрів, травлення і т. п.). Мають бути вказані номінальні значення технологічних операторів і допуски на їх зміни, при яких розкид вхідних параметрів і технологічних операторів не виводить технологічний процес за встановлені рамки якості. Розкид вхідних контрольованих і неконтрольованих параметрів, а також контрольованих і неконтрольованих технологічних операторів — суть змінні вектора збурюючих дій. Інформаційний аналіз технологічного переходу включає також опис технологічного устаткування, інструменту і оснащення, за допомогою яких здійснюється цей технологічний перехід з вказівкою регулювальників і систем управління, пов'язаних з технологічним переходом. Указуються також принципи і закони регулювання, використані для управління технологічними операторами.

 

Рис. 5. Граф зв’язки вхідних и вихідних параметрів:

1 — технологічні оператори; 2 — матеріали, комплектуючі вироби і напівфабрикати;

3 — вихідні параметри виробів.

 

Інформаційний опис технологічного переходу завершується складанням графа взаємозв'язку вхідних параметрів і технологічних операторів з вихідними параметрами виробу або напівфабрикату, що пройшов технологічний перехід. На рис. 5 зліва дано перелік вхідних параметрів предмету праці, основних і допоміжних матеріалів, технологічних операторів, справа — перелік вихідних параметрів предмету праці, що пройшов технологічний перехід. Стрілками показані зв'язки вхідних параметрів з вихідними, якщо вони, звичайно, відомі або їх можна встановити відповідно до физико-хімічних властивостей процесу. Може опинитися, що для деяких вхідних (вихідних) параметрів немає зв'язків. На це треба звернути особливу увагу: по-перше, ці зв'язки можуть існувати, але ми їх не знаємо; по-друге, ці зв'язки можуть замикатися в цілому на технологічній операції або технологічному процесі.

Інформаційний опис технологічної операції включає все те, що було сказане про інформаційний опис технологічного переходу. Виняток становлять технологічні операції зборки і контролю, що мають багато входів (виходів); такі операції можуть бути представлені структурно. Треба пам'ятати, проте, що структурну форму відображення технологічної операції бажано використовувати лише тоді, коли коефіцієнт передачі на кожному подальшому технологічному переході залежить від зміни коефіцієнта передачі попередньої. Якщо цієї залежності немає, то структурна модель технологічної операції зборки (контролю) або, скажімо, розбирання (розподіл, разагрегация) можуть бути представлені так, як це показано на рис. 6, з вказівкою коефіцієнта передачі по кожному входу (виходу).

 

 

Рис. 6. Структурні моделі для технологічних операцій з незалежними коефіцієнтами передачі (а — зборка, б — контроль):

А, В, С — деталі зборки; D — вироби, що поступають на контрольну операцію;

D₁, D₂,D₃ — відсортовані вироби.

 

Додатково до опису технологічного переходу при інформаційному описі технологічної операції указується наступне:

• опис ресурсів, що накопичуються з операції у вигляді страхових запасів або незавершеного виробництва, а також причини їх утворення (технологічні або організаційні), принципи витрат і поповнення (відповідно до структурних моделей технологічних операцій і регулювальників до них);

• види відходів (зворотні і незворотні), і якщо відомі їх параметри, то це теж вказується (може стати, що контроль за відходами виявиться ефективним методом контролю за якістю технологічної операції);

• докладний опис інформаційних зв'язків технологічної операції з власними системами управління;

• способи управління технологічною операцією (ручне управління, регулювальники, мікропроцесорні системи, машини, що управляють), їх характеристики;

• перелік вхідних установок на системи управління технологічною операцією;

• опис вхідних і вихідних потоків інформації на технологічній операції, як пов'язаних безпосередньо з управлінням технологічним процесом, так і з організацією його функціонування;

• об'ємно-часові характеристики інформаційних потоків;

• способи подання і отримання інформації (по технічних каналах, на магнітних, оптичних або паперових носіях);

• адреси джерел і приймачів інформації.

Інформаційний опис технологічного процесу робиться, як правило, в блоковому розрізі, де як блоки можуть виступати основні технологічні операції, а також групи об'єднаних технологічних операцій, якщо серед них немає таких, які представляють особливий інтерес при дослідженні технологічного процесу або при автоматизації управління ним. Розділити технологічний процес на блоки можна різними способами. Найчастіше — по технологічному устаткуванню або його групам, що представляють так звані технологічні ділянки (модулі), на яких здійснюється певний закінчений комплекс (сукупність) технологічних операцій, зачинаючи з контролю предметів праці і матеріалів на вході технологічної ділянки і закінчуючи виміром вхідних параметрів предметів праці, що пройшли обробку.

Основну увагу при побудові інформаційної моделі технологічного процесу треба приділяти опису взаємозв'язку технологічних операцій на технологічному процесі і, зокрема, виявленню виникаючих змін в параметрах предмету праці по ходу технологічного процесу із-за непрямого впливу технологічних процесів на параметри виробів, формування яких було завершене на попередніх технологічних операціях. Ці дані з математичної точки зору є вектором для технологічного процесу в цілому. За цими даними так само, як для технологічного переходу і технологічної операції, будується граф взаємозв'язку зміни параметрів предмету праці у міру руху їх в технологічному процесі.

В управлінні досліджуваним технологічним процесом може існувати система технологічних регулювальників, зв'язаних між собою. В цьому випадку описуються їх взаємозв'язки, закони регулювання, порядок зміни уставок. Якщо взаємозв'язане управління технологічними операціями здійснюється уручну, то вказуються способи отримання інформації і методи регулювання процесу, параметри предметів праці, матеріалів і комплектуючих виробів, а також значення технологічних операторів, при яких в дію вступає система управління.

При описі технологічного процесу може виділятися група технологічних операцій, що в основному визначають якість готової продукції з метою ввести на цих операціях контрольні експрес-партії, необхідні для визначення настроєності операцій перед запуском виробів у виробництво. Контрольні експрес-партії можуть проводитися по визначальних технологічних операціях і під час функціонування технологічного процесу в цілому для його оперативного підстроювання.

При складанні інформаційного опису технологічного процесу треба приділяти велику увагу організації його роботи і, зокрема, опису системи управління організаційними процесами. Особливе значення при цьому надається системам оперативної звітності і оперативного планерування. Опис системи організаційного управління можна або запозичувати з відповідних проектних документів по АСУ підприємством або АСУ цехом, якщо такі системи функціонують на виробництві, або складати по опису відповідних неавтоматизованих систем управління організаційними процесами. Особливу увагу треба приділити наявності в організаційних системах управління зв'язків ухвалюваних організаційних рішень, що діють, з параметрами технологічного процесу, параметрами вхідних матеріалів і комплектуючих виробів, контрольованими параметрами предметів праці.

Таким чином, завершивши побудову інформаційного опису технологічного процесу, дослідник матиме в своєму розпорядженні інформаційні моделі трьох різних рівнів опису з детальними характеристиками всіх елементів, що входять в нього, а, також, систем управління: технологічних і організаційних. Корисність інформаційних моделей буде тим більше, чим менше в них пропущено відомостей, що при обстеженні здавалися неістотними або другорядними.

Математична модель.

Задачу, що виконується в системі «Технологічний процес, — АСУТП», можна сформулювати таким чином: за отриманими даними про технологічний процес скласти прогноз ходу технологічного процесу, а також скласти і реалізувати такий план керуючих дій (у тому числі зміна режимів роботи устаткування), щоб в певний момент часу стан технологічного процесу відповідав деякому екстремальному значенню узагальненого критерію якості процесу. Для вирішення цього завдання необхідно мати математичну модель процесу, яка складає основний зміст алгоритму управління, що реалізовується АСУТП.

У загальному вигляді математична модель системи технологічний процес — АСУТП є залежністю, що має вигляд

y (t+Δt) = { u (t)+ y (t); [ ξ (τ), η (τ) ]}. (1.1)

 

Тут вектор у = { у₁ ,y₂,..., у_п }— вихідна змінна; Δt — час від початкового циклу дії АСУТП до отримання контрольної інформації про результат цієї дії; — оператор дії АСУТП в цілому; вектор u (t) = { и₁(t), u₂(t)..., и_п(t) } — вхідні контрольовані впливи; і — відповіднооператор керуючих впливів, і оператор впливів, що не керують; вектор ξ (τ) = { ξ₁(τ),ξ₂(τ),….,ξ_n(τ) } - контрольовані, але некеровані впливи (наприклад, вимірювані параметри початкових матеріалів, використовуваних в процесі); вектор η (τ) = { η₁(τ), η₂(τ), …., η_n(τ) } — неконтрольовані дії.

У виразі (1.1) інтервали зміни часових параметрів t і τмають наступний вигляд:

t₀ ≤ t ≤ t₀ + T, t ≤ τ ≤ t+Δt,

де t₀ — початок відліку часу; Т — тривалість інтервалу спостереження за поведінкою процесу.

У початковий момент часу у (t₀) = 0, тобто результат впливу системи управління дорівнює нулю. Отже, у (t) дляАСУТП є кусочно-гладка монотонна неубутна функція, оскільки негативне значення випуску продукції не має сенсу. За початковий момент t₀ у функції у (t) можнаприйняти будь-який момент часу.

З врахуванням обмеженості ресурсів системи управління і технологічного процесу вид математичної моделі насамперед залежить від співвідношення між часом реалізації керуючого впливу і тривалістю циклу технологічного процесу. У загальному випадку час запізнювання τ _зап керуючого впливу щодо зміни стану технологічного процесу визначається співвідношенням

 

τ _зап = nτ _пр. (1.2)

 

Тут п — деяка константа, 0 < п < ∞; τ _пр — час, що минув від зміни стану вхідних параметрів процесу до зміни вихідних параметрів (час процесу).

Для АСУТП з керуючими ЕОМ завжди п > 0; якщо 0 < п ≤ 1, то можливе синхронне управління в реальному часі. В цьому випадку

 

τ_зап = τ_вв + τ_об + τ_вив + τ_зап ≤ τ _пр,(1.3)

 

де τ_вв і τ_об — час введення і обробки інформації про процес в ЕОМ; τ_вив — час відробітку керуючої дії, τ_зап — час «чистого» запізнювання, тобто час від початку дії нових керуючих впливів y (t) доотримання контрольної інформації про нове значення вихідний змінної.

Одним з простих практичних прикладів реалізації математичної моделі з часовим співвідношенням 0 < п ≤ 1 (синхронне управління в реальному часі) служить багатоконтурна стабілізація параметрів процесу по одному з відомих законів регулювання (пропорційне регулювання – П-закон; пропорційно-інтегральне регулювання – ПІ-закон; пропорційно-інтегрально-диференціальне регулювання – ПІД-закон) в режимі прямого цифрового управління від ЕОМ.

При п > 1 можна управляти не поточним, а тільки подальшим станом стаціонарних процесів. В цьому випадку керуюча ЕОМ реалізує циклічний алгоритм управління в масштабі часу, кратному реальному (п = 1, 2, 3...). Практичними прикладами можуть служити також різні алгоритми адаптивного управління. Слід зазначити, що граничний випадок п → ∞ має ясний фізичний сенс: він відповідає стану системи управління без зворотного зв'язку (з порушеним зворотним зв'язком).

Вельми часто при проектуванні АСУТП, що реалізовує синхронний алгоритм управління, доводиться враховувати, що некеровані дії ξ (τ) і η (τ), що існують в процесі, можуть бути визначені і враховані не в поточному, а в подальшому стані процесу (наприклад, після попередньої статистичної обробки результатів управління процесом). Оскільки η (τ) — вектор випадкових впливів, характер яких в загальному випадку невідомий, вираз (1.1) приймає вигляд

 

M y (t+Δt) = M { u (t) + [ M y (t) ], ξ (τ) }, (1.4)

 

де M — символ математичного очікування. В цьому випадку доцільно говорити про «синхронно-циклічний» алгоритм управління.

Приведений загальний аналіз алгоритму роботи системи «Технологічний процес - АСУТП» можна розповсюдити на процеси безперервні, напівбезперервні і дискретні з врахуванням ієрархічності виробництва.

Питання та завдання для самоконтролю.

1. В чому полягає системний підхід при аналізі та синтезі складних систем управління ТП?

2. Які основні ознаки технологічних комплексів як складних систем?

3. Що таке інформаційна модель об’єктів управління технологічними

процесами?

4. Накреслити структурну схему узагальненого алгоритму розробки АТК і

пояснити кожний з етапів.

5. Що таке структура системи? Дати визначеня організаційної, функціональної

та технічної структур і навести приклади.

6. Які рівні опису зв'язків між елементами приймаються при розв'язанні

практичних задач структурного аналізу складних систем управління? Що є

основними задачами структурного аналізу на кожному з рівнів?