CC BY
33
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ №26 2011
ПГПУ
ИМ. В. Г. БЕЛИНСКОГО
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA IMENI V.G. BELINSKOGO PHYSICAL AND MATHEMATICAL SCIENCES №26 2011
УДК: 681.31,181.48
ИНТЕГРИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС СЕТЕВЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЛАБОРАТОРИЙ КАК ИНСТРУМЕНТ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
© И. А. ПРОШИН1, В.И. ЛЕВИН2, В.В. РЫЖАКОВ3 1Пензенская государственная технологическая академия, кафедра автоматизации и управления e-mail: proivanov@mail.ru 2 Пензенская государственная технологическая академия, кафедра автоматизации и управления e-mail: proivanov@mail.ru 3Пензенская государственная технологическая академия, кафедра автоматизации и управления e-mail: proivanov@mail.ru
Прошин И. А., Левин В. И., Рыжаков В. В. — Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий как инструмент повышения экологической безопасности промышленных предприятий // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2011. № 26. С. 609—614. —
Рассмотрены принципы и обеспечение интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий, обеспечивающих проведение научных и учебных исследований экологических систем.
Ключевые слова: автоматизация, система управления, экология
Proshin I. A., Levin V. I., Ryzhakov V. V. — The integrated complex network automated laboratories as a tool to improve the environmental security of industrial enterprises // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belinskogo. 2011. № 26. P. 609—614. — Review principles and providing an integrated complex network automated laboratories to ensure scientific and educational studies of ecological systems.
Keywords: automation, control systems, ecology
Научное обоснование, разработка и совершенствование методов проектирования, обеспечивающих минимизацию антропогенного воздействия промышленных объектов нефтехимической отрасли сопряжены со значительным объёмом экспериментальных исследований, дисперсионным и корреляционнорегрессионным анализом, созданием программно-технических комплексов и автоматизированных систем управления. Наиболее эффективно проведение таких исследований в условиях интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий (ИКСАЛ) с использованием современных инновационных технологий [1, 2].
Цель настоящей работы - создание автоматизированной системы управления научными исследованиями, обеспечивающей решение проблем математического и физического моделирования при разработке новых методов, технологий и программно-технических средств защиты экосистем от воздействия промышленных предприятий.
1. Структура обеспечения интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий
В соответствии с предлагаемой концепцией [1], принципами построения, решаемыми проблемами и целью создания автоматизированной системы управления научными исследованиями ИКСАЛ объединяет в своём составе следующие виды обеспечения (рис. 1).
1. Методическое обеспечение.
2. Математическое обеспечение.
3. Информационно-алгоритмическое обеспечение.
4. Программное обеспечение.
5. Организационное учебно-методическое обеспечение.
6. Техническое обеспечение.
Методическое
обеспечение
Математическое і V Информационно -
обеспечение алгоритмическое
обеспечение
Структура
обеспечения
ИКСАЛ
Организационное учебно - методическое обеспечение Ж \ г Програмное обеспечение
Техническое
обеспечение
Рис. 1. Структура обеспечения ИКСАЛ
Методическое обеспечение. Связывает в единый комплекс принципы и методы системной организации научных исследований. Учитывая, многогранность решаемых проблем экологической безопасности, многообразие методов инженерной защиты экосистем, разнообразие технологических процессов, используемых при создании систем экологической защиты, за основу методического обеспечения принят системный, энергетический и кибернетический подходы, комплекс методик проведения экспериментальных исследований в ИКСАЛ.
Математическое обеспечение. Составляет основу проведения анализа и синтеза систем. Строится на основе единых принципов теории автоматического управления и принятых подходов. Все модели в ИКСАЛ базируются на принципах прямой причинно-следственной связи с учётом классов математических моделей систем управления, требований к процедурам анализа и синтеза технологических систем
защиты окружающей среды, систем управления отходами производства. Математическое обеспечение объединяет математические модели “Вход - выход” и “Вход - состояние - выход” для множества различающихся, как по физическому принципу действия и функциональному назначению элементов и систем, так и для различных классов систем. Математические модели используются не только при теоретических исследованиях объектов, но и как элемент имитационного моделирования, дополняющий экспериментальные исследования на реальных установках и физических моделях.
Информационно-алгоритмическое обеспечение. Очевидно, что автоматизация научных исследований при решении экологических проблем затрагивает коренные принципы сбора и обработки экспериментально-статистической информации, предъявляя к ним целый комплекс противоречивых требований, в том числе и требование многофункциональности. Информационно-алгоритмическое обеспечение представляет собой единый модуль в структуре ИКСАЛ, обеспечивающий как его функционирование, так и обработку экспериментально-статистической информации. Информационно-алгоритмическое обеспечение обработки информации в ИКСАЛ строится на базе разработанных авторами принципов структурно-параметрического синтеза математических моделей [3, 4]. В состав комплекса по обработке экспериментально-статистической информации включены методики, базирующиеся на методах дисперсионного и корреляционно-регрессионного анализа, теории планирования эксперимента.
Программное обеспечение. Объединяет все модули ИКСАЛ на базе единой платформы [2]. Основное требование к программному обеспечению (ПО) - это универсальность, расширяемость и открытость (возможность гибкой интеграции с элементами комплекса). Программное обеспечение, как и другие модули и элементы ИКСАЛ, одновременно и средство, обеспечивающее функционирование комплекса и объект исследования в целом комплексе дисциплин специальностей вуза. Поэтому его структура должна полностью определяться составом и структурой программного обеспечения, существующего и функционирующего на реальных предприятиях с расширенными возможностями по исследованию самого ПО.
Использование единой программной платформы для построения ИКСАЛ позволяет добиться максимальной надёжности, гибкости, открытости, масштабируемости и расширяемости комплекса. Различные МФО могут включаться в ИКСАЛ с минимальными трудозатратами и минимальным влиянием на уже функционирующие объекты. Поддержка клиент-серверного взаимодействия на всех уровнях системы обеспечивает возможности доступа и управления данными и объектами ИКСАЛ с любой рабочей станции в сети при этом все элементы комплекса могут быть разнесены территориально. Максимальная приближённость архитектуры ИКСАЛ к реально-действующим системам на предприятиях даёт уникальные возможности по исследованию различных характеристик процессов сбора, обработки и передачи информации.
Организационное учебно-методическое обеспечение. Организация многофункционального взаимодействия разнородных комплексов, модулей, систем базируется на элементах учебно-методического комплекса (УМК): системном образовательном стандарте, системных учебных планах и рабочих программах, единой методологии системной организации научных исследований и профессиональной подготовки в вузе, системном комплексе системных заданий по самостоятельной работе студентов, системе лабораторных работ и курсовых проектов, ориентированных на единое их проведение по всему комплексу дисциплин специальности, направления или комплекса специальностей.
Техническое обеспечение. ИКСАЛ направлен на решение целого комплекса проблем по исследованию технологических процессов и многофункциональных объектов исследования, их реализующих, электромеханических систем, контроллеров, датчиков, исполнительных механизмов, компьютеров, систем преобразования информации, в целом автоматизированных систем управления научными исследованиями, технологическими процессами, производствами и т.д., составляющих основу технического обеспечения, как функционирования комплекса, так и исследования каждой из его компонент и в целом всей
системы.
2. Структура интегрированной автоматизированной системы управления
Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий - основа не только исследования и проектирования экологических систем, системного экологического мониторинга, математического и физического моделирования, но и единая система, обеспечивающая проведение научных исследований и профессиональной подготовки. Поэтому структура ИКСАЛ должна учитывать все возможные режимы и специфику проведения исследований по всем изучаемым дисциплинам. Вместе с тем ИКСАЛ является сам объектом исследования, как пример типовой интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ), и вследствие этого его структура должна отражать строение типовой ИАСУ (рисунок 2).
Типовая структура интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ) представляет собой человеко-машинную многоуровневую иерархическую функционально и территориально распределенную открытую совокупность взаимоувязанных автоматизированных систем управления, объединяемых в единую систему межсистемными и локальными связями в соответствии с технологической структурой предприятия, содержанием и иерархией задач управления.
□
Т
□
□
□
Управление
предприятием
V уровень Рабочие станции, Серверы, СУБД, прикладное ПО и т. д.
□
П
Управление и контроль технологического процесса
П
Оптимизация,
прогнозирование
IV уровень Рабочие станции
Регистратор
аналоговых
сигналов
Система
аварийной
сигнализации
III уровень ОС РВ, ЭСАРА системы, серверы и промышленные рабочие станции
РіеІсіВиз ,
Аналоговый
ввод
Дискретный
ввод
Управление
функциональной
группой
Регулирование
Защита
II уровень Программируемые логические контроллеры, исполнительские системы реального времени
1 ■ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 / 1 / Темп / ЇТЧИК ® п 9 ^ л ^ © исполнительные Приводы 1 уровень
і 0 уровень
Технологический процесс
Рис. 2. Типовая структура интегрированной автоматизированной системы управления
Одна из важнейших составляющих не только развития, но и просто существования общества - это его способность к постоянному совершенствованию, обеспечению экологической безопасности внедряемых новых технологических процессов, средств управления и автоматизации, инновационных технологий, их использованию в решении проблем защиты окружающей среды. Интегрированные автоматизированные системы управления действенное средство достижения экологической и экономической эффективности работы предприятий нефтехимической отрасли.
Основными источниками загрязнения окружающей среды являются промышленные предприятия различных отраслей, которыми руководят инженеры различных специальностей. Поэтому важнейшее условие, обеспечивающее решение проблем экологической безопасности, - это, прежде всего, воспитание экологической культуры выпускников вузов по всем специальностям.
Интегрированный комплекс сетевых автоматизированных лабораторий - действенное средство в подготовке выпускников вузов различных специальностей в единой системе, обеспечивающее подготовку грамотных специалистов, владеющих вопросами экологической безопасности. Отличительные особенности ИКСАЛ - это универсальность, магистральность, открытость, целостность и единство.
Универсальность ИКСАЛ состоит в возможности проведения лабораторных занятий по всем специальностям и дисциплинам вуза в любой лаборатории ИКСАЛ. Магистральность предполагает информационное взаимодействие микропроцессорных систем на основе сетевых решений. Открытость обуславливает возможность расширения системы без переделки и перенастройки существующего оборудования и программных средств, как в технической, так и в методической и информационной части. Обеспечивает полную совместимость с другими системами, построенными на базе открытых технологий, не зависимо от объекта, специальности, дисциплины. Создаёт условия для эффективной работы аспирантов, проведения научно-исследовательских работ студентов и преподавателей.
Создание ИКСАЛ предусматривает переход от специализированных лабораторий кафедр по отдельным дисциплинам и специальностям к интегрированным системам на всех уровнях (лекции, практические, лабораторные, семинарские и др. виды занятий) преподавания по различным специальностям и обеспечивает методическую, математическую, информационную, программно-техническую и организационную совместимость, единство целостность всего учебного процесса на основе интеграции различных педагогических технологий.
Интегрированная система ИКСАЛ объединяет все лаборатории и аудитории вуза в единую интегрированную систему с возможностью проведения в каждой из аудиторий и лабораторий любого вида занятий по любой дисциплине, преподаваемой в вузе.
Разработка и внедрение ИС КСАЛ обеспечивает:
• повышение экономической эффективности проведения лабораторных занятий посредством резкого уменьшения количества эксплуатируемого оборудования и площади, занимаемой оборудованием, увеличения загрузки лабораторий и сокращения работ по обслуживанию;
• повышение динамичности и гибкости учебного процесса на основе различных педагогических технологий, совместной учебной и научной деятельности студентов, диалоговой, игровой, задачной, тренинговой, информационной;
• создание условий для проведения самостоятельной работы студентов, НИРС, НИР, работы аспирантов, позволяющих формировать высокий познавательный интерес к усваиваемым знаниям, развивать творческий потенциал, способствовать более глубокому проникновению в отдельные разделы знаний по различным предметным областям на основе их дифференциации и интеграции, организации итерационных процедур, развивать творческие способности и склонность к научноисследовательской деятельности, расширять теоретический кругозор и научную эрудицию, проводить наиболее эффективный профессиональный отбор способной, одарённой и талантливой студенческой молодёжи для дальнейшего обучения в магистратуре и аспирантуре с целью пополнения научных и педагогических кадров, популяризировать научные знания и достижения, в том числе по вопросам экологической безопасности, среди студентов, аспирантов и преподавателей, воспитывать экологическую культуру;
• интеграцию вариативных технологий обучения на основе системного подхода, совмещения учебных программ и учебных блоков различных дисциплин и специальностей, научной и практической ориентированности, структурированности и модульности, стратификации или уровневой дифференциации, единства, целостности обучения по всем дисциплинам специальностей, проблемного, дифференцированного и программированного обучения, индивидуальных, подгрупповых и фронтальных форм обучения, разнообразия средств и форм обучения;
• возможность создания интегрированной информационно-управляющей системы, объединяющей все виды деятельности вуза или объединения вузов в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Концепция построения интегрированных комплексов сетевых автоматизированных лабораторий // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. №5 (2). С. 527-530.
2. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Программная платформа для построения интегрированного комплекса сетевых автоматизированных лабораторий (ИКСАЛ) // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2009. №5 (2). С. 531-536.
3. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Н.Н. Структурно-параметрический синтез математических моделей в задачах обработки экспериментально-статистической информации. Пенза: ПГТА, 2007. 178 с.
4. Прошин И.А., Прошин Д.И., Прошина Р.Д. Структурно-параметрический синтез математических моделей объектов исследования по экспериментальным данным // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер. Морская техника и технология. 2009. №1. С. 110-115.
