CC BY
328
УДК 62-51
А.Б. Петроченков, Д.А. Даденков, Л.В. Поносова
Пермский государственный технический университет
К ВОПРОСУ О КЛАССИФИКАЦИИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Рассмотрены основные подходы к классификации информационно-управляющих систем, которые должны позволить позиционировать различные классы автоматизированных систем в сфере управления технологическими процессами, а также помочь разработчикам при выборе систем управления, более четко формировать список стратегических и операционных задач управления и определять критерии, позволяющие добиться решения поставленных задач оптимальным образом.
Классификация - это один из разделов логики, который в настоящий момент изучается только в узкоспециализированных учебных заведениях. Однако в повседневной жизни и тем более в научной сфере приходится сталкиваться с необходимостью классификации того или иного множества объектов повсеместно. Смысл классификации прост. Все многообразие объектов, требующих осмысления или какой-либо обработки, организуется в виде упорядоченной системы. Для этой системы разрабатываются определенные правила деления и навигации, согласно которым каждому объекту отведено определенное место таким образом, что не возникает сомнений, куда поместить данный объект и где его искать.
Для проведения процедуры классификации необходимо выделить и проанализировать предметную область, сформулировать цели классификации и определить классификационные признаки.
Автоматизированные системы управления (АСУ) представляют собой сложные человеко-машинные комплексы. Это совокупность крупных подсистем, симбиоз данных и знаний, экономико-математических моделей, инструментальных и технических средств, средств связи и оргтехники, а также специалистов, предназначенных для обработки информации и принятия решений. Так, приведенное в действующем
ГОСТе [1] определение АСУ как человеко-машинной системы, обеспечивающей сбор и обработку информации, необходимой для оптимизации управления в различных сферах человеческой деятельности, не полностью характеризует функционирующие и создаваемые системы. Многие действующие системы не ограничиваются сбором и обработкой информации, а, производя распознавание состояния объекта управления, выдают и реализуют управляющие воздействия. Поэтому в силу значительного разнообразия АСУ и возникает необходимость их классификации. Знание классификации автоматизированных систем (АС) должно позволить инженерам-проектировщикам свободно ориентироваться в большом многообразии АСУ.
Как уже отмечалось ранее, АСУ - понятие многогранное, поэтому в литературе [2, 3, 4, 5, 6] выделяется очень большое число признаков классификации. Анализ печатных источников [2, 3, 4, 5, 6] позволил сделать вывод о том, что общепринятой классификации АСУ не существует. Более того, каждый исследователь приводит и обосновывает свою классификацию, причем все они обладают своими недостатками, что признают и сами авторы. Поэтому в данной статье предлагается выделить только основные, наиболее распространенные подходы и критерии классификации.
В зависимости от решаемой задачи можно выбрать разные признаки классификации. При этом одна и та же АС может характеризоваться одним или несколькими признаками. В качестве основных (глобальных) признаков классификации АС предлагается использовать следующие признаки [2]:
- направление деятельности;
- область и специфика применения;
- охватываемая территория;
- организация информационных процессов;
- назначение;
- структура.
Коротко рассмотрим каждый из выделенных классификационных признаков.
Классификация АС по направлению деятельности (области применения) показана на рис. 1.
I ~
Отраслевые АС (ОАСУ)
Промышленной сферы
АС крупной фирмы
АС на транспорте
АС социальным!/ процессами
АСУ технологическим процессом
Экспертные системы ^
АИС «Библиотека»
Периодическими
Рис. 1. Классификация АС по направлению деятельности (области применения)
Как видно из рис. 1, в промышленной сфере преобладает иерархическое построение АС. С этих позиций выделяют два очень больших класса систем - это АСУ технологическими процессами (АСУТП) и АС организационного типа. В АСУТП объектом управления является технологический процесс (управления полетом ракеты или самолета, движением корабля, управление химическим или ядерным реактором и т.п.). В организационных системах объектом управления является коллектив людей (предприятие, отрасль, дивизия и т.п.). Другое различие между этими системами заключается в виде основного носителя информации. В АСУТП этим носителем является сигнал (электрический, механический, гидравлический, радиосигнал и т.п.), в организационных системах основной носитель - документ. Следующий класс систем - интегрированные системы. Они представляют собой совокупность одной организационной системы и нескольких АСУТП, причем организационная система располагается на верхнем уровне иерархии, а АСУТП - на одном или нескольких нижних уровнях.
По сфере (специфике) применения АС различают следующим образом (рис. 2). Из этого класса АС исторически первыми стали применяться АС на производстве.
В зависимости от организации информационных процессов АС делятся на два больших класса: управляющие и информационные, объединив которые можно получить еще один класс - информацион-но-управляющих систем. В информационных системах (ИС) управление может отсутствовать. В отличие от чисто информационных систем, в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП), АСУ предприятиями (АСУП) - управление занимает важное место, поэтому такие системы являются информационно-управляющими.
--- АС
-► Административные -► Производственные -► Медицинские Учебные -► Военные -► Криминалистические -► Экологические -► Метеорологические
Рис. 2. Классификация АС по специфике применения
Приведем несколько примеров автоматизированных информационных систем (АИС).
Информационно-поисковые системы (ИПС) - объектом управления является процедура поиска требуемой информации в очень больших объемах этой информации. Типичный пример - различные библиотечные системы, системы продажи билетов на транспортные средства и т.п.
Системы автоматизированного проектирования (САПР) - объектом управления является процесс проектирования изделий любой природы (станка, самолета, ЭВМ, АСУ и т.п.).
АС научных исследований и комплексных испытаний (АСНИ) -объектом управления является процесс исследования объекта любой работы (исследования процесса работы двигателя, полета самолета, работы реактора и т.п.).
В последнее время активно развиваются гибкие автоматизированные производства (ГАП) - некоторая производственная единица, функционирующая на основе безлюдной технологии и находящаяся под управлением единой программы.
Интеллектуальные системы (экспертные системы) в отличие от предыдущих систем оперируют со знаниями, хранящимися в банке знаний. Типичные примеры - это медицинские экспертные системы, геологические экспертные системы и т.п.
Классификация АС по назначению приведена на рис. 3
Рис. 3. Классификация АС по назначению Классификация АС по территориальному признаку показана на
рис. 4
Рис. 4. Классификация АС по территориальному признаку
Кратко рассмотрев основную классификацию автоматизированных систем управления, предлагается сузить предметную область и более подробно рассмотреть, какие признаки классификации выделяют для систем управления технологическими объектами.
Системы управления (СУ) технологическими объектами относятся к сложным системам и могут классифицироваться по различным признакам [3]. Основными из них являются цель и способ управления технологическим объектом, степень участия человека в управлении,
место расположения технических средств сбора и обработки информации и степень централизации управления.
Классификация по цели управления. Целью управления технологическим процессом является высокоэффективная работа технологического объекта управления (ТОУ). Эффективность работы оценивается значением критерия управления (КУ) - показателем, характеризующим функционирование ТОУ в целом и принимающим числовые значения в зависимости от возмущающих и управляющих воздействий.
По цели управления СУ делятся на стабилизирующие и оптимизирующие. Целью управления стабилизирующей СУ является поддержание КУ на постоянном, заранее заданном значении. Стабилизирующие системы оправданы для простых вспомогательных процессов, критерии управления которых следует поддерживать на значении, определяемом из соображений эффективного ведения основного процесса. Оптимизирующие СУ поддерживают КУ на экстремальном для создавшейся производственной ситуации уровне при соблюдении ограничивающих условий, поэтому критерий управления в этих системах называют критерием оптимальности, который характеризует процесс с одной наиболее важной стороны.
Классификация по способу управления. Способ управления характеризует алгоритмы формирования управляющих воздействий для достижения цели управления. По этому признаку системы делятся на замкнутые, разомкнутые и комбинированные. В замкнутых системах управления воздействия формируются в зависимости от отклонения текущего значения КУ от заданного. Одним управляющим воздействием компенсируются все возмущения. Однако замкнутые системы не препятствуют проникновению в ТОУ возмущающих воздействий, а только реагируют на их последствия. В связи с этим, в случае сложных ТОУ, подверженных многочисленным возмущениям, замкнутые СУ не могут обеспечить высокого качества управления. Разомкнутые СУ формируют управляющие воздействия в зависимости от возмущений. Устанавливаются, например, регуляторы, стабилизирующие входные параметры процесса, тем самым ликвидируются возмущения по этим каналам. Достоинства разомкнутых систем в том, что возмущающие воздействия ликвидируются до поступления в ТОУ. Однако ликвидировать все возмущения, как правило, практически невозмож-
но, поэтому использование таких систем чаще всего не дает большого эффекта. В комбинированных системах используют принцип формирования управляющих воздействий и разомкнутых, и замкнутых систем. В основу комбинированной системы положена замкнутая система, а для улучшения качества управления часть возмущений ликвидируется дополнительными регуляторами. Частным случаем таких систем являются многоконтурные системы автоматического регулирования (САР), в которых формирование управляющих воздействий осуществляется от нескольких параметров.
Классификация по месту расположения технических средств сбора и обработки информации. Средства автоматизации, с помощью которых представляется и обрабатывается информация о ТОУ, а также осуществляется воздействие на технологический процесс, могут быть сосредоточены как непосредственно у технологического оборудования (местное управление) в виде отдельно установленных пультов и щитов, так и в специально выделенном пункте (дистанционное управление).
Классификация по степени централизации управления. Современные ТОУ состоят из многих аппаратов, установок, участков, цехов. Управление отдельными составляющими объекта в зависимости от степени их влияния друг на друга, информационной мощности, сложности и важности может осуществляться из самостоятельных пунктов или из одного центрального пункта управления (ПУ). По степени централизации СУ делятся на одно- и многоуровневые (рис. 5).
ТОУ
ПУ
Установке 3
ПУЗ
Установка ' і
Установка 2 Установка 3
б в
Рис. 5. Структурные схемы систем управления: а - одноуровневой централизованной; б - одноуровневой децентрализованной; в - многоуровневой
а
Одноуровневые - это системы, в которых управление ТОУ осуществляется из одного (централизованные системы) или нескольких (децентрализованные системы) пунктов. Одноуровневые централизованные системы применяют в основном для управления относительно несложными объектами, расположенными на небольшой территории. Для современных ТОУ, включающих большое число территориально распределенных объектов, использование одноуровневой централизованной системы приводит к усложнению коммуникаций, громоздкости пульта управления и неудобству работы технологического персонала. Для устранения этих недостатков используют одноуровневые децентрализованные системы. Однако децентрализация исключает управление всеми установками ТОУ как единым технологическим комплексом. Для решения этой проблемы необходим еще один, более высокий, уровень управления. Такие системы называют двухуровневыми или, при наличии промежуточных уровней, многоуровневыми.
Классификация по степени участия человека в управлении. Степень участия человека в управлении технологическими объектами определяется сложностью и масштабностью ТОУ, целью управления, а также комплексом технических средств СУ. Так, при автоматизации простого объекта управления со стабилизацией какой-либо физикохимической величины управление может осуществляться полностью автоматически, без привлечения технологического персонала. Такую СУ называют системой автоматического управления (САУ).
Крупные ТОУ с реализацией оптимального режима и сложных функций по программно-логическому управлению, защите, пуску и останову оборудования могут управляться лишь человеком на основе современных методов управления с помощью ЭВМ и средств сбора, передачи и хранения информации. Человеко-машинная система, обеспечивающая эффективное функционирование технологического объекта, в которой сбор и переработка информации, необходимой для реализации функций управления, осуществляется с применением современных средств автоматизации и вычислительной техники, называется автоматизированной системой управления технологическим процессом. На человека в АСУТП возлагается наиболее сложная операция управления - принятие решения по изменению режимов работы ТОУ и СУ на основе данных, предоставленных ему ЭВМ и поступающих по другим каналам. ЭВМ же осуществляет сбор и передачу информации, контроль за её достоверностью, анализ информации по
определенным алгоритмам, подготовку управленческого решения. При таком синтезе сочетаются интеллект человека, математический аппарат и возможности вычислительной техники.
Известны несколько критериев классификации автоматизированных систем управления технологическими процессами [4]. Одним из вариантов является классификация АСУТП применительно к предприятиям с непрерывным и непрерывно-дискретным характером производства, за критерий которой взято число контролируемых параметров и управляющих воздействий в соответствии с ростом сложности объекта управления (табл. 1).
Таблица 1
Классификация АСУТП по сложности объектов управления
Основная характеристика класса АСУТП Основные функциональные признаки Типовые примеры объектов управления
1 2 3
1-0. Автоматизированная система программного управления Управление по жесткой программе с предварительно апрограммирован-ными воздействиями
1-1. АСУ технологическими установками с малым числом контролируемых и регулируемых параметров (до 20) Измерение, индикация, регистрация и одноконтурное регулирование параметров Т опки паровых котлов, весовые дозаторы, установки автоматического пожаротушения
1-2. АСУ технологическими установками или агрегатами с малым числом контролируемых и регулируемых параметров (около 40) То же, что для класса 1-1, и логические операции Технологические котельные, методические печи, нагревательные колодцы и фурмы доменных печей, ректификационные колонки
1-3. АСУ технологическими установками, агрегатами или процессами со средним числом контролируемых, регулируемых и оптимизируемых параметров (около 100) То же, что для класса 1-2, и многоконтурное регулирование Конверторы, секционные печи, химические реакторы, установки первичной переработки нефти, комплексы шихтоподготовки обогатительных и агломерационных фабрик
1^-. АСУ технологическими агрегатами или процессами с большим числом регулируемых и оптимизируемых параметров (около 800) То же, что для класса 1-3, и вычисление технико-экономических показателей Энергоблоки, рокатные станы, доменные печи, атомные реакторы, производство этилен-бензола, производство печной сажи
1 2 3
1-5. АСУ технологическими переделами и производствами с агрегатами и установками, для местного управления которыми средства вычислительной техники не используют То же, что для класса 1-4, и диспетчеризация при одноступенчатом уровне Электролизные цеха производства серной кислоты, искусственного волокна, агломерационные фабрики, обогатительные фабрики
1-6. АСУ технологическими переделами и производствами с агрегатами и установками, оснащенными средствами вычислительной техники То же, что для класса 1-5, но при двухступенчатом управлении Конверторные цеха, доменные печи, цементные заводы, сернокислотные производства, обогатительные комбинаты
Предложенная в табл. 1 классификация позволяет ориентировочно определять номенклатурную базу АСУТП и может служить основой для планирования разработок, однако она не отражает функции, которые может выполнять та или иная система управления. Поэтому представляется целесообразным разделить по функциональноалгоритмическому признаку системы управления технологическими процессами на базе управляющих ЭВМ на три класса (табл. 2).
Такая классификация в определенной мере условна, поскольку функции, выполняемые системами указанных классов, могут в ряде случаев перекрываться. Однако такое разделение АСУТП имеет в настоящее время принципиальное практическое значение для выполнения работ по автоматизации технологических процессов.
Таблица 2
Классификация АСУТП по функционально-алгоритмическому
признаку
Основная характеристика класса АСУТП Основные функциональные признаки Типовые примеры объектов управления
1 2 3
1. Системы логикопрограммного управления (группой однотипных технологических установок) Прямое цифровое управление по жесткой или полу-жесткой программе в режиме разделения времени между управляемыми установками Группы автоматизированных постов контроля или испытаний изделий электронной техники, прецизионных механообрабатывающих станков, откачных вакуумных постов, термического оборудования
1 2 3
2. Системы оптимального управления (технологическим процессом или режимами технологической установки) Решение задачи оптимизации на основании получаемой от управляемого объекта информации и принятых математических моделей, выработка регулирующих воздействий или советов оператору в реальном времени Химические реакторы, трубопрокатные станы, группа диффузионных печей, установки первичной переработки нефти
3. Системы комплексного управления (технологической линией, участком, цехом) -АСУОТП Автоматический или полуавтоматический сбор, обработка, наглядное отображение технологической и организационно-производственной информации, управление через оперативный персонал ходом технологических процессов Т ехнологические линии производства интегральных схем, кинескопов, энергоблок атомной электростанции, сернокислотное производство, доменная печь, тепловая электростанция
В зарубежной литературе можно встретить довольно интересную классификацию АСУ ТП, в соответствие с которой все АСУ ТП делятся на три глобальных класса:
• SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). На русский язык этот термин можно перевести как «система телемеханики», «система телеметрии» или «система диспетчерского управления», последнее определение точнее всего отражает сущность и предназначение системы - контроль и мониторинг объектов с участием диспетчера. Тут необходимо некоторое пояснение. Термин SCADA часто используется в более узком смысле: многие так называют программный пакет визуализации технологического процесса. Однако в данном случае под словом SCADA мы будем понимать целый класс систем управления.
• PLC (Programmable Logic Controller). На русский язык переводится как «программируемый логический контроллер» (ПЛК). Тут, как и в предыдущем случае, есть двусмысленность. Под термином ПЛК часто подразумевается аппаратный модуль для реализации алгоритмов автоматизированного управления. Тем не менее, термин ПЛК
имеет и более общее значение и часто используется для обозначения целого класса систем.
• DCS (Distributed Control System). По-русски распределенная система управления (РСУ). РСУ (DCS) - наиболее комплексный интересный класс АСУ ТП. РСУ, как правило, применяются для управления непрерывными технологическими процессами (хотя, сфера применения РСУ только этим не ограничена). К непрерывным процессам можно отнести те, которые должны проходить днями и ночами, месяцами и даже годами, при этом останов процесса, даже кратковременный, недопустим. Из вышесказанного вытекает главное требование к РСУ - отказоустойчивость. Для РСУ отказ, а соответственно и останов технологического процесса, недопустим. Высокая отказоустойчивость достигается путем резервирования (как правило, дублирования) аппаратных и программных компонентов системы, использования компонентов повышенной надежности, внедрения развитых средств диагностики, а также за счет технического обслуживания и непрерывного контроля со стороны человека. РСУ чрезвычайно функциональны и масштабируемы: на их базе автоматизируются технологические установки, производственные цехи, а иногда и целые заводы.
Однако следует отметить, что такая классификация в настоящее время является весьма условной. Это связано с тем, что в последние годы внедряются гибридные системы, которые по ряду характерных признаков можно отнести как к одному классу, так и к другому классу.
Выполнив процедуру классификации и проанализировав ее результаты можно сделать вывод, что современные АСУ очень разнообразны и могут отличаться друг от друга по функциональному составу, степени автоматизации управления объектом, применяемым техническим средствам и многим другим признакам и характеристикам. Но, владея критериями классификации, разработчик получает возможность ориентироваться во всем многообразии автоматизированных систем.
В заключении хотелось бы отметить, что классификация всегда отражает имеющийся на данный момент времени уровень знания, суммирует его, как бы дает его «топологическую карту», а с другой стороны, позволяет обнаруживать пробелы в существующем знании, служить основанием для диагностических и прогностических процедур.
Библиографический список
1. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.
2. Меньков А.В. Теоретические основы автоматизированного управления: учеб. для вузов. - М.: ОНИКС, 2005. - 639 с.
3. Шувалов В.В., Огаджанов Г.А., Голубятников В.А. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности: учеб. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1991. - 480 с.
4. Вальков В. М. Автоматизированные системы управления технологическими процессами. - Л.: Политехника, 1991. - 269 с.
5. Стефани, Е.П. Основы построения АСУ ТП: учеб. пособие. -М.: Энергоиздат, 1982. - 352 с.
6. Советов Б.Я. Теоретические основы автоматизированного управления: учеб. для вузов. - М.: Высшая школа, 2006. - 462 с.
Получено 08.07.2009
