Особенности формирования иерархических структур автоматизированных систем управления технологическими процессами Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 303.732.428

Е.А. Тырин, А.А. Чередников, Г.М.Чуркин ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИЕРАРХИЧЕСКИХ СТРУКТУР АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

Предлагается при формировании АСУ ТП выделить административно-управлен-ческие и автоматизированно-информационные структуры. Особенности формирования указанных структур позволяют организовать определенный порядок принятия решений в процессе их проектирования, обеспечивая полноту формирования модели принятия решений.

Структура системы управления, задачи выбора

Е.А. Тупп, А.А. СЬеге^коу, С.М. СЬигкт

CHARACTERISTIC PROPERTIES OF THE HIERARCHY OF INDUSTRIAL CONTROL SYSTEM

For creating industrial control systems it is offered to identify the management-and-administration system, as well as the automated - information system. Characteristic features of these specified structures allow organizing a set order of decision-making in the course of their design, and thus provide a complete format of decision-making.

Structure of a control system, choice problem

Введение. В [3, 4] рассматривается организация административно-управленческих взаимодействий и отношений в системах управления различных организационных формах производства. Кроме административно-управленческих взаимодействий и отношений, в системах управления (в том числе и в АСУ ТП) имеют место другие виды взаимодействий и отношений. Из всего многообразия отношений и взаимодействий рассмотрим взаимодействия административно-управленческие и автоматизированно-информационные. Последние реализуются техническими средствами (программнотехнический комплекс) АСУ ТП. Назначение технических средств - подготовка информации для принятия управленческого решения или реализация управления по определённым правилам (автоматическое управление) [1].

Организация отношений и взаимодействий между сотрудниками и техническими средствами (элементами системы управления), отражённая различными структурами, позволяет системе проявить себя как целое при формировании управленческих решений.

Рассмотрим особенности формирования административно-управленческой организационной структуры (АУОС) и организационной структуры технических средств (ОСТС) системы управления технологического процесса.

Используемые в работе термины и определения общетехнических понятий соответствуют ГОСТ 34. 003-90.

Формирование АУОС. АУОС - совокупность специализированных функциональных подразделений, взаимосвязанных в процессе обоснования, выработки, принятия и реализации управленческих решений [3, 4]. Особенности формирования АУОС технологического процесса изложим по этапам формирования.

Реализация ТП находит отражение в проектной технологической документации, поэтому первым этапом формирования системы управления ТП должен быть этап ознакомления с этой документацией, ее изучения.

На втором этапе необходимо рассматривать ТП как процесс в какой-либо организационной форме производства:

- определить уровень этой организационной формы производства;

- определить совокупность укрупненных компонентов, необходимых для существования и функционирования организационной формы производства, реализующей ТП, т.е.

S = [{Z}, {Ns}, {Cs}, {Tz}, {Cp}, {ATs}], (1)

где {Z} - структура целей; {Ns} - множество элементов структур организационной формы производства (основной деятельности, организационной и т.п.), реализующих цели; {Cs} - множество связей между структурными элементами; {Tz} - совокупность технологий, реализуемых в ТП; {Cp} - условия (среда) существования организационной формы производства, т.е. факторы, влияющие на ее функционирование (другие систем, ограничения: географические, метеорологические и др.); {ATs} -системное время, т.е. период времени существования организационной формы S, влияющий на процесс целеобразования.

Далее систему S будем называть производственной системой.

Содержанием третьего этапа формирования является выделение различных сфер её деятельности. Основная сфера деятельности в ТП - реализация определённых технологических функций, осуществляемых обслуживаемым персоналом на этапах жизненного цикла: ввода в эксплуатацию; применение по назначению; поддержания установленной технической готовности к применению; снятие эксплуатации; утилизации.

Вторую сферу деятельности называют системой организационного управления [3]. Эта система обеспечивает контроль и управление основной сферой деятельности в ТП.

Разделение на две сферы деятельности, представленные в виде самостоятельных систем: организационного управления и основной деятельности, упрощает решение задачи структуризации целей и функций исследуемой системы.

Далее на четвертом этапе формирования следует определить структуру объектов управления (технические комплексы, технологическое оборудование, их технико-экономические показатели этапов эксплуатации) и выполнить ее анализ.

На пятом этапе формирования необходимо определить предварительную структуру системы организационного управления.

Анализ, в основу которого должна быть положена методика структуризации целей и функций рассматриваемой системы организационного управления [2, 3], составляет содержание шестого и седьмого этапов методики.

Важную роль при формировании и анализе целей играет структуризация целей и функций системы управления. В этой связи рассмотрим свойства целей (функций), которые включают:

1) Зависимость представления о цели и формулировки цели (функций) от стадии жизненного цикла объекта (процесса). Формулируя цель, нужно стремиться отразить в формулировке цели ее активную роль в управлении, сделать ее реалистичной, направить деятельность на достижение этой цели.

2) Зависимость цели (функций) от внешних и внутренних факторов. При анализе причин возникновения и формирования целей нужно учитывать, что на цель влияют как внешние по отношению к системе факторы (внешние требования, потребности, мотивы), так и внутренние (потребности, мотивы, программы самой системы и ее элементов, исполнителей целей).

3) Возможность (и необходимость) сведения задачи формулирования обобщающей (общей, глобальной) цели к задаче ее структуризации.

При формировании первоначального варианта структуры целей целесообразно руководствоваться содержанием организационного управления, определения функций, раскрывающих содержание процесса управления.

Функция как обособленный, относительно самостоятельный и специализированный вид управленческой деятельности направлена на формирование управляющего воздействия или непрерывных взаимодействий между субъектом и объектом управления для решения конкретной проблемы. В этой связи функция рассматривается как неотъемлемая часть процесса управления, имеющего пространственную и временную определенность и конечную результативность [4]. Исходя из этого, управленческие функции - это совокупность функций или процессов управления, появившихся в результате проведения функционализации управления и ориентированных на совокупность объектов управления.

Взаимосвязи целей и функций могут быть представлены в форме различных структур, и далее будем рассматривать иерархические структуры.

Для структуризации целей и функций будем использовать признак различных видов деятельности в управлении технологическим процессом или типом используемого оборудования. Применение этого признака основано на том, что производственные цепочки группируются по типовому (крупносерийное и массовое производство) или оригинальному технологическому процессу (мелкосерийное производство). В этом случае структуризация может быть осуществлена по типам оборудования (например, токарный или сборочный участки), по технологическому процессу или оборудованию [4].

Технологический процесс может реализовываться несколькими организационными формами производства (подразделения организации). Функции управления каждого подразделения распределяются по основным объектам ТП:

- управление ресурсами;

- управление технико-экономическими показателями;

- текущее (оперативное ) управление ТП.

Иерархия элементов функции управления представлена на рис. 1. Управленческий цикла в организации рассматривают как последовательность общих (основных) функций управления, сформулированных А. Файолем (планирование, организация, мотивация и контроль) [4].

Конкретное содержание функции раскрывается совокупностью составляющих ее задач управления, которые, в свою очередь, являются структурообразующим элементом для состава организационных элементов СУ (табл. 1). Могут быть использованы следующие этапы реализации задач: постановка, сбор и анализ исходной информации, расчет, согласование, организация и принятие решения, контроль за исполнением. Этапы не зависят от специфики задач или их экономического содержания.

В табл. 2 приведены функции и основные задачи администрирования для руководителя подразделения [4].

Таблица 1

Функциональная матрица подразделения

Функция Задачи Работы Процедуры

П од разд ел е н и е + +

Начальник + + +

Заместитель + + +

Специалисты + +

Таблица 2

Функции и основные задачи администрирования

Функции Задачи

Установление целей Определение планового состояния ТП

Разработка стратегии Определение правил достижения цели

Планирование работы Определение задач конкретным исполнителям

Проектирование работы Определение рабочих функций исполнителей

Мотивирование к работе Целенаправленное воздействие на исполнителей

Координация работы Согласование усилий исполнителей

Учет и оценка работы Измерение результатов и их анализ

Контроль работы Сопоставление результатов с целями

Обратная связь Корректировка целей

Декомпозиция задач на множество работ, имеющих информационный характер, дает возможность более обоснованно оценить трудозатраты на их выполнение, уточнить информационные характеристики - структуру, объем, источники информации, форму и сроки получения и т.п. Работы группируются по видам информационных процессов:

- получение информации;

- преобразование формы информации;

- передача информации;

- получение новой информации;

- хранение информации;

- преобразование информации в действие.

Работы декомпозируются в набор процедур:

- конкретных действий по реализации перечисленных выше работ по преобразованию информации;

- организационные по формированию управленческого решения:

- подготовка;

- согласование;

- принятие решения;

- утверждение;

- организация выполнения.

Последние могут иметь неформализованный вид, что не позволяет их автоматизировать.

Эффект целеобразования проявляется на каждом уровне иерархии, но при этом большая неопределенность расчленяется на более мелкие. Соответственно задача анализа средства и мотивов, влияющих на формирование обобщенной цели, расчленяется на подзадачи анализа более частных средств и мотивов на каждом уровне, которые становятся более реальными. Это позволяет получить согласованное решение на каждом шаге структуризации.

При формировании иерархий целей (функций) используют два подхода:

- формирование структуры «сверху» - методы структуризации, декомпозиции, целевой или целенаправленный подход;

- формирование структуры целей «снизу» - морфологический, лингвистический, тезаурусный подход методом «языка» системы.

Работы

Процедуры

Рис. 1. Архитектура управленческих функций

Для того чтобы структура целей была удобной для анализа и организации управления, рекомендуется ее расчленение на каждом уровне делать соразмерным, а выделенные части - логически независимыми; признаки структуризации (декомпозиции) в пределах одного уровня должны быть едиными; число уровней иерархии и число компонентов в каждом узле не должно (в силу числа Колмогорова) превышать К=7±2 [2];

На формирование АУОС оказывает влияние технологическая организация реализуемых процессов. Например, эти структуры определяются иерархией действий ТП: операция - функция - процесс - совокупность процессов, и разделением труда ТП. Последнее позволяет выделить в ТП как системе подсистемы со своей организацией (со своей организационной структурой).

С другой стороны, АУОС и технологическая организа-

ция ТП оказывают влияние на организационную структуру технических средств системы управления.

В качестве непосредственно влияющих на структуру факторов выступают производственная организация ТП и компоненты самого механизма управления - цели, принципы, методы управления (функции управления, их состав, содержание и объем, их организация).

Большее число исследователей приходят к выводу об приоритетном влиянии реального производственного процесса на организационные формы конкретных предприятий [3], т.е. в случае ТП фактор производственной организации ТП имеет приоритет в формировании структур управления ТП.

Наряду с факторами, действующими на структуру непосредственно, следует выделить те, которые влияют на структуру более опосредованно. К этой группе факторов относятся кадры, техника, технология управления, организация труда.

Последовательность влияния основных факторов на структуру управления должна учитываться на 2-5 этапах формирования АУОС.

В свою очередь, АУОС оказывает влияние на организационную структуру технических средств. Изложенное указывает на взаимосвязь организационных структур различных систем (ТП, АСУ ТП, программно-технического комплекса) как элементов производства как системы. Отсюда свойства (а при классификации признаки) ТП и АСУ ТП будут иметь место и у программнотехнического комплекса АСУ ТП.

В табл. 3 приведены признаки структуризации, которыми следует руководствоваться для разных уровней системы организационного управления, используя их при формировании разных уровней структуры целей.

Таблица 3

Признаки структуризации целей и функции системы организационного управления

Признаки дерева целей Признаки структуризации

Верхние уровни Концепция системы сферы деятельности. Уровни иерархии существующей системы организационного управления

Средние уровни Конечный результат реализации ТП Предметы деятельности. Виды деятельности «Жизненный цикл» Цикл управления

Нижние уровни Технологическое оборудование ТП. Содержание информационных процессов. Реализация информационных процессов: кто, что, где, с помощью чего, когда и т.п.

Таким образом, рассмотрев ТП как процесс производственной системы, сферы ее деятельности, свойства целей, структуру функций управления, признаки структуризации целей и функций системы организационного управления, перейдём к рассмотрению методики структуризации целей и функций, основанной на концепции деятельности [2, 3], базирующейся на определении системы (1).

Методика включает два основных этапа (рис. 2), которые делятся на подэтапы (п.э.), а затем наиболее детальные подэтапы (д.п.э.).

Рис. 2. Этапы формирования структуры целей и функции

При выполнении этапа 1 предполагается исследование двух подходов (рис. 2) к формированию структуры: целевой - подход «сверху» (п.э. 1.1) и подход к формированию структуры «снизу» (п.э. 1.2).

При выполнении подэтапа 1.1 должно быть выбрано число уровней иерархии производственной системы (д.п.э. 1.1.1) с соответствующими наименованиями; в соответствии с вышепри-нятой концепцией деятельности используются признаки «сферы деятельности» (д.п.э. 1.1.2), «структура деятельности» и «вид деятельности» (д.п.э.1.1.3); последующие уровни предполагается структурировать с использованием признаков, рекомендуемых для нижних уровней табл. 3 (д.п.э. 1.1.4).

В структуре деятельности должны быть выделены цели («входы»), содержание и формы, методы, средства («выходы»).

При выполнении подэтапа 1.2 (подход «снизу») предполагаемая структура целей и функций формируется с учетом различных уровней системы управления (д.п.э.1.2.1) с учё-том результатов анализа действующей документации (технологической, руководящей и т.д.) по эксплуатации технологического оборудования (д.п.э.1.2.2); затем оценивается полнота охвата целей и функций

(д.п.э.1.2.3) и осуществляется объединение структур (д.п.э.1.3.1), полученных при параллельном применении подходов «сверху» и «снизу» путем перераспределения полученных структур по составляющим предварительно сформированной структуры, далее принимается решение (д.п.э.1.3.2) о целесообразности выполнения этапа 2.

При выполнении этапа 2 для оценки структуры целей и функций путем выявления наиболее значимых составляющих (п.э.2.1) предполагается параллельное использование (д.п.э.2.1.1) экспертных оценок и (д.п.э.2.1.2) косвенных качественных оценок, в дальнейшем обрабатываемых совместно (д.п.э.2.1.3). При обработке результатов оценки предполагается выявление противоречивых мнений с последующим содержательным их анализом.

На основе полученных результатов оценки далее проводим корректировку подходящей структуры (д.п.э. 2.1.4). При корректировке могут возникать вырожденные ветви, разные варианты новой структуры целей и функций. В этом случае переходим к подэтапу 2.2. Решение о целесообразности перехода к анализу структуры с точки зрения ее формы (п.э 2.2) может быть принято (д.п.э.2.1.5) для составления формы с аналогичными структурами целей, полученных при формировании основных направлений развития системы.

При оценке структуры (ее вариантов) с точки зрения ее формы и удобства для дальнейшего использования (подэтап 2.2) сопоставление вариантов структуры может быть произведено на основе вышерассмотренных закономерностей формирования целей, а также сформулированных при выполнении подэтапа 1.1.1 (д.п.э.2.2.1) и с использованием для сравнительного анализа структур информационного подхода (подэтап 2.2.2).

Во втором случае оцениваем степень целостности, позволяющую судить об управляемости системы с помощью формируемой структуры целей, о степени централизации-децентрализации управления в системе.

Из рассмотренного следует, что могут быть использованы оба подхода к оценке вариантов структур, а затем получаемые результаты обобщаются (при этом надо добавлять подэтап 2.1.3).

Если на д.п.э. 1.3.2 было принято решение о необходимости вначале выполнить подэтап 2.2, то может быть введен д.п.э. 2.2.3 принятия решения о дальнейшей работе.

Этапы формирования структурных подразделений организационной формы производства реализуются традиционно [3, 4].

Формирование организационной структуры технических средств. Технические средства информационных технологий:

- индивидуальные средства (средства труда) персонала АУОС, они локальны и взаимодействуют между собой только под действием персонала АУ ОС (индивидуальные средства контроля, средства передачи информации и т. д.);

- техническая система, которая по запросу автоматически выполняет все необходимые функции информационных технологий для каждого сотрудника АУОС. В технической системе рабочие места для персонала АУОС называют автоматизированными рабочими местами (АРМ).

Далее технические средства АСУ ТП будем рассматривать как информационную систему (ИС).

Этапы формирования ОСТС технологического процесса в общем случае представлены на рис. 3.

Реализация функций управления, контроля и защиты ТП находит отражение в проектной технологической документации, поэтому первым этапом формирования структуры технических средств АСУ ТП должен быть этап ознакомления с этой документацией и выделения из неё перечисленных выше работ (рис. 1). При описании этих работ для материальных процессов и технологического оборудования можно использовать условные обозначения приборов и средств автоматизации в схемах по ГОСТ 21.404-85.

На втором этапе необходимо сформулировать концепцию технических средств как информационной системы (ИС):

- определить уровень рассмотрения ИС в рамках систем более высокого уровня АСУ ТП;

- определить совокупность укрупненных компонентов, принципиально необходимых для существования и функционирования исследуемой системы, т.е.

STO = [{Фис}, №ис}, {CsnJ, ^Фис}, {CpnJ, {AT™}], (2)

где {Ф} - структура работ, необходимых для решения задач; {Ns} - множество элементов структур ИС (основной деятельности, организационной и т.п.), реализующих информационные процедуры; {Cshc} - множество связей между структурными элементами ИС; {Tto(;} - совокупность технологий, реализующих ИС; CpH(;} - условия (среда) существования ИС, т.е. факторы, влияющие на ее функционирование (ограничений: географических, метеорологических и др.); {ATSH(;} - системное время, т.е. период времени жизненного цикла, влияющей на процесс функционирования.

Выделение различных видов обеспечений ИС является содержанием третьего этапа. В качестве основных выделяют техническое и программное обеспечение [1]. Последнее реализует организацию автоматизации информационных технологий. В промышленных информационных сетях в настоящее время производители выпускают оборудование для определённого вида технологий. Например, выпускают контроллеры под определённый стек протоколов (CAN, Modbus, Profibus, ...). Знание приоритета технологий позволяет сократить количество способов реализации технического оборудования. Далее будем рассматривать случай, когда техническое оборудование реализует различные по сложности ПО.

Заметим, что в ИС имеет место деятельность по её эксплуатации, реализуемая отдельным подразделением СУ ТП или централизованно подразделением более высокого порядка.

Процессы контроля, управления и защиты в основном реализуются информационным путём. Структура информационных связей и информационных форм сообщений между элементами АСУ ТП разрабатывались при формировании АУОС. Для образования этих информационных форм сообщений необходимо определить содержание информационных процессов, их формирующих. Это составляет содержание четвёртого этапа.

Определение элементов технического обеспечения ИС по процедурному назначению (рис. 1) является содержанием пятого этапа. При этом определяются технические устройства и средства связи между устройствами.

На шестом этапе формируется конечное множество конфигураций организационной структуры технический средств (ОС ТС).

Выбор способов технической реализации устройств и способов связей между устройствами, их совместимости осуществляется на седьмом этапе.

Определение критериев оценки конфигураций организационной структуры технический средств (ОС ТС) и ограничений на свойства ТС реализуется на восьмом этапе.

На девятом этапе решается задача выбора конфигурации, устройств и средств связи технической системы АСУ ТП.

Рис. 3. Этапы формирования иерархической организационной структуры технических средств АСУ ТП

Заключение. Выделение АУОС и ОСТС в АСУ ТП упрощает решение задачи структуризации целей и функций АСУ ТП.

При формировании организационной структуры технических средств АСУ ТП для структуризации функций предлагается использовать признак различных видов работ в управлении технологическим процессом.

Формирование элементов какой-либо конфигурации организационной структуры технических средств определяется структуризацией работ информационных процессов.

Особенности формирования АУОС и ОСТС позволяет организовать определённый порядок принятия решений в задачах выбора при проектировании программно-технических средств автоматизации. Это отражено в предлагаемом содержании этапов формирования иерархической организационной структуры технических средств АСУ ТП.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 34. 003-90. Автоматизированные системы. Термины и определения.

2. Меньков А.В. Теоретические основы автоматизированного управления / А.В. Меньков, В.А. Острейниковский. М.: Оникс, 2005. 640 с.

3. Структура управления организацией и факторы, её определяющие [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?dir=2&tutindex=3&index=51 &1ауег=2

4. Созинов В.А. Исследование систем управления. Сайт цифровых учебно-методических материалов ВГУЭС / В.А. Созинов // abc.vvsu.ru, [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://abc.vvsu.ru/Books/iss1ed_sist_upr/defau1t.asp

Чередников Андрей Андреевич -

студент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Тырин Евгений Александрович -

студент Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Andrey A. Cherednikov -

Undergraduate

Gagarin Saratov State Technical University

Eugeny A. Tyrin -

Undergraduate

Gagarin Saratov State Technical University

Чуркин Геннадий Максимович -

доцент кафедры «Техническая кибернетика и информатика» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Gennady M. Churkin -

Ph. D., Associate Professor Department of Engineering Cybernetics and Informatics

Gagarin Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 01.04.12, принята к опубликованию 06.09.12