3.1. Понятие многоуровневой автоматизированной системы управления производственным процессом

Как правило, любая автоматизируемая производственная система (ПС) имеет сложную многоуровневую, иерархическую структуру, которая преобразует исходные полуфабрикаты сырья или материалов в конечный продукт, отвечающий потребительским требованиям рынка. Основой любого производства является технологический процесс (ТП) — определенное взаимодействие орудий и предметов труда, обслуживающей и транспортной систем, в результате чего выпускается продукция, отвечающая заданному критерию качества. Перемещение предметов труда от одной стадии обработки к другой можно характеризовать как рабочий материальный поток в производственном пространстве. По характеру материального потока технологические процессы делят на два типа — непрерывные и дискретные.

В непрерывных технологических процессах материальный поток, проходящий через технологическое оборудование, является неразрывным. Для дискретных ТП характерна выходная продукция в виде изделий, исчисляемых в штуках. Исходные компоненты преобразуются циклически, и готовая продукция выпускается партиями. Каждый цикл получения выходного продукта или партии включает в себя время, затрачиваемое на приведение технологического оборудования в исходное состояние, которое является невозвратимой утратой. Соответственно используемым ТП производство принято делить на три основных типа: непрерывное, дискретное и непрерывно-дискретное. К непрерывным производствам можно отнести большинство процессов химической, нефтеперерабатывающей, энергетической промышленности. Продукция таких производств — вещество или энергия, а параметры технологических процессов — непрерывные величины: давление, концентрация и др. К дискретным производствам относятся предприятия машиностроения, приборостроения и т. п. Материальный поток здесь дискретен, а производственный процесс характеризуется дискретными параметрами: числом изготавливаемых изделий, наличием заготовок на складах и операциях, числом бракованных изделий. Операции обработки также дискретны, так как имеют начало и конец. Информационный поток, отражающий ход дискретного производства, также имеет дискретный характер. К непрерывно-дискретным производствам, сочетающим особенности первых двух типов производства, относятся производства металлургической, пищевой, полиграфической, цементной промышленности и др.

На первом (нижнем) уровне комплексной системы автоматизации функционируют контуры управления отдельными технологическими агрегатами, работу которых контролируют операторы с помощью пультов управления. Поведение этих устройств задается производственной программой, а также обусловливается их взаимодействием с внешней средой. При этом должны обеспечиваться определенные технологические критерии функционирования локальных объектов, такие, как точность обработки, точность поддержания технологических параметров и режимов, интегральные критерии качества продукции. Информация о ходе производственного процесса поступает на главный сервер сети, с которого производственные данные попадают на рабочие станции контроля и станции связи с предыдущими этапами ТП.

На втором (среднем) уровне управления в соответствии с плановым заданием и приоритетом производства продукции распределяется работа между технологическими агрегатами первого уровня в зависимости от их исправности, обеспеченности материалами и полуфабрикатами, производится оперативное планирование и управление работой первого уровня и составляется отчет об исполнении работ. Работа этого уровня оценивается по результатам выполнения планового задания.

Третий уровень (верхний) управления производственной системой охватывает координацию работы отдельных участков различных видов производства и реализацию плановых заданий в целом, а также работы по подготовке производства, включая проектирование самих изделий, технологических процессов, технологической оснастки и управляющих программ для локальных объектов управления. На этом уровне управления действуют экономические критерии качества. Далее, на этом уровне анализируются связи с поставщиками, конъюнктура рынка, прогнозируется выпускаемая в будущем номенклатура изделий.

На всех уровнях управления соответствующие задачи решаются как с помощью технических средств, так и с использованием интеллектуальных и физических возможностей производственного персонала. Одним из важных показателей качества системы является ее производительность, повышению которой на протяжении всей истории развития ПС уделялось большое внимание. Требование высокой производительности сохраняется и для ПС, ориентированных на мелкосерийное и индивидуальное производство, в связи с необходимостью сокращения цикла разработки и изготовления новых изделий. Объем и качество производимой в ПС продукции определяется всеми уровнями управления, но производится она непосредственно на технологическом уровне, в результате взаимодействия трех компонентов: рабочей среды, инструмента и человека, который либо непосредственно выполняет работу, либо управляет инструментом, иногда сложным.

Существует две основные тенденции в построении ПС: стремление к организации рабочей среды или адаптации к среде при управлении оборудованием. Примером организации соответствующей среды и достижения при этом высокой производительности являются автоматические роторные и роторно-конвейерные линии, создание которых относится к одному из основных направлений ускорения технического прогресса. Альтернативой организации среды является адаптация к ней, При этом речь идет об адаптации ПС на всех уровнях управления. Однако оперативно решить вопросы адаптации могут лишь специально организованные высокопроизводительные системы, обладающие средствами автоматизированного получения, обработки и передачи информации. Такие ПС появились как отклик производства на быстро изменяющиеся запросы рынка. Только использование развитой информационной и вычислительной техники, успешно работающей в условиях производства, позволяет обеспечить адаптационные возможности ПС в целом, и, в частности, технологических машин. В таких системах обслуживающий персонал освобождается от переработки формализуемой информации, и выступает как субъект, принимающий основные решения, которые часто не поддаются формализации.

Для решения задач, как организации производственной среды, так и адаптации к ней, требуются большие затраты. В настоящее время при соответствующем выборе приходится учитывать различные и часто противоречащие друг другу факторы, такие как: ограниченность природных ресурсов, необходимость защиты окружающей среды от загрязнения и резкое увеличение разнообразия человеческих потребностей, технико-экономическую обоснованность. Это часто приводит к тому, что отдают предпочтение второй тенденции развития ПС.

Адаптационные возможности производственных систем направлены на приспособление к среде и изменениям объекта. Поведение такой системы должно зависеть не только от управляющих и возмущающих воздействий, но и от неизвестных значений коэффициентов уравнений, описывающих систему. Адаптивная система управления способна выполнять свои функции качественно при изменениях свойств объекта под действием окружающей среды. Такой способ адаптации называется самонастройкой. Другим способом адаптации является установление системой между ее переменными или переменными среды таких функциональных связей, которые позволяют уменьшить отклонения выполняемых системой функций от заданных значений. Этот способ приспособления называется обучением или самообучением. Таким образом, система может обладать двумя способами адаптации к среде: самонастройкой и самообучением.