Псигин Ю. - Управление системами и процессами машиностроения
Ульяновский государственный технический университет
ВВЕДЕНИЕ
Если в прошлые годы главным содержанием профессиональной деятельности инженера были технические и технологические вопросы, то в реальных условиях рынка, риска и конкуренции, экономической самостоятельности важнейшим становится, наряду с техникой и технологией, умение специалиста управлять производством или большими системами.
В настоящее время практически демонтированы вертикальные связи, а предприятия получили хозяйственную и экономическую самостоятельность. Сокращение объёмов производства вызывает разукрупнение и диверсификацию предприятий, рост конкуренции на рынке сбыта продукции.
Нехватка инвестиций, рост цен на материалы и оборудование, стоимость рабочей силы, повышение требований к надёжности, безопасности и экологичности производственного процесса приводят к росту расходов, а иногда и к полному закрытию предприятий.
В этих условиях существенно повышаются роль и значение правильно выбранных и своевременно принятых специалистами управленческих решений и их ответственности за последствия этих решений в условиях риска.
Цель дисциплины Управление системами и процессами состоит в том, чтобы освоить суть и принципиальные приемы или методологию управления, которые применимы для любых систем машиностроительного производства - от управления отдельным технологическим процессом или единицей оборудования до руководства всем предприятием.
ПОНЯТИЕ О СИСТЕМАХ И ИХ УПРАВЛЕНИИ
1.1. Свойства и характеристики систем
Впервые системный подход к анализу чего-либо был применён Аристотелем (третий век до н.э.), предложившим классификацию, построенную на иерархии общего и частного: вид - род - класс.
В современном понимании система - это совокупность элементов или подсистем, находящихся во взаимодействии и образующих определённую целостность. Системы бывают различной сложности: объединение, состоящее из ряда предприятий; машиностроительный завод, состоящий из ряда служб, цехов, участков; станок, состоящий из ряда агрегатов, и т. д.
Различают системы технические (например, металлорежущий станок, автоматическая линия), человеко-машинные (автоматизированные системы управления технологическим процессом - обслуживающий персонал, станок - человек), производственно-экономические (завод, фирма), социальные (персонал, различные группы населения), биологические (человеческий организм, определённая природная зона). В рамках данного пособия будут рассмотрены технические, человеко-машинные и производственно-экономические системы вместе с процессами, протекающими в них.
Функционирование системы в качестве единого целого обеспечивает связями между её элементами. Элемент системы - это объект, выполняющий определённые функции и не подлежащий дальнейшему расчленению в рамках поставленной перед данной системой задачи.
Связи между элементами определяют структуру системы.
Например, элементом механосборочного цеха (системы) является станок (подсистема, элемент), который может осуществлять изготовление деталей, что является основной задачей данного цеха.
Дальнейшее расчленение станка на агрегаты для производственного процесса не имеет смысла, но важно для организации технического обслуживания и профилактических мероприятий.
Для работников ремонтного хозяйства важно расчленение станка не только на агрегаты, но и на детали, которые и будут являться первичными элементами.
Выделение системы, т. е. отнесение к ней определенного перечня элементов, является сложной задачей, особенно для производственных, экономических и социальных систем.
Элементы относятся к данной системе, если они удовлетворяют следующим основным требованиям:
- имеют общую цель, т. е. каждый элемент должен работать и давать свой измеряемый вклад в достижение цели системы;
- взаимно дополняют друг друга, т. е. без любого элемента система не может эффективно решать стоящих перед ней задач;
- имеют стабильные организационные, ресурсные и иерархические связи в системе.
Любая система характеризуется совокупностью (вектором) входов QEx, совокупностью (вектором) выходов Qj^ и параметрами внутреннего состояния
Например, если в качестве системы представить коробку передач вертикально-фрезерного станка, то входом для неё будет являться крутящий момент Мкр, поступающий на первичный вал, и частота вращения последнего; выходом - изменённые значения этих показателей до заданных; параметрами внутреннего состояния - сочетание (набор) зубчатых колес, обеспечивающее заданное преобразование (изменение).
Кроме вышеназванных существует такое понятие, как большие системы. Оно достаточно условно и характеризуется одним из следующих показателей или их комбинацией:
1. Иерархичность системы, т. е. наличие нескольких уровней в её структуре. Например, автомобильный завод: цех - участок - бригада - исполнитель; станок: агрегат - узел - деталь.
2. Наличие в системе элементов различного происхождения: технических, экономических, социальных. Например, предприятие: станки - здания -сооружения (технические элементы) - операторы - ремонтники - ИТР (социальные элементы) - взаимоотношения с банками, производителями техники, потребителями (экономические элементы).
3. Количество подсистем более 7.. .10.
Понятие об управлении
Известно несколько определений понятия Управление. Инженерное (прикладное) определение этого понятия: управление - это процесс преобразования информации о состоянии системы в определённые целенаправленные действия, переводящие управляемую систему из исходного в заданное состояние.
Минимально необходимыми, но недостаточными условиями управления являются: наличие объективной и адекватной информации о состоянии системы и внешних факторов, определение цели (или целей), стоящей перед системой, и понимание возможных способов или действий для достижения этой цели. Но любое реальное управление требует ресурсов, а само управление, т. е. изменение состояния системы, происходит во времени, иногда весьма значительном.
Поэтому достаточным набором для построения разумного управления является: информация о состоянии системы, её цели, имеющиеся ресурсы, располагаемое системой время для достижения этих целей и необходимые для этого действия.
Естественно, что этот набор должен расположиться и использоваться в определённой последовательности, образующей типовые этапы или технологию управления, применяемую независимо от отрасли, предприятия и характера задач. Типовыми этапами управления в процессе выработки и реализации управленческого решения считаются следующие этапы:
1. Определение цели, стоящей перед управлением системой или подсистемой (отраслью, цехом, участком, бригадой). Причём цель подсистемы должна увязываться с целью системы более высокого ранга.
Следовательно, постановка цели и её реализация должны рассматриваться в рамках программно-целевого подхода.
2. Получение информации о состоянии системы и о внешних факторах, действующих на систему.
При сборе, получении и обработке информации, т. е. всего того, что может дополнить наши знания, убеждения и предположения о системе и внешних факторах, различают следующие понятия:
- сообщение - упорядоченный набор символов, служащих для выражения информации;
- документ - материальный носитель сообщения в виде письма, справки, ведомости, наряда и др.;
- сигналы - физические факты, явления, процессы, служащие для передачи и накопления сообщений;
- шум - помехи, затрудняющие получение сигнала.
3. Обработка информации, оценка её точности, представительности, достоверности.
4. Анализ информации, сбор при необходимости дополнительной информации, её экспертиза.
5. Принятие управленческих решений в соответствии с целями системы, полученной и обработанной информацией.
6. Придание решению чёткой, желательно нормативной формы, обеспечивающей индивидуальную ответственность исполнителей, поэтапный количественный и качественный контроль.
7. Доведение решения до исполнителей. Здесь используются различные методы обучения, агитации, пропаганды.
Наиболее целесообразной формой решения являются закон, правило, норматив, обеспечивающие эффективное управление.
8. Реализация управляющего воздействия, например, строительство или реконструкция производственной базы; освоение новых видов услуг; введение новой системы морального и материального поощрения рабочих; направление металлорежущего станка в ремонт или его списание и т. д.
9. Получение отклика (реакции) системы на управляющие действия в виде новой порции информации об изменении состояния системы.
При полном достижении системой назначенных целей в заданное время управление является оптимальным. Если состояние системы ухудшилось, то управление нерационально. Если произошло улучшение состояния системы, но цели полностью не достигнуты, то управление является рациональным.
После этого наступает 10-й этап, в процессе которого анализируются причины, по которым цели не были достигнуты, при необходимости либо причины ликвидируются, либо корректируются цели.
Таким образом, управление реальными системами носит многошаговый, итеративный характер, когда к достигнутой цели приходят не за один, а за несколько шагов, последовательно корректируя действия с учётом достигнутых результатов.
Одна из типичных ошибок управления на разных уровнях - это попытка достичь цели за один ход, что для многих, а особенно больших систем является просто нереальным по следующим причинам:
- мы не располагаем, как правило, всей информацией о состоянии системы и действующих на неё факторов;
- реализация решения происходит во времени, иногда значительном, при этом ряд факторов, действующих в системе и на систему, изменяются;
- большие системы инерционны и для изменения их состояния требуется значительное время;
- главный действующий субъект управления - человек - консервативен, и требуется адаптация к новым целям и методам их достижения.
Примерами медленного изменения состояния систем являются трудная и продолжительная приспособляемость большинства людей к рыночным условиям, чрезвычайно длительное освоение специалистами персональных компьютеров и др.
Таким образом, при выработке и принятии управленческого решения, необходимо учитывать дефицит информации, значительный разрыв между моментами принятия и реализации решения и те последствия, которые могут возникнуть (социальные, технические, экономические) в результате реализации этого решения.
ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ (АСУТП)
2.1. Общие положения
Отличительными признаками сложных АСУТП являются [1]:
- многоканальность, т. е. наличие нескольких каналов, каждый из которых вычисляет определенную функцию, частную по отношению к общей задаче системы;
- многосвязность, т.е. большое количество связей между элементами системы;
- наличие вспомогательных и дублирующих устройств.
Исходя из вышеперечисленных особенностей, сложная АСУТП может находиться в нескольких рабочих состояниях, так как выход из строя отдельных её элементов не вызовет полного отказа системы, т. е. прекращения выполнения ею заданных функций, но ухудшит в той или иной степени качество функционирования. Следовательно, отказ какого-либо элемента приведёт функционирующую систему в состояние частичной работоспособности.
С этой точки зрения АСУТП оценивают по критериям функциональной и эффективной надёжности.
Под функциональной надёжностью Рф понимают вероятность того, что данная система будет удовлетворительно выполнять свои функции в течение заданного времени.
Эффективную надёжность Рэ оценивают по среднему значению (математическому ожиданию) величины, характеризующей относительный объём и полезность выполняемых системой функций в течение заданного времени по сравнению с её предёльными возможностями. Введение критерия эффективной надёжности связано с тем, что каким-либо отдельным показателем функциональной надёжности не удаётся оценить функционирование сложной системы.
Сложная система кроме надёжности каждого блока и всей системы характеризуется ещё относительной важностью потери системой тех или иных качеств. Поэтому под Рэ понимается некоторая количественная мера, оценивающая качество выполняемых системой функций.
Оценка функциональной надёжности системы
Прежде чем произвести оценку надёжности системы в целом, необходимо найти показатели надёжности отдельных её звеньев (подсистем). Для этого следует определить их состав на основе анализа структурной схемы данной (или проектируемой) системы. Необходимо также выделить комплекс устройств (подсистем), всякий отказ в работе которых приводит к отказу всей системы.
В АСУТП таким устройством (основным), как правило, является ЭВМ (вычислительное и запоминающее устройство).
После этого необходимо установить функциональные связи основного устройства с дополнительными, которые в процессе работы системы время от времени подключаются к основному устройству на время т для обмена и обновления информации. Очевидно, что влияние таких устройств будет определяться главным образом тем, какова вероятность нахождения этих устройств в рабочем состоянии в любой произвольный момент времени t.
Таким образом, функциональная надёжность системы зависит от безотказной работы как основного устройства (комплекса) в заданное время, так и до-
полнительных устройств, работающих совместно с основным в течение времени т:
Рф = f {Ро (t); кі; Рі (Ti)} , (1)
где Р0 (t) - вероятность безотказной работы основного элемента; кі - коэффициент готовности i-го устройства; Рі (ті) - вероятность безотказной работы i-го дополнительного устройства при совместной работе с основным за среднее время при решении основной задачи.
Так как вся система работает в основном режиме, то её функциональная надёжность определяется по зависимости [1]
Рф = Ро(t)П кі ¦ Pi(ті К (2)
i=1
где m - количество дополнительных устройств в системе. Если резервирования в системе нет, то
1+рі
Pi ¦Г
¦Хіті
¦Хор
Ро (t) = е
Рі (t) = е(3)
где Х0, Хі - соответственно средняя интенсивность отказов основного и допол-
Х і 1
нительного устройств; р = ; ц = ?і - среднее время восстановления рабоче-
Ц і
го состояния устройства; Хі-1 = Ті - среднее время безотказной работы.
В случае, когда t ^ да, коэффициент готовности i-го устройства
T;
Из сказанного следует, что функциональная надёжность учитывает временные функциональные связи между дополнительными и основными устройствами системы.
2.3. Оценка эффективной надежности систем
Для определения эффективной надёжности системы следует рассмотреть все комбинации состояний устройств, составляющих полную группу событий. Так как каждое из m + 1 рассматриваемых устройств (включая основное) может иметь два состояния (исправно или нет), то число комбинаций, составляющих полную группу событий, будет равно n = 2m+1. Тогда эффективная надёжность системы определяется выражением [1]:
Рэ =iPj (t )-Ej
j=1
где Pj (t) - вероятность j-го состояния системы в какой-либо момент времени t; Ej - коэффициент эффективности; определяется как весовой коэффициент важности выполняемых задач в j-м состоянии системы по сравнению с полным объёмом задач, решаемых в системе.
Коэффициент эффективности Ej показывает, насколько снижается работоспособность системы при отказе данного элемента, т. е. характеризует в системе вес элемента по надёжности и может принимать значения 0 Ej 1. Для элементов, отказ которых не влияет на выполнение системой основных функций, Ej = 0. Для элементов, отказ которых приводит к полному отказу системы, Ej = 1. Для вычисления коэффициентов эффективности системы Ej необходимо вычислить Еі по каждой частной задаче с учетом её относительной важности. При этом соблюдается условие
М
S Ei = 1 ,
i=1
где М - общее число задач, решаемых системой.
Коэффициент Ej в этом случае определяется как сумма весовых коэффициентов частных задач, решаемых системой в j-м состоянии:
R
Е j = S Ei,
i=1
где R - количество частных задач, решаемых в j-м состоянии.
Таким образом, эффективная надёжность характеризует относительный объём и полезность выполняемых системой функций в течение заданного времени по сравнению с её предельными возможностями.
Пример расчёта функциональной и эффективной надёжности системы управления (СУ)
Задана система управления гидроприводом, состоящая из основного устройства А (решающее устройство) и вспомогательных устройств В (датчик давления) и С (насос с электроприводом) (рис. 2).
Исходные данные: время работы системы t = 1000 ч; коэффициент готовности вспомогательных устройств кв = 0,95; кс = 0,85; весовые коэффициенты: Е1 = 0,2 - приём информации в устройстве В; Е2 = 0,2 - передача информации из устройства В в устройство А; Е3 = 0,3 - обработка информации в устройстве А; Е4 = 0,2 - выдача информации из устройства А в устройство С; Е5 = 0,1 - вывод информации из устройства С. Интенсивность отказов основного устройства А - Ха = 0,07 - 10-6.
Требуется рассчитать функциональную и эффективную надёжность системы при максимальной интенсивности отказов устройств X (табл. 1).
Определяют вероятность безотказной работы элементов по зависимости (3):
РА = е-хА ‘1 = е-’07'10 6 '100 = 0,999;
РВ = е-х В'1 = е - 66'10 -6 '1000 = 0,993;
Рс = е-^ с '1 = е - 27,4'10 -6 '1000 = 0,972.
Определяют функциональную надёжность системы по зависимости (2):
Рф =Ра ¦ (Кв ¦ РВ) ¦ (Кс ¦ Рс) = 0,999 - (0,95 - 0,993) - (0,85 - 0,972) = 0,778. Определяют эффективную надёжность системы по зависимости (4), для чего составляют таблицу состояний системы (табл.
2).
Рэ = І Рj ' Ej = 0,964 ' 1 + 2,7 ' 10-2'0,9 + 6,0 - 10-3'0,8 + 9,6 - 10-4'0,5 + j=i
+ 1,9 ' 10-4'0,5 + 2,7 ' 10-5'0,4 + 6,8 ' 10-6'0,1 + 1 ' 10-7'0 = 0,994.
После расчёта функциональной и эффективной надёжности системы управления проверяют правильность полученных результатов с помощью ЭВМ по программе МРОМ1 (приложения 1, 2), а распечатку результатов по заданию 1 представляют вместе с отчётом преподавателю.
| 1. Интенсивность отказов устройств | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| 2. Возможные состояния системы управления гидроприводом | |||||||||||||||||||||||||||||||
|
Задание к практическому занятию 1
Задание: рассчитать функциональную и эффективную надёжность одной из систем, блок-схемы которых представлены на рис. 3. Составить таблицу возможных состояний системы управления.
Проверить результаты расчёта с помощью ЭВМ по программе МРОМ1 (приложения 1, 2).
Коэффициенты готовности вспомогательных устройств КВ = 0,8; КС = 0,85; KD = 0,9; КЕ = 0,95. Интенсивность отказов основного устройства ХА = 0,05 - 10-6 ч. Время работы системы t = 1000 ч. Возможные состояния системы представлены в табл. 3. Задание, согласно номеру варианта по табл.
4, выдаёт преподаватель.
| 3. Возможные состояния системы | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| 4. Исходные данные к практическому занятию 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЙ РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ
3.1. Общие положения
Автоматизированные системы управления технологическими процессами обеспечивают повышение эффективности производства за счёт повышения производительности труда, увеличения объёма производства, улучшения качества выпускаемой продукции, рационального использования основных фондов, материалов и сырья и уменьшения числа работающих на предприятии. Внедрение СУ отличается от обычных работ по внедрению новой техники тем, что оно позволяет перевести производственный процесс на качественно новую ступень развития, характеризуемую более высокой организацией (упорядоченностью) производства [2].
Качественное улучшение организации производства обусловлено значительным увеличением объёма обрабатываемой в СУ информации, резким увеличением скорости её обработки и применением для выработки управляющих решений более сложных методов и алгоритмов, чем те, которые использовали до внедрения АСУТП.
Экономический эффект, получаемый от внедрения одной и той же системы, зависит от уровня организованности производства (стабильности и настроенности технологического процесса (ТП)) до и после внедрения АСУТП, т. е. может быть различным для разных предприятий.
Основные затраты на создание и эксплуатацию системы управления
Основные затраты на создание СУ состоят, как правило, из затрат на предпроектные и проектные работы Sn и затрат So6 на приобретение специального оборудования, устанавливаемого в СУ. При этом в стоимость проектных работ включают помимо расходов, связанных с разработкой проекта, и затраты на разработку математического обеспечения и внедрение СУ, а в стоимость оборудования - помимо стоимости средств управляющей вычислительной техники, устройств подготовки, передачи и отображения информации, стоимость тех узлов технологического оборудования, модернизация или разработка которых вызвана условиями работы оборудования в системе ТП - АСУТП [2].
Кроме затрат на создание СУ предприятие несёт ещё и затраты на её эксплуатацию. Таким образом, годовые затраты на СУ [2]
Сс = (Sn + Боб) / Т + Бэкс, (5)
где Т - время эксплуатации; обычно Т = 5 - 7 лет; Бэкс - годовые эксплуатационные затраты, руб..
