Автоматизированные системы управления
10. Автоматизированные системы управления технологическими процессами на горных предприятиях
10.1. Принцип функционирования АСУ
Под автоматизацией управления понимается замена физического и умственного труда человека, затрачиваемого на управление работой технических средств.
Автоматизация управления предприятием может осуществляться двумя методами. Первый метод заключается в разделении всей совокупности проблем управления предприятием на обособленные задачи, которые изучаются и решаются отдельно, не будучи связанными со смежными задачами. Решения, найденные для других задач, при этом во внимание не принимаются.
Задачи могут решаться в определенной логической последовательности или параллельно, в зависимости от существующих ограничений экономического, технического или организационного характера. Достоинства метода заключаются прежде всего в том, что автоматизация управления по отдельным задачам не вызывает необходимости глубокого изменения структур в системе управления. Задачи управления зачастую и выбираются так, чтобы их автоматизация не затрагивала общей структуры существующих подразделений предприятия.
Метод позволяет подразделить совокупность процедур управления предприятием на такое число задач, которое ограничивается только условием достижения наилучшего результата. Поэтому выделяются и решаются в первую очередь те задачи и в таком объеме, чтобы их решение было связано с получением прямых положительных результатов.
Такие ограничения в количестве и объеме автоматизируемых задач управления неизбежно повышают эффективность автоматизации. Преимущества метода проявляются и в самой организации решения задач автоматизации управления. Каждая задача решается одним коллективом разработчиков, который специализирован на задачах (или на одной задаче) такого типа. Отпадает необходимость работ по увязке многочисленных задач управления в единую систему. Существуют возможности оценки затрат на разрабатываемую задачу, в частности, затрат машинного времени, что позволяет точно определять расходы на ее решение.
С помощью этого метода разработчики могут тесно сотрудничать с теми подразделениями предприятия, которые наиболее заинтересованы в автоматизации решения конкретных задач, что повышает качество и эффективность разработки.
Основной недостаток метод – трудность сопряжения разработанных в отдельности задач, обеспечения взаимного обмена и координации при их эксплуатации. Большие трудности связаны с расширением задач, функционирующих изолированно друг от друга. Приходится существенно перерабатывать информационное и математическое обеспечение. В большинстве случаев речь идет практически о новом решении уже рассчитанной задачи.
Рекомендуемые материалы
Недостаток метода проявляется также в слабом влиянии на совершенствование структуры управления предприятием. Автоматизация управления предприятием обычно создает благоприятные возможности для модернизации самой структуры управления и сопровождается ее существенной перестройкой. Эти возможности в данном случае практически не реализуются.
Решение отдельных задач управления предприятием связано с использованием в разных задачах одной и той же информации в различных сочетаниях исходных показателей. Это приводит к появлению избыточных массивов данных, равно как и процедур их обработки.
Из приведенной характеристики метода можно сделать вывод, что его использование не позволяет обеспечить системное решение проблемы автоматизации управления предприятием как единым технологическим, организационным и экономическим механизмом и это является главным недостатком метода.
Второй метод – системный – заключается в автоматизации системы управления предприятием, т. е. управления по принципу системного подхода. Потоки данных всех видов, используемых в управлении, образуют сложную информационную систему. Для автоматизации ее функционирования необходимо:
а) дать описание информационной системы предприятия (отрасли);
б) разделить систему на информационные подсистемы;
в) разработать автоматизированные информационные подсистемы с учетом их взаимосвязей;
г) создать автоматизированную систему управления путем соединения отдельных информационных подсистем.
Здесь важна совместимость информационных подсистем, которая достигается путем создания некоторых общих массивов информации и обеспечения обмена информацией между различными подсистемами.
Автоматизация управления по системному методу обеспечивает интеграцию управления предприятием. Это всегда приводит к необходимости значительного изменения существующей структуры управления предприятием, так как применяются некоторые общие для всех подразделений массивы информации и однократная регистрация данных, используемых различными подразделениями.
К недостаткам метода относятся:
большая трудоемкость и длительность создания автоматизированной системы управления;
необходимость изменения сложившейся структуры управления предприятием даже в том случае, если существующая структура достаточно эффективна;
высокая стоимость автоматизированной системы управления и трудность точного определения экономического эффекта.
Таким образом, автоматизация управления по системному методу приводит к созданию автоматизированных систем управления.
Автоматизированная система управления – человеко-машинная система, обеспечивающая автоматизированный сбор и обработку информации, необходимой для организации управления в различных сферах человеческой деятельности.
В этом определении отражены две особенности, отличающие АСУ от САУ (системы автоматического управления). Первая заключается в том, что АСУ – человеко-машинная система. Здесь человек принимает основные решения, а ЭВМ отбирает и устраняет избыточную информацию, а также облегчает доведение принятых решений до исполнителя. Вторая особенность состоит в том, что в АСУ осуществляются автоматизированный сбор, обработка и хранение больших объемов информации. Поскольку информация и методы ее обработки в различных сферах деятельности человека характеризуются весьма широким спектром, в АСУ для обработки информации применяют универсальные ЭВМ, ориентированные на широкий класс задач и имеющие развитую систему команд, многоуровневую внешнюю память большого объема, систему разнообразных внешних устройств для ввода и отображения информации.
Важным отличием АСУ от САУ является время реакции на поступающие сообщения, которое может исчисляться часами, сутками и более продолжительными периодами, т. е. система работает в режиме времени, отстающем от реального.
В рамках САУ роль человека сводится к контролю процесса управления и корректировке автоматически вырабатываемых решений в сложных ситуациях.
Автоматизированные системы управления классифицируются по ряду признаков.
По уровню управления.
Общегосударственная автоматизированная система сбора и обработки информации (ОГАС) предназначена для сбора и обработки информации и решения задач управления на уровне общегосударственных органов.
Отраслевая автоматизированная система управления (ОАСУ) решает задачи управления на уровне отраслевых министерств и ведомств, а территориальная АСУ—на административно-территориальном уровне (республики, края, области, района, города) .
АСУ производственным объединением (АСУ ПО) служит для решения задач управления производственным объединением, а АСУ предприятия (АСУП)—для решения задач управления предприятием и объединением.
Перечисленные АСУ функционируют как автономно, так и в составе АСУ более высокого уровня.
По характеру объекта управления.
Автоматизированная система организационного управления (АСОУ) служит для управления всеми видами хозяйственной деятельности людей. Подобные системы называют также экономико-организационными АСУ, поскольку управление хозяйственной деятельностью осуществляется экономическими и организационными методами.
Различают автоматизированные системы, управления технологическими процессами (АСУТП) и интегрированные АСУ (ИАСУ), предназначенные для управления хозяйственной деятельностью и технологическими процессами.
По роли человека в процессе управления.
Информационные АСУ обеспечивают сбор, обработку, хранение и выдачу информации о различных аспектах хозяйственной деятельности.
Советующие АСУ наряду с выполнением функций информационных АСУ подготавливают возможные варианты решений задач управления и выдают справки по запросу.
Управляющие АСУ предназначены для оперативного управления производством и технологическими процессами, когда требуется высокая частота выдачи управляющих воздействий. В этих системах формируются управляющие воздействия и роль человека сводится к принятию наиболее важных решений, а также к контролю процесса управления.
По функциональному назначению выделяются автоматизированные системы, предназначенные для решения родственных, однородных функциональных задач управления. Таких систем достаточно много, наиболее типичные из них: АСУ планированием, АСУ материально-техническим снабжением, АСУ качеством продукции, АСУ финансовой деятельности, АСУ транспортом.
10.2. Общая характеристика ОГАС, ОАСУ, АСУП, АСУТП
Общегосударственная автоматизированная система сбора и обработки информации представляет собой информационно-вычислительную систему, увязывающую на единой методологической, информационной, организационной и технической основе отраслевые, ведомственные и республиканские АСУ для решения задач планирования и управления народным хозяйством. Она включает следующие функциональные системы:
автоматизированную систему плановых расчетов (АСПР);
автоматизированную систему государственной статистики(АС ГС);
автоматизированную систему финансовых расчетов (АСФР);
автоматизированную систему управления наукой и техникой (АСУНТ);
автоматизированную систему управления материально-техническим снабжением (АСУМТС);
автоматизированную систему труда и заработной платы (АСТЗ);
автоматизированную систему управления строительством (АСУС);
автоматизированную систему обработки информации по ценам (АСОИЦ);
автоматизированную информационно-управляющую систему стандартизации (АИУС);
отраслевые автоматизированные системы управления министерств и ведомств (ОАСУ).
Структура ОГАС отражает особенности отраслевого и территориального принципов управления, характерных для народного хозяйства страны.
Цель ОАСУ — организация управления предприятиями отрасли административными и экономико-математическими методами.
Отраслевая система управления осуществляет вычислительную и логическую обработку поступающей от предприятий информации и своевременно обеспечивает работников отраслевого аппарата управления информацией, необходимой для принятия решений по увеличению выпуска продукции и улучшению ее качества.
Функциональная структура ОАСУ отражает функциональную и организационную структуры системы управления отраслью. Общим для всех ОАСУ являются экономические принципы народного хозяйства: полный хозрасчет, использование нормативов длительного действия, совершенствование планирования и управления, наилучшее использование ресурсов, экономическая эффективность производства.
Первичным звеном ОАСУ является АСУП — комплексная система управления производственно-хозяйственной деятельностью предприятия и объединения экономико-математическими методами с использованием ЭВМ. На ее основе реализуется системный подход к управлению предприятием (объединением), достигается высокий уровень интеграции основных видов его деятельности и, как следствие, повышаются технический и организационный уровни производства.
Основные задачи АСУП сводятся к сбору, обработке и анализу информации о деятельности предприятия (объединения). Обработанная информация в необходимом объеме представляется потребителям, т. е. руководству предприятия (директору, заместителям директора), руководителям централизованных подразделений (начальникам отделов), руководителям линейных подразделений (начальникам участков, цехов, служб).
В составе АСУП различают организационный, функциональный, эксплуатационный персоналы, ЭВМ и производственную систему.
10.3. Принципы создания и функционирования АСУ
Автоматизация управления — это качественно новый уровень решения всех задач управления, переход к которому возможен и эффективен при соблюдении ряда принципов, определившихся практикой создания и эксплуатации АСУ.
Принцип комплексного (системного) подхода заключается в том, что любая АСУ, представляющая собой совокупность большого числа взаимодействующих элементов, должна рассматриваться с позиций системного анализа как самого объекта, так и системы управления им.
Системный подход, как правило, предполагает изменения, причем существенные, в организационной структуре органов управления, формах документов, видах контроля и ответственности на различных уровнях выработки и принятия решений.
Системность подхода к созданию АСУ проявляется в выделении функциональных и обеспечивающих подсистем, каждая из которых, в свою очередь, является сложной системой.
Весьма важная составная часть системного подхода—организация единой информационной подсистемы, которая создается во взаимосвязи с другими подсистемами и должна быть с ними совместима. Это означает, что создаются некоторые общие информационные массивы, используемые всеми подсистемами. Обновление общих массивов осуществляется только частью подсистем, а не всеми. Наконец, должен быть обеспечен обмен данными между подсистемами посредством использования некоторых связных массивов.
Системный подход проявляется также в формировании технических средств АСУ. Здесь основные положения сводятся к соответствию структуры технических средств структуре и условиям функционирования управляемого объекта, совместимости технических средств с учетом развития системы и расширения её возможностей, к высокому уровню надежности функционирования АСУ, проявляющемуся, в частности, в том, что существенное снижение надежности отдельных составных элементов технических средств не приводит к заметному изменению надежности функционирования всей системы.
При создании математического и программного обеспечения АСУ системный подход означает, что предполагается возможность применения программ во взаимодействии с другими программами в различных системах алгоритмов. При этом используется иерархическая структура с несколькими уровнями группирования и подчиненности программ.
Системный метод заключается также в типизации систем и подсистем управления в целях использования типовых или базовых решений при создании новых АСУ. Для систем управления предприятиями уровень типовых задач достигает 50%, а использование типовых решений позволяет сократить затраты и сроки на создание АСУ.
Принцип новых задач заключается в том, что АСУ создаются для решения не столько существовавших ранее, сколько новых задач как по содержанию, так и по методам их решения. Такие задачи не могут быть решены без использования вычислительной техники. В основном они включают задачи оптимизации (планирования, использования ресурсов, принятия решений и др.), массового обслуживания, имитационные задачи, задачи поиска и проектирования. Принцип новых задач не исключает решений в достаточно большом объеме тех задач, которые решались и ранее в управлении производством, например, задач бухгалтерского и финансового учета, материально-технического снабжения, контроля. Однако наибольшая эффективность АСУ достигается именно в применении новых методов решений задач более высокого класса. Весьма часто использование таких решений фактически сводит к новым традиционные задачи управления производством.
Принцип первого руководителя определяется как условие обязательного участия руководителя и всего аппарата управления предприятием в создании АСУ. Практикой управления предприятиями, организациями, коллективами людей выработано множество приемов и методов принятия решений. Опыт руководителей представляет собой не просто набор интуитивных удачных решений, но результат весьма глубокого анализа функционирования предприятия часто при ограниченном информационном материале. Методы принятия решений опытным руководителем невозможно просто заменить системой автоматизированной обработки и анализа большого объема информации и формальным нахождением наилучшего решения, поскольку само определение конечной цели и эффективности функционирования всех звеньев системы предприятия является часто творческой задачей, не поддающейся строгой формализации. Участие руководителя в разработке АСУ предопределяет возможности правильного сочетания выработанных практикой методов анализа ситуаций и принятия решений с современными экономико-математическими методами, реализуемыми с помощью ЭВМ. Назначение АСУ, таким образом, заключается не в замене творческого опыта и потенциала руководителя, а в существенном расширении его возможностей анализировать большее количество информации и вариантов возможных решений.
Рациональное распределение функций между человеком и ЭВМ, между уровнями и узлами системы приводит к построению рациональной структуры системы. При этом функции управления и соответствующие информационные потоки распределяются таким образом, что на низших уровнях управления решается наибольшее число задач локального характера, а на более высоких уровнях—задачи, имеющие общий, стратегический характер. Такое распределение функций упрощает проблемы обеспечения «живучести» системы, замены отдельных устройств другими того же или более высокого уровня.
В соответствии с принципом непрерывного развития системы, эволюции АСУ планируется заранее, в процессе разработки при определении очередности ввода в действие функциональных подсистем. Развитие АСУ заключается в постепенном добавлении новых функций в соответствии с намеченным планом. При разработке и вводе в эксплуатацию первых очередей системы следует тщательно продумывать их сопряжение с задачами последующих очередей.
Если под общей целью управления понимать достижение оптимального значения критерия экономической эффективности функционирования предприятия, объединения, отрасли, то очевидно, что достижение такой сложной по совокупности решаемых задач цели возможно путем разложения задач управления на задачи меньшей размерности и децентрализованного решения каждой задачи.
Такое разделение АСУ на менее сложные части называется декомпозицией системы управления, которая сама по себе представляет сложную задачу.
Основной проблемой декомпозиции системы управления является принцип разделения. Система делится на подсистемы, под которыми понимают совокупность элементов, объединенных процессом функционирования для достижения цели, поставленной перед системой в целом.
10.4. Технологические процессы горного производства как объекты управления
Важнейшей особенностью горного производства является его естественная, природная база. Разработка месторождений полезных ископаемых, их добыча всегда требовали использования совокупности многих технических приемов, которые прошли многовековой путь развития от горного искусства до современной технологии горного производства.
Природная, база каждого месторождения характеризуется совокупностью признаков, называемых горно-геологическими условиями. Эти условия определяют специфику горной технологии и, поскольку они изменяются в очень широком диапазоне, существует большое многообразие типов горнотехнологических процессов.
Таким образом, при разработке месторождения имеют дело с вероятностным характером горно-геологических факторов, и это обстоятельство определяет вероятностный характер протекания всего производственного процесса добычи полезного ископаемого, включая горнотехнологические процессы.
Другая существенная особенность горнотехнологических процессов — пространственный характер горных работ, обусловленный тем, что в рамках одного предприятия экономически целесообразно вести горные работы на нескольких пластах, рудных жилах, горизонтах, крыльях шахтного поля. Пространственность горных работ связана с необходимостью своевременной подготовки очистных забоев и одновременным ведением очистных, подготовительных и горно-капитальных работ.
Горные работы ведутся в пространстве, имеющем сотни метров по вертикали и километры в горизонтальной плоскости. В этом пространстве функционируют сотни выработок различного назначения, общая протяженность которых составляет десятки и сотни километров. На этом пространстве действуют разные технические и технологические системы и объекты.
Основные производственные зоны на подземных предприятиях — очистные и подготовительные забои, рассредоточенные в пространстве и соединяющиеся между собой и с поверхностью системой подземных горных выработок, представляющей собой уникальную инженерную систему, в которой осуществляется интенсивный производственный процесс добычи полезного ископаемого.
Важным отличительным фактором технологических процессов является непрерывность перемещения горных работ, определяющая в каждый момент времени неповторяющееся состояние производственной ситуации. Необходимость перемещения очистных и подготовительных забоев, вывода из эксплуатации старых и введения новых выработок предопределяет высокий уровень динамики производства во времени, повышает вероятностный характер многочисленных производственных параметров вследствие изменения не только геологических, но и технологических факторов.
Динамика технологических процессов обусловливает наличие переменного фронта работ. Основные технологические процессы развиваются в очистных и подготовительных забоях, перемещающихся в пространстве со скоростями, как правило, до нескольких метров в сутки. Перемещение фронта работ зачастую означает существенное изменение условий горных работ, а также требует наращивания основных и вспомогательных магистралей (энергетических, транспортных, воздушных, связи и т. п.), перемонтажа оборудования. Это нарушает технологическую непрерывность процессов и вносит постоянные помехи в функционирование отдельных систем.
Необходимость ведения горных работ при минимальных объемах выработок является серьезным ограничением для функционирования горной техники и обеспечения требуемых условий безопасности. Это ограничение лишь частично снимается при проведении выработок по крепким рудам, когда обеспечиваются условия для эксплуатации крупногабаритной мощной горной техники. В большинстве же случаев сжатие рабочего пространства снижает манёвренность горных работ, ограничивает эффективность и надёжность технологических процессов.
Опасность горных условий оказывает существенное воздействие на характер и параметры горнотехнологических процессов, а также на организацию горных работ. Это влияние сказывается на большом количестве различных ограничений на приемы, методы, способы, технику и организацию ведения горных работ, которые в совокупности формируются в действующих Правилах безопасности.
Сложность горного производства — основная причина относительно меньшего уровня механизации и автоматизации горно-технологических процессов. В настоящее время нет полностью автоматизированных технологических процессов; автоматизированы отдельные технические системы и звенья, например, шахтный подъем, конвейерный транспорт, вентиляция подготовительной выработки.
Динамика технологического процесса определяется рядом временных признаков. С точки зрения последовательности различают параллельное, последовательное и смешанное выполнение технологических операций. По длительности основных операций они делятся на короткие и длинные, по длительности производственного цикла — на операции с коротким, средним и длинными циклами. Важной характеристикой технологического процесса является перемещение составляющих производственного процесса—предметов и средств труда. По этому признаку выделяются три варианта:
перемещение предметов труда, когда средства труда находятся в одном месте, а перемещается сам объект труда (например, детали и узлы при обработке и сборке);
перемещение средств труда, когда сам объект труда неподвижен, а перемещаются средства труда (например, подъемный кран относительно строящегося здания, угольный комбайн относительно пласта);
перемещение предметов труда и средств труда (например, электровозный транспорт полезного ископаемого).
Горнотехнологические процессы классифицируются по ряду признаков:
по характеру протекания в пространстве—общешахтные (общекарьерные), участковые, локальные;
по характеру протекания процесса во времени — непрерывные и смешанные;
по отношению к добываемому полезному ископаемому — основные, обеспечивающие, вспомогательные и обслуживающие.
Основные процессы непосредственно связаны с добычей, выдачей и обработкой ископаемого.
Обратите внимание на лекцию "Диагностика опухолей сердца".
Обеспечивающие процессы сами по себе с Действиями над продуктом труда (углем, рудой) непосредственно не связаны, их назначение — обеспечивать функционирование основных процессов. К обеспечивающим относятся процессы поддержания выработок, закладки выработанного пространства, снабжения электроэнергией, сжатым воздухом и водой, процессы вентиляции, дегазации и пылеподавления.
Вспомогательные процессы выполняются на предприятии для изготовления инструмента, мелкого оборудования, ремонта выработок, машин, механизмов, зданий и сооружений.
Обслуживающие процессы направлены на осуществление контроля основных и обеспечивающих процессов, обслуживание административно-хозяйственного комплекса предприятия.
Общешахтные — это такие горнотехнологические процессы, которые выполняются одновременно во всех (или в основных) выработках.
Для общешахтных процессов характерны: наличие разветвленной сети, в которой они протекают, централизованного механизма снабжения (подстанция, главный вентилятор, компрессор) и соответственно возможности централизованного управления процессом, а также иерархическая структура процесса, возможность расчленения процесса по нескольким составным частям и уровням управления, высокий уровень механизации процесса, высокая надежность.
Этими обстоятельствами объясняется, почему именно общешахтные процессы являются основными объектами для создания АСУТП. Здесь имеются большие возможности автоматизации управления и достижения высокой эффективности функционирования АСУТП.