ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ

Информация определяет многие процессы, происходящие в системах управления технологическими объектами. В общем виде процесс управления с помощью программного устройства происходит в следующей последовательности: подготовка исходной информации для обработки детали или позиционирования, ввод информации или исходных данных; переработка введенной информации, управление исполнительными органами во время работы технологического оборудования.

1.1. Общие сведения об информации

Все процессы, происходящие в системах управления, связаны с различными физическими носителями информационных сообщений, а все узлы и блоки этой системы являются физической средой, в которой про­исходят информационные процессы. Воздействуя на параметры системы, информация переводит ее из одного состояния в другое, что и является управлением.

Управление может быть неавтоматизированным и автоматизированным. На рис.1.1 представлена схема неавтоматизированного управления технологическим оборудованием, осуществляемого оператором.

		управления

Рис.1.1. Неавтоматизированное управление

В процессе подготовки к управлению технологическим оборудованием технолог определяет производительность операций, записанных в технологической карте. Оператор посредством сигналов образует цепь управления технологическим оборудованием. Фактическое выполнение команд управления оператор фиксирует по цепи обратной связи.

В системах с автоматическим управлением оператор не участвует в технологическом процессе (рис.1.2.) Состояние технологического обору­дования характеризуется рядом выходных величин. Под влиянием управляющей программы и внешних возмущающих воздействий изменяется состояние объекта управления, возникает рассогласование. Для ликвидации рассогласования вырабатываются управляющие воздействия, поступающие на технологическое оборудование от системы управления.

Системы автоматического управления могут быть построены по ра­зомкнутому и замкнутому контурам. В первом случае управляющее устройство связано с технологическим оборудованием одним каналом связи. Команды управляющей программы через устройство ввода (УВ) поступают в блок управления приводом (БУП), который воздействует на технологи­ческое оборудование. При этом поток информации движется только в од­ном направлении. Примером могут служить системы управления техноло­гическим оборудованием с шаговым приводом подач.

Рис.1.2 Автоматическое управление

Наибольшее распространение получили системы автоматического управления, построенные по замкнутому контуру, т.е. имеющие канал передачи сигналов управления и канал обратной связи. Канал обратной связи несет информацию о состоянии контролируемой величины в блок сравнения (БС), где формируется управляющее воздействие в блок управления приводом. Объектом контроля может быть состояние технологического оборудования, пространственное положение исполнительных узлов, обрабатываемая деталь и т.п.

Согласно теории передачи и преобразования информации для систем автоматического управления необходимо установление меры, количества и качества информации. Информационные меры рассматриваются, как правило, в трех аспектах: структурном, статистическом и семантическом.

В структурном аспекте рассматривается строение массивов инфор­мации и их изменение для оценки возможностей информационных систем управления вне зависимости от условий их применения.

При статистическом подходе используется понятие энтропии как меры неопределенности, учитывающей вероятность появления и информативность того или иного сообщения. Статистический подход учитывает конкретные условия применения информационных систем.

Семантический подход позволяет выделить полезность или ценность информационного сообщения.

Рассмотрим структурную меру информации. Согласно теории информации элементарная единица управляющей программы (УП) - символ. Сим­волы, собранные в группы, - слова. Сообщения, оформленные в виде слов или отдельных символов, называют кадрами. Кадры управляющей программы несут в себе информацию по отдельным технологическим переходам, основным и вспомогательным командам. Различают главный кадр - первый кадр в последовательности кадров, характеризующий начальное состояние следующего за ним участка управляющей подпрограммы. Формат кадра - условная запись структуры кадра с максимально возможным объемом информации. В зависимости от системы управления формат кадра определяет порядок слов, объем информации.

Управляющая информация может быть непрерывной или дискретной. Если имеется функция Х(t), то она может быть представлена в непрерывном (рис.1.3,а) или дискретном (рис.1.3,б) виде. В непрерывном виде эта функция может принимать любые вещественные значения в данном диапазоне изменения аргумента t. В дискретном виде функция Х(t) может принимать вещественные значения для заданного диапазона изменений аргумента.

При структурном подходе учитывается только дискретное строение сообщения, оценить которое можно аддитивной мерой (мера Хартли), в соответствии с которой количество информации измеряется в двоичных единицах - битах.

Для оценки можно воспользоваться зависимостью (где q - основание системы счисления, n - число разрядов числа).Введем для удобства логарифмическую меру оценки информационной, позволяющую вычислить количество информации:

(1.1)

Следовательно, один бит информации соответствует одному элементарному событию, которое может произойти или не произойти. Такая мера количества информации удобна тем, что она обеспечивает возможность оперировать мерой, как числом. Количество информации при этом эквивалентно количеству двоичных символов 0 или 1. При наличии иерархических взаимосвязей между системами управления общее количество информации

(1.2)

где - количество информации от источника информации k.

б)

Рис.1.3. Представление функции Х(t).

В интегрированных системах измерение количества сообщений между иерархическими уровнями является довольно сложной задачей. За едини­цу информации условно принимается двоичная единица, которая пред­ставляет собой количество информации, полученной в результате одиночного выбора из двух равновероятных событий.

Любое программное устройство, с помощью которого мы получаем информацию, всегда обладает определенной степенью погрешности, из-за чего информация, выдаваемая им, не полностью достоверна. Поэтому принятая информация оценивается отношением условной вероятности P(y/x) состояния данного устройства после передачи сообщения о нем к вероятности P(x) до передачи сообщения.

(1.3)

Если сообщение о какой-либо ситуации абсолютно достоверно, то это означает, что никакой неопределенности нет, следовательно, P(y/x)=1. В этом случае количество принятой информации

В общем случае вероятности и не равны между собой. Поэтому принятая информация определяется средней информацией на одно сообщение, которая в этом случае имеет выражение

(1.4)

где суммирование ведется по всем i, j.

В результате получаем

, (1.5)

где - энтропия источников сообщений; (1.6)

- усредненная условная энтропия сообщений, или энтропия связи.

Выражение (1.5) определяет среднее количество информации, пода­ваемой на вход какой-либо системы передачи и переработки информации, а выражение (1.6) - среднюю потерю информации, которая при этом происходит, т.е. характеризует ненадежность системы.

Условная вероятность P(x/y) в этих выражениях означает веро­ятность P(y) при условии подачи сообщения X. Таким образом, условные вероятности характеризуют зависимость случайных событий или величин между собой. Если событие достоверно, то условная вероятность имеет выражение

т.е. равна единице, когда сообщение послано, и нулю, когда сообщение не посылалось. Очевидно, что если при j=i условная вероятность меньше единицы, то при j¹i она будет больше нуля. Если сообщение досто­верно, выражение (1.6) равно нулю и переданная информация будет равна энтропии источника сообщения.

Используя выражения (1.4),(1.5),(1.6), можно определить коли­чество информации, которая переносится с чертежа на перфоленту или с технологической карты управляющая программа в ЧПУ при известной вероятности ошибок, присущей данному оператору или группе людей.

Аналогичным образом можно определить количество информации на выходе каждого иерархического уровня производственной системы.

Рассмотрим пример расчета количества информации, вводимой в ус­тройство ЧПУ с чертежа детали. Информация, заключенная в чертеже, представляет собой взаимосвязь поверхностей, образующих деталь. Относительное расположение поверхностей задается координатами точек соп­ряжения этих поверхностей.

Для задания информации об отрезке прямой в любой системе коор­динат требуются два числа, определяющих положение отрезка.

(1.7)

где x_i, y_i - длины проекций i-ого отрезка на осях x, y; d_x, d_y - дискретности (точности) позиционирования.

Количество информации, которую содержит какая либо дуга окруж­ности, зависит от типа интерполятора УЧПУ и может быть определено по следующей зависимости:

(1.8)

где R - радиус окружности; d - точность позиционирования; a₁, a₂ - начальное и конечное значения угла касательной.

Как правило, при вводе информации об окружности количество информации удваивается.

Для примера на рис.1.4 рассчитаем количество информации.

Рис.1.4.Пример расчета количества информации

(d_x=d_y=d=0.01мм)

Для участков 0-1 и 2-3:

бит.

Для участка 1-2: ;

бит.

Общее количество информации, вводимой в УЧПУ о перемещении, равно: бит.

1.2 Иерархическое построение систем управления

Анализ производстиенных систем управления показывает, что с точки зрения информационных связей система ЗАКАЗ - ТЕХПРОЦЕСС - ИЗДЕЛИЕ - РЕАЛИЗАЦИЯ является сложной системой и имеет многоуровневую иерархическую структуру (рис.1.5). Она состоит из ряда подсистем, построенных по различному техническому принципу и выполняющих различные технологические и информационные операции. Общим для этих подсистем является получение заказа, анализ выполнения его в произ­водственной системе, передача и обработка потока конструкторско-технологической информации, необходимой для выполнения заказа, и реализация.

Рис.1.5. Иерархическое построение систем управления

Систему управления можно разделить на несколько иерархических уровней. Построение системы управления зависит от степени детализации и уровня автоматизации конкретного производства (табл.1.1) [9].

На нижнем уровне Х₀ находится технологическое оборудование: металлорежущие станки, транспортные устройства, сборочные роботы, секции автоматизированного склада, вспомогательное оборудование.

Таблица 1.1

Основные функции выполняемые на иерархических уровнях

На уровне Х₁ производится управление технологическим оборудованием с помощью локального устройства программного управления. В качестве локального устройства могут быть использованы системы прог­раммного управления: цикловые, позиционные, контурные, смешанные, адаптивные и т.п. В зависимости от особенностей устройства программ­ного управления управляющая программа может храниться в памяти УЧПУ, на программоносителях или передаваться через каналы связи от высшего иерархического уровня.

Иерархический уровень Х₂ соответствует АСУ участка, где решаются задачи оперативного планирования и диспетчирования работы участ­ка, автоматизированного выбора технологических процессов, диагностики состояния технологического и управляющего оборудования и т.п.

Уровень Х₃ соответствует АСУ цеха, где выполняются функции опе­ративного слежения и диспетчирования цеха, конструкторской и технологической подготовки производства, организации ремонтных служб, сбор и обработка информации хода производства.

Верхний иерархический уровень Х₄ соответствует АСУ предприятия (рис.1.6), где решаются вопросы маркетинга, планирования, прогнозирования, диспетчирования, размещения заказов, снабжения, учета, расчета производственных мощностей и т.п.

В зависимости от наличия иерархических уровней в системе управ­ления ее можно классифицировать на четыре класса.

1 КЛАСС (Х₁ – Х₀)-система с локальным управлением;

Код 0001.

2 КЛАСС (Х₂ – Х₀)-система управления автоматизированныму участком, включающая в себя системы с локальным управлением;

Код 0010, 0011.

3 КЛАСС (Х₃ - Х₀)-система управления атоматизированным цехом, включающая в себя автоматизированные участки;

Код 0100, 0101, 0110, 0111.

4 КЛАСС (Х₄ - Х₀)-система управления автоматизированным предприятием, включающая в себя автоматизированные цеха;

Код 1000, 1001, 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111.

Основные термины в области систем управления представлены в табл.1.2.

Рис.1.6. Структура АСУ предприятия (уровень Х4)

Таблица 1.2

Терминология в области управления производственными системами

Необходимо отметить, что разбиение на уровни является в значительной степени условным. При декомпозиции каждая из указанных под­систем конструктивно или концептуально может быть расчленена на отдельные модули, блоки. Иерархические уровни связаны между собой каналами связи или информационными связями.

Например, в условиях перехода от централизованной плановой экономики к рыночным отношениям существенно меняются подходы к решению проблем и требования, предъявляемые к организационной структуре интегрированных (гибких) производственных систем (ИПС) и функциям, выполняемым их отдельными службами и звеньями. Это справедливо не только для машиностроения, но и для других отраслей промышленности.

В новых экономических условиях при организации и функционировании интегрированных производственных систем на передний план выдвигается служба маркетинга, которая становится центральной в текущем и перспективном планировании, в обеспечении хозяйственно-распорядительной и финансовой деятельности предприятия, принятии управленческих решений. От результатов, скорости и качества работы службы мар­кетинга главным образом и зависит финансовое благополучие и само существование предприятия.

Многие предприятия уже приступили к организации службы марке­тинга в том или ином виде. К числу первоочередных задач для вновь организуемых служб маркетинга следует отнести:

- сбор заказов от потенциальных потребителей выпускаемой про­дукции;

- накопление информации о потенциальных заказчиках, анализ их платежеспособности, финансового положения и перспектив сотрудничества, в том числе долгосрочного;

- формирование текущей программы производства продукции на основе анализа информации о заказах, производственных возможностях, запасах, финансовом положении и др.;

- учет готовой продукции и организация ее реализации, в том числе по заказам.

Примерная схема организации службы маркетинга и функциональных взаимосвязей между подразделениями на первом этапе организации служ­бы приведена на рис.1.7.

Большие объемы необходимой информации и потребность в быстром принятии решений (в том числе при оценке новых заказов по производственным возможностям их выполнения и экономической выгодности) однозначно определяют необходимость применения современной компьютер­ной техники и информационных технологий.

Рис.1.7. Схема организации службы маркетинга

В связи с этим научно-исследовательской лабораторией "Инженер­ный центр ГПС" была поставлена задача разработки информационно-прог­раммного обеспечения для решения вышеперечисленных задач.

При разработке информационно-программного обеспечения интегри­рованных машиностроительных и производственных систем в основу под­хода положены следующие принципы:

- решение реальных, а не надуманных задач исходя из объективных потребностей производства в условиях рынка;

- открытость системы, широкий обмен данными между модулями с целью максимального снижения необходимости в повторном вводе информации;

- модульность автоматизированной системы, возможность постепенного ее наращивания и развития.

На втором этапе, при последующем развитии службы маркетинга, в круг решаемых ею вопросов включаются:

- формирование и введение баз данных первичной и вторичной маркетинговой информации по своей продукции и продукции конкурентов;

- сопоставление характеристик своей и конкурирующей про­дукции;

- анализ потребностей и производственных возможностей пот­ребителей, поставщиков и конкурентов;

- анализ товарной и фирменной структуры рынка;

- оценка общей конъюнктуры и перспектив торговли в конкретных регионах, странах и местностях, намечаемых в ка­честве рынков, с выбором наиболее перспективных из них;

- анализ цен, ценовых соотношений и пропорций и их роли в конкурентной борьбе на каждом рынке;

- оценка конкурентоспособности своей продукции на выбранном рынке в течение определенного промежутка времени;

- ситуационный анализ деятельности производственного предприятия;

- анализ эффективности маркетинговой деятельности.

Структура разрабатываемого информационно-программного обеспечения для первой очереди службы маркетинга в составе интегрированной (гибкой) производственной системы приведена на рис.1.8.

Важной характеристикой интегрированных производственных систем является степень централизации управления теми или иными функциями между иерархическими уровнями. Для каждой пары смежных уровней [(i-1), i] степень централизации B может измеряться отношением объема задач, решаемых на i-м уровне, к объему задач, решаемых на (i-1)-м уровне. Суммарная степень централизации системы будет иметь вид

, (1.9)

где k - число иерархических уровней ИПС;f_i - весовой коэффици­ент i-го иерархического уровня.

Рис.1.8. Структура информационно-программного обеспечения для первой очереди службы маркетинга в составе ИПС:БД-база данных

С повышением степени централизации повышается управляемость подсистем и увеличивается объем перерабатываемой информации на верхних иерархических уровнях. С повышением степени децентрализации уве­личивается самостоятельность подсистем и уменьшается объем информа­ции, перерабатываемой верхними иерархическими уровнями.

В зависимости от физической реализации устройств на иерархических уровнях и архитектуры системы загрузка устройств по времени и объему передаваемой информации будет различна. На рис.1.9 представ­лены упрощенные циклы работы.

Задавая ограничения на связи между уровнями, можно из множества систем, полученных при различных комбинациях уровней, выделить толь­ко практически реализуемые структуры для различных потоков информации и из них синтезировать необходимый для анализа набор систем уп­равления. При этом необходимо учитывать основные принципы системного подхода.

ПРИНЦИП НЕОБХОДИМОГО РАЗНООБРАЗИЯ. Наиболее эффективной ИПС является система, у которой число разнообразных

элементов подсистем ограничено как по максимуму, так и по минимуму.

Рис.1.9. Упрощенные циклы работы системы управления предприятием

ПРИНЦИП ЦЕЛОСТНОСТИ СИСТЕМЫ. Чем больше система, тем больше различия в размерах между частью и целым, тем больше вероятность того, что свойства целого могут сильно отличаться от свойств частей.

ПРИНЦИП ВНЕШНЕГО ДОПОЛНЕНИЯ. Ни один план не в состоянии предусмотреть всех возможных отклонений, возникающих в процессе его реализации.

ПРИНЦИП ОБРАТНОЙ СВЯЗИ. Без наличия обратной связи между взаи­мосвязанными и взаимодействующими элементами, частями системы нет основы организации эффективного управления.

ПРИНЦИП ВЫБОРА РЕШЕНИЙ. При окончательном выборе структуры ИПС решение необходимо принимать на основании альтернативного выбора.

Введем следующие требования для выбора структуры управления ИПС:

УСЛОВИЕ 1. Устройства верхних уровней соединяются с устройствами нижележащих уровней;

УСЛОВИЕ 2. Устройства иерархических уровней могут отсутствовать в структуре (исключение составляет уровень Х₀);

УСЛОВИЕ 3. Каждый иерархический уровень представляет собой локальные системы управления, выполняющие определенные функции,пред­писанные данной иерархии;

УСЛОВИЕ 4. Предложения, формируемые отХ_i-го иерархического уровня уровням X_i+1 и X_i-1 , должны быть минимальными;

УСЛОВИЕ 5. Локальные системы i-го уровня связаны между другими ие­рархическими уровнями по заранее определенным жестким сопряжениям;

УСЛОВИЕ 6. Если обслуживающее устройство занято, то заявка на обслу­живание становится в очередь.

УСЛОВИЕ 7. Между всеми иерархическими уровнями системы ЗАКАЗ - ТЕХПРОЦЕСС - ИЗДЕЛИЕ - РЕАЛИЗАЦИЯ должны быть предусмотрены обратные связи.

Обмен информацией в системе будет проходить следующим образом. В устройство уровня Х₁ записывается управляющая информация от уст­ройства уровня Х₂, если оно свободно и в нем записана нужная информация, в противном случае устройство уровня Х₁ ожидает в очереди на обслуживание (см.рис.1.9).

Устройство уровня Х₂, получив запрос с уровня Х₁, в свою очередь обращается к устройству Х₃ на запись управляющей информации. Может оказаться, что устройству уровня Х₂ при­дется некоторое время стоять в очереди на обслуживание к устройству Х₃ и т.д. Таким образом, время обслуживания вышестоящего устройства входит с некоторой вероятностью во время обслуживания нижестоящего устройства.

1.3. Декомпозиция структур систем управления

Анализ систем управления производством на стадии проектирования представляет определенные трудности, так как для каждого варианта структур требуется составление отдельной математической модели. Описания таких моделей системами уравнений из-за громоздкости, сложнос­ти и неопределенности информационных потоков создают трудности при проведении численного анализа.

Согласно [2] в ряде структур можно выделить подсистемы, состоя­щие из устройств двух уровней. Классифицировать и обозначать типовые подсистемы будем номерами основных уровней, от которых происходит управление. Например запись (X₄ X₃) обозначает, что рассматриваемая подсистема - типовая подсистема, в которой устройство уровня X₄ управляет устройством уровня X₃. Иногда подсистемы одновременно являются и системами, например, {X₂ X₀ }для 2-го класса будет системами №2 (код 0010) или №3 (код 0011).

Возможные виды типовых подсистем показаны на рис.1.10. Можно выделить десять типовых подсистем: для уровня Х₀ - четыре подсистемы (рис.1.10, а); для уровня Х₁ - три подсистемы (рис.1.10,б); для уровня Х₂ - две подсистемы (рис.1.10, в); для уровня Х₃ - одна подсистема (рис.1.10, г).

Для всех подсистем введем следующие обозначения: m_xi - число устройств уровня X_i, если элементы этого уровня в подсистеме являются обслуживающими устройствами (i=0,1,2,3), n_xj - число устройств уровня X_j, если элементы этого уровня в подсистеме являются обслуживающими устройствами (j=1,2,3,4 ).

Рис.1.10. Типовые подсистемы: а - уровня Х₀;

б - уровня Х₁; в - уровня Х₂; г - уровня Х₃

При этом для всех подсистем выполняется условие:

> , для всех > . (1.10)

При декомпозиции многоуровневых систем на типовые подсистемы необходимо ввести условия раздела, обеспечивающие независимый анализ подсистем с учетом того, что данная подсистема может быть включена в систему управления предприятием.

УСЛОВИЕ СОВМЕСТИМОСТИ. При стыковке двух типовых подсистем чис­ло управляемых устройств вышележащей подсистемы должно быть равно числу управляющих устройств нижележащей подсистемы, т.е.

при > > . (1.11)

Условие совместимости является необходимым при анализе подсис­тем. Для обеспечения условия совместимости целесообразно

в качестве исходных данных верхней подсистемы брать результаты, полученные для нижней подсистемы, т.е. проводить расчет снизу вверх по иерархичес­кой структуре. Например, для управления m_x0 -м технологическим оборудованием требуется n_x1 -х устройств Х₁, тогда в подсистемах {X₄ X₁}, {X₃ X₁}, {X₂ X₁} – m_x1 = n_x1. В подсистеме {X₂ X₁} для управления m_x1 -ми устройствами Х₁ требуется n_x2 -х устройств Х₂,тогда в подсистеме {X₄ X₂}, {X₃ X₂} – m_x2 = n_x2 и т.д.

УСЛОВИЕ НЕЗАВИСИМОСТИ. Время обслуживания управляющего устройства одной подсистемы в другой, вышестоящей не должно влиять на работу этого устройства при обслуживании управляемых устройств своей подсистемы, т.е.

_{ож об} £ _ои при > > , (1.12)

где _ож , _об - среднее время ожидания и обслуживания в подсистеме устройств уровня X_i устройствами уровня X_j ; _ои - среднее время обработки информации в подсистеме .

Условие независимости является достаточным при декомпозиции систем управления на подсистемы. Для обеспечения условия независимости необходимо, чтобы:

- запись информации в управляющее устройство производилась по его запросу в любое время;

- объем памяти обеспечивал хранение и запись новой, используемой в процессе управления информации.

Из этого видно, что условие независимости для некоторых видов систем невыполнимо.

Учитывая циклы работы станка (см. рис. 1.9), условие работы по (1.12) можно записать в следующем виде:

_{ож об ож об} £ _пз , (1.13)

где _пз - среднее подготовительно-заключительное время на партию деталей.

Описание такой совместной системы, состоящей фактически из двух подсистем, представляет определенные трудности, поэтому для подобных систем предлагается метод последовательных приближений. Этот метод состоит в том, что предполагается независимость работы двух подсистем. Проводится анализ нижней подсистемы , определяется _ож , и число управляющих устройств n_xj исходя из условия, что

_{ож об} £ _пз при i=1,2,3; j=2,3,4. (1.14)

После этого проводится анализ подсистемы при выбранном n_xj = m_xj и условии, аналогичном (1.14), но для подсистемы . Полученные _ож