ИУС в непрерывных производствах

Т. Б. Потапова, В. Ф. Шварцкопф

(ЗАО "ПЛК Системы" )

Источник: http://www.asutp.ru/?p=600619

Вопрос 1. Что есть иерархическая пирамида средств и систем автоматизации?
Ответ. Символ пирамиды требуется при описании свойств локальной технической системы для обозначения ее иерархических взаимосвязей. При попытках так же описать свойства больших открытых информационно-управляющих систем (ИУС) пирамида разваливается, трансформируясь в совокупность взаимосвязанных пирамид, сходящихся своими вершинами в одной точке.
Пояснение. Все специалисты по автоматизации производства привыкли к изображению пирамиды иерархии средств и систем автоматизации, где внизу – полевая автоматика, выше – локальные системы автоматизации (SCADA и DCS), далее – системы управления производством (MES) и на самом верху – экономические ERP-системы. Если нас интересует место локальной системы, то такое рассмотрение годится. Это – техническая система. И технологический персонал, ее использующий, исполняет получаемые сверху производственные задания, но не генерирует их.

Подступаясь к автоматизации производства (к MES-системам), мы тоже в этой пирамиде ищем того, кто сверху дает задания производственному персоналу. И, вообще говоря, не находим. Поскольку именно на этом рассматриваемом уровне формируются управления, учитывающие множество критериев – технологических, технических, экономических, социальных и т.п. Идет управление относительно самостоятельными административно-хозяйственными подразделениями предприятия.

Пирамида разваливается. Компания GE Fanuc Automation в своих презентациях прямо графически иллюстрирует этот развал. В компании "РТСофт" в MES-поясе большой пирамиды рисуется пять пирамид, имеющих разный функционал (управление качеством, производительностью, фондами и т.п.) и направленных навстречу друг к другу. Компании, ведущие ISO-9000, тоже используют пирамиды для описания своих структур: пирамиды – производственные функции.

А может, не мудрствовать лукаво и взять за основу организационную структуру производства? Во-первых, – иерархию подчинения: (I) исполнитель, (II) начальник технического подразделения (участок, бюро) со своей службой управления, (III) начальник административно-хозяйственного подразделения (цех, отдел) также со своей службой, (IV) директор предприятия со своей командой руководителей управлений и экспертов. И, во-вторых, – структуру функций предприятия – основных и вспомогательных, внутренних и внешних.

Тогда в графике (рис.1) мы имеем круг управления с вложенными концентрическими кругами подсистем различных ступеней иерархии: (I) приборные системы, (II) локальные системы ограниченной связности, (III) большие ИУС уровня цеха (отдела), (IV) интеграция систем. И имеем наложенные на этот круг пирамиды функций предприятия, соответствующие его самостоятельным организационным подразделениям.

Рис.1 Функциональная структура управления предприятием

Вокруг круга – объекты управления разного рода. Это материальное производство как объект внутреннего управления и внешняя социально-экономическая среда как совокупность рынков ресурсов разного рода. Это прошлое, проявляемое как энтропия разрушения, и будущее как негэнтропия созидания. В среднем организационная структура разных предприятий похожа:

(1) есть основные цеха, перерабатывающие сырье в готовый продукт,

(2) энергоцеха поставляют им энергоносители,

(3) склады и транспортные цеха обеспечивают непрерывность этой переработки, сами имея дискретный характер производственных операций,

(4) измерительные цеха (ЦЗЛ, ОТК, службы КИП и АСУ) делают все процессы управления наблюдаемыми (в меру возможностей используемых технических, программных средств и технологий),

(5) ремонтные службы компенсируют текущий износ оборудования,

(6) службы подготовки производства занимаются подготовкой проектов модернизации производства, отслеживая тенденции на рынках (в том числе рынках программно-технических средств (ПТС) и систем автоматизации),

(7) экономические службы управляют ресурсами предприятия,

(8) ОК и ОТИЗ – коллективами,

(9) отделы сбыта и МТС синхронизируют потоки в их материальных и стоимостных отражениях при распределении их между внутренними и внешними агентами.

Элементы (7), (8), (9) на предприятиях обычно образуют заводоуправление.

Исполнители (I ступень) решают простые задачи измерения (документирования исходных данных) и регулирования в рамках отлаженных операций и эвристических алгоритмов технического управления отдельными параметрами и режимами. В технологии это уровень применения контроллеров и SCADA-систем, в экономике – электронных таблиц клерками. На II ступени службы управления участками (бюро), включая в себя разнопрофильные группы людей1, решают задачи технического многосвязного управления выделенным производственным объектом при текущей диспетчеризации его работы с соседними участками (бюро). Здесь работают распределённые системы управления (DCS) в технологии и однофункциональные системы в экономике типа "1С-Бухгалтерия".

На III ступени управление относительно самостоятельными административно-хозяйственными единицами идет с использованием больших ИУС. В технологии известны PI (PlantInformation, OSI Software) и InfoPlus (AspenTech), на нескольких заводах СНГ работают свои доморощенные нетиражирумые системы. Проектируемая в нашей фирме общепромышленная ИУС "Орбита" относится к этой группе систем. В СНГ популярны свои экономические системы "Парус" и "Галактика" и зарубежные Baan, R3(SAP). Последние претендуют на роль интегрированных.

IV ступень – управление эволюцией предприятия и положением его на рынке своих продуктов. Здесь мы имеем не только практически неповторяющиеся задачи, но и неустойчивую структуру, адаптируемую к особенностям конкретных личностей – руководителей предприятия.

Данные пирамиды отражают вертикальные иерархические взаимосвязи. Чем ближе к центру круга, тем связей меньше, пирамида становится уже. Но тем более интенсивными и насыщенными становятся горизонтальные функциональные зависимости и информационные связи. На рис.1 это отмечается все более темным цветом серого круга управления. В центре, как и положено большим системам, мы имеем черную дыру (или белое пятно) – в общем, ту область, которая не поддается не только автоматизации, но и наблюдению.

Практически это означает, что попытки создать АРМы руководителей производства – больше политические шаги, чем технические проекты. АРМы реально сделать для технических специалистов, работающих на III иерархическом уровне. А для экспертов, помогающих директору и его заместителю, реально открытие витринных данных во всех подсистемах через вычислительные сети предприятия и Intеrnet.

В своей фирме (ПЛК Системы) мы пользуемся как раз этой многопирамидной (рис.1) структурой при анализе производственных систем срединного (между АСУП и АСУТП) слоя автоматизации и при создании системы "Орбита".

Вопрос 2. Что такое реальное время в ИУС?
Ответ. Реальное время в ИУС возникло из мечты – регистрировать происходящие события в моменты их появления, что дает новые возможности их учета, памяти и анализа. Но это мечта. А в жизни систем автоматизации мы имеем два времени. Одно время – физическое (циклы Солнечной системы), к нему привязаны операции измерения и регулирования (control). Другое – трансцендентное, это время производственных событий, происходящих со своими циклами. Точнее, их диагностики и анализа при управлении производством (management), идущих в так называемом производственном времени. Соответственно, мы имеем базы данных реального и многомерного производственного времени (БДРВ и БДПВ).
Пояснение. Сейчас общепринято реальным временем называть физическое время. В этом времени регистрируются изменения в производстве в виде физических сигналов с датчиков, в виде новых документов, сопровождающих партию ресурса какого-либо рода, или в виде изменившейся настройки в какой-либо подсистеме. Приборные системы работают с этими текущими данными. Их архивирование дает основной эффект внедрению SCADA-систем, позволяя видеть в исторических трендах близлежащие простые события.

Известно, что на более верхних ступенях управления производством используются виртуальные данные. Это производные от результатов измерений, прошедшие функциональные преобразования, пространственные и временные фильтры разного рода. Область этих производных (расчетных) величин – практически бесконечное поле технологических и технико-экономических показателей (ТиТЭП).

Каждый показатель получен своей системой фильтров и задач и в свой момент времени. При сопоставлении с адекватными ему показателями он строится в свой временной ряд. Аналоги – ряды чисел в графах журналов производственного персонала. Будем называть их данными производственного времени, а их базы – БДПВ. Диагностику событий ведут, сопоставляя временные ряды ТиТЭП между собой в разных сочетаниях (сочетания – функция структур объектов и систем управления)

Вектор производственного времени адекватен частотам человека не как физического существа, живущего в так называемом реальном времени со своими физиологическими циклами, а частотам его интеллекта (человек как трансцендентное существо). Наиболее используемые дискреты этого времени – минута, час, смена, месяц.

Так что же на самом деле реальное время?..

Вопрос 3. Чем отличаются ИС от ИУС?
Ответ. Любая реальная система одновременно является и информационной системой (ИС) и информационно-управляющей (ИУС). Но можно выделить два крайних варианта системы, образовав, таким образом, шкалу для оценивания ее степени интеллектуальности. Первый вариант (условно обозначим ИС(min)) – идеальная техническая система, в которую поступают и в которой хранятся все первичные данные. Пользователи работают с этими данными в рамках общеинженерных инструментов (например, Excel), сами строя для себя информационную среду обитания. Система обладает предельно высокими техническими характеристиками и предельно низкими потребительскими. Обратные свойства имеет ИУС(max). В ней каждый пользователь получает ту информацию, которая адекватна его производственным функциям. ИУС(max) требует почти бесконечных интеллектуальных ресурсов на свое создание и сопровождение. Вопросы реального проекта – каково рациональное место строящейся системы на этой шкале для данного конкретного предприятия и какова ее рациональная структура.
Пояснение. Грязная информация является наказанием для любой системы, отходящей от точки ИС(min). Причем энтропийные процессы здесь имеют те же закономерности, что и в физической природе. Усилий на поддержание чистых массивов виртуальных данных требуется никак не меньше того выигрыша, который будет получен за счет ускорения процессов управления производством. Чем дальше мы продвигаемся по шкале к точке ИУC(max), пользуясь испытанными техническими приемами IT-технологий, тем больше "мусорных" данных и больше требуется работы по их "уборке". Причем, как все закономерности подобного рода, рассматриваемая закономерность носит экспоненциальный характер. И, как всегда, чтобы не "взорваться", надо с упреждением переходить на качественно другие принципы системного построения.

В данном случае этот переход состоит в построении системы, имеющей следующие качественно более высокие характеристики.

Новые знания. Используются знания постклассических наук о больших системах и знание природы мышления человека как объекта автоматизации2. Кроме того, обязательной частью ИУС является совокупность имитационных моделей производства, симулирующих отдельные стороны его жизни, важные для создания, проектирования и ПНР большой ИУС.

Более сложная структура. В свое время САУ из единого "железного" устройства разделилась на отдельные информационные блоки – датчик, регулятор, вторичный прибор и исполнительный механизм. Сегодня история повторяется для ИУС. Она разделяется на измерительные и аналитические модули, пользовательские автономные подсистемы и общие информационные шины данных. Причем, все эти части являются интеллектуально самостоятельными (свои БД, ПО и ЧМИ, а также пользователи и администраторы).

Большая управляемость. Она обеспечивается не только за счет использования современных ПТС, витринных баз данных и разработки специализированных программных модулей, но и за счет того, что необходимым компонентом ИУС становится регламент производства. Что, впрочем, естественно, поскольку в реальном производстве именно он отражает регулярные информационные взаимосвязи между подразделениями.

Большая контактность с внешней средой. Все три вышеописанных фактора повышают эту контактность. Но главное, здесь – это измерение рационального уровня автоматизации на том предприятии, на котором ведется проект. Ведь повышение степени автоматизации может быть не только полезным, принося выгоду предприятию, но и вредным, неся ему ущерб от мало освоенных (или вовсе не освоенных) капиталовложений. Обязательным условием их максимального КПД является знание этого рационального уровня и программы его достижения.

Большая жизнестойкость. Все это слагается в большую систему с нелинейной архитектурой – систему, способную к регенерации в условиях изменчивой внешней среды.

Мы в своем проекте общепромышленной ИУС "Орбита" стараемся соблюсти эти принципы получения жизнеспособной системы нового поколения – системы, адекватной эволюции выживающей техногенной цивилизации.

Вопрос 4. Почему невозможна "красная кнопка" для руководителя верхнего звена управления производством?
Ответ. Мы не отрицаем ни компьютера на столе руководителя верхнего звена, ни его права знать самому или с помощью своего референта и экспертов любую информацию из витринных архивов информационной сети предприятия. Мы лишь утверждаем, что для руководителя невозможно разработать специализированный интерфейс как совокупность видеокадров, объединенных специализированным меню. И никакие OLAP-технологии здесь не помогут.
Пояснение. Можно при доказательстве этого положения оперировать примерами собственного и чужого опыта, а также логикой их анализа. Но рассмотрим лишь три аспекта этой проблемы.

Первый касается шкалы формализации мыслительной деятельности человека. Она, с одной стороны, ограничена стабильно повторяющимися мыслительными операциями, которые хорошо структурируются в рамках стандартных алгоритмов и в системах автоматизации реализуются чаще всего в контроллерах. С другой стороны шкалы – неповторяющиеся задачи, отражающие эволюцию производства и управления им. Они обладают структурной новизной и не поддаются формализации. В середине – повторяющиеся задачи, структуры которых медленно дрейфуют. В действительно работающих ИС и ИУС этот дрейф отслеживают администраторы, реагируя на повышенное содержание грязных данных изменением настроек систем и даже их структур.

Успешно работающие руководители решают свои сложные задачи как раз в той стороне шкалы, где главными являются не прямые данные, являющиеся в ИС, а скрытые фоновые, идущие из личного общения людей. Правда, порой, руководители так устают, что им не хватает эмоциональных сил решать сложные задачи, и они обращаются к простым: "распределяют гвозди" или через свой компьютер общаются с информационными системами. В то время как ИС и ИУС – прямой инструментарий их экспертов и референта, готовящих штатные и новые сводки для своих шефов.

Второй аспект связан с первым. Воля не нужна человеку при решении типовых задач, и, наоборот, без нее не обойтись, когда приходится действовать в условиях повышенной неопределенности. Автоматизируя производство, мы все более сковываем волю людей, стандартизируя их мышление. Руководителю работа с компьютером, вообще говоря, противопоказана, и он интуитивно должен его сторониться. Современная информационная среда является довольно мощным фильтром, снижающим творческие силы людей и ослабляющим напор НТП.

Третий аспект заключается в умелом использовании менеджерами ИУС дефицита мифов (сказок) в современном обществе. Человек одновременно и тянется к ним, и пасует перед ними. И, в общем, его недорого можно купить на спекуляции мифами из области все имеющих и все умеющих ИУС.

Вопрос 5. Почему математическое моделирование как мощный инструмент познания производства не становится мощным инструментом для управления им?
Ответ. Лишь через десятилетия попыток разного рода человек начинает искать ответ на этот вопрос в самом себе, а не в анализе козней внешнего мира. Человек как истинное существо дуален (антиномичен) во всех своих проявлениях. Он познает мир с помощью моделей, а действует, отрываясь от них. И создает в этом отрыве новое: эволюция идет в мир через человека. В системах автоматизации точно также. При их разработке модели нужны обязательно (иначе будут созданы морально старые системы). А при эксплуатации ИУС модели не нужны: у ЛПР нет времени использовать чужой опыт (к тому же в виде всегда ущербной модели) – нужно быстро мобилизовывать свой.
Пояснение. Анализ показывает, что не более 5% всех подсистем автоматизации используют в своих контурах математические модели. Это похоже на тот объем мыслей и образов, который прорывается в область сознания человека из его существенно более мощного подсознания. Можно сказать, что последние 40 лет поиска в области моделирования объектов и систем управления как раз обеспечили определенную надежность современной сфере автоматизации и информатизации. И это отдельный рассказ. А вот необходимое забвение этого опыта в работах современных IT-специалистов (приходится загружать память освоением новых сложных ПТС) ведет к прогнозируемому снижению потребительских свойств систем автоматизации. Поэтому необходимым направлением сегодня должно быть построение робастных (грубых) систем, малочувствительных к параметрическим изменениям внешней среды.

Наиболее подходящей моделью мышления человека, позволяющей строить робастные системы, служит модель К. Юнга. В ней (рис.2) человек рассматривается в четырех функциях его мыслительной деятельности: эмпирические ощущения (Э), чувства (Ч), рациональная логика (Р) и интуиция (И), – при делении людей на два психологических типа (экстраверты и интроверты) и при работе мышления на двух планах (сознания и подсознания). К. Юнг использовал круг для интерпретации пространства этой деятельности, точнее, два – круг сознания и круг подсознания. Если мотивы (установки) сознательной деятельности человека черпаются в основном из окружающего мира, то он – экстраверт, если – из его внутреннего мира, он – интроверт. В этой классификации К. Юнг выделил 8 типов людей.

Рис.2 Модель мышления человека по К. Юнгу

В среднем человек в соответствии со своими свойствами занимает полукруг какой-либо части плана сознания и противоположный ему полукруг плана подсознания. Благодаря чему сохраняется целостность и устойчивость его мышления. Пример одной координации сознания дан на рис.2а, и дополняющего его подсознания – на рис.2б. Это модель мышления характерна для диспетчеров. А обратную по расположению полюсов модель имеют, например, технические специалисты функциональных отделов и цехов. Если, конечно, природа их мышления не противоречит занимаемой должности.

Анализ этой модели помогает строить структурные модели управления производством и использовать их при разработке ИУС, помогает ограничить звездные замыслы разработчиков и создавать реально работающие системы уже на стадии проекта, избегая мучительных переделок на стадиях ПНР и начальной эксплуатации.