Автоматизированная система мониторинга и анализа производственного процесса

УДК 338.364:004.9

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И АНАЛИЗА ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ПРОЦЕССА

БЕЛОВ А.А., канд. тех. наук, МАЛАФЕЕВ А.В., инж.

Приведены принципы и схема построения автоматизированной системы мониторинга и анализа производственного процесса, реализующей функции МЕБ-системы и обеспечивающей информационную поддержку системы управления качеством и эффективностью производства.

В сложной системе управления производственным предприятием можно выделить несколько уровней (рис.1):

- уровень стратегического управления (АСУП, ERP) - стратегическое административно-финансовое планирование и управление, решающее задачи: что произвести; в каких объемах; к каким сроками; из чего и пр.;

- уровень тактического управления (АСУ ПП, MES) - уровень начальников производств, цеховых технологов, диспетчеров, мастеров, решающих задачу: как произвести заданное; по каким технологиям; на каком оборудовании; в каком порядке выполнять заказы; чтобы минимизировать издержки и обеспечить требуемое качество;

- уровень оперативного управления (АСУ ТП, SCADA) - уровень контроллерного управления, HMI с человеком-исполнителем, решающий задачи поддержания технологических режимов производственных процессов.

Рис.1 Схема управления производственной системой.

Автоматизированная система мониторинга и анализа производственного процесса (далее АСМА) реализует функции систем класса MES, связанные с управлением:

- контроль качества продукции, процессов и персонала;

- контроль и анализ технологии;

- контроль загрузки и технического состояния производственного оборудования;

- контроль энергопотребления;

- документирование производственных процессов и т.д.

Опираясь на уровень SCADA и взаимодействуя с ERP (MRP), системы класса MES увязывают в единое целое информационные ресурсы предприятия, активно способствуют их развитию, решению важнейших задач управления производст-

вом. Среди таких задач в настоящее время выделяются задачи управления качеством и эффективностью производства, направленные на непрерывное улучшение деятельности предприятия. Нормативная база системы управления качеством регламентирована стандартами серии ИСО 9000-2001, в основе которых заложены такие принципы, как ориентация на запросы потребителя, лидерство и вовлечение персонала в творческое участие при выработке и реализации управленческих решений, системный и процессный подход, ориентация на непрерывное улучшение, в первую очередь благодаря постоянному обучению персонала, принятие решений на основе фактов, т.е. на основе полной и достоверной информации, превращаемой в знания. Эти принципы определили методологию построения АСМА, ее назначение и содержание. Вместе с тем при разработке АСМА были учтены следующие требования:

- единства информационного пространства, обеспечивающего возможность согласования всех данных;

- развития системы, т.е. возможности модификации существующих функций системы и добавления новых в процессе эксплуатации;

- учета реального времени, необходимого для регистрации и анализа процессов, их последовательности в рамках всей производственной системы;

- адаптации к изменяющимся потребностям пользователей по мере их совершенствования (обучение).

Исходя из указанных принципов и требований, была разработана схема построения АСМА, в которой на начальном этапе производится формирование типового (элементарного) процесса. В общем виде типовой процесс (операция) описывается совокупностью данных (рис.2), характеризующих:

- материальные ресурсы (сырье) С/={щС]Ы,дС]}, включающие оценки качества (щС]ы) и количества

(9Сц);

- энергетические ресурсы Э//={ дэ/};

- трудовые ресурсы (персонал) Чр={ д^};

- технические ресурсы (оборудование) О\={Ц°р} (количество оборудования имеет комплексную (единичную) оценку, необходимую для реализации ¡-го процесса; если для реализации /го процесса параллельно используются несколько единиц (или комплексов) оборудования, то каждая представляется как типовой процесс);

- временные ресурсы (временные координаты процесса) Т={Т°р ТТэ}, включающие время загрузки (использования) оборудования, персонала, энергетических источников;

- продукты Пк={ д"]к};

- режим Pj={pjv}, стремящийся к достижению заданного Pj = {ру}, необходимого для получения продуктов заданного качества Пjk .

Э Э

^ ... ... j " |fi

j2

Процессj

П

Рис.2. Информационная схема типового процесса

В целях обеспечения образного восприятия объекта управления осуществляется структуризация этой совокупности данных (первичных ИО) путем формирования информационных объектов (образов) ИО:

- паспорт партии ПЦ = \\Pjk ^Щк(анало-

К К

гично

UCji ^ UCji , поскольку llj = C

j+n ,

I I

- режимная карта PKj = Pj (Oj, Cj);

- карта операции КО^ = Pj и Чj и Э^ и Tj .

На основании указанных вторичных ИО формируется ИО типового элементарного процесса (операции) - ОП, который, с одной стороны, является базовым для формирования структуры производственного процесса, с другой стороны, - основой для статистического анализа данной операции.

Формирование структуры производственного процесса производится в соответствии с методом моделирования, изложенным в [1]. Следуя системно-процессному принципу, посредством ОП удается отобразить весь ход производства продукции, всю последовательность передела сырья и получить полную картину всей кампании в различных аспектах и уровнях восприятия, удовлетворяя тем самым различные информационные потребности различных ЛПР.

Важнейшим документом, регламентирующим технологию производства изделия марки Му, является технологическая карта, которая представляется путем объединения

тк

J

В практике производства РК создаются на основании разработанной технологической службой ТК(Му), т.е.

TK (Mv) ^ PK-,

Реальный ход производственного процесса отображает сложный ИО «Маршрутная карта» -МК(МуА), создаваемый как для всего производст-

венного процесса, так и для его отдельных участков (этапов):

МКП(МуЛ) = U KPj J

МКУ(Муд) = \ КОj .

J'c J

Объединение ППj в рамках единой компании дает возможность оценки качества продукции (или полуфабриката) в процессе ее производства:

ППП

J

ППУ

J' ы

Иерархическая композиция информационных объектов завершается представлением целостного содержания процесса производства А-ой партии у-ой продукции:

ППП

Данное выражение характеризует полноту системы мониторинга производства продукции. При этом осуществляется мониторинг качества продукции и процессов, что соответствует требованиям ИСО СМК [2].

Основной задачей анализа является снятие неопределенности об объекте управления, о возникающих проблемных ситуациях путем структуризации информационных объектов, т.е. выявления структуры и тесноты статистической связи между данными, определяющими состав ИО. С позиции динамической теории информации [5] данные, определяющие состав ИО, представляют ЛПР лишь рецептивную информацию, не обладающую ценностью. Для генерации ценной информации необходима синергия (организация) этих данных, обеспечивающая достижение структурированности и целенаправленности.

Соотношение неопределенности, оцениваемой энтропией, и информации, содержащейся в ИТ, можно обозначить уравнением

нтах = 1г + нг

или с помощью коэффициента избыточности И

Rr

1 -- Hr

Ir

Hm

Hm

'max "max Здесь Hmax = log N, где N - число данных (информационных элементов) в ИО; Ir - информация, содержащаяся в ИО и обусловленная существованием r-местных связей между элементами ИО; Hr - остаточная энтропия Ио. При r=0 Hо = Hmax , а Iq = 0 и Rq = 0 . Это означает, что не связанный состав ИО при любых N может нести только энтропию. При Hх * 0 (связанная

энтропия ИО), а Iх = Imax < Hmax :

H a

Im

Hn

Hm

< 1.

P

Rk = 1

При организации данных в рамках ИТ, направленной на генерацию ценной информации, использован метод корреляционно-

регрессионного анализа, где данные или информационные элементы как предикторные переменные §=Х играют роль неслучайного (векторного при г>1) параметра, от которого зависит закон распределения вероятностей (среднее значение и дисперсия) целевого показателя п. Такого рода зависимость описывается математической моделью вида

п( X) = 1 (X) + е( X),

в которой неслучайная (детерминированная) составляющая правой части 1(Х) описывает поведение условного среднего уСр = Мп(X) = 1 (X) в

зависимости от Х, а остаточная случайная компонента е(Х) отражает случайную природу п(Х). Вариацию целевого показателя п характеризует дисперсия ( = йц, вариацию функции регрессии

уСр = 1 (X) - дисперсия ( = й1 (%) (при §=Х), а

среднюю величину дисперсии неконтролируемой

„ „ „ —2 остаточной случайной компоненты £ - ((X), как

усредненная (по различным значениям §) условная дисперсия й(п/ = X). Согласно [4] эти меры могут быть объединены соотношением

2 2—2

ап =(1 + %( X),

показывающим, что вариация цели (полная вариация целевого показателя) складывается из контролируемых (воспринимаемых) вариаций целевых функций регрессии и их не поддающихся контролю (восприятию) вариаций случайной остаточной компоненты. Очевидно, соотношение (12) идентично соотношению (8). Более того, полученный на основании (12) индекс корреляции, или,

2

иначе, коэффициент детерминации, равен [3]

П 1 = ^

2 2

ап а.

1

' п п

где Ип-^ - множественный коэффициент корреляции (по своему характеру совпадает с коэффициентом избыточности (9)). Таким образом, по

значению (или ), его отличию от 0 или

приближению к 1, можно оценить ИО, т.е. определить наличие в нем ценной информации. Естест-

2

венно, что при значении , близком к 0, такой

ИО не может представлять ценности для ЛПР. Для

выборочного статистически значимое отличие

от 0 определяется по Г-распределению.

При формировании ИО используется свойство множественного коэффициента корреляции:

,

на основании которого выбирается оптимальный состав ИО в предполагаемом контексте, обозначаемом целевым показателем п- Представление ИО осуществляется в виде взвешенного графа, вершины которого соответствуют составу ИО, а дуги - парным коэффициентам корреляции и регрессии. Структурная форма представления информации позволяет судить о качестве (организации) процесса, его изменениях, а также заключает в себе не только контрольную, но и обучающую функцию. Это является важным обстоятельством с точки зрения управления качеством процессов и персонала. Целенаправленность ИО как систем определяется выбором целевого показателя п: качества продукции процесса (щ/кч) и эффективности производства (себестоимость

ь]к = (дС/+ дэ + д48)/дПк), а также конкретикой

(контекстом) информационных потребностей ЛПР, вытекающих из функциональной направленности деятельности управленческого персонала. Вся функциональная область системы управления А подразделяется на отдельные подобласти А/, соответствующие функциональным обязанностям отдельных ЛПР (или подразделений), входящих в структуру управления. Из множества 3 = отбираются имеющие существенную степень принадлежности /и/. (£). Данные § определяют состав ИО, отражающий область (направление) управления /. Так, для сформировавшейся структуры управления качеством процесса производства электрографитовых изделий в ЗАО «Электроконтакт» (г. Кинешма) были выделены следующие направления (контуры) управления: контур качества продуктов КК; технологический контур - Кт; технический контур - Ков; энергетический контур Кэ; организационный контур Корг. Для Кк в состав ИО вошли данные из П., для Кт - из КО, для Коб - из О,, для Кэ - из Э,. Основным содержанием информационного обеспечения организационного контура является журнал ИОП(Мч,к). В процессе создания ИОП(Мч,к) большое значение приобретает характер маршрута прохождения партии сырья (полуфабриката). Для оценки маршрута используются два коэффициента:

- коэффициент участия партии в операции и/к (0<и/к<1):

и щ/ дк и/к = — —

дС дп

- коэффициент наполнения партии перед операцией г/к (0<г,к<1):

п

и к

щ

п

Е щ / /=1

д

Коэффициент и к определяется как отношение используемой части А-ой партии сырья щ в ¡'-ой операции к величине дС , приведенной к к-ой доле выходного продукта дпк. Для определения г/к используется отношение щ/ к суммарному количеству сырья, затраченному на формирование партии (к-ой части) продукта. Получаемые коэффициенты и/к и г/к характеризуют веса дуг ориентированного графа маршрутной карты. Для всей маршрутной

карты производственного процесса строятся матрицы \\щк\\ и \\ZfcW, позволяющие определять значения коэффициентов и ¡к и для различных длин пути Л (количество последовательных процессов на маршруте), представляемых в качестве оценок организованности (логистики) сложного процесса. При этом выделяются четыре вида процессов:

1) линейный процесс, в котором каждая партия сырья преобразуется в одну партию продукции (¡=1, к=1);

2) ветвящийся процесс, в котором осуществляется диверсификация выходного продукта (=1, к>1);

3) сходящийся процесс, в котором для выпуска одного вида продуктов используется сырьевая группа (¡>1, к=1);

4) смешанный (сложный) процесс, в котором соединены все вышеуказанные виды.

Для первых трех видов формирование ИО, проведение анализа и последующее управление не вызывают больших трудностей, чего нельзя сказать относительно четвертого вида. Для такого вида процессов при формировании ИО путем корреляционно-регрессионного анализа в качестве

критерия кроме , не отражающего причинно-следственную связь, выступает коэффициент и при и,к^-0 значение не имеет смысла. В организационном контуре значение и ¡к используется и как оценка эффективности внутрипроизводственной логистики, в частности, совершенства операций складирования и транспортировки продукции (полуфабрикатов) на различных этапах производства.

Представленная схема построения АСМА поддерживается рядом разработанных базовых и специализированных инструментов, позволяющих реализовать модель производственного процесса, обеспечить управленческий персонал ценной информацией, модернизировать систему в зависимости от изменений, возникающих в процессе эксплуатации, а также интегрировать с другими информационными системами. К таким инструментам относятся:

- система ввода данных, согласованная с утвержденными формами и регламентами получения, сбора и представления первичной информации и способствующая обеспечению целостности БД;

- система формирования и использования справочников;

- система формирования ПП, РК, КО и ОП;

- система формирования и документирования ТК, МК, ПП и ИОП, а также аналитической и отчетной документации;

- система расчета связей между партиями материалов, удаленных друг от друга последовательностью операций;

- настраиваемым механизм представления выходных форм;

- система разграничения прав доступа и интерфейсов работы;

- система протоколирования работы пользователей;

- библиотека сервисных обработок, подпрограмм, процедур;

- библиотека запросов с возможностью экспорта данных во внешние программные комплексы и др.

Таким образом, разработана и прошла промышленное испытание автоматизированная система мониторинга и анализа производственных процессов, обладающая рядом достоинств:

- унифицированное описание технологии позволяет использовать методику моделирования и инструментальные средства для широкого спектра производственных процессов, отличающихся мно-гоэтапностью, сложностью внутрипроизводственной логистики;

- модульная архитектура программного комплекса позволяет производить удобную настройку и адаптацию системы при изменении и развитии технологии производственного процесса, информационных потребностей пользователей;

- гибкая система формирования и представления информационных объектов дает возможность отобразить и проанализировать производственный процесс на всех иерархических уровнях и в различных аспектах;

- формирование единой базы производственно-экономических и технологических показателей, реализация методов статистического анализа создают основу целенаправленного развития производства.

Список литературы

1. Белов А.А., Малафеев А.В. Моделирование и организация информационного обеспечения управления качеством производственных процессов // Вестник ИГЭУ. - 2004. - № 3. - C. 25-29.

2. ГОСТ Р ИСО 9001-2001. Система менеджмента качества. Требования. - М.: Изд-во стандартов, 2001.

3. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Исследование зависимостей: Справ.изд. - М.: Финансы и статистика, 1985.

4. Рао С.Р. Линейные статистические методы и их применение. - М.: Наука, 1968.

5. Чернавский Д.С. Синергетика и информация (динамическая теория информации). - М.: Едиториал УРСС, 2004.