Информационные технологии в металлургии

Информационные технологии в металлургии.

Понятие об информационных технологиях.

Технология:

1. в широком смысле – объем знаний, которые можно использовать для производства товаров и услуг из экономических ресурсов.
2. в узком смысле – способ преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления.

Технология (от греч. techne – искусство, мастерство, умение и lógos – слово, учение) – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, осуществляемых в процессе производства продукции; научная дисциплина, изучающая физические, химические, механические и др. закономерности, действующие в технологических процессах.

Технологией называют также сами операции добычи, обработки, транспортировки, хранения, контроля, являющиеся частью общего производственного процесса.

Технология включает в себе методы, приемы, режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инструментами, используемыми материалами.

Информационная технология (ИТ) – совокупность методов, производственных и программно-технологических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод, распространение и использование информации на основе применения средств вычислительной техники.

Цель ИТ – производство информации для ее анализа человеком и принятия на его основе решения по выполнению какого-либо действия.

ИТ включают два основных элемента – машинный и человеческий (социальный), причем последний выступает главным. Информационные технологии выступают средством превращения знаний в информационный ресурс общества.

Базовые информационные технологии – аппаратные (технические) средства, предназначенные для организации процесса переработки данных и для организации связи и передачи данных.

В качестве базовых информационных технологий выделяют:

компьютеры или вычислительные системы, представляющих собой совокупность аппаратных (технических) и программных средств, предназначенных для организации процесса переработки данных;

коммуникации и телекоммуникационные сети, представляющие собой совокупность аппаратных (технических) и программных средств, предназначенных для организации связи и передачи данных.

Классификация ИТ по типу обрабатываемой информации:

данные – СУБД, алгоритмические языки, табличные процессоры;

текст – текстовые процессоры и гипертекст;

графика – графические процессоры;

мультимедиа – обработка анимации, видеоизображения, звука.

знания – экспертные системы;

Существуют также интегрированные технологии, объединяющие различные виды информации.

Основные типовые информационные технологии:

• ИТ управления технологическими процессами (АСУ ТП);
• ИТ хранения данных, системы управления базами данных (СУБД);
• модельные системы поддержки принятия решений;
• ИТ передачи данных – вычислительные сети (компьютерные сети);
• ИТ экспертных систем – основаны на использовании искусственного интеллекта;
• ИТ автоматизированного проектирования (САПР).

Аппаратное и программное обеспечение технологических процессов.

Определяющими факторами успеха в промышленном производстве сегодня и в обозримом будущем являются уменьшение времени выхода продукции на рынок, снижение стоимости и повышение качества. Практическая реализация этих требований требует модернизации проектно-технологических и производственных процессов как в рамках отдельных предприятиях, так и в условиях "расширенного предприятия", объединяющего всех поставщиков, соисполнителей и участников проектирования и производства продукции. На сегодняшний день наиболее радикальным средством решения задач модернизации является внедрение интегрированных информационных технологий на базе использования современных средств вычислительной техники и сетевых решений. К числу наиболее эффективных технологий, дающих весомый выигрыш в короткие сроки, принадлежат системы автоматизированного проектирования, инженерного анализа и технологической подготовки (CAD/CAM/CAE-системы), системы управления проектными и инженерными данными предприятия (PDM-системы), системы управления предприятием (ERP).

Одной из характерных тенденций развития систем автоматического управления в металлургии является использование вычислительной техники - современных электронных вычислительных машин не только для сбора и преобразования информации, но и для непосредственного управления технологическими процессами и агрегатами. Такие системы управления получили название автоматизированных систем управления технологическими процессами.

Автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) – система, реализуемая на базе высокоэффективной вычислительной и управляющей техники, обеспечивающая управление технологическим объектом на основе централизованно обработанной информации, по заданным технологическим и технико-экономическим критериям, определяющим количественные и качественные результаты выработки продукта, и подготавливающая информацию для решения организационно-экономических задач.

Задачи, выполняемые в системе «технологический процесс – АСУТП», можно сформулировать следующим образом: по полученным данным о технологическом процессе составить прогноз хода технологического процесса и такой план управляющих воздействий, чтобы в определенный момент состояние технологического процесса отвечало некоторому экстремальному значению обобщенного критерия качества.

Автоматизированный технологический комплекс (АТК) – высокопроизводительная современная техническая система, представляющая совокупность автоматизированного технологического оборудования и высокоэффективных средств управления на базе ЭВМ.

В настоящее время технически реализуемый перечень управляющих и информационных функций, выполняемых автоматизированными системами управления, весьма велик и в общем виде сводится к следующим:

• управляющие – регулирование параметров технологического процесса, выполнение блокировок и защит, управление режимами технологического процесса и оптимальное управление процессом в целом;
• информационно-вычислительные – сбор, первичная обработка и хранение технической и технологической информации, сигнализация состояний параметров технологического процесса, расчеты технико-экономических и эксплуатационных показателей технологического процесса, подготовка информации для вышестоящих и смежных систем и уровней управления, диагностика и прогнозирование состояний комплекса технических средств АСУТП, оперативное отображение информации и рекомендаций ведения технологического процесса.

В зависимости от объема выполняемых функций существует ряд иерархических уровней управления промышленным предприятием, которые в совокупности осуществляют автоматизированные функции управления организационно-экономической и хозяйственно-производственной деятельностью предприятия на основе применения экономико-математических методов и ЭВМ.

1. Верхним уровнем управления является комплексная АСУП, реализованная в масштабе предприятия и его основных подразделений (подсистем).
2. Средним уровнем являются одна или несколько автоматизированных систем управления производственными процессами (АСУПП), входящих в качестве подсистем в комплексную АСУП и осуществляющих функции прямого оперативного управления производством.
3. Низовым уровнем являются отдельные АСУТП, которые входят в состав подсистем в АСУПП или непосредственно в АСУП.

В свою очередь в автоматических системах управления технологическими процессами (АСУТП) в зависимости от степени охвата технологических объектов и выполняемых функций также можно выделить ряд иерархических уровней:

1. Системы управления отдельными технологическими процессами (дискретными или непрерывными), операциями, работами. Выполняемые функции: изменение режимов и хода технологических операций, выработка и корректировка конечного состояния технологических операций с целью обеспечения требований качества.
2. Системы комплексного управления производством отдельных изделий с охватом комплекса технологических операций обработки, контроля, сборки. Выполняемые функции: изменение хода процесса в целом, его расчет и реализация, оперативное управление ходом производственного процесса на уровне участков и цехов (прохождение взаимосвязи процессов через узловые точки). Именно на этом уровне осуществляется взаимосвязь АСУП и АСУТП.

Если на уровне 1 выполняются, как правило, чисто технологические функции, то на уровне 2 выполняемые функции можно охарактеризовать как информационно-технологические. На всех уровнях АСУП реализуются еще и информационные и организационно-технологические функции.

Основными элементами АСУТП, обеспечивающими их функционирование, являются комплексы технических средств (техническое обеспечение), общесистемная техническая документация и эксплуатационный персонал.

Комплекс технических средств (КТС АСУТП) включает совокупность:

• вычислительных и управляющих устройств;
• устройств передачи сигналов и данных;
• датчиков сигналов и исполнительных устройств.

Классификация технических средств АСУТП приведена на рис. 2.

Для решения всех этих задач разрабатываются специальные промышленные компьютеры и операционные системы.

Контроллер – промышленный компьютер специального исполнения, предназначенный для управления технологическими объектами. Как правило, не имеет дисплея и клавиатуры.

Требования к программному обеспечению, используемому в промышленности:

• надежность ПО, управляющего технологическим оборудованием;
• системы реального времени – быстрое реагирование на внешние события или изменения в параметрах управляемых процессов;
• многозадачность – обусловлена сложной и многоуровневой природой управляемых процессов, когда необходимо одновременно реализовать алгоритмы управления различными подсистемами реального объекта.

Рис.2. Классификация технических средств АСУТП

Пакеты прикладных программ операторских станций – отображение технологического процесса в виде мнемосхем, сигнализация об аварийных ситуациях, обеспечение общего управления процессом со стороны оператора-технолога.

Пример аппаратно-программного комплекса операторских станций – система SIMATIC WinCC фирмы Siemens для мониторинга технологических процессов. Другие пакеты этого класса: GENESIS (США), BASEstar (США).

Пакеты прикладных программ управления производством (стандарт ERP). Предназначены для управления крупными предприятиями. Создаются на основе корпоративных информационных систем. Свойства ERP системы:

• интегрированность – охватывает все основные сферы деятельности предприятия;
• гибкость и настраиваемость на особенности работы конкретного предприятия;
• наличие технологий внедрения.

Примеры ERP систем: MTMS, Oracle Applications и др.

Базы и банки данных.

База данных – это именованная совокупность данных, организованных по определенным правилам, предусматривающим общие принципы описания, хранения и манипулирования данными, не зависимая от прикладных программ.

Банк данных – хранилище информации по определенной теме. Может включать базы данных, базы знаний, экспертные системы.

Объекты и отношения.

Модель данных – концепция, принятая для описания данных, формализованное описание организации данных,.

Модели данных:

• Сетевая модель данных – естественным образом представляет отношение объектов реального мира.
• Иерархическая модель данных – данные представляются в виде совокупности деревьев. Низлежащие ярусы раскрывают свойства объектов, лежащих на верхних ярусах. Сетевая модель данных может быть разложена на иерархические структуры.
• Реляционная модель данных – наиболее абстрактная модель, ориентированная на интересы пользователя. Получается путем дальнейшей формализации иерархической модели. Все связи между объектами задаются путем явной фиксации идентификаторов объектов в записях. Информационная избыточность на логическом уровне максимальна.
• Объектно-ориентированная модель – строящаяся на объектах и имеющая все их особенности, например, наследование.

Система управления базой данных (СУБД) – комплекс программ и языковых средств, предназначенных для создания, сопровождения и использования баз данных.

Система базы данных – система аппаратно-программых средств, предназначенная для манипулирования данными и обеспечения пользователям доступа к данным.

Основные компоненты системы баз данных:

• данные (БД);
• аппаратное обеспечение;
• программное обеспечение (СУБД);
• прикладные программы, конечные пользователи.

Классификация баз данных по характеру использования системы:

• однопользовательские;
• многопользовательские.

Классификация баз данных по технологии обработки данных:

• централизованная система – физически хранится в памяти одного компьютера
• распределенная система – состоит из нескольких, возможно, пересекающихся или дублирующихся частей БД, хранимых на территориально распределенных компьютерах-серверах.

Распределенные системы по методу доступа к данным делятся на:

• файл-серверные – СУБД расположена на компьютере клиента, а данные находятся в файлах на удаленном компьютере (файловом сервере);
• клиент-серверные – СУБД разделена на две части: клиентскую и серверную; клиент СУБД принимает запросы от пользователя и передает ему запрошенные данные, а сервер СУБД осуществляет взаимодействие с базой данных.

Вычислительные сети.

Вычислительная сеть – это совокупность компьютеров, соединенных линиями связи. Линии связи образованы кабелями, сетевыми адаптерами и другими коммуникационными устройствами. Все сетевое оборудование работает под управлением системного и прикладного программного обеспечения.

Основная цель сети — обеспечить пользователям сети потенциальную возможность совместного использования ресурсов всех компьютеров.

Вычислительная сеть — это одна из разновидностей распределенных систем, достоинством которых является возможность распараллеливания вычислений, за счет чего может быть достигнуто повышение производительности и отказоустойчивости системы.

Использование вычислительных сетей дает предприятию следующие возможности:

• разделение дорогостоящих ресурсов;
• совершенствование коммуникаций;
• улучшение доступа к информации;
• быстрое и качественное принятие решений;
• свобода в территориальном размещении компьютеров.

Классификация сетей.

По территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть (локальные и глобальные сети).

Локальные сети (LAN – Local Area Network) – сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации. Из-за коротких расстояний в локальных сетях имеется возможность использования относительно дорогих высококачественных линий связи, которые позволяют, применяя простые методы передачи данных, достигать высоких скоростей обмена (100-1000 Мбит/с). Большое кол-во услуг в on-line.

Глобальные сети (WAN – Wide Aria Network) – объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах. Так как прокладка высококачественных линий связи на большие расстояния обходится очень дорого, в глобальных сетях часто используются уже существующие линии связи, изначально предназначенные совсем для других целей (телефонные, телеграфные). Для устойчивой передачи данных применяются сложные методы и дорогое оборудование. Скорости передачи невысокие, набор on-line услуг ограниченный.

Городские сети (сети мегаполиса) (MAL – Metropolitan Aria Network) – предназначены для обслуживания территории крупного города – мегаполиса. Занимают промежуточное положение между LAN и WAN. Используют цифровые магистральные линии связи, часто оптоволоконные, со скоростями от 45 Мбит/с. Предназначены для связи локальных сетей в масштабах города и соединения локальных сетей с глобальными. Поддерживают видеоконференции и передачу голоса.

По наличию выделенного сервера.

Одноранговые сети (сети рабочих групп) – все компьютеры в сети равноправны: нет иерархии среди компьютеров и нет выделенного сервера. Как правило, каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер. Нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Каждый пользователь сам администрирует свой компьютер и решает, какие ресурсы сделать общедоступными в сети. Достоинства: простота и дешевизна сети; поддержка одноранговых сетей встроена в большинство операционных систем. Недостатки: низкая управляемость сетью (нет центрального администрирования) и как следствие ограничение на количество компьютеров в сети (обычно не более 10); низкая защита данных в сети: ресурсы рассредоточены по многим компьютерам, невозможно централизованно управлять защитой, защита только на уровне ресурсов (установка пароля).

Сети на основе сервера – для обеспечения работы сети используются выделенные серверы. Выделенные серверы – компьютеры, функционирующие только как сервер (исключая функции клиента или рабочей станции). Они специально оптимизированы для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и для управления защитой файлов и каталогов. Существуют различные типы специализированных серверов: файл-серверы, серверы печати, серверы приложений, почтовые серверы, факс-серверы, коммуникационные серверы. Серверы работают под управлением специальной серверной операционной системы. Преимущества: централизованное администрирование сети, надежная защита данных на уровне пользователя, высокая надежность, возможность дублирования и резервного копирования информации на сервере, возможность создания сетей с любым количеством пользователей. Недостатки: высокая стоимость сети в связи с применением дорогих серверных станций, дисковых массивов и другого специализированного оборудования, необходимость иметь специально обученного администратора сети.

Существует две основных модели сетевой организации вычислений: централизованная и клиент-серверная.

Централизованные вычисления.

В среде мэйнфреймов приложения (например базы данных) выполняются на очень мощном централизованном компьютере и доступны с терминалов. Терминалы запрашивают информацию с мэйнфрейма, тот находит ее и отображает на терминале.

В более современных средах используется модель центрального файл-сервера. Файлы данных хранятся на сервере. Файловые операции с базой данных выполняются по сети с помощью механизмов сетевой ОС. Разделение операций над данными между компьютером-клиентом и файл-сервером, при котором наиболее ресурсоемкую часть работы берет на себя сервер, отсутствует. Обмен данными между клиентом и файл-сервером приводит к значительному увеличению сетевого трафика.

Клиент-серверная модель.

Сеть архитектуры «клиент-сервер» - это сетевая среда, в которой компьютер-клиент инициирует запрос компьютеру серверу, который выполняет его и передает результат компьютеру серверу.

Сервер – компьютер или программа, предоставляющее услуги (сервисы), ресурсы или данные другой программе или компьютеру.

Клиент – компьютер или программа, запрашивающая услуги, ресурсы, данные или обработку у другой программы или компьютера

Базовые топологии, физические среды передачи, методы передачи данных физического и канального уровня.

Базовые технологии локальных сетей.

Технологии глобальных сетей.

Интернет

Internet — это глобальная сеть сетей, взаимно связанных протоколами TCP/IP и другими коммуникационными протоколами (д-р Винтон Серф, президент Сообщества Internet).

ИНТЕРНЕТ (англ. Internet от лат. inter между и англ. net сеть, паутина), международная (всемирная) компьютерная сеть электронной связи, объединяющая региональные, национальные, локальные и др. сети.

Архитектура Интернет – трехуровневая иерархия:

• верхний ключевой уровень глобальных сетей – опорная сеть передачи данных;
• региональные сегменты, оснащенные базовыми шлюзами, в качестве которых используются высокопроизводительные маршрутизаторы, обеспечивающие выбор маршрута передачи данных;
• нижний уровень – локальные сети или отдельные компьютеры на местах.

Система адресации Интернет.

• Цифровой адрес – IP-адрес;
• Символьные доменные имена;

Типы сервиса Интернет:

• электронная почта E-mail;
• всемирная информационная сеть WWW;
• телеконференции UseNet;
• сетевые системы передачи файлов FTP;

Экспертные системы.

Интеллектуальные системы и технологии применяются для тиражирования профессионального опыта и решения сложных научных, производственных и экономических задач.

Под интеллектуальной системой понимается искусственно созданная система, обладающая способностью накопления и корректировки знаний на основе активного восприятия информации о мире и обобщенного опыта, а также целенаправленного поведения.

Знания – форма существования и систематизации результатов познавательной деятельности человека; выявленные закономерности предметной области (принципы, законы, связи), позволяющие решать задачи в этой области. Знание объективизируется знаковыми средствами языка.

Искусственный интеллект – это программная система, имитирующая на компьютере мышления человека. Для создания такой системы необходимо изучить процесс мышления человека, решающего определенные задачи или принимающего решения в конкретной области.

Два направления исследований в области ИИ:

• бионическое – попытка смоделировать с помощью искусственной системы психофизическую деятельность человеческого мозга с целью создания искусственного разума;
• прагматическое – создание программ, позволяющих с использованием компьютера воспроизводить не саму мыслительную деятельность, а являющиеся ее результатами процессы.

ИИ применяется при решении математически неформализованных задач. НФЗ носят невычислительный целенаправленно смысловой характер.

Экспертная система – сложные программные комплексы, аккумулирующие знания специалистов в конкретных предметных областях и тиражирующие этот эмпирический опыт для консультации менее квалифицированных пользователей.

ЭС – это компьютерная система, использующая знания специалистов в некоторой прикладной области и принимающая решения (делающая заключения) в рамках этой области на уровне эксперта.

Эксперт – известный специалист в данной предметной области, который владеет разнообразными знаниями предметной области, а также за годы работы в конкретной предметной области приобрел навыки и опыт высокоэффективного решения определенного класса задач, относящихся к предметной области.

База знаний – содержит два основных элемента: факты (данные) из предметной области и специальные эвристические правила, которые управляют использованием фактов при решении проблемы.

Машина вывода – это «мозг» ЭС, т.е. программа, поддерживающая методологию обработки информации из базы знаний, получение и представление заключений и рекомендаций. Она моделирует ход рассуждений эксперта на основании знаний, имеющихся в БЗ.

Подсистема объяснений – программа, позволяющая пользователю получить ответ на вопросы: как было получено такое решение? Подсистема объяснений предназначена для отображения в удобном для пользователя виде промежуточных и окончательных выводов и объяснения производимых системой действий.

База данных – хранит всю информацию, поступающую в режиме реального времени, генерируемую техническими средствами контроля технологического процесса, а также вводимую вручную технологическим персоналом.

Классификация ЭС по способу использования данных и знаний:

• ЭС, осуществляющие обработку данных на основе знаний – решает задачи интерпретации (описание ситуации на основе информации о системе), диагностики (обнаружение неисправностей) и мониторинга (непрерывная интерпретация данных в реальном масштабе времени и сигнализация о выходе параметров за допустимые пределы);
• ЭС, осуществляющие формирование данных на основе знаний – решает задачи обучения (управление обучением), планирования (нахождение планов действий), проектирования (разработка документации для создания объекта), прогнозирования (определение вероятных последствий заданной ситуации) и управления (адаптивное управление всем поведением системы).

Инструментальные средства построения экспертных систем:

• традиционные языки программирования – слабо подходят для работы с символьными и логическими данными, требуют большой работы программиста;
• языки искусственного интеллекта – имеют меньшую универсальность по сравнению с традиционными, но богатые возможности по работе с символьными и логическими данными (Пролог, Лисп).