Спирин Н.А., Лавров В.В. Информационные системы в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ

СИСТЕМЫ

В МЕТАЛЛУРГИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ – УПИ

Н.А.Спирин, В.В.Лавров

ИНФОРМАЦИОННЫЕ

СИСТЕМЫ В МЕТАЛЛУРГИИ

Конспект лекций

(отдельные главы из учебника для вузов)

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по

образованию в области металлургии в качестве учебника

для студентов высших учебных заведений, обучающихся по

направлениям 651300 – Металлургия (дипломированные

специалисты) и 550500 – Металлургия (бакалавры)

ЕКАТЕРИНБУРГ

2004

УДК 669.162.2.012–52(075.8)

ББК 34.3:32.9я7

И74

Рецензенты:

Кафедра автоматизированных систем управления Московского

института стали и сплавов (заведующий кафедрой, заслуженный деятель

науки и техники РФ, лауреат Государственной и Правительственной премий

СССР, профессор, доктор технических наук А.Г.Дьячко);

Заведующий кафедрой «Автоматика и управление в технических

системах» Уральского государственного технического университета – УПИ,

заслуженный

деятель науки и техники РФ, лауреат премии Правительства РФ,

профессор, доктор технических наук В.Г.Лисиенко;

Заведующий лабораторией пирометаллургии восстановительных

процессов Института металлургии УрО РАН, доктор технических наук

А.Н.Дмитриев

И74 Информационные системы в металлургии: Конспект лекций

(отдельные главы из учебника для вузов) / Н.А.Спирин, В.В.

Лавров.

Екатеринбург: Уральский государственный технический университет – УПИ,

2004. – 495 с.

ISBN 5–321–00061–1

Рассмотрены вопросы структуры информационных систем

технологических процессов. Основное внимание уделено рассмотрению

основных информационных технологий в металлургии. Процедура всех

информационных технологий последовательно проиллюстрирована на

примере доменного производства.

Учебник предназначен для студентов, обучающихся по

специальностям металлургического профиля, может быть полезен

студентам других

специальностей политехнических вузов.

Библиогр.: 61 назв. Табл. 11. Рис. 156.

ISBN 5–321–00061–1

Уральский государственный

технический университет – УПИ, 2004

Авторы, 2004

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ………………………………………………………………. 4

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ ….... 1-1

ГЛАВА 2. АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННЫХ ПРОГРАММНЫХ

СРЕДСТВ ……………………………………………………….. 2-1

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ… 3-1

ГЛАВА 4. ИНФОРМАЦИОНННЫЕ СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИИ …… 4-1

ГЛАВА 5. АРХИТЕКТУРА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ………………………. 5-1

ГЛАВА 6. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИЯ

ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ (НА ПРИМЕРЕ

ДОМЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА) ………………………….. 6-1

ГЛАВА 7. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ……………………….. 7-1

ГЛАВА 8. ЭКСПЕРТНЫЕ СИСТЕМЫ В ДОМЕННОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ ……………………………………………… 8-1

Рекомендуемый

список литературы …………………………….......... 9-1

Предисловие 4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Отечественный и зарубежный опыт убедительно доказывает, что развитие

предприятий металлургического комплекса, решение проблем качества и

конкурентоспособности металлопродукции на мировом рынке требуют коренного

совершенствования систем сбора, хранения, обработки передачи и использования

информации.

Современные тенденции развития металлургии характеризуются разработкой,

внедрением и широким использованием информационных систем и технологий.

Основой информационных технологий и

систем являются компьютеры и

компьютерные сети, имеющие богатейшее программное обеспечение, а также системы

управления базами данных, компьютерные системы поддержки принятия решений,

методологической основой которых являются теория систем и системный анализ,

теория моделирования данных, технологических процессов и знаний.

Принципиальное отличие информационных технологий и систем от других

технических дисциплин заключается в том,

что их предметная область изменяется

весьма и весьма динамично. При этом современные информационные технологии

основаны на применении программных продуктов, как правило, обладающих

широкими функциональными возможностями и развитым пользовательским

интерфейсом. Это зачастую порождает иллюзию необязательности серьезной

подготовки в области информационных систем.

Однако практика показывает, что сегодня наиболее ценны те специалисты,

которые обладают

и успешно совмещают на практике фундаментальные знания в

области информатики, математического моделирования с пониманием физики,

существа явлений, свойственным металлургическим технологиям. В равной степени

это положение справедливо для проектирования систем управления базами данных,

для создания компьютерных сетей и систем поддержки принятия решений, для

разработки новых информационных технологий.

В последние годы сложилась

парадоксальная ситуация, когда обилие, и даже

избыточность, издаваемых книг, в том числе и учебников по информатике, отдельным

программным средствам, не идет ни в какое сравнение с количеством книг по

современным информационным системам, используемым в промышленности.

Практически отсутствуют не только учебники, но и монографии, отражающие

современные достижения в областях проектирования и эксплуатации

современных

информационных систем в металлургии, химии, промышленности строительных

материалов и многих других областях. В то же время в области информатизации в

последнее время наметилась определенная тенденция, заключающаяся в том, что

наряду с развитием информационных систем управления предприятием существенно

повышается интерес в первую очередь к автоматизированным системам управления

технологическими процессами, индустриальной

автоматизации и Internet-решениями

для предприятий. Связано это, прежде всего, с наметившимся подъемом в

отечественной промышленности реального сектора экономики и в том числе

металлургии. При этом системы управления технологическими процессами ближе к

конкретному производству, более привычны и сейчас выходят на новый виток своего

развития.

Основная цель данного учебника состоит в том, чтобы

сформировать у

студента определенное целостное мировоззрение об информационных системах

Предисловие 5

технологических процессов в металлургии, научить его основам информационной

культуры, т.е. целенаправленности и самостоятельности работы с информацией,

использования ее для управления технологическим процессом. Учебник сочетает

также широту охвата основных областей, проблем и технологий этой новой области

знаний с основательным рассмотрением деталей некоторых информационных

технологий, находящих все большее использование в металлургии.

При

подготовке учебника широко использовались материалы книг и статей,

опубликованных в открытых сайтах Internet, журналах «Современные технологии

автоматизации», «Мир компьютерной автоматизации», «Открытые системы»,

«Системы и датчики», «Приборы и системы управления», «Сталь» и др., посвященные

теории и практике разработки и эксплуатации современных информационных систем в

промышленности. Однако в книге в значительной степени отражен

и собственный

опыт разработки, внедрения и эксплуатации современных информационных систем и

технологий на ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО ММК).

Авторы сочли при этом нецелесообразным иллюстрировать примеры современных

информационных технологий и систем различных металлургических переделов

вследствие большого разнообразия и сложности таких систем и технологий, каждая из

которых имеет свои особенности. Процедура

всех основных информационных

технологий последовательно проиллюстрирована на примере доменного производства.

Последнее обусловлено тем, что это производство является основным, наиболее

сложным, энерго- и ресурсоемким переделом в современной черной металлургии, при

этом на отечественных доменных печах созданы и успешно эксплуатируются

современные технические средства информатики и информационные технологии.

Появление данной книги связано с открытием

в 1998 году впервые в России в

Уральском государственном техническом университете – УПИ (УГТУ-УПИ) новой

специальности - Информационные системы в металлургии. Материалы книги лишь

отчасти отражают содержание курсов лекций "Системы управления базами данных в

металлургии", "Компьютерные сети", "Компьютерные системы поддержки принятия

решений", "Операционные системы", "Информационные системы в металлургических

технологиях" и другие, которые

читают авторы данной книги.

Книга написана совместно преподавателями кафедр «Теплофизика и

информатика в металлургии», «Металлургия железа и сплавов» УГТУ-УПИ и

сотрудниками центра АСУ ОАО ММК, разрабатывающих и эксплуатирующих

современные информационные системы.

По просьбе коллектива авторов в написании главы 7 принимала участие

доцент, кандидат технических наук Л.Ю.Гилева, главы 6 – зав. доменной

лабораторией

центра АСУ ОАО ММК П.Н.Поляков, а главы 4 – ведущий специалист центра АСУ

А.Н.Барда. Авторы считают своим долгом выразить благодарность директору Научно-

инженерного центра Ассоциации содействия Всемирной лаборатории (НИЦ АСВЛ)

(г.Москва), кандидату технических наук В.И.Соловьеву за материалы, представленные

в заключительной 10-й главе книги.

Учебник

в равной степени может быть полезен студентам, инженерам-

технологам и специалистам в области информационных систем. Он может быть

рекомендован студентам, обучающимся по направлениям 651300 – Металлургия

(дипломированные специалисты) и 550500 – Металлургия (бакалавры) при изучении

дисциплины «Информационные технологии в металлургии», а также будет полезен для

студентов, обучающихся по специальности 071900 – Информационные системы и

технологии. В

нем найдут новый материал бакалавры и магистры, аспиранты и ученые.

Предисловие 6

Создание учебника было бы невозможно без постоянной поддержки со

стороны коллег. Выражая им свою благодарность, авторы признательны также

коллективу кафедры автоматизированных систем управления Московского института

стали и сплавов (заведующий кафедрой, заслуженный деятель науки и техники РФ,

лауреат Государственной и Правительственной премий СССР, профессор, доктор

технических наук А.Г.Дьячко); заведующему кафедрой

автоматики и управления в

технических системах Уральского государственного технического университета–УПИ,

заслуженному деятелю науки и техники РФ, лауреату премии Правительства РФ,

профессору, доктору технических наук В.Г.Лисиенко и доктору технических наук,

заведующему лабораторией пирометаллургии восстановительных процессов

Института металлургии УрО РАН А.Н.Дмитриеву за ценные замечания, сделанные при

рецензировании

учебника.

Авторы считают своим долгом поблагодарить заслуженного деятеля науки и

техники РФ, профессора УГТУ-УПИ, доктора технических наук Ю.Г.Ярошенко,

директора Уральского филиала ЗАО РТСофт "Средства и системы автоматизации"

С.А.Андрианова, генерального директора НПФ ПРОСОФТ–Е «Системы

промышленной автоматизации» В.Н.Махова за обсуждение материалов, весьма ценные

замечания и

критическую оценку рукописи. Учет этих замечаний, несомненно,

способствовал улучшению содержания представленного материала.

Авторы осознают, что ряд важных вопросов, относящихся к информационным

системам, в силу ограниченности объема книги не могли быть рассмотрены достаточно

глубоко и полагают, что с выходом учебника в свет работа над созданием новых

учебников в области информационных систем

и технологий в металлургии

продолжится.

Авторы просят читателей свои отзывы направлять по адресу:

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19, Уральский государственный технический

университет – УПИ;

Мы будем рады узнать ваше мнение!

Глава 1. Информационные системы и технологии

1-1

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

…………… 1-2

1.1.

ИНФОРМАТИКА – ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ……………………………………… 1-2

1.2.

СТРУКТУРА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ………………………………… 1-7

1.3.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ………………………………………….. 1-14

1.3.1. Информационные технологии сбора и обработки

информации

……………………………………………………………. 1-15

1.3.2. Информационные технологии хранения данных. Системы

управления базами данных …………………………………………. 1-23

1.3.3. Модельные системы поддержки принятия решений

………….. 1-25

1.3.4. Информационная технология экспертных систем

…………… 1-28

1.3.5. Информационные системы передачи данных (сетевые

технологии) …………………………………………………………… 1-31

1.3.6. Понятие традиционной и новой информационных

технологий ……………………………………………………………. 1-32

1.4.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ …………………………………………………… 1-32

Глава 1. Информационные системы и технологии

1-2

Глава 1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

1.1. Информатика – предмет и задачи

Мир стоит на пороге новой цивилизации. По многочисленным призна-

кам, которые стали все наиболее отчетливо проявляться в последние годы ХХ

века, эта цивилизация будет представлять собой высокоавтоматизированное ин-

формационное общество, основанное на широкомасштабном использовании ин-

формации и научных знаний. Информация станет

главным ресурсом развития

человека и общества в ХХI веке, а новые информационные технологии будут яв-

ляться не только средством, но и катализатором этого развития.

Об информации сегодня говорят, как о стратегическом ресурсе общест-

ва, определяющем уровень развития государства, его экономический потенциал

и положение в мировом сообществе. Так, объем затрат на

развитие информаци-

онной сферы в США сегодня превышает затраты на развитие топливно-

энергетического комплекса этой страны, а прибыль от этой сферы больше, чем

от сферы развлечений и досуга.

Специалисты считают, что в начале ХХI века в цивилизованных странах

произойдет смена основной информационной среды. Удельные объемы инфор-

мации, получаемой обществом по традиционным

информационным каналам (ра-

дио, телевидение, почта, связь), неуклонно сокращаются, а по компьютерным

сетям возрастают, к 2005 году они будут равны между собой, к 2030 году доля

информации, получаемая по компьютерным сетям, возрастет до 0,90 – 0,95.

Информатика – достаточно новая научная дисциплина. Своим появлени-

ем она обязана развитию глобального процесса информатизации общества, ко-

торый, в свою

очередь, является проявлением общей закономерности развития

цивилизации. Термин «информатика» возник во Франции в 60-х годах от фран-

цузского слова Informatique, образованного в результате объединения терминов

Information (информация) и Automatique (автоматика), что выражает ее суть как

области науки, занимающейся автоматизированной обработкой информации с

помощью ЭВМ. В переводе с французского языка информатика означает «авто

матизированная переработка информации». В англоязычных странах этому тер-

мину соответствует синоним Computer Science (наука о компьютерной технике).

В нашей стране подобная трактовка термина «информатика» утвердилась с мо-

мента принятия решения в 1983 году на сессии годичного собрания АН СССР об

организации нового отделения информатики, вычислительной техники и авто-

матики. Сегодня в России,

несмотря на общеизвестные проблемы, связанные, в

основном, с экономикой, успешно работает Институт информатики РАН.

Как наука информатика переживает сейчас период своего бурного разви-

тия и быстро расширяет свою предметную область. Из технической дисциплины

о методах и средствах обработки данных при помощи вычислительной техники

информатика превращается в науку об информации и информационных

процес-

сах не только в технических системах, но также в природе и обществе. Сегодня

вокруг информатики формируется целый комплекс новых направлений научных

исследований в области информации. К их числу относятся социальная инфор-

Глава 1. Информационные системы и технологии

1-3

матика (наука о процессах информатизации общества), биологическая информа-

тика (наука об информационных процессах в биологических системах) и др.

Определений информатики как науки очень много, но их обобщение по-

зволяет использовать следующую трактовку, которой мы и будем придержи-

ваться в дальнейшем.

В самом общем понимании информатика – наука о наиболее общих за-

кономерностях

построения и преобразования информационной модели мира,

определяющей роль человека и технических средств в процессах обработки ин-

формации в технических, биологических и социальных системах.

В современном понимании информатика представляет собой комплекс-

ное научное направление, имеющее междисциплинарный характер. Она активно

содействует развитию ряда других научных направлений и тем самым выполня-

ет в

определенной степени и интегративную функцию в среде ряда других на-

правлений развития научного знания, как естественнонаучных, так и гуманитар-

ных наук.

Выделение информатики как самостоятельной области человеческой

деятельности в первую очередь связано с развитием компьютерной техники. В

связи с этим под информатикой иногда понимается область человеческой дея-

тельности, связанная с процессами

преобразования информации с помощью

компьютеров.

Сегодня информатика – это комплексная инженерная дисциплина, изу-

чающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки функциони-

рования на ЭВМ систем переработки информации, их применения в различных

областях человеческой деятельности.

Отметим сходство и различие между информатикой и кибернетикой.

В связи с этим напомним, что кибернетика – это

наука об общих прин-

ципах управления в различных системах: технических, биологических, социаль-

ных и др. Управление немыслимо без использования информации, процессы

управления неотделимы от информационных процессов. В связи с этим сущест-

вует довольно распространенное мнение, что информатика является всего лишь

одним из направлений кибернетики. Действительно, между информатикой и ки-

бернетикой провести четкую границу не всегда возможно в связи с ее неопреде-

ленностью и размытостью. Кибернетика и информатика различаются в расста-

новке акцентов. В отличие от кибернетики, внимание которой сосредоточено в

основном на исследовании систем и процессов управления, главными объектами

изучения для информатики являются информационные системы, а также методы

и средства хранения,

передачи и использования информации в различных усло-

виях, получивших в последние годы обобщенное название информационной

среды. Информатика занимается изучением процессов преобразования и созда-

ния новой информации более широко, практически не решая задачи управления

различными объектами, как это делает кибернетика. Информатика появилась

благодаря развитию компьютерной техники, базируется на ней и совершенно

немыслима без нее. Кибернетика же развивается сама по себе, строя различные

модели и рассматривая различные принципы и алгоритмы управления, активно

используя достижения компьютерной техники.