Інформаційна система контролю якості поліетилену в циркулярній економіці

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”,

Львівський національний університет імені Івана Франка

Університет Оснабрюка

Інформаційна система контролю якості поліетилену в циркулярній економіці

Микола Баран кафедра інформаційних систем та мереж, Мирослава Бублик кафедра прикладної математики, Любомир Чирун, Марина Шевченко, Софія Чирун кафедра міжнародної економічної політики

Львів, Оснабрюк



Анотація

Система контролю якості поліетилену - це сукупність методів і засобів перевірки й регулювання компонентів, що визначають рівень якості продукції, а також технічного моніторингу на всіх стадіях виробничого процесу поліетилену. Уперше полімеризацію поліетилену в кінці XIX ст. здійснив учений Густавсон. Протягом довгих років поліетилен створювали в малих обсягах, але в 1938 р. процес промислового виробництва освоїли в Англії. Тоді метод полімеризації був ще недосконалий та потребував додаткових засобів контролю за виробництвом. У наш час кожне підприємство застосовує різні методи для контролювання виробництва, однак, з огляду на складні хіміко-технологічні процеси, необхідність ефективнішої та ціліснішої системи, яка контролюватиме якість кінцевої продукції та забезпечуватиме економію сировини, все ще актуальна. Мета дослідження: створення інформаційної системи контролю якості управління системами автоматизації із використанням віддаленого доступу та системи штучного інтелекту. Об'єкт дослідження: технічні особливості впровадження інформаційної системи контролю якості для підприємства із виробництва поліетилену. Предмет дослідження: інформаційна система контролю якості виробництва поліетилену із елементами технології штучного інтелекту. В роботі розглянуто питання створення інформаційної системи контролю якості поліетилену, яка уможливить ефективне і безпечне управління виробничим процесом, забезпечить високий функціонал та кросплатформність за допомогою вебтехнологій та засобів штучного інтелекту. У першому розділі розглянуто теоретико-методологічні основи дослідження систем контролю якості, у другому виконано системний аналіз об'єкта дослідження. Із урахуванням результатів дослідження створено інформаційну систему контролю якості виробництва поліетилену, призначення якої полягає у встановленні відповідності продукції та процесів вимогам нормативно-технічної документації, зразкам-еталонам, наданні інформації про перебіг виробничого процесу та підтримку його стабільності, захисті даних підприємства, виявленні дефектної продукції на ранніх етапах, запобіганнв випуску недоброякісної продукції.

Ключові слова: інформаційна система контролю якості; контрольна панель; вебтехнології; засоби штучного інтелекту; поліетилен; хімічна промисловість.



Abstract

INFORMATION SYSTEM OF POLYETHYLENE QUALITY CONTROL IN THE CIRCULAR ECONOMY

Mykola Baran1, Myroslava Bublyk1, Lyubomyr Chyrun2, Maryna Shevchenko3, Sofia Chyrun1

1 Lviv Polytechnic National University,

Information Systems and Networks Department, Lviv, Ukraine 2 Ivan Franko National University of Lviv,

Applied Mathematics Department, Lviv, Ukraine 3 Osnabruck University, International Economic Policy Chair, Osnabruck,

Polyethylene quality control system is a set of methods and means of control and regulation of components that determine the level of product quality, as well as technical control at all stages of the production process. The first experience of polymerization of polyethylene at the end of the XIX century was received by the scientist Gustavson. For many years, polyethylene was created in small quantities, but in 1938 the process of industrial production was mastered by the British. At that time, the polymerization method was not yet perfect and required additional means of production control. Nowadays, each company uses different methods to control production, but given the complex chemical and technological processes, the need for a more efficient and integrated system that will control the quality of final products and at the same time save raw materials is still relevant. Goal of research: creation of a quality control system for the tasks of notification, control, management of automation systems using remote access and artificial intelligence systems. Study object: technical features of implementation of quality control system for polyethylene production enterprise. Scope of research: quality control system for polyethylene production with elements of artificial intelligence technology. The article deals with the creation of an information system for quality control of polyethylene, which will provide effective and safe management of the production process, high functionality and cross-platform with the help of web technologies and artificial intelligence. The work consists of an introduction, five chapters, conclusions and a list of sources used. In the first section the theoretical and methodological bases of research of quality control system are considered. The second section provides a systematic analysis of the object of study. The third section compares and selects the means of implementing systems. The fourth section describes the created software. In the fifth section, the economic characteristics of the software product and the calculation of the cost of the software product. According to the study, an information system for quality control of polyethylene production was created, the work of which is to establish compliance of products and processes with the requirements of regulatory and technical documentation, standard samples, provide information on the production process and maintain its stability, protect enterprise data, identify defective products in the early stages, preventing the production of substandard products.

Key words: quality control information system; control panel; web technology; means of artificial intelligence; polyethylene; chemical industry.



Вступ

Проблема контролю якості виробництва та економії сировини все ще не до кінця вирішена. Тому виникла необхідність побудови інформаційної системи контролю якості виробництва із застосуванням елементів технології штучного інтелекту, які допоможуть не тільки завчасно повідомити про проблеми, але і контролювати технологічний процес, для постійної підтримки якості виробів на певному рівні. Інформаційні системи контролю якості виробництва широко використовують для процесу виробництва поліетилену високого тиску, оскільки він передбачає складні хіміко- технологічні процеси, запобігання поломкам технологічного обладнання, зменшення виробничих витрат і підвищення рівня безпеки праці на підприємстві. Впровадження інформаційних систем у виробничий процес дуже корисне для підприємств хімічної промисловості, вирішує комплекс завдань, пов'язаних із контролем якості продукції, економією сировини і управлінням виробництвом. Система контролю якості виробництва поліетилену дає змогу підвищити продуктивність реактора, забезпечити високу швидкість процесу, знизити шкідливість виробничої зони, зменшити собівартість поліетилену, збільшити вихід готового продукту і поліпшити його якість. Задіяння інформаційних систем, які на основі штучного інтелекту контролюють складні хіміко-технологічні процеси, чутливі до будь-яких відхилень, робить виробництво поліетилену керованим, передбачуваним і контрольованим.

Мета статті - аналіз процесів створення інформаційної системи контролю якості виробництва для виконання завдань сповіщення, контролю, управління системами автоматизації з використанням віддаленого доступу та системами штучного інтелекту.



Завдання дослідження

Розглянути основні елементи базової системи контролю якості виробництва й інформаційні системи, визначити можливість їх використання для створення комплексної системи контролю якості продукції.

Аналіз інженерних та програмних рішень зі створення системи контролю якості виробництва поліетилену, без прив'язки до платформи.

Визначення необхідних функцій та команд системи.

Описання системних вимог для розроблення системи контролю якості виробництва. інформаційний автоматизація штучний інтелект

Визначення необхідних програмних засобів реалізації інформаційної системи.

Об'єктом дослідження є технічні особливості впровадження системи контролю якості

продукції для підприємства із виробництва поліетилену. Предмет дослідження - інформаційна система контролю якості продукції для виробництва поліетилену із елементами технології штучного інтелекту. Новизна роботи полягає в розробленні принципово нової системи контролю якості поліетилену на основі вебтехнологій, яка за допомогою елементів штучного інтелекту буде самостійно контролювати процес виробництва для створення якісного кінцевого продукту та завдяки цьому забезпечуватиме економію сировини. Окрім цього інформаційна система не буде прив'язана до конкретного робочого місця користувача, що надасть їй підвищену мобільність. Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що вони становлять як науково-теоретичний, так і практичний інтерес. Матеріали виконаного аналізу стануть у нагоді для подальшого вивчення специфіки залучення інформаційних технологій у галузь хімічної промисловості. Розроблювана інформаційна система буде ефективною для подальшої оптимізації виробничого процесу, поліпшення якості продукції та економії сировини. Цю інформаційну систему також можна буде використовувати у взаємодії із іншими інформаційними системами або для підготовки відповідних спеціалістів.

Аналіз останніх досліджень та публікацій

Система контролю якості продукції - це цілісна сукупність процесів, ресурсів, відповідних процедур, організаційної складової, що уможливлюють підтримання міцних зв'язків між всіма ланками управління та підприємств на всіх рівнях реалізації та виробництва, а також здійснення загального управління якістю продукції та послуг. Для забезпечення необхідної високої якості продукції чи послуг потрібна певна чітка система управління якістю, яка ураховуватиме науково- технічні досягнення, орієнтуватиметься на запити ринку і стимулюватиме сумлінну працю всього колективу підприємства [1].

Система контролю якості продукції - узагальнювальний термін для декількох типів інформаційних систем. Є різні підходи до побудови систем контролю якості виробництва, а саме: системи, побудованої за принципом світлосигнальної панелі із застосуванням механічних пристроїв контролю (перемикачів, кнопок, сигнальних ламп, маячків); системи із застосуванням панелі оператора (комбіноване використання механічних пристроїв контролю та панельних комп'ютерів), а також системи, що являє собою НМІ на базі автоматизованих робочих місць (АРМ), тобто персональний комп'ютер, телефон або планшет з розгорнутою системою контролю якості продукції [2, 3]. У роботі розглянуто розроблення системи контролю якості поліетилену за принципом HMI систем, із підтримкою мультиплатформності та використанням web-технологій.

Робіт, які стосуються розроблення і дослідження інформаційних систем контролю якості продукції та систем віддаленого управління, доволі багато як в міжнародному просторі, так і в національному сегменті. У статті [4] описано наглядовий контроль якості продукції, технології збирання даних, вимоги до інтерфейсу, розглянуто нові та відкриті технології, їх вплив на збільшення можливостей розробки SCADA/HMI. Наведено практичні програми SCADA/HMI для DCAI. У статті подано огляд функцій SCADA та основ функціонування систем SCADA, зокрема короткий опис ключового інтерфейсу людина-машина. Обговорено кілька ключових питань та проблем сучасних систем SCADA, тобто стандарти повідомлень, тестування їх продуктивності та застарілості системи. Проаналізовано сучасні тенденції розподіленого опрацювання, вдосконалення інтерфейсу людина- машина, стандартних систем, розумних RTU та стандартних програмних забезпечень. Автор статті зосереджує увагу на тому, що якість продукції, хоч і не має оцінювального критерію, однак є конкретною перевагою і залежить насамперед від кваліфікації персоналу і його обізнаності в технологіях виробництва. Якість формує репутацію і діловий імідж як фахівця, так і компанії, представником якої він є. У статті [7] виконано чіткий, детальний аналіз сучасного стану справ організації контролю якості продукції на підприємствах, передбачено необхідність аналізу всього організаційного процесу контролю якості продукції, дослідження системи, а також чіткого дослідження інформаційних потоків контролю якості продукції, що виготовляється на підприємстві. Проте у всіх згаданих вище роботах не вирішено завдання якісного моніторингу та запущеного контролю процесу виробництва без задіяння персоналу, зменшення затрат на сировину та фінансових витрат, а також зменшення складності навчання роботи із даними системами. Також, із урахуванням цих робіт, актуалізується розроблення системи, яка не прив'язана до певного пристрою чи панелі, а побудована на принципі мультиплатформності, що надає мобільності роботі оператора системи.

Для забезпечення потрібної якості продукції чи послуг необхідна ефективна система управління якістю, що враховуватиме усі науково-технічні досягнення та орієнтуватиметься на запити ринку. Починаючи із 50-х років ХХ ст. у світі розпочалося запровадження систем управління якістю продукції на підприємствах різних галузей. Однією з перших систем була система бездефектного виробництва продукції (БВП). Метою системи було створення необхідних умов виробництва, за яких продукція відповідала б усім зазначеним нормативним документам і її приймали із першого подання. Одним із основних критеріїв оцінювання якості продукції був заданий відсоток продукції, зданої з першого разу. Відповідно, чим більший відсоток зданої продукції, тим більші були моральні, а головне матеріальні заохочення [8].

Прогресивнішою була Львівська система бездефектної роботи (СБП), яка ставила за мету випуск максимально бездефектного продукту відмінної якості. Варто зауважити, що система передбачала заохочення роботи всіх працівників: від робітника виробництва до працівника управління. Система враховувала якість праці, а також прорахунки кожного працівника підприємства. У наш час системи контролю якості продукції використовують у різних сферах людської діяльності. Їх активно застосовують для автоматизації окремих агрегатів, установок або цілого технологічного процесу [9].

Рис. 1. Кнопкова панель SIMATICPP



Рис. 2. Сенсорна панель YOKAGAWA

Сучасна HMI-система - це спеціалізоване програмне забезпечення чи мікропроцесорний пристрій із дисплеєм. Вона поставляється з попередньо встановленим процесом виробництва і середовищем виконання проєктів, призначеними для користувача HMI. Цим панель оператора відрізняється від панельних промислових комп'ютерів, на які необхідно додатково встановлювати програмні пакети й інші застосунки - як правило, платні. Для того, щоб краще розуміти всі переваги та недоліки різних способів реалізації систем контролю якості, доцільно ознайомитись з основними засобами реалізації систем та виділити у них найпопулярніші системи, пропоновані на ринку. Серед найефективніших та популярних систем, які застосовують на підприємствах хімічної промисловості, можна виділити такі:

Кнопкові панелі SIMANTIC можна використовувати скрізь, де потрібні кнопки і лампи, наприклад, у панелях управління, машинах і установках. Вони можуть також входити в конструкції спеціальних машин, для розроблення стандартних панелей оператора, які за рахунок цього можна доволі гнучко і модульно розширити із використанням додаткових кнопок і світлодіодів, що підключаються до вбудованих у панель дискретних входів і виходів. Готові до використання кнопкові панелі підключаються до контролерів SIMATIC через мережі MPI, Profibus DP або Profinet. Стандартна конфігурація гарантує безпосередню готовність для використання відразу ж після підключення і конфігурування, завдяки цьому можна зекономити до 90 % часу порівняно зі стандартним монтажем. Зміна параметрів може активізувати різні опції PP. Управління машиною стає простішим і швидшим для інженера-розробника, оператора і кінцевого користувача [10].

Переваги SIMATIC PP:

Кнопкова панель (PP) забезпечує стандартні функції, які необхідні для традиційно розробленої панелі оператора.

Повністю або частково “налаштовані” кнопки, завдяки чому спрощується розгортання системи на підприємстві.

Двоколірні світлодіоди у всіх кнопках.

Додаткові цифрові входи і виходи для розширень системи.

Заготовки для 22 мм додаткових елементів типу кнопка, лампа тощо.

Централізований вхід, для запобігання несанкціонованому введенню.

Вбудована перевірка ламп і кнопок, вибрана через параметри.

Висока надійність управління системою, що надзвичайно важливо під час виробництва.

Легкі обслуговування та ремонт системи.

Недоліками кнопкових панелей контролю SIMATIC як електронно-механічних панелей є:

Істотний вплив навколишнього середовища та людського фактора на зношення та вихід із ладу елементів системи.

Відсутність надійних засобів недопущення та виправлення помилок дій оператора під час роботи із системою.

Необхідність постійного перебування біля системи оператора.

Прив'язка панелі контролю до однієї локації на підприємстві, що унеможливлює її мобільність.

Відсутність збереження звітів щодо роботи системи.

Відсутність виведення графічної інформації, що ускладнює роботу із системою, знижує її продуктивність та рівень входу для роботи з нею.

Необхідність постійного коригування якості процесу оператором, що створює додаткові загрози на основі людського фактора.

Надання системі тільки функцій попередження та зміни вхідних даних із дозволу користувача. Відсутність прямого залучення системи до контролю та її самонавчання.

Сенсорна панель оператора є засобом людино-машинного інтерфейсу, що дає змогу користувачеві ефективно обмінюватися даними із обладнанням. Простий та інтуїтивно зрозумілий графічний інтерфейс забезпечує максимально зручне управління промисловими агрегатами. На сучасних панелях Yokogawa практично немає фізичних елементів - кнопок, перемикачів, тумблерів, індикаторів тощо [11].

Взаємодія відбувається через сенсорний екран. На ньому ж відображається вся необхідна оператору інформація. Така технологія дає змогу не тільки швидко і зручно контролювати обладнання, але і позбавляє необхідності використовувати додаткові електричні сполуки, наявні в традиційних кнопкових системах управління. Надійність таких з' єднань часто сумнівна, тому вони можуть відмовити в найвідповідальніший момент. За сенсорного керування ризик виникнення такої ситуації зводитися до мінімуму. Переваги YOKAGAWA:

Завдяки високошвидкісному інтерфейсу USB можна швидко завантажувати і вивантажувати робочі програми. Для копіювання і резервування даних, а також перенесення їх з однієї панелі на іншу можна використовувати USB-флешку або SD-карту.

Торгова марка Yokogawa пропонує великий вибір яскравих і барвистих дисплеїв з високою роздільною здатністю, аж до 65535 кольорів, що дають змогу відтворювати чітку і реалістичну картинку.

Програму ПЛК можна обслуговувати й оновлювати за допомогою панелі. Це забезпечує оперативну і зручну роботу з ПЛК з меншою кількістю кабелів і з'єднань.

Панелі можуть бути з'єднані з різними типами струменевих і матричних принтерів через порт USB.

Надається багато можливостей для комунікації через різні інтерфейси зв'язку.

Недоліки YOKAGAWA: вища вартість пристрою порівняно з кнопковими варіантами або з

панелями, які не мають елементів управління; деякі типи сенсорних дисплеїв не можуть ефективно працювати в умовах негативних температур, що робить маловживаним пристрій, коли температура нижча від нуля; працюючи із системою, завжди необхідно стежити за чистотою дисплея для забезпечення високої надійності роботи; все ще не вирішена проблема мобільності системи, що призводить до часткових втрат якості та швидкості вирішення проблем чи запобігання їм; надання системі тільки функцій попередження та зміни вхідних даних із дозволу користувача. Відсутність прямого залучення системи до контролю та її самонавчання.

Панелі оператора Harmony ST6 мають розмір від 4,3 до 15,6 дюйма і поєднують виняткову якість з хорошою графікою (16 млн кольорів), стильним дизайном завдяки металевій передній панелі корпусу.

Рис. 3. Сенсорна вебпанель Schneider Electric Harmony STW6

Програмування Harmony ST6 здійснюється за допомогою нового функціонального ПО EcoStruxure Operator Terminal Expert, що є частиною пропозиції EcoStruxure Machine і об'єднує ключові технології для підключення продуктів, локального управління, а також хмарні технології для надання аналітичних і цифрових послуг. Постійний розвиток функціоналу EcoStruxure Machine дає змогу пропонувати клієнтам більше інновацій та додаткових переваг протягом усього життєвого циклу обладнання.[12]. Переваги Schneider Electric Harmony STW6:

Металева основа забезпечує корпусу жорсткість, що в поєднанні з якісною прокладкою ущільнювача по периметру корпусу забезпечує гарантовано високий ступінь захисту з боку лицьової панелі - IP65.

Корпус Harmony ST6 має додаткові зачепи-фіксатори, які запобігають випаданню термінала з монтажного вікна до моменту його повної фіксації. Комплектні фіксатори уможливлюють монтаж панелі оператора без використання додаткового інструменту.

Всі моделі Harmony ST6 мають на корпусі QR-код, за допомогою якого можна отримати швидке посилання на документацію із обслуговування панелі оператора, використовуючи смартфон із виходом в інтернет.

Всі моделі терміналів Harmony ST6 містять широкоформатні дисплеї з високою роздільною здатністю, забезпечуючи відображення 16 млн кольорів, покращену графіку з використанням шрифтів TrueType, градієнта, прозорості та згладжування.

Моделі Harmony ST6 відповідають вимогам IIoT на рівні підключення продуктів, забезпечуючи безпечний зв'язок, підключення і ефективність для необхідного програмного забезпечення і застосунків.

Вбудований WEB-браузер з підтримкою HTML5 дає змогу використовувати можливості доступу до меню для налаштування різних серверів і вебтерміналів.

Недоліки Schneider Electric Harmony STW6: висока ціна придбання системи та її розгортання. Необхідність кваліфікованого персоналу для виправлення програмних помилок із функціонування системи; необхідність додаткових засобів зв'язку, для безпечного передавання даних; відсутність підтримки системи на популярних платформах (смартфон, планшет, персональний комп'ютер); прив'язаність програмного забезпечення системи до вебпанелі; надання системі функцій лише попередження та зміни вхідних даних з дозволу користувача. Відсутність прямого залучення системи до контролю та її самонавчання. Як зрозуміло із наведеного опису систем контролю якості, основною їхньою проблемою є відсутність самонавчання системи, що призводить до значних фінансових витрат на придбання сировини та додаткову оплату праці працівникам. Також серед основних недоліків можна виділити високу ціну, необхідність навичок роботи зі схожими системами та прив'язку систем до одного пристрою чи місця розташування. Для забезпечення функціонування інформаційної системи контролю якості поліетилену на базі HMI-інтерфейсу необхідно визначити основні атрибути та функції, вказані в табл. 1:

Графічний інтерфейс - містить низку візуальних засобів для покращення навігації користувача в інформаційній системі, а також, крім технічних, виконує естетичні функції, забезпечуючи презентабельність системи та її подальше просування на аналогічних підприємствах.

Обмін повідомленнями - реалізується з метою комунікації між працівниками підприємства для подальшого узгодження дій, надсилання звітів та створення нотаток.

Виробничий режим із застосуванням контролю якості - функцію реалізовано з метою моніторингу процесу виробництва, перегляду вихідних даних та оцінювання роботи системи. У цьому режимі користувач системи вводить тільки необхідні початкові дані, передбачені технологією виробництва, а надалі виконує роль лише спостерігача. Усі операції із подальшого контролю якості, нівелювання похибок та аналізу критичних ситуацій виконує система, яка на основі штучного інтелекту опрацьовує вихідні параметри і на їх основі задає подальші вхідні.

База даних для автентифікації виконує захисну роль у системі, обмежує доступ до системи незареєстрованим користувачам. Зберігає всю інформацію про користувача та надає весь необхідний функціонал, прив'язаний до його ID.

Режим діагностики - реалізується з метою перевірки справності обладнання та давачів, які закріплені за ними.

База даних для виведення звітності щодо сеансів роботи системи необхідна для аналізу технологічних процесів, ефективності роботи кожного користувача, виконання економічних розрахунків та на їх основі формування подальших прогнозів.

Таблиця 1 Функціональність програмної системи

Атрибут Функція	Статус	Пріори тет	Трудо- ємкість	Ризик	Стабіль ність	Цільо ва версія	Призначення	Прийняте рішення
1	2	3	4	5	6	7	8	9
Графічний інтерфейс	Увімкнена v 1.0	Важлива	Високий рівень	Низький	Середня	v 1.0	Графічне зображення функцій для навігації системою	Реалізувати негайно
Обмін повідомленнями	Пропонована v 1.0	Корисна	Середній рівень	Низький	Висока	v 1.0	Обмін повідомленнями між користувач- чами	Реалізувати негайно
Виробничий режим із застосуванням контролю якості	Увімкнена v 1.0	Важлива	Високий рівень	Високий	Середня	v 1.0	Контроль виробничого процесу та якості кінцевого продукту	Реалізувати негайно
1	2	3	4	5	6	7	8	9
База даних для проведення автентифікації	Увімкнена v 1.0	Критична	Високий рівень	Середній	Середня	v 1.0	БД для проведення реєстрації та автентифікації	Реалізувати негайно
Режим діагностики	Увімкнена v 1.0	Корисна	Високий рівень	Високий	Висока	v 2.0	Контроль справності користувачем роботи обладнання та давачів	Реалізува ти негайно
База даних для виведення звітності щодо сеансів роботи системи	Увімкнена v 1.0	Корисна	Низький рівень	Низький	Висока	v 3.0	Виведення всієї наявної інформації щодо кожного із сеансів системи	Розгляну ти можливі варіанти реалізації

Проаналізувавши галузь, ми розглянули основні засади досліджень, з яких випливає, що ця галузь доволі затребувана, однак все ще потребує модернізації та покращень. Детально вивчивши роботи провідних науковців у галузі, отримали загальну картину цільової аудиторії, її потреб, а також порівняння того, що очікують користувачі від використання інформаційної системи, і того, що вона може надати для технічного розвитку галузі. Окрім цього, для поглибленого розуміння необхідності систем контролю якості продукції здійснено короткий аналіз створення та впровадження перших систем на підприємствах. Порівнявши найпопулярніші системи контролю якості продукції, ми визначили вимоги до функціоналу даних систем. Чітко простежується недосконалість кожної з проаналізованих систем, оскільки розширення функціоналу прямо підвищує вартість системи і не дає можливість користуватися її даними, а те, що штучний інтелект не застосовується для контролю якості у виробництві, робить систему складнішою та потребує задіяння більшої кількості як персоналу, так і сировини. З вищесказаного випливає висновок про необхідність створення інформаційної системи, яка поєднуватиме мобільність, низьку вартість та надійний функціонал, а всі складні хіміко-технологічні процеси та контроль якості вихідного продукту здійснюватиме система із елементами штучного інтелекту, щоб унеможливити помилки на основі людського фактора.

Формулювання мети та постановка задачі

Для проєктування інформаційної системи контролю якості виробництва поліетилену однією з важливих вимог є надання рекомендацій, що ґрунтуються на принципах побудови системи підтримки прийняття рішень та методології системного аналізу [13]. Серед усіх принципів можна виділити такі:

Принцип остаточної (глобальної) мети - передбачає визначення мети та характеризується абсолютним пріоритетом, тобто визначає наявність певної основної цілі для інформаційної системи - надання інструментів для вирішення проблеми контролю якості виробництва поліетилену.

Принцип єдності - сумісний розгляд системи як сукупності компонентів (елементів, підсистем, системотворчих відношень). У цьому випадку є: підсистема, яка надає можливість внесення необхідної інформації у програму (нових вхідних даних); підсистема надання рекомендацій на основі введених даних; підсистема самостійного контролю вихідних даних; підсистема, що дає змогу вивести всі вихідні дані у попередньо створеній відповідній формі (система виведення).

Принцип зв 'язності - містить необхідні сформовані дані, що ґрунтуються на внесених та збережених даних у базі даних.

Принцип модульності - передбачає реалізацію декомпозиції на складові (модулі) різного ступеня загальності та розглядає систему як певну сукупність модулів та зв'язків між ними. Проєктовану систему можна розділити на такі модулі: головний модуль логічного виведення, модуль логічного контролю вихідних даних; модуль виведення сформованої системи рекомендацій, модуль внесення даних користувача системи.

Принцип функціональності - сприяє забезпеченню загальної функціональності системи, а саме функціональності внесення необхідних даних користувачів, збереження їхніх звітів.

Принцип розвитку - повинен закладатися під час побудови штучних систем як здатність до вдосконалення, розвитку системи за умови збереження якісних особливостей, тобто повинен полягати у внесенні певних нових знань упродовж функціонування системи.

Наведені вище принципи надають змогу відобразити характерні особливості під час побудови системи та врахувати усі взаємоважливі зв'язки між елементами. Наведемо опис сутності системи відповідно до мети, яка визначає певні призначення системи та конкретизує за допомогою застосування дерева цілей [14]. Згідно із загальноприйнятою методологією системного аналізу, основною метою є створення інформаційної системи контролю якості виробництва поліетилену. Можливість виконання цього завдання з'являється тільки тоді, як досягнуто всі наявні підцілі. Від вершини дерева цілей, що уособлює головну ціль, виходять три гілки, які ділять головну ціль на три відповідні підцілі.

Перша підціль - це “Перевірка кожного етапу виробництва”. На цьому етапі необхідно виділити характеристики підцілі та сформувати структуру знань, що потрібно для ефективної роботи системи. Виділена підціль також поділяється на дві нижчі підцілі, завданнями яких є проєктування засобів для перевірки етапів виробничого процесу та створення логічної моделі бази знань із відомостями про стан роботи системи.

Другою підціллю є “Контроль та зміна параметрів штучним інтелектом”. Метою цієї гілки є аналіз якості та її подальший контроль. Ця підціль також поділяється на дві нижчі підцілі, а саме: порівняння вихідних реальних параметрів та номінальних (відстежує зміни даних, виконує їх аналіз, а також на їх основі здійснює самонавчання, для визначення відхилення від номінальних параметрів), контроль та коригування вхідних параметрів системою (на основі проаналізованих даних приймає рішення про зміну вхідних параметрів, для підтримки необхідного параметра якості продукту). Третя підціль - це “Захист виробничого процесу”. Мета цієї підцілі - забезпечити безпечну роботу із інформаційною системою та зменшити вплив людського фактору на неї. Ця підціль поділяється на три нижчі підцілі: створення облікового запису користувача (слугує для прив'язки користувача і виробничого процесу, аналізування його дій), надання рекомендацій для вхідних даних та користування системою (зменшує інтелектуальний поріг входу для користування системою), заборона запуску виробництва двома і більше користувачами (необхідне для унеможливлення виникнення нелогічних ситуацій на виробництві, які відповідно можуть призвести до критичних наслідків). Четвертою підціллю є “Аналіз вихідних даних користувачем”. Мета цієї підцілі полягає у наданні зручних засобів користувачам для обміну даними та подальшого їх аналізу. Ця підціль поділяється також на дві підцілі: надсилання звітності електронною поштою (надає змогу звітувати про роботу системи) та візуалізація потоку вихідних даних (надає інструменти для спрощеного виведення окремої інформації користувачу системи).

Виклад основного матеріалу

Для конкретизації функціонування інформаційної системи необхідно задіяти структурну методологію із реалізацією у вигляді ієрархії DFD чи еквівалентної IDEF0. Для кожної без винятку методології необхідне спеціальне середовище їх побудови. На основі аналізу засобів моделювання необхідних діаграм було вирішено використовувати середовище AllFusion Process Modeler, оскільки воно має зрозумілий інтерфейс для користування, всі необхідні функції для роботи із діаграмами і підтримує три основні методології моделювання: IDEF0, IDEF3 та DFD. Зі списку цих методологій ми використовували для моделювання конкретизації функціонування системи методологію IDEF0, тому що вона надає змогу досліджувати функції системи, не пов'язуючи їх з об'єктами, які забезпечують їх реалізацію. Саме цей підхід у реалізації діаграм, в нашому випадку, дає змогу найширше описати функціонування системи [15]. Спочатку було створено контекстну діаграму “Інформаційна система контролю якості поліетилену” в методології IDEF0 (рис. 5).



В управління увійшли:

Технологія виготовлення - конкретні, чіткі вказівки користувачу інформаційної системи, які можуть видаватися на основі як загальноприйнятих стандартів із технічної документації, так і персональних стандартів, які визначає керівник.

Алгоритм програми - це певна послідовність команд виконавцеві цього алгоритму (у нашому випадку штучному інтелекту системи), спрямованих на розв'язання певної задачі.

Механізмами здійснення процесу є:

Інтерфейс системи - певна розроблена сукупність правил, методів і засобів взаємодії (контролю, управління тощо) між розробленими елементами системи, з дотриманням вимог до інтерфейсів систем контролю якості.

Давачі - певні вимірювальні пристрої, до складу яких входять пристрої механічного контролю за виробництвом та ті, які виробляють вихідні сигнали, зручні для дистанційного зберігання, передавання та використання у системах керування чи контролю.

Система - логічні команди та засоби штучного інтелекту, які можуть виконувати необхідні розрахунки та на основі даних, отриманих під час розрахунків чи від давачів, здійснювати аналіз, контроль та вносити відповідні зміни у виробничий процес.

Вхідними даними:

Дані користувача - електронна пошта та пароль, які необхідні для входу в систему та подальшої роботи з нею.

Час роботи - кількість часу, упродовж якого триватиме активна стадія виробничого процесу.

Дані фракції - основна одиниця сировини, яка застосовується для виготовлення продукції.

Дані каталізатора - друга за значущістю одиниця сировини, яку за технологією прийнято застосовувати у відношенні 1:1 із фракцією.

Дані розчинника - дані, необхідні для проведення хімічних реакцій.

Дані пристроїв - величини, які надходять із давачів або інших пристроїв.

Дані метанолу - дані, необхідні для промивання сировини.

Дані добавки - дані, необхідні для задавання кінцевої класифікації готового продукту відповідно до стандартів.

Результатом роботи системи будуть:

Звіт роботи - сформований звіт про роботу системи на період виробничого процесу, із усіма необхідними даними про користувача, сеанс та кінцевий продукт.

Характеристики поліетилену - основні величини, які важливі в кінцевому результаті для оцінювання продукції та її класифікації.

Якість поліетилену - це визначена якість готового кінцевого продукту, яка ґрунтується на розрахованих та отриманих даних щодо характеристики кінцевої продукції, процесу виробництва і технології виготовлення.



Після створення та опису контекстної діаграми було здійснено функціональну декомпозицію, тобто поділ системи на підсистеми. Кожну підсистему опишемо окремо.

Контекстну діаграму ми поділили на чотири блоки (рис. 6):

* Визначити рівень доступу - блок, який відповідає за захист системи, надання доступу авторизованим користувачам та верифікацію для незареєстрованих користувачів.

Внести дані в систему - призначений для налаштування виготовлення поліетилену відповідно до певної технології, яку задав керівник, та ґрунтується на введенні даних, необхідних як для тестування системи, так і для повноцінного запуску виробництва, з метою виготовлення готової продукції.

Запустити виробництво - блок, під час якого відбувається весь виробничий процес. Під час виконання цього процесу всі етапи відбуваються лінійно, для того щоб не виникало ситуації невизначеності, яка може мати критичні наслідки як для системи, так і для матеріального забезпечення підприємства.

Контролювати якість - блок, все управління і аналіз якого ґрунтуються на штучному інтелекті, який контролює якість кінцевого продукту, збираючи та аналізуючи уже готові дані, й на їх основі задаючи нові параметри, які містяться в межах, відповідно до попередньо заданої технології виробництва. Окрім цього також приймає рішення про екстрене завершення виробництва, якщо якість виходить за межі мінімальних допустимих показників [16].

Після подальшого поділу діаграми отримуємо ще чотири діаграми декомпозиції, що детально описують кожен із наявних блоків, зображених у декомпозиції контекстної діаграми. Декомпозиція блока “Визначити рівень доступу” (рис. 7) детально ілюструє послідовність виконання входу в систему. Після надходження даних користувача із інтерфейсу системи виконується запит до СД, для перевірки наявності користувача. Якщо користувач наявний у СД, система виконує додаткову перевірку наявності повноважень для роботи (визначаючи, чи систему запустив інший користувач), і після цього надається доступ до користування системою. Якщо ж даних користувача немає у СД, користувачу пропонують здійснити реєстрацію і подальшу верифікацію. Етапи, що відбуваються надалі, аналогічні до етапів для зареєстрованих користувачів.

Декомпозиція блока “Внести дані в систему” (рис. 8) деталізує процес задавання необхідних даних для виробничого процесу із виготовлення поліетилену або їх редагування. Якщо надано дозвіл працювати із системою, користувач отримує можливість вводити першочергові дані для виготовлення поліетилену або запуску перевірки справності виробничого процесу. Після внесення першочергових даних надається можливість вносити дані добавки, для запуску повноцінного виготовлення. У випадку введення як першочергових, так і другорядних даних продукції, яка буде брати участь у виробничому процесі, користувачу необхідно увімкнути пристрої, після чого всі опрацьовані дані, із кожного блока, надходять на перевірку. Відповідно до результату аналізу перевірки система розпочинає виробництво із перевіреними даними або надає вказівки щодо додавання чи редагування вхідних даних. Всі операції, здійснені й описані в цій діаграмі деком- позиції, можуть здійснювати як користувач, так і система, за винятком блока “Увімкнути пристрої”, який реалізується тільки за допомогою користувача, тобто інтерфейсу системи [17].

Рис. 8. Діаграма декомпозиціїIDEF0 “Внести дані в систему”

Декомпозиція блока “Запустити виробництво” (рис. 9) ілюструє процес виробництва, який є строго лінійним і не передбачає ніяких можливостей розгалуження. Після запуску виробництва перевірені дані надходять до процесу полімеризації, а проаналізовані дані полімеру відповідно надходять до процесу відмивання від каталізатора. Після виконання цього процесу дані про відкритий ПО надходять до блока висушування, який своєю чергою надає обчислені дані поліетилену. Механізмом здійснення процесів у цьому блоці “Запустити виробництво” є тільки давачі [18].



Рис. 9. Діаграма декомпозиціїIDEF0 “Запустити виробництво”

Декомпозиція блока “Контролювати якість” (рис. 10) необхідна як для контролю якості, так і для контролю виробничого процесу загалом. Коли надходять дані щодо поліетилену, відбувається порівняння реальних та номінальних параметрів якості. Після перевірки даних, зокрема про якість поліетилену та його характеристики, інформація про поліетилен виводиться для користувача. Окрім цього, всі дані про поліетилен записуються у СД.

Рис. 10. Діаграма декомпозиціїIDEF0 “Контролюватиякість”

Паралельно із цим ті самі перевірені дані аналізує штучний інтелект і на їх основі визначає критично можливий рівень якості продукції. Якщо система робить висновок про те, що рівень якості нижчий від критичного, відбувається екстрене завершення роботи та подальший запис у СД причини завершення. Якщо ж рівень якості система оцінила як такий, що є дозволеним, штучний інтелект визначає дані, що підлягають зміні для підтримки чи поліпшення якості кінцевої продукції. Після цього змінені вхідні дані переадресовуються у блок “Внести дані в систему”. Всі розрахунки, аналіз та прийняття рішень у блоці “Контролювати якість”, а також зміну даних у блоці “Внести дані в систему” здійснює штучний інтелект системи. Для того, щоб не заплутатися і не загубитися у великій кількості інформації, а також перевірити коректність декомпозиції, необхідно після кожного внесення змін створювати діаграму ієрархії процесів (дерева вузлів). Подання інформаційної системи у вигляді функціональної схеми - поширений спосіб моделювання функціональності системи. Діаграма зображає усю ієрархію робіт у моделі та надає змогу розглянути абсолютно всю модель, однак не може показувати взаємозв'язки між наявними роботами (стрілки). Цей процес створення моделі робіт є ітеративним, отже, місце розташування роботи може змінюватись на створеному дереві вузлів багаторазово.

Рис. 11. Діаграма ієрархії процесів

У цій діаграмі, що зображає ієрархію процесів, глибина дерева дорівнює трьом, а корінь дерева - “Інформаційна система контролю якості поліетилену”, яка, своєю чергою, є батьківською роботою діаграми. Нижній рівень декомпозиції показано за допомогою списку, однак решту робіт зображено у вигляді прямокутників. Для повного відображення ієрархії за допомогою прямокутників необхідно вимкнути опцію Bullet Last Level. Для побудови інформаційної системи контролю якості виробництва поліетилену доводиться задіювати кілька галузей для максимально ефективної роботи системи. Умовно систему можна розділити на: частину, яка реалізовує дизайн, функціональну частину та частину зі сховищем даних. Для цього надається низка доступних рішень. Перше та найпримітивніше рішення - реалізувати систему на зв'язці HTML+CSS+JS із частиною бекенду на Python чи PHP та підключеною до нього базою даних. Однак це рішення надзвичайно складне, оскільки потребує великих затрат часу, додаткового підключення до локальної бібліотеки хостингу, навичок із оптимізації різних системних підходів під цей код, а також є дещо застарілим у плані швидкодії системи, її зовнішнього вигляду та функціональності. Наступне із доступних рішень - побудова системи на основі CMS. Система керування вмістом, або Content Management System, є програмним забезпеченням, яке використовують для надання додаткового функціоналу, а також організації та структуризації вебсайтів, як у відокремлених комп'ютерних мережах, так і загалом в інтернеті [19]. Існують сотні, а може, навіть й тисячі доступних CMS-систем. Завдяки розширеній функціональності ці системи можна використовувати в різних галузях людської діяльності. Основні функції сучасних CMS такі [20-23]:

Генерація необхідної вебсторінки за запитом користувача.

Керування як текстовими, так і графічними блоками контенту на сайті, із наданням користувачеві зручного інтерфейсу для роботи.

Забезпечення зручними інструментами оприлюднення інформації на сайті, а також подальше її зберігання.

Автоматизація усіх процесів із розташування інформації в наявних базах даних та її подальше оприлюднення у коді HTML.

Попередній показ вебсторінки для редагування одному із адміністраторів.

Забезпечення інструментарієм для видалення чи редагування контенту.

Здійснимо загальне порівняння CMS систем за основними параметрами, які потрібні для ефективного створення системи, а саме: ефективність написання FrontEnd-у, BackEnd-у, трудомісткість, підтримка із боку розробників, ефективність підключення додаткових засобів розроблення, доступність та оптимізація [20-23].

Детально проаналізувавши ефективність застосування CMS систем і порівнявши їх із можливістю реалізувати систему на зв'язці HTML+CSS+JS із частиною бекенду на Python чи PHP, ми вирішили, що жоден із варіантів не підходить, оскільки хоч CMS і економлять час на побудову системи, однак не надають достатньої свободи дій для побудови системи з нуля. Окрім цього, потрібен додатковий час для їх освоєння, постійного пошуку шаблонів, які будуть максимально відповідати системі, що планується. Варто також зазначити, що всі CMS системи побудовані на мові PHP, яка стрімко втрачає актуальність на ринку розроблення інформаційних систем, зважаючи на її погану оптимізацію, низьку швидкодію та малу функціональність. Хоча CMS системи можуть ефективно використовувати користувачі, в яких немає навичок розроблення, однак вони не мають необхідної гнучкості для розробки, можуть потребувати додаткових грошових затрат та не ефективні для створення комбінованих систем [24]. Альтернативою цим рішенням є можливість використання для розроблення фреймворків. Вони містять елементи, які дають змогу значно швидше та ефективніше розробляти сайти, а також набагато гнучкіші для роботи із системою.

Таблиця 2 Порівняння основних характеристик CMS систем

	WordPress	Joomla!	Drupal	UMI.CMS	NetCad
FrontEnd	Дуже низька	Низька	Низька	Низька	Низька
BackEnd	Дуже низька	Низька	Дуже низька	Дуже низька	Низька
Трудомісткість	Дуже низька	Дуже низька	Низька	Середня	Середня
Додатки	Відсутні	Відсутні	Відсутні	Відсутні	Відсутні
Підтримка	Висока	Середня	Середня	Низька	Низька
Доступність	Висока	Середня	Середня	Дуже низька	Низька
Оптимізація	Дуже висока	Висока	Середня	Середня	Середня



Здійснимо загальне порівняння фреймворків за основними параметрами [25-29], які потрібні для ефективного створення системи, а саме: ефективність написання FrontEnd-у, BackEnd-у, трудомісткість, підтримка розробниками, ефективність підключення додаткових засобів розроблення, доступність, оптимізація, взаємодія з Node. Виконавши детальний аналіз фреймворків та здійснивши їх порівняння із попередніми CMS засобами побудови інформаційних систем, ми виявили їх високу ефективність та відносну простоту в застосуванні. Для подальшої роботи із фронтендом системи вибрано фреймворк ReactJS, а для основної роботи, пов'язаної з бекендом, - ExpressJS із підключеним Material UI пакетом даних та додатковими засобами ExpressRouting. Ці додаткові засоби допоможуть реалізувати сучасний інтерфейс, відповідно до сучасних вимог дизайну, а також побудувати ефективний роутинг для простішої навігації у системі.

Таблиця 3 Порівняння основних характеристик фреймворків

	ExpressJS	ReactJS	Ruby	Angular
FrontEnd	Низька	Дуже висока	Середня	Середня
BackEnd	Дуже висока	Середня	Середня	Середня
Трудомісткість	Середня	Низька	Середня	Висока
Взаємодія з Node	Висока	Висока	Низька	Низька
Додатки	Наявні	Наявні	Відсутні	Відсутні
Підтримка	Дуже висока	Дуже висока	Висока	Середня
Доступність	Висока	Висока	Середня	Висока
Оптимізація	Висока	Висока	Дуже низька	Низька

Основні зв'язуючі програмні засоби розроблення інформаційної системи - ReactJS і ExpressJS. Оскільки головна суть системи полягає у контролі якості на основі засобів штучного інтелекту, головну увагу варто приділити ExpressJS як засобу роботи із бекендом. ExpressJS - найпопу- лярніший серед вебфреймворк для Node. вебфреймворків Node є базовою бібліотекою для інших популярних і використовується як основний засіб для роботи із бекендом системи. Головними мовами програмування, що застосовуються для роботи в цьому фреймворку, є JavaSript і TypeScript [30]. Хоч сам Express доволі мінімалістичний, розробники створили сумісні пакети проміжного програмного забезпечення для вирішення практично будь-якої проблеми з веброзробкою. Існують бібліотеки для роботи з cookie-файлами, сеансами, входами користувачів, параметрами URL, даними POST, заголовками безпеки і багатьма іншими. Express не є обмежувальним фреймворком, завдяки чому надаються широкі можливості вставляти в ланцюжок опрацювання (middleware) запитів практично будь-які сумісні проміжні компоненти. Також можна структурувати додаток в одному файлі або в декількох, використовуючи будь-яку структуру каталогів.

Для того, щоб детальніше оглянути всі технічні характеристики фреймворку, виконаємо його детальний аналіз. У традиційних динамічних вебсайтах вебдодаток очікує HTTP-запит від веббраузера (або іншого клієнта). Коли запит отримано, додаток визначає, яку дію необхідно виконати на основі URL шаблону і, можливо, пов'язаної інформації, що міститься в даних POST або GET. Залежно від того, що потрібно, Express може потім читати чи записувати дані з бази даних, а також виконувати інші завдання, відповідно до отриманого запиту. Потім додаток повертає відповідь у веббраузер, найчастіше динамічно створюючи HTML сторінку для відображення браузером, вставляючи витягнуті дані в наповнювачі HTML шаблону. Express надає методи, що дають змогу вказати, яка функція викликається для конкретного HTTP запиту (GET, POST, SET, etc.), і URL шаблон ( "Route"), а також методи, що дають можливість вказати, який механізм шаблону ("view") використовується, де містяться шаблони файлів і який шаблон використовувати для виведення відповіді. Можна використовувати Express middleware для додавання підтримки файлів cookies, сеансів, і користувачів, отримання POST/get параметрів тощо. Окрім цього, надається змога використовувати будь-який механізм бази даних, підтримуваний Node (Express не визначає поведінку, пов'язану із базою даних). У наступних підпунктах пояснимо деякі загальні моменти, які детальніше описують роботу з кодом у Express і Node.

Модуль - це бібліотека або файл JavaScript, який можна імпортувати в інший код за допомогою функції require() Node. Express сам по собі є модулем, як і проміжне програмне забезпечення та бібліотеки баз даних, використовувані в додатках Express. Наведений нижче код показує, як здійснюють базовий імпорт модуля за іменем, використовуючи як приклад платформу Express. Спочатку викликають функцію require(), визначаючи ім'я модуля. У вигляді рядка (“express”) викликається повернутий об'єкт для створення додатка Express. Після цього надається можливість отримати доступ до властивостей і функцій об'єкта додатка.

var express = require('express'); var app = express();

Окрім цього, також можливо створювати власні модулі, які можна імпортувати так само. Щоб зробити об'єкти доступними поза модулем, просто потрібно призначити їх об'єкту експорту. В фреймворку Express JS код JavaScript часто використовує асинхронні, а не синхронні API для операцій, виконання яких може бути доволі тривалим. Синхронний API - це той, в якому кожна із операцій має завершитися до початку наступної. Наприклад, такі функції журналу є синхронними і виводять текст на консоль у послідовності (перший, другий).