Главная Пресс-центр Статьи и публикации Интегрированные системы автоматизации для отраслевых применений, Мир Компьютерной Автоматизации: ВКС, 2001/3

Интегрированные системы автоматизации для отраслевых применений, Мир Компьютерной Автоматизации: ВКС, 2001/3

А.Н.Любашин

Эффективностьпредприятияи комплексная интеграция

Вместе с появлением настоящего собственника на предприятиях встала задача повышения эффективности производства и качества выпускаемой продукции, а также обеспечения нового качества управляемости за счет создания единого информационного пространства предприятия. Этого можно достичь, лишь обладая всей достоверной оперативной информацией от всех объектов производства. Реальным инструментом для достижения поставленной цели является комплексная интеграция отдельных подсистем всего предприятия.

Передовой мировой опыт доказывает, что повышение эффективности деятельности современного предприятия возможно только при наличии единой системы, объединяющей управление финансами, персоналом, снабжением, сбытом и собственно производством. Такие системы рассматриваются как средство достижения основных целей бизнеса: улучшения качества выпускаемой продукции, снижения издержек и увеличения объема производства, занятия устойчивых позиций и получения существенных конкурентных преимуществ на рынке.

Использование замкнутых на себя систем управления предприятием (R3, BAAN, Галактика и др.) не решает в отдельности проблемы промышленного предприятия в целом, они самодостаточны только для автоматизации задач административно-управленческого уровня предприятия. Для использования всех возможностей таких систем в полном объеме необходим ввод в них оперативных и достоверных данных с уровня технологических и производственных процессов. Оперативность получения производственной информации позволяет всем уровням управления предприятием обеспечить текущий контроль и мониторинг основного и вспомогательного производственного процесса в реальном масштабе времени.

Для того чтобы информационная система предприятия решала задачу снижения общей себестоимости продукции и приводила к интегрированному понятию экономической эффективности производства в целом, информационная система должна включать следующие компоненты:

необходимое количество достаточно точного первичного оборудования (датчики, исполнительные механизмы, контроллеры) на основном и вспомогательном технологическом процессе;
современный промышленный контроллерный и компьютерный парка и промышленные коммуникации;
современный программный инструментарий для обработки, архивирования и представления оперативной технологической, учетной и коммерческой информации;
развитая коммуникационная инфраструктура предприятия.

Комплексная интеграция основа созданияэффективного предприятия

В своей деятельности производственное предприятие оперирует не только терминами исходное сырьё, основные фонды, продукция и т.п. Сегодня на первый план выступает такая категория, как информация. Всякая новация на предприятии должна рассматриваться с точки зрения приобретения нового качества информации. Комплексная интеграция, безусловно, это качество привносит. Она обеспечивает руководство предприятия объективной информацией, что является первой ступенью для строительства эффективного производства.

Помимо этого комплексная интеграция предприятия способствует созданию в рамках предприятия единого банка данных о продукции введением паспорта на изделие), технологических процессах, данных вспомогательных производств, снижает степень дублирования информации и обеспечивает стандартизацию всей деятельности предприятия. Вследствие чего снижается уровень затрат производства, повышается качество продукции, появляется возможность оперативной смены номенклатуры продукции. Кроме того, достигнутая стандартизация обеспечивает возможность оперативного внедрения на предприятии всех современных технологических достижений.

Актуальность работ по комплексной интеграции обусловлена следующим набором объективных факторов:

решить задачу повышения эффективности производства возможно только на основе объективной картины технических и технологических параметров;
существующие информационные и организационные барьеры между управленческими и технологическими уровнями предприятия приводят к блокированию важной для анализа деятельности предприятия информации, а также резко снижают оперативность принятия управленческих решений;
рынок средств и систем автоматизации уже сегодня предлагает все необходимые компоненты для осуществления комплексной интеграции.

Интеграция систем автоматизации должна идти в двух направлениях: горизонтальном и вертикальном.

Горизонтальная интеграция это объединение между собой всех автономных систем автоматизации технологических и производственных процессов, а также административных отделений цехового уровня в единую информационную сеть, обеспечивающей необходимый обмен данными в реальном масштабе времени между всеми подразделениями основного и вспомогательного производства. В том числе это и система учета, организованная на каждом этапе производственного процесса от поставки исходного сырья до склада готовой продукции.

Вертикальная интеграция это интеграция систем управления предприятием (АСУП, ERP) и систем управления технологическими процессами (АСУТП) с целью обеспечения максимальной эффективности всех систем автоматизации. Вертикальная интеграция основывается на организации потоков информации от нижнего уровня (датчиков и контроллеров технологического оборудования) во внутренние и внешние компьютерные сети предприятия и через них в административные системы управления. Данная задача решается на основе объединения промышленных и административных сетей. Основная цель вертикальной интеграции устранение препятствий на пути информационных потоков между уровнями АСУП и АСУТП с целью оперативного обмена данными.

Основы современныхсистем автоматизации

В основе современных интегрированных систем автоматизации лежит использование компонентов, которые удовлетворяют таким свойствам, как открытость, стандартизация, типизация решений, масштабируемость систем, комплексность подхода и тиражируемость.

Открытость

Открытость системы категория не только техническая, но и экономическая. Открытость стандартов на системы автоматизации означает отсутствие патентов или авторских прав на спецификацию стандарта и его расширение, отсутствие лицензионной платы за использование стандартов, широкую доступность всех специалистов к разработке, производству и использованию продукции в данном стандарте. Открытость означает применение открытых стандартов, определяет гибкость архитектуры системы автоматизации, дружественность пользовательского интерфейса, возможность взаимодействия с другими системами за счет совместимости широкого спектра стандартизованных изделий и программ на разных уровнях.

Стандартизация

Стандартизация предполагает использование компонентов систем автоматизации, основанных на существующих стандартах на программные и технические решения.

Современные тенденции в области стандартизации таковы, что системы автоматизации, построенные на основе различных решений, должны интегрироваться в единые системы и комплексы без серьезных дополнительных разработок. На место частнофирменных решений должны приходить открытые международные стандарты. Применение стандартов при создании системы автоматизации является показателем ее качества, гарантирует пользователю современный технический уровень и преемственность системы в процессе ее дальнейшего развития и модернизации.

Типизация решений

Типизация системных решений должна быть заложена в основу каждой создаваемой системы автоматизации. Следование этому принципу позволить иметь обозримый набор как компонентов, так и решений, что позволит экономить на закупках компонентов и внедрении систем.

Масштабируемость систем

Следование принципу использования стандартов для компонентов и решений позволит создавать масштабируемые, наращиваемые системы автоматизации, наиболее соответствующие целям и задачам, стоящим перед ними. Масштабируемость позволяет создавать и модернизировать системы автоматизации с минимальными средствами, обеспечивающими необходимые функции.

Комплексность подхода

Комплексный подход к системам автоматизации подразумевает не только традиционный (объектовый) подход, но и целевой, ориентированный на использование средств автоматизации разного уровня для достижения конкретных целей (снижения энергозатрат, себестоимости продукции, повышения качества продукции и услуг).

Тиражируемость

Каждая система автоматизации должна обладать свойством воспроизводимости и тиражируемости, что имеет прямое влияние на затраты по созданию систем и в конечном итоге на себестоимость продукции.

ИАСУ предприятия: уровни, задачи, варианты решений

Особенность российского рынка автоматизации состоит в сложном сочетании представленных на нем систем, отличных друг от друга по классу и идеологии, построенных подчас на несовместимых друг с другом протоколах, интерфейсах и контроллерах. Даже в рамках одного предприятия нередко можно встретить целый букет подсистем как современных, так и безнадежно физически и морально устаревших. В настоящее время на многих предприятиях эксплуатируются средства автоматики и телемеханики, разработанные еще в 80-х годах. Практически все они отработали свой технологический ресурс, не могут быть модернизированы и требуют замены. Кроме того, существующая автоматизация носит лоскутный характер. Как правило, отсутствует автоматизированный контур, объединяющий систему учета исходного сырья и отгружаемых продуктов. Отсутствует автоматизированный мониторинг и диспетчеризация основного и вспомогательных производств, что сдерживает принятие оперативных решений.

Это многообразие приводит к тому, что часто, вводя новые подсистемы АСУТП, необходимо обеспечивать их взаимодействие с существующими. В крупных проектах, где участвуют несколько субподрядчиков, нужно обеспечивать совместимость и взаимодействие подсистем от разных производителей.

В этой ситуации много времени и сил приходится тратить на проработку взаимодействия подсистем, зачастую изменяя их и добавляя в них новые коммуникационные элементы. Архитектура больших систем становится громоздкой, искусственной и трудно модифицируемой.

Все эти сложности и проблемы мы постарались обобщить и предложить идеи и решения, позволяющие задачу автоматизации любой сложности разбить на отдельные логические уровни и предложить для нее набор стандартных в нашем понимании средств и технологий.

Итак, наш опыт проектирования и разработки различных систем автоматизации говорит о том, что, с точки зрения комплексности, можно выделить три класса информационных автоматизированных систем управления (ИАСУ) самого разного назначения.

Класс 1: интеграционныесерверы АСУТП/АСКУ

Практическая работа по созданию различных систем АСУТП (автоматизированная система управления технологическим процессом) для различных отраслей позволяет ввести следующие типы интеграции отдельных подсистем АСУТП/АСКУ (автоматизированная система коммерческого учёта) в единую систему АСУТП.

Тип 1 на основе коммуникационного сервер-шлюза. Обеспечение прозрачного транспорта данных из одной подсистемы в другую на основе поддержки различных промышленных и локальных сетей. В таких конфигурациях, как правило, нет необходимости вести дополнительную обработку данных. На этом подходе, например, построен proxy -сервер для ProfiNet (шлюз Ethernet-Profibus).

Тип 2 на основе концентратора данных. Как правило, он организуется на базе промышленного компьютера или высокопроизводительного контроллера, обеспечивающего как функции коммуникационного сервера, так и функции, связанные с обработкой оперативных данных нижнего уровня и их архивированием в специализированной базе данных.

Тип 3 на основе интеграционного сервера АСУТП. Его задача объединение различных подсистем АСУТП в единую систему с прозрачной организацией данных и развитыми прикладными функциями. Серверы этого типа включают в себя функции коммуникационного сервера и концентратора данных и выполняют при этом широкий набор специальных функций по обработке данных, а также реализуют комплексные алгоритмы управления, обеспечивают синхронизацию работы подсистем АСУТП и поддержку единого времени в системе. Кроме этого, обеспечение возможности функционирования в промышленных условиях (температура, влажность, вибрация), поддержка промышленных коммуникаций (например, PROFIBUS, FF, CAN, MODBUS) и базовых протоколов локальных сетей (TCP/IP, IPX/SPX, NETBIOS), обеспечение работы с модемами и телекоммуникационными каналами и протоколами, а также обеспечение взаимодействия со SCADA-системами и СУБД верхнего уровня.

Перечисленные типы интеграционных серверов АСУТП решают целый ряд специальных функций, перечень которых напрямую зависит от области применения. Это функции по обработке данных (верификация, масштабирование); функции комплексных алгоритмов управления, тестирования и диагностики аппаратно-программных средств; функции поддержки единого времени и синхронизации работы отдельных подсистем; функции поддержания единой адресации параметров системы и организация архивов по выбранным параметрам; функции буферирования информации и резервирования каналов передачи данных.

Конкретный тип и конфигурация интеграционного сервера АСУТП определяется набором функций. Он должен быть оптимальным по цене и выполняемым функциям.

Класс 2: АСОДУ предприятия

Актуальность работ по созданию и внедрению на своем предприятии АСОДУ (автоматизированная система оперативного диспетчерского управления) каждый руководитель понимает по-своему. Однако есть ряд объективных факторов, влияющих на принятие решения. Так, решить задачу повышения эффективности собственного производства невозможно без получения объективной картины технических и технологических параметров производства. Другой фактор это наличие информационных и организационных барьеров между управленческими и технологическими уровнями. Такая разобщенность приводит к блокированию важной для анализа деятельности предприятия информации, а также резко снижает оперативность принятия управленческих решений. И последнее рынок средств и систем автоматизации обладает всеми необходимыми продуктами в области открытых стандартных решений для систем комплексной интеграции. Без использования этих разработок невозможно решать задачу построения информационно-прозрачного предприятия.

Типовой комплекс АСОДУ предназначен для организации сбора, обработки, представления и архивирования данных, поступающих с различных цехов и участков предприятия и различных подсистем АСУТП/АСКУ. База технологических данных служит источником оперативных сводок для центрального диспетчерского пульта, главных специалистов завода, руководства предприятия.

АСОДУ представляет собой открытую систему с поддержкой стандартных межсистемных интерфейсов, позволяющих решать задачу интеграции подсистем АСУТП/АСКУЭ с различными системами управления бизнес-процессами предприятия (напр. SAP/R3, BAAN, Галактика и т.д.).

Внедрение на предприятии АСОДУ обеспечивает достижение следующих целей:

повышение эффективности управления предприятием и отдельных его структурных подразделений на основе оперативной и достоверной информации;
создание информационного инструмента для обнаружения и использования источников экономии производственных и непроизводственных затрат и создание основы для принятия управленческих решений высокого качества;
снижение влияния человеческого фактора при подготовке и принятии управленческих решений.

В общем виде основные программно-технические уровни АСОДУ большинства предприятий можно представить в виде модели (Рис.1), включающей следующие основные уровни.

Рис.1 Программно-технические уровни АСОДУ


Уровень приложений информационной системы предприятия.

Этот уровень представлен набором открытых интерфейсов и программных шлюзов передачи агрегированной технологической информации от оперативно-технологического сервера АСУТП в АСУ предприятия. Для каждого предприятия этот набор свой.

Уровень информационной системы АСУ ТП предприятия.

Этот уровень представлен двумя аппаратно-программными комплексами: центральная диспетчерская станция и оперативно-технологический сервер данных АСУТП.

Центральная диспетчерская станция представляет собой рабочее место диспетчера (АРМ оператора АСОДУ), которое выполняет основную задачу по отображению оперативной технологической информации, поступающей от цехов предприятия, и централизованный диспетчерский контроль за производственными и технологическими процессами.

Оперативно-технологический сервер АСУТП предназначен для сбора и хранения технологической информации, а также обеспечивает общий ход производственных работ.

Уровень цеховых систем АСУТП/АСКУ.

Информационный уровень цехов предприятия включает существующие подсистемы автоматизации и системы ввода технологических данных (автоматический или ручной ввод).

Прикладное программное обеспечение этого уровня решает задачи ввода технологических параметров по данному цеху/участку, обеспечения локального архива введенной информации и передачи по каналам связи полученных данных на информационный уровень АСУ ТП.

Все типовые компоненты АСОДУ можно разделить на следующие группы:

АСУТП основного и вспомогательного производства;
АРМ цеха и заводоуправления;
Автоматизированные рабочие места заводоуправления;
АРМ систем коммерческого и технологического учета энергоресурсов;

Оперативно-технологический сервер данных.

Реализация АСОДУ может осуществляться поэтапно, поскольку её полнота и объем определяются конкретными потребностями и возможностями предприятия. При этом в основе создания АСОДУ предприятия должны быть положены два основных принципа:

при создании АСОДУ необходимо следовать корпоративным и международным стандартам в области использования инструментальных средств и технологий интеграции подсистем автоматизации;

информация на предприятии должна рассматриваться как наиважнейший производственный ресурс.

Класс 3: ИАСУ предприятия

Информационная автоматизированная систему управления предприятия (ИАСУ предприятия) призвана обеспечить процесс непрерывного и целенаправленного сбора, преобразования и представления информативных показателей, необходимых для проведения анализа, планирования, подготовки и реализации управленческих решений на основе оперативной технологической информации на уровне предприятия.

Основу ИАСУ составляют продукты и решения интеграционного слоя, которые должны обеспечить получение технологических данных, их передачу на уровень системы управления предприятием и выдачу управляющих воздействий на технологический уровень.

Общий ход работ по созданию ИАСУ можно разбить на несколько этапов. Каждое предприятие самостоятельно детализирует каждый этап в зависимости от его готовности и перечня задач, текущего уровня автоматизации и собственных возможностей.

Этап 1: Решение учетных задач. С появлением реального собственника предприятия на первое место выдвигаются задачи по созданию системы коммерческого (для связи с налоговыми и генерирующими компаниями) и технологического (межцехового) учета энергоресурсов. Сюда включаются системы учета электроэнергии, тепла, воды, газа, пара и т.д. Все эти подсистемы обязаны быть сертифицированы органами Госстандарта, выполнены на базе современных компьютеризированных средств и иметь открытые коммуникационные интерфейсы. Это необходимое условие для последующего создания интегрированного интеллектуального, прозрачного, эффективного предприятия.

Этап 2: Горизонтальная интеграция подсистем автоматизации. Каждое предприятие отличается степенью автоматизации своих основных и вспомогательных производств. Однако задача обобщения разнообразных технологических, учетных, коммерческих данных является сегодня общей для всех. Данная задача может быть решена в рамках создания оперативно-технологического сервера данных, который будет служить объединяющим звеном всех потоков данных с подсистем АСУТП/АСКУ и служить источником для информационных приложений предприятия.

Этап 3: Вертикальная интеграция подсистем. При создании комплексной системы автоматизации горизонтальная интеграция должна рассматриваться как фундамент для обеспечения выполнения вертикальной интеграции.

Вертикальная интеграция включает в себя следующие последовательные шаги:

интеграция оперативно-технологической базы данных реального времени (оперативно-технологический сервер АСУТП) с корпоративной базой данных, например Oracle;

интеграция с автоматизированной системой управления бизнес-процессами предприятия (напр. SAP/R3, BAAN, Галактика и т.д.);

создание или интеграция с существующей системой управления активами (основными фондами) предприятия.

Основные инструмент создания комплексной ИАСУ

Интенсивное развитие производства и создание современных систем управления невозможно без знания и внедрения современных технических и программных средств. Это актуально и для промышленности, находящейся на пути модернизации основного оборудования, так и для отраслей, производящих системы оборонного, специального назначения и встроенные системы автоматизации.

К базовым компонентам интегрированной ИАСУ относятся следующие продукты и классы продуктов (Рис.2).

Рис.2 Базовые компоненты интегрированной ИАСУ

Аппаратные средстваинтеграции

Аппаратные средства для интеграционных серверов (промышленные компьютеры и контроллеры), отвечающие требованиям повышенной надежности и устойчивости для промышленных условий эксплуатации. Такие требования, как открытая стандартная архитектура, аппаратная масштабируемость, горячая замена коммуникационных модулей, резервирование являются также особенностями этих аппаратных средств. Всем перечисленным требованиям на сегодняшний день удовлетворяют две основные аппаратные платформы: VME и CompactPCI.

Интеллектуальные средства низовой автоматики, имеющие помимо встроенных сервисов первичной обработки и WEB-серверы для удаленной диагностики и отладки.

Программные средстваинтеграции

SCADA-системы, предназначенные для создания АРМ специалистов. Они имеют поддержку стандартных протоколов обмена (OPC, SQL, DDE, OLE DB) как с технологическими системами АСУТП, так и с бизнес-приложениями.

Базы данных реального времени, служащие основой создания оперативно-технологических серверов АСУТП, которые, в свою очередь, являются источниками данных для бизнес-приложений уровня предприятия.

Системы управления производством (MES-системы), обеспечивающие регулирование процесса движения материалов от сырья до конечного продукта.

Системы управления основными фондами (EAM-системы), поддерживающие в рабочем состоянии станочный парк и другое производственное оборудование.

Коммуникационные средства интеграции

Сеть Ethernet (Ethernet, Industrial Ethernet, Radio Ethernet) для связи оперативно-технологического сервера АСУТП, АРМ операторов цехов и участков, подсистем учета энергоресурсов, центральной диспетчерской и АСУ предприятия.

Промышленные сети (fieldbus) для организации связи интеллектуальных датчиков и механизмов, локальных (цеховых) подсистем автоматизации, оперативно-технологического сервера АСУТП. Основными прикладными протоколами являются Profibus, MODBUS, TCP/IP-MODBUS, Fieldbus Foundation.

Итак, ключевыми понятиями и технологиями для построения интегрированных систем являются следующие: отрытые стандартные аппаратные компоненты, WEB-технологии, стандартные межпрограммные интерфейсы и промышленные сети.

Весь этот набор позволяет создавать решения для самого широкого круга прикладных задач. Для любой отрасли можно подобрать решение. Но всегда приходится помнить, что не существует единственно верного решения. Всегда есть выбор.

Примеры реализацииинтегрированных систем

Идеи интеграции подсистем уже сегодня находят свое воплощение в самых различных отраслях: в нефтехимии, нефтепереработке, металлургии, энергетике, транспортировке нефти и газа и др. Для каждой отрасли есть свои специфические реализации. Некоторых из них обрели форму программно-технических комплексов, о которых говорится ниже.

ПТК Интегратор

Данный комплекс является совместной разработкой АО Мосэнерго, АО Газавтоматика, ЗАО РТСофт и предназначен для решения задач обеспечения совместимости и взаимодействия подсистем АСУТП от различных производителей в едином комплексном проекте. Он позволяет обеспечить поэтапную модернизацию систем автоматизации с сохранением взаимодействия с существующими подсистемами.

Отличительная особенность Интегратора это масштабируемость комплекса как по функциям, так и по оборудованию. Не будет больших проблем в том, чтобы добавить в действующую систему новые алгоритмы обработки данных или новые подсистемы. Это свойство позволяет проводить поэтапную модернизацию производства и постепенную замену старых подсистем или даже отдельных интерфейсов и контроллеров, постепенно повышая тем самым эксплутационные качества системы.

Идеология Интегратора позволяет включать в единую систему нестандартные контроллеры или подсистемы. Для этого достаточно добавить к Интегратору соответствующий интерфейс и разработать программный модуль поддержки соответствующего коммуникационного протокола.

И, наконец, с помощью Интегратора можно решать проблемы резервирования и надежности, вынося на его уровень функции арбитра для основных и резервных каналов. При этом друг друга могут резервировать совершенно разные коммуникационные каналы, например, такие как PROFIBUS и Ethernet.

Различные варианты ПТК Интегратор нашли свое применение в системах автоматизации газокомпрессорных станций, в системах нефтедобычи. Он выступает в качестве базового комплекса управления и контроля тепловых станций.

ПТК Машинист

Данная разработка представляет собой плод совместного труда ЗАО РТСофт и АО Башкирэнерго с использованием опыта совместных разработок с ИВЦ АО Мосэнерго. Отличительное свойство ПТК это распределенная архитектура, гибкое конфигурирование и возможность настройки под условия любого энергетического объекта, а также полная совместимость с открытыми технологиями и международными стандартами.

ПТК Машинист представляет собой совокупность программно-технических средств, а также правил построения АСУТП тепловых электростанций и является хорошим примером реализации идей интеграционного сервера АСУТП.

ПТК Диспетчер

Данный аппаратно-программный комплекс (разработка ЗАО РТСофт) представляет собой наиболее полное воплощение идей системной интеграции. В нем используются современные интеграционные технологии: от промышленных сетей до систем управления основными фондами предприятия. На сегодняшний день область применения данного решения создание АСОДУ и ИАСУ для нефтеперерабатывающих, нефтехимических и газоперерабатывающих заводов.

Некоторые обобщения

Основная цель организации и развития работ в области комплексной промышленной автоматизации это повышение экономической эффективности предприятий через создание, внедрение и развитие интегрированных систем комплексной автоматизации, построенных на базе современных технических, программных и коммуникационных средств и технологий.

Основным инструментом для достижения основной цели по созданию эффективного производства должна выступать единая корпоративная техническая политика в области автоматизации производства и управления предприятиями. Она должна опираться на использование открытых стандартных решений и технологий и обеспечивать технический и технологический задел на 10-15 лет.

Тема представленного материала касалась, в основном, технических аспектов интеграции отдельных подсистем предприятия. Однако, возможно, более важной задачей является описание модели данных и их движения с первичного уровня подсистем АСУТП до уровня приложений систем управления предприятием. Разработка такой модели имеет сильное субъективное начало: на каждом предприятии процедура работы с информацией своя. Без учета этой специфики нельзя браться за построение комплексной ИАСУ предприятия. Это первое.

B второе: формализация потоков данных возможна лишь на основе обширной практики внедрения. Такой практикой создания комплексной ИАСУ сегодня похвастаться не может никто. Все мы в начале пути.

Тел. (095) 742-68-28

Email: lubashin@rtsoft.msk.ru

21.04.2014