Главная Пресс-центр Статьи и публикации Современные технологии и информационное обеспечение в задачах интеграции промышленных предприятий, Мир Компьютерной Автоматизации: ВКС, 2001/3

Современные технологии и информационное обеспечение в задачах интеграции промышленных предприятий, Мир Компьютерной Автоматизации: ВКС, 2001/3

О. Синенко, Н. Куцевич, В. Леньшин

Введение

Основная цель интеграции различных подсистем на предприятии создание единого информационного пространства предприятия для объективной и оперативной оценки текущей ситуации, оперативного принятия оптимальных управленческих решений, ликвидации, наконец, информационных и организационных барьеров между управленческим и технологическим уровнями.

Существующие в настоящее время локальные (автономные) подсистемы, основанные на многообразных программно-технических решений, не охватывают всех функциональных областей управления. Продолжение практики создания автономных подсистем без единой стратегии объединения их в единое информационное пространство приводит к тому, что быстро возрастает количество используемых для обмена данными интерфейсов, в том числе и нестандартизованных, образующих наиболее дорогостоящие и ненадежные узлы информационных потоков. Сопровождение таких подсистем становится крайне трудоемкой задачей. Перспективы данного подхода оказываются сомнительными в случае необходимости интеграции производственных систем с бизнес-системами, или ERP-системами (Enterprise Resource Management управление ресурсами предприятия) типа SAP R/3.

Предлагаемый подход направлен на целевое создание комплексной информационной поддержки деятельности предприятия, соответствующей современному уровню развития информационных технологий.

1. Типы интеграции

Для интегрирования информации основного технологического и вспомогательного производства (например, в системах энергосбережения) необходимо объединение разнородных подсистем в единую систему мониторинга и диспетчеризации технологических и производственных процессов.

Для создания единой информационной системы необходимо решить такие задачи, как:

1. Горизонтальная интеграция обеспечение информационного взаимодействия между существующими автономными подсистемами технологического уровня. Основными компонентами таких подсистем являются следующие:

объединенное промышленными шинами контроллерное оборудование, для обеспечения информационного взаимодействия с которым используются драйверы или серверы ввода вывода;

SCADA-приложения, уже обеспечивающие сбор технологических данных с контроллерного уровня, информационное взаимодействие с которыми можно обеспечить, используя механизмы COM (DCOM), DDE (NetDDE), частнофирменные протоколы, если обмен осуществляется между SCADA-приложениями одного производителя;

стандартные настольные программы (Excel, CrystalReports, Word); обмен информацией с данными приложениями может осуществляться на базе OLEAutomation-объектов, SQL-запросов, DDE-протокола;

таблицы баз данных; добавление, удаление, модификация текущих записей в таблицах возможна с помощью языка SQL-запросов (драйверы ODBC, OLE DB).

Данные, которые поступают с технологического уровня, отличаются тем, что быстро изменяются во времени (по сравнению с бизнес-параметрами) и потому объем их, получаемый в единицу времени, огромен. Из этого следует, что подсистема, интегрирующая технологические данные, должна обеспечивать скоростной сбор данных, сжатие данных при сохранении, поддержку каналов обмена по вышеуказанным протоколам. Причём интегрирующие подсистемы должны не только поддерживать обмен с технологическим уровнем, но и обеспечивать передачу технологических данных на уровень ERP-систем. Существенно то, что большинство данных реального времени мало полезно в бизнес-приложениях. Поэтому на бизнес-уровень должны подниматься технологические данные, предварительно обработанные интеграционной подсистемой.

2. Вертикальная интеграция. В общем случае целью вертикальной интеграции является передача технологических данных на уровень бизнес-приложений. В полном объеме на этом уровне решаются следующие задачи:

обеспечение хранения оперативных данных (данных реального времени) в объеме, оптимальном для конкретного предприятия. Именно эти данные, назовем их realtime-данные, должны стать источником обрабатываемой информации, в том числе востребованной в бизнес-приложениях, системах управления ресурсами предприятия;

формирование данных, отражающих динамику и последовательность технологического процесса производства продукта от сырья до товара. Назовем эти данные продуктовыми или product-данными. Программное обеспечение, ориентированное на решение таких задач, относится к классу MES (Manufacturing Executive Systems), или систем управления производством. В качестве входных данных в MES-системы поступают параметры сырья, выходными параметрами является полная характеристика (например, технологический паспорт) полученного товара (ров);

формирование данных, отражающих структуру и состояние фондов (активов) предприятия, прежде всего, основных фондов, с помощью которых реализуется технологический процесс. Назовем их данными поддержки или maintenance-данными. Программное обеспечение, ориентированное на отслеживание и сопровождение основных фондов производства, относится к классу EAM (Enterprise Assets Management) cистем.

Следует заметить, что realtime-данные часто являются основой формирования количественных значений product- и maintenance-данных.

Рис.1 Обобщённая схема интегрированной информационной системы предприятия

На рис.1 представлена обобщенная схема интегрированной информационной системы предприятия. Следует отметить, что предмет данной статьи ограничивается рассмотрением программного обеспечения интеграционного уровня, отвечающего за реализацию таких функций, как:

поддержка каналов обмена между технологическими подсистемами и ERP-системами;

определение и хранение на интеграционном уровне технологических данных; в максимальном варианте это регистрация всех технологических данных, что чаще всего и осуществляется, и только после некоторого эксплуатационного периода определяются требуемые данные

определение структуры product-данных, описание технологического маршрута продукта, отслеживание карты передела (движения) продукта;

формирование maintenance-данных.

2. Программное обеспечение интеграционного уровня

Программное обеспечение интеграционного слоя предназначено для решения следующих задач:

сбор и хранение данных, поступающих из различных технологических участков/цехов и отражающих оперативную информацию о состоянии технологического процесса;
визуализация производственного процесса с предоставлением количественных характеристик во всех контрольных или узловых точках технологического процесса;
дистанционный контроль и управление технологическими процессами;
мониторинг текущего состояния основных фондов производства;
поддержка Internet-решений, что (помимо других достоинств) позволяет осуществлять обмен информацией, в том числе и графической, между технологическими и корпоративными системами.

Программные продукты, обеспечивающие поддержку интеграционного уровня, можно разделить на четыре группы базы данных, системы визуализации и управления производством, системы управления активами предприятия, web-решения.

2.1 Базы данных

Выбор базы данных (БД) зависит от общего объема и от скорости поступления информации. Лишь для ограниченного класса технологических процессов с ограниченным информационным потоком могут использоваться обычные реляционные базы данных (РБД). В общем случае будем рассматривать базы данных реального времени (БДРВ), ориентированные на высокие скоростные характеристики регистрации, на сжатие данных, их сохранение и обеспечение доступа к технологическим данным по SQL-запросам со стороны клиентских приложений. Ниже кратко описываются характеристики двух продуктов из класса БДРВ: IndustrialSQL Server от компании Wonderware и Plant2Business Server, разработанный компанией CiTechnologies.

2.1.1 IndustrialSQL Server и его особенности

IndustrialSQL Server — внутризаводской хранитель архивной информации, включая данные о событиях и соответствующих реакциях. IndustrialSQL Server представляет собой РБД, в которой учтены источники, скорость поступления и объемы производственной информации. Он позволяет осуществлять сбор и запись данных в сотни раз быстрее, чем это делают обычные БД на аналогичной платформе, и при этом занимает значительно меньше дискового пространства.

IndustrialSQL Server опора пакета промышленной автоматизации Wonderware FactorySuite2000. Несмотря на то, что IndustrialSQL Server поставляется компанией Wonderware как самостоятельный продукт, он, в то же время является одним из главных компонентов пакета FactorySuite2000, выступая в роли, можно сказать, его сердца. Будучи интегрированным со SCADA-компонентом InTouch, IndustrialSQL Server способен накапливать при помощи серверов ввода/вывода информацию практически от любых измерительных приборов и устройств сбора данных.

На рис. 2 показаны информационные потоки IndustrialSQL Server и их направление. С одной стороны это данные, поступающие из различных источников для сохранения в БД по стандартным протоколам DDE, OPC, SuiteLink, с другой данные, запрашиваемые потребителями через интерфейс SQL сервера.

Стандартным механизмом поиска информации на сервере IndustrialSQL Server является SQL, что гарантирует доступность данных самому широкому кругу приложений. В подмножество языка SQL входит расширение, служащее для получения динамических производственных данных из IndustrialSQL Server и позволяющее строить запросы на базе временных отметок. Все приложения, работающие с Microsoft SQL Server, могут также подключаться и к IndustrialSQL Server.

2.1.2. Plant2Business Server

БДРВ Plant2Business Server обеспечивает взаимодействие с произвольными клиентскими приложениями по SQL-запросам. Кроме того предоставляется ряд клиентских приложений, которые могут настраиваться на различные требования пользователей.

Одно из таких приложений поставляется для Microsoft Excel. Оно позволяет пользователю выбирать необходимые данные и встраивать их в электронные таблицы. При этом допускается использование всех стандартных средств (tools), позволяющих представлять и анализировать информацию с последующим её сохранением для повторного использования.

БДРВ Plant2Business Server легко интегрирует данные технологического процесса в существующий или новый SQL Server. Если SQL Server не используется, то Plant2Business Server будет сохранять информацию, используя Microsoft Data Engine (MSDE), который поставляется с Plant2Business Server и на 100% совместим с Plant2Business Server (рис. 3).

По умолчанию все трендовые и событийные (алармовые) данные автоматически доступны клиентскому приложению. Пользователи могут только отметить точки, которые необходимо зарегистрировать в базе данных Microsoft SQL и иметь к ним доступ.

БДРВ Plant2SQL включает подсистему событий, которая просматривает события в SCADA-системе Citect и может использоваться для передачи или хранения набора данных. В Plant2SQL этот набор данных называется Snapshot (мгновенная выборка снимок). Мгновенные выборки переменных данных типа Snapshot активизируются из множества источников, включая временные метки или условные выражения переменных в Citect. Каждая выборка может быть гибко переконфигурирована в зависимости от конкретных требований пользователя.

Рассматриваемые БДРВ в качестве основы используют одну из распространенных баз данных Microsoft SQL Server (следует напомнить, что возможны и другие решения). Преимущества такого подхода:

продуктом Microsoft SQL Server владеет большое количество пользователей, поэтому в проектных решениях они могут использовать не только возможности БДРВ, но и создавать собственные базы данных или таблицы в рамках существующей базы данных реального времени;

новые технологические решения (например, OLE DB), предлагаемые Microsoft, уже реализованы в MS SQL Server и не требуют серьезных вложений со стороны поставщиков БДРВ; возможность адаптации MS SQL Server для БДРВ сокращает сроки появления новых версий БДРВ, обладающих новыми возможностями;

сокращаются расходы на техническое сопровождение.

Как видно на примере указанных БД, несмотря на то, что в их основе лежит один и тот же продукт MS SQL Server, реализация их различна:

Для хранения данных реального времени в IndustrialSQL Server используются исторические блоки или файлы специального формата. Основное требование к ним обеспечение высокой скорости регистрации и повышенное сжатие данных. В Plant2SQL технологические данные хранятся в стандартных таблицах MS SQL. Для обеспечения высокой скорости регистрации используется стандартная подсистема архивов Citect.

БДРВ IndustrialSQL Server обеспечивает регистрацию в реальном времени из серверов ввода-вывода по протоколам DDE, OPC, SuiteLink. Режим регистрации в Plant2SQL поддерживается либо системой архивирования SCADA-программы Citect, либо, использованием API-интерфейса (Application Programming Interface) для произвольных приложений Windows.

В IndustrialSQL Server версии 7.1 наряду с доступом по SQL-запросам, добавлена возможность получения данных по протоколам DDE, SuiteLink.

2.2 Системы визуализации и управления производством

2.2.1 Системы визуализации

В качестве системы визуализации, безусловно, могут использоваться SCADA-системы. Преимущество SCADA-систем заключается в том, что они предоставляют не только объектно-ориентированные редакторы с большим количеством простых и сложных графических объектов со средствами анимации, что упрощает создание окон для визуализации технологических процессов, но и обеспечивают обмен по стандартным протоколам (OPC, DDE, OLE, SQL) для формирования информационного канала с отдельными технологическими подсистемами и с бизнес приложениями производства.

Использование систем визуализации на любом этапе технологического процесса позволяет ответить на вопросы: Когда? Где? Кто? Как?

Часто SCADA-системы используются как средство визуализации для MES-систем (рис.4). В этом случае важно, чтобы выбранная SCADA-система поддерживала механизм обмена с выбранной MES-системой. Публикаций по SCADA-продуктам достаточно много, поэтому не будем останавливаться на них. Отметим лишь, что в этом случае при выборе SCADA-пакета следует выяснить, с помощью какого механизма технологические данные могут поставляться из SCADA-приложений в MES- и EAM-системы.

Рис.4 Информационный поток, сопровождающий этапы производства продукции

2.2.2 Системы управления производством

Системы управления производством (MES-системы) представляют собой инструментальные системы, позволяющие создавать приложения, описывающие все стадии производства продукта от сырья до товара. Основой таких систем являются базы данных с определенной системой отношений полей в таблицах. С их помощью описываются характеристики технологического процесса, маршруты движения продуктов, контрольные точки. На рис.5 показана условная схема прохождения продукта через контрольные точки, в которых формируются количественные характеристики технологического процесса, в том числе на основе данных, поступающих с технологического уровня.

Рис.5 Определение контрольных точек производства продукта

В настоящее время рядом компаний реализованы MES-решения на базе распространенных SCADA-систем. Например, компании Felton, Qmatic предлагают решения с использованием SCADA-системы Citect (CiTechnologies) и базы данных Oracle. Предлагаемые решения апробированы в ряде проектов. С другой стороны, существуют коммерческие MES-продукты. К такому классу продуктов следует отнести InTrack из пакета FactorySuite (Wonderware). Особенности технологического процесса описываются в базе данных Microsoft SQL Server или Oracle со сложной системой отношений полей таблиц в базе. MES-продукты, также как SCADA-системы, имеют среду разработки и среду исполнения. На этапе разработки описывается технологический процесс: вводятся product-данные, карты производства продуктов и т.д. Эти данные конкретизируют поля таблиц.

В качестве системы визуализации для InTrack рекомендуется использовать SCADA-пакет InTouch. Основной механизм передачи данных из приложения InTrack определяют объекты OLE Automation, встраиваемые в приложение InTouch.

Большинство MES-систем являются открытыми продуктами, способными поставлять данные во внешний мир, включая мир корпоративных сетей.

2.3 Системы управления активами предприятия

Под активами предприятия понимаются все принадлежащие предприятию ценности. Активы разделяются на оборотные фонды (текущие активы circular/working assets) и основные (долгосрочные активы fixed assets) фонды. Под оборотными фондами понимаются запасы продукции, сырья, полуфабрикаты, дебиторская задолженность, денежные средства, ценные бумаги. Основные фонды включают в себя материальные средства: оборудование, здания.

Инструментальные средства для создания систем управления активами предоставляются программными продуктами EAM (Enterprise Assets Management), которые разделяются по ориентации на основные и оборотные фонды. К интеграционному уровню следует отнести, прежде всего, модули, касающиеся управления основными фондами, поскольку состояние промышленного оборудования, его диагностика, степень износа должны постоянно контролироваться как в рамках планового регламента, так и по фактическому текущему состоянию с фиксацией событий при выходе из строя какого-нибудь элемента оборудования, возникновения сбоев в работе оборудования и т.п.

Основные модули, включаемые в пакеты управления основными фондами, содержат поддержку следующих функций:

описание всех элементов оборудования; допустимо иерархическое описание элементов-сущностей;
создание заказов на выполнение работ, планирование; слежение за ходом выполнения работ, закрытие заказов;
превентивная, предупредительная поддержка оборудования;
инвентаризация;
поставка оборудования.

В рамках подсистем EAM вводятся maintenance-данные. Обновление данных осуществляется через каналы связи с технологическими подсистемами. Фактически, при получении информации из SCADA-систем и баз данных реального времени отслеживается отклонение данных от спецификации. При обнаружении заданной (описанной) ситуации EAM-программа будет формировать заказ на выполнение ремонтных или иных работ.

Рассмотрение конкретных продуктов данного класса выходит за рамки настоящей статьи.

2.4 Web-решения

Тема доступа к данным производственного технологического процесса с любого компьютера предприятия, с любой подсистемы стала актуальной. Поставщиками технологической информации могут быть приложения SCADA (один из основных компонентов автоматизированной системы управления технологическим процессом, АСУТП), а также различного типа клиентские приложения, которые могут предоставлять соответствующие производственному процессу в огромном объеме данные в приемлемом для пользователя виде.

В решениях с поддержкой обмена информацией через Internet/Intranet кроме технологического сервера как поставщика данных и клиента как получателя информации, задействован также Web-сервер (рис. 6).

Рис.6 Клиенты и серверы Web

Сейчас разработчики SCADA-систем для обеспечения передачи данных с технологических подсистем предлагают специальные программные средства, реализованные как расширения Web-серверов. Остановимся вкратце на двух из них: SuiteVoyager от Wonderware и Plant2Net от CiTechnologies.

2.5.1 SuiteVoyager

Специальный пакет SuiteVoyager от компании Wonderware представляет масштабируемое, расширяемое средство разработки информационных порталов. Портал это просто Web-сайт, который предоставляет пути доступа к дополнительной информации по определенным темам. Пакет SuiteVoyager является набором интегрированных программ, поддерживающих удобный способ получения технологической информации (рис. 7).

Рис.7 Архитектура портала SuiteVoyager

Более подробно пакет SuiteVoyager описан в статье SCADA-системы. Стратегия клиентских приложений Н.А. Куцевич (Мир компьютерной автоматизации 1/2001).

2.5.2 Plant2Net

Программное средство Plant2Net также является расширением Microsoft Web-сервера. Источником технологических данных для него является БДРВ Plant2Business Server. Для просмотра данных через браузер MS Explorer предлагается использовать специальные средства для отображения значений различных переменных БДРВ Plant2Business Server, статистической информации, списков данных, гистограмм и трендов. Все, что регистрируется в БДРВ Plant2Business Server в виде переменных, алармов, трендов доступно и Web-клиентам.

Проблемные задачи, такие как поддержка MES, EAM, сохранение информации в БДРВ, поддержка Internet-решений, должны решать и решают все продукты интеграционного слоя, но выбор произвольных систем от разных производителей не всегда возможен из-за отсутствия коммуникаций между ними. Так, выбор Plant2Net в качестве Web-предполагает обязательное применение Plant2Business Server как БДРВ. Использование InTrack как MES-системы сопровождается выбором InTouch как системы визуализации.

3. Схемы реализаций интегрированных информационных систем

На наш взгляд, на предприятии существует три типовые варианта построения систем:

иерархический вариант (рис.8) характеризуется тем, что выбранные технологические данные или realtime-данные поднимаются с уровня технологических систем на интеграционный уровень (продуктовая линейка которого рассматривалась выше). Далее часть realtime-данных и выбранные product- и maintenance-данные поднимаются на уровень бизнес-приложений. Аналогичным образом через интеграционный уровень должны осуществляться управляющие воздействия на технологические приложения со стороны бизнес-уровня;

централизованный вариант ориентирован на постоянное сохранение всей технологической информации на интеграционном уровне: приложения верхнего (бизнес-уровня) и нижнего (технологического уровня) при необходимости обращаются к данным, хранящимся в инфраструктуре интеграционных систем, при этом не обязательно сохраняя обработанную информацию на своем уровне. Соответствующее приложение, например, бизнес-уровня по известному алгоритму всегда может получить результат, запросив данные с интеграционного уровня. По конфигурации централизованная система аналогична иерархической, но направления информационных потоков и потоков управления отличаются;

диспетчерский вариант (рис.9) предполагает, что интеграционные приложения распределены по цехам. Например, в каждом цехе имеется своя БДРВ, клиентское или серверное SCADA-приложение, которое является приложением главного диспетчера, но распределенным по цехам. MES-решение включает один сервер базы данных и клиентские приложения, реализованные в цехах.

В реальных условиях информационная система, скорее всего, будет носить смешанный характер, но тенденция к одному из рассмотренных вариантов будет отслеживаться.

Выводы

В условиях, когда сформировались субъективные (понимание задач) и объективные (возможность технической реализации) предпосылки создания единой информационной системы предприятия, важно разработать концепцию единого информационного пространства для предприятия, включающую описание задач, структур отдельных подсистем, архитектурную схему обобщенной системы с определением информационных потоков и потоков управления. В соответствии с требованиями определить класс продуктов, наиболее полно подходящий сформулированным требованиям. Далее определить приоритетность в реализации задач.

В данной статье упоминались программные продукты для поддержки трех уровней комплексной информационной системы предприятия (рис. 1). Выявлены основные задачи, которые должны решаться на нижнем, технологическом и верхнем, бизнес-уровне, и определены классы соответствующих программных продуктов.

Для интеграционного слоя важно оценить спектр требуемых продуктов, так как не всегда есть необходимость в использовании всех вышеперечисленных продуктов.

Для выбранных продуктов необходимо проанализировать возможные каналы обмена данными, поскольку несовместимость по каналам обмена может заметно снизить интеграционные возможности, а, следовательно, потребительские свойства системы.

Тел. (095) 7426828
E-Mail: rtsoft@rtsoft.msk.ru

21.04.2014