Главная Пресс-центр Статьи и публикации Концепция Transparent Factory: Web-технология в автоматизации производства

Концепция Transparent Factory: Web-технология в автоматизации производства

М. Тютюнник, Консалтинговый центр Контроль и системы управления

Глобальное наступление Internet, наконец, коснулось и области промышленной автоматизации. Несмотря на распространение Internet во всех областях жизни и многочисленные заявления конкурирующих компаний об использовании Web-технологий в своих изделиях промышленной автоматики, компания Шнейдер был первой, кто в 1997г. выпустил встроенные Web-серверы для серии контроллеров Qvantum (Embedded Web-servers). В 1998 г. вместе с другими изделиями они вошли в глобальную стратегию Transparent Factory / Open for Business (Прозрачное производство / Открытость для бизнеса), объединяющую ряд продуктов, подчиняющихся единой философии открытости, прозрачности и универсальности. Эта концепция означает новый этап в развитии фирмы, характеризующийся, прежде всего, отходом от своих сетевых технологий и принятием распространенных мировых стандартов, таких как TCP/IP, JAVA, OPC и DNA.

Компания Шнейдер одна из первых среди грандов-производителей средств автоматизации выбрала в качестве базового протокола своих сетей и полевых шин в настоящих и будущих разработках протокол Ethernet TCP/IP, а в качестве основного средства доступа к информации предложила Web-технологию и интерфейс ОРС.

Вместе с тем использование вышеупомянутых стандартов в изделиях Шнейдер это не просто дань моде или стремление таким образом дифференцироваться от конкурентов. Эти технологии явились лишь инструментом для построения новой стратегии глобальной инфраструктуры предприятия. Переход Шнейдер, как и других производителей, к этим технологиям свидетельствует также о новой, определяющей роли информационных технологий в области промышленной автоматизации.

Ответ на новые требования рынка

Концепция TF (здесь и далее аббревиатура TF обозначает Transparent Factory) способна решить многие проблемы внутри межсетевого обмена на уровнях АСУТП и АСУП. Чтобы понять причины возникновения и цели этой концепции, рассмотрим лишь некоторые основные трудности, наиболее часто встречающиеся в области промышленной автоматизации.

Проблема 1: Многообразиесетей и полевых шин

Если протокол Ethernet TCP/IP практически утвердился как базовый для сети на уровне предприятия (АСУП), то на уровне АСУТП существует более десятка сетей и полевых шин, конкурирующих за право считаться основной. Много лет пользователи ожидают решения этой проблемы, но выход пока не виден. Протоколы Profibus, Interbus-S, Modbus, WordFip, DeviceNet, Fieldbus Foundation и другие являются широко распространенными, и хотя обмен между ними теоретически возможен, практически это требует от пользователя больших дополнительных расходов по их стыковке и дальнейшему обслуживанию.

Каждый из этих протоколов активно лоббируется своим производителем, что не способствует процессу какой-либо унификации. Попытки международных организаций, в частности МЭК, принять единый стандарт полевой шины частности, IEC-61158) пока не увенчались успехом.

Вместе с тем, развитие сети Ethernet и ее нынешние характеристики практически позволяют использовать эту сеть в качестве как локальной промышленной сети, так и полевой шины. Повышение пропускной способности сети, связанное с новыми возможностями сетевых коммутаторов и маршрутизаторов, повышение скорости обмена до 100, 200 Мбод и далее до 1 Гбод, возможность сегментации сетей все это привело к тому, что протокол Ethernet действительно может быть открытым и эффективным решением не только для систем автоматизации офисной деятельности, но и для организации промышленных сетей. С решением главной проблемы Ethernet обеспечением необходимого детерминизма эта сеть может превосходить другие промышленные ЛВС (LAN) и промышленные шины (fieldbus) по ряду параметров. Если учесть популярность Ethernet в мире (согласно данным маркетингового агентства ARC, в США количество установленных узлов Ethernet в 1997 г. составляло 93% от общего количества всех LAN и fieldbus в мире) и темпы роста, то предпочтение Ethernet становится очевидным.

Проблема 2: Межсетевойобмен в масштабахпредприятия

Речь идет об обмене данными между сетями уровней 1, 2 и 3, то есть о том, как сделать прозрачным и простым доступ к данным устройств низовой автоматики (уровень 1 полевая шина), контроллерам и системам SCADA (уровень 2) и, соответственно, офисным приложениям (уровень 3). Так как требования к сетевым характеристикам этих уровней разные (различные конструктивные параметры сетей, способы адресации, проверки ошибок, различные конфигурация и диагностика), всегда существовала проблема организации их взаимодействия. Типичным решением данной проблемы является организация сбора данных на серверах различного уровня с последующей передачей их в другую сеть через шлюзы.

Однако такая технология имеет ряд серьезных недостатков. При конфигурировании шлюзов существует вероятность потери информации между различными промышленными шинами, а установка и последующее обслуживание устройств и программного обеспечения связано с дополнительными, зачастую огромными, расходами. Необходимо отметить, что на разных уровнях данные хранятся в различных базах данных серверов разными форматами, способами доступа, инструментами и т. д.). Растущее количество клиентов на уровне 3 (АСУП) и их требования к СУБД и хранилищам данных вызывают, в свою очередь, повышенные требования к пропускной способности сетей каждого уровня и в целом межсетевого обмена.

Таким образом, в современной инфраструктуре именно стыки между сетями разных уровней вызывают перенапряжение всей информационной системы. Эти узкие места, своеобразные пробки, должны быть удалены при создании единой и прозрачной информационной инфраструктуры всего предприятия.

Выход, однако, существует. Сегодня все чаще доступ к информации в пределах одного предприятия (сети предприятий одной компании) делается через корпоративную сеть Intranet. Если раньше эта сеть использовалась, в основном, для доступа к данным АСУП, то сегодня речь идет об использовании Intranet для доступа к производственным данным и процессам. Каждый работник, будь то управляющий или специалист по обслуживанию, сможет запросить данные с производства, имея в своем распоряжении обычную PC со стандартным браузером Internet. В качестве сетевой среды для промышленных сетей Intranet рынок диктует применение Ethernet, в качестве информационной среды все чаще используются Web-технологии.

Эти функциональные возможности Intranet лежат в основе концепции TF, продвигаемой компанией Шнейдер Электрик.

Проблема 3: Необходимость получения данных с производства в реальном времени

В большинстве приложений для сбора производственных данных на уровне АСУП используется пакетный способ обработки, когда данные передаются в конце смены или в другое незагруженное время дня.

Другие архивные данные для обработки или анализа могут передаваться на уровень АСУП из системы SCADA. Между тем, просмотр или обработка архивных данных уже не устраивают управленцев на предприятии. Для того чтобы гибко и эффективно управлять производством, им нужны текущие значения выхода готовой продукции, параметров производственных процессов, состояния оборудования и т.п., то есть данные реального времени.

Такие данные могут быть извлечены из SCADA-сервера отдельного производственного участка. Проблема состоит в том, что в таком случае SCADA является лишь промежуточным звеном между АСУП и контроллерами, которые содержат данные реального времени с производства. Как любое дополнительное звено в системе, SCADA может быть источником ошибок или сбоев при передаче данных на вышестоящий уровень. Если добавить к этому стоимость такой системы, необходимость шлюзов для перехода в другую сеть обслуживания, то… возникает идея устранить это промежуточное звено там, где это возможно.

Элегантным решением в Internet/Intranet является получение данных со встроенных Web-серверов. Любое устройство, имеющее встроенный Web-сервер, не только может поставлять данные по запросу, но и само может инициировать передачу сообщений (e-mail).

Именно такое решение было предложено компанией Шнейдер: Web-сервер, встроенный в промышленный программируемый контроллер может обеспечить данными реального времени любого клиента в пределах сети Intranet. В этом случае частично или полностью отпадает необходимость в SCADA-системе, и непосредственные данные могут быть получены на различных уровнях АСУП без дополнительных издержек все через тот же браузер! При этом не имеет значения, на какой компьютер, с какой операционной системой передаются данные. Web-технология предлагает действительную универсальность и прозрачность.

Безусловно, система SCADA/HMI на уровне АСУТП выполняет ряд других функций и там, где это нужно, без нее не обойтись. Но повторимся использование встроенных Web-серверов представляет гораздо более простой способ получения данных реального времени прозрачный и легко доступный для любого клиентского приложения.

Предложение от компании Шнейдер Электрик

Как было отмечено выше, концепция Transparent Factory компании Шнейдер базируется на трех основных положениях:


1. Следующим поколением сетей промышленной автоматики, интегрированным с сетями офисной деятельности, становится Ethernet.

2. Прозрачный и легкий доступ к получению данных в масштабах всего предприятия, от датчиков/ исполнительных механизмов и до уровней планирования и управления предприятием, возможен при наличии стандартной, интегрированной сети, обеспечивающей множество сервисных уровней. Такой сетью становится корпоративная сеть предприятия Intranet, построенная по принципу клиент/сервер и обеспечивающая создание единого информационного пространства.

3. Будущие системы управления будут использовать стандартные и открытые, объектно-ориентированные средства управления и доступа к информации. В качестве таких средств предлагаются встроенные Web-серверы и интерфейс ОРС (для систем на базе ОС Windows).

Рис. 1. Internet технологии в автоматизации: прозрачность, открытость, легкость в использовании

Ключевыми словами концепции TF являются прозрачность и открытость. Как отмечено в материалах по TF на узле www.transparentfactory.com по поводу открытости, Шнейдер Электрик обязался внедрять решения на основании концепции Открытых Архитектур на рынке средств автоматизации посредством принятия философии открытости, присоединения к стандартам и полного следования им. Для пользователя выгода заключается в том, что они могут выбирать лучшие устройства различных производителей и сохранять уверенность в том, что эти устройства способны взаимодействовать между собой.

Это обязательство выражено в программе и лозунге Open for Business (Открытость для бизнеса), который можно видеть под логотипом Transparent Factory. Это обязательство гарантирует, что потребители не будут привязаны к какому-либо   производителю, а будут применять новейшие продукты по мере их возникновения. С точки зрения Шнейдер, открытость означает нашу готовность к тому, что в случае, если наши продукты и услуги перестанут удовлетворять требованиям потребителя, их могут заменить продукты и услуги других поставщиков.

И то же по поводу прозрачности: Компоненты Transparent Factory обеспечивают возможность работы в соответствии с принципом plug&play в максимально возможном на сегодняшний день объеме. Установка и подключение системы так же просты, как и установка телефона…. Аналогия с телефоном простая, но очень точная. При использовании встроенных Web-серверов неважно, где и как сервер подключен к сети. Так же, как мы набираем номер телефона, здесь достаточно ввести адрес Web-сервера и получить полную информацию.

Реализация концепции TF намечена в несколько этапов. Начальный этап состоит в создании продуктов, позволяющих иметь свободный и открытый доступ к данным в PLC. На сегодняшний день он практически завершен. Компания Шнейдер выпустила 2 базовых продукта:

встроенные Web-серверы для контроллеров Premium и Quantum,
ОРС-сервер, под названием ОРС Factory Server. Полная гамма изделий, поддерживающих концепцию TF, представлена в таблице 1.

Таблица 1. Перечень продуктов, поддерживающих концепцию Transparent Factory

Рассмотрим подробнее встроенные Web-серверы для контроллеров Premium и Quantum. Они представляют собой интеллектуальные сетевые модули Ethernet TCP/IP, которые устанавливаются в шасси контроллеров Premium или Quantum. Модули содержат встроенные Web-страницы, позволяющие производить диагностику контроллера и его приложения, Java-аплеты и динамический редактор данных (Run-time data editor). Дополнительно предлагается пакет Web Utility, позволяющий разрабатывать пользовательские Web-страницы контроллера. Некоторые характеристики этих продуктов приведены в таблице 2.

Таблица 2. Описание встроенных Web-серверов

Каждый из указанных модулей содержит 1 сервер HTTP и 1 сервер FTP.

Для создания и последующего обслуживания Web-сайта в контроллере пакет Web Utility предлагает следующие возможности:

установку системы безопасности login, пароли, защиту чтения/записи;
создание пользовательских Web-страниц, с графикой и необходимыми Java-аплетами;
создание базы данных PLC, доступной через Web, с адресацией в символьном виде или прямой. Эта база данных используется для просмотра и модификации адресов и самих данных;
загрузку, выгрузку и перезапись файлов во встроенный Web-сервер.

Что касается Web-страниц, предлагаемых с модулем по умолчанию, то с их помощью можно производить диагностику ЦП (CPU), большинства модулей входа/выхода и сетевых модулей, включая сам модуль Ethernet TCP/IP.

Кроме того, через указанные адреса в символьном или прямом виде можно просматривать и/или модифицировать различные переменные контроллера из доступной базы данных.

Таким образом, пользователь, например Системный Интегратор, может производить диагностику системы управления, находясь за сотни и тысячи километров от объекта внедрения АСУТП. Достаточно через обычный браузер Netscape или Internet Explorer набрать адрес необходимого Web-сайта и ввести пароль.

Впрочем, вопрос авторизованного доступа остается на ответственности самого пользователя.

С помощью пакета Web Utility пользователь устанавливает, какие Web-страницы будут общедоступны, а к каким доступ возможен только через введение корректных имени и пароля. То же касается и модификации данных. При использовании встроенных Web-серверов на Quantum/Premium во внутренней сети Intranet доступ к ним ограничен через межсетевой экран МСЭ (аппаратный или программный firewall). Тем не менее, пользователь может иметь к ним доступ и через Internet, но для этого МСЭ должен быть соответствующим образом сконфигурирован.

Преимущества для пользователя

Благодаря встроенным Web-серверам многие функции доступны через Internet/ Intranet, такие как:

детальная диагностика системы управления на базе PLC;
просмотр данных реального времени;
модификация данных приложения;
отображение данных PLC в адаптированном виде (мнемосхемы, графика, таблицы) на Web-страницах. Реализация этих функций в совокупности есть не что иное, как удаленный мониторинг, диагностика и обслуживание (см. рис.1).

Рассмотрим детальнее другие нюансы использования данной технологии.

Использование архитектуры клиент-сервер в Internet

Все вышеупомянутые возможности доступны для любого клиента, имеющего доступ к данному Web-серверу. Кроме обычного Web-браузера, никакое дополнительное программное обеспечение или аппаратные средства не требуются. В этом состоит одно из преимуществ архитектуры клиент-сервер. Другая выгода технологии Internet заключается в том, что не существует никаких ограничений ни на количество клиентов, ни на длину сети, ни на время доступа. Как уже было отмечено, для получения высоких скоростей обмена и обеспечения необходимого детерминизма может сегментироваться несколько сетей.

Java-аплеты и объектно-ориентированный подход

Встроенные в страницы Java-аплеты (пользовательские или представленные готовыми с Web-страницами) позволяют производить дополнительную обработку данных. Возможен запуск других программ, создание удобного пользовательского интерфейса том числе мультимедиа).

Благодаря объектно-ориентированному подходу, который используется в контроллерах (программы на языке FBD, блоки DFB, возможность структурирования приложения), пользователь может обращаться не к двоичной информации, а к конкретным переменным, определяющим состояние/поведение целого объекта (например, насоса, клапана, дозатора и т.п.). Такой подход значительно облегчает создание Web-страниц для управленцев среднего и высшего звена, нуждающихся в оперативной информации о состоянии производства. Кроме того, представление приложения в виде взаимодействующих объектов гарантирует синхронность и корректность вносимых изменений.

Гиперссылки на другиеWeb-узлы

В сети Intranet предприятия или вне его может быть множество других серверов данных, где хранится необходимая информация. Например, главный технолог получает информацию о техпроцессе со встроенного Web-узла контроллера Premium, а технологические карты и режимы с другого узла. Точно так же специалист КИПиА оценивает состояние АСУ по диагностическим Web-страницам со встроенного Web-сервера контроллера, а Руководство по эксплуатации и прочие инструкции по обслуживанию может загружать с другого сервера. Переход к нужной информации делается по классическим для Web-технологии гиперссылкам. Глубина переходов, объемы доступной информации и организация интерфейса зависят только от насущной необходимости, доступных Web-узлов и от пожеланий пользователя никаких других ограничений нет.

Прозрачность и открытость, простота использования

Данные реального времени могут быть свободно затребованы и получены на любом уровне иерархии глобальной системы управления предприятием. Специалист из отдела АСУП, интересующийся выходом готовой продукции, имеет такой же простой способ получения этих данных, как и оператор АСУТП, требующий информацию о параметрах техпроцесса. Использование браузеров интуитивно и требует минимальных усилий для освоения, в отличие от других инструментов получения информации. Web-технология освобождает много ресурсов предприятия по созданию и сопровождению других промежуточных бизнес-систем. Если речь идет только о предоставлении данных в нужном виде и удобном пользовательском интерфейсе, то само существование таких систем находится под вопросом.

Поддержка существующего парка оборудования

Переориентация компании Шнейдер в рамках TF на Ethernet TCP/IP вовсе не означает отказ от использования существующего парка систем управления, где этой сети нет. Во-первых, сами контроллеры Premium и Quantum могут выступать как мощные концентраторы и мосты, обеспечивающие сбор данных по сетям Modbus, Modbus Plus, Fip, Uni-telway и др. Эти данные концентрируются в контроллере и доступны для последующей передачи по Ethernet TCP. Во-вторых, в гамме продукции Шнейдер существует универсальный мост Modbus/Ethernet TCP/IP, позволяющий соединять многочисленные устройства на Modbus с сетью Ethernet TCP/IP. Есть также мост Modbus Plus/ Ethernet и другие устройства (рис.1).

Как следствие, огромный парк уже установленного оборудования АСУ может быть гармонично и последовательно включен в единую информационную инфраструктуру предприятия, базирующуюся на Ethernet.

Концепция TF признается новаторской в развитых странах, где имеются мощные коммуникационные инфраструктуры и рынок систем управления более развит по сравнению с отечественным. В рекламных проспектах Шнейдер Электрик описание TF иногда сопровождается словосочетаниями завод будущего и т.п. Поэтому неудивительно, что среди отечественных пользователей можно услышать скептические комментарии по поводу применения таких продуктов. На первый взгляд получается, что на Западе продукция TF будет затребована через 2-3 года, а в странах СНГ через 5 -10 лет. При более глубоком анализе действительность представляется в несколько другом свете.

Словосочетание предприятие будущего в понимании Шнейдер Электрик вовсе не означает время прихода массового спроса на данную продукцию. Речь, скорее, идет о характеристике предприятия и его готовности принять данную концепцию. Так как речь идет о новых подходах и новом видении, то существующие барьеры носят, скорее, психологический, а не технический характер (вспомните известный консерватизм промышленного покупателя).

Наблюдая огромный интерес к концепции TF, первые успешные реализации и награды от международных организаций, становится очевидным, что эти барьеры будут вскоре взломаны окончательно. В конце концов, реализация TF в масштабах предприятия несет значительный экономический выигрыш, а для промышленников это главный аргумент.

Что касается отечественных предприятий, то здесь также не все однозначно. Наверное, стоит согласиться со скептиками по поводу больших трудностей в реализации инфраструктур Intranet на многих отечественных предприятиях. В качестве основных аргументов они приводят слабые коммуникационные ресурсы на предприятиях и психологическую неподготовленность конечных пользователей к восприятию новых технологий. Мол, если на большинстве заводов еще нет современных АСУТП, то о какой интеграции с АСУП, о каких единых инфраструктурах можно говорить! Однако мы убеждены в преодолимости (или даже отсутствии) этих барьеров для многих предприятий и в качестве аргументов попытаемся привести следующее.

На многих крупных предприятиях уже существует достаточная инфраструктура. Офисные системы, отделы АСУП уже имеют в своем распоряжении десятки ПК, объединенных по Ethernet TCP/IP. В большинстве случаев эти предприятия имеют выход на Internet и создание внутренней Intranet-ceти составит мизерные капиталовложения.

Многие отечественные пользователи заинтересованы во внедрении данной технологии. Укажем некоторые категории пользователей, проявляющих интерес к подобным TF-решениям. Это отделы АСУТП и АСУП крупных предприятий в металлургии, нефтепереработке, химии и нефтехимии, пищевой промышленности. Внедрение концепции TF открывает доступ к производственным данным для самых разных специалистов таких предприятий;

системные интеграторы, реализующие свои системы на значительном удалении от своих офисов. Учитывая все накладные расходы, вопросы дальнейшего обслуживания и диагностики систем могут быть эффективно решены с помощью TF. В эту же категорию можно добавить крупные машиностроительные заводы, экспортирующие свое оборудование в другие страны;

предприятия, нуждающиеся в мониторинге объектов, разбросанных на значительные расстояния. Концепция TF может эффективно решить проблемы создания АСУД облэнерго, крупных городских РЭС и др. объектов коммунального хозяйства;

интересной является идея использования Web-серверов для всех случаев, где необходим мониторинг производственных данных для многих пользователей. Эта технология может заменить установку дорогостоящих пакетов SCADA или им подобных;

И, наконец, последний аргумент базируется на росте самого рынка Internet как в странах Западной, так и в странах Восточной Европы. Быстрое проникновение Internet в экономику и промышленность создает хорошие предпосылки для успешных проектов Transparent Factory.

Учитывая кризисное состояние отечественных предприятий, концепция Transparent Factory может быть весьма привлекательной для тех из них, кто хочет иметь современную инфраструктуру и высокую конкурентоспособность при минимальных затратах.

Ссылки
www.schneiderautomation.com
www.transperentfactory.com

20.04.2014