Главная Пресс-центр Статьи и публикации Инструментарий для интеграции разнородных подсистем, "Мир Компьютерной Автоматизации", N 1, 2001

Инструментарий для интеграции разнородных подсистем, "Мир Компьютерной Автоматизации", N 1, 2001

Н.А. Куцевич, ЗАО «РТСофт», Москва

Введение

Исторически на каждом предприятии сосуществуют разнообразные подсистемы: DCS, SCADA, ERP, которые в большинстве случаев функционируют независимо друг от друга, решая свой класс задач. Очевидно, что оперативная информация, доступная в нужное время и в нужном месте, способствует принятию объективно-правильного решения. В настоящее время часто отсутствует не только обмен оперативной информацией между уровнями (вертикальные связи), но и горизонтальные связи между подсистемами на одном уровне (рис. 1).

Рис. 1: Единая информационная система. УП — управление производством. УР — управление ресурсами производства

Основная цель данной статьи состоит в том, чтобы рассмотреть программные средства, используемые в разнородных системах, и проанализировать возможности интеграции данных, получаемых из различных технологических, коммерческих, административных подсистем, в единую информацию систему.

Традиционно на контроллерном уровне (рис.1) решается задача сбора данных и управления устройствами низовой автоматики. Независимо от типа контроллерного оборудования данные, предназначенные для визуализации, архивирования, алармирования, формирования управляющих воздействий, по стандартным протоколам реального времени поднимаются на уровень HMI (human machine interface) SCADA-систем. Клиентские конфигурации HMI- и SCADA-приложений на уровне управления производством (УП) позволяют в реальном времени отслеживать оперативную информацию с отдельных цехов или участков.

В случае использования на всех участках технологического процесса однородных подсистем объединить данные на уровне УП достаточно просто на основе уже выбранного инструментального средства. На практике зоопарк систем SCADA, DCS, HMI осложняет задачу интеграции технологических данных, но в этом случае интеграция возможна благодаря использованию прикладных протоколов реального времени.

Программное обеспечение (ПО) на уровне управления ресурсами предприятия (УР), автоматизации административно-хозяйственной деятельности развивалось независимо от ПО АСУ ТП (технологических процессов). Поэтому каналы обмена между уровнями УР и УП достаточно слабые. Отношение к реальному времени в рассматриваемых подсистемах принципиально различно.

Рассмотрим особенности программных продуктов, применяемых на уровне АСУ ТП и УР и особенности программных средств интеграционного слоя, отвечающего за объединение технологических данных и за предоставление оперативных данных на уровень УР.

Инструментальные средства уровней УП и УР

Подсистемы визуализации, архивирования, алармирования

В зависимости от технических требований, особенностей технологического процесса на каждом участке применяются DCS-системы таких фирм как ABB, Fisher-Rosemount, Honeywell и других компаний или SCADA-системы, например InTouch компании Wonderware, Citect компании CiTechnologies и т.п. Рассматриваемый класс продуктов выдвигает следующие требования к интеграционному слою, реализованному на уровне УП:

доставка на центральные диспетчерские станции объединенной со всех участков технологической информации в реальном времени;
регистрация технологической информации в специализированных базах данных;
поддержка Internet/Intranet-технологий с целью предоставления Web-клиентам технологической и агрегированной информации.

Таблица 1. Системы управления ресурсами предприятия

Системы управления ресурсами предприятия

Системы управления ресурсами предприятия делятся на следующие большие группы (Табл. 1):

коробочные продукты, реализующие небольшое число бизнес-процессов предприятия. Примерами таких систем являются бухгалтерские, складские, торговые системы (1С, Инфин) ;
системы среднего класса охватывают большое количество функций. В основном это системы, которые позволяют вести учет деятельности предприятия по многим направлениям: финансы, логистика, персонал, сбыт. Они нуждаются в настройке, и примерами таких систем являются Айти, Галактика ;
системы верхнего уровня отличаются высоким уровнем детализации хозяйственной деятельности предприятия. Современные версии таких систем обеспечивают планирование и управление всеми ресурсами организации. При внедрении таких систем производится моделирование существующих бизнес-процессов и настройка параметров системы на требования бизнеса. Лидерами этого класса продуктов являются R/3, Baan IV, Oracle Application.

На рис. 2 выделены модули системы управления ресурсами предприятия вероятные кандидаты на участие в интеграции с уровнем УП.

Основное назначение систем управления предприятием касается автоматизации административно-хозяйственной деятельности предприятия. На практике использование даже систем класса R/3 не позволяет решать задачу управления, а только задачу учета ресурсов. Нехватка оперативной, прежде всего, технологической информации становится все более актуальной и приводит к необходимости создания интеграционного слоя между уровнями УП и УР, поставляющего оперативные данные для систем УР. Кроме того, руководству предприятия часто необходимы системы принятия решения, например, CIPROS, способные проанализировать большое количество технологической уровня УП) и служебной информации уровня УР), предоставлять регулярно агрегированные данные, отражающие наиболее важные производственные показатели. Причем, как видно из рис. 2, программное обеспечение этого класса должно поддерживать как оперативные каналы обмена данными (прежде всего, с программными средствами уровней УП), так и с системами, описанными в табл. 1.

Рис.2 Общая схема интегрированной системы управления предприятием


Схема обмена информацией между уровнями УП и УР. В соответствии с планом по видам продукции предприятия, сформированном на основе имеющихся заказов, создаётся объемный и объемно-календарный план производства видов продукции. В этом плане в качестве планово-учетных единиц могут выступать изделия с усредненными параметрами. План производства преобразуется в график выпуска продукции (рис.3). Этот план задаёт количество конкретных изделий со сроками их изготовления. На этом уровне определяются в количественном выражении и по срокам потребности в материальных ресурсах, необходимых для обеспечения графика выпуска продукции. В модуле, отвечающем за планирование производственных мощностей (4 на рис.3), выполняются расчеты по определению и сравнению располагаемых и необходимых производственных мощностей. Этот же модуль может применяться не только для производственных мощностей, но и для других видов производственных ресурсов, способных повлиять на пропускную способность предприятия.

В модуле оперативного управления производством (10 на рис.3) формируются оперативные планы-графики. В качестве планово-учетных единиц выступают детали или компоненты операции. Учитывая затраты на производственные мощности, компоненты производства, интеллектуальные ресурсы формируются стоимостные параметры продукции и определяется качество производимых товаров. Выполняется сравнение плановых и фактических затрат. Роль данной подсистемы состоит в обеспечении связи между управлением производством и управлением финансовой деятельностью путем оценки решения задач планирования, учета, контроля и регулирования затрат.

Рис. 3 Информационные потоки между УП и УР

Интеграционный слой

Интеграция разнородных подсистем в единую систему диспетчеризации технологического процесса позволяет сконцентрировать важную информацию о процессе со всех участков, начиная от поступления сырья после каждого этапа переработки и заканчивая отгрузкой готовой продукции. Имея оперативный доступ к информации о наличии запасов сырья и других материалов (катализаторов, реагентов и т.д.), ходе технологического процесса и состоянии оборудования, сроках отгрузки готовой продукции, можно своевременно скорректировать оперативные планы и сбалансировать весь производственный цикл на предприятии.

Перспективным программным средством для данного уровня представляются SCADA-системы или специальные системы слежения и моделирования межцехового обмена (например, InTrack из пакета FactorySuite компании Wonderware). Особенностью ПО рассмотренных уровней является то, что для всех вышеупомянутых компонентов существуют коммуникационное ПО, поддерживающее уже ставшие стандартными протоколы обмена DDE (Dynamic Data Exchange), OLE (OLE for Process Control) и другие.

Реляционные БД и БД реального времени

Важными компонентами, используемыми на данных уровнях, являются системы управления базами данных (СУБД). Именно они позволяют предоставить пользователю нужную информацию в нужном месте (независимо от уровня) и в нужное время. Предприятия с помощью СУБД преодолели проблемы, связанные с огромными объемами дублированной и иногда противоречивой информации, предоставляемой к тому же различными и зачастую несовместимыми друг с другом способами. Но использование традиционных реляционных баз данных, ориентированных на УР-решения, не всегда возможно в системах управления технологическими процессами. Здесь можно выделить несколько основных ограничений.

Производственные процессы генерируют данные очень быстро. Чтобы хранить производственный архив системы, например, с 7500 рабочими переменными, в БД каждую секунду необходимо вставлять 7500 строк. Обычные БД не могут выдержать подобную нагрузку.

Производственная информация не вмещается! Многомесячный архив завода с 7500 рабочими переменными требует под БД дисковой памяти объемом около 1 Терабайта. Сегодняшние технологии такими объемами манипулировать не могут.

SQL как язык не подходит для обработки временных или периодических данных, типичных для производственных систем. В частности, чрезвычайно трудно указать в запросе периодичность выборки возвращаемых данных.

Как результат преодоления этих ограничений появился такой класс продуктов, как базы данных реального времени (БДРВ). При этом отмечаются две концепции создания БДРВ: независимая, новая разработка БД и разработка БДРВ на основе известных реляционных БД, например, MS SQL Server. Более перспективным представляется второй способ создания БДРВ, поскольку, во-первых, в стоимостном отношении он дешевле, а во-вторых, технологичнее (следует в ногу с новыми технологиями Microsoft!). В качестве примера реализации БДРВ отметим, например, IndustrialSQL Server (компания Wonderware) и Plant2SQL (Ci Technologies). Основные функции БДРВ, построенные на основе MS SQL Server заключаются в следующем:

сохранение некритичной во времени информации в БД Microsoft SQL Server; в то время как вся технологическая информация сохраняется в специальном формате;
 поддержание высокой пропускной способности, что обеспечивает сохранение огромных потоков информации с высокой разрешающей способностью;
поддержание целостности данных, что обеспечивает запись больших объемов информации без потерь;
добавление в Microsoft SQL Server свойств сервера реального времени.

В настоящее время БДРВ являются продуктами, ориентированными на хранение технологической информации, на обеспечение связи с управленческими данными, на использование уже ставших стандартными в подсистемах УР OLE DB, Internet-интерфейсов. На рис. 4 показаны информационные потоки. С одной стороны, это данные, поступающие из различных технологических источников для сохранения в БД, с другой, данные, запрашиваемые потребителями через интерфейс SQL-сервера.

Рис. 4 БДРВ на базе Microsoft SQL Server

Используемая в БДРВ архитектура клиент-сервер позволяет заполнить промежуток между промышленными системами контроля и управления реального времени, характеризующимися большими объемами информации, и открытыми гибкими управленческими информационными системами. Благодаря наличию мощного и гибкого процессора запросов пользователи имеют возможность осуществлять поиск любой степени сложности для выявления зависимостей и связей между физическими характеристиками, оперативными условиями и технологическими событиями.

Следует подчеркнуть, что в зависимости от требований создаваемой системы возможны следующие варианты решений:

использование только РБД, в таблицы которой подсистема АСУ ТП по SQL-запросам записывает технологические данные; в дальнейшем последние могут быть использованы обеими подсистемами;
использование БДРВ, которые обеспечивают более высокие характеристики регистрации данных и упрощают (без использования SQL) процесс внесения данных в таблицы;
построение комбинированного решения, предполагающего использование БДРВ для технологических первичных данных и таблиц РБД для вторичных данных.

АСУТП и подсистемы АСУП, построенные на технологиях Microsoft

Как уже отмечено выше, существует устоявшийся набор стандартных протоколов, позволяющий назвать практически любую SCADA-систему открытой. Наибольшее количество SCADA-систем предлагается и развивается их разработчиками на платформе Windows 95/98 или Windows NT/2000. Все они поддерживают технологии Microsoft, в первую очередь, как средство межпрограммного взаимодействия внутри подсистем АСУ ТП. Не один раз объявлялось, что разработчики SCADA-систем и Microsoft имеют одинаковое представление о новом типе производственной среды будущего и работают вместе над созданием программного обеспечения в масштабе предприятия.

ПО подсистем УР, разработанное для Windows-платформы, не могло избежать влияния технологий Microsoft. Именно на их основе построенные каналы связи позволяют обеспечить обмен между рассматриваемыми подсистемами. Основой интеграции подсистем могут стать стандартные программные протоколы DDE, OLE и OPC.

Применение технологий Microsoft не исключает, а дополняет решения, построенные на основе БД.

Динамическая платформа управления производством

Для интеграции возможно применение динамической платформы управления производством, благодаря которой данные свободно перемещаются между ключевыми уровнями системы управления предприятием, повышая показатели эффективности и прибыльности (рис.2). Примером такой системы может быть интегрированная компьютерная система управления процессом переработки нефти (Computer Integrated Process and Refinery Operations System, CIPROS).

Особенностью данного ПО является способность интегрироваться с разноуровневыми подсистемами предприятия, в том числе и по протоколам реального времени. Здесь ключевыми компонентами CIPROS являются модель данных предприятия (Plant Data Model), которая управляет информацией, связанной с деятельностью предприятия, и модуль обмена данными (Data Exchange Module), который связывает различные подсистемы и приложения предприятия в инфраструктуру CIPROS. Система CIPROS обеспечивает следующие возможности:

возможность просмотра информации о процессах, складских запасах и качестве продукции в реальном времени и исторически;
возможность принятия просчитанных решений в целях оптимизации выбора сырья, операционных режимов и соотношений продуктов с одновременным улучшением качества получаемых продуктов;
средства поддержки для анализа по схеме что, если для оценки деловых возможностей;
открытость и доступность информации для децентрализованного принятия решений.

Новый класс продуктов

Для организации информационного потока технологических данных в системы УР ряд крупных разработчиков инструментальных систем (прежде всего, SCADA) предложили использовать специальный тип программных продуктов, например, VisualFlow компании Envisionlt.

Ключевое назначение продукта VisualFlow объединять (рис.5). Этот графический объектно-ориентированный инструментарий позволяет через объекты и промежуточные (middleware) мосты организовывать каналы связи с приложениями. Приложения, способные быть источником, могут формировать специальные объекты, передаваемые в VisualFlow, где с помощью таблиц и методов на объекте, переданном из источника, выполняются необходимые преобразования. Далее объект передается целевому приложению. Уже сейчас VisualFlow может обеспечить интерфейс для более 120 приложений и баз данных.

Рис. 5 Возможности интеграции Visual Flow


Так, для интеграции с системами класса SAP R/3 в пакете VisualFlow определены следующие интерфейсы:

PPPI;
поддержка PI-PCS BAPI;
сертифицированные SAP;
интерфейс общего назначения R/3 RFC;
Access 10,000+RFC;
CALL_TRANSACTION RFC;
поддержка IDOC;
поддержка пользовательского ABAP/4;
интерфейс баз данных;
доступ к таблице/полю;
поддержка всех баз данных системы R/3.

Но VisualFlow способен только интегрировать разнородные подсистемы. А какие подсистемы интегрируются, определяется конкретной задачей обеспечение доступа к технологическим данным, как архивным, так и оперативным из приложений УР. Разработчик приложения VisualFlow определяет, из каких подсистем принимаются объекты (например, из SCADA-приложений), каким образом полученная через объекты информация преобразуется и передается в целевые подсистемы. Формирование SCADA-объектов или объектов баз данных реального времени позволяет на базе VisualFlow транспортировать объект с технологическими данными управленцам.

Выводы

В целом объективные условия для интеграции созрели. Сейчас единые сетевые протоколы, информационные технологии создали необходимые предпосылки создания единой информационной системы предприятия.

Рассматриваемые в статье способы интеграции позволяют объединять бизнес-информацию с технологической, быстро просчитывать стоимость инвестиций и материальных издержек, открывают большие возможности для улучшения бизнес-деятельности, качества и производительности.

Сложность интеграции ПО уровней УП и УР заключается том, что касается реального времени, поскольку негарантированное время реакции на событие в технологическом процессе недопустимо. На уровне УП различные каналы обмена соответственно, и протоколы) характеризуются соответствующими приоритетами и определяются ответственностью выполняемых задач (алармы, архивы, работа с таблицами РБД). В то время как между модулями уровня УР доминирует транзакционный характер обмена.

Поэтому в зависимости от уже используемых методов, от потребностей руководства предприятия в инструменте, помогающем принимать решения, формируются и требования к интеграционному слою, к готовым продуктам, приобретаемым для создания адаптированного к конкретному предприятию инструмента принятия решений. Для его создания могут использоваться и рассмотренные выше инструментальные средства.

Таким образом, традиционные системы УР имеют тенденцию превращаться на основе поступающей с технологического уровня информации из систем учета административно-хозяйственной и производственной деятельности в средство реального управления предприятием.

20.04.2014