Ни для кого не секрет, что неотъемлемой частью современной автоматизированной системы управления (АСУ) является программное обеспечение. Если представить, что различные клапаны, задвижки, манипуляторы, переключатели являются «руками» АСУ, датчики и измерительное оборудование — «глазами», контроллеры и серверное оборудование —«мозгом», то, продолжая аналогию, программное обеспечение без преувеличения можно назвать «разумом» системы. В данной статье изложены некоторые аспекты использования программного обеспечения при автоматизации современных промышленных предприятий.
Еще двадцать лет назад программное обеспечение (как и компьютерная техника) было уделом только больших научных центров, крупных финансовых корпораций и редких в то время компаний, использующих персональные компьютеры. Cегодня же эта неосязаемая сущность проникла во все сферы деятельности человека.
В быту программами управляется вся (уже можно смело сказать — без исключения) современная бытовая техника, начиная от домашних кинотеатров и заканчивая утюгами. Новейшая концепция в строительстве, так называемый «разумный дом», подразумевает, что программное обеспечение отдельных бытовых устройств позволяет им взаимодействовать между собой без участия человека. Например, человек придя вечером домой после долгого рабочего дня открывает дверь, в это время автоматически в духовке начинается приготовление ужина и автоответчик воспроизводит накопленные за день сообщения. Человек заходит в гостиную и голосовой командой включает телевизор, при этом автоматически уменьшается интенсивность освещения. Человек переходит из комнаты в комнату и музыка, включенная на музыкальном центре следует за ним — автоматика переключает воспроизведение между динамиками, установленными в разных комнатах. Можно приводить еще много примеров подобных «чудес». Но сегодня это становится реальностью — во многом благодаря тому, что все больше и больше устройств наделены «разумом».
Большинство систем современного автомобиля также управляется программным обеспечением. Все меньше и меньше непосредственное влияние водителя на механизмы и все больше и больше его взаимодействие с компьютером. Программное обеспечение обрабатывает команды водителя и воздействует на сам и механизмы. При осуществлении такого воздействия учитывается ряд внешних факторов, что делает управление автомобилем проще и эффективнее. Простейшие примеры — система электронного впрыска и анти блокировочная система тормозов (ABS).
В офисе при помощи программного обеспечения решаются как мелкие повседневные задачи — набор текстов, служебная переписка, так и глобальные - коммерческий учет, планирование, бюджетирование, обмен информацией с поставщиками и покупателями, управление персоналом и т. д.
В промышленности программы осуществляют управление станками, манипуляторами, задвижками, клапанами, обеспечивают надежность системы и защиту от нештатных ситуаций, позволяют человеку оперативно осуществлять мониторинг и контроль технологических процессов, выполняют проверку качества продукции.
Таким образом, программное обеспечение сегодня, зримо и незримо присутствуя повсюду, принимает на себя большую часть рутинной работы и делает инструменты человека все более надежными, эффективными и производительными.
Рис. 1. Процессы, подлежащие автоматизации в условной компании
Задачи
Возвращаясь к основной теме, выделим основные задачи, которые стоят перед программным обеспечением, входящим в состав АСУ промышленного предприятия. Для этого воспользуемся следующей абстрактной структурой.
Наше предприятие состоит из двух основных частей — управляющей компании (центрального офиса) и нескольких территориально распределенных заводов (производства). Некоторые заводы занимаются сборкой изделий для конечного потребителя, а некоторые — производством деталей для этих изделий.
В центральном офисе осуществляется управление верхнего уровня — управление финансами, анализ продаж, планирование производства, коммерческий учет, управление транспортировкой грузов и диспетчерский контроль технологических процессов на заводах.
На заводах решаются локальные задачи управления — локальное планирование, основанное на планах верхнего уровня, диспетчерский контроль конкретного технологического процесса, автоматическое управление отдельными его участками и контроль качества выпускаемой продукции.
При этом наибольший эффект от автоматизации достигается в том случае, если все отдельные компоненты, отвечающие за решение частных задач объединены в интегрированную информационную систему и взаимодействуют между собой без дополнительных усилий со стороны пользователя. То есть кроме решения основных задач каждый компонент должен обеспечивать интерфейс и быть достаточно«разумным» для взаимодействия (обмена данными, передачи команд управления) с другими компонентами.
Классификация
Мы в общих чертах определили перечень задач, подлежащих решению на промышленном предприятии. Теперь рассмотрим как именно данные проблемы решаются средствами, доступными в настоящее время на мировом рынке программного обеспечения.
При этом четко выделяются несколько классов систем, предназначенных для решения определенных групп задач автоматизации. Начнем рассмотрение с систем верхнего уровня.
ERP
Enterprise Resource Planning — планирование ресурсов предприятия. Данная аббревиатура используется для обозначения программных систем,используемых для управления ресурсами предприятия. Спектр задач, решаемых при помощи таких систем:
- управление финансами;
- управление закупками;
- управление продажами;
- управление персоналом;
- внутренний учет.
Рис.2. Схема взаимодействия программного обеспечения различных уровней автоматизации.
При этом термин «управление»включает в себя все составляющие — планирование, контроль и анализ. Такого рода системы обеспечивают как полную автоматизацию деятельности отдельных подразделений, так и слаженную работу предприятия в целом.
Например, отдел продаж, проведя анализ рынка и анализ продаж за прошлый год, вносит в систему планы по продажам на следующий год. Производственный отдел на основании данных, полученных от отдела продаж, осуществляет планирование производства конечных изделий. При этом автоматически формируется план деятельности для заводов, производящих детали. На основании этих планов отдел закупки формирует заказы поставщикам сырья, а финансовый отдел производит выделение средств на его закупку. И все это происходит внутри системы в полуавтоматическом режиме — без лишней бумажной работы.
Представители систем данного класса — всемирно известные SAP, Oracle, Great Plains, PeopleSoft, SunSystems, Scala и распространенные на нашем рынке — «Галактика», «БЭСТ« и «1С:Предприятие».
Рис.3. Типовая схема установки SCADA-систем.
MES
Manufacturing Execution System — автоматизированная система управления производственными процессами. Cистемы данного класса — связующее звено между ERP-системами и непосредственно производством. Задачи, которые решаются при помощи MES-систем — это:
- планирование и контроль загрузки производственного оборудования;
- резервирование сырья и деталей, используемых в производстве;
- планирование и контроль человеческих ресурсов, задействованных в производственном процессе;
- контроль износа оборудования;
- учет затрат энергии;
- контроль качества готовой продукции;
- анализ факторов, влияющих на качество;
- расчет себестоимости изделий.
MES-системы оперируют одновременно информацией, получаемой непосредственно от оборудования в автоматическом режиме (режим работы и время использования производственного оборудования, диагностическая информация, данные от датчиков, используемые при проверке качества готовой продукции), и информацией, поступающей от ERP-систем (план производства, наличие сырья и деталей на складе).Резервирование ресурсов выполняется в соответствии с создаваемыми технологическими схемами.
Российская компания AdAstrA анонсирует в ближайшем будущем выход своей MES-системы T-Factory 6,поддерживающую интеграцию со SCADA- и SoftLogic-системой Trace Mode 6. Кроме этого продукта существует целый ряд систем, решающих перечисленные задачи лишь частично.
SCADA
Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерский контроль и сбор данных. SCADA- системы используются при автоматизации технологических процессов. Задачи решаемые системами данного класса — это:
- сбор информации о параметрах технологических процессов;
- хранение и предоставление пользователю оперативной и статистической информации о технологических процессах;
- сигнализация о выходе параметров технологических процессов за установленные границы;
- интерфейс пользователя для ручного управления технологическим процессом;
- автоматическая генерация управляющих воздействий.
Характерными чертами SCADA-систем являются:
- гибкость и удобство для технологов в процессе конфигурирования технологического процесса;
- возможность отображения информации о технологическом процессе в удобном для конечного пользователя виде (мнемосхемы, таблицы, диаграммы);
- поддержка распределенного сбора информации и возможность доступа к ней с удаленных рабочих станций;
- высокая степень надежности и поддержка резервирования;
- использование специализированных или адаптированных СУБД для хранения статистической информации;
- взаимодействие с широким спектром устройств благодаря поддержке технологии OPC и стандартных промышленных протоколов обмена данными (MODBUS, PROFIBUS, CANopen, DeviceNet и т. д.).
Рис.4. Экран системы САУ ГПА, разработоной специалистами СНПО им.Фрунзе при участии компании Saturn® Data International с использованием SCADA AdAstrA TraceMode.
В нашем приложении при помощи SCADA-системы будет осуществляться диспетчерский контроль и управление технологическими процессами каждого из заводов. При этом возможность общего контроля и управления будет предоставлена также и операторам центральной диспетчерской.
Наиболее известные системы данного класса — AdAstrA TraceMode, GE Fanuc iFix, Genesis, Citech.
Программирование контроллеров
PC-совместимые контроллеры
На производствах, где нет необходимости в обработке тысяч сигналов ввода вывода в режиме реального времени с дискретностью в доли секунд, наиболее эффективно использовать PC-совместимые контроллеры, широко представленные на нашем рынке. Выгоды от использования таких контроллеров следующие:
- простота разработки алгоритмов функционирования;
- широкий выбор шин данных для осуществления обмена с устройствами нижнего уровня (датчиками, управляющими механизмами и т. д.);
- отсутствие необходимости в дополнительной разработке средств интеграции со многими SCADA-системами;
- гибкое формирование стоимости аппаратной части;
- возможность подключения стандартных средств отображения и ввода информации.
Для программирования таких контроллеров могут использоваться стандартные языки программирования (C++, Pascal, Assembler) или же программные SoftLogic- системы. Отличительными особенностями таких систем является то, что в них используются такие доступные для технологов языки программирования, как диаграммы функциональных блоков (FBD — Functional Block Diagram), язык лестничной логики (Ladder Logic) и структурированный текст (Structured Text). Наиболее распространенной и удобной в использовании в связке со SCADA-пакетами является AdAstrA МикроМРВ (в связке с AdAstrA TraceMode).
Также важным при использовании PC- совместимых контроллеров является выбор операционной системы реального времени (QNX, RTLinux, Wind River) или же операционной системы с поддержкой выполнения задач в реальном времени (Microsoft Windows NT Embedded, Microsoft Windows XP Embedded, Microsoft Windows CE).
Программируемые логические контроллеры
Использование ПЛК (программируемых логических контроллеров) оправдано в тех случаях, когда от системы требуется высочайшая надежность, производительность и отказоустойчивость. Каждый производитель ПЛК поставляет в комплекте вместе с изделием (или же за дополнительную плату) программное обеспечение для программирования контроллеров.
За редким исключением, перечень языков используемых при программировании ПЛК включает те же стандартные три языка (FBD, язык лестничной логики и структурированный текст), что и SoftLogic- системы.
Существует ряд контроллеров, использующих виртуальную машину ISaGRAF для выполнения программ. Использование этой технологии позволяет переносить программы с контроллеров одного типа (производителя) на другие, тоже поддерживающие ISaGRAF. Существует версия этой виртуальной машины и для PC-контроллеров, что позволяет незаметно для технологического процесса осуществлять перенос управления от ПЛК к PC.
Некоторые контроллеры в качестве программной платформы используют операционную систему Microsoft Windows CE, что значительно расширяет функциональность ПЛК и упрощает их интеграцию со SCADA-системами.
Взаимодействие компонентов
Как мы уже убедились, АСУ промышленного предприятия состоит из маленьких «кирпичиков», надежная связь между которыми позволяет решать поставленные перед системой задачи с максимальной эффективностью.
До недавнего времени для связи с контроллерами, модулями УСО (устройство связи с объектом) и «разумными» датчиками использовались преимущественно такие надежные и проверенные временем программные протоколы, как PROFIBUS,MODBUS, InterBus, P-Net, BitBus, AS Interface,CANopen, DeviceNet, HART Communication Protocol и др. При этом в качестве носителей информации использовались двухпроводные линии RS485, надежные и производительные каналы CANBUS или модулированные токовые сигналы.
Объединение системы на верхнем (офисном) уровне выполнялось и выполняется (за редким исключением) при помощи другого протокола — Ethernet. Многолетний опыт эксплуатации подтвердил его надежность и эффективность. В связи с этим несколько лет назад ведущие компании, занимающиеся производством промышленной электроники, занялись адаптацией данного протокола и связанной с ним инфраструктуры для использования в качестве полевой шины (field bus) — созданием стандарта Industrial Ethernet. На прошедшей в этом году в Ганновере выставке «Автоматизация производства» («Factory Automation») большинство компаний, занятых в этой отрасли, представляло контроллеры и модули, в которые уже включена поддержка нового протокола.
Но, несмотря на общую базу — стандарт Ethernet, перечень протоколов верхнего уровня так же велик, как и раньше — появились как адаптированные старые (PROFINet, ModBus-TCP), так и новые (SafeEthernet, Real-Time Ethernet и т. д.).Большинство из них основано на протоколе TCP/IP, что делает возможным их легкое подключение к уже существующему телекоммуникационному оборудованию, интеграцию полевых шин с IP-сетью предприятия.
Одновременно не следует забывать, что промышленные системы должны быть максимально защищены и надежны. Для этого ряд компаний вместе с устройствами, содержащими Industrial Ethernet интерфейс, представляли промышленные модули для организации VPN-туннелей, связующих основной и полевой сегменты сети. Такого рода защита сводит к минимуму возможность нарушения целостности передаваемых данных.
Все больше и больше чувствуется давление беспроводных технологий на традиционные кабельные сети. Системы, в которых используется передача данных посредством протоколов GPRS или 802.11, уже перестали быть экзотикой.
Так, сегодня мы можем наблюдать коренные изменения в области коммуникаций между компонентами промышленных автоматизированных систем.
Отображение информации — диспетчерские системы.
Один из ключевых узлов в функционировании АСУ ТП — диспетчерская. Информация о ходе технологических процессов должна предоставляться оператору наглядно и в режиме реального времени. Для крупных производственных предприятий объем информации о многочисленных технологических процессах просто колоссален. На главном экране должны отображаться громадные мнемосхемы, многочисленные сообщения, графики и т. д. Использование уже привычных мониторов, телевизоров, плазменных панелей и проекторов далеко не всегда приносит желаемый результат из-за существующих ограничений.
Потенциально возможно приобрести один или несколько плазменных или лучевых экранов и, приложив некоторые усилия, сопрячь их между собой. При этом усилия, затраченные на поиск и установку специализированного программного обеспечения, закупку и настройку оборудования совсем не оправдают достигнутой цели. В любом случае такое решение не даст целостного изображения. Другое решение — использование проекторов — также имеет ряд своих неудобств: длительное время выхода на рабочий режим, возможность перегрева лампы, высокая чувствительность к освещенности помещения.
Наша компания планирует на выставке «Нефть и газ — 2004» (25-28.10.2004 г., г. Киев) представить новое решение в этой области — проекционные видео кубы (rear projection videocube) компании EYEVIS, управляемые специализированными видеоконтроллерами того же производителя. Несколько кубов могут быть объединены в один экран без заметных границ, а в следующий момент времени, по воле оператора, на каждом кубе — своя картинка. Немного статистики: диагональ видимой области одного куба может составлять 61 см, а максимальное количество кубов в одном экране — 45. В конфигурации 9x5 диагональ всего экрана составляет 4,5 м. При таких размерах экрана качество изображения вблизи не хуже, чем на обычном мониторе.
Этим «чудом техники» управляет программный комплекс, обрабатывающий изображение, получаемое с рабочих мест, и распределяющий полученную картинку по видео кубам в соответствии с установленной в данный момент времени конфигурацией. Источники изображения — персональные компьютеры, видеокамеры, видеоплееры, CD- и DVD-проигрыватели.
На основе продукции компании EYEVIS внедрены системы диспетчерского управления и визуализации для таких известных компаний, как ОАО «Газпром», концерн Ruhrgas AG, крупнейшего телекоммуникационного провайдера Deutsche Telecom, автомобильного гиганта Volkswagen AG, одного из мировых лидеров по производству электроники Sony, гиганта фармакологической промышленности концерна Bayer AG, ведущей компании по производству телекоммуникационного оборудования Ericsson и многих других.
Специалисты компании «Сатурн® Дейта Интернешенл» накопили большой опыт разработки и внедрения программных комплексов для задач по автоматизации предприятий в различных отраслях промышленности.
Масштабы реализованных проектов и многоплановость решаемых при их реализации задач, а также многолетний опыт компании «Сатурн® Дейта Интернешенл» как национального оваропроизводителя в области высоконадежных технических решений для АСУ ТП характеризуют готовность к совместной реализации проектов интегрированных систем управления.