Анализ архитектуры и структуры автоматизированной системы управления

  По  архитектуре   построения MES-система – это иерархическая многоуровневая  многопользовательская клиент-серверная система, связанная с ERP-системой [4]. MES-система ориентирована на решение следующих задач управления производством:

1.  Сбор  фактических данных с линий,  агрегатов, машин, аппаратов и  другого технологического оборудования  в режиме реального времени  на всей цепочке производства  продукции. 

2.  Обработка  получаемых в режиме реального  времени данных о производственных процессах.

3.  Выработка  в режиме реального времени  управляющих и корректирующих  воздействий  на  технологическое  оборудование,  извещение персонала о необходимости принятия решений.

Данные задачи используются для решения стратегических задач управления  производством:  управление  сроками  поставки  готовой продукции, качеством производимой продукции; оптимизация производственных  задач,  т.е.  повышение  конкурентных  качеств  произведенной продукции на рынке.

Решение первой задачи обеспечивает: получение информации о запланированных производственных показателях – качестве продукции,  производительности,  себестоимости;  минимизация  влияния субъективного  фактора  при  выполнении  рутинных  операций,  задач учета и контроля. Решение второй задачи обеспечивает: контроль характеристик  технологических  операций;  мониторинг  перемещения сырья, материалов и готовой продукции на складах. Решение третьей задачи обеспечивает: оперативное планирование производства с учетом  сложившейся  ситуации;  оптимизацию  выполнения  производственных заданий с учетом принятых критериев; выработку необходимых  технологических  инструкций  эксплуатации  оборудования  для достижения поставленных целей; выработку информационных сообщений оператору для принятия оперативных решений.

Интегрированная  информационная  система  предприятия  имеет три уровня (Рис.1.2): ERP-системы, MES-системы и SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition – АСУ  ТП – автоматизированная система управления технологическими процессами). Система ERP – для  автоматизированного  управления  административно-финансовой и  административно-хозяйственной  деятельностью  предприятия.  Ее основное  назначение – стратегические  задачи  управления  предприятия в целом. Характерными примерами ERP-систем являются системы R/3 (SAP), BAAN V (BAAN), Oracle Application (Oracle Corporation), MFG/PRO (QAD), People Soft (People Soft Inc/), One-World (J.D.Edvards), BPCS (System Software Associates), Syteline (Symix Systems).  В  данных ERP-системах  автоматизации  подлежат  наиболее легко  автоматизируемые  процессы:  документооборот,  учет  и  управление персоналом, финансовая отчетность и т.п. Задачи технологического  плана – проектирование  технологии,  оснастки,  инструмента, цеховое  планирование,  расчеты  объектов  проектирования  и  др. – в настоящее  время  решены  слабо  в  рамках  указанных  СУ.  Стратегия ERP-систем – это стратегия управления информационными потоками компьютеризированного  ЖЦИ.  Поэтому  систему ERP необходимо рассматривать  как  систему  автоматизации  тех  функций,  которые имеются в CALS.

MES-система  – это система управления производством  продукции. Ее основное назначение  – оперативное планирование / перепланирование,  оптимизация  производственных  графиков,  оперативное управление  процессом  производства,  управление  сроками  поставок, качеством в реальном масштабе времени. Имея оперативные данные, MES-системы  активно  взаимодействуют  с ERP-системами.  Для  решения  задач  оперативного  планирования  в MES-системах  строится динамическая компьютерная модель производства. Эта модель реализует непрерывное имитационное моделирование материальных потоков  внутри  цеха  в  соответствии  с  технологическими  маршрутами.

Производственное  расписание  наглядно  описывается  диаграммой Ганта [5], где каждой операции ставится в соответствие отрезок прямой, длина которого пропорциональна ее длительности. Эти отрезки, называемые  линиями Ганта,  располагаются напротив  инвентарных номеров основного технологического оборудования в последовательности,  соответствующей производственному расписанию.  Встроенный механизм диспетчеризации производства обеспечивает доставку и ввод информации о совершаемых действиях, происходящих событиях и отклонениях от составленного оперативного плана. Производственное  расписание  поддерживается  в оптимальном состоянии за счет непрерывной компенсации отклонений методом коррекции или полного перерасчета.

  Применяемый   в MES-системах  аппарат  расчета   производственных  расписаний  позволяет   учесть  взаимосвязь  всех  элементов оперативного плана,  обеспечить выбор альтернативных  технологических маршрутов и  адаптивный режим управления  материальными потоками. 

 В части,  касающейся управления производственными  процессами, MES-системы отличаются  от ERP тем, что в MES расчет производственных  расписаний строится на основе  множества критериев. В системах ERP планирование, как правило, осуществляется  по одному критерию.  В  MES-системе «ФОБОС» (Россия)  таких  критериев 14 (например, максимальный коэффициент загрузки, минимальное число  используемых  станков,  равномерная  загруженность  станков,  минимальное число переналадок, минимальная мощность грузопотока и др.). В системе Preactor (Великобритания) таких критериев 8. Минимально  возможное число критериев,  отличающее MES-систему от систем  других  типов,  два.  Различные комбинации  критериев позволяют рассчитывать  десятки вариантов производственного расписания, использовать их как средство моделирования производственных процессов и выбирать наиболее эффективный сценарий выполнения текущего плана.

  Основными   областями  применения SCADA-систем  являются: производство, управление  передачей и распределением электроэнергии;  промышленное  производство;  водозабор,  водоочистка  и  водораспределение;  добыча,  транспортировка и распределение нефти и

газа; управление космическими объектами; управление на различных видах транспорта; телекоммуникации; военная область.

Четкой границы  между автоматизированными системами  управления предприятием (MES-системами) и АСУ ТП (SCADA-системами)  нет.  Имеется  их  перекрывание  в  силу  взаимной  неразрывности  выполняемых функций (Рис.1.3). Объем  и степень доступа к технологической  информации  зависят  от  типа  программного  обеспечения, используемого  в управленческих структурах предприятия, категории сотрудников-потребителей  данной  информации. SCADA-системы решают следующие задачи: визуализация технологического процесса; сбор данных с различных  источников измерительной информации по протоколам DDE (Dynamic Data Exchange), OPC (OLE for Process Control) и фирменным протоколам; поддержка языка SQL для создания, удаления, чтения, записи, модификации информации в таблицах БД. В SCADA – системах принципиальной важной является работа в реальном масштабе времени.

 Выделяются  следующие  способы  интеграции  подсистем  уровней MES и SCADA: использование БД, в том числе в качестве буфера между различными  подсистемами,  что позволяет обеспечивать  оперативный обмен данными между подсистемами; применение класса продуктов, главным назначением которых является импортирование объектов из одной подсистемы и экспортирование их в другую подсистему; использование готовых решений для предприятий.

  От SCADA-систем  требуется выполнение следующих  функций: 

сбор данных от программируемых логических контроллеров (ПЛК);

первичная  обработка  данных  о  технологических  процессах; 

архивация данных;

представление мнемосхем объекта в статике  и динамике;

представление графиков (трендов) измеряемых величин;

 сообщения  о неисправностях и авариях;  печать протоколов и отчетов;

ввод в  систему управления команд операторов;

связь с другими  автоматизированными рабочими местами (АРМ) операторов;

решение прикладных задач на основе текущих измерительных  данных.

 К SCADA-системам  предъявляются следующие основные  требования: надежность системы  (технологическая  и  функциональная);  безопасность  управления; точность  обработки  и  представления   данных;  простота  расширения  системы. 

  Существует  два типа управления объектами  в SCADA: автоматическое  и  инициируемое  оператором.  Все  современные  SCADA-системы включают три основных  структурных компонента (Рис.1.4).

Первый  элемент  – Remote Terminal Unit (RTU – удаленный терминал), осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени. К RTU относятся аппаратные средства от датчиков, осуществляющих  съем  измерительной информации  от  объекта,  до специализированных  многопроцессорных отказоустойчивых  вычислительных  комплексов,  осуществляющих  обработку информации  и

управление  в режиме жесткого реального времени. Конкретная реализация  определяется  конкретным  применением.  Второй  элемент – Master Terminal Unit (MTU – диспетчерский пункт управления), Master Station (MS – главный терминал),  осуществляющий  обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме «мягкого» (квази- ) реального времени. Одна из основных функций MS – обеспечение человеко-машинного интерфейса (HMI). В зависимости от конкретной системы MTU может быть реализован от одиночного компьютера с дополнительными устройствами подключения к каналам связи до больших вычислительных систем (мэйнфреймов) и/или объединенных в локальную сеть рабочих станций и серверов. Третий элемент SCADA – это Communication System (CS – коммуникационная система или каналы связи), необходимая для передачи данных от удаленных точек (объектов, терминалов) на центральный интерфейс оператора-диспетчера и передачи сигналов управления на RTU.     

 Прогресс  в  области  информационных  технологий  обусловил развитие  всех трех основных структурных  компонентов систем АСУ ТП: RTU, MTU, CS, что  позволило  значительно   увеличить  их  возможности  (Рис.1.5).  Так,  число  контролируемых  удаленных  точек  в современной SCADA-системе может превышать 100000.

Основная  тенденция  развития  технических  средств  АСУ  ТП (аппаратных и  программных) – их миграция в сторону  открытых систем. Открытая архитектура  позволяет независимо от специфики  производственных процессов выбирать совместимые компоненты от различных  производителей,  в  результате  чего  расширяются  функциональные возможности SCADA, снижается их стоимость и облегчается их эксплуатация.

Общий анализ SCADA-систем позволяет сформулировать некоторые их  характерные особенности [6]: автоматизированная  разработка рабочих мест операторов, дающая возможность создания программного  обеспечения системы автоматизации без использования стандартных языков программирования высокого или низкого уровня; средства сбора информации от устройств нижнего уровня автоматизации – удаленных RTU; средства управления и регистрации сигналов об аварийных ситуациях; средства архивирования и хранения измерительной информации с возможностью ее последующей обработки;  средства  обработки  первичной  измерительной  информации; средства  визуализации  текущей  исторической  информации  в  виде таблиц,  графиков,  гистограмм,  динамизированных  мнемосхем,  анимационных изображений (Рис.1.6); печать отчетов и протоколов произвольной формы в заданные моменты времени; ввод и передача команд и сообщений оператора в ПЛК и другие устройства системы.

Большинство SCADA-систем  реализовано на MS Windows платформах. Такие системы предлагают наиболее полные и легко наращиваемые HMI-средства. Многие фирмы-разработчики, например, United States DATA Co., приоритетным считают дальнейшее развитие SCADA-систем на платформе Windows NT. Все более очевидным становится  применение  операционных  систем  реального времени (ОСРВ), в основном, во встраиваемых системах.

Одной из основных характеристик современных систем автоматизации является их высокая  степень интеграции. В любой из них могут быть задействованы  объекты управления, исполнительные механизмы, регистрирующая и обрабатывающая информацию аппаратура, АРМ операторов, серверы БД и т.д. SCADA-система  должна обеспечивать  высокий уровень сетевого  сервиса.  Для  эффективного  функционирования  в  этой  разнородной  среде SCADA-система должна поддерживать  работу  в стандартных сетевых средах (ETHERNET, ARCNET  и т.п.)  с использованием  стандартных протоколов   (NETBIOS, TCP/IP и т.п.), а также обеспечивать поддержку наиболее популярных сетевых стандартов из класса промышленных интерфейсов и протоколов (HART, Modbus on TCP/IP, Profibus, Canbus, LON и др.). Обобщенная схема подобной АСУ ТП показана на Рис.1.7. 

Большинство SCADA-систем (см.  табл.1.1)  имеют  встроенные языки  высокого  уровня – подобные VBasic, позволяющие реализовать в системе управления адекватную реакцию на события, связанные с изменением  значения  переменной,  выполнением некоторого логического условия, с нажатием комбинации клавиш, а также с выполнением некоторого фрагмента с заданной частотой относительно всего приложения  или отдельной экранной  формы.  В  современных версиях SCADA-систем  используются  два  подхода [6]: ориентация встроенных языков программирования на технологов (функции в таких  языках  являются  высокоуровневыми,  не  требующими  профессиональных навыков программирования при их использовании); ориентация на системного интегратора (в этом случае в качестве языков программирования чаще всего используются VBasic – подобные языки).  В каждом  языке допускается расширение  набора  функций.  В языках, ориентированных на технологов, это расширение достигается с помощью дополнительных инструментальных средств (Toolkits). Во всех языках функции разделяются на группы: математические функции, функции работы со строками, обмен по SQL, DDE – обмен и т.д. 

В разрабатываемом  приложении создаются программные  фрагменты, выполняющие некоторую  последовательность действий, связываются  с  разнообразными  событиями  в  приложении,  такими  как  нажатие кнопки, открытие окна, выполнение логического условия и т.п. Каждое событие ассоциируется с графическим  объектом, окном, таймером, открытием/закрытием  приложения.