Проблемы и пути развития интегрированных АСУ ТП Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК681.5

В последние годы многие крупные компании, такие как Siemens, Honeywell, Invensys и др. используют программное обеспечение для управления интегрированными АСУ ТП (ИАСУ ТП) с охватом подсистем всех уровней иерархии,- полевого, контроллерного, диспетчерского и административного. Таким образом, осуществляется взаимосвязь по общему критерию оптимизации производства MES-систем и ERP-систем. Ядром интеграции служит один или несколько серверов базы данных реального времени (БД РВ). К числу таких систем можно отнести PCS7 (Siemens), Profity Plant Application (GE Fanuc), Total Plant Solution (Honeywell), Factory Suite (Invensys), T-Factory (AdAstra Research Group) и др.

ИАСУ ТП находят широкое применение в различных отраслях промышленности - нефтеперерабатывающей, газовой, химической, металлургической, переработки минеральных удобрений и др.

Интеграция АСУ ТП подразумевает различные формы - информационную, функциональную, программную, техническую и организационную интеграции.

Информационная интеграция предполагает единые согласованные формы представления данных, массивы и протоколы обмена данными на всех уровнях иерархии ИАСУ ТП, единая база данных реального времени и пр. Функциональная интеграция подразумевает общую функциональную структуру с глобальным критерием эффективности ИАСУ ТП, а также возможность декомпозиции структуры и критерия эффективности для различных задач.

Программная интеграция - это открытость и совместимость программного обеспечения для различных подсистем и программно-технических комплексов. При этом, как встраиваемое (резидентное), так и программное обеспечение на внешних носителях должны соответствовать международным стандартам.

Техническая интеграция ИАСУ ТП - это открытость, т.е. соответствие международным стандартам, технических средств полевой автоматики, контроллеров, рабочих станций и др. компонентов ИАСУ ТП, дающих возможность обмена данными по промышленным сетям. Организационная интеграция предполагает согласованные инструкции и нормативы для оптимизации деятельности технического персонала ИАСУ ТП.

В состав многоуровневой структуры ИАСУ ТП входят общепромышленная MES-система и ERP-система. MES-система (Manufacturing Execution System - производственная исполнительная система) представляет собой

В.Г. Харазов1

ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ РАЗВИТИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ АСУ ТП

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет 190013, Санкт-Петербург, Московский пр-т, д. 26

Рассмотрены основные проблемы в работе интегрированных АСУ ТП,-возможные недостатки в проектировании и эксплуатации средств автоматизации на всех уровнях иерархии систем управления. Предложены различные меры по устранению недостатков и намечены пути развития ИАСУ ТП.

Ключевые слова: интеграция, ИАСУ ТП, средства автоматизации, MES- и ERP-системы, SCADA-системы, системы ПАЗ, LIMS-системы.

программно-техническое обеспечение, призванное повысить эффективность управления предприятием. За счет получения технологической информации о состоянии и ходе технологического процесса в реальном масштабе времени MES-система осуществляет обработку производственной информации, в том числе расчет экономических показателей, себестоимости продукции и др.

Функции MES-системы, определенные Международной ассоциацией производителей систем управления производством MESA (Manufacturing Enterprise Solution Association), следующие: контроль состояния и распределение ресурсов предприятия (управление оборудованием, материалами, персоналом, документацией и пр.); оперативное планирование (расчет производственных расписаний в зависимости от специфики изделий и технологии производства); диспетчеризация производства (управление производственным процессом изготовления продукции на всех этапах изготовления); управление документами (ведение плановой и отчетной цеховой документации, контроль прохождения документации по изготовлению продукции); сбор и хранение данных (получение, хранение и передача данных относительно производимой продукции); управление персоналом (обеспечение возможности управления персоналом); управление качеством продукции (обеспечение контроля качества продукции на основе данных измерения качества в реальном времени, выявление отклонений от заданного качества); управление производственными процессами (мониторинг производственного процесса, автоматическая или ручная корректировка хода процесса); управление техобслуживанием и ремонтом (управление обслуживанием оборудования, его плановым и оперативным ремонтом); отслеживание истории продукта (визуализация информации о месте и времени выполнения работ по каждому изделию, в том числе отчеты об исполнителях, комплектующих, материалах, условиях производства и пр.); анализ производительности (представление подробных отчетов о результатах производственных операций).

К полномасштабным MES-системам относятся Plant Information System, PCS7, Preactor, Plant2Business, "T-Factory 6", "Орбита", "CKAT", ФОБОС и ряд др.

Традиционно этому уровню иерархии соответствуют АСОДУ - автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления, АСОДУЭ - автоматизированные системы оперативно-диспетчерского управления энергоресурсами, EAM- системы (Enterprise Asset Management - Управление производственными фондами) и LIMS-

1 Харазов Виктор Григорьевич, д-р техн. наук, профессор, каф. автоматизации процессов химической промышленности, e-mail: [email protected]

Дата поступления - 6 ноября 2012 года

системы (Laboratory Information Management System -Система управления лабораторной информацией).

ERP-системы (Enterprise Resource Planning Systems - системы планирования ресурсов предприятия) предназначены для оптимизации бизнес-процессов, прогнозирования стратегии развития предприятия на основе анализа его финансовых, материальных и сырьевых ресурсов и представляют собой программно-аппаратный комплекс верхнего уровня иерархии.

Основные подсистемы для решения задач большинства ERP-систем следующие: подсистема «Финансы» (анализ финансовой деятельности предприятия, расчет с поставщиками, заказчиками, распределение затрат, финансовые планы и расчеты); подсистема «Управление производством» (планирование и управление заказами, планирование и моделирование производства, расчет потребности в сырье и материалах, управление обслуживанием и ремонтами, прогнозирование сбыта и др.); подсистема «Логистика» (управление полным циклом производства,- от получения сырья и материалов до производства и сбыта готовой продукции, а также гарантийного обслуживания); подсистема «Кадры» (управление персоналом, кадровый учет, аттестация и переподготовка кадров); управление запасами сырья и материалов, складского учета, управления транспортом и др.).

Следует отметить сближение и взаимодействие ERP- и MES-систем в вопросах формирования заказов, контроля состояния сырья, материалов и комплектующих на складах, согласования транспортных потоков, обработки на уровне ERP-системы информации, полученной в режиме реального времени от MES-системы.

Среди известных ERP- систем отметим зарубежные ERP-системы Protean, J.D. Edwards, MAX, R3, iRenais-sance, SAP/R3, BAAN, а также отечественные ERP-системы Галактика, Парус и др.

Несмотря на достигнутые успехи при проектировании и эксплуатации ИАСУ ТП в ряде отраслей промышленности, существуют проблемы дальнейшего развития и адаптации этих систем к нуждам различных производств. Эти проблемы возникают вследствие ряда недостатков, допущенных как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации ИАСУ ТП.

Недостатки проектирования заключаются в нежелании проектировщиков применять новые структурные схемы систем управления с необходимостью разработки новой документации взамен тиражирования ранее разработанных схем. К другим недостаткам можно отнести недостаточную квалификацию инженеров-проектировщиков, а также административное воздействие на них со стороны Заказчика в вопросах выбора средств и систем автоматизации. Зачастую на результат проектирования накладываются ошибки, связанные с несоблюдением ГОСТ и международных стандартов. Например, недопустимое совмещение функций систем контроля и управления с функциями систем ПАЗ, замена функций автоматического управления на ручные воздействия и др. Проектируемые системы иногда являются слабо масштабируемыми, что затрудняет их модернизацию. В целом наблюдается слабая постановка задачи проектирования ИАСУ ТП.

Недостатки эксплуатации ИАСУ ТП. Как известно, со временем качественные показатели работы ИАСУ ТП ухудшаются. Это вызвано в меньшей степени износом компонентов ИАСУ ТП. Срок службы, время наработки на отказ и др. показатели надежности допускают их длительную эксплуатацию. Основные причины ухудшения качественных показателей заключаются в нарушениях технологического регламента, состава сырья и др. материальных потоков, а также в ошибках, допускаемых в процессе эксплуатации системы. Это могут быть нарушения сроков поверки и ремонта, несоблюдение должност-

ных инструкций, ошибки обслуживающего персонала или его неподготовленность к выполнению этих инструкций. По словам профессора Ицковича Э.Л. процесс деградации АСУ ТП связан с недостаточно точным и стабильным поддержанием заданных режимов, увеличением материальных потерь и удельного расхода энергоресурсов, снижения качества продукции и увеличения числа нештатных ситуаций [1].

Проблемы, связанные с работоспособностью аппаратно-программных средств автоматизации на полевом и контроллерном уровнях иерархии системы управления, возникают по многим причинам. К ним относятся: несоответствие технических характеристик средств автоматизации их функциональному назначению, избыточность (или недостаточность) аппаратной платформы или вычислительных ресурсов, несовершенство алгоритмов контроля и управления, отсутствие необходимых мер и степеней защиты при работе в жестких производственных условиях, сертификатов и др. разрешительных документов и т.п. Однако вышеперечисленные проблемы носят межотраслевой характер и решаются в той или иной степени на промышленных предприятиях. На ряде предприятий отсутствуют высококвалифицированные кадры службы КИ-ПиА, способные быстро устранить ошибки в работе сложных программно-технических комплексов зарубежного производства, а использование системы удаленного технического обслуживания не всегда эффективно.

Проблемы проектирования и эксплуатации систем противоаварийной защиты (ПАЗ). Системы ПАЗ или системы безопасности для защиты технологических процессов в нефтяной, газовой, химической, нефтехимической и др. отраслей промышленности должны удовлетворять требованиям ГОСТ и международных стандартов. К их числу относятся:

- ГОСТ Р. МЭК 61508-2007 «Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью»;

- 1ЕС 61511 (стандарт безопасности технологических процессов, принятый в дополнение к стандарту 61508);

- ПБ 09-540-03 «Общие правила взрывобезопас-ности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производств».

Правила регламентируют независимость функционирования систем ПАЗ от систем управления, устанавливают требования резервирования и диагностики системы и др.

При этом ряд российских компаний на основе этих документов разрабатывают отраслевые стандарты по функционированию систем ПАЗ.

В систему ПАЗ входят датчики, барьеры искроза-щиты, реле, ПЛК, исполнительные механизмы, выделенные линии связи, ИБП, системы заземления, вентиляции и др. Задача системы ПАЗ заключается в переводе технологического процесса или оборудования в безопасное состояние с помощью алгоритмов блокировки, пуска/останова процесса или переключения на резервное оборудование. Также в задачи системы ПАЗ входят прогнозирование аварийных или предаварийных ситуаций, непрерывная диагностика каналов ввода/вывода, линий связи и исполнительных механизмов.

К числу диагностических процедур можно отнести следующие: проверка выполнения процессорами математических и логических функций; контроль целостности линий связи модулей ввода/вывода с полевыми устройствами; диагностика обрыва и короткого замыкания линий связи; контроль целостности передаваемых по сети сообщений; дублированная передача адреса получателя и текста сообщений; двукратное выполнение процессором полевого устройства приложения, сравнение результатов

и пересылка в базовый контроллер для проведения диагностики и голосования результатов.

В системах ПАЗ используются резервированные контроллеры с троированием модулей ввода/вывода, процессоров, системной шины и мажоритарным голосованием. При этом основные требования, предъявляемые к контроллерам,- отказоустойчивость, надежность и диагностика всех узлов системы.

В структуре интегрированных РСУ присутствуют специализированные ПЛК для ПАЗ и защитных блокировок.

Примером системы ПАЗ может служить система Triconex компании Invensys. В РСУ 800xA System компании ABB это ПЛК PM 865 High Integrity с функцией диагностики [2].

Корпорация Honeywell для ПАЗ в РСУ Experion PKS выпускает контроллер Safety Manager (взамен ПЛК FSC) с функциями самодиагностики и резервированными модулями ввода/вывода. Данный ПЛК обеспечивает 3-й уровень безопасности SIL3 (Safety Integrity Level) в диапазоне от минимального SIL1 до максимального SIL4. Функция самодиагностики контроллера при обнаружении отказа в системе с помощью сторожевого таймера обесточивает выходы и переводит оборудование в безопасное состояние.

Компания Yokogawa предлагает систему ПАЗ на базе комплекса ProSafe-RS, сертифицированную по стандартам МЭК 61508 и МЭК 61511. В состав системы ProSafe-RS входят контроллер безопасности SCS, инженерная станция системы безопасности SENG и шина управления Vnet/IP, интегрированные в РСУ CENTUM VP/CENTUM CS 3000. Процессорный модуль контроллера и модули ввода/вывода имеют функцию самодиагностики. Система ProSafe-RS сертифицирована до уровня безопасности SIL3.

В РСУ Simatic PCS7 вер. 8.0 при построении малых ИАСУ используется контроллер ПАЗ типа AS412-xH(F), сертифицированный до уровня SIL3.

Компанией Emerson предложена модульная архитектура системы ПАЗ DeltaV SIS (Safety Instrumented System - инструментальная система безопасности) с разграничением контуров безопасности SIF (Safety Instrumented Function), в каждом из которых имеется 16-ти канальный логический вычислитель SLS 1508, сертифицированный до уровня безопасности SIL3. Система DeltaV SIS интегрирована с РСУ DeltaV в части использования общих рабочих станций, общего журнала регистрации событий, общих систем конфигурирования, управления и эксплуатации, общей среды разработки ПО и др.

Не менее сложными представляются проблемы, возникающие при внедрении и эксплуатации MES- и ERP-систем.

Рассмотрим проблемы эксплуатации MES-систем, которые заключаются в следующем:

- информация, поступающая с диспетчерского уровня от SCADA-систем и др. носителей информации (ПЛК, анализаторов, измерителей и др.), призванная наиболее полно представить текущее состояние производства, может быть как неполной, так и излишней, а иногда и малообъективной или искаженной;

- эффективность управления производством зависит от своевременного принятия решений оператором при анализе поступающей информации. Однако промежуток времени от момента изменения параметров процесса до их фиксации может быть недопустимо большой. Как правило, это связано с тем, что мало используются поточные анализаторы качества, зачастую ввод корректирующих данных осуществляется вручную, не используются алгоритмы экспресс обработки и представления данных, а также отсутствуют в MES- структуре LIMS - системы (La-

boratory Information Management System - система управления лабораторной информацией).

- входящая в состав MES-системы АСОДУЭ (Автоматизированная система оперативно-диспетчерского

управления энергоресурсами), призванная повысить эффективность управления производством за счет обнаружения и компенсации потерь электро- и тепловой энергии на различных участках и переделах производства, а также на энергоемких агрегатах, учета потребляемой энергии и диагностики работы всей системы энергоучета (электро- и теплосчетчики, корректоры, системы приема и обработки данных и т.п.), а также за счет диагностики состояния и величины потерь в трубопроводах воды, пара или газов, работает неэффективно.

Проблемы ERP-систем. Как известно, ERP-система представляет сложный, многофункциональный и обширный программно-технический комплекс, использующий единое программное обеспечение для всей системы управления предприятием. ERP-система состоит из модуля управления информационными потоками, программного обеспечения, включая БД и СУБД, а также организационного обеспечения (оперативного персонала). В основе системы лежит принцип создания единого хранилища данных, содержащих всю необходимую бизнес-информацию с системой ограничения доступа.

ERP-система требует длительной настройки всех параметров и пространства кодов системы с привязкой (адаптацией) к определенной сфере производства или отрасли промышленности. Внедрение ERP-системы занимает длительный промежуток времени и не всегда удовлетворяет пользователя.

При анализе причин неэффективного использования ERP-систем необходимо учитывать следующие факторы:

- низкое быстродействие ERP-систем, связанное с тем, что система не обновлялась или устарела и не выполняет первоначально заданные функции; для сохранения данных при внесении изменений (в период транзакций) отдельные таблицы блокируются, что снижает быстродействие системы; низкое быстродействие ERP-системы может быть из-за низкой скорости сети при неправильно выбранной топологии сети, сетевого оборудования или недостаточного объема памяти.

- сложность интеграции ERP-систем с приложениями третьих фирм, например с Интернет-приложениями; проблемы совместимости с прежними версиями ERP-систем.

- ограниченные возможности анализа и обработки информации и связанная с этим слабая поддержка принципов принятия решений.

- проектирование, выбор или модернизация ERP-систем ввиду их сложности требует специалистов высокой квалификации. Как результат вышеперечисленных причин возникают проблемы внедрения ERP-систем.

Решения по повышению эффективности интегрированных систем управления. Рекомендации касаются средств автоматизации как нижних уровней иерархии (полевого и контроллерного), так и уровня MES- и ERP-систем. Ряд рекомендаций, относящихся к оперативному персоналу, являются общими и касаются средств автоматизации любого уровня иерархии системы [3]:

- повышение квалификации операторов-

технологов и др. обслуживающего персонала АСУ ТП; использование тренажеров с моделированием предава-рийных и аварийных ситуаций; ознакомление с правилами эксплуатации новой техники и т.д.;

- постоянный контроль состояния и качества работы оборудования; соблюдение сроков текущего и капитального ремонтов; анализ эффективности работы АСУ ТП;

- диагностика и контроль качества работы средств автоматизации (датчиков, регуляторов, исполнительных механизмов, сетевого оборудования, рабочих станций и др.);

- соблюдение сроков поверки и ремонта средств автоматизации; использование системы дистанционного обслуживания с использованием Web-технологии;

- использование вместо систем ручного ввода и корректировки параметров поточных анализаторов качества, повышающих быстродействие систем управления;

- применение более совершенных алгоритмов

управления,- адаптивных, нейросетевых, нечеткого

управления, прогнозирующих и др.;

- соблюдение ГОСТов, руководящих материалов и рекомендаций при проектировании, монтаже, наладке и эксплуатации ИАСУ ТП, в том числе в части систем ПАЗ;

- для повышения быстродействия ЕкР-систем при выборе сетевой топологии систем верхнего уровня рекомендуется использовать сетевое оборудование одного производителя, повысить мощность серверов (увеличить объем оперативной и дисковой памяти, быстродействие и др.), изменить структуру данных и настройки СУБД;

- шире использовать аутсорсинг и консалтинговые услуги для повышения качества и эффективности ИАСУ ТП.

Таким образом, эффективность работы ИАСУ ТП зависит от многих факторов, - правильного выбора программно-технических средств, соблюдения в период монтажа, наладки и эксплуатации нормативных документов, инструкций и рекомендаций, организации работы оперативного персонала и др.

Развитие ИАСУ ТП зарубежных компаний идет по следующим путям:

- повышение надежности программноаппаратных средств и распределенных систем управления в целом. Это достигается двух- и четырехкратным резервированием процессоров и блоков управления, резервированием промышленных сетей и сетевого оборудования, использованием концепции «горячего» резервирования модулей ПЛК и промышленных компьютеров, резервированием плат с контролем достоверности сигналов голосованием «два из трех» и др.;

- дистанционное техническое обслуживание распределенной системы управления путем подключения обслуживаемой системы по сети к системе сервисного обслуживания фирмы - производителя;

- структурирование системы управления от полевого до верхнего уровня иерархии системы собственными компонентами фирмы - производителя; этим достигается однородность, масштабируемость и надежность системы, а также удобство обслуживания и ремонта;

- строгое соответствие программно-аппаратных средств систем управления международным стандартам, соблюдение принципов открытости основных компонентов систем управления, своевременное обновление программного обеспечения;

- применение новых принципов при построении

систем управления: автоматической самодиагностики

средств автоматизации, совмещение функций управления и отображения параметров системе в одной управляющей (процессовой) рабочей станции, использование современных алгоритмов управления (адаптивных, нечеткой логики, нейросетевых, ситуационных, прогнозирующих, генетических и др.);

- использование модульной архитектуры системы ПАЗ с логическими контроллерами для каждого контура безопасности системы ПАЗ;

- применение беспроводных технологий передачи сигналов от полевых устройств к базовому контроллеру и др.;

- более широкое использование экспертных оценок проектных решений и аутсорсинга.

В целом динамичное развитие распределенных систем управления в России и за рубежом направлено на повышение основных показателей в работе ИАСУ ТП, -эффективности, надежности, точности, быстродействия и экономичности.

Заключение

1. Интегрированные АСУ ТП используют различные формы интеграции,- информационную, функциональную, программную, техническую и организационную.

2. В настоящее время широкое применение находят общепромышленные MES-системы, в том числе АСОДУЭ, призванные повысить эффективность производственного процесса, а также ERP-системы, определяющие стратегию развития предприятия.

3. Основными проблемами повышения эффективности интегрированных АСУ ТП являются проблемы, связанные с работоспособностью аппаратнопрограммных средств автоматизации на полевом и контроллерном уровнях иерархии системы управления. К проблемам использования MES- и ERP-систем относятся проблемы проектирования и эксплуатации этих систем, а также систем ПАЗ.

4. Повышение эффективности интегрированных систем управления заключается в повышении квалификации операторов-технологов, постоянном контроле состояния оборудования и систем управления, диагностике АСУ ТП, применении совершенных систем и алгоритмов управления, в том числе адаптивных и систем усовершенствованного управления технологическим процессом (APC - Advanced Process Control), использовании экспертной оценки проектных решений в области АСУ ТП и аутсорсинга.

Литература

1. Ицкович Э.Л. Типичные недостатки внедрения и эксплуатации АСУ ТП // Автоматизация в промышленности. 2012. №1. С. 5-8

2. Кирюшин П.Н. Системы Тпсопех для противо-аварийной защиты и управления ответственными агрегатами // Автоматизация в промышленности. 2012. № 6. С. 3-9

3. Анашкин А.С., Кадыров Э.Д., Харазов В.Г. Техническое и программное обеспечение распределенных систем управления. СПб.: «П-2», 2004. 368 с.