Понятие ИСПиУ. Ее место в системе автоматизации предприятия.

С развитием промышленности в конце XX века резко возросла потребность в высокоэффективных и высоконадежных автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Данная потребность обусловлена следующими факторами:

- возросшие требования к повышению качества технологического процесса;

- рост дефицита природных ресурсов;

- появление мощных, компактных, недорогих измерительных и управляющих устройств;

- повышение степени автоматизации производства и перераспределение функций между человеком и аппаратурой.

В настоящее время в России остро стоит вопрос замены устаревших автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУТП). Основными причинами, обуславливающими необходимость замены, являются следующие:

1) невозможность реализации на существующем оборудовании современных подходов к автоматизации, таких как использование компьютерных технологий, микропроцессорной техники и программных систем;

2) устаревшая элементная база существующих на предприятиях АСУТП, как правило, уже не выпускаемая промышленностью;

3) модернизация устаревших АСУТП стоит дороже их полной замены.

Однако, полная замена устаревших АСУТП и установка современных систем «с нуля» требует больших финансовых вложений. В связи с этим часто используется вариант установки относительно недорогих наращиваемых локальных систем, которые постепенно вытесняют старые.

Протекание любого технологического процесса (ТП) есть определенное алгоритмически заданное изменение параметров процесса во времени и пространстве. Следовательно, любой ТП должен сопровождаться информацией о последовательности изменений состояния процесса во времени и пространстве. Информация о ТП зарождается на уровне управления оборудованием и включает в себя:

- технологические параметры оборудования (положение исполнительных механизмов, скорость вращения шпинделей, и т.д.);

- показатели выпуска продукции;

- расход сырья, энергии, воды и т.д.

Управление производственным процессом выполняют АСУТП, нижний уровень которых занимается непосредственно управлением технологическими процессами и оборудованием, а верхний уровень представляет собой системы диспетчерского управления.

Современные АСУТП представляют собой аппаратно-программные комплексы, которые выполняют следующие основные функции:

- сбор информации от объекта управления;

- передача, преобразование и обработка информации;

- формирование управляющих команд и выполнение их на управляемом объекте.

Как известно, любое производство не может полностью обойтись без участия человека. В автоматизированной системе управления человек выполняет следующие основные функции:

- анализ текущего состояния производственного процесса;

- регулировка параметров производственного процесса;

- обработка нештатных, аварийных ситуаций.

Таким образом, возникают предпосылки для создания систем, позволяющих человеку легко наблюдать за поведением системы управления, а также влиять на ее работу. Человек-оператор должен быть обеспечен автоматизированным рабочим местом (АРМ), которое и позволит ему выполнять перечисленные выше функции.

В настоящее время для решения задачи разработки АРМ и реализации его функций применяются интегрированные системы проектирования и управления производственным процессом (ИСПиУ).

ИСПиУ – это программно-аппаратный комплекс, предназначенный для проектирования АСУТП и реализующий в разработанной АСУТП функции управления верхнего уровня.

Основная отличительная особенность ИСПиУ – совмещение в рамках одной системы функций проектирования АСУТП и функций, выполняемых самой АСУТП.

Требования к ИСПиУ:

1. универсальность (широкий спектр областей применения);

2. низкая стоимость;

3. возможность наращивания системы и объединения нескольких систем в одну;

4. удобство работы оператора (наглядность);

5. простота разработки и внедрения;

6. высокая степень ремонтопригодности и взаимозаменяемости элементов.

Примерная структура современного автоматизированного предприятия и место ИСПиУ в ней показано на рисунке 1.

Первый уровень, полевой уровень (уровень ввода-вывода), включает набор датчиков и исполнительных устройств, встраиваемых в конструктивные узлы технологического оборудования и предназначенных для сбора первичной информации и реализации исполнительных воздействий.

Современные интеллектуальные датчики выполняют, кроме процесса измерения, преобразования измеряемых сигналов в типовые аналоговые и цифровые значения, самодиагностику своей работы, дистанционную настройку диапазона измерения, первичную обработку измерительной информации, иногда еще ряд достаточно простых, типовых алгоритмов контроля и управления. Они имеют интерфейсы к стандартным/типовым полевым цифровым сетям, что делает их совместимыми с практически любыми современными средствами автоматизации, и позволяет информационно общаться с этими средствами и получать питание от блоков питания этих средств.

Второй уровень, уровень контроля и управления ТП (уровень непосредственное управления), служит для непосредственного автоматического управления технологическими процессами с помощью промышленных контроллеров и характеризуется следующими показателями:

- предельно высокой реактивностью режимов реального времени;

Рис.1. Структура автоматизированного предприятия.

- предельной надежностью (на уровне надежности основного оборудования);

- возможностью встраивания в основное оборудование;

- функциональной полнотой модулей УСО;

- возможностью автономной работы при отказах комплексов управления верхних уровней;

- возможностью функционирования в цеховых условиях.

В промышленные контроллеры загружаются программы и данные из ЭВМ третьего уровня, уставки, обеспечивающие координацию и управление агрегатом по критериям оптимальности управления технологическим процессом в целом, выполняется вывод на третий уровень управления служебной, диагностической и оперативной информации, т. е. данных о состоянии агрегата, технологического процесса.

Этот уровень управления реализуется, например, на промышленных контроллерах Apacs, DeltaV, Centum, Simatic и др.

Третий уровень, уровень диспетчерского управления ТП (SCADA-уровень ─ Supervisory Control and Data Acquisition - сбор данных и диспетчерское управление) или еще называют уровнем человеко-машинного интерфейса HMI/MMI (Human-Machine Interface / Man-Machine Interface), предназначен для отображения (или визуализации) данных в производственном процессе и оперативного комплексного управления различными агрегатами, в том числе и с участием диспетчерского персонала.

Этот уровень управления должен обеспечивать:

- диспетчерское наблюдение за технологическим процессом по его графическому отображению на экране в реальном масштабе времени;

- расчет и выбор законов управления, настроек и уставок, соответствующих заданным показателям качества управления и текущим (или прогнозным) параметрам объекта управления;

- оперативное сопровождение моделей объектов управления типа «агрегат», «технологический процесс», корректировку моделей по результатам обработки информации от второго уровня;

- синхронизацию и устойчивую работу систем типа «агрегат» для группового управления технологическим оборудованием;

- ведение единой базы данных технологического процесса;

- связь с четвертым уровнем.

Отвечая этим требованиям, ЭВМ на третьем уровне управления должны иметь достаточно высокую производительность как при решении задач в реальном масштабе времени, так и при обработке графической информации, обеспечивая работу в реальном времени с базами данных среднего объема и с расширенным набором интеллектуальных видеотерминалов.

Третий уровень управления реализуется на базе специализированных промышленных компьютеров, или в ряде случаев на базе персонального компьютера. Диспетчерский интерфейс реализуется SCADA-системами, например InTouch, iFix, Genesis32, WinCC и др.

Машины третьего уровня должны объединяться в однородную локальную сеть предприятия (типа Ethernet) с выходом на четвертый уровень управления.

Четвертый уровень, уровень управления производством MES (Manufacturing Execution System) - средства управления производством -характеризуется необходимостью решения задач оперативной упорядоченной обработки первичной информации из цеха и передачи этой информации на верхний уровень планирования ресурсов предприятия. Решение этих задач на данном уровне управления обеспечивает оптимизацию управления ресурсами цеха как единого организационно-технологического объекта по заданиям, поступающим с верхнего уровня, и при оперативном учете текущих параметров, определяющих состояние объекта управления. Решение этих задач возлагается обычно на серверы в локальных сетях предприятия.

Пятый уровень, уровень планирование ресурсов производства MRP (Manufacturing Resource Planning) и планирование ресурсов предприятия ERP (Enterprise Resource Planning).

Задачи, решаемые на этом уровне, в аспекте требований, предъявляемых к ЭВМ, отличаются главным образом повышенными требованиями к ресурсам (например, для ведения единой интегрированной - централизованной или распределенной, однородной или неоднородной - базы данных, планирования и диспетчирования на уровне предприятия в целом, автоматизации обработки информации в основных и вспомогательных административно-хозяйственных подразделениях предприятия: бухгалтерский учет, материально-техническое снабжение и т.п.). Обычно для решения задач данного уровня выбирают универсальные ЭВМ, а также многопроцессорные системы повышенной производительности.

Наиболее известные системы этого уровня предлагаются компаниями SAP, Oracle, BAAN и др.

Шестой уровень, уровень высшего менеджмента (OLAP-системы – On-Line Analytical Processing – оперативный анализ данных). Информационные системы масштаба предприятия, как правило, содержат приложения, предназначенные для комплексного многомерного анализа данных, их динамики, тенденций и т.п. Такой анализ в конечном итоге призван содействовать принятию решений. Нередко эти системы так и называются — системы поддержки принятия решений.

Системы поддержки принятия решений обычно обладают средствами предоставления пользователю агрегатных данных для различных выборок из исходного набора в удобном для восприятия и анализа виде. Как правило, такие агрегатные функции образуют многомерный (и, следовательно, нереляционный) набор данных (нередко называемый гиперкубом или метакубом), оси которого содержат параметры, а ячейки — зависящие от них агрегатные данные). Вдоль каждой оси данные могут быть организованы в виде иерархии, представляющей различные уровни их детализации. Благодаря такой модели данных пользователи могут формулировать сложные запросы, генерировать отчеты, получать подмножества данных.

Этот уровень управления должен обеспечивать следующие требования к приложениям для многомерного анализа:

· предоставление пользователю результатов анализа за приемлемое время (обычно не более 5 с), пусть даже ценой менее детального анализа;

· возможность осуществления любого логического и статистического анализа, характерного для данного приложения, и его сохранения в доступном для конечного пользователя виде;

· многопользовательский доступ к данным с поддержкой соответствующих механизмов блокировок и средств авторизованного доступа;

· многомерное концептуальное представление данных, включая полную поддержку для иерархий и множественных иерархий (это — ключевое требование OLAP);

· возможность обращаться к любой нужной информации независимо от ее объема и места хранения.

Следует отметить, что OLAP-функциональность может быть реализована различными способами, начиная с простейших средств анализа данных в офисных приложениях и заканчивая распределенными аналитическими системами, основанными на серверных продуктах.

Источником в OLAP-системах является сервер, поставляющий данные для анализа.

Наиболее известные системы этого уровня предлагаются компаниями Oracle, Arbor, MicroStrategy, Hyperion, Comshareи др.

Как показано на рисунке 1, все уровни автоматизированного предприятия являются связанными между собой при помощи различных аппаратных интерфейсов и соответствующих протоколов обмена данными. При этом на всех уровнях могут быть использованы как универсальные, так и специализированные протоколы. Место ИСПиУ в системе автоматизированного предприятия – верхний уровень АСУТП, осуществляющий управление цехами, участками производства. Однако интеграция отдельных АСУТП в единую систему позволяет говорить о комплексной автоматизации производства. При этом связь уровня АСУТП с уровнем АСУП дает возможность планировать всю деятельность предприятия в комплексе – от поставки сырья до реализации готовой продукции. На уровне высшего руководства деятельность всего предприятия представляется прозрачной.