Анализ архитектуры и структуры автоматизированной системы управления

1 Анализ архитектуры и структуры  автоматизированной системы управления

1.1 Концепция CALS- технологии

Современный уровень развития техники и технологий характеризуется следующими тенденциями:

• повышения сложности и ресурсоемкости  разработок;
• развития  кооперации  участников
• разработок, производства,
• эксплуатации объектов; 
• роста конкуренции на рынке.

В  связи  с  этим  масштабную  международную  поддержку  получила идеология  современного  производства  под  названием CALS-технологий. Концепция CALS (Computer – aided Acquisition and Logistic Support – автоматизированная система закупок и материально-технического  обеспечения) – это концепция информационной  поддержки жизненного цикла изделий [1]. Сегодня CALS – технологии – это территориально  распределенная  система информационной  поддержки жизненного цикла сложного наукоемкого изделия (Continuous Acquisition and Life cycle Support) – от идеи создания, проектирования, изготовления до контрактных поставок, эксплуатации и утилизации. Данная концепция приобретает все большее значение не как локальный  проект,  а  как  идеология  функционирования  современного предприятия.

Перечень  задач, которые необходимо решать при  разработке и внедрении CALS-проектов,  представляет  собой  комплексную  программу, так как CALS-проект означает реинжиниринг и интеграцию всей производственной и управленческой структуры предприятия  или организации в целях создания управляемого информационного пространства, где весь жизненный цикл изделия (ЖЦИ) был бы прозрачным с точки  зрения информации [2].

Изначально  цель создания CALS заключалась в том, чтобы автоматизировать  техническую  информацию  и  чертежи,  имеющие  отношение к военному оборудованию, и разработать средства их распределения и передачи, используемые в промышленности США [3]. 

В  комплекс  нормативно-технической  документации,  регламентирующей  способы  передачи  информации  в  системе CALS, входят следующие типы стандартов: функциональные, которые определяют форматы и  типы публикаций, исходя из требований заказчика; технические,  определяющие  правила  технического  обмена  данными; управления  данными,  включающие  определение  составных  частей данных и их взаимосвязь.

 Данные  стандарты включают правила доступа к базам данных (БД), методы защиты этих БД и правила безопасности.  Перечень  стандартов  на  цифровую  передачу  текстовой  и графической  информации  по  системе CALS включает  следующие стандарты:

1.  MIL-STD-1840A «Автоматическая передача технической  информации». Данный стандарт  определяет правила организации  файлов текстовой и графической  информации и иллюстраций для  представления этой информации  в растровом формате. 

2.  MIL-STD-1388-2A/2B  «Анализ  возможностей  материально-технического  обеспечения/документирования». Этот  стандарт содержит описание задач,  решаемых в процессе анализа  возможностей материально-технического  обеспечения.  Стандарт MIL-STD-1388-2A определяет  методы  передачи информации  об  анализе  возможностей материально-технического  обеспечения,  а  стандарт MIL-STD-1388-2B – структуру однородных баз  данных по документации и анализу  материально-технического обеспечения. 

3.  MIL-D-28000  «Цифровые  представления   передаваемых  данных  о  продукции».  Стандарт  определяет  подгруппу   начальных  технических условий  специального назначения по обмену  графическими данными, которые  представляются  с помощью двух-  и трехмерной графики.  Технические условия (ТУ)  определяют  форматы данных, обеспечивающие цифровой обмен информацией между разнородными  системами автоматического  проектирования,  системами  автоматизации инженерного труда и архивами технических данных. 

4.  MIL-M-28001A «Требования к пометкам и ТУ  на тип текста при его передаче  и вводе». Стандарт регламентирует  требования к автоматическому  электронному изданию технических  руководств и инструкций.  Он  определяет  общие  правила   применения  обобщенного языка  маркировки, который содержит набор  меток для использования в  любой технической публикации. 

5.  MIL-R-28002 «Представление растровой графики  в двоичной форме». Эти ТУ разработаны  промышленностью для Управления  по технической политике в  области применения CALS (США) для  электронного  обмена  растровой   графикой  и  для  накопления  и  выборки технической документации. Они определяют два класса  реализации, соответствующих документам  рабочей группы 4-го Международного  консультативного комитета по  телеграфии. Растровые файлы типа I позволяют  изображению  любого  размера  иметь  его  сжатый  растр  в единственном файле.  Растровый файл типа II имеет растр,  разбиваемый на квадраты или окна, которые затем сжимаются по отдельности.

6.  MIL-D-28008 «Применяемые процедуры при передаче  иллюстраций с использованием  метафайлов машинной графики». Данный  стандарт определяет применяемые  процедуры с использованием метафайлов  машинной  графики  для  передачи  двумерных  чертежей.

Процедуры обращаются к одному из нескольких классов соответствующих  метафайлов,  основному  генератору  метафайла  и  к  двум уровням  основных интерпретаторов метафайла.

7.  GOSIP «Схема  взаимодействия открытых правительственных  систем». Эти ТУ определяют  обязательный набор протоколов  связи, которые  используются  всеми  новыми  федеральными  вычислительными системами после  1990 г. При разработке ТУ были  использованы  международные   стандарты  менеджмента  качества  серии ISO на открытые системы. 

8.  PDES «Обмен  данными о продукции». Этот стандарт является  совместной  разработкой  министерства  обороны  и  министерства торговли США. Он определяет способы передачи спецификаций или моделей изделия, имеющих достаточное количество информации, которая может быть включена в прикладные программы систем автоматического  проектирования (системы  автоматизации  инженерного труда) и системы автоматического производства. Информация включает  большое  количество  геометрических  и  негеометрических  данных, сведения о допусках, свойствах материала и чистоте обработки.

9.  STEP «Обмен  данными о модели изделия». Международная  версия  стандарта PDES, разработанная   для  всестороннего  представления  и обмена данных об изделии.  Стандарт разработан подкомитетом  №4  технического  комитета 184-й   Международной  организации по  стандартизации ISO. Первая  редакция  проекта  стандарта  была  опубликована в 1991 г. 

10.  POSIX  «Интерфейс UNIX мобильной  операционной  системы». Стандарт POSIX представляет  серию взаимосвязанных стандартов  на операционную систему и  вычислительные средства, которые  обеспечивают  мобильность  программ  на  уровне  исходных  текстов. 

Другие  стандарты  этой  серии  описывают  языки  программирования Ada и FORTRAN, устанавливают правила и синтаксис услуг операционной системы UNIX. 

11.  CITIS  «Объединенная  служба  технической   информации подрядчиков». Эта информационная  служба, которую Министерство обороны  США  закупило  для  обеспечения  доступа  к  генеральным подрядчикам-держателям баз данных (БД) с информацией о системах оружия. Она обеспечивает доступ к технической информации, подготовленной в соответствии с определенными требованиями пользователей министерства обороны США.

  Реализация  более развитой концепции CALS предполагает  создание  единого  информационного   пространства  для  всех  участников  ЖЦИ с использованием системы управления данными об изделии – PDM (Product Data Management).

Основными функциями PDM – системы являются [3]:

1.  Управление  хранением данных и документов. Все данные и документы   в PDM-системе  хранятся  в   специальной  подсистеме –  хранилище данных, которая обеспечивает  их целостность, организует доступ  к ним в соответствии с правами  доступа и позволяет осуществлять  поиск электронных данных.

2.  Управление  процессами. PDM-система отслеживает  все операции пользователей с  данными, управляет потоком работ,  протоколирует действия пользователей  и изменения данных.

3.  Управление  составом  изделия. PDM-система   содержит  информацию о составе  изделия, его исполнениях и  конфигурациях. Изделия имеют  различные представления в различных  предметных областях:  конструкторский   состав,  технологический  состав,  маркетинговый состав и т.д., а  также управление применением  изделия правилами его комплектации.

4.  Классификация. PDM-система  позволяет  производить   распределение изделий и документов  в соответствии с различными  классификаторами. Это может быть  использовано при автоматизации  поиска изделий  нужными характеристиками  с целью их повторного использования  или для автоматизации присваивания  обозначений компонентами изделия. 

5.  Календарное  планирование. PDM-система содержит  функции формирования календарного  плана работ, распределения   ресурсов по отдельным задачам  и контроля выполнения задач  со стороны руководства. 

6.  Вспомогательные  функции, обеспечивающие взаимодействие PDM-системы с другими программными  средствами и пользователями, а  также взаимодействие пользователей  друг с другом.

Традиционной  рекомендацией  при  создании CALS-проектов служит  использование  систем  управления  предприятиями ERP (Enterprise Resource Planning – планирование  ресурсов  предприятия), наиболее близких по степени интеграции задач и по уровню информационной обеспеченности процессов.

1.2 Структура АСУ

Рисунок 1.1 —  Функциональная схема жизненного цикла изделия с использованием ERP-систем

На Рис.1.1 представлена типовая укрупненная  структура этапов ЖЦИ машиностроительного  предприятия, на каждом из этапов которой  решаются отдельные задачи, взаимосвязанные  как в рамках ЖЦИ, так и в  рамках CALS-проекта [2].

Блок 1 –  этап моделирования производства: выходными  данными является портфель заказов, оптимизированный с учетом требований

рынка  и  возможностей  предприятия. 

Блок 2 –  этап  моделирования процесса освоения продукции с выходными данными  в виде заданий службам предприятия  по реализации операций проектирования изделия и соответствующей технологии изготовления.

Блок 3 –  этап проектирования конструкции изделия, на выходе которого формируется конструкторская  документация  по  проекту  изделия  или  машины.

Блок 4 –  этап проектирования технологического процесса: формирование технологической  документации по спроектированным изделиям.

Блок 5 –  этап технологической подготовки производства: формирование документации по результатам  проектирования оснастки, инструмента, управляющих программ и т.п.

Блок 6 –  этап оперативно-календарного  планирования  с  плановыми  заданиями  для  участков, цехов и других подразделений  предприятия по выпуску продукции.

Блок 7 –  этап производства продукции  с  характеристиками  по  номенклатуре,  количеству  и  качеству  в соответствии  с  плановыми  заданиями  этапа  освоения  продукции.

Блок 8 –  этап продажи продукции, имеющий  собственные механизмы выполнения бизнес-процедур.

Блок 9 –  этап сопровождения продукции, характеризующийся  действиями как предприятия, производящего  продукцию, так и других предприятий. Блок 10 – этап утилизации продукции.

Каждый этап характеризуется не только указанными выходными параметрами функционирования, но и наличием собственного инструментария как механизма реализации тех  или иных функций. Информационная поддержка  ЖЦИ основана на использовании интегрированной  информационной системы (ИИС), построенной  в виде распределенной БД на основе локальных БД каждого этапа, и  механизмов  обработки  информации.  Данная  ИИС оперирует такими  основными составляющими, как данные об изделии, процессах, используемых ресурсах, объектах.

  При   выборе  инструментальных  средств  для  каждого  из  этапов возникает  проблема  выбора  функциональных  или  системных  решений для тех задач, которые стоят перед интеграцией CALS-проекта.

Функциональность  CALS-проекта зависит от того, система управления (СУ) какого класса выбрана для реализации потребности автоматизации ЖЦИ. Чем выше уровень системы, тем большее число задач CALS будет обеспечено выбранной СУ. 

  Новый класс СУ производством – это MES-системы (Manufacturing Execution System или Manufacturing Enterprise Solutions), решающие  задачи  оперативного  планирования,  оптимизации  и  управления  производственными  процессами.  Под  управлением MES-системы реализуются такие важные процессы, как планирование, оптимизация, контроль и документирование производственных процессов от начала формирования заказа до выпуска готовой продукции в режиме реального времени. 

  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.