|
|
  |
Главная страница / Архитектура отрасли Интегрированные системы управления непрерывным производством: оптимальный синтезИзначально интеграция систем управления сводилась к объединению разрозненных компонентов различных автоматизированных систем управления предприятием (АСУП). Позже процессы интеграции коснулись компонентов АСУТП и САПР. Это был первый этап интеграции АСУ различного назначения, результаты которого представлены на рис. 1. Чтобы глубже вникнуть в проблему, рассмотрим основные способы решения задач интеграции различных АСУ на нынешнем этапе. Автоматизация бизнес-процессов зависит от развития рыночной макро- и микроэкономики предприятия. Кроме того, рыночные отношения превращают современное предприятие в сложную социосистему, для которой требуются новые методы управления. Управление бизнес-процессами развивается сегодня в двух направлениях: либо стре-мится к увеличению количества автоматизированных бизнес-сфер предприятия, либо движется к совершенствованию процессов управления бизнес-сферами. Реализацией второго направления являются использование и развитие контроллинга как специального вида финансово-экономической деятельности руководящего состава и топ-менеджеров предприятия. Контроллинг используется для принятия оперативных и стратегических решений. Внедрение системы контроллинга не обязательно требует значительных инвестиций – оно может происходить традиционными ме-тодами и существовать в форме подсистем учета, координации и контроля исполнения решений. Автоматизация процессов контроллинга позволяет создать информационную систему управления, интегрировав все существующие на данном предприятии автоматизированные бизнес-сферы. Будем считать такой подход первым способом автоматизации. Автоматизация технологических процессов для различных предприятий разительно отличается. Здесь нет и не может быть готовых рецептов, но есть две особенности, общие для всех. Полная автоматизация технологических процессов может быть достигнута только при создании отдельных, полностью автоматизированных производств, а полной автоматизации предприятия как социотехнической системы не может быть по определению. С другой стороны, совершенствование технической оснащенности предприятий ведет к появлению более сложного технологического оборудования, управлять которым «вручную» становится неэффективно или практически невозможно. Это побуждает создавать более эффективные и надежные АСУТП, интегрируя их в автоматизированные системы диспетчерского контроля и управления материально-энергетическими потоками предприятия. Назовем такой процесс вторым способом автоматизации. Что касается процессов проектирования (САПР), то их разнообразие столь велико, что практически для каждого предприятия, особенно для приборостроительных и машиностроительных фирм, их автоматизация требует индивидуального подхода. Общими компонентами в таких системах могут быть только процессы контроля и управления проектированием отдельных видов продукции. Когда контроллинг является лишь связующим звеном, можно говорить о третьем способе интеграции. Очевидно, что четвертый способ решения задач интеграции является сочетанием любых первых двух или всех трех способов и приводит к созданию интегрированных экономических информационных систем различного уровня сложности. Еще на первом этапе интеграции систем управления выяснилось, что более универсальным базисом интеграции систем управления является не экономическое, а информационное пространство предприятия. В настоящее время наиболее прогрессивным методом интеграции считается процесс создания интегрированных систем управления, которые кроме ранее рассмотренных подсистем включают в себя системы оперативно-диспетчерского контроля и управления материальными и энергетическими ресурсами предприятия и потоками продукции, бази-руясь на основе единой измерительной системы и MES-технологий. Если такая интеграция проведена в рамках всего предприятия, можно говорить о создании интегрированной системы управления (ИСУ) промышленного предприятия. Естественно, вариантов реализации ИСУ может быть очень много. В качестве примера ИСУ на рис. 2 приведен реализованный вариант проекта первой очереди автоматизации Богословского алюминиевого завода (БАЗа). В интегрированную систему управления производственными процессами (первая очередь «АСУ-Глинозем») помимо традиционных АСУП, АСУТП и САПР включена система автоматизации диспетчерского контроля и управления материальными потоками сырья, энергоресурсов и готовой продукции (АСОДУ). Но пример – примером, а реальное разнообразие АСУ промышленных предприятий требует гибкости интеграционных подходов. В последнее время наиболее широкое распространение получили системы интеграции управления производственными процессами. В России такие системы называются автоматизированными системами управления производственными процессами (АСУПП), а на Западе их окрестили MES (Manufacturing Execution System – производственные исполнительные системы). Внедрение MES не требует серьезной реорганизации предприятия, а основывается на оптимальном выборе аппаратно-программных средств, решающих конкретные задачи предприятия. Применение MES является одним из путей повышения эффективности производственных предприятий. Эти системы могут стать основным способом повышения конкурентоспособности предприятия и устранить разрыв между производственными и административными сферами управления. Но давайте поговорим об управлении предприятием. Понятно, что вовремя принятые стратегические решения способствуют эффективному управлению производством. В общем случае организация управления представляет собой пирамиду, наверху которой находятся АСУП, а внизу – автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП), автоматизированные системы учета и контроля энергоресурсов (АСУКЭ) и система технологической подготовки производства (САПР). Связующим звеном верхнего и нижнего уровней управления является автоматизированная система оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) материальными потоками сырья, энергоресурсов и готовой продукции, реализованная с помощью MES-технологий. Центральное звено АСОДУ – центр управления непрерывным производством (ЦУНП). Таким образом, MES-система включает в себя функциональные подсистемы оптимального управления, планирования и подготовки производства, контроля выполнения производственных заданий, контроля технологических процессов и, что очень важно, является информационным базисом АСУ промышленного предприятия. Типовая схема ИСУ представлена на рис. 3. Создание интегрированной системы управления производством как основы управления всем предприятием, прежде всего, выгодно с позиций повышения эффективности предприятия. В общем информационном пространстве автоматизированной системы управления предприятием, где циркулируют единые электронные документы, производственные взаимосвязи основных, вспомогательных и управленческих служб становятся более четкими, исчезает проблема дублирования задач и документов. Тщательно выстроенные взаимосвязи проще контролировать. В них несложно установить точки контроля состояний финансовых, материальных и энергетических потоков или событий в технологических и функциональных процессах. Создание интегрированных систем эффективного управления производственными процессами, оборудованием и выпускаемой продукцией предприятий является новым этапом интеграции АСУ на основе единой информационно-измерительной сети и использования веб-порталов. В результате проведения масштабных научных и проектных работ была разработана «Программа поэтапного внедрения MES-системы «АСУ-глинозем», основу которой составил процессно-ориентированный подход к построению ИС. В соответствии с этой программой была реализована поэтапная автоматизация производственных процессов, наиболее актуальных для данного производства: оперативное диспетчерское управление глиноземным производством, управление качеством продукции, учет энергоресурсов, управление производственными фондами и учет материального баланса. В соответствии с перечисленными процессами система «АСУ-глинозем» состоит из пяти крупных подсистем, каждая из которых решает одну из уже названных задач. Это автоматизированная система оперативного диспетчерского управления материальными потоками глиноземного производства (АСОДУ ГП), автоматизированная система диспетчерского управления энергетическими потоками глиноземного производства (АСУ-ЭНЕРГО), автоматизированная система управления основными производственными фондами глиноземного производства (АСУ ОПФ), лабораторная информационная система глиноземного производства (ЛИС) и автоматизированная учетно-балансовая система. Система «АСУ-глинозем» имеет нелинейную децентрализованную структуру (рис. 4), которая позволяет оперативно адаптироваться к изменениям организационного, технологического и технического характера, служит информационным базисом для успешного внедрения и функционирования ERP-системы и обеспечивает вертикальную информационную интеграцию всего предприятия. Материальные и технологические потоки – это основной технолого-экономический ресурс производства и основной объект контроля и управления диспетчера глиноземного производства. Особое значение вопросам диспетчеризации материальных потоков придает наличие на глиноземном производстве БАЗа ряда особенностей, среди которых следует отметить: комбинированную технологическую схему Байер-спекание, со сложной структурой взаимосвязанных материально-сырьевых потоков; недостаточный объем межучастковых буферных накопителей, что требует четкой координации производительности смежных участков; нестабильное качество сырья. Первым этапом реализации MES-системы глиноземного производства БАЗа стало проектирование и внедрение автоматизированной системы оперативного диспетчерского управления материальными потоками глиноземного производства (АСОДУ ГП). Техническое обеспечение АСОДУ ГП охватывает различные средства, от КИП на участках до средств представления информации в центральном диспетчерском пункте глноземного производства (ЦДП ГП). В соответствии с проектным техническим обеспечением в глиноземном производстве вновь устанавливается около 500 приборов КИПиА на 14 участках глиноземного цеха, которые составляют нижний уровень АСОДУ ГП. Информация от датчиков выводится в 26 щитовых помещений глиноземного цеха, где устанавливаются дополнительные контроллеры, мониторы технологов и мастеров участков, коммуникационное оборудование, образующие средний уровень АСОДУ ГП. Верхний уровень проектируемой системы образует оборудование ЦДП ГП: многоэкранные мониторы диспетчерского персонала, средства мониторинга коллективного пользования, центральный сервер АСОДУ ГП, система технологического видеонаблюдения и другие технические средства, обеспечивающие перевод диспетчерского управления ГП на принципиально новый технический уровень. На описанной выше технической платформе разворачивается и функционирует программное обеспечение АСОДУ ГП, информационная структура которого во многом повторяет техническую структуру и также имеет три иерархических уровня. Информационные узлы нижнего иерархического уровня предназначены для ввода первичной оперативной информации о технологическом процессе. Средний иерархический уровень образуют узлы переработки и хранения информации: узлы вычисления расчетных переменных на основе исходной информации (реализовано при помощи сервера расчетов – Calculation Server) и узлы архивирования информации (СУБД РВ IndustrialSQL Server, СУБД Microsoft SQL Server). На верхнем иерархическом уровне находятся потребители информации: автоматизированные рабочие места диспетчера, помощника диспетчера глиноземного производства, энергодиспетчера и других ответственных сотрудников. Одна из важных особенностей системы АСОДУ ГП – большой объем расчетных переменных, которые необходимо формировать на основе исходных данных, поступающих из различных систем автоматизации предприятия. Источниками и потребителями информации являются как средства автоматизации, работающие в реальном времени, так и компоненты автоматизации класса АСУПП и АСУП, основанные на ручной подготовке и вводе данных. Данные в системе АСОДУ ГП бывают оперативными, часовыми, сменными и суточными. Для проведения технологических расчетов и организации взаимодействия различных компонентов системы АСОДУ ГП используется сервер расчетов Calculation Server. В системах класса АСУТП выполнение технологических расчетов не представляет особых трудностей, поскольку исходные данные для вычисления в полном объеме поступают от датчиков и PLC-контроллеров в режиме реального времени. В этом случае расчеты выполняются в реальном или псевдореальном времени, а незначительными задержками поступления исходных данных для расчетов (не более 10–30 секунд) пренебрегают. Однако в крупных системах класса АСДУ и АСУПП, когда исходные данные для расчетов поступают из множества разнородных подсистем автоматизации, выполнение таких вычислений является сложной задачей по ряду причин. Во-первых, часть исходных для расчетов данных поступает не в реальном времени, поэтому необходимо обеспечить своевременность и достоверность расчетов независимо от задержек поступления входных данных, а из-за специфики деятельности БАЗа длительность задержки может составлять несколько часов. Кроме того, при расчетах требуется информация с предыдущих циклов вычислений (например, данные, полученные несколько часов, смен, суток, месяцев назад), поэтому для работы системы необходим эффективный и удобный механизм, позволяющий использовать архивные данные. Но и, наконец, для корректной оценки результата нужен механизм вычисления степени достоверности расчетных данных. Программный комплекс Calculation Server предназначен для централизованного выполнения производственных расчетов в системах класса АСДУ, АСУПП и АСУТП. Среди функций программного комплекса Calculation Server можно выделить: вычисление расчетных параметров в соответствии с разработанными пользователем программами расчета в следующие моменты времени: по событию времени, по факту поступления исходных данных для расчетов, по требованию пользователя; выполнение повторного расчета по требованию пользователя и по факту поступления уточненных исходных данных; вычисление признака качества данных, определяющего степень достоверности данных; ввод исходных данных и сохранение результатов расчета в любой системе автоматизации, предоставляющей открытый интерфейс для доступа к данным; разработка пользовательских программ расчетов с использованием удобной среды программирования; предоставление информации о результатах расчетов по запросу пользователя в наглядной форме. Сервер расчетов Calculation Server интересен для рассмотрения, так как обладает рядом особенностей, отличающих его от программных продуктов сходного назначения. Во-первых, расчеты могут производиться как по расписанию (т. е. в реальном или псевдореальном времени), так и по факту поступления исходных данных, что позволяет учесть сколь угодно длительные задержки формирования исходных данных. Кроме того, в расчетах могут быть использованы данные с предыдущих циклов расчетов; все операции по обработке данных (чтение исходных данных, расчет, сохранение результатов) выполняются с метками времени, а расчеты сопровождаются вычислением признаков качества данных; прикладная программа расчетов может быть разработана на любом языке программирования, который поддерживается платформой .Net. Модульная расширяемая архитектура обеспечивает совместимость сервера с различными программными продуктами классов АСУТП, MES, ERP и позво-ляет использовать расчетный сервер не только в качестве среды выполнения расчетов, но и как универсальный шлюз для взаимодействия различных систем автоматизации предприятия и передачи данных между ними. Но вернемся к MES-системе «АСУ-Глинозем», которая предполагает многоэтапную разработку и наращивание новых модулей в течение нескольких лет. При проектировании и разработке столь крупногабаритной системы существенную сложность представляет не только разработка программного и аппаратного обеспечения ее отдельных компонентов, но и организация правильного межкомпонентного взаимодействия. Для создания подсистем системы «АСУ-Глинозем» были разработаны специализированная конфигурационная база данных (КБД), системы и прикладное программное обеспечения для работы с ней. Такой подход позволил в полной мере учесть всю специфику архитектуры разрабатываемой системы. Конфигурационная база данных «АСУ-Глинозем» предназначена для автоматизации разработки программного обеспечения и проектной документации системы и отвечает за централизованное хранение конфигурации разрабатываемой многокомпонентной информационной системы, проверку корректности конфигурации системы, оптимизацию работы системы, автоматическое формирование конфигурационных файлов и прикладного программного обеспечения компонентов разрабатываемой системы, а также автоматическое формирование документации на разрабатываемую систему. КБД содержит технологические параметры системы, информационные узлы системы и их конфигурацию, описание категории данных ИСУ, переменные системы и их конфигурацию, контролирует размещение переменных по информационным узлам системы, определяет алгоритмы вычисления расчетных переменных. Корректность информационных взаимосвязей между компонентами разрабатываемой системы, описываемых при помощи КБД, достигается программными средствами двух типов. Для проверки информационных ограничений системы, реализованных на уровне структуры базы данных, используются средства СУБД Microsoft SQL Server, основанные на фундаментальных принципах организации реляционных баз данных, таких как первичные ключи, связи и др. Для проверки корректности информационных ограничений системы, не определяемых структурой БД, разработан набор хранимых процедур и SQL-сценариев, которые при необходимости выполняются по команде пользователя. В состав КБД входит программное обеспечение, автоматически создающее прикладное программное обеспечение и конфигурационные файлы компонентов систем АСОДУ ГП и АСУ-ЭНЕРГО, а также формирует словари переменных SCADA-приложений, словари переменных задач PLC-контроллеров, конфигурацию и словарь переменных архивного сервера на базе СУБД РВ IndustrialSQL Server, прикладное приложение расчетного сервера Calculation Server и конфигурацию коммуникационных программ. В ближайших планах завода – завершение внедрения всех составляющих информационно-управляющей MES-системы «АСУ-Глинозем». После этого можно будет говорить о существовании на заводе полнофункциональной MES-системы, обеспечивающей главных специалистов завода оперативной и достоверной информацией по основным направлениям глиноземного производства. Полная автоматизация производства – это, конечно, красивая мечта, которую можно реализовать только на стадии проектирования и создания производства «с нуля». Мы же рассмотрели пример действующего завода с исторически сложившимися проблемами. Создавать интегрированную информационную систему поэтапно со 100%-ным охватом всех технологических процессов крайне дорого и долго. Построенная MES-система на Богословском алюминиевом заводе позволила реализовать принцип вертикальной интеграции данных, получаемых из различных информационных систем. Для оперативного управления производством и качественной адекватной реакции на отклонения совсем не обязательно, чтобы данные поступали только из автоматизированных систем, допускается и ручной ввод со специализированных АРМов. Главное, чтобы данные были достоверными. Попав в MES-систему, они будут обработаны и учтены в прогнозе развития событий. Реализация системы управления глиноземным производством позволила сократить затраты сырья и энергоресурсов на 7,39% за счет оперативного и полного представления данных об управлении потоками и оперативной диагностики нарушений в управлении процессом. В результате появилась возможность оценить его эффективность. Система сразу показывает «узкие места» в технологии и прогнозирует план выпуска продукции в реальном времени. Главным показателем эффективности управления потоками глиноземного производства является экономия сырья, основных и вспомогательных материалов, топлива и энергоресурсов. Учитывая эти параметры, можно считать, что АСОДУ ГП повышает уровень автоматизации глиноземного производства в целом и способствует экономии ресурсов в частности. Внедрение АСОДУ ГП и мероприятия, связанные с этим процессом, оказали положительное влияние на работу БАЗа и позволили увеличить объема выпуска глинозема, гарантировать поддержание заданного качества продукции, сократить число технологических нарушений и аварийных ситуаций, стабилизировать работу завода в условиях постоянно изменяющегося качества сырья и высокой степени износа оборудования, а также улучшить физические характеристики продукции и повысить экологичность производства. Мероприятия по созданию MES-системы глиноземного производства БАЗа только за счет экономии сырья, основных и вспомогательных материалов, топлива и энергоресурсов окупили систему в течение менее полутора лет. Востребованность подобных решений в металлургической отрасли очень высока. На конкретном примере мы можем видеть, что внедрение MES-системы позволяет в короткие сроки увеличить объем выпускаемой продукции, избегая затрат на реконструкцию производства и исключая долгосрочные инвестиции. Главная страница / Архитектура отрасли |