Интеграция АСУТП и АСУП

Лекция №5 Интеграция АСУТП и АСУП 1. Актуальность интеграции Говоря о программном обеспечении систем автоматизации, нельзя оставить без внимания и процессы, связанные с внедрением бурно развивающихся информационных технологий и на вышестоящих уровнях управления промышленным предприятием. Конечно, эффективность функционирования предприятия определяется эффективностью работы его отдельных производственных подразделений, технологических установок (АСУТП). Но невозможно говорить об эффективности отдельной АСУТП в отрыве от системы управления предприятием в целом. Автоматизация предприятий (в том числе и нефтегазовых) в России на протяжении последних десятилетий строилась по трехуровнему принципу (рис. слева). В любой системе управления, построенной по иерархическому принципу, предполагается движение информации в двух направлениях: «снизу вверх» (восходящий поток) и «сверху вниз» (нисходящий поток). С нижнего уровня информация от различных датчиков поступает на автоматические регуляторы (контроллеры) и в виде управляющих воздействий возвращается на исполнительные устройства (ИУ). На этом уровне замыкаются контуры автоматического управления (САУ), а информация о параметрах технологического процесса поступает выше - на уровень АСУТП. Здесь (в операторной/диспетчерской) информация отображается на экранах, табло и регистрируется. Оперативный персонал имеет также возможность формировать управляющие воздействия: на регулятор - изменением задания, на объект - в режиме ручного дистанционного управления исполнительными устройствами. Вверху, на уровне АСУП (в мировой практике этот уровень управления получил название ERP - Enterprise Resources Planning - планирование ресурсов предприятия), имеются структуры, обеспечивающие финансово хозяйственную деятельность предприятия в целом, планирование и учет производства, в том числе:  управление финансами;  бухгалтерcкий учет;  энергетическое обеспечение;  материально-техническое обеспечение;  сбыт готовой продукции;  ремонтно-техническое обеспечение;  управление персоналом и т. д. Результатом их деятельности являются планы, задания, регламенты, которые в качестве управляющих воздействий «спускаются» на уровень АСУТП. Вот здесь и возникает главный вопрос - а на базе какой информации все эти задания и планы вырабатывались? Дело в том, что автоматически «поднять» оперативную информацию до уровня принятия стратегических решений долгое время не удавалось. В результате информация для принятия управленческих решений часто была не только не оперативной (устаревшей), но и недостоверной (человеческий фактор). В России исторически сложилось так, что автоматизация управления промышленными предприятиями долгое время осуществлялась по двум достаточно обособленным и независимым друг от друга направлениям (АСУТП и АСУП). Развитие этих направлений обычно осуществлялось различными коллективами специалистов, подчиненных руководителям различных служб, было плохо скоординировано. Оба направления не были связаны между собой ни организационно, ни физически, ни информационно. Кроме того, автоматизация обоих этих направлений строилась на разнородных технических и программных средствах, не предусматривала возможности стандартизации каналов обмена информацией между уровнями.  В 90-х годах прошлого века в России (особенно в нефтегазовой отрасли) начался бурный процесс модернизации технических средств автоматизации. На смену морально и физически устаревшим средствам пришли современные программно - технические комплексы. Это и контроллеры (PLC) различных производителей, и DCS различных масштабов, на базе которых можно строить интегрированные системы управления не только технологическими установками, а даже цехами и небольшими заводами. SCADA-системы уже стали неотъемлемой частью многих модернизированных и вновь введенных АСУТП. Особенностью этих систем является то, что они работают с потоками данных, поступающими в реальном масштабе времени, с высокой частотой (периоды опроса – порядка секунд и даже долей секунд) и из большого числа источников (от сотен до десятков тысяч параметров). Эта информация хранится в базах данных не реляционного типа и используется для оперативного управления технологическим процессом. Но информация, успешно используемая в АСУ ТП, неудобна для системы верхнего уровня управления. Положительные результаты автоматизации технологических процессов очевидны – успешно идет процесс замены морально и физически устаревших средств автоматизации на современные и надежные микропроцессорные системы (DCS или SCADA). На предприятиях появились специалисты, владеющие компьютерными системами и современными методами управления, специалисты по информационным технологиям (ИТ).  Для решения задач автоматизации управления административнохозяйственной деятельностью предприятий (АСУП) в последнее время создается и широко внедряется большое количество типовых систем управления. По функциональным возможностям все эти системы неравнозначны. Среди них имеются и так называемые коробочные продукты, реализующие очень небольшое количество функций (бухгалтерские, складские и т. п.), и мощные системы, способные моделировать происходящие на предприятии процессы управления (SAP/R3, Baan, Oracle Applications). Представлены и системы среднего класса (JD Edward’s, MFG – Pro, SyteLine, Renaissance, Concorde XAL, SunSystems, БОСС-Корпорация, Галактика, Парус, Ресурс и др.), способные реализовать достаточно большое количество функций по различным направлениям – финансы, персонал, сбыт. Особенностью всех этих систем является применение современных реляционных баз данных, таких как, например, Oracle, Informix, Microsoft SQL Server и других, наиболее хорошо приспособленных для решения задач анализа. На этом уровне нужна только предварительно подготовленная, интегрированная информация о технологических процессах, состоянии оборудования, расходных показателях (данные типа средних за определенные промежутки времени, нарастающим итогом, объемы выработанной продукции и т. д.). Такие данные должны поступать в систему гораздо реже, чем данные реального времени, но они должны быть оперативными и достоверными. Внедрение в процесс управления этих мощных программных комплексов не принесло ожидаемого эффекта. Основной недостаток таких систем заключается в том, что они изначально не могли оперативно и адекватно реагировать на реальные проблемы производства, которые на предприятии обычно непредсказуемы. Системы автоматизированного планирования и управления производством развивались из бухгалтерских систем, которые хорошо выполняют учетную роль, но не показывают пути совершенствования производства. А именно эта задача стоит сейчас перед большинством отечественных предприятий. Вновь сложилась ситуация, когда и на новом витке автоматизации на предприятиях часто отсутствует обмен оперативной информацией не только между уровнями управления (вертикальные связи), но и между системами одного и того же уровня (горизонтальные связи). С технической точки зрения горизонтальная интеграция предполагает объединение между собой всех автономных систем автоматизации технологических и производственных процессов, а также административных отделений цехового уровня в единую информационную сеть. Это обеспечит необходимый обмен данными в реальном масштабе времени между всеми подразделениями основного и вспомогательного производства. С производственной точки зрения, это означает учет каждого шага производственного процесса от прибытия сырья до выдачи готовой продукции. Вертикальная интеграция базируется на организации потоков информации от нижнего уровня (датчиков и контроллеров) во внутренние и внешние компьютерные сети предприятия и через них в административные системы управления. Данная задача решается путем объединения промышленных и административных сетей. Основная цель вертикальной интеграции - устранение препятствий на пути информационных потоков между уровнями АСУП и АСУТП с целью оперативного обмена данными. На предприятиях автоматизированный обмен информацией часто бывает невозможным по следующим причинам: - далеко не все технологические процессы автоматизированы на базе современных программно-аппаратных средств; - имеются устаревшие системы автоматизации, подключение которых к сети организовать очень трудно; - некоторые системы сделаны под DOC и отсутствует коммуникационное обеспечение; - отсутствуют физические линии связи (ЛВС); - организационные проблемы. Современная автоматизация технологических процессов одного цеха часто бывает реализована на разнородных программно-аппаратных средствах. Здесь можно встретить системы управления различных фирмпроизводителей DCS и SCADA (ABB, Fisher Rosemount, Foxboro, Honeywell, Intellution, Wonderware и др.). Для анализа такой «разношерстной» информации ее потребуется привести к единому формату. В специальной периодической прессе даже появились такие термины, как «острова» или «лоскуты» автоматизации. Можно констатировать, что на предприятиях часто отсутствует единая информационная среда, которая смогла бы стать основой системы оперативного учета и управления ресурсами производства. Нехватка прежде всего технологической информации становится все более и более актуальной. Сегодня практически все службы предприятий заинтересованы в получении оперативных и объективных технологических данных. Из всего вышеизложенного следует объективная необходимость интеграции уровней АСУТП и АСУП – сегодня для этого созданы все необходимые предпосылки: - руководство предприятий становится все более заинтересованным в получении оперативной и объективной информации о текущих и архивных значениях параметров технологических процессов; - на многих предприятиях уже создана достаточная сетевая инфраструктура (сети Ethernet на уровне предприятия, стандартные промышленные шины на уровне АСУТП); - на рынке средств автоматизации уже появились специализированные программные продукты различных типов, в том числе и от разработчиков SCADA-систем. Основная цель интеграции различных подсистем предприятия объединение информационных потоков, создание единого информационного пространства для объективной и оперативной оценки текущей ситуации, оперативного принятия оптимальных управленческих решений, ликвидации информационных и организационных барьеров между управленческим и технологическим уровнями. 2. Интегрированная система управления предприятием За последние три-четыре года в специальных периодических изданиях появилось большое количество статей, посвященных вопросам интеграции уровней АСУП и АСУТП. Все специалисты сходятся во мнении, что в иерархии управления необходим промежуточный интегрирующий уровень, который мог бы служить мостом между разнородными потоками информации этих уровней (рис. 1). Что касается инструментальных средств (программного обеспечения) для реализации задачи объединения информационных потоков, то их выбор определяется, прежде всего, конкретными условиями (сложившейся на предприятии структурой информационных потоков, используемым на разных уровнях программным обеспечением, действующими протоколами обмена и т. д.), а также потребностями в информации специалистов и руководителей всех уровней. Рис. 1. Интегрированная система управления предприятием. В общем случае обмен данными между АСУП и АСУ ТП осуществляется по вертикали во встречных направлениях. Восходящий поток формируется производственной информацией, поступающей с технологических участков, установок и цехов. В основном эта информация передается автоматизированным способом от действующих АСУТП, созданных на базе SCADA и DCS. Результаты лабораторных анализов формируются в лабораторных информационных системах (LIMS Laboratoire Informatic Management System). Предусмотрен ручной ввод данных, которые не могут быть введены в систему автоматизированным способом. Этот поток данных обеспечивает специалистов и руководителей верхнего уровня сведениями о количественных и качественных показателях переработанного сырья и продуктах переработки, технологических режимах и их нарушениях, состоянии технологического оборудования, потреблении реагентов и энергоносителей, затратах труда и т. д. Нисходящий поток представляет собой производственные задания, графики работы и ремонтов, технологические регламенты, спецификации на качество вырабатываемых нефтепродуктов и т. п. Анализ существующих АСУ показывает, что и между подсистемами технологического уровня (горизонтальные связи), и между подсистемами вертикального подчинения происходит интенсивный обмен информацией. В то же время многие каналы связи либо вовсе не автоматизированы, либо автоматизированы недостаточно. Основные (базовые) функции интегрирующего уровня:  сбор и унификация информации от различных АСУ ТП предприятия и других источников технологической информации, сильное ее сжатие и долговременное хранение единого архива;  быстрый доступ к информации любого «клиента» (специалиста или руководителя) и ее представление в едином формате;  поддержка каналов обмена информацией с уровнем АСУП, представленным такими системами, как SAP/R3, Oracle Application, Baan, Галактика и другими. На постсоветском пространстве сформировалось несколько основных подходов к автоматизации управления производством в реальном масштабе времени. В этих рамках ведутся работы по созданию информационных систем производства (ИСП), автоматизированных систем оперативного диспетчерского управления (АСОДУ), систем поддержки принятия решений (СППР) и т.п. Как правило, объем реализуемых функций и подходы к решению функциональных задач на различных предприятиях индивидуальны и обусловлены потребностями специалистов в производственной информации на момент внедрения информационной системы. В различных источниках этот архитектурный уровень управления называют по-разному. Это и понятно - конкретно заниматься созданием интегрированных систем управления предприятием в России еще только начинают. А поэтому и отсутствие единой терминологии. В мировой практике сформировалась и закрепилась идеология MES (Manufacturing Execution Systems). По определению APICS (American Production and Inventory Control Society) MES - это информационная и коммуникационная система производственной среды предприятия. Более развернутое определение дала международная некоммерческая ассоциация MESA (Manufacturing Enterprise Solutions Association). MES-система - это АСУ производственной деятельностью предприятия, с помощью которой в режиме реального времени осуществляются контроль, документирование, планирование и оптимизация производственных процессов от поступления сырья до выпуска готовой продукции. Используя фактические технологические данные, MES-системы поддерживают всю производственную деятельность предприятия в режиме реального времени. Быстрый результативный отклик на изменяющиеся условия помогает эффективно управлять производственными операциями и процессами. Кроме того, MES-системы формируют данные о текущих производственных показателях, необходимые для функционирования ERPсистем. Таким образом, MES-система - это связующее звено между ориентированными на финансовохозяйственные операции ERP-системами и оперативной производственной деятельностью предприятия на уровне цеха, участка или производственной линии. Отсюда следует, что интегрированную автоматизированную систему управления промышленным предприятием можно представить в виде четырех взаимосвязанных уровней управления (рис. слева). При этом каждый уровень управления характеризуется “своей” интенсивностью циркулирующей в нем информации, своим масштабом времени и своим набором функций.  Контур управления уровня САУ является самым жестким по времени реакции, которое должно измеряться долями секунд и миллисекундами.  Уровень АСУТП является самым интенсивным по объему информации, но, как правило, менее жестким с точки зрения времени. В SCADA-системах происходит накопление и обработка большого числа технологических параметров и создается информационная база исходных данных для производственного уровня.  Оперативно-производственный уровень управления опирается на объективную информацию, поступающую как от АСУТП, так и от других служб производства. Интенсивность информационных потоков здесь существенно ниже и связана с задачами оперативного планирования и оптимизации заданных производственных показателей (качество продукции, производительность, энергосбережение, себестоимость и т.д.). Временные циклы управления составляют минуты, часы, смены, сутки. Оперативное управление производством осуществляется специалистами, которые детально владеют производственной ситуацией (руководители производственных цехов, участков, главные технологи, энергетики, механики и др.). В связи с этим должно повышаться качество и эффективность принимаемых на этом уровне решений.  Стратегический уровень управления освобождается в этом случае от решения оперативных задач производства и обеспечивает поддержку бизнес процессов предприятия в целом. Поток информации от производственного уровня становится минимальным и включает в себя агрегированную управляющую и отчетную информацию с типовыми временами контроля декада, месяц, квартал. Сюда же поступает информация об аварийных ситуациях, требующих немедленного вмешательства высшего управленческого персонала предприятия. Задачи, решаемые на уровне управления производством:  Сбор, хранение и предоставление данных Эта функция обеспечивает информационное взаимодействие различных производственных подсистем для получения, накопления и передачи технологической и управлеческой информации, циркулирующей в производственной среде предприятия. Данные о ходе производства могут вводиться как автоматически с заданной периодичностью из АСУТП, так и вручную оперативным персоналом.  Диспетчеризация производства Обеспечивает текущий мониторинг и диспетчеризацию процесса производства, отслеживает выполнение операций, занятость оборудования и людей, контролирует в реальном времени выполнение работ в соответствии с планом.  Оперативное планирование Эта функция обеспечивает оперативное и детальное планирование работы, основанное на приоритетах, атрибутах, характеристиках и свойствах конкретного вида продукции, а также детально и оптимально вычисляет загрузку оборудования при работе конкретной смены.  Управление качеством продукции Предоставляет данные измерений о качестве продукции, в том числе и в режиме реального времени, собранные с производственного уровня, обеспечивая должный контроль качества и привлекая внимание к отклонениям качественных показателей продукции от заданных.  Управление производственными фондами (техобслуживание) Поддержка процесса технического обслуживания, планового и оперативного ремонта производственного и технологического оборудования и инструментов в течение всего производственного процесса. На Западе использование MES-систем считается очевидным, и при решении задач комплексной автоматизации предприятия одновременно ищутся решения для трех взаимосвязанных уровней управления: АСУТП, MES и ERP. В России же подобные системы практически неизвестны и игнорирование их необходимой роли является причиной существенных проблем при создании комплексных систем автоматизации промышленных предприятий. Разработчики инструментальных систем (в том числе и разработчики SCADA) предлагают использовать в целях интеграции различные типы программных продуктов. Ясно одно: поскольку речь идет о создании единого информационного пространства, одним из основных компонентов программного обеспечения уровня управления производством должны быть базы данных (БД) или архивы, ориентированные на хранение и обработку больших объемов данных реального времени из различных источников. Ведение архива и обработка запросов — это задачи сервера. Не менее важны и клиентские приложения, способные представлять информацию в требуемом виде и формате. 3. Базы данных реального времени Важными компонентами, используемыми на верхних уровнях, являются системы управления базами данных (СУБД). Предприятия с помощью СУБД преодолели проблемы, связанные с огромными объемами дублированной и иногда противоречивой информации, предоставляемой к тому же различными и зачастую несовместимыми друг с другом способами. Но использование традиционных реляционных баз данных, ориентированных на решение задач уровня АСУП, не всегда возможно в системах управления производственного уровня. Здесь можно выделить несколько основных ограничений.  Производственные процессы генерируют данные очень быстро. Чтобы хранить производственный архив системы, например, с 7500 рабочими переменными, в БД каждую секунду необходимо вставлять 7500 строк. Обычные БД не могут выдержать подобную нагрузку.  Объемы производственной информации огромны. Многомесячный архив завода с 7500 технологическими переменными требует под БД дисковую память объемом около 1 Терабайта. Сегодняшние технологии такими объемами манипулировать не могут.  SQL как язык не подходит для обработки временных или периодических данных, типичных для производственных систем. В частности, чрезвычайно трудно указать в запросе периодичность выборки возвращаемых данных. Как результат преодоления этих ограничений появился новый класс продуктов - базы данных реального времени (БДРВ). При этом намечаются две концепции создания БДРВ: независимая, новая разработка БД и разработка БДРВ на основе известных реляционных БД, например, MS SQL Server. 3.1. Industrial SQL Server (Wonderware) IndustrialSQL Server и его особенности IndustrialSQL Server - внутризаводской хранитель архивной информации, включая данные о событиях и соответствующих реакциях. IndustrialSQL Server представляет собой РБД, в которой учтены источники, скорость поступления и объемы производственной информации (рис.3). Он позволяет осуществлять сбор и запись данных в сотни раз быстрее, чем это делают обычные БД на аналогичной платформе, и при этом занимает значительно меньше дискового пространства. Рис. 3. Industrial SQL Server в интегрированной системе управления. Несмотря на то, что IndustrialSQL Server поставляется компанией Wonderware как самостоятельный продукт, он в то же время является одним из главных компонентов пакета FactorySuite2000, его стержнем. Будучи интегрированным со SCADA-системой InTouch, IndustrialSQL Server способен накапливать при помощи серверов ввода/вывода информацию практически от любых измерительных приборов и устройств сбора данных. Информационные потоки IndustrialSQL Server и их направление являются стандартными для баз данных реального времени: с одной стороны - это данные, поступающие из различных источников для сохранения в БД по стандартным протоколам DDE, OPC, SuiteLink, с другой - данные, запрашиваемые потребителями через интерфейс SQL сервера. Стандартным механизмом поиска информации на сервере IndustrialSQL Server является SQL, что гарантирует доступность данных самому широкому кругу приложений. В подмножество языка SQL входит расширение, служащее для получения динамических производственных данных из IndustrialSQL Server и позволяющее строить запросы на базе временных отметок. Все приложения, работающие с Microsoft SQL Server, могут также подключаться и к IndustrialSQL Server. Для хранения данных реального времени в IndustrialSQL Server используются исторические блоки или файлы специального формата. Основное требование к ним - обеспечение высокой скорости регистрации и повышенное сжатие данных. В IndustrialSQL Server (версии 7.1 и выше) наряду с доступом по SQLзапросам, добавлена возможность получения данных по протоколам OPC, DDE, SuiteLink. 4. Специализированные программные средства Для организации информационного потока между технологическим уровнем (АСУТП) и бизнес-системой ряд разработчиков инструментальных систем (в том числе и SCADA) предлагают использовать специальный тип программных продуктов. Наиболее популярные программные продукты, способные решать задачи интеграционного уровня, приведены в табл. 1. Таблица 1 Наименование продукта Фирма-производитель ABB Simcon Inc. Integrated Refinery Information System (IRIS) Aspen Technology Aspen Tech's InfoPlus.21 Honeywell HI-Spec Sotution Uniformance Invensys Performance Solution Integrated Control and Infomation System (ICIMS) Petrocom Калькулятор OSISoft Plant Information System (PI System) Integrated Refinery Information System (IRIS) представляет собой интегрированный коммерческий пакет программных модулей. Он обеспечивает деятельность операторов, инженеров, планирование и управление с функциями хранения, представления и анализа технологических и лабораторных данных. Имеются библиотеки типовых приложений для конечных пользователей. Пакет включает также модули отчетов, расчета тепловых и материальных балансов, планирования, оптимизации, мониторинга окружающей среды, анализа данных, трендов и SQC-расчетов. Ядро системы IRIS - реляционная база данных для хранения от 50 до 100 000 тегов за пять лет с минутным разрешением. IRIS имеет распределенную клиент-серверную архитектуру, поддерживает платформы UNIX, RISC, Intel PC и стандартные технологии TCP/IP, OLE, DDE и MS Windows, обеспечивая персоналу предприятия доступ к данным системы IRIS и приложениям по сети LAN. Aspen Tech's InFoPlus.21 - информационно-управляющая система, обеспечивающая инфраструктуру для сбора, целостности, управления, и представления технологических данных, в то время как ERP-системы интегрируют управленческие данные. Эта система также обеспечивает инфраструктуру для интегрированных приложений, таких как управление технологическими процессами, управление производством, управление качеством. Aspen Tech's InFoPlus.21 интегрирует технологические данные в ERPсистему для совершенствования и улучшения поддержки принятия решений, обеспечивает качественными данными все подразделения предприятия. Integrated Control and Infomation System (ICIMS) усиливает поддержку принятия решений, обеспечивая интеграцию между системой управления нижнего уровня, информационными системами управления производством, техническими информационными системами и системой управления бизнес-процессами. ICIMS включает сетевую TCP/IP-архитектуру, архив истории, лабораторную информационную систему, электронную систему документации, финансовой отчетности, базирующихся на ERP-инструментах (SAP, BAAN или JD Erdwards). Кроме перечисленных выше систем имеется еще целая гамма программных продуктов, ориентированных на конкретные технологические производства, например, нефтеперерабатывающие заводы, и предназначенных для решения отдельных задач этого уровня (системы расчета и согласования материальных балансов, системы управления движением нефти и нефтепродуктов в резервуарных парках, лабораторные информационные системы и т. д.). Программные продукты подобного класса совсем недавно появились в России. Тем не менее, уже проявляются критерии для сравнения этих систем:  Количество интерфейсов к АСУТП (DCS, SCADA)  Масштабируемость системы  Характеристики алгоритма “сжатия” и восстановления данных  Требования к памяти  Возможность “горячего” резервирования серверов  Клиентские приложения – удобство работы  Количество одновременно поддерживаемых клиентов  Скорость обработки операций чтение/запись  Стоимостные характеристики Список приведенных критериев не претендует на полноту. Глубокий анализ программных продуктов этого класса еще предстоит сделать специалистам. Но об одной важнейшей характеристике интегрированных информационных систем нельзя не сказать - наличие и число приложений для решения типовых задач производственного уровня. 4.1. Plant Information System Назначение программного обеспечения PI System - сбор, хранение, обработка и представление информации. Каждая из перечисленных выше функций реализуется посредством различных компонентов и модулей программного обеспечения PI System.  Для сбора и передачи данных от действующих на предприятии АСУТП можно использовать стандартные PI-OPC-интерфейсы. Это позволит унифицировать программное обеспечение и снизить стоимость информационной системы. PI-интерфейсы обеспечивают:  получение и запись данных от SCADA, DCS, контроллеров в режиме реального времени по событиям или расписанию с дискретностью до миллисекунды;  автоматическое оповещение о нарушении физической связи PIсервера и PI-интерфейса;  автоматическое восстановление данных при восстановлении связи;  сжатие данных для снижения трафика в локальной сети. Гарантированная доставка данных (без резервирования физического канала) обеспечивается способностью PI-интерфейсов буферизовать данные за несколько суток в условиях отсутствия связи и автоматически передавать данные в PI-сервер при ее восстановлении. PI-интерфейс имеет минимальный трафик в сети (80-100 Кбит/с при передаче 25000 параметров) за счет сжатия данных на уровне интерфейса, использования PI-API протокола передачи данных и оптимальной настройки сжатия данных на уровне интерфейса – возможности передачи данных по расписанию или событию. PI-интерфейс обеспечивает двухсторонний обмен данными между PI System и АСУТП и возможность передачи и хранения данных с миллисекундной отметкой времени. Таким образом, PI-интерфейс предъявляет минимальные требования к физическому каналу связи: протокол TCP/IP, скорость передачи 64 Кбит/с. Канал связи с такими характеристиками обеспечивает гарантированную передачу 10000 параметров. Созданная на базе PI System информационная система может быть легко расширена за счет вводимых в эксплуатацию АСУТП, построенных на различной программно-аппаратной платформе. Для этого PI System имеет свыше 300 специализированных интерфейсов к системам АСУТП ведущих производителей мира. Для взаимодействия PI System с реляционными базами данных можно использовать специализированный интерфейс PI-RDBMS либо стандартные протоколы ODBC или OLE DB, также поддерживаемые PI System. Для связи PI System с верхним уровнем управления, построенным на базе системы SAP/R3, имеется специализированный коннектор RLINK. Это соединение сертифицировано разработчиком SAP/R3 - компанией SAP. Имеется и интерфейсы для связи PI System с системами JD Erdwards и Renaissance. Кроме того, PI System поддерживает стандартные протоколы DDE, COM/DCOM и имеет открытый программный интерфейс PI-API для разработки собственных интерфейсов к нетрадиционным системам.  Хранение и обработка информации – одна из главных задач PI System. Функции хранения и обработки данных возложены на PI-сервер. Программное обеспечение сервера PI System включает следующие компоненты (рис. 6.4): - PI Universal Data Server (PI-UDS); - PI Data Storage (PI-DS); - PI Server Apps; - PI Data Access Pack (PI-DAP). Рис. 4. Компоненты PI System.  PI Universal Data Server является фундаментом PI System. PI-UDS выполняет функции сбора и распределения данных по всем подсистемам в режиме реального времени, обеспечивает взаимодействие с архивом данных, снабжая его «живыми» данными. PI-UDS состоит из сетевого менеджера (PI Network Manager), базы данных тегов, менеджера обновлений и снимка (Snapshot) - резидентной памяти, в которую записываются текущие значения точек. PI-UDS также содержит универсальный адаптер данных (PI Universal Data Adapter), который применяется для доступа к данным баз данных истории других производителей. Эти базы соединяются с PI-UDS через соответствующий COM-коннектор.  PI Data Storage - архив данных – один из важнейших компонентов системы. Объем архива определяется конфигурацией сервера. Алгоритм сжатия данных (линейная интерполяция) гарантирует их восстановление с точностью от 0,0000001 до 1 % шкалы измерения и с дискретностью 1 секунда, что позволяет работать с большими архивами. Скорость записи/чтения в PI Data Storage может достигать 100 000 операций в секунду. Скорость доступа к информации оценивается как доступ сотни пользователей к тысячам тегов за секунду одновременно, даже если все пользователи будут обращаться к одним и тем же тегам.  PI Server Apps - набор серверных приложений, зависящий от конфигурации PI-сервера. В сервер PI System входят следующие серверные приложения:  Performance Equations - подсистема для выполнения сложных вычислений по формулам над данными из архива без дополнительного программирования.  Totalizer - подсистема для интегральной обработки данных на определенных временных отрезках, называемых интервалами накопления (Accumulation Interval). По сравнению с Performance Equations вычисления с помощью Totalizer более точные, т.к. Totalizer использует данные не из архива, а из Snapshot, т.е. данные, к которым не применялось сжатие.  PI Alarm - подсистема тревог предназначена для того, чтобы генерировать тревоги для точек PI System и сигнализировать о возникновении тревог. PI-Alarms дополняет, но не заменяет средства по обработке тревог, которые имеются в управляющих системах предприятия.  PI SQL - предназначен для поддержки SQL запросов к архивированной информации. Благодаря этой подсистеме к архивам PI можно обращаться как к обычной реляционной базе данных. В дополнение к языку SQL сервер PI ODBC Server поддерживает запросы по времени.  PI Batch - подсистема для обработки данных периодических процессов, продукция которых выпускается партиями. Записи, ассоциированные с партиями, содержат информацию об идентификаторе серии (Batch ID), идентификаторе продукции (Product ID) и единицах измерения продукции в партии. Пользователь может по запросу выбрать интересующие его партии.  PI Real-Time SQC - проводит непрерывный контроль и обработку значений из PI System с использованием статистических методов. При возникновении неприемлемого отклонения от нормы Real-Time SQC генерирует и передает тревогу об этом событии в подсистему тревог.  PI ACE. Анализ производительности и эффективности в реальном времени, подсчет затрат и стоимости выработанного продукта, расчет неизмеряемых напрямую величин и вычисление по различным формулам с поправочными коэффициентами — все это требует математических вычислений различной сложности и периодичности. Максимально облегчая построение всевозможных вычислений, PI Advanced Computing Engine (среда выполнения инженерных расчетов) позволяет сфокусировать усилия инженеров на превращении текущих данных о производстве в полезную и нужную информацию. PI ACE позволяет создавать шаблоны вычислений для однотипных объектов, хранящихся в MDB, которые помогают стандартизировать и автоматизировать разработку вычислений для технологических процессов, что значительно снижает трудоемкость работы программистов.  PI Analysis Framework. PI Analysis Framework - новый шаг в идеологии развития PI System в сторону интеграции производственного моделирования и технологических данных реального времени. PI AF - инструмент для создания моделей и схем производства (организационных и технологических), состоящих из элементов и их взаимосвязей и взаимозависимостей. Элементы модели представляют собой как физическое оборудование (резервуары, теплообменники, смесители, измерители и т.д.), так и более абстрактные логические конструкции (эффективность, экология и т.д). Разработанная модель позволяет включать в себя организационно технологическую структуру предприятия, логику его функционирования, принципы контекстно-зависимого представления данных о производственном процессе. Основываясь на единой модели, доступной любым приложениям PI System, можно проводить различного рода анализ, обработку и представление информации о производстве, поступающую в реальном времени, например согласование технологических данных, расчет эффективности, анализ простоев технологического оборудования.  PI Sigmafine. Sigmafine позволяет получить согласованный материальный, энергетический и покомпонентный баланс измерительной информации по установке, заводу или корпорации. Используя специальный алгоритм на основе метода наименьших квадратов, SIGMAFINE согласовывает все измерения приборов, учитывая точность и достоверность каждого прибора. Для каждого выбранного временного интервала Sigmafine рассчитывает согласованные измерения процесса так, чтобы они имели минимальное отклонение от действительных значений и одновременно, чтобы массовый и/или энергетический балансы сходились. Расчет балансов - это основное применение согласованных данных и этот расчет необходимо производить в первую очередь, так как его используют другие типы расчетов. Расчет балансов используется для определения того, что может "наиболее вероятно" произойти в производстве за определенный временной интервал. Чтобы произвести расчет балансовых данных, SIGMAFINE берет отслеживаемые измерения параметров процесса и оценивает достоверность (отклонение) и точность (допуск) измерительных устройств. Затем SIGMAFINE производит расчет данных так, чтобы массовый и/или энергетический балансы были согласованы при минимуме отклонения действительных значений от согласованных.  PI Control Monitor. Это приложение PI разработано для операторов, участвующих в управлении технологическим процессом. PI CM позволяет обнаружить сбои в контурах регулирования, оценить качество регулирования. Под контуром регулирования понимается комплекс программно-технических средств для управления параметром (качеством или количеством) выходной продукции или любым критически важным технологическим параметром. Также приложение PI CM используется инженерами службы АСУ ТП для обнаружения неисправностей в контурах регулирования (от датчика до исполнительного механизма) и планирования проведения профилактических работ.  IT Monitor. IT Monitor - приложение, входящее в состав PI System, которое используется для контроля и анализа функционирования ITструктуры предприятия с точки зрения повышения ее производительности, надежности и безопасности. Основываясь на базовых технологиях PI System, IT Monitor унифицирует и представляет данные реального времени о состоянии сетей, сетевого оборудования и приложений. IT Monitor обладает уникальными возможностями по хранению и обработке информации, превосходящими пределы обычных инструментов мониторинга работы информационных систем. IT Monitor позволяют быстро определять "узкие" и потенциально проблемные места в IT-структуре предприятия.  PI DAP (Data Access Pack) - набор инструментов для помощи опытным пользователям в просмотре, структурировании и доступе к данным PI System, включающий: - PI API (Application Programming Interface) - набор программ, обеспечивающий общий программный интерфейс к PI System; - PI SDK (Software Development Kit) - набор инструментов программирования, обеспечивающих доступ к PI-серверам и связанным с ними подсистемам; - PI ODBC (Open Database Connectivity) - представляет PI System как реляционную базу данных. Он определяет доступ к ее содержимому в стандартном формате и позволяет принимать и выполнять команды SQL; - PI OLEDB - позволяет PI System принимать запросы аналогично реляционным базам данных.  Функция представления информации пользователям (руководителям и специалистам предприятия) в PI System реализуется с помощью клиентских приложений. Стандартные программы позволяют пользователю, не прибегая к помощи программистов, разрабатывать экранные формы с графическим и табличным представлением информации в удобном для себя виде. При этом доступна вся собранная и обработанная информация, хранящаяся в PIсервере, независимо от ее источника и типа. PI ProcessBook (PI-PB) – клиентское приложение, служащее для отображения информации, хранящейся в PI DataStorage и в других источниках данных. Для быстрой оценки состояния производства приложение позволяет создавать и отображать настраиваемые мнемосхемы и тренды. Переключение между режимами разработки и просмотра производится простым щелчком мыши. Скорость извлечения данных из PI DataStorage очень высока и не зависит от количества одновременно работающих клиентов и того, что они работают с одними и теми же данными. Для расширения возможностей в PI-PB встроен Visual Basic for Application (VBA). PI DataLink - часто используемое клиентское приложение. Оно позволяет применять для анализа данных электронные таблицы Excel. DataLink выводит данные в электронную таблицу и позволяет просматривать их известными средствами Excel. Данное приложение удобно для формирования различных отчетов. PI-Manual Logger (PI-ML) - приложение, предназначенное для ручного ввода данных (лабораторных данных, показаний приборов без стандартного выходного сигнала) в архив PI System. Данные могут вводиться из текстовых файлов и с переносных терминалов HHT (Нand Нeld Terminals), роль которых могут выполнять миниатюрные компьютеры класса Palm Top или другие устройства. PI Batch View (PI-PC&PI-PB Add-in) - приложение, позволяющее просматривать периодические процессы, главным образом при производстве продукции партиями (резервуары, смешение). Программное обеспечение позволяет выделять партии продукции в архиве по их идентификаторам, просматривать ход процесса производства партии продукта, сравнивать между собой графики, соответствующие конкретным партиям, сравнивать партии с некоторыми «эталонными», формировать отчеты по установкам, партиям и группам партий. PI Active View - предназначен для просмотра PI-архива и выборки данных через Интернет. 4.2. Система поддержки принятия решений в транспорте нефти на базе PI System Участок нефтепровода Лазарево-Горький протяженностью 400 км эксплуатируется транспортным предприятием Верхневолжский магистральный нефтепровод (ВВНП). В состав этого объекта управления входят пять нефтеперекачивающих станций (НПС), узлы учета и другие технологические объекты. Источниками производственно-технологических данных для СППР являются: 1. Система диспетчерского контроля и управления (СДКУ) «Сириус». 2. Автоматизированная система контроля и исполнения договоров с поставщиками и потребителями «АСКИД». 3. Система сбора данных c узлов коммерческого учета электрической энергии «Энергия-Модем». Одной из главных задач, решаемой в системе, является задача объединения всей информации, находящейся в локальных системах автоматизации, действующих на уровне конкретных установок и технологических процессов. Системы управления различными объектами нефтепровода (НПС, линейные участки, узлы учета и т. д.) реализованы на базе программно телемеханического комплекса «Сириус» Российской фирмы ВИРА Реалтайм. СДКУ «Сириус» обеспечивает оперативный диспетчерский контроль и управление технологическим процессом перекачки нефти, реализуя при этом следующие функции: - дистанционное управление магистральными и подпорными агрегатами НПС, задвижками, деблокировкой защит, вспомогательными системами НПС; - автоматический сбор телесигналов о состоянии НПС, магистральных и подпорных агрегатов, задвижек, вспомогательных систем; - автоматическое отображение телесигналов на мониторах (мнемосхемы); - автоматический сбор (циклический и по запросу) аналоговых сигналов измерения давления в нефтепроводе и на НПС, мощности и нагрузок магистральных и подпорных агрегатов с отображением на мнемосхемах; - формирование общего журнала оперативных сообщений (ТС, ТУ) с указанием даты и времени события; - формирование документов для вывода на печать: оперативных сообщений, сменных и суточных диспетчерских листов (по регламенту или по запросу). Информация с объектов управления собирается в территориальном диспетчерском пункте (ТДП), находящемся в Нижнем Новгороде. Этот уровень управления реализован на базе программного обеспечения Сириус QNX. Хотя в электронном виде имеется информация о параметрах функционирования практически всех технологических объектов, существующая система управления не обеспечивает накопления этой информации с целью ее использования производственными службами. Поскольку каждая АСУ имеет свою структуру, архитектуру и принципы функционирования, то для использования информации реального времени прежде всего необходимо решить задачу получения и унификации данных, а затем - ее представления специалистам. Целью создания СППР является обеспечение руководства и специалистов ОАО ВВМН достоверной информацией реального времени, необходимой для контроля ключевых показателей деятельности и оперативного управления процессами транспорта нефти, автоматизированного анализа производственной информации с выдачей рекомендаций по ведению производственных процессов в соответствии с принятыми регламентами, алгоритмами, математическими моделями производства и экспертными знаниями. СППР должна обеспечить: - автоматический сбор информации реального времени (значений параметров технологических процессов) посредством интерфейсов к функционирующим АСУТП; - ручной ввод данных о состоянии технологических процессов на объектах, не оборудованных программно-аппаратными средствами АСУТП; - долговременное и надежное хранение данных в течение нескольких лет в едином хранилище (базе данных реального времени) на жестких дисках сервера и других носителях электронной информации; - стандартный унифицированный доступ к данным:  пользователям - посредством клиентских приложений;  внешним автоматизированным системам - посредством интерфейса прикладного программирования или стандартных интерфейсов OPC, ODBC, OLEDB; - автоматическую обработку и экспертный анализ значений параметров технологических процессов в соответствии с утвержденными алгоритмами и регламентами; - оперативное планирование работ по устранению причин возникновения ошибок измерений параметров, выдачу рекомендаций по ведению производственных процессов в соответствии с принятыми решениями. Архитектура СППР приведена на рис. 5. Рис. 5. Архитектура системы поддержки принятия решения. В СППР разнородная информация от разных типов источников объединяется в архиве PI-сервера. В рамках системы поддержки принятия решения предполагается решение целого ряда задач. В данном примере предлагается рассмотреть одну из них - разработку АРМ технолога и АРМ энергетика. Назначение АРМов - представление специалистам всей необходимой информации и обеспечение интеллектуальной обработки данных, их анализа по утвержденным алгоритмам и регламентам. В рамках организации АРМ технолога реализован следующий комплекс задач:  Отображение данных о текущем состоянии технологического оборудования нефтепровода.  Отображение данных о текущей наработке технологического оборудования нефтепровода с начала календарного месяца.  Вычисление стабильных режимов работы магистральных агрегатов.  Вычисление стабильных режимов работы линейных участков трубопровода.  Непрерывный расчет эффективного сечения линейных участков трубопровода.   Расчет и построение напорной характеристики магистральных агрегатов за произвольный промежуток времени. Расчет и построение характеристики КПД магистральных агрегатов за произвольный промежуток времени. Для реализации задач использовались следующие клиентские приложения PI System: 1. PI Process book (для отображения мнемосхем и навигации по ним, построения трендов); 2. PI Module Database Editor (для построения дерева объектов АРМ Технолога, а также для организации взаимодействия между экранными формами); 3. PI DataLink и PI-SMT (для организации связи между СППР PI System и документами Microsoft Excel при построении отчетов); 4. Подсистема обработки данных PI Totalizer (для расчета средних и накопленных значений); 5. Вычислительная подсистема PI ACE (для ввода плановых значений). Пример одной из форм отображения АРМ технолога - напорных характеристик агрегата и характеристик КПД, выполненной в клиентском приложении PI Process book, представлена на рис. 6. 23 Рис. 6. Пример экранной формы для АРМ технолога. 216 Функциональные возможности интерфейса:  Выбор насосной станции и магистрального агрегата для анализа и расчета.  Задание временного интервала расчета.  Задание цвета серии точек.  Расчет и отображение в графическом и табличном виде точек статистики по напорной характеристике и характеристике КПД.  Масштабирование графика автоматическое и ручное.  Поточечное прохождение графика.  Печать графика и таблицы.  Расчет коэффициентов аппроксимации кривых напорной характеристики и характеристики КПД.  Отображение аппроксимированных кривых напорной характеристики и характеристики КПД на одном графике.  Расчет эффективного сечения трубопровода.  Отображение на одном графике точек разных серий (выборок) для анализа.  Редактирование (удаление и добавление) точек в результаты выборок.  Графическое отображение текущего состояния магистральных агрегатов и тегов-индикаторов стабильности. В рамках организации АРМ энергетика реализованы следующие задачи: 1. Просмотр мнемосхем энергоснабжения НПС, с отображением состояний насосных агрегатов и масляных выключателей (PI Process book). 2. Просмотр показаний счетчиков энергопотребления, установленных на вводах, насосных агрегатах, высоковольтных линиях и трансформаторах собственных нужд НПС. Показания счетчиков отображаются в форме трендов, с периодом обновления информации 30 минут (PI Process book). 3. Обнаружение расхождений между показаниями счетчиков энергопотребления насосных агрегатов и датчиками активной мощности насосных агрегатов с целью выявления недостоверных данных (PI Process book). 4. Выявление расхождений между плановым и фактическим суточным энергопотреблением НПС. 5. Автоматическое заполнение отчетных форм Microsoft Excel по плановому и фактическому энергопотреблению НПС на произвольную дату (PI DataLink). 6. Отображение динамики процессов изменения параметров энергопотребления за произвольный промежуток времени с произвольной скоростью. Пример отображения сводной формы суточных значений счетчиков энергопотребления НПС «Килемары» и формы состояния магистрального 217 агрегата №2 НПС «Килемары», выполненных в клиентском приложении PI Process book, представлен на рис. 7. Рис. 7. Сводная форма суточных значений счетчиков энергопотребления НПС «Килемары». В интерфейс АРМ энергетика включены также сводные формы получасовых значений счетчиков энергопотребления, с нарастающим итогом (с начала месяца) по каждой НПС, формы по сравнительному энергопотреблению магистральных агрегатов в виде трендов и т. п.