Учет фактора неопределенности

При прогнозных оценках затрат и результатов никогда нельзя быть до конца уверенным в их точности. В связи с этим целесообразно учитывать неопределенность ситуации. Существует достаточное количество сложных математических методов учета неопределенности, связанных с применением теории вероятностей, теории нечетких множеств и других средств. Мы ограничимся простейшей моделью, которую может на практике применить каждый человек, не обладающий специальным математическим образованием.

Суть метода состоит в переходе от точечных оценок затрат и результатов к интервальным. Грубо говоря, вместо точной количественной оценки мы задаем некий диапазон, в который с большой степенью вероятности должна попасть прогнозируемая величина результатов или затрат. Далее используется принцип минимакса, т.е. мы определяем экономическую эффективность автоматизации при минимальных результатах и максимальных затратах. Если даже в этом случае эффект положительный, то вполне очевидно, что проект рентабельный. Если же эффект отрицательный, то возможно два пути: либо считать автоматизацию нерациональной, либо пересмотреть границы диапазонов и попробовать оценить эффективность еще раз.

Сравнение вариантов автоматизации

Сравнительная оценка экономической эффективности различных вариантов автоматизации предполагает наличие ряда альтернативных стратегий, принципиально различных между собой. Как и при оценке абсолютной эффективности, основными параметрами оценки здесь выступают сопоставимые затраты и результаты. Ниже рассматриваются простейшие подходы к оценке эффективности по вариантам.

Допустим сначала, что сумма затрат на автоматизацию фиксирована. Тогда можно считать, что по всем альтернативам затраты просто одинаковы (это не совсем так, но неполное исполнение бюджета на автоматизацию будем условно считать недостатком, а оставшиеся неизрасходованными деньги условно списывать как штраф) и их можно не рассматривать. Тогда наиболее эффективный вариант автоматизации выбирается из множества альтернатив по наилучшему результату из совокупности обоснованных прогнозов результатов с учетом неопределенности и риска. Иными словами, лучший вариант тот, который дает максимальный эффект при самом неблагоприятном прогнозе.

Допустим теперь обратную ситуацию, при которой результаты автоматизации по всем вариантам одинаковы. Тогда критерием выбора наиболее эффективного варианта будет минимум затрат при самом наихудшем прогнозе (используем принцип минимакса).

Рассмотрим теперь общий случай, когда и затраты, и результаты по вариантам неодинаковы. Здесь возможно два принципиально разных пути сравнения: можно выбирать оптимальный вариант автоматизации либо по лучшей разнице результатов и затрат (при этом каждая альтернатива анализируется сначала отдельно), либо по лучшему отношению результатов к затратам. Вообще говоря, расчеты экономической эффективности для альтернативных вариантов автоматизации с учетом множества разнообразных параметров являются весьма непростой задачей, с которой довольно трудно справиться, не имея достаточной квалификации. Поэтому авторы сочли возможным ограничиться в данной книге кратким изложением подходов к решению этих задач и иллюстрацией этих подходов на простейших примерах. Дальнейшее движение в этом направлении читатели могут провести самостоятельно, изучая литературу по теме или обучаясь у квалифицированных специалистов. Тем не менее, мы считали полезным поставить проблему оценки эффективности автоматизации предприятий и предостеречь читателей от самых грубых и самых распространенных ошибок.

113. Состав и основные функциональные модули SCADA-систем

SCADA (supervisory control and data acquisition, диспетчерское управление и сбор данных) — программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления. SCADA может являться частью АСУ ТП, АСКУЭ, системы экологического мониторинга, научного эксперимента, автоматизации здания и т. д. SCADA-системы используются во всех отраслях хозяйства, где требуется обеспечивать операторский контроль за технологическими процессами в реальном времени. Данное программное обеспечение устанавливается на компьютеры и, для связи с объектом, использует драйверы ввода-вывода или OPC/DDE серверы. Программный код может быть как написан на языке программирования (например на C++), так и сгенерирован в среде проектирования.

Иногда SCADA-системы комплектуются дополнительным ПО для программирования промышленных контроллеров. Такие SCADA-системы называются интегрированными и к ним добавляют термин SoftLogic.

Термин «SCADA» имеет двоякое толкование. Наиболее широко распространено понимание SCADA как приложения, то есть программного комплекса, обеспечивающего выполнение указанных функций, а также инструментальных средств для разработки этого программного обеспечения. Однако, часто под SCADA-системой подразумевают программно-аппаратный комплекс.

Значение термина SCADA претерпело изменения вместе с развитием технологий автоматизации и управления технологическими процессами. В 80-е годы под SCADA-системами чаще понимали программно-аппаратные комплексы сбора данных реального времени. С 90-х годов термин SCADA больше используется для обозначения только программной части человеко-машинного интерфейса АСУ ТП.

Основные задачи, решаемые SCADA-системами

SCADA-системы решают следующие задачи:

• Обмен данными с «устройствами связи с объектом», то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.

• Обработка информации в реальном времени.

• Логическое управление.

• Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.

• Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.

• Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.

• Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.

• Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.

• Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.). В системе управления предприятием такими приложениями чаще всего являются приложения, относимые к уровню MES.

SCADA-системы позволяют разрабатывать АСУ ТП в клиент-серверной или в распределённой архитектуре.

Основные компоненты SCADA

SCADA—система обычно содержит следующие подсистемы:

• Драйверы или серверы ввода-вывода — программы, обеспечивающие связь SCADA с промышленными контроллерами, счётчиками, АЦП и другими устройствами ввода-вывода информации.

• Система реального времени — программа, обеспечивающая обработку данных в пределах заданного временного цикла с учетом приоритетов.

• Человеко-машинный интерфейс (Human Machine Interface) — инструмент, который представляет данные о ходе процесса человеку оператору, что позволяет оператору контролировать процесс и управлять им. Программа-редактор для разработки человеко-машинного интерфейса.

• Система логического управления — программа, обеспечивающая исполнение пользовательских программ (скриптов) логического управления в SCADA-системе. Набор редакторов для их разработки.

• База данных реального времени — программа, обеспечивающая сохранение истории процесса в режиме реального времени.

• Система управления тревогами — программа, обеспечивающая автоматический контроль технологических событий, отнесение их к категории нормальных, предупреждающих или аварийных, а также обработку событий оператором или компьютером.

• Генератор отчетов — программа, обеспечивающая создание пользовательских отчетов о технологических событиях. Набор редакторов для их разработки.

• Внешние интерфейсы — стандартные интерфейсы обмена данными между SCADA и другими приложениями. Обычно OPC, DDE, ODBC, DLL и т. д.

Концепции систем

Термин SCADA обычно относится к централизованным системам контроля и управления всей системой, или комплексами систем, осуществляемого с участием человека. Большинство управляющих воздействий выполняется автоматически. Непосредственное управление процессом обычно обеспечивается RTU или PLC (Программи́руемый логи́ческий контро́ллер), а SCADA управляет режимами работы. Например, PLC может управлять потоком охлаждающей воды внутри части производственного процесса, а SCADA система может позволить операторам изменять уставки для потока, менять маршруты движения жидкости, заполнять те или иные ёмкости, а также следить за тревожными сообщениями (алармами), такими как — потеря потока и высокая температура, которые должны быть отображены, записаны, и на которые оператор должен своевременно реагировать. Цикл управления с обратной связью проходит через RTU или ПЛК, в то время как SCADA система контролирует полное выполнение цикла.

Сбор данных начинается в RTU или на уровне PLC и включает — показания измерительного прибора. Далее данные собираются и форматируются таким способом, чтобы оператор диспетчерской, мог принять контролирующие решения — корректировать или прервать стандартное управление средствами RTU/ПЛК. Данные могут также быть записаны в архив для построения трендов и другой аналитической обработки накопленных данных.

114. Состав и основные функциональные модули MES-систем

MES (Manufacturing Execution System, система управления производственными процессами) — специализированное прикладное программное обеспечение, предназначенное для решения задач синхронизации, координации, анализа и оптимизации выпуска продукции в рамках какого-либо производства. MES-системы относятся к классу систем управления уровня цеха.

Стандарты MES

Международная ассоциация производителей и пользователей систем управления производством определила в 1994 году модель MESA-11, а в 2004 году модель c-MES, которые дополняют модели и стандарты управления производством и производственной деятельностью, сформировавшиеся за последние десятилетия:

1. Стандарт ISA95, «Интеграция систем управления предприятием и технологическим процессом» («Enterprise-Control System Integration»), который определяет единый интерфейс взаимодействия уровней управления производством и компанией и рабочие процессы производственной деятельности отдельного предприятия.

2. Стандарт ISA88, «Управление периодическим производством» («Batch Control»), который определяет технологии управления периодическим производством, иерархию рецептур, производственные данные.

3. Сообщество Открытых Приложений (Open Applications Group, OAG): некоммерческое промышленное сообщество, имеющее своей целью продвижение концепции функциональной совместимости между бизнес-приложениями и разработку стандартов бизнес-языков для достижения указанной цели.

4. Модель процессов цепочки поставок (Supply-Chain Operations Reference, SCOR): референтная модель для управления процессами цепочки поставок, связывающая деятельность поставщика и заказчика. Модель SCOR описывает бизнес-процессы для всех фаз выполнения требований заказчика. Раздел SCOR «Изготовление» («Make») посвящён, в основном, производству.

Положения работы MES

Положения работы MES- включают в себя:

1. Активация производственных мощностей на основе детального пооперационного планирования производства

2. Отслеживание производственных мощностей

3. Сбор информации, связанной с производством от

   1. Систем автоматизации производственного процесса

   2. Датчиков

   3. Оборудования

   4. Персонала

   5. Программных систем

4. Отслеживание и контроль параметров качества

5. Обеспечение персонала и оборудования информацией, необходимой для начала процесса производства

6. Установление связей между персоналом и оборудованием в рамках производства

7. Установление связей между производством и поставщиками, потребителями, инженерным отделом, отделом продаж и менеджментом

8. Реагирование на

   1. Требования по номенклатуре производства

   2. Изменение компонентов, сырья и полуфабрикатов, применяемых в процессе производства

   3. Изменение спецификации продуктов

   4. Доступность персонала и производственных мощностей

9. Гарантирование соответствия применимым юридическим актам, например нормам Food and Drug Administration (FDA) США

10. Соответствие вышеперечисленным индустриальным стандартам.

Функции MES-11

1. RAS (Resource Allocation and Status) — Контроль состояния и распределение ресурсов. Управление ресурсами: технологическим оборудованием, материалами,персоналом, обучением персонала, а также другими объектами, такими как документы, которые должны быть в наличии для начала производственной деятельности. Обеспечивает детальную историю ресурсов и гарантирует, что оборудование соответствующим образом подготовлено для работы. Контролирует состояние ресурсов в реальном времени. Управление ресурсами включает резервирование и диспетчеризацию, с целью достижения целей оперативного планирования.

2. ODS (Operations/Detail Scheduling) — Оперативное/Детальное планирование. Обеспечивает упорядочение производственных заданий, основанное на очередности, атрибутах, характеристиках и рецептах, связанных со спецификой изделий таких как: форма, цвет, последовательность операций и др. и технологией производства. Цель — составить производственное расписание с минимальными перенастройками оборудования и параллельной работой производственных мощностей для уменьшения времени получения готового продукта и времени простоя.

3. DPU (Dispatching Production Units) — Диспетчеризация производства. Управляет потоком единиц продукции в виде заданий, заказов, серий, партий и заказ-нарядов. Диспетчерская информация представляется в той последовательности, в которой работа должна быть выполнена, и изменяется в реальном времени по мере возникновения событий на цеховом уровне. Это дает возможность изменения заданного календарного плана на уровне производственных цехов. Включает функции устранение брака и переработки отходов, наряду с возможностью контроля трудозатрат в каждой точке процесса с буферизацией данных.

4. DOC (Document Control) — Управление документами. Контролирует содержание и прохождение документов, которые должны сопровождать выпускаемое изделие, включая инструкции и нормативы работ, способы выполнения, чертежи, процедуры стандартных операций, программы обработки деталей, записи партий продукции, сообщения о технических изменениях, передачу информации от смены к смене, а также обеспечивает возможность вести плановую и отчётную цеховую документацию. Также включает инструкции по безопасности, контроль защиты окружающей среды, государственные и необходимые международные стандарты. Хранит историю прохождения и изменения документов.

5. DCA (Data Collection/Acquisition) — Сбор и хранение данных. Взаимодействие информационных подсистем в целях получения, накопления и передачи технологических и управляющих данных, циркулирующих в производственной среде предприятия. Функция обеспечивает интерфейс для получения данных и параметров технологических операций, которые используются в формах и документах, прикрепляемых к единице продукции. Данные могут быть получены с цехового уровня как вручную, так и автоматически от оборудования, в требуемом масштабе времени.

6. LM (Labor Management) — Управление персоналом. Обеспечивает получение информации о состоянии персонала и управление им в требуемом масштабе времени. Включает отчетность по присутствию и рабочему времени, отслеживание сертификации, возможность отслеживания непроизводственной деятельности, такой, как подготовка материалов или инструментальные работы, в качестве основы для учета затрат по видам деятельности (activity based costing, ABC). Возможно взаимодействие с функцией распределения ресурсов, для формирования оптимальных заданий.

7. QM (Quality Management) — Управление качеством. Обеспечивает анализ в реальном времени измеряемых показателей, полученных от производства, для гарантированно правильного управления качеством продукции и определения проблем, требующих вмешательства обслуживающего персонала. Данная функция формирует рекомендации по устранению проблем, определяет причины брака путём анализа взаимосвязи симптомов, действий персонала и результатов этих действий. Может также отслеживать выполнение процедур статистического управления процессом и статистического управления качеством продукции (SPC/SQC), а также управлять выполнением лабораторных исследований параметров продукции. Для этого в состав MES добавляются лабораторные информационно-управляющие системы (LIMS).

8. PM (Process Management) — Управление производственными процессами. Отслеживает производственный процесс и либо корректирует автоматически, либо обеспечивает поддержку принятия решений оператором для выполнения корректирующих действий и усовершенствования производственной деятельности. Эта деятельность может быть как внутриоперационной и направленной исключительно на отслеживаемые и управляемые машины и оборудование, так и межоперационной, отслеживающей ход процесса от одной операции к другой. Она может включать управление тревогами для обеспечения гарантированного уведомления персонала об изменениях в процессе, выходящих за приемлемые пределы устойчивости. Она обеспечивает взаимодействие между интеллектуальным оборудованием и MES, возможное благодаря функции сбора и хранения данных.

9. MM (Maintenance Management) — Управление техобслуживанием и ремонтом. Отслеживает и управляет обслуживанием оборудования и инструментов. Обеспечивает их работоспособность. Обеспечивает планирование периодического и предупредительного ремонтов, ремонта по состоянию. Накапливает и хранит историю произошедших событий (отказы, уменьшение производительности и др.) для использования в диагностировании возникших и предупреждения возможных проблем.

10. PTG (Product Tracking and Genealogy) — Отслеживание и генеалогия продукции. Обеспечивает возможность получения информации о состоянии и местоположении заказа в каждый момент времени. Информация о состоянии может включать данные о том, кто выполняет задачу, компонентах, материалах и их поставщиках, номере лота, серийном номере, текущих условиях производства, а также любые тревоги, данные о повторной обработке и другие события, относящиеся к продукту. Функция отслеживания в реальном времени создает также архивную запись. Эта запись обеспечивает отслеживаемость компонентов и их использование в каждом конечном продукте.

11. PA (Performance Analysis) — Анализ производительности. Обеспечивает формирование отчетов о фактических результатах производственной деятельности, сравнение их с историческими данными и ожидаемым коммерческим результатом. Результаты производственной деятельности включают такие показатели, как коэффициент использования ресурсов, доступность ресурсов, время цикла для единицы продукции, соответствие плану и соответствие стандартам функционирования. Может включать статистический контроль качества процессов и продукции (SPC/SQC). Систематизирует информацию, полученную от разных функций, измеряющих производственные параметры. Эти результаты могут быть подготовлены в форме отчета или представлены в реальном времени в виде текущей оценки эксплуатационных показателей.

По состоянию на 2004 год, функции, относящиеся к составлению производственных расписаний (ODS), управлению ТО и ремонтами (MM), а также цеховому документообороту (DOC) — функции, востребованные в дискретных производствах — были исключены из базовой модели MESA-11 применительно к процессным производствам. Разработка новой модели Collaborative Manufacturing Execution System (c-MES) была вызвана тем фактом, что при управлении процессными производствами и цепочками поставок надёжный обмен информацией между несколькими системами необходим гораздо чаще, чем обмен между несколькими уровнями одной системы. В предыдущем поколении MES основное внимание уделялось обеспечению информацией пользователей из числа оперативного персонала, таких как диспетчеры, операторы или менеджеры. Для совместного использования информации с другими была разработана модель c-MES. Она дает возможность получить полную картину происходящего, необходимую для принятия решений. В частности, при управлении цепочками поставок и принятии решений c-MES предоставляет информацию о возможностях производства («что»), производительности («сколько»), расписании («когда») и качестве («доступный уровень»).

Кроме того, с 1994 по 2004 год появились информационные системы, реализующие исключённые функциональные возможности:

• Advanced Planning & Scheduling (APS) — решают задачи составления производственных расписаний в рамках всего предприятия,

• Enterprise Asset Management (EAM) — отвечает за управление техническим обслуживанием и ремонтами.

В зависимости от характера, масштаба и особенностей производственных структур и самих систем, существуют различные комбинации сочетаний корпоративных систем ERP, APS и MES в общей структуре системы управления предприятием.