2.4.1. Решения корпорации Siemens

На современном рынке программных средств АСУТП/АСУП, по вполне понятным, исторически сложившимся причинам, лидерство в области технологий «интеллектуальных предприятий» принадлежит фирмам-производителям, которые на текущий момент имеют в своем активе развитые, широко известные SCADA-системы.

На рис.24 концепция «интеллектуального предприятия» иллюстрируется на примере модели фирмы Siemens.

В данной модели структурно выделяются уровни АСУТП (на рис.24 - нижний), АСУП (средний, MES) и ERP (верхний). АСУТП и АСУП информационно связываются на базе сервера архивирования технологических данных, входящего в состав SCADA-системы WinCC. Среди существенных (в рамках концепции) обобщенных классов функций в модели выделяются управление поставками (Supply chain management – SCM) и планирование (scheduling) на ERP-уровне, а также анализ производительности (Performance analysis) и эксплуатационное обслуживание (maintenance) на MES-уровне. Функции уровня АСУТП считаются традиционными.

Рис.24. Концепция «интеллектуального предприятия» Siemens.

На всех трех уровнях – ERP (Enterprise Resource Planning), MIS/MES (Management Information System / Manufacturing Execution System) и АСУТП, – задачи систематизации, анализа, обработки и представления данных, а также извлечения и последующего использования знаний о процессах являются необходимым условием эффективного управления, как на операторских местах технологического контура, так и на рабочих местах «управленцев» различных вышестоящих уровней. Причем, каждое из рабочих мест может поддерживаться специфическим набором информационных и функциональных сервисов.

В проектах фирмы Siemens основой реализации концепций ИП является линия продуктов (SCADA-систем) SIMATIC WinCC (версии 6.0 и выше).

В версии 6.2 базовыми компонентами SIMATIC WinCC являются следующие.

• WinCC Explorer - быстрый обзор всех данных проекта, глобальных установок, запуска редакторов и режима Runtime, конфигурация системы “Клиент-сервер”.

• Graphics Designer – разработка мнемосхем с помощью стандартных элементов, ActiveX-объектов, объектов из встроенной библиотеки. Динамика может задаваться с помощью прямой привязки к тегам, динамических диалогов, визардов, скриптов на языке ANSI C или VBS.

• Alarm Logging - сбор и архивация сообщений. WinCC поддерживает два метода генерации сообщений: с помощью тегов ПЛК и в виде пакетов сообщений (штамп времени ПЛК). Сообщения могут генерировать звуковые сигналы.

• Tag Logging – сбор, архивирование и сжатие измеряемых величин. База данных основана на MS SQL Server. Архивация производится циклически, или управляется событиями в системе. Может производиться архивация отдельных тегов или целиком блоков данных ПЛК. Данные из архива могут отображаться в виде кривых или таблиц. Возможно создание долговременных архивов данных.

• Report Designer – генерация отчетов в свободно программируемом формате, управляемая событиями или по времени. Возможна генерация протоколов сообщений, измеряемых величин и пользовательских отчетов. В отчет можно включать данные из CSV-файлов и баз данных. Возможен предварительный просмотр отчетов и сохранение их в файл.

• Global Scripts – программирование действий, производимых с графическими объектами, а также скриптов, выполняющихся в фоновом режиме, на языках ANSI-C или Visual Basic Scripts. Можно подключать динамические библиотеки DLL и работать с ActiveX объектами.

• Menus & Toolbars – редактор, позволяющий создавать пользовательские меню и панели инструментов для мнемосхем и всплывающих окон.

• User Administrator - средство управления правами доступа пользователей.

• Basic Process Control – набор инструментов, таких как автопостроение иерархии мнемосхем, синхронизация времени в системе, конфигурация проектов с несколькими мониторами, автопостроение экрана диагностики и др.

Опциональные компоненты WinCC:

WinCC/Server предназначен для построения распределенных архитектур клиент/сервер. Один сервер позволяет обеспечить доступ до 32 клиентов к оперативным и архивным данным, сообщениям, мнемосхемам и отчетам через сеть Ethernet TCP/IP. В зависимости от задачи в единой системе допускается применять до 12 серверов (возможно, резервированных).

WinCC/Redundancy позволяет организовать параллельную работу 2-х одноместных систем WinCC, 2-х WinCC SCADA-серверов или 2-х WinCC архивных серверов с функцией взаимного мониторинга. Каждая станция имеет свой набор связей с ПЛК и свои архивы. При сбое в работе одной из WinCC станций управление системой передается резервной станции. В структурах клиент/сервер обеспечивается автоматическое переключение клиентов на резервный сервер, непрерывная работа оперативного управления всех WinCC станций. Механизм переключения на резервную станцию исключает возможность потери данных. После устранения неисправностей автоматически выполняется синхронизация работы резервированной пары WinCC станций с передачей данных (данные процесса, архивы, пользовательские архивы, сообщения) из памяти работавшей станции в память включенной станции. Копирование данных в память восстановленной станции выполняется в фоновом режиме и не влияет на работу станций операторов.

WinCC/Central Archive Server (CAS) V6.2 предназначен для централизованного архивирования данных всех серверов. Архивы переменных и сообщений ведутся на WinCC-серверах, и по завершении сегмента передаются на CAS. С клиентов обеспечивается прозрачный доступ к данным как серверов WinCC, так и CAS.

WinCC/UserArchives предназначен для построения архивов пользователя с произвольной структурой и управления записью/чтением в/из них. Такие архивы могут применяться для реализации процедур рецептурного управления, хранения каких-либо связанных данных. WinCC и ПЛК (например, SIMATIC S7 выполняют запись данных в архивы, а, при необходимости, могут обмениваться этими данными между собой). Пользователь получает возможность вводить параметры рецепта в WinCC, сохранять их в архиве пользователя и пересылать задания на уровень систем автоматизации. С другой стороны, ПЛК могут выполнять сбор данных в течение заданного промежутка времени (например, смены) и посылать их в пакетном виде в WinCC. Специальный ActiveX элемент позволяет производить в Runtime интерактивный просмотр содержимого архивов в табличном виде, редактирование, импорт и экспорт записей. Данные также могут быть представлены в виде свободно разрабатываемой формы.

WinCC/Web Navigator поддерживает исчерпывающий набор функций оперативного управления и мониторинга предприятия через Internet, Intranet или локальную сеть. Конфигурация системы на основе WinCC и WinCC/Web Navigator включает в свой состав:

- Web-сервер на основе однопользовательской станции WinCC, WinCC клиента или WinCC сервера;

- Web-клиент, выполняющий функции оперативного управления и мониторинга через Internet браузер с поддержкой элементов управления ActiveX. Базовое программное обеспечение WinCC на Web-клиенте не нужно.

Установка Web-сервера может производиться на мультиклиента распределенной системы. В этом случае Web клиенты получают доступ к данным нескольких (до 12) WinCC серверов. В резервированных конфигурациях на основе WinCC/Redundancy Web-клиенты переключаются в этом случае на работающий сервер вместе с мультиклиентом и его WEB-сервером. Поддерживается управление пользователями WinCC. Поддержка SIMATIC Logon осуществляется, начиная с версии WinCC 6.2. Обеспечивается доступ к пользовательским архивам. Могут исполняться С- и VB-скрипты для реализации функций пользователя.

WinCC/DataMonitor применяется для отображения и анализа состояния техпроцесса, архивных данных и отчетов на любом офисном ПК, оснащенном стандартным набором инструментов, таких как Internet Explorer и Excel. WinCC/DataMonitor включает в свой состав набор Internet-совместимых инструментальных средств:

- Process Screens – просмотр мнемосхем WinCC при помощи Internet Explorer (WebNavigator без управления);

- Trends&Alarms – отображение и анализ архивных данных WinCC, экспорт данных из Internet Explorer;

- Excel Workbooks – разработка отчетов и анализ данных в MS Excel. Публикация отчетов в WEB;

- Reports – запуск формирования отчетов по событию или по расписанию в форматах Excel или PDF;

- WebCenter – построение Internet портала, как центральной точки доступа ко всем данным WinCC.

IndustrialDataBridge устанавливает соединения между интерфейсами источника и приемника данных и обеспечивает передачу данных между ними. Источники и приемники данных:

- OPC Data Access (например, WinCC, WinAC и SIMATIC NET, выступающие в роли OPC сервера);

- Базы данных SQL / OLE-DB / ODBC (MS Access, MS SQL 2000, Oracle, WinCC UserArchive);

- SEND/RECEIVE;

- WinCC OLE-DB Provider (только как источник);

- MS Excel, CSV файл (только как приемник).

Передача данных осуществляется циклически, по изменению или по событию. IndustrialDataBridge может работать независимо от WinCC, в т.ч. как NT-сервис.

WinCC/Connectivity Pack

WinCC V6 характеризуется наличием открытых интерфейсов OPC HDA (Historical Data Access), OPC A&E (Alarm&Events), WinCC OLE-DB, необходимых для доступа к текущим данным и базе данных WinCC. ConnectivityPack предоставляет все нужные компоненты: OPC HDA, A&E, XML-DA и WinCC OLE-DB Provider.

WinCC/Connectivity Station является расширением ConnectivityPack и предназначена для доступа к данным WinCC с ПК, не имеющего инсталляции WinCC. Обеспечивается прозрачный доступ к данным дублированных серверов и CAS. Проектирование ConnectivityStation производится на NCM PC или SIMATIC Manager.

WinCC/Maintenance Station 2007 – предназначена для диагностики систем, построенных на базе STEP7 и WinCC. Экраны диагностики генерируются из аппаратной конфигурации STEP7. Прочие Ethernet устройства подключаются через Simatic NET SNMP OPC сервер.

WinCC/ODK – это набор библиотек и примеров, позволяющий использовать открытые программируемые интерфейсы для доступа к данным и функциям WinCC. Открытые интерфейсы WinCC/ODK позволяют разрабатывать собственные приложения и дополнения для базового программного обеспечения WinCC.

SIMATIC Logon предназначен для централизованного, общепроизводственного управления пользователями, интегрированного в систему управления пользователями Windows. Администраторы могут создавать и отключать пользователей в масштабах всей компании.

WinCC/Audit реализует защищенный журнал слежения как за изменениями в конфигурации проекта, так и за действиями операторов. В систему слежения могут быть включены любые элементы интерфейса пользователя, а также таблицы UserArchive. Контроль версий проекта упрощает документирование, создание промежуточных версий проекта и предоставляет функцию отката.

WinCC/IndustrialX позволяет разрабатывать типовые ActiveX объекты, гибко конфигурируемые под требования отрасли промышленности, для которой они предназначены. Например, они могут быть адаптированы для проектов химической промышленности, производства стекла и бумаги и т.д.

WinCC/ProAgent позволяет создавать мощные системы диагностики и поиска неисправностей в приложениях, построенных на основе ПЛК SIMATIC S7/WinAC и устройств визуализации SIMATIC HMI. Стандартная концепция диагностики всех компонентов SIMATIC. Оптимальное взаимодействие с пакетами STEP7, S7-Pdiag, S7-Graph и системами визуализации WinCC и WinCC flexible. При возникновении неисправностей ProAgent формирует сводную и детальную информацию о месте и причинах их появления, обеспечивает поддержку ее устранения.

Возможные обобщенные архитектуры ИП на базе SIMATIC WinCC иллюстрируют рис.25 и 26.

Рис.25. Номенклатура клиентов и базовая структура ИП на основе SIMATIC WinCC

Рис.26. Вариант архитектуры ИП на базе SIMATIC WinCC

Способность архитектур на базе WinCC поддерживать гибкие интерфейсы различного функционального профиля и свободно структурируемые информационные потоки, а также высокая степень «открытости» системы создают удачные предпосылки для непосредственной «интеллектуализации» производственных и бизнес-процессов (см. рис.27).

Рис.27. Интерфейсы WinCC на базе Connectivity Pack

На уровне базовых компонентов WinCC в качестве «шлюзов» с интеллектуальным ПО могут выступать такие компоненты, как Report Designer (оперативно-советующие и консультативные подсистемы), Global Scripts и Basic Process Control (интеллектуальные подсистемы произвольного функционального профиля).

Среди опциональных компонентов также можно выделить ряд средств, способных эффективно поддерживать выполнение интеллектуальных функций. Это WinCC/UserArchives (формирование и обслуживание архивов произвольной пользовательской структуры и гибкая систематизация данных, необходимая при работе интеллектуальных приложений), WinCC/Web Navigator (возможности интерактивного управления и мониторинга на базе Web и расширяемого набора ActiveX-компонентов), WinCC/DataMonitor (компонент Trends&Alarms – в части управления анализом архивных данных WinCC, компоненты Excel Workbooks и Reports – в части управления представлением данных потребителю), WinCC/ODK (поддержка гибких API с внешними приложениями), WinCC/IndustrialX (инструмент создания ActiveX-компонентов, совместимых с WinCC), WinCC/ProAgent (инструмент создания диагностических средств произвольного функционального профиля).

Особо следует отметить гибкость предоставляемых API – VBA, VBScript, ANSI-C, механизм ActiveX, которые полностью поддерживают работу с внутренними объектными моделями и базами данных WinCC. При этом обеспечиваются и все варианты сетевых и межсистемных взаимодействий – на базе OPC DA, OPC HDA, OPC XML DA, OPC A&E, WinCC OLE-DB возможна организация кроссплатформенных приложений (с различными операционными системами), Web-ориентированных распределенных прикладных систем, способных функционально и информационно связывать среду WinCC с офисными приложениями, системами MES- и ERP-уровней (в частности, поддерживаются сертифицированные интерфейсы с SAP R/3), B2B-порталами и т.д. (см. рис. 27). Соответственно, интеллектуализация тех или иных функций на любом из системных уровней может распространяться на произвольное множество подсистем ИП.

Т.о., средства SIMATIC WinCC способны поддержать многоуровневую интеграцию интеллектуального ПО в структуру соответствующего решения класса ИП. И это качественно новое свойство SIMATIC WinCC v.6x эффективно используется фирмой Siemens в рамках более «глобальных» проектных решений (несмотря на то, что базовой, минимальной функциональностью системы все же следует считать традиционную номенклатуру функций развитых SCADA-систем). К подобным разработкам в первую очередь относится концепция TIA – Total Integrated Automation («Полностью интегрированная автоматизация». В рамках данной концепции Siemens развивает линии продуктов SIMATIC PCS 7 (интегрированные системы АСУТП/АСУП), SIMATIC IT («полноценные» MES-системы) и др., которые в той или иной степени опираются на «инфраструктуру» WinCC (и функциональность др. собственных продуктов – например, STEP 7, тесно интегрированного с WinCC, и т.д.), а также идеологию ИП в целом.

SIMATIC PCS 7 является однородной, функционально полной интегрированной системой, соответствующей всем положениям TIA. Она гарантирует безусловное выполнение всех типовых требований к системам управления на всех этапах ее существования: от проектирования до практической эксплуатации:

• Простое и безопасное управление процессами;

• Удобство оперативного управления и визуализации;

• Эффективное, быстрое и однородное проектирование;

• Гибкое использование сетей полевого уровня;

• Возможность использования гибкого batch-управления;

• Открытость, возможность использования оборудования других производителей;.

• Широкое использование IT-технологий, непосредственное включение в среду ERP.

Система SIMATIC PCS7 включает в свой состав:

• Программируемые контроллеры SIMATIC S7-400;

• Системы распределенного ввода-вывода SIMATIC DP, построенные на основе станций ЕТ 200М/S/X/iSP;

• Промышленное программное обеспечение – систему разработки на языке STEP 7, включающую CFС, SFC, SCL и SIMATIC Manager;

• Системы человеко-машинного интерфейса SIMATIC HMI: рабочие станции и сервера на основе WinCC, Web клиенты на основе Internet Explorer;

• Промышленные сети SIMATIC NET: Industrial Ethernet и PROFIBUS;

• Пакет SIMATIC BATCH для рецептурных процессов;

• Программные интерфейсы с системами верхних уровней (SIMATIC IT, SAP R/3 и др.).

Среди функциональных возможностей системы могут быть особо выделены:

• Единая стратегия конфигурирования всех технических средств;

• Единые концепции навигации и обслуживания аварийных сообщений;

• Единая система мониторинга и диагностики;

• Интегрирование систем противоаварийной автоматики;

• Полное резервирование всех компонентов: от приборов полевого уровня до уровня интерфейса оператора;

• Импорта и экспорт данных из/в CAD/CAE системы;

• Поддержка batch-управления (программные средства SIMATIC BATCH, соответствующие ISAS88.01);

• Поддержка задач управления технической эксплуатацией (Asset Management) с использованием компонента PCS 7 Asset Management.

На базе PCS и WinCC разработано значительное количество интеллектуальных промышленных АСУ. Характерным примером является система Siemens VAiron (VAiron Process Optimization System – система оптимизации производственных процессов) для автоматизации металлургических предприятий, в состав которой входит многофункциональная ЭСРВ, разработанная совместно с австрийской фирмой Stahl. Функции этой ЭСРВ полностью охватывают весь контур управленческих задач АСУТП/АСУП. VAiron, совместно с решениями финской фирмы Ruukki (в настоящее время вошедшей в Siemens VAI под названием VAIF), использовались при автоматизации предприятий, суммарно выпускающих 10% всего мирового горячего металлопроката.

Основные уровни управления предприятием и соответствующие им средства VAiron схематично представлены на рис.28. Основанием «управленческой пирамиды» является система управления производственными процессами (Process Control System – PCS), объединенная со всеми прочими подсистемами VAiron общей информационной инфраструктурой, поддерживаемой системой управления информацией (Process Information Management). На базе текущей и архивной информации в VAiron функционируют комплексные информационные модели производства (Process Models). Данные модели используются ЭСРВ (Closed-Loop-Expert System – «полноконтурной» ЭС), которая образует «вершину пирамиды» средств управления.

Рис.28. Иерархия средств управления на базе VAiron

Общий вид единого контура управления VAiron, осуществляемый с применением ЭСРВ, иллюстративно изображен на рис.29.

Рис.29. Цикл управления VAiron, реализуемый на базе ЭСРВ

Из схемы рис.29 видно, что переработанные на базе моделей процесса параметры качества шихты, загрузки плавильной печи, подачи топлива, добавок пара и кислорода и др. используются в замкнутом контуре управления для автоматического (в реальном времени) формирования в ЭСРВ интегральных показателей качества, диагностических оценок состояния объектов и процессов, механизмов реагирования на текущие изменения в процессе производства и пояснений (или объяснений действий), необходимых для управленческого персонала.

Непосредственными общими задачами, решаемыми ЭСРВ в среде VAiron, являются:

- оптимизация производительности в процессе эксплуатации плавильных печей;

- стабилизация выбранных параметров протекания технологических процессов;

- минимизация затрат на производство и проведение эксплуатационных работ.

Особо следует отметить, что широкая номенклатура управленческих задач уровня АСУТП (регулирование параметров шихты, управление подачей топлива и многие др.), решается в ЭСРВ автоматически, без взаимодействия с человеком-оператором.

Другим хорошо известным примеров построения готовых, гибко настраиваемых решений в области интеллектуальных промышленных АСУ на базе платформы SIMATIC PCS 7 корпорации Siemens является система чешской фирмы Glass Service Inc. для автоматизации предприятий по производству стекла. В данной системе используется интеграция PCS 7 со специализированной ЭСРВ ES III. Так же, как в предыдущем примере, ЭСРВ включена в решении Glass Service в компоненты верхнего уровня управления (см. рис.30).

Рис.30. Интеграция PCS 7 и ЭСРВ ES III

Основные функции ES III в рамках единой корпоративной информационной системы сводятся к комплексному решению задач оптимизации производства по критериям затрат (приоритетно – энергетических), качества продукции, повышения производительности и надежности, улучшения условий труда, эффективной эксплуатации оборудования и др. Непосредственно ЭСРВ способна решать и задачи автоматического управления технологическим процессом (например, полностью «интеллектуально» реализуются функции регулирования толщины стекла и его химической однородности, обеспечения стабильности температурных режимов, минимизации энергозатрат и др.) в реальном времени.

Специфической особенностью ES III является поддержка 3 различных механизмов экспертного управления – на базе продукционных, нечетких и прогнозирующих (MPC – model predictive control) моделей. В зависимости от «фактуры» конкретной решаемой прикладной задачи ES III может использовать любую комбинацию из перечисленных подходов к организации управления.

В настоящее время Siemens перешел и к поддержке ES III в контроллерном слое SIMATIC PCS 7. По аналогии с разработками Fisher-Rosemount, на базе ES III возможно также оптимальное решение традиционных локальных задач управления (например, ПИД-регулирование и др.), что может эффективно использоваться на нижнем уровне АСУТП.