Активные сценарии управления как механизм интеграции
АСУТП и систем управления производством
Д.Г. Абрамов,
нач. отдел. выч. техн. и автом.,
А.В. Кодолов,
зам. нач. отд. выч. техн. и автом., ovtia.frpc@gmail.com,
Ф.А. Попов,
г.н.с.,
проф., д.т.н., pfa2004@mail.ru,
АО «ФНПЦ «Алтай», БТИ, г. Бийск
В
статье рассматривается проблема вертикальной интеграции АСУТП и систем
управления производством с целью решения задач планирования и принятия
оперативных управленческих решений различными специалистами предприятия.
Выделены вопросы организации сбора данных о ходе производственного процесса для
предприятия отрасли спецхимии. Предложен механизм, позволяющий автоматизировать
некоторые функции по управлению потенциально опасными процессами и решить
вопросы организации сбора данных и представления их на верхних уровнях
управления.
In material the problem of
vertical integration of the PCS and production management systems for the
purpose of the decision of tasks of planning and acceptance of operational
administrative decisions by different specialists of the enterprise is
considered. Questions of the organization of data collection of the production
course for the enterprise of branch of special chemistry are selected. The
mechanism allowing to automate some functions on control potentially of
dangerous processes and to resolve issues of the organization of data
collection and their representation at top levels of control is offered.
Существующие
в настоящее время производства предприятий отрасли спецхимии базируются на
многостадийных преобразованиях входного
сырья и полуфабрикатов. Каждая из стадий при этом представляет собой
законченный потенциально опасный технологический процесс, множество которых
характеризуется значительным числом
параметров контроля и их разнообразием, сложностью программно-логического
управления и высокой точностью регулирования параметров процессов. Кроме того, процессы выполняются на отдельных
территориально удалённых друг от друга зданиях, длительны по времени и имеют
ограничения по максимально возможному времени исполнения регламентных операций,
связанные с живучестью основных полуфабрикатов.
Учитывая
тот факт, что выпускаемые изделия являются штучными и имеют высокую стоимость,
какие-либо сбои и аварийные ситуации при их изготовлении недопустимы, в связи с чем особую важность приобретают задачи планирования
и принятия оперативных управленческих решений, адекватных текущей
производственной ситуации.
В
АО «Федеральный научно-производственный центр «Алтай» для решения задач создания такого рода изделий,
планирования и управления их производствами в предыдущие периоды времени
создана основа интегрированной информационно-управляющей системы (ИИУС), особенности построения которой детально отражены в работах
А.С. Жаркова, А.В. Литвинова, Ф.А. Попова, Л.С. Звольского [1-6]. Данная система, реализуя функции
управления жизненным циклом изделий (PLM) на этапе их
изготовления, предусматривает возможность интеграции АСУТП с системами
технологической подготовки производства (САЕ) и системами типа MES.
В
настоящее время ключевой проблемой внедрения систем управления производством,
управления техническим обслуживанием и ремонтом, систем поддержки жизненного
цикла рассматриваемых изделий является обеспечение их информацией о текущем
состоянии производства с уровня локальных АСУТП.
На
сегодняшний день на предприятии складывается ситуация, когда работникам
различных служб производства и других подразделений для принятия решений приходится
производить отбор и анализ большого объёма данных, получаемых как через
информационные сети от разнородных систем контроля и учёта, так и через
телефонную связь от персонала различных подразделений. Эти данные присутствуют
в различных, не связанных между собой приложениях, отличающихся по составу и
форме их выдачи; зачастую в них приводится не согласованная по форматам или
даже противоречивая информация. Все это значительно осложняет работу
производственных служб и сказывается на оперативности и качестве принимаемых
ими решений.
Таким образом, реализация системы сбора
оперативной производственной информации и передачи её на верхние уровни
управления является актуальной задачей, решение которой обеспечивает как
классификацию, идентификацию и достоверность
данных, показателей, сведений о текущей работе технологических
установок, требующихся руководству предприятия, всем службам производства и бизнес-отделам для
реализации ими управляющих функций, так и исключает избыточность этих данных.
Данная
система должна обладать следующими функциональными возможностями:
· сбор данных с
технологического оборудования, сведений состоянии и значениях технологических
параметров в реальном времени;
· формирование
необходимых наборов данных производственных процессов для подразделений предприятия;
· обеспечение
интерфейсов подключения и выдачи информации по запросу от систем среднего и
верхнего уровня управления предприятием.
Основной
и самой сложной в реализации функцией системы является сбор данных с
технологического оборудования. Прежде чем говорить о сборе данных, необходимо
определиться со способами интеграции АСУТП и систем управления более высоких
уровней структуры управления предприятием. Сложность определения способа
обусловлена, прежде всего, разнообразием существующих на предприятии локальных
систем управления.
Постепенный процесс модернизации локальных
АСУТП переходом с релейно-контактных схем на элементы электронных
вычислительных устройств на предприятии
начат в конце 90-х гг
и продолжается в настоящее время. За этот
внедрены системы на электронных устройствах нескольких поколений и
различных производителей. При большом разнообразии номенклатуры средств
автоматизации можно говорить о том, что стандартные подходы, связанные с
применением специфических протоколов производителей оборудования или
использование OPC- серверов для сбора технологической информации встречают
определённые трудности при реализации на рассматриваемом производстве.
Соответственно, задача создания такого рода системы становится нетривиальной и
требует детального исследования.
Возвращаясь
к проблеме сбора технологической информации и выделения необходимых показателей
и последующего представления их по запросу потребителя, можно выделить две
группы задач управления технологическими процессами производств
спецхимии.
Первая
группа задач – обеспечение управления параметрами потоков материальных ресурсов
в ходе производственного процесса в виде многочисленных регуляторов, аппаратных
защит и блокировок. Данную группу задач зачастую и в полной мере решают современные локальные АСУТП.
Другая группа задач, которая в свою очередь
слабо формализована в современных АСУТП – это задачи управления структурой
потоков, предназначенных для обеспечения различных режимов функционирования
технологического процесса в реальных условиях эксплуатации оборудования, с
учетом его износа, ввода в действие резервированных структур, ремонта, замены и
профилактики.
При рассмотрении структуры потоков технологический процесс представляется в
виде последовательности работ, управляющих воздействий и набора наступающих
событий – изменений состояния технологического оборудования. Основные этапы
таких задач представлены в нормативно-технической документации, должностных
инструкциях и неформальных действиях персонала при их исполнении. Формализация
регламента и включения его модели в качестве главного супервизорного звена в
схеме управления, с одной стороны, автоматизирует ряд функций, которые в
традиционной схеме выполнял оператор, с другой – ограничивают роль персонала в
рамках потребностей технологического процесса в конкретный момент.
Данные,
характеризующие параметры потоков, в большинстве современных АСУТП в
автоматическом виде фиксируются в локальных базах данных и в любой момент по
запросу могут быть представлены на верхних уровнях управления. В дальнейшем эта
информация проходит обработку, сортировку и другие операции, так как в
локальных источниках она представлена в виде временного среза данных с
определенной периодичностью, что не всегда удобно для анализа работниками структурных
подразделений предприятия.
Для представления в
автоматизированных системах управления структуры потоков эффективным является
применение методов событийного моделирования, позволяющих структурировать
потоки как последовательности данных о выполненных работах и их результатах, с
использованными в этих работах ресурсами и
значениями ключевых параметров продуктов. Механизмы управления,
основанные на схеме управления, включающей в себя событийное моделирование,
предложены и детально рассмотрены в работе [7,8], в рамках проводимого
исследования предложено расширить
указанную схему управления путём введения в нее моделей диалога и
активных сценариев. Учитывая особенности рассматриваемых технологических
процессов, данные модели являются ключевыми, позволяющими оперативно и
эффективно как предупредить аварийную ситуацию, так и исключить сбои
технологического процесса путем задействования
дополнительных контуров управления.
В
конечном итоге в системе управления на основе событийной модели предполагается
реализация механизма, отражающего все важное для управления из того, что
происходит в реальном технологическом процессе на всех фазах его жизненного
цикла: проверка реализуемости, запуск, работа в заданном режиме, останов,
разборка оборудования. Механизм при
своём функционировании инициирует экземпляр модели реального технологического
процесса. Рассмотрим событийные модели с учетом особенностей
технологических процессов производств спецхимии более
подробно.
2.1. Модель агрегата
Модель агрегата предназначена для представления в
АСУТП отдельных единиц типового оборудования (насос, двигатель и т.п.),
преобразующих реакторов, емкостей, теплообменников и т.д. и имитацией их работы
сменой состояния жизненного цикла агрегата как функции команд и событий,
поступающих на него.
2.2. Модель трубопроводов
Модель трубопровода представляет в АСУТП пассивные
элементы транспортировки материалов между агрегатами. Следует также упомянуть, что
процесс перемещения материалов между отдельными технологическими стадиями
(агрегатами конца и начала последовательно идущих
стадий), применительно к производствам спецхимии, не может быть представлен в
виде пассивного элемента, так как ход транспортировки может занимать длительное
время и внешние события оказывают влияние на транспортируемые материалы. В
таком случае, процесс перемещения материалов между стадиями представляется
моделью агрегата.
2.3. Модель технологической сети
Модель технологической сети определяет структуру
производства и состоит из множества моделей агрегатов и трубопроводов,
представляет, как соединены друг с
другом агрегаты материальными потоками и позволяет отслеживать движение
материалов и изменение их свойств в производственном процессе.
Модель
технологической сети такова, что, с одной стороны, реагирует на события-команды
сменой состояния и генерацией соответствующих событий, с другой стороны,
позволяет с помощью специальных процедур, исходя из текущего состояния сети:
определить реализуемость того или иного процесса; вычислить требуемое
управление на агрегат с учётом выставленных критериев оптимальности и
установленных характеристик выпускаемых изделий.
Необходимо уточнить, что учёт критериев
оптимальности должен происходить в рамках всего производственного цикла, а не
локального максимума производительности отдельно взятого участка [6].
2.4. Модель технологического процесса
Модель
технологического процесса (участка технологической сети) предназначена для:
представления в системе состояния реальных процессов и имитации их выполнения
сменой состояний жизненного цикла модели; задания локальной технологической
цели, поступающей из модели технологической сети; определения индикаторов
выполнения фаз жизненного цикла и условий целостности процесса, по которым
осуществляется мониторинг.
В
модели технологического процесса вводятся ограничения на диапазон возможных
изменений параметров потоков материалов, данный момент является следствием
потенциально опасного характера производств рассматриваемой области.
2.5. Модель активного технологического сценария
Активные
технологические сценарии реализуются в виде программных модулей или на
специально разработанном для этих целей языке описания сценариев и представляют собой планы достижения конкретных
технологических целей в виде совокупности этапов и условий их выполнения.
Управление технологическими целями – это выбор последовательности действий по
организации или изменению параметров и хода процесса для достижения
определенной цели. Целью производственного цикла предприятий отрасли спецхимии
является определенное качество выпускаемого продукта при необходимой
производительности и безопасности, реализуемой на каждом агрегате путем
автоматического удержания параметров потоков в нормальном режиме работы.
Процесс управления формируется в два этапа: на первом этапе происходит
наблюдение за состоянием агрегатов и значениями параметров потоков, затем
выполняется последовательность действий по модификации состояний исполнительных
агрегатов на объекте управления. Данный процесс циклически повторяется до
достижения требуемой цели управления.
Сценарии
управления определяют последовательность изменения режимов процессов,
протекающих в объекте управления. После запуска сценария в автоматическом
режиме формируются команды на исполнительные механизмы, контролируется их
исполнение, организуется выполнение ручных работ на объекте, фиксируются
параметры потоков материалов и т.д. Сценарии могут быть иерархическими, что
подразумевает вызов одного сценария из определённой позиции другого.
Как
правило, варианты управления разрабатываются для каждого объекта индивидуально,
с учётом свойств установленного оборудования и структуры движения материальных
потоков. Применительно к опытному производству предприятия отрасли спецхимии
могут быть созданы несколько наборов активных сценариев:
- сценарии поддержки
основного технологического цикла – основной алгоритм управления технологическим
процессом, который выполняется всё время, пока осуществляется производство;
- сценарии поддержки проведения
плановых работ по техническому обслуживанию производственного оборудования и
систем управления;
- сценарии поддержки
подготовительных работ к запуску производства – заполнение нормативного
документа – паспорта готовности;
- сценарии поддержки
проведения опытно-конструкторских работ;
- сценарии поддержки
проведения метрологических поверок средств измерений, используемых на
предприятии;
Причём
для такого предприятия создаются несколько наборов сценариев основного
технологического цикла, так как номенклатура выпускаемых изделий достаточно
разнообразна и производственные фазы, а также используемые технологические
регламенты, имеют некоторые отличия.
2.6. Модель диалога
Модель диалога обеспечивает формат взаимодействия
событийных моделей с человеком-оператором, а также права и средства управления
в соответствии с его ролью при проведении технологического процесса.
Для
каждого конкретного случая обращения к оператору должен быть сформирован диалог
необходимого вида и формы. Диалог описывает текущую ситуацию, обозначает цель
обращения и запрашивает реакцию человека. Формат диалога задается для каждого
случая моделью диалога, которая определяет информационные сообщения оператору,
инструкции к исполнению, варианты ответов, допустимое время реакции на запрос и
ответ, принимаемый по умолчанию.
В
общем случае разрабатываемую схему управления можно представить следующим
образом: оператор посредством соответствующего интерфейса имеет возможность
вариативного запуска активного сценария в зависимости от заложенной
регламентной последовательности. В системе автоматизации запускается модель
выбранного активного сценария, которая в свою очередь инициализирует модель
технологического процесса и модель технологической сети. Шаг за шагом
настраивается необходимая структура технологической сети, в соответствии с
заложенной последовательностью операций, выдаются команды на исполнительные
механизмы. Посредством модели диалога оператор контролирует выполнение,
подтверждает квитируемые операции, выбирает альтернативные варианты исполнения,
обеспечивает и подтверждает выполнение ручных операций, вводит данные по мере
требований регламента.
Таким образом, в результате внедрения
механизма активных технологических сценариев в АСУТП появляется информация о
выполняемых в текущий момент операциях технологического процесса,
соответствующих технологическому регламенту, что позволяет в автоматизированном
виде фиксировать данные о структуре потоков на электронные носители, в конечном
итоге – в интегрированной базе данных производства, доступной (в соответствии с
ограничениями доступа) специалистам,
руководителям отдельных подразделений предприятия для реализации ими
управляющих
функций и функций обслуживания.
Заключение
В
заключение необходимо отметить, что предложенный механизм активных сценариев
позволяет передать часть функций оперативного персонала к автоматизированной
системе управления и представить в более полной мере на верхних уровнях
управления ситуацию на производственных участках. В настоящее время данный
механизм реализован в виде дополнительного программного модуля, добавлен в
существующую АСУТП и проходит опытную эксплуатацию на одном из производственных
участков ФНПЦ «Алтай».
1.
Проблемы
создания интегрированных АСУ для производств спецхимии
и пути их решения: монография / А.С. Жарков, Л.С. Звольский,
А.В. Литвинов, Ф.А. Попов; Алт. гос.
техн. ун-т, БТИ. – Бийск: Изд-во Алт.
гос. техн. ун-та, 2014 –
266 с.
2.
Абрамов
Д.Г., Звольский Л.С., Кодолов А.В., Литвинов А.В.,
Попов Ф.А. Структура и особенности построения интегрированных
информационно-управляющих систем для опытных производств предприятий
спецхимии // Информационные технологии в проектировании и производстве. 2015,
№3, с. 29-32.
3.
Жарков
А.С., Попов Ф.А., Абрамов Г.Г., Звольский Л.С., Чанков А.И. Информационно-справочная система масштаба
предприятия// Информационные технологии в экономике, науке и образовании:
материалы 2-ой Всероссийской научно-практической конф.
(19-20 апреля –2001 г.) – Бийск: изд-во АлтГТУ, 2001.-
С. 14-15.
4.
Попов
Ф.А. Современный подход к проектированию информационно-управляющих систем для
производств сложных промышленных изделий // Материалы шестой краевой конф.
по математике (МАК-2003)(Барнаул, апрель, 2003).- Барнаул:АГУ, 2003. – С.45.
5.
Жарков
А.С., Потапов М.Г., Звольский Л.С. и др. Современная
автоматизированная система управления
взрывоопасным технологическим процессом // СТА: современные технологии
автоматизации (изд. «СТА-ПРЕСС»).-2001.- №1.- C.
43-46.
6. Абрамов Д.Г., Кодолов
А.В., Литвинов А.В., Попов Ф.А. Особенности и перспективы создания АСУ
технологическими процессами производств спецхимии //
Фундаментальные исследования, 2015. № 9-3, с. 407-413.
7. Амбарцумян А.А.,
Казанский Д.Л. Управление технологическими процессами на основе событийных
моделей. Ч. I, II // Автоматика и
телемеханика. – 2001. - №10, 11.
8. Амбарцумян А.А., Браништов С.А. Модель технологического регламента в АСУТП
// Проблемы управления. – 2008. - №3. – с. 73-77.