В современном мире промышленная автоматизация играет ключевую роль в повышении эффективности производственных процессов — это и так понятно, но проговорить лишний раз не будет лишним.
Последнее время мы всё чаще стали слышать о двух подходах, хотя за учебной партой всё было просто: «Есть какая-то там пирамида, там нижний, средний и верхний уровень… И почему он верхний, если там ещё выше есть?.. А приходишь на практику, на завод, а там пальцем у виска крутят – какой такой средний уровень? ПЛК – нижний, SCADA – верхний, а посередине чего?»
Так сложилось, что использование закрытых систем, стало некой классикой, а открытые платформы, как говорят, некий прогрессивный подход – глоток свежего воздуха, который не только призван решить укоренившиеся проблемы, которые стали нормой, но и открыть окно возможностей для новых идей.
В этой статье я и хотел бы порассуждать, чем открытые платформы промышленной автоматизации отличаются от классических, и почему они становятся все более популярными?
__
История промышленной автоматизации началась еще в XIX веке с изобретением первых автоматических машин. В XX веке автоматизация стала неотъемлемой частью производственных процессов, и с развитием компьютерных технологий появились первые автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП).
Классические АСУ ТП изначально разрабатывались с использованием проприетарного оборудования и программного обеспечения, что обеспечивало их высокую надежность и безопасность. Однако с течением времени стало ясно, что такие системы имеют ряд ограничений, связанных с закрытостью и сложностью их модернизации и обслуживания.
Классическая структура АСУ ТП
Классическая структура АСУ ТП состоит из трех основных уровней:
Нижний уровень: Включает в себя датчики, исполнительные механизмы и контроллеры, которые непосредственно взаимодействуют с производственным оборудованием.
Средний уровень: Состоит из промышленных сетей и серверов, которые собирают и обрабатывают данные с нижнего уровня, а также обеспечивают связь между нижним и верхним уровнями.
Верхний уровень: Включает в себя системы управления и мониторинга, такие как SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) системы, которые предоставляют операторам интерфейс для контроля и управления производственными процессами.
Проблемы закрытых систем
Одним из главных недостатков классических АСУ ТП является их проприетарность. Оборудование и программное обеспечение, используемые в таких системах, разработаны и поддерживаются одним производителем, что создает ряд проблем:
· Сложность замены оборудования и ПО: Замена компонентов системы на продукты других производителей может быть затруднена из-за несовместимости протоколов и интерфейсов.
· Усложнение ремонта и обслуживания: Отсутствие конкуренции на рынке компонентов приводит к высоким ценам на запчасти и услуги по ремонту, а также к длительным срокам поставки.
Эти проблемы могут приводить к простоям оборудования, увеличению затрат на обслуживание и снижению общей эффективности производственных процессов.
Преимущества концепции открытых платформ промышленной автоматизации
Открытые платформы промышленной автоматизации предлагают альтернативный подход, который позволяет преодолеть ограничения закрытых систем. Основные преимущества открытых платформ включают:
· Упрощение обслуживания: Элементы системы могут заменяться на продукты от любых производителей, что обеспечивает гибкость и независимость от одного поставщика.
· Снижение затрат: Конкуренция на рынке компонентов приводит к снижению цен на запчасти и услуги по ремонту.
· Единая шина данных: В открытых платформах часто используется единая шина данных, которая размывает строгую структуру деления на уровни. Это позволяет данным передаваться между различными компонентами системы более оперативно и эффективно.
Хотелось бы немного подробнее остановиться на архитектурных аспектах.
Техническая архитектура открытых платформ поддерживает внутреннее и внешнее взаимодействие в рамках концепции сервис-ориентированной архитектуры, определяя интерфейсы для аппаратных и программных компонентов. Основные элементы включают:
· Distributed control node (DCN): DCN представляет собой микропроцессорный контроллер, устройство ввода-вывода или шлюз, способный обрабатывать входы и выходы, а также выполнять вычислительные функции. Ключевой особенностью открытых платформ является разделение аппаратного и управляющего программного обеспечения. DCN состоит из аппаратного обеспечения и системного ПО, позволяющего взаимодействовать в сети OCF и запускать управляющее ПО.
· Distributed control platform (DCP): DCP включает аппаратное обеспечение и стандартные программные интерфейсы, необходимые для всех DCN. Эти интерфейсы служат общей платформой для управляющего ПО, обеспечивая физическую инфраструктуру и возможность взаимозаменяемости.
· Distributed control framework (DCF): DCF представляет собой стандартный набор программных интерфейсов, обеспечивающих среду для выполнения приложений. Он предоставляет приложениям согласованный набор функций открытых платформ, независимо от DCN.
· OPAS connectivity framework (OCF): OCF является свободной, безопасной и интероперабельной спецификацией коммуникации. Сейчас в роли OCF используется OPC UA.
· Advanced computing platform (ACP): ACP реализует функциональность DCN с масштабируемыми ресурсами (память, ядра CPU и т.д.) для обработки требовательных приложений и сервисов. ACP предполагается устанавливать на локальных серверах или в облаках.
И данный фундамент открытых платформ уже несет на себе ряд преимуществ, перед классическим подходом:
Концепция DCN и их гибкость позволяет адаптировать их под конкретные нужды системы. Разделение аппаратного и программного обеспечения позволяет системным архитекторам гибко выбирать и комбинировать компоненты, улучшая общую производительность системы.
Интероперабельность обеспечивает совместимость между различными аппаратными и программными компонентами от разных поставщиков на разных уровнях автоматизации, что упрощает не только интеграцию, но и замену компонентов.
DCF предоставляют стандартизированную платформу для запуска управляющих приложений, что обеспечивает их совместимость и надежность. Независимо от конкретного DCN, приложения получают доступ к единому набору функций, что упрощает разработку и поддержку.
Использование OPC UA, как OCF обеспечивает безопасную и совместимую связь между различными компонентами системы.
ACP предоставляют мощные вычислительные ресурсы для обработки требовательных приложений и сервисов, что повышает общую производительность системы. Гибкость развертывания: Возможность установки ACP на локальных серверах или в облаках позволяет выбирать оптимальное место для размещения ресурсов.
Эти элементы вместе позволяют создавать системы автоматизации, которые легко интегрируются, управляются и масштабируются. Это снижает затраты на интеграцию и поддержку, а также повышает гибкость и надежность систем, что в конечном итоге приводит к повышению общей эффективности процессов автоматизации.
И что же из этого следует?
Открытые платформы промышленной автоматизации представляют собой более гибкую и экономически выгодную альтернативу классическим закрытым системам. Они позволяют упростить обслуживание и ремонт оборудования, снизить затраты и повысить общую эффективность производственных процессов. В условиях современного рынка, где гибкость и адаптивность играют ключевую роль, открытые платформы становятся все более востребованными.
Внедрение открытых платформ промышленной автоматизации – это шаг к более эффективному и устойчивому производству, способному быстро адаптироваться к изменяющимся условиям и требованиям рынка
Виталий Олейников. Мастерская Автоматизации Комитета по обустройству нефтяных и газовых месторождений ИНТИ
