Автоматизация производственных и логистических процессов 7 Автоматизированные системы управления

1.7. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ И ЛОГИСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ1.7.1. Автоматизированные системы управления Автоматизация управления на различных уровнях промышлен­ного производства реализуется с помощью автоматизированных систем управления - АСУП (или ERP) и АСУТП. Системы ERP в иерархической структуре управления охватывают уровни от пред­приятия до цеха, а АСУТП - от цеха и ниже, хотя на уровне цеха могут быть средства и АСУП, и АСУТП. В то же время в АСУТП могут быть и межцеховые связи, если единый технологический процесс реализуется в нескольких цехах. В последнее время в связи с развитием сети Internet автоматиза­ция распространилась на управление связями между предприяти­ями. Появились соответствующие подсистемы в ERP, но часто вза­имодействие с поставщиками и заказчиками осуществляют с помощью самостоятельных систем SCM и CRM соответственно. Современные системы ERP строятся на основе концепции иерар­хического управления предприятием. Наряду с этой концепцией в последнее время все заметнее проявляется тенденция к созданию многоагентных управляющих систем, основанных на принципах процессного управления [36]. В современных системах ERP выделяют ряд подсистем. Ниже приведен список основных подсистем, встречающихся во многих системах ERP, вместе с присущими им функциями. 1 . «Календарное планирование производства». Основные фун­кции: сетевое планирование производства, расчет потребностей в мощностях и материалах, межцеховые спецификации и учет дви­жения изделий, контроль выполнения планов. «Оперативное управление производством». Функции: сопро­вождение данных об изделиях, контроль выполненных работ, бра­ка и отходов, расчет норм расхода ресурсов, управление обслужи­вающими подразделениями. «Управление проектами». Функции: сетевое планированиепроектных работ и контроль их выполнения, расчет потребности впроизводственных ресурсах. «Финансово-экономическое управление, бухгалтерский учет».Функции: учет денежных средств и производственных затрат, мар­кетинговые исследования, ценообразование, составление смет рас­ходов, ведение договоров и взаиморасчетов, финансовые отчеты,отчетность по налогам, анализ платежеспособности предприятия. Логистика». Функции: сбыт и торговля, статистика и анализреализации, складское обслуживание, управление снабжением, за­пасами и закупками, управление транспортировкой, оптимизациямаршрутов транспортных средств. «Управление персоналом». Функции: кадровый учет, ведениештатного расписания, расчет зарплаты. «Управление информационными ресурсами». Функции: уп­равление документами и документооборотом, инсталляция и со­провождение программного обеспечения, генерация моделей иинтерфейсов приложений, имитационное моделирование производ­ственных процессов. Как отмечено выше, существуют разновидности АСУП со сво­ими англоязычными названиями. Если наиболее общую систему с перечисленными выше функциями называют ERP, то системы, скон­центрированные на управлении производством (оперирующие ин­формацией о материалах, производстве, контроле и т.п.), называют MRP-2. В ERP важная роль отводится системам управления данными EDM (Enterprise Data Management), аналогичным системам PDM в САПР. Системы MES по своей функциональности близки к системам ERP и имеют ряд подсистем следующего назначения [37]: синтез расписаний производственных операций; распределение ресурсов, в том числе распределение исполни­телей по работам; диспетчирование потоков заказов и работ; управление документами, относящимися к выполняемым опе­рациям; оперативный контроль качества; оперативная корректировка параметров процессов на основеданных о протекании процессов и др. Мировым лидером среди систем программного обеспечения ERP является система R/3 (фирма SAP), к числу лидеров относят­ся также системы Ваап IV, Oracle Applications, J.D. Edwards. С точ­ки зрения интеграции систем управления и проектирования следу­ет обратить внимание на систему Omega Production (компания СИКОР) [38]. Среди отечественных АСУП следует назвать систе­мы Парус [39], Галактика [40], Флагман [41], М-2 и др. Так, в системе Вааn IV имеются следующие подсистемы [42]. • «Администратор деятельности предприятия», с ее помощьюанализируются показатели финансово-хозяйственной деятельности, сопоставляются значения текущих показателей с предельны­ми, генерируются информационные отчеты, что позволяет в целом судить о состоянии дел на предприятии; «Производство» - служит для сопровождения данных (специ­фикаций, технологических маршрутов) об изделиях, планированияи оперативного управления производственными процессами; «Проект» - занимается планированием проектных работ с уче­том требуемых ресурсов, в том числе финансовых, и контролемвыполнения планов; «Сбыт, снабжение, склады» - предназначена для решения со­ответствующих логистических задач; «Транспорт» - служит для определения оптимальных марш­рутов перевозок с учетом загрузки экипажей и для контроля за ме­стонахождением грузов; «Управление персоналом» - занимается ведением штатногорасписания, кадровым учетом, расчетом зарплаты; «Финансы» - управляет денежными средствами, финансовымпланированием, распределением затрат, налоговой и финансовойотчетностью; «Процесс» - ориентирована на управление непрерывнымипроизводственными процессами; «Сервис» - служит для управления процессами обслужива­ния с составлением графика планово-предупредительных мероп­риятий, выполнением ремонта, определением требуемых ресурсов, тарифов на расходные материалы; «Моделирование предприятия» - предназначена для оценкиэффективности работы предприятия с помощью создания и исполь­зования моделей; «Инструментарий» - инструментальная среда для описания структуры базы данных, генерации приложений с помощью языка 4GL. В системе Парус функционируют подсистемы: • «Управление финансами»; • «Логистика»; • «Управление производством»; • «Управление персоналом»; • «Управление бизнес-процессами». Компоненты (модули) корпоративной информационной систе­мы Флагман (компания Инфософт) группируются в совокупности, называемые контурами. В системе семь контуров: финансово-эко­номическое управление, логистика, управление производством, уп­равление персоналом, бухгалтерский учет и анализ, контроллинг, управление информационными ресурсами. Шагом в направлении создания единого информационного про­странства управления производством является создание средств сопряжения разных автоматизированных систем управления друг с другом. Такие средства называют конверторами или мостами (ERPBridges). Так, в системе R/3 имеется ряд мостов, например мост, связывающий R/3 с системой управления производством F/Ops. Система F/Ops относится к классу продуктов MES. Функциями систем MES являются анализ производственных процессов, их оптимизация, управление ресурсами и расходом ма­териалов, анализ простоев оборудования, диагностика и предуп­реждение поломок оборудования, контроль и управление качеством продукции, формирование отчетов о производстве для передачи на уровень ERP. Среди других систем MES одно из видных мест занимает про­грамма InTrack компании Wonderware. Это программное обеспе­чение позволяет предприятиям легко моделировать и контролиро­вать каждую стадию производственного процесса - от получения сырья, материалов и комплектующих до выпуска готовой продук­ции. С помощью InTrack можно определять и моделировать про­цессы, устанавливать очередность работ, контролировать незавер­шенное производство, управлять материальными запасами, выпол­нять сбор данных и т.п. В программе InTrack используются имитационные модели про­изводства. В моделях представляются стадии и процессы произ­водства, описываемые в терминах статических объектов, таких, как материалы, операции, станки, площади, наборы данных и т.п., и динамических объектов, характеризующих, движение товарно-ма­териальных запасов, например единиц незавершенного производ­ства. Примером автономно используемой системы организации иуправления отношениями с клиентами является CRM-системаMarketing Center компании ПРО-ИНВЕСТ. Система позволяет до­кументировать контакты с клиентами, планировать работу по каж­дому контакту, накапливать статистику для последующего марке­тингового анализа и т.п. Примером систем SCM может служить отечественная система компании BSE, состоящая из подсистем: Vector - для управления складским хозяйством; e-Partner - для управления взаимоотноше­ниями с поставщиками и партнерами; e-Purchase - для управления торговыми операциями. Программное обеспечение АСУТП представлено операционны­ми системами реального времени, программами SCADA, драйве­рами и прикладными программами контроллеров. Основными требованиями, предъявляемыми к операционным системам реального времени, являются высокая скорость реакции на запросы внешних устройств, устойчивость системы (т.е. спо­собность работы без зависаний) и экономное использование име­ющихся в наличии системных ресурсов. В АСУТП находят применение как варианты широко распрос­траненных операционных систем UNIX и Windows, так и специ­альные операционные системы реального времени. Перспектив­ной считается LynxOS - многозадачная, многопользовательская, UNIX-совместимая система. Windows NT становится системой ре­ального времени после ее дополнения средой RTX компании VenturCom. Развитый программный интерфейс RTX API, основан­ный на Win32 API, обеспечивает создание драйверов и приложе­ний реального времени. Кроме того, Microsoft разработала специ­альную версию операционных систем Windows NT для встроен­ных приложений, названную Windows NT Embedded. При использовании в АСУТП встроенного оборудования на базе шины VMEbus целесообразно применять операционные системы QNX или VxWorks, а в случае АСУТП на базе шины CompactPCI -операционные системы OS-9, QNX или расширения Windows NT для реального времени [43]. Операционная система QNX канадской фирмы QSSL является открытой, модульной и легко модифицируемой. Она разработана в соответствии со стандартами POSDC, поддерживает шины ISA, PCI, CompactPCI, PC/104, VME, STD32 и др. Операционная система реального времени Vx Works выполняет функции планирования и управления задачами. Она может функ­ционировать как в мультипроцессорных системах с общей памя­тью, так и в слабосвязанных системах с использованием распреде­ленных очередей сообщений. Vx Works поддерживает все сетевые средства, обычные для UNIX, а также ОРС-интерфейсы (OLE for Process Control). Вместе с инструментальной системой Tornado она является кросс-системой для разработки прикладного программ­ного обеспечения. В многозадачной, многопользовательской системе OS-9 имеет­ся интегрированная кросс-среда, предназначенная для разработки приложении, включающая редактор, браузер исходных кодов, от­ладчики, компиляторы C/C++, поддерживаются коммуникацион­ные протоколы Х.25, FR, ATM, ISDN, SS7 и др. SCADA-системы в АСУТП различаются типами поддерживае­мых контроллеров и способами связи с ними, операционной сре­дой, типами алармов (оповещений), числом трендов (тенденций в состоянии контролируемого процесса) и способом их вывода, осо­бенностями человеко-машинного интерфейса и др. Связь с контроллерами и приложениями в SCADA-системах обычно осуществляется посредством технологий DDE, OLE, OPC или ODBC. В качестве каналов связи используют последователь­ные промышленные шины Profibus, CANbus, Foundation Fieldbus и др. Алармы фиксируются при выходе значений контролируемых параметров или скоростей их изменения за границы допустимых диапазонов. Число одновременно выводимых трендов может быть различ­ным, их визуализация возможна в реальном времени или с предва­рительной буферизацией. Предусматриваются возможности инте­рактивной работы операторов. Программы для программируемых контроллеров составляют­ся на языках C/C++, VBA или оригинальных языках, разработан­ных для конкретных систем. Программирование обычно выполня­ют не профессиональные программисты, а заводские технологи, поэтому желательно, чтобы языки программирования были доста­точно простыми, построенными на визуальных изображениях си­туаций. В связи с этим во многих системах дополнительно исполь­зуются различные схемные языки. Ряд языков стандартизован и представлен в международном стандарте IEC 1131-3. Это графи­ческие языки функциональных схем SFC, блоковых диаграмм FBD, диаграмм релейной логики LD и текстовые языки - паскалеподобный ST и низкоуровневый язык инструкций IL. Одной из широко известных SCADA-систем является система Citect австралийской компании Ci Technology, работающая в среде Windows. Это масштабируемая клиент-серверная система со встро­енным резервированием для повышения надежности. Она состоит из пяти подсистем: ввода/вывода, визуализации, алармов, трендов, отчетов. Подсистемы могут быть распределены по разным узлам сети. Используется оригинальный язык программирования Cicode. SCADA-система Trace Mode для крупных АСУТП в различных отраслях промышленности и в городских службах создана компа­нией AdAstra. Система состоит из инструментальной части и ис­полнительных модулей. Предусмотрены управление технологичес­кими процессами, разработка автоматизированных рабочих мест руководителей цехов и участков, диспетчеров и операторов. Воз­можно использование операционных систем QNX, OS9, Windows. Другой пример популярной SCADA-системы - Bridge VIEW (другое название Lab VIEW SCADA) компании National Instruments [44]. Ядро системы управляет базой данных, взаимодействует с серверами устройств, реагирует на алармы. При настройке систе­мы на конкретное приложение пользователь конфигурирует вход­ные и выходные каналы, указывая для них такие величины, как частота опроса, диапазоны значений сигнала и т.п., и создает про­грамму работы приложения. Программирование ведется на графи­ческом языке блок-диаграмм. Назначение прикладного программного обеспечения - анализ производства, воздействие на него в реальном времени. Для разра­ботки прикладного программного обеспечения в АСУТП исполь­зуют пакеты типа Component Integrator. К числу известных комп­лексов Component Integrator относятся FIX, Factory Suite 2000, ISaGRAF и др. Комплекс Factory Suite 2000 [45] компании WonderWare исполь­зуется при проектировании систем промышленной автоматизации от АСУТП до АСУП. В частности, в этот комплекс входят системы InTouch 7.0 и InTrack. С помощью InTouch 7.0 создаются распреде­ленные приложения со средствами построения человеко-машин­ного интерфейса, в частности SCADA-системы. Рассмотренный выше модуль InTrack служит для управления материальными по­токами и производственными запасами, контролирует загрузку оборудования на предприятии. Он интегрирован в известную сис­тему планирования ресурсов предприятия iBaan. К числу других модулей Factory Suite 2000 относятся база данных реального вре­мени IndustrialSQL Server, совокупность средств программирова­ния задач управления технологическими процессами InControl, программы статистического анализа данных SPC Pro и др. Одной из развитых инструментальных сред разработки прило­жений реального времени является система Tornado, созданная для мультизадачной операционной системы VxWorks фирмой Wind River. Разработка приложений ведется на инструментальном ком­пьютере, которым могут быть ПЭВМ или рабочие станции Sun, HP, IBM, DEC. В базовую конфигурацию Tornado входят компиляторы C/C++, отладчики, симулятор целевой машины, командный интерпретатор, браузер объектов целевой системы, средства управ­ления проектом и др. Для разработки программного обеспечения для встраиваемых сигнальных процессоров Tornado применяют вместе со специальной операционной системой WISP [46]. Инст­рументальная среда Tornado Prototyper и симулятор операционной системы VxWorks, работающий под Windows, могут быть получе­ны бесплатно по сети Internet [47], что позволяет осуществить пред­варительную разработку прикладной программы, а уже затем за­купать полную версию кросс-системы. Инструментальная среда ISaGRAF используется для разработ­ки прикладного программного обеспечения для программируемых контроллеров PLC. Среда реализует методологию граф-схем Flowchart и пять языков программирования по стандарту МЭК 61131-3 (IEC 1131 – 3 ). С развитием сетевой инфраструктуры появляется возможностьболее тесной интеграции АСУП и АСУТП, ранее развивавшихсяавтономно. Использование в АСУП информации о технологичес­ких процессах позволяет более рационально планировать произ­водство и управлять предприятием. Интеграция выражается в ис­пользовании на этих уровнях общих программных средств, баз данных, связей с сетью Internet на основе развития PC-совмести­мых контроллеров и сетей Industrial Ethernet и т.п. [48].