SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Интеграция систем контроля и управления предприятием

В статье рассматриваются проблемы, с которыми сталкиваются предприятия в процессе комплексной автоматизации производства и интеграции различных программных платформ, а также пути их решения.

Siemens, Департамент «Промышленная автоматизация», Системы автоматизации, г. Москва 

Siemens_site.gif

На большинстве отечественных предприятий уже реализованы и эксплуатируются распределенные системы сбора данных и их визуализации, известные под названием SCADA и HMI. Следующим шагом повышения  качества выпускаемой продукции при одновременном снижении ее себестоимости, а значит — повышения ее конкурентоспособности является внедрение систем оперативного управления производством (MES-систем, Manufacturing Execution System) и систем управления основными производственными фондами (EAM-систем, Enterprise Assets Management).


Вступление

Мы не будем подробно говорить о проблемах типичной на сегодняшний день структуры автоматизации отечественных предприятий, о причинах, обуславливающих возникновение этой структуры, равно как мы не будем говорить о тех преимуществах и достоинствах концепции MES, EAM, а также PLM (Product Lifecycle Management - управление жизненным циклом продуктов) систем. А также о причинах все возрастающего интереса к данным системам. Эти вопросы сами по себе достойны не одной статьи, да и надо отдать должное сей теме — по ней уже написано множество различных статей и трудов. Мы же лишь схематично опишем типичную ситуацию в сфере автоматизации производства на отечественном предприятии, также схематично и не углубляясь в детали, определим возможные пути дальнейшей автоматизации производства и достаточно подробно остановимся на проблемах, ожидающих предприятия на этих путях. Причем основное свое внимание мы уделим проблемам выбора того или иного подхода к движению по этим путям, а также принципиальным проблемам реализации выбранных подходов. При этом мы не будем касаться технических проблем выбора и реализации тех или иных программно-аппаратных архитектур, а также выбора и реализации тех или иных бизнес-процессов, т.к. это также является чрезвычайно обширной темой и во многом определяется IT ландшафтом и организационной структурой конкретного предприятия. Также основной упор в рассмотрении проблем выбора и внедрения систем производственно-управленческого контура в данной статье будет сделан на MES-системы, т.к. подробное рассмотрение в рамках одной статьи основных проблем MES-систем и EAM-систем получилось бы чрезмерно громоздким. Выбор MES-систем в качестве основного акцента статьи обусловлен большим их влиянием на конкурентоспособность большинства предприятий. 

pic1.jpg


Что есть?

Большинство отечественных предприятий сегодня завершает автоматизацию процессов финансово-управленческого контура, управления складами и управления технологическими процессами. 

Автоматизация финансово-экономических процессов, как правило, реализуется либо на основе одной ERP-системы, охватывающей все финансово-экономические процессы предприятия, в качестве которой чаще всего выступает система SAP, либо на основе связки ERP-системы  западного вендора и бухгалтерской системы отечественного производителя, реализующей поддержку процессов отечественной бухгалтерии. Та же самая ERP-система, как правило, используется и для автоматизации управления складами.

Автоматизация управления технологическими процессами на большинстве предприятий в настоящее время реализована на основе промышленных PLC и HMI-систем от крупных вендоров, таких, как Siemens, Invensys, Honeywell, Yokogawa и т.п. Существенным является то, что в большинстве случаев на производстве применяется более одной системы управления. Причем зачастую — разных производителей. Существующие решения обычно ориентированы на решения задач сбора инженерной информации, визуализации состояния и диспетчерского управления  технологическим и вспомогательным оборудованием.


Чего не хватает?

Существующие на предприятиях программные решения не охватывают задачи производственно-управленческого контура, либо охватывают их в очень ограниченном объеме. Это связано с тем, что для промышленных предприятий комплексная автоматизация производственного процесса на базе ERP-систем если и возможна, то за счет значительной доработки существующих модулей под специфичные для уровня производственного менеджмента процессы. При этом ERP-системы воспринимают промышленное производство с точки зрения финансово-управленческого контура, т.е. в первую очередь — как объект контроля, а не как объект управления. Поэтому пригодность ERP-систем в качестве инструмента производственно-управленческого персонала, чья деятельность во многом находится в технологической сфере производства, серьезно ограничена. Не могут быть таким инструментом и SCADA системы. SCADA системы представляют производственный процесс как набор контрольных параметров, подлежащих измерению и визуализации. Они не автоматизируют процесс анализа получаемой информации и в масштабах сколько-нибудь сложного производства просто завалят производственно-управленческий персонал огромным количеством процессной информации. А возложение на SCADA-системы сколько-нибудь серьезного аналитического функционала, как правило, нецелесообразно, в связи со значительными вычислительными сложностями данного функционала, что плохо совмещается с жесткими требованиями к быстродействию SCADA-систем. В результате на уровне производственно-управленческого персонала возникает разрыв между ERP-системами, контролирующими производство, и SCADA-системами, предоставляющими огромные объемы информации о реальном состоянии производственных мощностей. Это означает, что для решения задач производственно-управленческого контура необходимы специализированные инструменты, которые освободят производственно-управленческий персонал (начальник цеха, главный инженер, главный технолог, главный механик и т.д.) от рутинной работы по расчету и составлению отчетов о показателях эффективности производства, сбору статистики для выявления узких мест в производственном процессе, детальному планированию и перепланированию производства, позволят добиться прозрачности и упростят контроль над ходом производства, облегчат анализ качества продукции и выявления причин появления брака. Они позволят производственно-управленческому персоналу сконцентрироваться на принятии эффективных производственных решений и повысят общую эффективность и рентабельность производства за счет оптимизации производственного процесса.

pic2.jpg


Что делать?

Этот вопрос необходимо разделить на следующие части:
1_Какая принципиальная архитектура решения необходима для автоматизации задач управления производством?
2_Какие решения выбрать для реализации выбранной принципиальной архитектуры?
3_Каким образом организовать проект разработки и внедрения выбранного решения?

Найти хорошие ответы на эти вопросы (особенно на последние два) — это и будет основной проблемой отечественного предприятия на пути автоматизации процессов управления производством, а также интеграции систем управления технологическими процессами и систем управления финансово-экономическими и складскими процессами. 


Принципиальная архитектура решения

По данному вопроса уже сказано много. Поэтому мы не будем глубоко погружаться в данную тему, а лишь сделаем своего рода резюме. 

Стандарт ISA-S95, который является одной из основных теоретических и систематизирующих работ в области автоматизации производственно-управленческого контора, выделяет несколько основных групп производственно-управленческих процессов. А именно — управление производством, управление качеством, управление ТОиР (Техническое Обслуживание и Ремонты), управление материалами. Такое разделение хорошо отражает группировку производственно-управленческих задач с точки зрения проектирования функциональной архитектуры автоматизации процессов управления производством. Однако с точки зрения проектирования программной архитектуры более целесообразно использовать следующее разделение: управление планом и фактом производства, управление ТОиР, управление лабораторной информацией, консолидация производственной информации и расчет различных интегральных показателей (например, различных технико-экономических показателей производства). Такое разделение более точно отражает группировку задач управления производством с точки зрения их технической реализации. То есть грубо говоря для решения каждой из их этих групп задач необходим специфический тип инструмента. А совокупность этих инструментов и будет образовывать программный ландшафт уровня управления производством. 

Таким образом, выбор архитектуры программных средств сильно зависит от типа производства на предприятии. Например, специальный инструмент, нацеленный на решение задач, связанных с управлением планом и фактом производства, вряд ли будет востребован на предприятии с непрерывным типом производства. В связи с тем, что подобные задачи всегда стоят на производстве, их реализацию целесообразно будет осуществлять на базе инструмента для консолидации производственной информации и расчет интегральных показателей. С другой стороны, система управления лабораторной информацией может не понадобиться на предприятии с дискретным типом производства. 

Отдельно надо отметить вопрос обеспечения технологической и конструкторской подготовки производства. Хотя данный вопрос не лежит напрямую в числе канонических функций, относимых на долю инструментов управления производственной деятельностью, сказать о нем необходимо. Потому что результат процессов технологической и конструкторской подготовки существеннейшим образом отражается на логике работы инструмента, обеспечивающего управление планом и фактом производства. Фактически вся логика планирования, диспетчеризации и контроля исполнения производственных операций, а также планирования и учета материалов в производстве определяется технологией производства и составом производимой продукции. При проектировании принципиальной архитектуры решения автоматизации управления производством для производств, подверженных частным изменениям технологических процессов и составов изделий, необходимо учесть, что реализация подобных функций является несвойственной задачей для инструментов управления производственной деятельностью и для ее решения необходимо включить в состав программной инфраструктуры предприятия специальное решение. А также учесть вопросы интеграции данного решения в архитектуру средств автоматизации управления производством. 

pic3.jpg


Выбор решений

Этот вопрос относится к категории крайне непростых. В целом можно выделить следующие пути его решения.

- Монолитное отраслевое решение, специфичное для конкретного типа предприятий. Большим плюсом подобного пути является глубокая степень реализации производственной специфики, характерной для предприятий тех типов, на которое ориентировано решение. Другим существенным плюсом является отсутствие стадии разработки решения — решение уже есть, и его надо только внедрить. И все было бы замечательно, если бы не… Во-первых, подобные решения, как правило, жестко реализуют производственный процесс конкретного предприятия, для которого они были разработаны. Что далеко не всегда в точности отражает всю специфику другого предприятия подобного типа. Это касается как специфики производственных процессов, так и специфики информационного ландшафта (т.е. другими словами — интеграционных задач). А доработка и/или переработка подобных решений, как правило, крайне затруднительна либо невозможна вовсе. 

Во-вторых, подобные решения в подавляющем большинстве случаев могут быть заимствованы только на Западе. И это в связи с обозначенной сложностью/невозможностью их переработки, вызывает серьезные проблемы с их русификацией. Часто — непреодолимые. 

В-третьих, типичным для подобных решений является то, что они разработаны много лет назад и давно потеряли свою техническую актуальность. Как в программном, так и в аппаратном смысле. Что делает эксплуатацию подобного решения крайне нетривиальной и трудоемкой задачей. И дополнительно усугубляет проблемы с переработкой/доработкой/русификацией и накладывает свою «специфику» на графический интерфейс, чем создает заметные сложности с обучением пользователей, в массе своей привыкших к работе с Windows-приложениями, и в целом затрудняет работу пользователей с системой.
 
В-четвертых, подобные решения зачастую не охватывают весь спектр процессов управления производством. К примеру, найти решения полноценно сочетающие в себе функции управления планом и фактом производства с функциями управления лабораторной информацией, будет, весьма непростой задачей. Что в связи с вышеупомянутыми проблемами доработки подобных решений существенно затруднит их интеграцию с другими инструментами принципиальной архитектуры уровня управления производством.

- Решение на основе специальной универсальной платформы для разработки систем оперативного управления производством. В качестве примера подобных платформ можно привести Simatic IT, продукты AspenTech и некоторые другие. Преимуществом подобных продуктов и решений на их основе является открытая логика работы системы, которая достаточно точно может быть адаптирована к специфике конкретного предприятия, а также специальный инструментарий для разработки/доработки решений, который существеннейшим образом сокращает трудозатраты и сложность получения, поддержки и развития решения, точно соответствующего требованиям конкретного предприятия. Кроме того, многие подобные платформы имеют компонентную архитектуру и позволяют достаточно точно реализовать любую принципиальную архитектуру автоматизации управления производством. Однако этот подход имеет и свои недостатки. В качестве основного недостатка я считаю необходимым выделить небольшое количество полноценных платформ такого типа как на мировом, так и на отечественном рынке. А также лукавство многих вендоров, утверждающих в своих маркетинговых материалах, что их продукты являются полноценными платформами для построения систем оперативного управления производством. Что зачастую не вполне строго соответствует объективным реалиям. И может существенно затруднить выбор правильной платформы для реализации выбранной принципиальной архитектуры. Фактически количество полноценных MES платформ, позволяющих реализовать любую необходимую принципиальную и функциональную архитектуру, можно, фигурально говоря, пересчитать по пальцам одной руки. Все остальные, претендующие на звание полноценных MES-платформ, программные продукты, невзирая на маркетинговые заверения их вендоров, подходят лишь для решения отдельных задач оперативного управления производством. Как правило, это задачи консолидации производственной информации и расчета интегральных показателей. И могут существенно затруднить формирование полноценной архитектуры решения для автоматизации управления производством из-за необходимости поиска продуктов, решающих недостающие задачи, и последующей интеграции продуктов различных производителей в рамках одной архитектуры. Одним из самых хороших показателей, по которому можно оценить зрелость платформы, является наличие планировщика для составления детальных расписаний производства. Помимо того, что разработка подобного планировщика сама по себе является очень трудоемкой работой,  для его работы необходима информация о всех аспектах производственного процесса. Недостаточно зрелые платформы подобной информации планировщику предоставить просто не могут и, в частности, поэтому не имеют его в своем составе.

Также необходимо учитывать, что каждая из полноценных платформ обладает своими достоинствами и недостатками, которые также нуждаются в дополнительном анализе перед выбором той или иной платформы. Например, Simatic IT имеет современную, технически актуальную архитектуру, набор компонентов, закрывающих все задачи в сфере оперативного управления производством (включая планировщик для составления детальных производственных расписаний, чем не может похвастаться практически ни один другой вендор), широкие интеграционные возможности, удобные средства моделирования производственных процессов (т.е. — логики решения) и создания графических интерфейсов. Однако в настоящее время платформа испытывает определенный дефицит библиотек моделей отраслевых производственных процессов. Некоторые другие платформы имеют большую отраслевую специфику, однако при этом их архитектура и технические средства заметно устарели, имеют невысокую связность в рамках платформы, что в комплексе может существенно затруднить разработку, поддержку и развитие решения. Однако может и сократить первоначальное время доработки решения под конкретное предприятие, если его отрасль подпадает под отраслевую специфику данных платформ.

pic4.jpg

- Решение на основе ERP-системы предприятия. Большинство крупных современных ERP-систем начинают развивать собственные модули производственного управления. Такой выбор может быть удобен сохранением количества программных средств в программной инфраструктуре предприятия. И, тем самым, снижением сложности поддержки решения. Однако подобные решения отличаются относительно высокой стоимостью, а также как мы уже говорили выше, воспринимают производство в первую очередь как объект контроля, а не объект управления. 

- Заказная разработка решения «с нуля». Преимуществом подобного подхода является возможность получения решения, в точности соответствующего специфике конкретного предприятия. Недостатком является высокая стоимость, большие риски и жесткая логика производства, заложенная в решение. Любые изменения технологии производства и производственных процессов будут требовать переработки системы, что существенно затруднит поддержку системы. Ответом на это может быть разработка гибкой, настраиваемой платформы, но в подобном случае вариант сводится к варианту использования универсальной платформы, только платформа разрабатывается в рамках проекта «с нуля», а не берется готовая. Что даже с учетом недостатков, имеющихся на рынке готовых платформ, будет существенно дороже разработки решения на базе готовой платформы. А также влечет за собой куда большие риски.

Каждый из приведенных вариантов имеет свои плюсы и минусы. Их количество зависит от конкретного предприятия, и общего универсального рецепта на все случаи тут быть не может. Конечно, идеальным вариантом было бы построение решения на базе современной универсальной платформы с уже готовой отраслевой спецификой для конкретного предприятия и широкими интеграционными возможностями. Это позволило бы получить решение, с высокой точностью соответствующее специфике предприятия, минимумом затрат времени и труда и минимумом рисков, с максимально простой поддержкой и развитием. Однако в настоящее время большинство предприятий вряд ли смогут найти подобного рода решение. Поэтому придется чем-то жертвовать. И правильный выбор решений будет очень непрост. Увеличить вероятность правильного выбора можно правильным подходом к реализации проекта, о чем мы поговорим ниже.

По моему мнению, в большинстве случаев самым разумным выбором будет построение решения на базе Simatic IT — семействе продуктов компании Siemens. Да, некоторые другие MES-платформы и уж тем более монолитные отраслевые решения могут похвастаться большей отраслевой спецификой. Однако Simatic IT также позволяет реализовать любые специфичные для отрасли и конкретного предприятия процессы. И далеко не для всех отраслей на нашем рынке можно найти адаптированные под них платформы и монолитные решения. В тех же отраслях, где подобные решения существуют, необходим глубокий анализ степени соответствия предлагаемой отраслевой специфики задачам конкретного предприятия, а также возможностей поддержки, развития решения и его интеграции в информационный ландшафт предприятия. Может статься, что за эту специфику (которую можно без труда разработать на базе Simatic IT) придется заплатить несоразмерную цену в смысле ухудшения общей архитектуры решения. При этом удобный инструментарий Simatic IT существенно сокращает трудозатраты на разработку решения и его развитие, широкие интеграционные возможности и открытая архитектура позволяют интегрировать решение, разработанное на базе Simatic IT, в любой информационный ландшафт, а современные технологии, лежащие в основе платформы, существенно упрощают поддержку решения. Кроме того, Simatic IT является одной из немногих представленных на рынке платформ, чьи компоненты охватывают практически все группы задач в сфере оперативного управления производством. Управление планом и фактом производства, управление лабораторной информацией, консолидация инженерных данных и расчет интегральных показателей — автоматизация всех этих задач поддерживается компонентами платформы. Кроме того, Simatic IT является практически единственной на рынке платформой, в состав которой входит производственный планировщик для составления детальных расписаний для любых отраслей производства. А между тем составление производственных расписаний — это одна из важнейших функций MES.


Организация проекта

Мы не будем детально рассматривать возможные подходы к организации проекта разработки и внедрения MES-систем в рамках данной статьи, т.к. это отдельная большая тема. Однако мы выделим основные проблемы подобных проектов, вызванные спецификой этой сферы автоматизации. 

Проекты разработки и внедрения системы оперативного управления производством имеют свою специфику, во многом обусловленную проблемами выбора решений, о которых мы говорили выше, а также, в случае реализации проекта внешним по отношению к предприятию исполнителем, спецификой текущей ситуации на рынке поставщиков MES-услуг. В целом предприятие имеет несколько возможных путей реализации проекта:
- реализация проекта MES-системы собственными силами. Такое решение будет неплохим выбором в случае наличия полностью удовлетворяющего предприятие монолитного отраслевого решения. В таком случае проект не будет требовать проведения комплекса мероприятий, связанных с разработкой/доработкой решения, и соответственно, не будет требовать наличия у исполнителя опыта ведения крупных программных проектов (что, как правило, не свойственно отделам автоматизации предприятий). Вероятность подобного варианта, по моему мнению, невысока, т.к. найти на рынке подобное монолитное отраслевое решение будет проблематично и вряд ли удастся большинству предприятий.
- реализация проекта MES-системы силами системного интегратора. Такое решение будет неплохим выбором, коль скоро на рынке не удалось найти полностью подходящего монолитного решения (что наиболее вероятно). Использование услуг системного интегратора в данном случае является предпочтительной практикой, т.к. все остальные варианты решений потребуют существенных программных разработок\доработок. В связи с этим, проведение подобных работ требует от исполнителя наличие опыта разработки заказного ПО и поставленных процессов разработки ПО. По моему опыту подобных проектов, целесообразно разделить проект на две компоненты: производственный консалтинг и разработка/доработка ПО. Идеально, если оба этих компонента могут быть реализованы одним и тем же исполнителем. Однако реалии отечественного рынка разработки ПО таковы, что, по моему мнению, нахождение интегратора, который с одной стороны обладает глубокой отраслевой экспертизой, а с другой — обладает большим опытом заказной разработки ПО, будет достаточно сложной задачей. И далеко не факт, что ее удастся решить успешно. Разумной практикой в таком случае является выбор исполнителя с максимальными компетенциями в сфере заказной разработки ПО. В подобном случае разработку технического задания целесообразно выполнять совместно ресурсами предприятия и интегратора. Специалисты предприятия поставляют свои знания о производственных процессах предприятия, а интегратор обеспечивает формализацию данной информации (что требует определенных специфических навыков, относящихся к сфере заказной разработки ПО).

В любом случае в качестве первого этапа проекта крайне целесообразно реализовать несколько пилотных проектов на нескольких возможных решениях. Как мы уже говорили выше, в настоящее время на рынке отсутствуют безупречные со всех сторон решения и выбор наилучшего для конкретного предприятия решения достаточно нетривиален. Поэтому для принятия правильного решения очень желательно рассмотреть несколько альтернатив в условиях, максимально приближенных к реальным.

Безусловно, при любом выборе решения и организации проекта неминуемы те или иные технические и архитектурные проблемы. Однако правильный выбор решений существенно снизит количество этих проблем и позволит не столкнуться с проблемами непреодолимыми, а правильный выбор организации проекта существенно увеличит вероятность выбора правильного решения и его успешной адаптации к задачам вашего предприятия.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(19)_2008

Д.Б. Плахов, ведущий технический консультант,
ООО «Сименс», г. Москва
Департамент «Промышленная автоматизация»
Системы автоматизации
тел.: (495) 223-39-42