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.

Бережливая технология = ПЛК + Интернет + ИТ

«Волшебная» формула, вынесенная в название статьи, включает в себя все важные слагаемые для устройств систем автоматизации, обеспечивающие высочайшую функциональность и эффективность. Системы ­автоматизации, построенные на основе этой формулы, позволяют организовать производство, отвечающее принципам бережливости.

«Сайа Бургесс Контролз Рус», г. Москва

Logo-Saia_logo.gif

Любая система автоматизации – это прежде всего те устройства, из которых она состоит и благодаря которым работает. И только отвечая принципу бережливости, эти устройства становятся прочным, надежным фундаментом для рацио­нального использования и экономии средств.

Есть высказывание: надежность цепи определяется ее слабейшим звеном. Немного перефразируя его, можно сказать, что устойчивость работы и безопасность всей системы определяются самым уязвимым ее элементом. Наглядным примером тому служит тоннель Лёчберг в Швейцарии. Некоторые элементы его системы автоматического управления оказались настолько уязвимы, что после всего лишь трех лет эксплуатации ее пришлось модернизировать, затратив 15 млн евро.


Рис.1.jpg

Рис. Железнодорожный тоннель Лёчберг в Альпах протяженностью 34 км

Большая часть оборудования для контроля и автоматизации состояла из специализированных контроллеров, причем некоторые из них были непрограммируемыми. Из-за функций контроля фирменной разработки внешний доступ к оборудованию оказался невозможен, связь с системами более высокого уровня была разорвана. Экономия на электронике привела к возникновению множества псевдоошибочных сообщений и огромного числа отказов более чем 1000 устройств.

При модернизации этой системы было принято решение использовать бережливые технологии. Принцип «экономия любой ценой» был снят с повестки дня. Даже внутренняя структура обновленных устройств системы автоматизации и системы контроля стала отвечать принципам бережливости. Отныне встроенные функ­ции не были ограничены правами владельца патента. Каждое устройство стало полностью открытым для связи с внешними устройствами и системами. Стандартизованные встроенные функции «Интернет + ИТ» обеспечивают связь между функциями конт­роля и управления, а также контакт с внешними средствами автоматизации и производственным оборудованием. Эти функции открыты, распознаваемы, гарантируют безопасную и надежную работу. Кроме того, в состав сервера Automation Server функционально включены различные протоколы и стандарты серверов (FTP, HTTP, SNMP и т. д.).

Устройства для автоматизации, отвечающей принципам бережливости, интегрируются в «классические» системы связи как модули. Они представляют собой связующие звенья между традиционными и lean-технологиями.

Рис.2.jpg

Рис. Устройства автоматизации благодаря своей структуре, отвечающей принципам бережливости, обеспечивают оптимальные условия эксплуатации системы


Уровень управления/контроля бережливой системы

В классической технологии централизованного управления, применяемой для автоматизации зданий, логические операции и контроль ограничены уровнем автоматизации. В результате достигается более надежное и автономное функционирование оборудования, которое не зависит даже от уровня конт­роля/управления, поддерживаемого ПК. Стратегии контроля настолько сложны и универсальны, что такая мера считается необходимой. По­этому проектирование компьютерных систем для центра управления является трудоемким процессом.

С появлением концепции бережливости, в соответствии с которой каждое устройство должно быть оснащено функциями управления и контроля, ситуация изменилась к лучшему. Создание общего отдельного уровня контроля стало произвольным. В большинстве зданий он вообще не требуется. Однако в случае использования программного обеспечения для осуществления функций управления/контроля на базе ПК этот уровень легко организовать. Оптимальная система автоматизации, построенная по принципам бережливости, реализуется с помощью свободно программируемых модульных устройств.

При этом границы в пирамиде автоматизации исчезают, в результате чего в пользовательской среде достигается органичная интеграция, не требующая специализированного программного обеспечения, интерфейсов собственной разработки и постоянного обновления ОС Windows, что обеспечивает экономию средств.
Рис.3.jpg

Рис.  Классическая пирамида автоматизации: основные функции выполняют устройства на разных уровнях. Эти уровни отделены друг от друга и от внешней среды


Рис.4.jpg
Рис.  Устройства в пирамиде автоматизации, отвечающей принципам бережливости. Полностью интегрированная и прозрачная среда автоматизации даже для внешнего окружения


Бережливая автоматизация: одинаковый период эксплуатации технологии и оборудования

После монтажа системы ее больше не потребуется обслуживать на протяжении всего периода эксплуатации в соответствии с принципом «Fit and Forget» («установил и забыл»). А если понадобится что-то изменить, это всегда будет легко сделать с наименьшими расходами по принципу «No risk, No limits» («отсутствие рисков и ограничений»). Электронное оборудование для контроля и автоматизации должно иметь тот же срок службы, что и остальные технические средства системы. Необходимо, чтобы ее оборудование и средства были адаптируемыми и наращиваемыми в течение всего срока службы. Следовательно, они должны иметь модульное исполнение и отвечать тем же требованиям, что и ПЛК.

Совместимость, беспрепятственное портирование оборудования и ПО для автоматов гарантируется в течение 18–25 лет – всего периода эксплуатации одного поколения изделий. Это требование выполняется только при наличии эксклюзивного права на разработку технического программного обеспечения, а также при непротиворечивом использовании «интерпретируемого кода». Для выполнения этих условий требуется больший объем аппаратных средств, что, однако, обеспечивает портируемость пользовательского ПО на несколько поколений контроллеров.

Рассмотрим два примера из прак­тики компании Saia. Одно предприятие по промышленному производству сыра бесперебойно проработало свыше 20 лет. Но однажды после сильных дождей его затопило. В результате пострадало оборудование системы автоматизации предприятия. В частности, заржавели шинные разъемы PCD-контроллеров Saia, что привело к сбоям в их работе. Эти контроллеры с несколькими тысячами портов ввода/вывода заменили устройствами самого последнего поколения. Благодаря совместимости между разными поколениями устройств новые приборы установили при работающем производстве и с минимальными издержками.

Еще пример: в университетской больнице Амстердама оборудование, эксплуатировавшееся в течение 15 лет, было модернизировано таким образом, что не потребовалось заново устанавливать всю систему автоматизации.

Эти примеры доказывают, что технология PCD-контроллеров Saia полностью отвечает требованиям к бережливости по такому параметру, как срок службы. Благодаря модульному исполнению оборудования и виртуальной среде с прикладным программным обеспечением пользователи испытывают меньше стрессов и экономят на расходах.


Бережливая технология: обслуживание

Одна из основных идей бережливой автоматизации состоит в том, чтобы обеспечить решения, для обслуживания которых по­требовалось бы вдвое меньше персонала при более высокой степени автоматизации. Как этого дос­тичь?

У современной связи, построенной на основе Ethernet-сетей, есть преимущество: для обслуживания этих сетей не требуется вскрывать или заменять оборудование, а значит, обслуживающий персонал может и не обладать специальными навыками, касающимися сетей (IP, DHCP и т. д.). Однако это достоинство порождает и недостаток: открытые сетевые соединения могут генерировать множество сообщений об ошибках, которые следует обработать. Сколько ошибок возникает в сети из-за неправильного ввода данных или недоработок? Сколько усилий требуется на их исправление? Бережливая автоматизация должна исключить источник этой проблемы в Ethernet-сети.

Решение этой проблемы достаточно простое – каждое устройство системы автоматизации должно иметь стандартный USB-порт помимо разъема Ethernet. Универсальный USB-интерфейс всегда функ­ционален, широко распространен, а его использование не сопряжено с риском возникновения ошибок.


Противоположный сценарий: небережливая технология

Чтобы лучше понять преимущества бережливой технологии, рассмотрим обратный случай – технологии, которые не обеспечивают бережливого подхода к ресурсам.

Например, давайте вспомним, как используются вычислительные ресурсы ПК на уровне управления/контроля для решения простых задач на полевом уровне. Обновление программного обеспечения и операционной системы сопряжено с нестабильностью работы сети, стрессами и расходами. Из-за малого срока службы технологий персональных компьютеров их аппаратное обеспечение приходится менять раза три, а то и пять за весь период эксплуатации системы автоматизации здания – весьма неприятный недостаток технологии, не обеспечивающей бережливого подхода к средствам.

Другой пример: специализированные контроллеры. Если весь функционал какой-то части оборудования для автоматизации реализован на одной печатной плате, разработка и производство системы обойдется дешевле, чем подсо­единение отдельных модулей с помощью высококачественных разъемов. Кроме того, большинство специализированных контроллеров не оснащено возможностью свободного программирования. Их ограниченная функциональность позволяет производителю сэкономить на предварительных продажах, поддержке и дистрибуции устройств. Это главная причина сравнительно меньшей стоимости специализированного оборудования.

В то же время оно имеет множество недостатков. Часто фиксированные порты ввода/вывода оказываются недостаточно пригодными при первой же настройке или расширении системы, что ограничивает возможности связи. Специализированные устройства надо менять два-три раза за весь период эксплуатации системы, что, несомненно, очень выгодно для их производителей. При возникновении замыканий или отказов в электрической цепи, связанных с работой портов ввода/вывода, необходимо менять специализированный контроллер, включая центральный процессор, а не только модуль ввода/вывода. Поскольку в этом случае требуется вмешательство технического персонала, вероятность ошибки и дополнительных расходов увеличивается. Если оказалось, что новое устройство не полностью совместимо с системой с точки зрения функциональности и программирования, потребуется вмешательство программиста. Таким образом, мелкая проблема по замене вышедшего из строя контроллера может вылиться в полномасштабный проект с участием специалистов и длительным отключением системы.


Преимущества устройств, отвечающих принципу бережливости

Устройства, входящие в состав системы автоматизации и отвечающие требованиям бережливости, легко монтируются, отличаются надежностью в эксплуатации и просты в обслуживании. Рассмотрим на примере контроллера PCD3 от Saia преимущества устройства, в котором реализованы lean-технологии.

Устройству системы автоматизации требуется прочный каркас в виде интегрированного корпуса с шиной объединительной платы. Каждый интерфейсный модуль вставляется в слот, помеченный крупными буквами. Все операции выполняются быстро и безошибочно, поскольку для монтажа не требуются инструменты или специальные навыки. К устройству не прилагается 46‑страничная инструкция по монтажу с перечислением множества случаев отказа от гарантийных обязательств. Устройства контроля, отвечающие принципам бережливости, надежно функ­ционируют в течение всего срока службы системы (15–20 лет) и допускают наращивание.

Рис.5.jpg

Рис. Электрические разъемы ЦП-контроллера PCD3.M производства компании Saia. 

За счет невысоких дополнительных расходов на разработку и материалы достигается оптимальная функциональность устройств нынешнего и будущего поколений. Это позволяет устранить главные источники ошибок в системе автоматизации независимо от качества рейки, тщательности монтажа и профессио­нальных навыков персонала.


Заключение

Проектирование в соответствии с принципами бережливости обеспечивает систему автоматизации огромными преимуществами. Дополнительные расходы на разработку и производство с лихвой окупаются уже на начальном этапе эксплуатации системы, тогда как проектирование по принципу «экономия любой ценой», благодаря которому достигается низкая стоимость разработки, способно лишь отсрочить плату за ошибки, возлагая ее на плечи владельцев и операторов.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 5(41)_2012

Юрген Лаубер (Jürgen Lauber),
«Сайа Бургесс Контролз Рус», г. Москва,
тел.: (495) 744‑0910,
e‑mail: info@saia-burgess.ru,
www.saia.ru