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.

Умное ресурсоснабжение с SIMATIC WinCC Open Architecture

Приводится обзор возможностей системы SIMATIC WinCC Open Architecture как единой платформы для построения интеллектуализированных систем мониторинга, диспетчеризации и оперативного управления для ресурсоснабжающих организаций сферы ЖКХ.

ООО «Сименс», г. Москва

Siemens_site.gif

Бурный прогресс цифровых технологий и их активное внедрение в различные сферы деятельности определяют в настоящее время новые условия и возможности развития как отдельных отраслей, так и экономики в целом. На фоне активной цифровой трансформации в ритейле, банковской сфере, промышленности и ряде других сегментов процесс цифровизации деятельности предприятий жилищно-коммунального хозяйства на текущий момент не достиг достаточного темпа. При этом перевод в «цифру» деятельности ресурсоснабжающих организаций сферы ЖКХ (таких как предприятия водоснабжения и водоотведения, тепло-, элект­ро-, газоснабжения и др.) создает огромный потенциал как для решения традиционных проблем отрасли, так и для ее вывода на новый уровень эффективности за счет применения инновационных технических решений и новых бизнес-моделей.

Основой для перехода ресурсоснабжающих предприятий ЖКХ на цифровую модель ведения деятельности должна стать сквозная интеграция всех процессов и физических систем в единое информационное пространство на базе объектно-ориентированных информационных моделей, позволяющих унифицировать структуры данных, параметров и нормативно-справочную информацию. Цель формирования такого единого информационного пространства – обеспечить наличие достоверной, всеобъемлющей и актуальной информации, то есть полноценную прозрачность и ситуационную осведомленность, а также предоставить эффективные инструменты для оперативного и стратегического управления целевыми объектами и процессами (в том числе для выполнения прикладных задач) из любой точки мира в любое время.

Одна из ключевых составляющих для реализации такого подхода – высокопроизводительные системы сбора, обработки, визуализации данных и управления. Возможности, открывающиеся перед ресурсоснабжающими предприятиями сферы ЖКХ за счет внедрения таких систем, рассматриваются в настоящей статье на примере платформы для создания комплексных многоуровневых систем сбора данных, управления и диспетчеризации SIMATIC WinCC Open Architecture (WinCC OA).


Роль цифровизации в достижении целей современного предприятия ресурсоснабжения

Перед тем как перейти к описанию конкретных технических аспектов предлагаемого решения, сформулируем типовые цели внедрения цифровых технологий на предприятиях ресурсоснабжения, чтобы оценить их проекцию на информационные процессы и задачи. Очевидно, что базовой целью предприятий – поставщиков ресурсов в сфере ЖКХ является обеспечение установленных показателей надежности, бесперебойности и качества услуг водоснабжения, водоотведения, тепло-, электро-, газоснабжения и прочего при достижении требуемых финансово‑экономических показателей деятельности. Цель же цифровизации данных предприятий заключается в сокращении издержек и повышении качества оказываемых услуг при одновременном снижении рисков управления производственными активами и совершенствовании процессов принятия управляющих решений и планирования, в том числе финансово‑хозяйственного управления [1].

Информационная проекция указанных бизнес-целей включает весь комплекс задач, связанных со сбором, обработкой и последующим использованием информации в деятельности предприятия:
- повышение точности и достоверности данных о потреблении ресурсов, включая выявление неучтенного и (или) несанкционированного потребления;
- прогнозирование процессов потребления ресурсов и планирование необходимых ответных мер;
- выявление и учет потерь, анализ причин и локализации мест их возникновения;
- внедрение методов и инструментов интеллектуализированной обработки данных и управления, включая методы машинного обучения и другие методы искусственного интеллекта;
- повышение качества информации и предиктивная аналитика состояния оборудования и инфраструктуры предприятия, в том числе для перехода к обслуживанию оборудования по состоянию;
- комплексный анализ факторов, влияющих на обеспечение режимов работы технологического оборудования и качество услуг ресурсоснабжения для потребителей;
- сокращение времени обнаружения и устранения технологических и производственных проблем, а также других нарушений в работе систем и процессов предприятия;
- повышение качества планирования производственных процессов;
- информационное взаимодействие и оказание информационных услуг потребителям и смежным организациям.

Решение данных задач обеспечивается комплексом программно-аппаратных средств (включая средства автоматизации, контрольно-измерительную технику и сетевое оборудование), взаимодействующих с соответствующим оборудованием и информационными системами предприятия; ключевым компонентом комплекса является программная платформа для сбора, обработки, визуализации данных и управления.


Единое цифровое пространство предприятия ресурсоснабжения на базе WinCC OA

Возможности применения системы WinCC OA в качестве платформы для реализации единого цифрового пространства предприятия ресурсоснабжения обеспечиваются следующими основными факторами:
- наличие готового универсального инструментария для создания общей иерархической информационной модели системы, используемой всеми прикладными подсистемами;
- подтвержденная производительность при построении сложных географически распределенных систем большой информационной емкости;
гибкие возможности визуализации, а также использования различных типов клиентских приложений;
- развитые интеграционные и коммуникационные возможности, включая поддержку как стандартных протоколов обмена данными систем автоматизации, телемеханики и энергетики, так и возможность реализации специализированных (проприетарных) протоколов приборов учета, интеллектуальных измерительных преобразователей, устройств и систем.

Базовые системные свойства WinCC OA как платформы, способной интегрировать приложения и системы, оперирующие данными о различных видах ресурсов, дополняются следующими важными техническими преимуществами:
- наличие штатной системы резервирования (горячее резервирование и резервирование центра управления);
- поддержка встроенных механизмов защиты и обеспечения информационной безопасности (HTTPS, SSL, SSO, Kerberos и др.);
- наличие большого количества функциональных пакетов расширений (аналитика, видео, ГИС, ТОиР и др.);
- поддержка современных стандартов и технологий (OPC UA, HTML5, SOAP, CSS, Kerberos, мультисенсорные жесты и др.).


Типовая архитектура и функциональные возможности цифровой среды предприятия ресурсоснабжения

Развитые системные характеристики и возможности прикладных компонентов WinCC OA, такие как механизмы работы с большими данными и аналитический инструментарий, средства и технологии организации распределенных и облачных вычислений, развитые средства моделирования и другие, позволяют в полной мере воплотить при создании информационных систем предприятий ресурсоснабжения концептуальный подход, основанный на принципах интеграции информационно-вычислительного обеспечения с физическими процессами, то есть рассматривать предприятие ресурсоснабжения как киберфизическую систему [2]. 

Такой подход прекрасно сочетается с тенденцией и необходимостью перехода от разрозненных узкоспециализированных закрытых решений для отдельных частных задач (мониторинг, диспетчеризация, учет и т. п.) к комплексным масштабируемым платформам, позволяющим интегрировать разнородные программно-аппаратные средства в единую цифровую среду. Причем за счет поддержки различных протоколов обмена данными в состав создаваемых комплексных систем могут быть интегрированы существующие системы и оборудование, что способствует повышению информационного охвата контролируемых объектов или процессов при снижении капиталовложений.

В состав типовой архитектуры цифровой среды предприятия ресурсоснабжения на базе системы WinCC OA входят следующие основные уровни и составляющие:
- нижний уровень – приборы учета, полевые устройства (включая системы локальной автоматики, оборудование КИПиА, системы телемеханики, устройства РЗА, коммутационную аппаратуру, частотные преобразователи и т. п.) и другие технические средства, обеспечивающие сбор массива первичной информации о состоянии и процессах контролируемых объектов (как с локальным персоналом, так и автономных «безлюдных» объектов);
- средний уровень – локальные/районные системы сбора данных, контроля, учета, мониторинга и диспетчеризации, служащие для локального и дистанционного управления технологическим, энергетическим и другим оборудованием, контроля технологических и производственных параметров, визуализации процессов в оперативном и историческом режимах и др.;
- верхний уровень – информационный центр управления предприятием, включающий интеллектуализированную систему сбора, обработки данных и диспетчерского управления, интеграционные, аналитические, пользовательские и другие информационные сервисы; верхний уровень может включать в себя или взаимодействовать с выделенным ситуационным центром предприятия или административно-территориального образования.

Ключевые функциональные возможности рассматриваемого комплекса в части сбора и обработки информации:
- измерение, восстановление и расчет объемов поставленных и потребленных ресурсов в различных формах представления;
- анализ данных, полученных с датчиков, измерительных преобразователей и других источников первичной информации, установленных в сети и у абонентов, включая контроль качества предоставляемых услуг, поиск аномалий в результатах измерений, определение вероятных мест возникновения потерь;
- обнаружение и отслеживание несанкционированного потребления, в том числе путем сравнения результатов измерений со статистикой (профилями потребления) и с помощью других методов проверки измерений на достоверность;
- ведение сведений об объектах и абонентах, вводах и линиях, парке оборудования, включая статистику корректности информации от средств измерений, качества измерений, качества передачи данных и наличия ошибок оборудования и прочее, отслеживание истории установки;
- расчет материального и энергетического баланса;
- расчет ключевых показателей деятельности;
- формирование данных для расчетных систем;
- оповещения о событиях, отказах, выявленных проблемах;
- поддержка процессов ТоИР;
- единый интерфейс доступа к данным предприятия.

Реализация рассматриваемой архитектуры на примере многоуровневой распределенной цифровой среды предприятия водоснабжения и водоотведения приведена на рис. 1.

Ris_1_small.jpg

Рис. 1. Цифровая среда предприятия водоснабжения и водоотведения, построенная на базе архитектуры WinCC OA (увеличить изображение)

Пример реализации ситуационного центра показан на рис. 2.

Ris_2.jpg

Рис. 2. Организация ситуационного центра

Возможные формы графического представления информации приведены на рис. 3.

Ris_3_small.jpg

Рис. 3. Варианты графического представления информации в системе WinCC OA (увеличить изображение)


Общая информация о системе WinCC OA

Рассмотрим подробнее особенности системы WinCC OA, являющейся основой предлагаемого решения.

WinCC OA – гибкая и адаптивная платформа для решения прикладных задач сбора, обработки, визуализации данных и диспетчерского управления, востребованная в первую очередь в комплексных и крупномасштабных проектах, в которых предъявляются специфические требования к функциональности и архитектуре. WinCC OA позволяет обрабатывать большие объемы данных в конфигурациях с существенными ограничениями на аппаратные ресурсы.

WinCC OA имеет клиент-серверную системную архитектуру и построена по модульному принципу: система функционально разделена на несколько менеджеров и драйверов (программных процессов), которые могут быть распределены по различным серверам/компьютерам в сети. Обмен данными между менеджерами (драйверами) осуществляется по событиям с использованием протокола TCP/IP. Такая концепция построения идеально подходит для создания распределенных систем (поддерживается до 2048 серверов WinCC OA в рамках одной системы, до 255 клиентов на каждый сервер) и обеспечивает высочайшую масштабируемость – от простых локальных конфигураций до высокопроизводительных географически распределенных систем, обрабатывающих более 10 миллионов сигналов ввода/вывода. При этом WinCC OA является кросс-платформенной системой, поддерживаются операционные системы (ОС) Windows, Linux (Red Hat, OpenSUSE, CentOS), а также платформа виртуализации VMware ESXi (включая кластерную конфигурацию VMware HA). Для клиентских станций возможно также использование ОС iOS и Android. Возможно применение различных ОС на серверах и клиентах.

В качестве базы исторических данных может применяться как собственная высокопроизводительная БД (HDB), так и СУБД Oracle (поддерживается в том числе и кластерная конфигурация Oracle Real Application Clusters). Возможно параллельное архивирование в БД Oracle и HDB. Также возможна запись данных, определенных пользователем, и журналирование системных событий и сообщений во внешней реляционной БД (MS SQL Server, MySQL, Oracle и др.).

В состав семейства клиентских приложений WinCC OA входят клиент для настольных ПК, мобильный клиент и веб-клиент.

Помимо базовых компонентов WinCC OA имеется широкий набор специальных модулей и пакетов расширений, таких как подсистема аналитики, видеоподсистема, ГИС-модуль, планировщик задач, модуль отчетности, центр сообщений, модуль ТОиР, подсистема рецептурного управления и др.


Свойства и компоненты WinCC OA

Остановимся на нескольких свойствах и компонентах системы WinCC OA, наиболее важных с точки зрения рассматриваемой задачи.

Сбор данных и интеграция со смежными системами. WinCC OA имеет в своем составе драйверы для обмена данными с периферийным оборудованием, интеллектуальными устройствами и смежными системами различных типов:
- драйверы протоколов на основе TCP/IP – SIMATIC S7, Modbus, Ethernet/IP, SNMP, BACnet и др.;
- драйверы протоколов семейства OPC – OPC UA (DA, AC – Client & Server, HA – Client), OPC DA/AE/HDA (Client & Server);
- драйверы протоколов систем энергетики и телемеханики: МЭК 61850, МЭК 61400, МЭК 60870-5-101/104, DNP3, SINAUT и др.

Для организации информационного взаимодействия с внешними системами также поддерживаются различные интерфейсы доступа к внешним базам данных и механизмы интеграции: ADO, XML, XML Parser, XML-RPC-Interface, UART- и TCP-доступ, веб-сокеты. Кроме того, возможна разработка собственных драйверов с использованием открытого интерфейса прикладного программирования (API).

Аналитика. Пакет SmartSCADA, входящий в состав WinCC OA, представляет собой инструментарий для интеллектуального анализа процесса по ключевым показателям эффективности (КПЭ) и его последующей оптимизации с применением методов статистической обработки.

SmartSCADA извлекает значимую информацию из большого массива данных. При первоначальном корреляционном анализе происходит выявление взаимосвязей между различными переменными процесса для проведения последующей классификации. Далее выполняется автоматическая привязка результатов с созданием набора состояний, которые затем проверяются пользователем и именуются. Из таких обработанных наборов создаются статистические модели. Впоследствии модели используются для оптимизации технологического процесса (например, с помощью эффективного анализа причинно-следственных связей), а также для поддержки пользователя в процессе принятия решений. Приведенные методы статистической обработки могут применяться как к историческим значениям, так и к данным реального времени. Кроме того, SmartSCADA предоставляет интерфейс к языку R, позволяющему непосредственно обрабатывать данные SCADA-системы, вызывая требуемые статистические функции и методы.

Пакет SmartSCADA позволяет решать следующие задачи:
- выявление зон (областей), требующих оптимизации, в целях повышения общей эффективности технологического процесса;
обеспечение оптимальной производительности и доступности системы/установки/процесса путем выбора варианта решения из предлагаемых альтернатив;
- оптимизация затрат;
- обработка и представление результатов исследовательского проекта (например, прототипа системы) для принятия решения.

Возможные области применения SmartSCADA в рассматриваемом классе задач: причинно-следственный анализ, прогнозирование отказов, мониторинг состояний сетей, оборудования и др.

Клиентские приложения. Для отображения экранных форм, мнемосхем, пользовательских диалогов, отчетов и других элементов графического интерфейса в системе WinCC OA могут использоваться различные типы клиентских приложений [3]:
- клиент для настольных ПК Desktop UI – компактное кроссплатформенное приложение, установочный пакет для которого может загружаться по ссылке с веб-страницы;
- мобильный клиент Mobile UI для смартфонов и планшетов на базе ОС iOS и Android;
- ультралегкий веб-клиент ULC UX на основе технологии HTML5 (для браузеров EDGE, Internet Explorer, Chrome, Firefox).

Имеется единый инструментарий для построения операторских станций различного функционального назначения, интерактивных диспетчерских щитов, экранов коллективного пользования, систем мониторинга управленческих показателей, а также решения любых других задач, связанных с созданием прикладных визуальных пользовательских интерфейсов. Пользовательские панели (операторские экраны) создаются один раз для любых устройств и поддерживают адаптивный дизайн.

Интеграция картографической информации. Модуль WinCC OA GIS Viewer позволяет встраивать в WinCC OA карты, выполненные в формате географических shape-файлов ESRI, и просматривать все объекты WinCC OA на этих картах. Масштаб отдельных областей карты может быть увеличен автоматически или вручную вплоть до детализации контролируемых установок/устройств. Если данные объекты требуют привлечения внимания оператора (например, имеют неквитированные алармы), такие установки/устройства могут быть выделены на карте цветом, графическими элементами или текстом. За счет этого достигается повышение информативности операторского интерфейса в сравнении с традиционным для SCADA-систем отображением только образа процесса в виде мнемосхем. Дополнительные возможности повышения степени интерактивности пользовательского интерфейса дает использование динамических карт.

Альтернативным способом отображения интерактивной картографической информации в проекте WinCC OA является использование специального виджета веб-браузера для интеграции веб-приложений формата Яндекс.Карты, Google Maps или OpenStreetMap. При этом карты будут отображаться непосредственно на экранных формах WinCC OA; в такой конфигурации также возможен обмен данными между WinCC OA и соответствующим приложением (например, приложением Яндекс.Карты). Отдельным виджетам и обработчикам событий WinCC OA можно передавать информацию от Google Maps или Яндекс-сервисов, используя их JavaScript API.

Интеграция видео. В составе WinCC OA имеется видеоподсистема, обеспечивающая возможность интеграции с проектами WinCC OA IP-камер и IP-компонентов, соответствующих стандарту ONVIF 2.0, а также полнофункциональных систем видеоуправления.

Модуль WinCC OA VIDEO позволяет оператору централизованно управлять функциями видео непосредственно из системы и при выполнении различных задач использовать видеоинформацию в дополнение к основным данным, получаемым с контролируемых объектов. 

Функциональность модуля WinCC OA VIDEO обеспечивает возможность выполнения следующих операций с видео:
- установка и удаление камер в онлайн-режиме;
- конфигурирование камер в онлайн-режиме;
- управление мультидисплеями и проекторами;
- запись видео по событиям;
- экспорт видеопотоков и др.

Управление процессами ТОиР. Модуль AMS (Advanced Maintenance Suite), входящий в состав пакетов расширения WinCC OA, предназначен для организации и контроля процессов технического обслуживания и ремонта. Особенностью модуля AMS является то, что он позволяет в автоматическом режиме трансформировать события системы в заказ-наряды. При работе с заказ-нарядами обеспечивается возможность использования имеющейся информации по необходимым запчастям и инструментам. Модуль AMS обеспечивает отображение информации о текущих отказах и проводимом/планируемом обслуживании, а также предоставление большого количества отчетов (например, подробной информации по конкретному заказ-наряду, вовлеченному техническому персоналу и временным ресурсам, требуемым для проведения работ на заданном участке, статистической информации по множеству заказ-нарядов).

Кибербезопасность. Система WinCC OA поддерживает различные средства и механизмы обеспечения кибербезопасности, в частности:
- шифрование панелей, сценариев и библиотек;
- SSL-шифрование при передаче данных (как между менеджерами, так и для клиентов);
- протокол HTTPS для обмена данными с веб- и мобильными приложениями;
- разграничение уровней доступа;
- возможность интеграции c Active Directory (Single Sign On, SSO);
- протокол сетевой аутентификации Kerberos и др.


Соответствие целям и задачам цифровизации предприятия ресурсоснабжения

Проведем анализ соответствия предлагаемого подхода целям и задачам цифровизации предприятия ресурсоснабжения, указанным выше. Формирование единого информационного пространства предприятия ресурсоснабжения позволяет получить следующие результаты:
- обеспечение прозрачности процессов предприятия путем непрерывной обработки информации о материальном и энергетическом балансе производства и потребления ресурсов;
- обеспечение качества процессов принятия решений при управлении инфраструктурой и производственными фондами за счет повышения надежности и достоверности данных;
- снижение издержек предприятия за счет повышения качества планирования и оперативного контроля балансов;
- повышение надежности ресурсоснабжения за счет создания единой системы мониторинга и управления;
- сокращение затрат на обслуживание и ремонт оборудования благодаря накоплению статистических данных и внедрению стратегии обслуживания по состоянию;
- снижение стоимости владения информационными системами предприятия, средствами измерений и системами автоматизации за счет унификации и стандартизации технических решений;
- сохранение ранее сделанных инвестиций в смежные/сопряженные системы и приборный парк за счет развитых средств интеграции.


Ключевые преимущества

Сформулируем ключевые преимущества предлагаемого подхода и решения по построению единого информационного пространства предприятия ресурсоснабжения:
- подсистема сбора и обработки данных имеет гарантированную производительность в конфигурациях с 10 миллионами сигналов ввода/вывода и более, в том числе в распределенной сетевой архитектуре, без отрицательного эффекта масштаба в плане надежности и функциональности системы;
- подсистема аналитики данных на базе мощного инструментария для анализа и прогнозирования позволяет реализовать настраиваемые пользовательские алгоритмы и сценарии анализа данных, в том числе с использованием ранее накопленной статистики и опыта;
- решение полностью соответствует принципам построения открытых систем, что обеспечивает фактически неограниченные возможности расширения, модернизации и снижает общую стоимость владения (TCO) за счет уменьшения зависимости от поставщика;
- использование системы функциональными подразделениями предприятия, потребителями ресурсов и смежными хозяйствующими субъектами может осуществляться по модели SaaS путем предоставления соответствующих сервисов головной IT-организацией или выделенным провайдером информационных услуг;
- интеграция с облачной операционной системой MindSphere позволяет задействовать дополнительные аналитические инструменты, а также с точки зрения архитектуры дает возможность выбрать оптимальное сочетание локальной и облачной реализации функциональности отдельных подсистем и сервисов.


Выводы

Для достижения целей, стоящих перед современным ресурсоснабжающим предприятием в сфере ЖКХ, требуется решить комплекс информационных задач, охватывающих все аспекты его деятельности. Использование технологий и преимуществ цифровизации для решения этих задач «в цифре» невозможно без полной интеграции всех процессов, объектов и систем предприятия в единое информационное пространство. Благодаря подтвержденной производительности при построении сложных географически распределенных систем большой информационной емкости, поддержке иерархической информационной модели, гибким возможностям визуализации, развитому аналитическому аппарату, а также широкой интеграционной и коммуникационной функциональности система WinCC OA является эффективной платформой для формирования единого цифрового пространства для ресурсоснабжающих предприятий в сфере ЖКХ.


Литература

1. Баженов В. И., Данилович Д. А. и др. Цифровой водоканал – миф или реальность? // Наилучшие Доступные Технологии водоснабжения и водоотведения. 2017. № 6.
2. Соловьев С. Ю. Дигитализация с SIMATIC WinCC Open Architecture: настоящее и будущее // ИСУП. 2017. № 3.
3. Соловьев С. Ю., Серов А. С. Новые возможности дистанционного мониторинга и управления промышленными и инфраструктурными объектами с помощью WinCC OA версии 3.15 // ИСУП. 2017. № 1.

Статья опубликована в журнале "ИСУП" № 5(77)_2018

С. Ю. Соловьев, к. т. н., руководитель Центра компетенций,
департамент «Цифровое производство»,
ООО «Сименс», г. Москва,
тел.: +7 (495) 737-2441,
e‑mail: dfpd.ru@siemens.com,
сайт: siemens.ru


ПЛК С МУЛЬТИСЕНСОРНЫМ ЭКРАНОМ
10,4", ПЛК + HMI c встроенным мультисенсорным экраном производства Unitronics
www.klinkmann.ru