Приводится описание подхода к созданию систем автоматизации и диспетчеризации тоннелей, основанного на рассмотрении совокупности требований, задач и процессов на всех этапах жизненного цикла тоннеля как комплексной информационной задачи и ее решения с помощью средств цифрового моделирования, проектирования и интеллектуальных информационно-управляющих систем.
ООО «Сименс», г. Москва
Интенсивный рост объемов строительства тоннельных сооружений, являющийся неотъемлемой составляющей устойчивого развития городов и инфраструктуры в целом, требует решения целого комплекса задач, связанных с сокращением сроков проектирования и ввода в эксплуатацию, снижением количества ошибок при проектировании, повышением уровня безопасности, сокращением сроков закрытия тоннельных объектов на обслуживание и ремонты, снижением затрат на эксплуатацию и модернизацию различных тоннельных систем.
Потенциал для оптимизации процессов проектирования, ввода в эксплуатацию и обслуживания тоннельных сооружений открывает цифровизация – подход, основанный на рассмотрении совокупности требований, задач и процессов на всех этапах жизненного цикла как комплексной информационной задачи и ее решения с помощью средств цифрового моделирования, проектирования и интеллектуальных информационно-управляющих систем.
Архитектура систем, обеспечивающих эксплуатацию тоннеля
Рассмотрим типовой функциональный облик и архитектуру систем автоматизации, сигнализации и связи, применяемых на тоннельных сооружениях различного назначения (в автодорожных, железнодорожных и совмещенных тоннелях, тоннелях метрополитена, коммуникационных и пешеходных тоннелях).
Работа современных тоннельных сооружений обеспечивается комплексом взаимосвязанных систем, выполняющих функции управления, контроля и мониторинга всех процессов и систем тоннеля – энергоснабжения, вентиляции и противодымной защиты, водоснабжения и водоотведения, освещения, обеспечения безопасности (эвакуационные системы и др.), дорожной и аварийной сигнализации, а также мониторинга и контроля состояния капитальных сооружений тоннеля. В решении данных задач востребовано применение комплексных решений, построенных на единых принципах, стандартных протоколах взаимодействия и совместимых технических средствах. Обзор продуктов и систем компании Siemens, составляющих единое решение для задач обеспечения работы тоннельных объектов, представлен на рис. 1 (схематично показаны области применения отдельных видов оборудования и программного обеспечения).
Рис. 1. Продукты и системы компании Siemens для тоннельных объектов (увеличить изображение)
В зависимости от характеристик конкретного объекта и проектных решений состав технических средств может быть различным, при этом архитектура систем автоматизации тоннельных объектов, как правило, является иерархической, с выделением полевого уровня, уровня автоматизации и уровня диспетчерского управления (рис. 2). В рамках решения Totally Integrated Automation (TIA) компании Siemens основные компоненты этих уровней представлены многофункциональными станциями распределенного ввода/вывода ET200SP, резервированными контроллерами SIMATIC S7-1500R/H, сетевым оборудованием SCALANCE, промышленными компьютерами SIMATIC IPC.
Рис. 2. Обобщенная архитектура систем автоматизации и диспетчеризации оборудования и устройств тоннеля
В качестве программного обеспечения для интеграции различных систем автоматизации, контроля и мониторинга в рамках единой системы диспетчеризации служит SCADA-система SIMATIC WinCC Open Architecture (WinCC OA). WinCC OA – модульная кроссплатформенная клиент-серверная система для решения прикладных задач сбора, обработки и визуализации данных с открытым интерфейсом прикладного программирования (API). В рамках концепции Totally Integrated Automation система WinCC OA предлагается как платформа для решения инфраструктурных и интеграционных задач, для приложений с высокими требованиями к надежности, а также для приложений, которым необходима глубокая адаптация под специализированные требования заказчика [1].
Комплексная информационная платформа и единая система диспетчеризации
Применимость SCADA-системы WinCC OA в рассматриваемом классе задач в качестве комплексной информационной платформы и единой системы диспетчеризации обусловлено следующими основными факторами:
- наличием готового универсального инструментария для создания информационной модели, пользовательских экранов и описания прикладной функциональности;
- встроенной поддержкой резервирования различных уровней и компонентов (горячее резервирование и резервирование центра управления – так называемое резервирование «2×2»);
- встроенной поддержкой механизмов защиты и обеспечения информационной безопасности (HTTPS, SSL, SSO, Kerberos и др.) [2];
- подтвержденной производительностью при построении сложных, географически распределенных систем большой информационной емкости;
- гибкими возможностями визуализации;
- интеграцией инжинирингового инструментария WinCC OA и платформы TIA Portal;
- развитыми интеграционными и коммуникационными возможностями, включая как поддержку стандартных протоколов обмена данными систем автоматизации, телемеханики и энергетики, так и возможность реализации проприетарных протоколов специализированного оборудования.
Системные свойства WinCC OA как комплексной информационной платформы дополняются следующими техническими преимуществами, важными в контексте задач мониторинга и управления тоннельными объектами:
- наличие встроенной системы видеонаблюдения [3];
- поддержка различных технологий интерактивной картографии средствами базовой системы и специализированным модулем GIS Viewer;
возможность использования различных типов клиентских приложений (стационарных, мобильных и веб-клиентов);
- поддержка современных информационных стандартов и технологий (OPC UA, HTML5, SOAP, CSS, Kerberos, мультисенсорные жесты и др.).
Многочисленные внедрения систем автоматизации и диспетчеризации тоннелей в соответствии с концепцией Totally Integrated Automation и на базе аппаратных и программных средств Siemens являются подтверждением высоких технических характеристик решения и соответствия требованиям заказчиков. Пример одного из таких объектов представлен на рис. 3 (тоннель 1‑го Марта, Босния и Герцеговина).
Рис. 3. Пример комплексной автоматизации тоннельного объекта (тоннель 1‑го Марта, Босния и Герцеговина)
Цифровизация процессов проектирования, внедрения и эксплуатации систем тоннеля
Вернемся к вызовам и задачам, стоящим перед различными участниками процесса создания и эксплуатации систем тоннеля. Для этого рассмотрим полный жизненный цикл тоннельных систем и тоннеля в целом: от стадии технического задания до этапа эксплуатации тоннельного объекта (рис. 4).
Рис. 4. Цифровизация процессов проектирования, внедрения и эксплуатации систем тоннеля (увеличить изображение)
Интеграция инженерных систем, установок и оборудования тоннеля в единую информационно-управляющую систему требует выполнения комплекса проектных, инжиниринговых и наладочных работ. Неотъемлемой составляющей этого процесса является необходимость междисциплинарной «увязки» отдельных систем, установок, оборудования, относящихся к различным разделам проекта. При этом различные (по природе работ и характеру задач) этапы относятся к ответственности разных организаций – проектных, внедренческих и эксплуатирующих. В связи с этим обеспечение обмена и актуальности проектной информации, управление изменениями в проекте, оперативная верификация промежуточных решений и итогового результата, решение вопросов информационного обеспечения процессов эксплуатации, модернизации и расширения являются не только обязательными для реализации проекта и достижения требуемых характеристик объекта, но и определяющими эффективность и сроки такого процесса.
В рамках цифровой парадигмы создания систем и объектов предъявляемые требования, задачи и процессы рассматриваются в комплексе на протяжении всех этапов жизненного цикла. При этом за счет средств цифрового моделирования, проектирования и интеллектуальных информационно-управляющих систем цифровой подход позволяет не только обеспечить решение задачи внедрения комплекса необходимых систем и объекта в целом с повышением качества проектных решений и эксплуатационных характеристик, но и сократить общее время реализации проекта.
Условно процесс создания систем тоннеля с использованием цифровых технологий можно разделить на две большие фазы: работу с объектами и процессами в цифровом виде и работу с ними в реальном мире, а также выделить переходную фазу воплощения отработанных «в цифре» решений в физическую реализацию.
Рис. 5. Ключевые элементы цифровизации систем тоннеля
Ключевыми элементами рассматриваемого подхода к созданию и эксплуатации систем тоннеля на фазе цифровой отработки являются (рис. 5):
- использование цифрового двойника – модели (моделей), описывающих различные объекты, устройства, системы и аспекты их функционирования;
- моделирование и виртуальная пусконаладка;
- стандартизация технических решений, интерфейсов и структур данных.
К числу преимуществ подхода, помимо собственно сокращения времени выполнения пусконаладочных работ на объекте, следует отнести возможность заблаговременной подготовки эксплуатационного и диспетчерского персонала за счет обучения на тренажерах, работающих в связке с цифровыми двойниками систем тоннеля.
В отличие от традиционного подхода к проектированию, инжинирингу и внедрению систем автоматизации и диспетчеризации тоннелей, при котором на стыке этапов, относящихся к ответственности разных организаций, происходит потеря до 30 % информации, цифровизация процесса позволяет оптимизировать процесс использования информации на протяжении всего жизненного цикла тоннельного объекта (рис. 6).
Рис. 6. Оптимизация процесса использования информации на протяжении жизненного цикла тоннельного объекта (увеличить изображение)
Цифровая цепочка создания систем автоматизации и диспетчеризации тоннеля
Рассмотрим использование и взаимодействие цифровых двойников и реальных систем в рамках цифровой цепочки создания систем автоматизации и диспетчеризации тоннеля.
Основная цель создания цифровых двойников состоит в получении моделей, описывающих с достаточной для решаемой задачи степенью адекватности и точности внутренние процессы (механические, электрические, гидравлические и т. д.), технические характеристики и поведение реального объекта в различных режимах и условиях внешних воздействий. В ходе проектирования тоннелей такие двойники позволяют осуществлять моделирование, например механических процессов и физического взаимодействия различных устройств и систем тоннеля (с помощью системы NX MCD – Mechatronics Concept Designer) или транспортного потока (с помощью системы Tecnomatix Plant Simulation) и т. д.
Принципиальным преимуществом данного подхода является возможность многодисциплинарной отработки систем тоннеля на цифровых двойниках параллельно с созданием и отладкой систем автоматизации и диспетчеризации, выполняемых на виртуальных контроллерах (таких, как PLCSIM Advanced) на основе данных, получаемых из цифровых двойников соответствующих систем. За счет наличия средств интеграции между инструментами проектирования и моделирования (NX, TeamCenter и др.) и средствами разработки проектов автоматизации и диспетчеризации (TIA Portal, WinCC OA) обмен конфигурационными и проектными данными осуществляется без необходимости повторно создавать конфигурации в ручном режиме.
Рис. 7. Цифровая цепочка создания систем автоматизации и диспетчеризации тоннеля (увеличить изображение)
Обратная связь между этапами проектирования, моделирования и инжиниринга систем обеспечивает возможность отработки целевых аспектов функционирования систем тоннеля в связке с системами автоматизации и диспетчеризации – до физического воплощения данных систем на объекте (рис. 7). Таким образом, за счет виртуальной пусконаладки существенно снижается объем работ при вводе объекта в строй, а также сокращается количество ошибок и несоответствий, многие из которых традиционно выявляются лишь на этапе пуска систем, вызывая существенные временные и финансовые потери на устранение. Аналогично цифровые двойники позволяют проводить обучение операторов – еще до ввода объекта в эксплуатацию. При этом система WinCC OA, используемая как на этапе цифрового моделирования работы всех систем тоннеля, так и на этапе его реального функционирования, фактически соединяет процессы и задачи проектирования и моделирования с процессами и задачами эксплуатации реального объекта (рис. 8).
Рис. 8. SCADA-система WinCC OA соединяет процессы и задачи цифрового проектирования и моделирования с процессами и задачами эксплуатации реального объекта
Выводы
Подход, основанный на цифровом проектировании и моделировании комплекса технических средств и процессов, позволяет обеспечить сквозную информационную цепочку, охватывающую все этапы жизненного цикла тоннеля. За счет этого могут быть достигнуты цели по сокращению сроков проектирования и ввода в эксплуатацию новых тоннельных объектов, повышению уровня безопасности, снижению затрат на эксплуатацию и модернизацию различных тоннельных систем.
Платформа WinCC OA обладает системными свойствами и характеристиками, определяющими возможность использовать ее для построения систем диспетчерского контроля, мониторинга и управления тоннельными объектами как один из ключевых элементов концепции цифрового тоннеля.
Литература
1. Соловьёв С. Ю. Дигитализация с SIMATIC WinCC Open Architecture: настоящее и будущее // ИСУП. 2017. № 3.
2. Мельников А. С., Соловьёв С. Ю. Обеспечение информационной безопасности при применении SCADA-системы WinCC OA // Автоматизация в промышленности. 2017. № 7.
3. Серов А. Ю., Соловьёв С. Ю. Интеллектуальные системы управления транспортной инфраструктурой на базе SIMATIC WinCC Open Architecture: возможности видео- и интерактивной картографии // «Автоматизация в промышленности». 2018. № 4.
Опубликовано в журнале ИСУП № 3(81)_2019
С. Ю. Соловьёв, к. т. н., руководитель
Центра компетенций,
управление «Цифровое производство»,
ООО «Сименс», г. Москва,
тел.: +7 (495) 737-17-37,
e-mail: icc.ru@siemens.com,
сайт: siemens.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
