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.

От автоматизации инженерных систем и оборудования тоннелей – к цифровому тоннелю

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

Siemens_site.gif

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 облуживание 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).

Ris_1_small.png

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.

Ris_2.png

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).

Ris_3.png

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).

Ris_4_small.png

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.

Ris_5.png

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).

Ris_6_small.png

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.

Ris_7_small.png

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).

Ris_8.png

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



Частотные преобразователи INSTART
Цены производителя, ассортимент, склад, гарантия
www.instart-info.ru