Цифровизация производства

Цифровое производство — это прикладное программное обеспечение, обеспечивающее инструментарий для автоматизации контроля, управления и аналитики производственного процесса в режиме реального времени.

Основная цель решения, создаваемого с помощью цифрового двойника — дать оператору, управляющему технологическим процессом, технологу или руководителю производственного предприятия полную информацию об этом процессе и необходимые средства для воздействия на него.

Основные задачи цифровизации производства

— сбор данных от полевого промышленного оборудования, исполнительных механизмов, датчиков и представление их службе эксплуатации и руководству в удобном для него виде, включая графики изменения параметров во времени;

— дистанционное управление исполнительными механизмами технологического процесса, контроль ресурсов и ремонтов;

Шлюз сбора цифровых данных с промышленных контроллеров и периферийного промышленного оборудования MindConnect Nano SIEMENS

— ввод конкретных заданий алгоритмам автоматического управления исходя из аналитики производственного процесса в целом;

— реализация алгоритмов автоматического контроля и управления рецептурой, расходом ресурсов на складах, поиск оптимальных соотношений при дозировании и пр.;

— распознавание аварийных ситуаций и информирование оператора о состоянии процесса;

Архитектура системы сбора данных с промышленных контроллеров и периферийного промышленного оборудования через шлюз MindConnect Nano SIEMENS

— формирование комплексной отчетности о ходе процесса и выработке продукции.

От надежности, быстродействия и эргономичности цифровой модели производства зависит не только эффективность управления производственным процессом, но и его безопасность.

Какие компоненты системы цифровизации производства наиболее важны?

Специалисты отдела автоматизации типового промышленного предприятия утверждают, что в основном используют такие компоненты, как мониторинг и управление, архивирование технологических параметров, аварийных сообщений, подсистему формирования отчетов.

Проектирование централизованной компьютерной системы контроля производственных ресурсов: пара, воды, сжатого воздуха. Корпус термообработки АО «ОДК-Климов», Санкт-Петербург, 2018 год

Мониторинг и управление, собственно, то, с чего начинается естественный процесс цифровизации производства. Архивы параметров, сообщений и отчеты необходимы для оценки и анализа ведения производственного процесса, действий оператора. Также для службы эксплуатации важен один из базовых инструментов сопровождения автоматизированных рабочих мест — разграничение прав доступа к управлению по уровням, оператор, технолог, руководитель. Цифровой контроль управления доступом позволяет проанализировать зависимость объема брака от смены и конкретного исполнителя.

Согласование визуального динамического отображения производственных параметров на мнемосхемах операторов на этапе Технического задания. АО «ОДК-Климов», Санкт-Петербург, 2018 год

В связи с тенденцией к интеграции систем управления технологическими процессами и систем управления предприятием все чаще возникает необходимость использования цифровых двойников производства в качестве источника данных для вышестоящих систем принятия решений. Некоторые системы автоматизации могут выступать и как серверы консолидации всех производственных данных, и как серверы генерации отчетов на базе этих данных.

Архитектура систем сбора данных

Мы строим системы управления на базе промышленных контроллеров одного производителя — SIEMENS. Это позволяет унифицировать решения, упрощает работу в единой и хорошо изученной среде разработки. Обмен цифровыми данными между контроллерами и серверами происходит с помощью встроенных драйверов протоколов связи, преимущественно Profinet и Modbus.

Проверка прикладного программного обеспечения SIEMENS Simatic S7-1500 после завершения сборочных работ шкафов управления комплекса очистки канализационных стоков МФК-ОСК-50-М производительностью 50 м3/сут, Ленинградская область, для нужд ОАО «Европейский серный терминал», порт Усть-Луга, 2018 год

При работе с большим разнообразием полевого оборудования различные производители предлагают набор драйверов к своим исполнительным механизмам, компонентам, цифровым датчикам, интеллектуальным приборам. В этом случае мы применяем наиболее универсальный способ взаимодействия — использование драйверов, разработанных в соответствии со стандартом OPC.

Топология типовой системы цифровизации промышленного предприятия на базе систем автоматизации SIEMENS

Такие OPC-серверы могут быть разработаны производителями контроллеров или независимыми разработчиками, а использоваться вместе с любой системой цифровизации производства. Для эффективной работы с OPC- серверами серверное программное обеспечение должно использовать их напрямую, по технологии «OPC в ядре системы», а не через промежуточные интерфейсы.

Производство и поставка партии шкафов автоматики для централизованного сбора технологических параметров по беспроводному каналу радиостанции Rateos, на базе контроллера SIEMENS Simatic S7-1200 для нужд ООО «РН-Сахалинморнефтегаз», г. Сахалин, 2018 год

Некоторые системы сбора цифровых данных являются вертикально-интегрированными, в их состав входят среды разработки для свободно-программируемых контроллеров. В них также используются внутренние драйверы для связи с контроллером. Такая архитектура позволяет создавать цифровые двойники с использованием оборудования разных производителей, что может использовать более широкий ресурсный потенциал современной промышленности.

Уровни систем цифровизации производства

Системы технологической автоматизации (АСУ ТП) обычно разделены на 3 уровня: нижний, средний и верхний. Выше них находится уровень управления производством в целом.

Нижний уровень — это сами датчики и исполнительные механизмы. Здесь мало цифровых устройств, хотя последнее время число их растет.

Модуль расширения SIMATIC I/O Shield Modul позволяет собирать данные непосредственно с аналоговых и дискретных датчиков и устройств обратной связи в облако цифровизации SIEMENS MindSphere

Средний уровень — промышленные контроллеры. На среднем уровне происходит прием входных данных, аналого-цифровые преобразования, первичная обработка данных, автоматическое формирование и выдача управляющих воздействий на исполнительные механизмы, обмен цифровыми данными с верхним уровнем.

Верхний уровень — это уровень диспетчерского контроля. На этом уровне происходит сбор, обработка и хранение информации в цифровом виде, полученной на среднем уровне, визуализация текущей и архивной информации в удобном оператору виде. Строятся мнемосхемы, графики, тренды, формируются журналы сообщений и аварий. На этом уровне разрабатывается интерфейс ввода команд оператора, формирование оперативной отчетности о результатах технологического процесса.

Разработка проекта, сборка и программирование шкафов автоматического управления сушилки роликовой газовой СРГМ-25 для древесного шпона на базе SIEMENS Simatic S7-1200 и ПЧ SINAMICS, для нужд фанерного комбината «СВЕЗА», г. Великий Устюг, 2018 год

Обмен информацией с верхним уровнем выполняется через СУБД, развернутую на сервере баз данных. Эти данные являются источником построения цифрового двойника производства.

Оперативное управление производством

Комплексное управление производственным предприятием (АСУП) выполняется на двух уровнях. Здесь более понятно будет применение иностранных аббревиатур.

Архитектура подключения промышленного оборудования к облачному сервису SIEMENS для централизованного сбора данных, независимо от региональной локализации

MES (Manufacturing Execution Systems) — система управления производством продукции в реальном времени. Этот уровень служит для планирования производственных заданий для производственных процессов, построения сводных отчетов, углубленного анализа отдельного технологического процесса. Например, прогнозирование, построение энергетического и материального баланса и др. Для этих целей используется инструментарий централизованного сбора и хранения цифровых производственных данных.

ERP (Enterprise Resource Planning) — система автоматизированного управления административно-финансовой и административно-хозяйственной деятельностью предприятия. На этом уровне используются специализированные системы аналитики верхнего уровня, например, SAP R3. Здесь основной объем работы лежит в построение делового документооборота, финансового анализа, офисных коммуникаций.

Мнемосхемы

Мнемосхема — это графическое изображение технологической схемы с визуализацией значений датчиков, состояния исполнительных механизмов и других параметров, построенное с помощью специализированного графического редактора. Выполняется на этапе согласования Технического задания в виде экранных форм, которые, в дальнейшем, используются для визуализации цифровых данных.

Отладка работы мнемосхемы системы автоматизации и обмена производственными данными процесса складирования на цементном терминале с мощностью единовременного хранения 16 000 тонн, Цементный центр «Обводный», Санкт-Петербург, 2017 год

Для визуализации используется не только отображение значений в виде цифр и надписей, но и изменение визуальных свойств отображаемых графических объектов. Например, в емкости изменяется уровень жидкости, а ее цвет изменяется в зависимости от температуры. Исполнительные механизмы могут не просто показывать свое состояние каким-то графическим признаком (например, цветом), но и наглядно показывать свою работу — например, вращением лопастей насоса, движением ленты конвейера и т.п. (анимация).

Архивы

Получаемые от промышленных контроллеров оцифрованные производственные данные хранятся в архивах баз данных на специальных серверах. Предварительно данные могут быть математически обработаны (отфильтрованы, усреднены, сжаты и т.п.).

Часто используется не регулярная запись, а запись по изменению с использованием порога чувствительности («мертвой зоны»). Все цифровые производственные данные жестко привязываются к временной шкале. Длительность хранения настраивается при внедрении системы цифровизации индивидуально для каждого параметра и может составлять до нескольких лет. Объем хранения ограничен только физическими характеристиками накопительных устройств и может наращиваться в процессе эксплуатации.

Тренды

Тренд — это графическое отображение изменения определенного производственного параметра во времени. Тренды в цифровых двойниках могут показывать изменение параметра за всю длительность его хранения в архиве. Оператору предоставляется возможность изменять масштаб, как временной шкалы, так и самого параметра.

Внешний вид интерфейса работы с трендами системы цифровизации промышленного предприятия на базе систем автоматизации SIEMENS

В аналитических системах в тренд встраиваются различные инструменты математического и статистического анализа графика, сравнения его с уставкой или другим параметром, сглаживание или фильтрация, отметки на графике событий (например, нарушение границ), применение закладок для быстрого перехода и многое другое.

Таблицы и графики

Зачастую технологу и аналитику удобнее просматривать массивы цифровых производственных данных не в графическом виде, а в виде таблиц. Обычно эти таблицы можно не только просматривать, но и экспортировать в другие системы, например выгрузка в Excel.

Работа с табличными данными удобна при построении графиков и диаграмм. Графики позволяют наглядно увидеть зависимость одних параметров от других, проследить динамику изменения во времени, соотношения и масштабы конкретных величин. Другим распространенным способом представления параметров являются гистограммы (столбиковые диаграммы).

Журналы сообщений

Сообщения — это текстовые строки, которые информируют оператора о событиях на объекте в той последовательности, в которой эти события происходят. Они всплывают на экране или отображаются в специально выделенной для этого зоне.

Контроль за работой дозаторов жидких компонентов, мониторинг показаний текущих масс и активного компонента. Цех 1 АО «Морозовский химический завод», пос. им. Морозова, Ленинградская обл., 2018 год

Журналы сообщений служат для отображения списков сообщений в том хронологическом порядке, в котором они регистрировались и сохранялись в архив. Как правило, используются разные экземпляры журналов для разных зон процесса, разных категорий сообщений, разных приоритетов.

Контроль прав доступа

Для того, чтобы оператор или технолог мог совершить те или иные действия, ему должны быть предоставлены соответствующие права — например, право управлять исполнительным механизмом, или право изменить задание регулятору. Все нарушения производственного процесса, в том числе отклонения от технологических режимов, могут быть сопоставлены по времени с работой конкретного сотрудника. Цифровой двойник помогает бороться с браком и отслеживает влияние человеческого фактора.

Шлюз сбора данных для цифровизации с промышленных контроллеров и периферийного промышленного оборудования MindConnect IOT2040 SIEMENS

В начале смены оператор регистрируется в системе, и она предоставляет ему выполнять только те действия, которые ему разрешены администратором. Управление производственным процессом очень ответственная задача, поэтому все действия оператора записываются для контроля в специальный журнал, который может быть проанализирован в случае нештатных ситуаций. Удобная среда разработки позволяет легко и быстро подготовить отформатированные и наглядные отчеты.

Эксплуатационные характеристики цифровых производств

При построении цифровых двойников мы согласовываем следующие характеристики:

— совместимость с операционными системами;

— полнофункциональность;

— открытость;

— масштабируемость;

— поддержка промышленных протоколов;

— совместимость со стандартом OPC (DA, HDA, UA);

— поддержка доступа через Internet;

— поддержка баз данных;

— встроенные языки программирования;

— средства защиты и надежность;

— интеграция в системы управления;

— техническая поддержка;

— простота разработки и развития;

— простота обслуживания;

— стоимость.

С чего начать?

Внедрение цифрового производства — это постепенный процесс, который начинается с интеграции систем промышленной автоматизации отдельных участков технологического процесса. Применение промышленного контроллера в такой системе автоматизации означает, что у вас уже появились первые цифровые данные о вашем производстве.

Выполнение пуско-наладочных работ после завершения сборочных и монтажных работ системы автоматики на базе SIEMENS Simatic S7-300 для установки по брикетированию угольной пыли, Ленинградская область, для нужд ОАО «Ростерминалуголь», порт Усть-Луга, 2020 год

Следующий шаг — формулирование требований к цифровому двойнику. С какой целью он интегрируется? Какие задачи должен решать? От этого зависит построение системы сбора производственных данных. Все современные системы сбора производственных данных, как отечественные, так и зарубежные, имеют полный функционал для этого класса программ.

После того, как решение сбора цифровых производственных данных построено и отлажено, можно приступать к реализации математических и статистических инструментов и построению аналитической отчетности. В процесс подключаются узконаправленные специалисты производства, технологи, аналитики.

Процесс внедрения проявляет итерационный характер. При нехватке производственных данных в цифровой модели интегратор возвращается к вопросам доработки систем сбора данных с нижнего уровня, модернизируются конфигурации промышленных контроллеров и структуры архивных данных.

Причиной модернизации цифровой модели может также послужить модернизация самого технологического процесса, добавление нового оборудования, совершенствование технологий обработки, складирования и пр. Именно поэтому начинать процесс внедрения цифрового производства можно в любой момент. Цифровой двойник начинает работать с первых результатов интеграции, совершенствуясь и развиваясь вместе с производством.