Мониторинг производственных линий с SIMATIC WinCC Open Architecture

Достижение требуемой эффективности использования производственного оборудования и обеспечение возможности быстрой адаптации к новым производственным задачам неразрывно связано с применением комплексных систем мониторинга, оперативного управления и диспетчеризации, позволяющих интегрировать отдельные производственные машины и установки в единое информационное пространство.

В условиях цифровой трансформации промышленности сбор данных и мониторинг промышленного оборудования по принципам промышленного «Интернета вещей» (Industrial Internet of Things, IIoT) — это базовая задача для обеспечения полноценной прозрачности и ситуационной осведомленности (situational awareness) [1]. Наличие такой полной информации, в свою очередь, является необходимой предпосылкой для эффективного оперативного (в т. ч. удаленного) и стратегического управления целевыми производственными объектами и процессами.

Рассмотрим возможности применения в указанном классе задач SCADA-системы SIMATIC WinCC Open Architecture (WinCC OA) — платформы для создания комплексных систем мониторинга производственных линий, анализа и контроля эффективности работы оборудования, оперативного управления и диспетчеризации производственных процессов [2] — на примере реализации стандарта OMAC PackML.

Истоки проблемы

Когда-то давно, на заре эпохи автоматизации и дигитализации, производственные машины, выпускаемые разными производителями, передавали информацию по собственным протоколам и имели несовместимые форматы и структуры данных. Это вносило сумятицу в умы программистов, занимавшихся промышленной автоматизацией и интеграцией разно­родного оборудования в единые системы управления, которым приходилось каждый раз «изобретать велосипед», придумывая, каким образом собрать и отобразить информацию о состоянии каждой машины — особенно в случае наличия в парке машин различных производителей (и разных поколений). Производство, в свою очередь, не могло получить сводную и актуальную информацию о загрузке оборудования, причинах простоев, фактическом техническом состоянии, необходимости обслуживания и много других важных и полезных данных, требующихся для того, чтобы принимать свое­временные и адекватные решения по управлению и оптимизации производственных процессов.

Первый шаг — стандартизация

Стандартизация, проверенный метод упорядочения хаоса, принесла свои плоды и в области промышленной автоматизации. В частности, был разработан стандарт для управления упаковочными машинами PackML (Packaging Machine Language), основанный на стандарте управления периодическими (рецептурными) процессами ANSI/ISA S88. PackML развивается Организацией по автоматизации и управлению машинами (Organization for Machine Automation and Control, OMAC) и поддерживается практически всеми производителями различного промышленного оборудования (не только упаковочных машин, но и машин розлива, и др.), а также крупными производственными корпорациями, такими как Douglas, PEPSICO, Procter&Gamble, SAB, Boeing и т. д. Данный стандарт определяет промышленные шины, языки программирования, коммуникационные протоколы между машинами, форматы передаваемой информации, способы ее представления и многое другое. Компания Siemens также не стояла в стороне и разработала на базе этого стандарта концепцию OPL (Optimized Packaging Line) — комплексный подход к интеграции различного упаковочного оборудования в единую систему. В частности, концепция OPL определяет, как должен выглядеть интерфейс состояния машины, что означает тот или иной цвет, как должна отображаться на экране оператора информация о статусах оборудования, энергопотреблении, количестве ошибок машины, производительности, основных уставках, скорости, проценте загрузки, тревогах, передаваемых блоках данных и системе тегов в SCADA-системе и т. д.

Готовое решение — WinCC OA

К неотъемлемым чертам современной SCADA-системы относятся высокая производительность, возможность работы на различных аппаратных и программных платформах, наличие большого количества драйверов, библиотек и функциональных пакетов расширения (таких как аналитика, ГИС, видео и др.), поддержка резервирования и технологий обеспечения безопасности и т. п. Но система может считаться действительно эффективной только тогда, когда на ее базе можно легко создавать собственные отраслевые библиотеки и типовые решения, которые упрощают внедрение существующих и вводимых стандартов. Такой является открытая кроссплатформенная SCADA-система WinCC OA, постоянно развивающаяся и пополняющаяся новыми отраслевыми библиотеками. Не так давно арсенал функциональных возможностей WinCC OA расширился библиотекой для автоматизации в соответствии со стандартом OMAC/OPL, разработанной российским Центром компетенций по WinCC OA компании Siemens.

Благодаря сквозному объектно-ориентированному подходу, используемому в системе WinCC OA, можно создавать структуры данных, характеризующих образ конкретного физического устройства или процесса, и их графические представления, с определением для каждого элемента точки данных (тега) свойств и действий в его отношении. Как для структур данных, так и для графических объектов поддерживаются типизация и наследование, за счет чего можно реализовать произвольные иерархические структуры данных.

Эти принципы и механизмы были использованы и при создании библиотеки OMAC/OPL на базе WinCC OA. Специальные блоки библиотеки отражают структуру и форматы системы обмена данными в соответствии со стандартом OMAC, включая такую информацию, как:

• текущая производительность;
• проектная производительность;
• тип продукта;
• статус CIP-мойки;
• время работы;
• время простоя;
• типы простоя;
• ошибки;
• энергопотребление;
• расход различных сред;
• специфические технические показатели, свойственные соответствующему типу оборудования.

Для отображения данных о работе оборудования в библиотеке реализованы различные графические шаблоны (в краткой и расширенной форме). Принцип формирования визуального представления состоит в том, что оператор в итоге должен иметь возможность, бегло взглянув на экран, быстро оценить статус оборудования и считать всю ключевую информацию о его работе. В случае использования библиотек OMAC/OPL система отображения полностью унифицирована, независимо от типа контролируемого производственного оборудования. Соответственно, при интеграции новых линий и машин оперативному персоналу не придется каждый раз привыкать к новому способу отображения различных статусов.

В качестве иллюстрации возможностей визуального представления приведем несколько примеров операторских экранов для линии розлива, выполненных на основе рассматриваемой библиотеки.

1. Обзорная экранная форма с отображением мнемосхемы цеха упаковочной линии и общими элементами контроля пользовательского интерфейса (рис. 1).
   
   

   Рис. 1. Обзорная экранная форма: мнемосхема цеха упаковочной линии и общие элементы контроля пользовательского интерфейса

   
   Мнемосхема содержит динамические графические элементы с заданной функциональностью, выполненные по стандарту OMAC.
2. Часть экранной формы для отображения состояния отдельных агрегатов определенной функциональной группы (рис. 2).
   
   

   Рис. 2. Отображение состояния отдельных агрегатов определенной функциональной группы

3. Часть экранной формы, отображающей компактное представление нескольких агрегатов (рис. 3).
   
   

   Рис. 3. Компактное представление нескольких агрегатов

4. Обзорная экранная форма с отображением мнемосхемы цеха упаковочной линии и общими элементами контроля пользовательского интерфейса (рис. 4). Содержит демонстрационную графическую подоснову, описывающую текущий производственный процесс.
   
   

   Рис. 4. Обзорная экранная форма: описание текущего производственного процесса

Перспективы

Указанные выше технические особенности и преимущества в совокупности позволяют применять систему WinCC OA для сбора различных показателей о работе оборудования как в рамках одного завода, так и для распределенных в мировом масштабе производств, строить на основе собранных данных OEE-отчеты о работе оборудования и быстро принимать решения по управлению.

Поскольку в систему можно легко интегрировать больше 10 млн сигналов от оборудования, что с успехом было опробовано на Большом адронном коллайдере, применение WinCC OA может дать хороший задел для сбора информации о работе оборудования даже за пределами Земли. Можно сказать, что данная система готова к человеческой экспансии в Солнечной системе. Благодаря событийно-ориентированной записи данных и поддержке системой WinCC OA востребованных клиентских устройств стандарт OMAC/OPL позволяет без потерь собирать данные с линий розлива, установленных в самых отдаленных уголках системы, делать OEE-отчеты и служить опорой для устойчивого экономического роста даже в условиях космоса. И на Венере, и на Международной космической станции пользователю будет доступна достоверная и полная информация обо всех событиях. С помощью WinCC OA можно будет все учесть и принять единственно верное решение.

Заключение

Для создания систем оперативного диспетчерского управления производственными процессами требуется применять эффективные высокопроизводительные платформы и специализированные отраслевые библиотеки. SCADA-система WinCC OA и библиотека OMAC/OPL — решение выбора для построения современных масштабируемых систем мониторинга производственных линий, анализа и контроля эффективности и диспетчеризации работы оборудования.

SCADA-система SIMATIC WinCC Open Architecture (WinCC OA) входит в семейство продуктов SIMATIC HMI и разработана для применения в приложениях, требующих гибкой и адаптивной платформы для решения индивидуальных задач клиента, а также в больших или сложных проектах, которые предъявляют специфические требования к функциональности и архитектуре системы. При этом WinCC OA позволяет обрабатывать большие объемы данных в конфигурациях с существенными ограничениями на аппаратные ресурсы. Благодаря гибкой концепции построения WinCC OA находит применение практически во всех отраслях промышленности и на самых разных инфраструктурных объектах — от систем управления движением, сетей водо- и газоснабжения, нефтепроводов и до Европейского центра ядерных исследований. Кроме того, имеется возможность выпуска и распространения продуктов / решений на основе WinCC OA, ориентированных на отраслевые или корпоративные приложения, под собственной торговой маркой (brand labeling).

Ключевые особенности SIMATIC WinCC Open Architecture:

• объектно-ориентированный подход к инжинирингу;

• возможность создания распределенных систем с поддержкой до 2048 серверов;

• масштабируемость — от одиночной системы до распределенных резервированных высокопроизводительных систем, обрабатывающих более чем 10 млн сигналов ввода/вывода;

• платформенно-независимая система — поддержка ОС Windows, Linux, iOS и Android;

• горячее резервирование и резервирование по схеме 2?2 (резервирование центра управления);

• наличие пакетов расширения базовой функциональности (ГИС, видео, аналитика, рецептурное управление и др.);

• платформа для разработки индивидуальных и специализированных решений;

• широкий спектр поддерживаемых протоколов обмена данными: SIMATIC S7 Plus, SIMATIC S7, XML, OPC, OPC UA, TCP/IP, Modbus, IEC 60870-5-101/104, DNP3, IEC 61850, IEC 61400, Ethernet/IP, S-Bus и др.

Клиентские приложения WinCC OA:

• клиент для настольных ПК Desktop UI — компактное кроссплатформенное приложение, установочный пакет для которого можно загрузить 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 инструмент управления устройствами на базе Desktop UI и Mobile UI. Для удаленного мониторинга и управления через Интернет / Intranet предусмотрено приложение WinCC OA OPERATOR для устройств на базе iOS.