Платформа АСУ ТП открытая архитектура

Платформа АСУ ТП. Типы и выбор.

Платформа АСУ ТП

Современная платформа АСУ ТП делится на два типа: Распределенные системы управления (DCS) и Программируемые логические контроллеры (PLC). Однако процесс принятия решения в отношении новой или модернизации имеющейся АСУ ТП требует большего чем просто выбор между ними. Современные системы управления могут также включать в себя и другие технологии. Например система противоаварийной защиты (SIS) и система диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA), кроме этого промышленный интернет вещей (IIoT) и другие возможности интеграции с корпоративными бизнес-системами.
Принятие во внимание этих технологий и необходимых функций, а также учет дополнительных факторов, о которых подробно говорится ниже, приводит к совершенствованию процесса принятия решений. Что приведет к успешному внедрению современных систем управления на протяжении всего их многолетнего жизненного цикла.

Процесс выбора и ключевые критерии

Экономическое обоснование для модернизации АСУ ТП обычно сводится к вопросу времени. Слишком ранняя модернизация снижает максимальную ценность системы с течением времени. А слишком поздняя модернизация может привести к чрезмерным эксплуатационным расходам и простою.
Достижение точки принятия решения обычно требует обширных исследований и анализа. Стоимость перехода на новую АСУ ТП должна быть взвешена против операционных расходов, простоев, сбоев оборудования и общего снижения производительности по всему предприятию. Моделирование этих затрат способно помочь определить соответствующие финансовые показатели. Такие как чистая приведенная стоимость, рентабельность инвестиций и срок окупаемости. Сама платформа АСУ ТП необязательно меняется полностью в процессе модернизации.
Некоторые поставщики систем управления могут предоставить инструменты для определения будущих капитальных и эксплуатационных расходов. Но затраты на поддержание и замену должны быть достаточно простыми для моделирования. Даже в долгосрочной перспективе планирования. Такой как срок службы новой системы управления или ожидаемая продолжительность жизни всего производственного предприятия (Рис. 1).

АСУ ТП Пример финансового анализа
АСУ ТП Пример финансового анализа

Процесс принятия решения должен быть направлен на получение лучшей по цене системы управления. Не обязательно самой продвинутой на рынке. При одновременном снижении ожидаемых расходов на обслуживание оборудования и сопутствующих расходов. Исследования показали четыре ключевые проблемы в процессе отбора:

  1. Определение точных критериев отбора
  2. Определение метода отбора
  3. Получение одобрения от всех многочисленных участников процесса принятия решений. Каждый часто имеет свои собственные предубеждения и предпочтения в отношении конкретных поставщиков
  4. Внутренняя политика

Процесс принятия решения должен определить самые низкие затраты жизненного цикла для поддержки безопасного, надежного и прибыльного производственного предприятия. Если это используется в качестве цели принятия решения, критерии отбора могут быть уточнены вокруг этой финансовой цели.
Стратегическая перспектива компании должна быть всеобъемлющим соображением при выборе системы управления. А гибкость и совместимость новой системы управления — ключевые соображения при выборе.
С учетом этих факторов высокого уровня, следующим шагом является рассмотрение конкурирующих платформ.

DCS или PLC. Факторы, которые следует учитывать

PLC и DCS изначально создавались для абсолютно различных задач. PLC, как платформа АСУ ТП, был создан для того чтобы контролировать большое количество дискретного I/O. Программирование здесь имитирует лестничную релейную логику. DCS были разработаны для того, чтобы контролировать большие непрерывные процессы. Они требуют более изощренных схем управления таких как каскадные контуры управления PID, оптимизация процесса и расширенное или многомерное управление производственным процессом.
Различия между PLC и DCS сегодня менее очевидны. Хотя и сохраняются значительные различия, при этом часто уместны смешанные системы. Некоторые вопросы, на которые необходимо ответить в процессе отбора:

  • Какова стоимость партии или потока продукта в течение смены?
  • Насколько сложна последовательность запуска и остановки завода?
  • Каково относительное сочетание дискретного и аналогового ввода-вывода?
  • Требования к управлению включают предварительный регулирующий контроль, или только простые PID регуляторы?
  • Процесс должен соответствовать стандартам управления тревогами ISA18.2 или EEMUA 191?
  • Потребуется ли для этого система безопасности (SIS)?

PLC и DCS в системе управления АСУ ТП

BPCS (основная система управления производственным процессом) — это «мозг» предприятия. И все критерии выбора должны учитывать насколько хорошо BPCS будет поддерживать пуско-наладку, запуск и режимные операции.
DCS обычно способны на более продвинутые функции, чем PLC, часто используя функциональные блоки для объединения нескольких контроллеров PID, как в каскадной конфигурации. Ключевым архитектурным элементом DCS является возможность распределять управление между отдельными узлами. Изолируя сегменты процесса для повышения производительности системы и сокращения времени отклика.
DCS и PLC также имеют различные подходы к резервированию. Производители DCS обычно предлагают полностью резервированные системы с “горячим переключением” в случае сбоя. Этот уровень надежности является более дорогим, но избыточность и надежность часто являются основными соображениями для выбора DCS.
PLCs можно также использовать в распределенной архитектуре. А надежность может быть улучшена путем установки резервных PLC работающих в “режиме тени”. В этом случае, если отказ обнаружен, то резервный PLC принимает управление.

Платформа АСУ ТП типа DCS предназначена для реализации управления изменениями (MOC) в контроллерах, что становится все более важным по мере увеличения масштаба системы. DCS используют базы данных для обеспечения видимости и модификации компонентов DCS и схем управления по всему предприятию. В отличие от этого, PLC не имеют централизованной базы данных, что затрудняет управление изменениями.

В зависимости от операции, сочетание PLC и DCS может привести к созданию наилучшей инфраструктуры управления. Примерами такого типа инфраструктуры являются установки с PLC для управления специализированным оборудованием. Операционные элементы при этом распределены по широкой территории.
Важно рассмотреть возможности предполагаемого поставщика систем управления по предоставлению широкого набора интегрированных технологий. Обеспечивая при этом будущую совместимость как программного, так и аппаратного обеспечения.
PLC традиционно предпочитались для быстрого реагирования, но это различие между PLC и DCS размыто. DCS теперь могут использоваться для управления
быстро изменяющимися процессами. Подробнее о PLC и PAC здесь.

Безопасность, надёжность и моделирование

Использование стандартизированных операционных систем Windows и Linux позволило повысить совместимость между компонентами системы. Но эта же стандартизация открыла оба типа систем управления для киберуязвимостей, например Stuxnet и Flame. Таким образом, кибербезопасность стала одним из важнейших критериев отбора.
Практика и политика в области безопасности для BPCS и SIS отличаются по реализации для DCS и систем управления на базе PLC. А кибербезопасность для систем управления сильно отличается от ИТ-систем общего назначения. Приоритетами ИТ-системы являются конфиденциальность, целостность и готовность. В то время как в системе контроля приоритет другой. А именно: готовность, целостность и конфиденциальность.
Для защиты BPCS могут использоваться различные схемы. Некоторые производители изолируют HMI и управляющую сеть с помощью безопасного шлюза и используют собственный протокол для управляющей сети. Есть хорошие руководства от NIST, ISA и других организаций по рекомендуемым методам безопасности.
Каждая платформа АСУ ТП должна иметь независимые архивы событий, управление активами и сетевые коммуникации (Рис. 2).

Концепция “цифрового близнеца” привела к более широкому внедрению тренажеров для обучения операторов (OTS). OTS можно применять в течение всего времени существования системы управления, от разработки концепции до пусконаладки и штатной эксплуатации. Как высокоточная модель системы OTS синхронизируется с системой управления завода для прогнозирования внутренних состояний и реакций всех процессов. Разработка OTS начинается на ранних стадиях планирования, поэтому ее ценность может быть реализована как при снижении капитальных, так и операционных затрат.

Рис. 2 Схема архитектуры системы противоаварийной защиты

Архитектура АСУ ТП будущего

IIoT предлагает огромные перспективы во многих сферах. Например, применение искусственного интеллекта, машинного обучения и анализа данных имеет огромнейший потенциал.
Эти технологии применяются практически в режиме реального времени с использованием многоузловых кластерных вычислений с использованием графических процессоров (GPU). Используя аналитику в облачной вычислительной среде, искусственный интеллект и машинное обучение можно применять на всех предприятиях для управления активами. А также управления энергопотреблением, прогнозного обслуживания, оптимизации процессов и управления безопасностью.
Концепция “edge devices” («краевые устройства») изменила архитектурное мышление разработки. Это платформа АСУ ТП, при которой краевые устройства работают по периметру управляющей сети, вблизи технологического процесса. Аналитику и управление вычислениями на краю называют “туманные вычисления”, чтобы отличить их от облачных вычислительных архитектур. Туманные вычисления можно также использовать для того, чтобы изолировать край от интернета, а также для защиты интеллектуальной собственности.

Некоторые новые инициативы в архитектуре вышли из Open Group и инициативы открытой архитектуры NAMUR. Open Group разрабатывает основанную на стандартах, открытую, безопасную, совместимую архитектуру управления процессами для решения как технических, так и бизнес-вопросов автоматизации процессов.
Открытая архитектура NAMUR описывает пирамиду (Рис. 3), аналогичную четырем уровням автоматизации, определенным в стандарте ISA95. Стандарты NAMUR будут касаться обмена контентом между уровнями, включая безопасный и защищенный протокол для обработки сообщений.

Рис. 3 Пирамида открытой архитектуры автоматизации NAMUR можно использовать для того чтобы определить безопасные и надежные протоколы для регуляции коммуникации среди 4 слоев.

Другие критерии отбора поставщиков

Есть несколько других важных соображений при выборе поставщика BPCS или SIS.

  1. Насколько стратегические перспективы поставщика совпадают с перспективами компании? Какова дорожная карта развития продукта поставщика? Как его планы развития включают новые архитектуры и облачные вычисления? И в какой степени они обеспечат обратную совместимость для новых системных компонентов?
  2. Какова вероятность того, что поставщик поддержит бизнес-кейс? Будет ли поставщик поддерживать гибкую методологию выполнения проектов на глобальной основе? Сможет ли поставщик спроектировать и реализовать проект в установленные сроки, включая ввод в эксплуатацию? Может ли поставщик при необходимости выступать в качестве основного подрядчика по автоматизации? Сконструирована ли система поставщика таким образом, чтобы уменьшить расходы на обслуживание после внедрения?
  3. В какой степени поставщик поможет сократить время ввода в эксплуатацию? Занимается ли поставщик проектированием оборудования для быстрого ввода в эксплуатацию?
  4. Обеспечивает ли поставщик совместимость для будущих обновлений?

При покупке системы компания вступает в долгосрочные партнерские отношения с поставщиком. Согласованы ли стратегии и бизнес-модели компании и поставщика? Какой поставщик может наилучшим образом поддерживать систему в течение длительного жизненного цикла современной системы управления? Какой поставщик будет лучше всего поддерживать новые технологии и архитектуры? Насколько Вы уверены, что именно эта платформа АСУ ТП Вам подходит? На эти и другие вопросы необходимо ответить при выборе архитектуры АСУ ТП.