Концептуальные проектные решения интеграции автоматизированных систем

Применительно к иерархически организованной системе управления производством нефтегазовой отрасли различают горизонтальную и вертикальную интеграции АС (рис. 1.1).

В общем случае горизонтальная интеграция предполагает объединение АС одного уровня иерархии производственного менеджмента (например, АС управления технологическим процессом, ПАЗ, АС управления ТОиР и др.), а вертикальная – разных уровней (например, автономных систем автоматизации проектных работ, технологических процессов и бизнес-процессов).

Целью межуровневой и внутриуровневой интеграции АС является установление способов (правил) организации взаимосвязи и взаимодействия отдельных подразделений и систем менеджмента предприятии, позволяющее получить синергетический эффект управления производственными процессами.

Атрибутами вертикальной интеграции обычно выбираются два показателя: дискретность оси времени, в единицах которой функционируют информационные системы и объемы данных, обрабатываемые на каждом уровне модели.

В общем виде можно сказать, что системы верхнего уровня оперируют агрегированными данными на относительно больших временных промежутках, а системы нижнего уровня имеют дело с большим потоком данных реального времени. В связи с этим в рамках концепции ИСПУ часто используют понятие пирамиды информационных систем [2]. Каждое сечение такой пирамиды имеет площадь, пропорциональную объему обрабатываемых данных. На вершине этот объем минимален, в основании — максимален (рис.1.1).

Для связи верхней части пирамиды (уровень принятия решений высшим руководством предприятия) с событиями реального времени в ее основании применяются промежуточные системы производственного уровня (в частности, системы MES), специальные протоколы и стандартные интерфейсы. В таком развернутом виде модель ИКСУ имеет много общего с моделями взаимодействия открытых систем OSI, с использованием которых строятся современные протоколы обмена данными в Интернете. Один из вариантов модели ИКСУ в упрощенном виде приведен на рис. 1.1 (см. также табл. 1.1) [16].

Таблица 1.1

Характеристики уровней модели ИКСУ

Вертикальная интеграция направлена на комплексное объединение информации систем автоматизированного проектирования, систем автоматизации технологических и производственных процессов, а также корпоративных систем (планово экономических, логистических, финансовых, управлением персоналом) в единую интегрированную информационную сеть. Это обеспечивает необходимый обмен данными в реальном масштабе времени между всеми подразделениями управленческого уровня, основного и вспомогательного производства.

Рис.1.1. Иерархическая структура системной интеграции автоматизированной системы

Вертикальная интеграция АС формируется путем организации потоков информации от нижнего уровня (датчиков и контроллеров технологического оборудования, АСУ ТП), от автоматизированных систем управления проектирования и производственной деятельностью в вычислительные сети предприятия в целом и информационные системы (КИС, ERP, MRP).

Горизонтальная интеграция объединяет данные, поставляемые отдельными подсистемами, на диспетчерском уровне управления. Это позволяет более эффективно управлять решением технологических задач производств нефтегазовой отрасли.

Результатом проектирования ИКСУ является разработка аппаратного, программного, математического, информационного и лингвистического обеспечений компьютерного управления технологического и производственного процессов.

При этом, как и при создании любой технической системы, перед разработчиками стоят две основные проблемы. Первая – точно и детально определить, что требуется от системы, каково назначение ее подсистем, т. е. сформулировать внешние требования к проектируемой системе, непосредственно вытекающие из целей ее создания. Вторая проблема связана с выбором оптимального варианта в смысле заданного множества критериев качества ее реализации, удовлетворяющего определенным внешним требованиям (ограничениям). Сложность процесса проектирования ИКСУ приводит к выполнению проекта как многоэтапной процедуры с несколькими уровнями описания исходной системы.

Снизить сложность процесса проектирования позволяет последовательно-параллельная, итерационная процедура, основывающаяся на разбиении системы на подсистемы с пошаговым проектным уточнением ее характеристик.

Практически все процедуры такого проектирования осуществляются с использованием компьютерных технологий, в частности, CAD CAE и CASE-систем, обеспечивающих многостороннюю помощь разработчикам при выполнении проекта.

Началом проектирования ИКСУ, как и любой сложной системы, является:

· системный анализ, заключающийся в формировании целей построения ИКСУ ее концептуальной архитектуры и структуры, выявление возможности повышения эффективности управления производством;

· выявление объемов контроля и управления;

· выявление состава пользователей и их обобщенных функций;

· выявление требований к интерфейсам пользователей;

· выявление потоков данных в системе управления;

· разработка иерархической структуры функций компонентов процесса в объекте деятельности.

Для выбора концептуального решения интеграции АС необходимо выявить и описать межфункциональный процесс производственной деятельности, который подлежит интегрированному управлению.

В пособии под межфункциональным понимается такой процесс, который направлен на решение некоторой особенно важной задачи производства, в выполнении которой участвуют несколько функционально-независимых подразделений цеха. Такую деятельность рассматривают как сквозной бизнес-процесс, т.к. для предприятия в целом важна не эффективность деятельности отдельных служб, а общий результат – эффективное производство продукции.

Примером межфункционального процесса является объединительный проектно-технологический производственный процесс (цепочка связанных меду собой процессов планирования и проектирования, бизнес-учета, планово-предупредительных ремонтов оборудования).

Синергетический эффект интегрированного управления этими процессами получается за счет расширения совместной функциональности автоматизированных систем управления путем более эффективного использования информации, поставляемой отдельными подсистемами ИСПУ.

Синергетический эффект – это понятие многогранное и неоднозначное. Достичь его посредством ИСПУ получается не всегда. Основные причины неудач и провалов индивидуальны для каждого производства. Часто, внутренними факторами неудачи являются ошибки выбора ИКСУ-архитектуры или системные недоработки отдельных проектов АС.

Одним из ключевых элементов правильного проектирования ИКСУ является выявление (идентификация) межфункциональных сквозных процессов, создающих синергетический эффект (высокую результативность) деятельности предприятия [3].

Критериями выбора межфункциональных процессов для получения синергетического эффекта являются:

1) важность процесса с точки зрения предприятия и его производственной культуры;

2) повторяемость процесса (много раз в сутки, несколько раз в месяц и т.п.);

3) технологическая доступность информации для управления деятельностью предприятия.

В данном методическом пособии при выполнении проекта ИКСУ предлагается идентифицировать только те межфункциональные процессы, информация о которых технологически доступна в автоматизированных системах АСУТП, АСУПД, АСТОиР, ПАЗ, АСПС, АСКУЗ и АСКУЭ и которые важны для достижения, в частности, целей безопасности предприятия, целей обеспечения эффективности его деятельности и удовлетворенности клиентов.

Межфункциональной процесс, не удовлетворяющий этой рекомендации, скорее всего, будет второстепенным и незначительным. Время и ресурсы, которое можно потратить на интеграцию АС, управляющих им, не оправдаются экономически.

Последовательность шагов по выделению межфункциональных процессов представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Выделение межфункциональных процессов

На этом рисунке в качестве входа показан "Проект процессной модели производства". Определять межфункциональные процессы целесообразно тогда, когда у разработчика проекта уже есть достаточно полное представление о системе процессов предприятия. Автоматизация таких процессов создает максимальную эффективность производств. В противном случае, обычно реализуется "лоскутная" неинтегрированая автоматизация производства [4].

На шаге 1 необходимо выбрать выход межфункционального процесса (или группу выходов) по следующим критериям (одновременное соответствие всем критерием НЕ обязательно):
1. Выход процесса поставляется внешнему потребителю и:
а) существует активное взаимодействие АС, управляющей этим процессом, с другими АС;

b) для получения выхода с заданной результативностью процессу необходимы информация и ресурсы по управлению, которые полностью не могут быть произведены средствами отдельной АС, отвечающей за управление этим процессом, и, следовательно, они должны поставляться из других АС;

2. Выход процесса поставляется внутреннему потребителю и:
а) существует активное взаимодействие АС, управляющей процессом, с другими автоматизированными системами;

b) для получения выхода с заданной результативностью процессу необходимы информация и ресурсы по управлению, которые полностью не могут быть произведены средствами отдельной АС, отвечающей за управление этим процессом, и, следовательно, они должны поставляться из других АС;

3. АС, управляющая процессом, не может обеспечить требуемые показатели выхода (результативность, качество, безопасность) и удовлетворенность клиента, и:

а) существенная (большая) часть поставляемой потребителю услуги автоматизированного управления формируется в других АС на предыдущих стадиях;

b) выход процесса является важным для нескольких АС одновременно.

На шаге 2 и 3 необходимо выявить АС и их связь в рамках управления межфункциональным процессом.

На шаге 4 необходимо определить синергетический эффект использования АС для управления межфункциональным процессом.

Здесь под внешним потребителем понимается предприятие одного из промежуточных выходов продукции НГО в цепочке «Добыча - Подготовка- Переработка - Распределение по терминалам – Коммерческий потребитель».

В процессе проектирования ИКСУ в данном пособии рассматриваются две цели интегрированного автоматизированного управления деятельностью предприятия:

1.Разработка ИКСУ, обеспечивающую синергетический эффект за счет повышения эффективности управления цехом нефтегазового предприятия посредством комплексного использования автоматизации технологического и производственного процессов. Как правило, под эффективностью такого управления подразумевается достижение повышенных показателей деятельности с одновременным соблюдением всех нормативов и сроков и непрерывное повышение качества.

2. Разработка ИКСУ, обеспечивающую синергетический эффект повышения безопасности технологического процесса за счет комплексного использования информации систем противоаварийной защиты, пожарной сигнализации и диагностики состояния технологического оборудования.

Для достижения целей оперативного информирования производственных служб предприятия, для оперативного учета продукции цеха предприятия и затрат предлагается использовать ИСПУ. Вариантом решения задачи интеграции является объединение систем АСУПД, (CAD,CAE,CASE), АС ТОиР и АСКУЭ. Формирование единой межфункциональной связи этих систем повышает информированность исполнительных служб, что в свою очередь ведет к повышению эффективности их работы. Критерием выбора межфункционального процесса оперативного учета продукции цеха как объекта автоматизации является то, что:

«Выход процесса поставляется внутреннему потребителю» и:

а) существует активное взаимодействие ключевой АС – АСУПД, управляющей процессом, с другими АС (АСТОиР, АСКУЭ);

b) для получения выхода с заданной результативностью ключевому процессу необходимы информация и ресурсы по управлению, которые полностью не могут быть произведены средствами АС (АСУПД), отвечающей за управление этим процессом, и, следовательно, они должны поставляться из других АС».

Синергетическим эффектом в результате внедрения ИКСУ является повышение результативности и эффективности производственного процесса.

Наличие общих проектных решений (CAD,CAE,CASE), АСУПД, АСТОиР и АСКУЭ позволяет считать, что объективные возможности для их интеграции имеются. Благодаря существующим единым сетевым протоколам и современным информационным технологиям есть все необходимые предпосылки для успешного решения задачи их интеграции.

Для достижения цели усиления безопасности технологического процесса предлагается использовать в SCADA-системе (на пульте диспетчерского управления) информацию ПАЗ, АСПС, АСКУЗ и АС ТОиР. Связь между этими АС повышает информированность работников предприятия и общую безопасность технологических процессов. Критерием выбора межфункционального процесса обеспечения технологической безопасности как объекта автоматизации является то, что:

«Выход процесса поставляется внутреннему потребителю» и:
а) существует активное взаимодействие АС (АС диспетчерского управления), управляющей процессом, с другими АС;

b) для получения выхода с заданной результативностью «процессу необходимы информация и ресурсы по управлению, которые полностью не могут быть произведены средствами АС, отвечающей за управление этим процессом (АСУТП), и, следовательно, они должны поставляться из других АС».

Синергетическим эффектом в результате внедрения ИКСУ является повышение безопасности технологического процесса.

Повышение безопасности достигается не простым установлением физической связи АС между собой, а их объединение с учетом выполнения нормативов защиты отдельных систем безопасности от негативного влияния такой связи на их системную функциональность. Существует несколько концептуальных путей решения этой задачи:

1. Формирование специальной физической связи систем безопасности с АСУТП. Это решение приемлемо для объектов всех категорий пожаро- и взрыво-опасности, поскольку оно не затрагивает снижение функций защиты. Однако использование этого метода носит скорее исключительный, чем регулярный характер.

2. Формирование системной организации автоматизированной защиты, работающей по принципу «только чтение» данных из различных систем безопасности. Это гарантирует, что функции защиты не будут нарушены, нет риска модификации или разрушения данных систем защиты.

3. Формирование специальной внешней связи типа «чтение-запись» с защитой от несанкционированного воздействия на функции защиты. Это достигается, но не ограничивается следующими действиями:

1. Ограничением временного окна для доступа к записи.

2. Использованием программного ключа идентификации доступа для записи.

3. Обеспечением независимости логических контуров защиты от воздействия данных АСУТП.

Контрольные вопросы

1. За счет чего возникает синергетический эффект в интегрированных системах автоматизированного управления?

2. Что представляет собой интегрированная компьютерная система управления?

3. Чем отличаются вертикальная интеграция АС от горизонтальной?

4. С какими постоянных времени оперируют системы управленияобъектов автоматизации уровней АСУ ТП, MES и ERP?

5. Что такое сквозной (межфункциональный) процесс в интегрированной системе управления деятельностью предприятия?