цикл автоматизации, охвативший все современное производство, развивался неравномерно. Сначала постепенная автоматизация отдельных производств, а затем бурная смена поколений датчиков, контроллеров, компьютеров и программного обеспечения привели в итоге к тому, что на крупных современных производствах появились множественные острова автоматизации - распределенные системы управления и средства операторского контроля и управления, зачастую никак не соединенные м. собой, либо соединенные нестандартным способом с помощью доморощенных интерфейсов. В последнее время все это стало накрываться «сверху» средствами автоматизации и оптимизации бизнес-циклов, такими, как SAP/R-3, Oracle и т.д. Этот верхний слой чаще всего плохо стыкуется с нижним вследствие разных задач, разной природы данных, циркулирующих в этих двух слоях, и несогласованности интерфейсов.

На нижнем уровне (уровень управления технологическими циклами) в современном производстве располагаются датчики и контроллеры, объединенные распределенными системами управления (DCS –Distributed Control System) или системами операторского контроля и сбора данных SCADA (Supervisory Control аnd Data Acquisition). Таких систем на крупных производствах могут быть десятки. Например, на нефтеперегонном заводе это системы управления отдельных колонн, трубопроводов, насосных станций, нефтехранилищ и т.д. Особенностью этих систем является то, что они работают с большими потоками данных о цикле, поступающими в реальном масштабе времени, с высокой частотой (периоды опроса – порядка секунд и даже долей секунд) и из большого числа источников (до сотен тысяч параметров). Эти данные нужны для оперативного управления производством и для последующего их анализа с целью оптимизации технологических циклов. Обычно эти данные хранятся в базах данных нереляционного типа, поскольку реляционные базы данных не способны принимать и выдавать данные в том темпе, который требуется для оперативного управления технологическими циклами. Кроме того, реляционные базы данных не приспособлены для хранения такого огромного количества данных, которое накапливается за достаточно длительное время (до нескольких лет) на поточных и непрерывных производствах.

На верхнем уровне (уровень управления бизнесом) располагаются информационные системы, которым не нужен такой интенсивный поток данных. Для анализа бизнес-циклов и управления ими применяются реляционные базы данных, поскольку такой тип баз данных наиболее хорошо приспособлен для решения многокомпонентных задач анализа. На уровне бизнес-циклов нужна только интегрированная информация о технологических циклах (данные типа средних за определенные промежутки времени, усредненные тренды, общее количество произведенных продуктов и т.д.). Естественно, такие данные должны поступать в систему гораздо реже, чем данные реального времени от технологических циклов.

Из-за такой несогласованности природы и назначения данных верхнего и нижнего уровней становится очевидной необходимость промежуточного слоя м. ними, который мог бы служить мостом м. столь разнородными потоками данных. Этот же мост мог бы служить средством объединения упомянутых выше островов автоматизации нижнего уровня. Кроме того, на современном производстве необходим инструмент, который позволил бы среднему управленческому персоналу (инженерам - технологам, начальникам цехов и т.д.), просматривая данные истории, исследовать и сопоставлять м. собой ход циклов на разных технологических установках с целью оптимизации технологии и анализа состояния установок.

Наиболее известный и продвинутый из программных продуктов этого предназначения – пакет PI System (Plant Information) компании OSI Software (Сан-Леандро, Калифорния). Компания OSI Software (прежде – Oil Systems, Inc.) была основана в 1980 г. и начала с разработки информационных систем и архивов данных для нефтеперерабатывающей промышленности. Первая такая система была выпущена в 1982 г. и работала на платформе НР 100 Затем в середине и во второй половине 80-х годов было установлено несколько систем под VAX/VMS и в начале 90-х годов под UNIX. С середины 90-х годов начался переход на платформу Windows NT и с этого времени началось взрывное увеличение продаж. Так в 1992 году было 300 инсталляций продукта, а в 1998 г. – уже около 300 Из продаваемых в настоящее время пакетов только около 3% работают под UNIXи VMS, остальные – под Windows NT.

Пакеты PI применяют на крупномасштабных производствах во всем мире, но, главным образом, в США (54% инсталляций) и в Европе (22%). Программный продукт, который первоначально разрабатывался специально для циклов нефтепереработки, теперь применяется во множественных других отраслях. Самое большое количество инсталляций в США – в энергетике (36%), затем идут химическая и нефтяная промышленности (по 13%), металлургия и горная промышленность (6%), обрабатывающая промышленность (6%), водоснабжение и канализация (4%), пищевая и фармацевтическая промышленности (по 2%). Среди пользователей пакета OSI крупнейшие компании. Так, самым крупным пользователем (пакет на 150 тыс. точек) является компания Eastman Kodak. Пакет PI приобрели такие крупные компании, как Shell, Exxon, Texaco, Petro-Canada (нефтепереработка), BASF, Dupont, Mitsubisi Chemical, Nippon Petrochemicals, Xerox (химия), AFG Industries, Ford Motor, IBM, Motorola, Polaroid (промышленность), ряд крупных электростанций, службы водоснабжения и канализации таких городов, как Нью-Йорк, Детройт, Монреаль, Индианаполис.

Общие сведения об архитектуре Системы PI и ее место в конфигурации информационной структуры производства

Архитектура пакета PI основана на идее трехуровневой обработки информации, активно развиваемой в бизнес-системах.. Эта идея может быть представлена следующей простой схемой ( .

Смысл среднего слоя (приложения) состоит в том, чтобы сделать доступ к данным и их обновление простыми и непротиворечивыми, с гарантированным сохранением целостности данных.

Верхний слой (представление) общается только со слоем приложений и ничего не знает о том, как устроен нижний слой – ист. данных. Это позволяет сохранить целостность данных и единообразие их представления.

Конфигурация информационной системы, соответствующая приведенной выше идеологии, представлена ниже на Элементы, относящиеся к системе PI, выделены синим цветом. Собственно PI SYSTEM (в нижней части схемы) занимается сбором и архивированием данных, поступающим от систем нижнего уровня – распределенных систем управления (DCS), программируемых логических контроллеров (PLC), лабораторных систем (LIMS), систем SCADA и систем ручного ввода данных. Эти системы,, работают уже непосредственно с производственными циклами реального времени. Сервер PlantSUITE, показанный в верхней части схемы, предназначен для взаимодействия с бизнес-системами верхнего уровня, основанными на реляционных базах данных и работающими не в режиме реального времени, такими, как MS SQL Server, другими реляционными базами данных, различными приложениями и, наконец, с системой SAP/R Специально для взаимодействия с SAP/R3 предусмотрен шлюз RLINK. Важно отметить тот факт, что PI SYSTEM является единственной в своем классе системой, имеющей сертификацию для работы с SAP/R Из данной конфигурации видно, что PI SYSTEM выполняет роль «интерфейса» м. бизнес-системами, приложениями и представлениями, работающими не в реальном масштабе времени и производственными циклами, работающими в реальном масштабе времени. При этом PI SYSTEM располагается в слое, соответствующем слою данных на Такой подход позволяет объединить в единую интегрированную систему все информационные ресурсы предприятия – острова автоматизации нижнего уровня, информационную систему для технического персонала среднего уровня и бизнес-систему всего предприятия. Это дает принцип. возможность весьма оперативно решать важные задачи, связанные с управлением бизнесом. Например, можно практически в режиме реального времени определять себестоимость выпускаемой продукции и видеть структуру себестоимости, формировать заказы на исходные материалы, на транспорт для доставки готовой продукции, анализировать первопричины потерь, выявлять неэффективные циклы, анализировать первопричины расхождений м. плановыми и фактическими данными, оптимальным образом использовать имеющиеся производственные мощности и т.д.

Архитектура PI System

Архитектура самой системы PI (ее основного пакета) представлена ниже на 3.

Базовый узел – это компьютер, работающий под Windows NT или UNIX. На нем установлены: сетевой менеджер PINet, подсистемы ядра, подсистемы серверной обработки информации (Totalizer, PI-SQL, Equations Performance, Batch, и Alarm), интерфейсы имитаторов, основанные на PI-API, и утилиты.

Базовый узел по сети TCP/IP связывается с клиентскими узлами и узлами интерфейсов.

изучим подробнее назначение этих узлов и их элементов.

К подсистемам ядра относятся Архив, Snapshot, Менеджер обновлений и Сообщения. Важнейшими частями здесь являются Архив и Snapshot. Архив – это основное долговременное хранилище данных, в котором данные хранятся в сжатом виде на диске. Snapshot (в переводе – Моментальный снимок) – это кратковременное хранилище данных, в котором хранятся текущие данные. Эти данные затем записываются в архив. Здесь нужно отметить, что в архив переписываются не все данные, а только часть из них. Какие именно данные переписываются, определяется алгоритмом сжатия, который будет вкратце описан далее в этой аналитической статье. Менеджер обновлений – это программа, которая занимается обновлением данных в системе. Подсистема сообщений администрирует посылку сообщений в системе.

Важной частью основного сервера являются подсистемы, которые можно было бы назвать подсистемами обработки данных (хотя, официально они такого названия не имеют). Эти подсистемы отображены в правом нижнем углу схемы. К ним относятся подсистемы: Totalizer – подсистема, предназначенная в основном для статистических расчетов и, кроме того, для задач суммирования и определения минимальных и максимальных значений, используемых при генерации отчетов. Performance Equations – подсистема для расчетов по формулам. PI-SQL - подсистема для обработки SQL запросов к базе данных. Batch – подсистема для обработки информации о партиях продукции. Alarm – подсистема тревог.

Встроенные в сервер имитационные интерфейсы предназначены для обеспечения потока модельных данных, необходимых для целей демонстрации, настройки и обучения.

PI NetManager управляет общением м. внутренними подсистемами и внешними узлами.

Поставщиками данных для сервера являются программные интерфейсы, работающие на других узлах., интерфейсы получают данные от: распределенных систем управления (DCS) систем операторского контроля, сбора данных и управления (SCADA) непосредственно от контроллеров (PLC)

Именно наличие большого выбора интерфейсов (более 30 позволяет системе PI объединять разрозненные острова автоматизации. Об этом также будет сказано несколько ниже.

PI SYSTEM имеет также развитый набор клиентских приложений, которые позволяют пользователям решать с помощью системы разнообразные задачи анализа данных и оптимизации производства. К клиентским приложениям относятся: PI ProcessBook- для вывода на экран мнемосхем и графиков трендов PI DataLink для работы с данными в электронных таблицах Excel PI BatchView для просмотра периодических циклов PI Profile Displays для контроля профиля бумажной ленты в бумажной промышленности PI Active View для работы клиентов через Internet PI ODBC Driver для SQL запросов к базе данных PI SQC Client для статистического контроля качества PI Manual Logger для ручного ввода данных

Описание основных элементов системы

Серверная часть
Центральным элементом сервера PI System является Архив. Данные в архиве хранятся с отметками времени и, как было сказано, в сжатом виде (если сжатие данных было специально заказано). Собственно, сжатие опять начинается так же по пути из интерфейсов, которые посылают данные в архив сервера. Данные посылаются только по событиям, которыми являются отклонения данных от предыдущего посланного значения на некоторую наперед заданную величину. При этом данные поступают в Snapshot, временное хранилище для текущих значений данных. По пути из Snapshot в архив данные подвергаются более изощренному алгоритму сжатия, который называется Swinging Door (Качающаяся дверь). Суть этого метода сжатия заключается в том, что в архиве не хранятся те данные, которые можно восстановить в пределах заданной точности с помощью линейной интерполяции по тем данным, которые в архиве сохраняются (см. . Такой метод позволяет сжимать хранимые данные в 4 - 10 раз и мгновенно восстанавливать значение цикла, соответствующее любому заданному моменту времени.

В системе архивирования щепетильно продуманы вопросы сохранения данных при сбоях в оборудовании и при перегрузках. Например, интерфейсы буферизуют данные, посылаемые на сервер. Это позволяет не терять данные при временных нарушениях связи с сервером. Так, если в выходные происходит сбой на линии связи и при этом до понедельника никто линию не восстанавливает, обычно ничего страшного не происходит. Емкость буфера можно сконфигурировать так, что ее хватит на два дня работы. После восстановления связи система автоматически пересылает все сохраненные данные на сервер. Сам сервер защищен от пиковых перегрузок с помощью специальной очереди данных, где данные могут накапливаться, если они не успевают перегружаться в архив. Кроме того, в оперативной памяти циклора производится кэширование данных, что позволяет уменьшить частоту обращений к диску. Предусмотрено также резервирование сервера.

Как уже было сказано, на сервере работают специальные подсистемы обработки данных. По сути дела они являются интерфейсами – источниками данных, но работающими не на удаленных компьютерах, а прямо на том же компьютере, где установлен сервер. Эти интерфейсы обрабатывают как текущие значения, поступающие в Snapshot, так и данные, хранящиеся в архиве. Остановимся подробнее на двух подсистемах из числа подсистем обработки данных.: Totalizer – подсистема, выполняющая интегральную обработку данных на определенных временных отрезках, называемых интервалами накопления (Accumulation Interval). Поскольку в архиве хранятся не все измеренные значения, а только некоторые из них, то точность суммирования по восстановленным данным может оказаться недостаточной. Поэтому данная подсистема использует незаархивированные данные, прошедшие через Snapshot. При этом применяются два вида сумм – взвешенная по времени (Time Weighted), когда суммирование проводится через равномерные интервалы, а недостающие значения восполняются линейной интерполяцией и взвешенная по событиям (Event Weighted), когда суммируются просто все значения, прошедшие через Snapshot. Обычно Totalizer используется для итоговых и статистических отчетов – сумм, средних, максимальных и минимальных значений, стандартного отклонения и медианы за период накопления. Кроме того, Totalizer может подсчитывать число событий и может определять время наступления событий. Вычисления в подсистеме Totalizer могут проводиться как по неперекрывающимся интервалам накопления, так и по скользящим. Функции, выполняемые подсистемой, задаются при конфигурации соответствующего тега с помощью подсистемы TagConfigurator, встроенной в электронную таблицу Excel (см. ниже). Performance Equation – подсистема, выполняющая сложные вычисления по формулам над данными из PI. Среди этих вычислений могут быть, например: тепловой и материальный балансы производительность оборудования вычисление себестоимости в реальном времени определение выработки в реальном времени итоги по партиям продукции

Вычисления выполняются с определенной частотой по расписанию или по определенным событиям. Задаются вычисления с помощью обычных формул, записанных в определенных ячейках электронной таблицы Excel. Кроме вычислений по формулам может выполняться также и большое количество встроенных математических функций. К ним относятся практически все обычные математические функции, функции агрегирования (среднее, медиана, мин, макс, станд. отклонение, сумма), функции времени (например, количество секунд, прошедших с начала дня), отклики некоторых моделей динамических систем, получ. данных из архива и интенсивный поиск в архиве.

Клиентская часть
PI SYSTEM имеет развитый пакет клиентских приложений. Этот пакет предназначен в первую очередь для среднего управленческого звена – технологов, начальников участков и цехов, а также для верхнего уровня руководства предприятия – главного инженера, главного технолога, директора. Отличительной чертой этих клиентских приложений является то, что любой специалист может легко настроить для себя свою собственную рабочую информационную среду и в любое время перестраивать ее, не прибегая к помощи программистов или специалистов по системе PI.

Наиболее часто используемый клиентский продукт – PI ProcessBook. Это приложение позволяет пользователю вывести на экран мнемосхему интересующего его технологического цикла и увидеть все текущие значения параметров цикла (включая анимирование отдельных элементов изображения). Но самым удобным является то, что пользователь одним щелчком мыши может вывести на экран диаграмму тренда любого параметра, значение которого выводится на мнемосхему. Кроме того, пользователь может, удерживая нажатой клавишу Shift, выделить сразу несколько параметров и, затем, щелкнув по значку диаграммы, получить совместную диаграмму трендов выделенных параметров. Полученные диаграммы можно произвольно сдвигать по оси времени, выделять из них окна для подробного рассмотрения и т.д. Все это позволяет технологу самому легко создавать для себя и быстро перестраивать необходимые инструменты анализа. PI ProcessBook организован в виде книги с закладками, страницы в которой – мнемосхемы конкретных производств с выводом текущих значений параметров и диаграммами трендов (постоянно находящимися на экране или вызываемыми по щелчку мышью). Могут быть и страницы только с диаграммами, без мнемосхем. Богатый инструментарий позволяет легко построить любую мнемосхему или диаграмму.

Специалисты, которые могут программировать на языке Visual Basic for Application (VBA), могут создать для себя гораздо более изощренную рабочую среду. Например, можно по событиям открывать определенные экраны, генерировать отчеты с помощью электронных таблиц,

Также часто используется другое клиентское приложение – DataLink. Это приложение позволяет использовать для анализа данных ставшие уже привычными для множественных специалистов электронные таблицы Excel. DataLink выводит данные в электронную таблицу и позволяет просматривать их известными средствами Excel и формировать разнообразные отчеты.

Приложение BatchView позволяет просматривать периодические циклы, главным образом при производстве продукции партиями в таких отраслях промышленности, как химическая, фармацевтическая, пищевая и пр. Программное обеспечение позволяет выделять партии продукции в архиве по их идентификаторам, просматривать ход цикла приготовления партии продукта, сравнивать м. собой графики, соответствующие конкретным партиям, сравнивать партии с некоторыми «эталонными», формировать отчеты по партиям и группам партий. BatchView может использоваться как Active X элемент в любом Active X контейнере, совместимом с Windows, например, в электронной таблице Excel или в редакторе Word.

Клиентское приложение PI Profile Displays предназначено главным образом для использования в бумажной промышленности. Оно позволяет контролировать изменение профиля ленты на бумагоделательной машине.

Приложение PI Active View предназначено для просмотра архива и выборки данных через Интернет.

Приложение PI ODBC предназначено для того, чтобы «показать» архив системы PI другим клиентским программам как реляционную базу данных, хотя архив таковой не является. Этим обеспечивается совместимость системы PI с реляционными базами данных, работающими на верхнем уровне управления предприятием.

На крупном производстве часто требуется ввести вручную показания приборов, не подсоединенных к информационной системе или лабораторные данные. Клиентское приложение PI Manual Logger предназначено для ручного ввода данных с носимого терминала, роль которого могут выполнять миниатюрные компьютеры класса Palm Top, например, Palm Pilot. Обычно такие компьютеры работают под управлением операционной системы Windows CE. Однако, имеются и специализированные носимые терминалы. Так, компания Kestler Engineering поставляет носимые терминалы PDT фирмы Symbol Technology, которые поддерживаются клиентским приложением PI Manual Logger.

Средства администрирования и разработок
Как и всякая сложная информационная система, PI SYSTEM требует регулярной проверки ее состояния и администрирования – создания новых тегов, удаления старых, введение в систему новых пользователей и удаления старых, создание и удаление узлов, работы с архивными файлами и т.д. Естественно, PI SYSTEM такими средствами оснащена.

Исторически сложилось так, что основные средства администрирования системы PI управлялись с командной строки (аналогично командам DOS). Это связано с тем, что PI SYSTEM создавалась в 80-е годы и работала под UNIX. Однако, в последние годы система использовалась в основном в среде Windows NT. Поэтому для администрирования системы были разработаны инструменты, использующие графический интерфейс пользователя (GUI) и электронную таблицу Excel. Это подсистемы Tag Configurator (работает в среде Excel), PI HealthCheck (использует графические окна и древовидную структуру аналогично Проводнику Windows) и PI Control Monitor (графическая система, включающая окна, меню и статистические диаграммы, отображающие производительность системы).

Заключение

PI SYSTEM компании OSI Software – это уникальный в своем классе инструментраий, предназначенный для соединения в единое целое верхнего и нижнего уровней информационных систем крупных промышленных предприятий. Эта система предоставляет среднему и верхнему звену технического персонала предприятия широкие возможности по оперативному и долговременному анализу производственных циклов и состояния оборудования и по оптимизации циклов. Для менеджеров верхнего уровня PI SYSTEM через посредство системы анализа и управления бизнес-циклами SAP/R3 дает принцип. возможность оперативного ведения бизнеса на современном рынке, характеризующемся высокой динамичностью.

Источник: http://www.indusoft.ru/osi