РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Конспект лекций по курсу

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИя

Санкт-Петербург, 2011 г.

Содержание

Введение……………………………………………………3

Раздел 1. Основные принципы управления интегрированныч автоматизированных систем…………………………………………………….14

1.1.Функциональное моделирование компонентов автоматизированного производства…………………………………………….14

1.2.Основные принципы управления интегрированных автоматизированных систем……………………………………………28.

1.3.Типовая архитектура интегрированной автоматизированной системы…………………………………………………………………...34

1.4.Функции уровней управления интегрированной системы………38

Раздел 2. Средства сетевой поддержки интегрированной автоматизированной системы…………………………………………44

2.1.Промышленные сети. Технология обмена информации в сетях ИАС…44

2.2.Физические среды передачи информации в ИАС………………57

2.3. Средства коммуникации узлов и компонентов в интегрированной системе……………………………………………………………………65

Раздел 3. Программно-технические устройства ИАС……………71

3.1. Применение контроллеров в ИАС……………………71

3.2 Технические средства отображения информации………………80

3.3. Обеспечение структурной надежности ИАС…………………88

Раздел 4. Программное обеспечение интегрированной автоматизированной системы управления. …………………….98

4.1 Компоненты и основные возможности SCADA систем………98

4.2 Архитектура SCADA системы iFix……………………109

4.3. Примеры интеграции многоуровневых систем автоматизации…….127.

4.4. SCADA-приложения для слежения за производственным процессом..................................................................................................……..

Аннотация……………………………………………182.

Литература…………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Интегрированные автоматизированные системы (ИАС) управления машиностроительным производством – это новая концепция 21 века, ведущая к созданию и организации производства, сочетающая в себе современные технологии внедрения эффективных систем промышленной автоматизации, надежное управление и минимальные затраты на их содержание. Сущность новой концепции состоит в том, что она позволяет интегрировать, т.е. объединять в единую производственную систему составные автономные автоматизированные комплексы для технологических процессов, охватывающие все основные стадии и этапы производства изделия – от задания и проекта до выпуска готового изделия, или как говориться «под ключ».

Интеграция производства отличается от комплексной автоматизации тем, что при последней автоматизируются отдельные производственные процессы проектирования, материально-технического снабжения и учета, маркетинговые функции, оперативного управления производством, эксплуатация и сервиса оборудования и технических средств, другие вспомогательные и обслуживающие функции, но при этом стыковки и увязки автономных подсистем в единую систему управления производством затруднены и сталкиваются порой с проблемами закрытости технических структур и стандартизации в области совместного использования данных производства и информационного взаимодействия между собой.

В настоящее время развитие производственной деятельности в отрасли машиностроения происходит под эгидой частичной или полной интеграции, определяемой уровнем интеграции. Уровень интеграции – показатель количества производственных автоматизированных функций и процессов с возможностью их реализации в едином информационном пространстве.

Единое информационное пространство (ЕИП) – совокупность информационных средств и ресурсов, объединяемых в единую систему [1]. Информационные ресурсы – это автономные информационные вычислительные службы, включающие в себя программные компоненты, базы данных, файлы данных и компоненты существующих информационных систем. К информационным средствам относится системно организованная совокупность аппаратных, программных и транспортных средств и вычислительных ресурсов, включая организационную, методическую и правовую формы обеспечения.

В основе ЕИП лежит использование открытых архитектур, международных стандартов. Создаётся единое информационное пространство с использованием международных и российских стандартов, среди которых можно выделить шесть групп:

· Функциональные стандарты;

· информационные стандарты;

· стандарты технического обмена;

· стандарты по защите информации;

· стандарты по электронной цифровой подписи;

· стандарты общего назначения.

1) Функциональные стандартырегламентируют процессы и методы формализации данных об изделии и технические руководства по применению автоматизированных технологий определённых ГОСТами 1-10, приведённых ниже.

1. ГОСТ Р ИСО 10303-1 – 99 «Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 1. Общие представления и основополагающие принципы».

2. ГОСТ Р ИСО 10303-21 – 99 «Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 21. Методы реализации. Кодирование открытым текстом структуры обмена».

3. ГОСТ Р ИСО 10303-41 – 99 «Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 41. Интегрированные обобщенные ресурсы. Основы описания и поддержки изделий».

4. ГОСТ Р ИСО 10303-11 – 2000 «Системы автоматизации производства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 11. Методы описания. Справочное руководство по языку EXPRESS».

5. ГОСТ Р ИСО 10303-12 – 2000 «Системы автоматизации производ­ства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 12. Методы описания. Справочное руководство по языку EXPRESS-I».

6. ГОСТ Р ИСО 10303-45 – 2000 «Системы автоматизации производ­ства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими данными. Часть 45. Интегрированные обобщенные ресурсы. Материалы».

7. Р 50.1.027 – 2001. «Информационные технологии поддержки ЖЦ про­дукции. Автоматизированный обмен технической информацией. Основные положения и общие требования».

8. Р 50.1.028 – 2001 «Информационные технологии поддержки ЖЦ продукции. Методология функционального моделирования».

9. Р 50.1.029 – 2001 «Информационные технологии поддержки ЖЦ про­дукции. Интерактивные электронные технические руководства. Общие требования к содержанию, стилю и оформлению».

10. Р 50.1.030 – 2001 «Информационные технологии поддержки ЖЦ продукции. Интерактивные электронные технические руководства. Требования к логической структуре базы данных».

2) Информационные стандартыописывают данные об изделии и процессах: представляют общие определения информационных элементов, отношений, защиты данных и доступности данных. Эти стандарты направлены на обеспечение единого представления текста, графики, информационных структур. STEP – стандарт общего описания элементов данных об изделиях и доступа к ним; PLIB – формирование библиотек данных о комплектующих изделиях; MANDATE – представление производственных данных; SGML – общее описание текстовой информации; CGM – стандарт представления графики; ISO 10303 STEP, ISO 10303-11 Express, ISO 8879 SGML, ISO 18876 – стандарты информационного описания объектов управления.

Стандартизация представления информации в процессах проектирования, обеспечения производства, изготовления продукции производства является основой создания единого информационного пространства.

3) Стандарты технического обменаконтролируют хранение информации и процессы обмена между источником приемников данных, определяют общий набор правил для обмена информацией в цифровой форме. Стандарты технического обмена – это общие правила цифрового обмена информацией.

4) Стандарты по защите информациисодержатобщие требования к программным и аппаратным средствам защиты информации (в том числе путем применения электронной цифровой подписи, включая алгоритмы шифрования и управления ключами) в государственном масштабе, в корпоративном применении или в рамках предприятия. Закон РФ «Об информации, информатизации и защите информации» требует обязательной сертификации информационных систем государственных органов и организаций, которые обрабатывают информацию с ограниченным доступом.

5) Стандарты по электронной цифровой подписиобеспечивают информационную безопасность на основе методов и средств защиты информации, в том числе путем обязательного подтверждения целостности электронного документа и аутентификации подписи с использованием различных алгоритмов для юридического решения вопросов совместного использования информации.

6) Стандарты общего назначенияопределяют правила и руководящие указания по формулировке определений данных, принципы присвоения имен и идентификацию элементов данных, регистрацию элементов данных.

Единое информационное пространство определяет основные особенности архитектуры современной интегрированной автоматизированной системы:

- единый проект для всех компьютеров и контроллеров;

- «прозрачная» распределенность, программная настройка связей узлов;

- открытость – обмен данными с любыми внешними программами.

Единое информационное пространство должно обладать следующими свойствами:

1) содержать информацию в электронном виде;

2) использовать стандарты электронного обмена данными;

3) содержать интегрированную модель бизнес процессов и распределенную базу данных.

Рассмотрим первое свойство ЕИП на примере механообрабатывающего производства, где системы с ЧПУ на производстве объединяются в цеховую производственную сеть, по которой в цех на СЧПУ передаются следующие производственно-технологические данные:

1) производственное задание;

2) технологические карты;

3) управляющие программы для станков с СЧПУ;

4) изображение эталонов деталей.

Чертежи поступают в цех не в бумажном виде, а в электронном и отображаются на мониторе оператора.

От СЧПУ передаются производственно-технологические данные:

1) наряды;

2) информация о текущем состоянии диагностики оборудования;

3) наименование обработанных деталей и их количество;

4) заявки на получение оснастки и инструментов;

5) результаты контроля геометрии деталей;

6) информация об использовании оборудования ;

7) информация о соблюдении заложенных в технологическом процессе параметров и режимов обработки;

8) опрос состояния оборудования.

Вся эта информация вносится в СЧПУ прямо на рабочем месте без создания промежуточных бумажных документов, т.е. реализуется принцип фиксации информации в электронном виде на рабочем месте в момент ее возникновения (рис. 1), а также электронный документооборот – автоматизированные процедуры прохождения документации между подразделениями, имеющими отношение к действиям, предписанных в документах.

Рис. 1. Передача данных по цеховой сети

Важность этого принципа можно уяснить при анализе 2-х информационных потоков, представленных на рисунках 2 и 3.

Обозначения, принятые на рис. 2 и 3:

1 - источник информации

2 - потребитель информации

3 - крупный отдел с численностью до 100 и более человек, которые обеспечивают преобразование информации из бумажного вида в электронный, обработку и передачу ее в бумажном виде потребителю

На рис. 2 информация из цеха поступает в бумажном виде, затем возникает необходимость из бумажной подачи информации преобразовать в электронную.

Рис. 2. Схема передачи данных

Переход к ЕИП требует, чтобы создавались рабочие места в производственных подразделениях для преобразования информации в источниках ее возникновения или потребления, как показано на схеме рисунка 3.

Рис. 3. Схема передачи данных в электронном виде

В рамках ЕИП используется понятие интегрированная модель.

Интегрированная модель – иерархическое организованная модель, содержащая все информацию об изделии, требуемую на любом из этапов жизненного цикла (ЖЦ) изделия. При построении каждого из фрагментов интегрированной модели используют единые средства и методы построения [2]. Для формирования интегрированной модели используются CALC/ИПИ-технология [1], основными задачами которой являются:

1) структурирование и моделирование данных об изделиях и процессах;

2) обеспечение эффективного управления и обмена данными между всеми участниками ЖЦ изделий;

3) создание и сопровождение документации, необходимой для поддержки всех этапов ЖЦ изделий.

Наряду с рассмотренными основными свойствами, ЕИП должно иметь возможность постоянного развития и расширения. К достоинствам использования ЕИП следует отнести:

1. независимость работы специалистов различных профилей;

2. обеспечение целостности данных;

3. возможность организации доступа с любого рабочего места к данным географически удаленных участков ЖЦ изделия;

4. отсутствие потерь данных при переходе между этапами ЖЦ изделия;

5. изменения данных доступны одновременно всем участникам ЖЦ изделия;

6. преодоление информационных барьеров, недоступности к данным, что в свою очередь ведет к повышению эффективности взаимодействие между участниками производственного процесса, и, следовательно, к снижению материальных и временных затрат.

Стратегия CALS/ИПИ предусматривает двухэтапный переход к ЕИП:

1) Автоматизация отдельных процессов (или этапов) ЖЦ изделия и представление относящихся к ним данных в электронном виде (в соответствии с требованиями ЕИП). Предполагается, что на этом этапе обмен данными между исходными системами осуществляется отдельными файлами (электронными документами) либо на магнитных носителях, либо по сетям.

2) Интеграция в рамках ЕИП автоматизированных процессов и относящихся к ним данных, представленных в электронном виде. На этом этапе взаимодействие подсистем осуществляется с помощью программных средств в режиме реального времени, с параллельной работой исполнителей через единую сеть посредством стандартных протоколов и средств связи.

В настоящее время используетсятермин «электронный бизнес» (е-business), обозначающий, по сути, распространение концепции CALS на все виды производственной, организационной, управленческой и коммерческой деятельности, осуществляемой в цифровом виде.

Реализация CALS/ИПИ на предприятии позволяет увеличить производительность труда своих сотрудников, сократить временные и общие материальные затраты и обеспечить общее повышение качества.

Концептуальная модель CALS/ИПИ включает в себя инвариантные понятия, которые применяют (полностью или частично) в течение ЖЦ изделия (рис. 4).

Рис.4. Концептуальная модель CALS/ИПИ

Эти инвариантные понятия условно можно разделить на три группы [1]:

1) базовые принципы CALS/ИПИ;

2) базовые технологии управления данными;

3) базовые технологии управления процессами.

Для снижения затрат на проектирование, сокращения времени разработки изделий, уменьшения доли брака, снижения затрат на разработку документации требуется не только организация безбумажного документооборота, но и максимальное использование компьютерных возможностей в организационных и технологических преобразованиях процессов, определяющих в совокупности деятельность предприятия. В этом случае необходимо использовать нормативную базу (стандарты, методические рекомендации) на основе отдельных элементов международных стандартов ISO 10000 и 140000.

Компонентами CALS/ИПИ-систем являются:

1) системы автоматизированного проектирования (CAD/CAM-системы);

2) автоматизированные системы управления производством независимо от места и времени их получения в общей системе, имеющей различные масштабы (вплоть до глобальных).

Таким образом, CALS/ИПИ-технологии позволяют обеспечить комплексное использование нормативной базы стандартизации, сертификации, каталогизации продукции, повышения ее качества на всех этапах ЖЦ и, следовательно, избежать неоправданных затрат и повысить эффективность организационных и производственных функций.

Следует отметить, что CALS/ИПИ-технологии не отвергают существующие автоматизированные системы проектирования и управления, а являются средством, обеспечивающим их эффективное взаимодействие. Поэтому интеграция автоматизированных систем на современных предприятиях должна быть основана на CALS/ИПИ-технологиях, внедрение которых требует освоения имеющихся технологий и стандартов, развития моделей, методов и программ автоматизированного проектирования и управления.

Идеология CALS/ИПИ рассчитана на полное применение нор­мативной базы, заложенной в стандартах FIPS, MIL, МЭК и ISO, значительная часть аналогов которых действует в Российской Федерации (например, ГОСТ Р ИСО 9000–2001).

Существующие отечественные стандарты, регламентирующие конструкторско-технологическую деятельность, такие как ЕСКД, ЕСТД, СРПП и им подобные, касаются только визуальной формы представления информации. Поэтому одной из первоочередных практических задач внедрения CALS/ИПИ является развитие стандартов ЕСКД дальнейшая разработка новых стандартов и спецификаций, регламентирующих электронную форму представления и обращения данных [4].

Различают два вида CALS/ИПИ-систем: для реального предприятия и виртуального предприятия.

CALS/ИПИ-система реального предприятия обеспечивает создание единой интегрированной системы управления созданием и использованием конструкторской, технологической, производственной информации по всем видам изделий, а также интеграцию с внешними информационными системами.

CALS/ИПИ-система виртуального предприятия обеспечивает интеграцию и управление информационными процессами при решении задач корпоративного, отраслевого, межотраслевого и межгосударственного сотрудничества. К таким системам относят средства категории PLM (Product Life Management – управление ЖЦ изделия), а также системы для проектов совместной разработки и создания изделия.

При автоматизации отдельных процессов ЖЦ изделия обычно используются существующие прикладные программные средства (САПР, АСУП и т.п.) при условии наличия стандартного интерфейса к представляемым им данным. При интеграции всех данных об изделии в рамках ЕИП применяются специализированные программные средства – системы управления данными об изделии PDM (Product Data Management). Задачей PDM-системы является аккумулирование всей информации об изделии, создаваемой прикладными системами, в единую логическую модель. Процесс взаимодействия PDM-системы и прикладных систем строится на основе стандартных интерфейсов.

Одним из первых требований в процессе разработки ИАС является подготовка объектов автоматизации к объединению и интеграции с учетом выше изложенных принципов ЕИП.

Эффективность производства с интегрированными автоматизированными системами по мнению специалистов определяется следующими показателями:

· прямое уменьшение затрат на проектирование до 30%;

· уменьшением затрат на обслуживание и эксплуатацию;

· сокращение времени разработки изделий 1,5-2 раза;

· сокращение времени вывода новых изделий на рынок до 75%;

· уменьшение доли брака и затрат связанных с конструкторскими изменениями до 75%;

· сокращение затрат на подготовку технической документации до 40%;

· сокращение затрат на разработку эксплуатационной документации до 30%.

· точное соблюдение технологических нормативов и регламента;

· значительное уменьшение процента брака, автоматическое повышение качества;

· снижение простоев оборудования вызванное неравномерной загрузкой производственных мощностей;

· устранение ошибок допускаемых операторами путем полной автоматизации процессов управления;

· установление непосредственных взаимосвязей между производством, отделом планирования, складом и поставщиками;

· точный учет количества выпущенной продукции на всех стадиях производства, не зависящий от действий оператора;

· анализ использования, загрузки и обслуживания оборудования. Правильное и экономное распределение капитальных вложений;

· предупреждение аварий на производстве;

· комплексный статистический анализ причин, влияющих на качество выпускаемой продукции;

Внедрение систем мониторинга, управления и сбора данных обеспечивает:

· визуализацию технологических процессов в графическом режиме;

· управление системой при возникновении аварийных ситуаций;

· отслеживание графиков контролируемых параметров в реальном времени и доступ к архивным графикам;

· подготовку детализированных отчетов для специалистов разных профилей;

· статический контроль процесса.

Применение ИАС по данным специалистов дает:

- Прямое уменьшение затрат на проектирование до 30%.

- Сокращение времени разработки изделий 1,5-2 раза.

- Сокращение времени вывода новых изделий на рынок до 75%.

- Уменьшение доли брака и объема конструкторских изменений до 75%.

- Сокращение затрат на подготовку технической документации до 40%.

- Сокращение затрат на разработку эксплуатационной документации до 30%.

РАЗДЕЛ 1. ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВ