Инновационные тренды развития промышленной автоматизации

Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) —неотъемлемый компонент инфраструктуры, обеспечивающий безопасную и стабильную работу промышленных объектов. Их возможности дают основу для передовых решений управления технологическими процессами и их оптимизации в реальном времени, которые улучшают экономические показатели предприятий.

Мотивация и факторы, способствующие изменениям

Существующие системы управления технологическими процессами предоставляют множество возможностей. Несмотря на это, они связаны с рядом проблем. К ним относятся:

• замена и/или обновление систем являются дорогостоящими;
• работы по интеграции сторонних компонентов ежегодно растут;
• компоненты для систем управления поставляются в комплекте с АСУ ТП, и ряд из них могут быть не лучшими в своем классе;
• системы не масштабируются экономически;
• модель кибербезопасности традиционно не является встроенной, а реализуется как дополнение к базовой архитектуре системы.

Коренной причиной этих проблем часто является закрытость традиционных промышленных систем управления. При разработке архитектуры АСУ ТП основной целью было обеспечение максимально возможной надежности системы для поддержки непрерывной работы предприятия и предотвращения сбоев в работе агрегатов, вызванных простоем системы.

По мере развития отрасли автоматизации поставщики АСУ ТП решили создавать тесно связанные проприетарные интерфейсы для своих эксклюзивных компонентов. Это привело к развертыванию систем, в которых новые компоненты можно было закупать только у производителя, с резким увеличением влияния вендора на заказчика – как финансово, так и политически. Данное влияние усиливается с учетом внешних санкций и реализации политики импортозамещения.

Еще одна ключевая проблема возникает, когда система устаревает и необходимо произвести полную ее замену и создать приложение заново. Закрытый, проприетарный характер таких систем требует, чтобы производственные предприятия брали на себя долгосрочные обязательства перед поставщиком после внедрения системы. Пользователям сложно объединять ее компоненты или выполнять поэтапные обновления системы с использованием компонентов других вендоров. Это особенно важно при миграции на программируемые логические контроллеры (ПЛК), которые работают на других языках программирования (другой поставщик или новое направление в продуктовой линейке поставщика) при внедрении другого подхода к реализации нового функционала или архитектуры.

Проблемы усугубляет то, что размер капитальных затрат на модернизацию, экономическое обоснование, закупку оборудования, прикладного программного обеспечения и инжиниринг практически всегда сводится к возрастающим затратам, включая временные.

Кроме того, риски срыва сроков по внедрению АСУ ТП добавляют существенные ограничения постоянно возрастающих периодов межремонтной остановки основных технологических объектов, которые все чаще увеличиваются до 5-7 лет в сравнении с прошлыми десятилетиями, когда межремонтный период, например для установок НПЗ, составлял 1-2 года.

Наращивание функциональности в новой системе обычно также не является стимулирующим фактором для системных интеграторов.

Конечно, это далеко не единственные риски при внедрении подобных проектов. Приходится учитывать частое отсутствие практики документирования во время эксплуатации модернизируемой системы, длительное время проведения тендерных процедур, возможные срывы сроков поставки оборудования, осложнения при капитальном строительстве, волатильность валюты, изменения в процессе проектирования, ошибки в монтаже, временные затраты на проведение тестирования (SAT, FAT). Зачастую для вертикальной интеграции с IT-системами или других интерфейсов необходимо начинать работу с нуля.

Человеко-машинные интерфейсы (ЧМИ), сложившийся опыт и привычки операторов разнятся от системы к системе в зависимости от производителя АСУ ТП. Влияние привычки к ЧМИ одного производителя может негативно влиять на безопасное ведение технологического процесса, замедлять реакцию персонала на нештатные ситуации. Следовательно, требования к обучению операторов навыкам работы с ЧМИ и процедурам реагирования на чрезвычайные ситуации отличаются в зависимости от конкретных АСУ ТП и ЧМИ. При этом даже интерфейс между ЧМИ и контроллерами является закрытым.

Процедуры по минимизации всех этих рисков существенно влияют на сроки ввода систем в промышленную эксплуатацию и, как следствие, на период окупаемости проектов.

Стандартно время службы программно-технического комплекса промышленной автоматизации составляет 10 лет. Массовое внедрение существующих АСУ ТП в России происходило в конце 90-х  – начале 2000-х. При этом, если взглянуть на затраты при модернизациях устаревших АСУ ТП в перспективе ближайших 5 лет с точки зрения крупной ВИНК, они составляют весьма крупную сумму.

Все эти риски существенно влияют на долгосрочные преимущества развития компаний в области промышленной автоматизации, и проекты часто идут вразрез со стратегическим направлением их развития.

Наблюдения за другими отраслями и разработками в области информационных технологий ясно показывают, что переход к открытой, основанной на стандартах архитектуре промышленных систем управления может принести значительные преимущества. Устранение требования тесной связи программного и аппаратного обеспечения в закрытых компонентах, предоставляемых поставщиком, может обеспечить существенные технологические усовершенствования.

Другими важными факторами, поддерживающими изменения, являются:

• инновации в области кибербезопасности, а также рост угроз для промышленных систем;
• возрастающий интерес к промышленному интернету вещей (IoT);
• более тесная интеграция информационных технологий и операционных технологий;
• изменения ожиданий пользователей в связи с развитием более дешевых датчиков, беспроводных технологий, аналитики больших данных, развитием нейронных сетей и других сервисов;
• движение в сторону поддержки единых стандартов промышленных протоколов и развитие сотрудничества между многими организациями, включая OPC Foundation, NAMUR, ECLASS Association, VDE, ZVEI и CESMII;
• конечные заказчики все больше вовлекаются в разработку стандартов и семантических моделей данных, т.к. достижение целей Индустрии 4.0/промышленной цифровизации необходимо для сохранения конкурентоспособности и прибыльности промышленных компаний;
• IoT-Edge обеспечивает доступ к беспрецедентным объемам данных. При правильном внедрении IoT улучшает возможности подключения технологического оборудования, эффективность и масштабируемость, а также обеспечивает экономию времени и средств;
• наличие систем с поддержкой IoT имеет решающее значение для конкурентоспособности предприятий в наши дни. В то время как отрасль автоматизации остается относительно новой для использования аналитики и искусственного интеллекта с данными в реальном времени, архитектуры IoT помогают включать эти все более востребованные методы. Таким образом, готовые к IoT системы будут способствовать росту.

Концепция открытых систем управления технологическими процессами

Созданный в 2015 году по инициативе ExxonMobil форум Open Group Open Process Automation Forum (OPAF) разработал для открытых систем стандарт Open Process Automation Standard (O-PAS). Его цель – создание основанной на стандартах открытой, безопасной и совместимой архитектуры управления промышленными процессами. Фундаментальными свойствами открытой платформы также должны являться модульность, взаимозаменяемость и повторное использование.

Сегодня конечные пользователи должны работать с несколькими системами и интегрировать их практически на каждом технологическом предприятии или объекте. Поэтому стандарт OPA-S был разработан таким образом, чтобы пользователи могли создавать системы из компонентов и подсистем, поставляемых несколькими поставщиками, без необходимости трудозатратной интеграции. Стандарт O-PAS позволяет ассимилировать несколько систем, позволяя им работать вместе как единое целое. Это сокращает время разработки и технической поддержки проектов, что приводит к снижению совокупной стоимости владения.

Ожидания от такой системы включают в себя:

• коммерческую доступность. Это надежная экосистема оборудования, программного обеспечения и поставщиков. Ее нельзя создавать на заказ для одной компании. Спрос должен существовать со стороны ряда компаний в различных отраслях, которые используют современные АСУТП;
• лучшие в своем классе компоненты. Система должна поддерживать интеграцию лучших в своем классе компонентов независимо от поставщика;
• встроенную и адаптируемую систему безопасности. Средства информационной безопасности должны быть интегрированы как на уровне компонентов, так и на уровне системы. Отраслевые стандарты должны предоставлять возможности для дальнейшего повышения безопасности на протяжении всего срока службы компонентов и системы;
• совместимые компоненты. Стандартные интерфейсы должны использоваться для обеспечения взаимозаменяемости и взаимодействия между компонентами. Любая система, созданная из компонентов, должна оставаться открытой и доступной для будущего расширения. Техническая архитектура не должна зависеть от поставщика и должна позволять осуществлять пошаговую модернизацию или замену компонентов на компоненты с аналогичными или дополнительными функциями, без перепроектирования системы с максимальным использованием существующих отраслевых, национальных и международных стандартов.

Общее видение технической архитектуры заключается в том, что распределенные узлы управления и встроенные инфраструктуры управления, реализованные совместно со средствами преобразования оригинальных интерфейсов (например, Ethernet IP, 5G, Wi-Fi и др.), можно будет легко интегрировать с новыми средствами преобразования интерфейсов через коммуникационные шлюзы.

Отдельно, но со многими схожими целями, европейский орган по стандартизации NAMUR работает над программой и технологией пакета модульного типа (MTP). NAMUR и OPAF договорились о сотрудничестве, чтобы объединить инициативы в единую общую архитектуру;

• целевое соответствие потребностям пользователя. Архитектура должна быть масштабируемой и адаптируемой для различных приложений. Она должна быть рассчитана на системы разного масштаба – от малых до крупных;
• программное обеспечение внутри изолированных контейнеров. Компании прикладывают большие инженерные усилия в разработку приложений для управления конкретными технологическими установками и объектами. Такие проекты должны быть безболезненно переносимы между компонентами от разных поставщиков, включая перенос их конфигураций. Пользователь должен иметь возможность полноценно перенести свое разработанное приложение на обновленный или новый компонент от любого поставщика без необходимости их повторной настройки;
• переносимость конфигурации. Поскольку многие компоненты, составляющие промышленную систему управления, имеют разные жизненные циклы, новая система должна поддерживать замену компонентов по мере необходимости. O-PAS версии 3.0 будет обеспечивать переносимость приложений, то есть возможность брать приложения, приобретенные у поставщиков программного обеспечения, и использовать их между системами внутри компании в соответствии с применимыми лицензиями. А также включать в себя первые спецификации для аппаратных интерфейсов;
• инновации и создание ценности. Ожидается, что создание открытой среды значительно расширит рынок приложений для расширенного управления и прогнозной аналитики;
• преодоление разрыва между ОТ и IT. Исторически IT и ОТ были отдельными областями, часто с разными языками и процедурами. Преодоление разрыва между ОТ и IT — одна из многих ролей открытых систем;
• возможности пограничных вычислений. Внедрение подобных технологий ускоряется наряду с IoT, что делает их одним из самых быстрорастущих трендов промышленной автоматизации. Пограничные вычисления приближают их к источнику, уменьшая задержку, тем самым повышая безопасность и более надежно собирая данные в реальном времени. Пограничные вычисления создают множество мощных решений, особенно в географически распределенной системе. Например, тег может распознаваться не только как адрес Modbus, его можно идентифицировать, например, как датчик давления с метаданными, указывающими его местоположение. Кроме того, они открывают возможность интегрировать информацию не только через промышленные протоколы, а также использовать, например, PDF-файлы и видеопотоки, преобразовывая их в информацию в реальном времени, чтобы помочь в принятии аналитических и бизнес-решений;
• полностью кроссплатформенная. Система не должна ограничивать заказчика и системного интегратора в использовании операционных систем;
• модульность платформы. В настоящее время наблюдается неоднородное развитие IoT-проектов. Собственные решения разрабатывают для конкретных проблем по сравнению с разработками с открытым исходным кодом, которые продвигаются сообществами. Новые технологии влияют на существующие методы и ведут к дальнейшему прогрессу в обоих лагерях. Однако получить представление о конкретных проектах и архитектурах практически невозможно. Компании вынуждены искать в своей существующей экосистеме поддержку, которая удерживает их в привычном образе мышления, но при этом не препятствует инновациям в поиске новых подходов.

Модули, шаблоны и профили конфигурации, собранные в открытых репозитариях, должны объединить накопленный опыт и помочь разработчикам быстро реализовать кейсы с уменьшением затрат на разработку за счет повторяемости (переиспользовании) решений. А заказчику – минимизировать время на разработку требований к проектам;

• единый реестр шаблонов. Является основной точкой коммерциализации решений и, как следствие, дополнительным способом окупаемости их разработки, быстрой обратной связи не только от конкретного заказчика, но и отрасли в целом. При этом он расширяет цифровой портфель разработчика, а заказчику позволяет значительно ускорить цифровую трансформацию и переоценить ее возможности.

Переход к основанным на стандартах, открытым, безопасным и интероперабельным промышленным системам управления даст много преимуществ. Системы управления процессами следующего поколения должны поддерживать повторное использование приложений на разных платформах поставщиков — разработчики приложений смогут создать приложение один раз и развернуть его на множестве разных платформ. Разработчикам больше не нужно создавать уникальные версии приложения для каждого поколения платформы отдельного поставщика. Развертывание независимо разработанного программного обеспечения и устранение зависимости между программным и аппаратным обеспечением поставщика также будет способствовать получению выгоды. Система информационной безопасности будет включать в себя новейшие технологии для устранения возникающих угроз кибербезопасности.

Текст: Сергей Седов, главный метролог, руководитель Центра промышленной автоматизации и метрологии, Дирекция информационных технологий, автоматизации и телекоммуникаций ПАО «Газпром нефть»

Фото - pxhere.com