Лекція № 3
Тема. Технічне та програмне забезпечення
інтелектуальних технологічних комплексів
План
1.
Технічне забезпечення інтелектуальних технологічних комплексів.
2.
Програмне забезпечення інтелектуальних технологічних комплексів.
3. Операційні технології (ot)
кібер-фізичних систем.
1. Технічне
забезпечення інтелектуальних технологічних комплексів
АСУТП – програмно-технічний комплекс (ПТК), який є
інструментом оператора-технолога в управлінні технологічними об’єктами
управління (ТОУ). АСУТП перетворює ТОУ в АТК – автоматизований технологічний
комплекс, який керується людиною або функціонує без її участі. Сучасний АТК є
комп’ютерно-інтегрованою технологією – кібер-фізичною
системою, в якій використовуються сучасні комп’ютерні технології
(програмування, Інтернет, бази даних).
АТК як кібер-фізична система – серцевина четвертої промислової
революції, що потужно розгортається на наших очах в
постіндустріальних країнах. Повністю автоматизоване (тобто вже навіть
автоматичне і роботизоване) «розумне» підприємство –
основа нової промисловості Industrial4.0. Інструментарій
IndustrialRevolution4.0 – це комп’ютеризація, програмування, інтернетизація управління (InternetofThings&
InternetofServices), а також сучасні мікропроцесорні
технічні засоби керування.
Інтелектуальні технологічні комплекси (ІТК) – це цифровізовані
(автоматизовані та інформатизовані) технологічні виробництва і обладнання.
Інтелектуальна система керування – це «розумний» агрегат, «розумне»
виробництво, «розумне» підприємство.
Промислові ІТК в
автоматичному режимі забезпечують функціонування виробництва в автоматичному
режимі на основі теорії автоматичного керування (рисунок 3.1).
Рисунок
3.1 – Мапа теорії автоматичного керування
Вони
застосовують експертні системи, системи прийняття рішень та штучний інтелект у
різних галузях, таких як хімічна, переробна, харчова промисловості. Також
включають розумні електричні та теплові мережі (Smart
Grid, Smart Thermal Grids), розумні будинки (Smart Building) та промислові
інтернет-речі (IoT).
Фізичні
(промислові об’єкти) і вбудовані обчислювальні (кібернетичні) компоненти ІТК є
глибоко інтегрованими на основі мереж обміну даними, інтернет технологій,
хмарних обчислень.
ІТК
складається з технологічного об’єкту управління (агрегат, виробництво,
підприємство) і автоматизованої системи управління (АСУ).
2. Програмне
забезпечення інтелектуальних технологічних комплексів
Програмна та апаратна платформа сучасного інтелектуального
технологічного комплексу (ІТК) – це операційні технології, що об'єднують
класичні рішення з автоматизації та новітні інформаційні технології. Варто
звернути увагу на наступні компоненти.
АСУТП (PCS) – автоматизовані системи управління
технологічними процесами охоплюють різні галузі промисловості, зокрема металургію,
виробництво скла, промислові печі, а також велику енергетику (парові котли,
турбіни, допоміжне обладнання) та малу енергетику (котельні, теплопункти,
бойлерні). Крім того, вони застосовуються в інженерних системах будівель, таких
як опалення, гаряче водопостачання, управління насосними станціями, системи
кондиціювання і вентиляції. Автоматизація охоплює як промислові неперервні
процеси, так і дискретні процеси. Технологічні об'єкти управління (ТОУ)
включають фізику технологічних процесів, ідентифікацію та математичне
моделювання, що дозволяє ефективно керувати і оптимізувати виробничі процеси.
2.
АСУВ (MES) – автоматизовані системи управління виробництвами. Автоматизація виробництв у промисловості, енергетиці та інженерних
системах охоплює широкий спектр завдань, відповідно до стандартів
ISA-95/MESA-11: МES Performance (облік даун-таймів
обладнання; розрахунок продуктивності OEE); MES Operations
(інформаційне супроводження і генеалогія; формування, виконання і контроль
змінно-добових завдань та план-графіків; розрахунок техніко-економічних
показників KPI); MES Quality (сертифікація
обладнання; контроль якості і стандартів). Стандарт ISA-88 регулює
автоматизацію промислових періодичних процесів, відомих як батч-процеси
(batch-processing/batch-control).
3. ПТКЗА –
програмно-технічні комплекси засобів автоматизації промислових АСУ. Структура інтегрованої автоматизованої системи управління
підприємством, згідно зі стандартом ISA-95, включає такі рівні: IO, PCS, MES,
ERP, та BI. Система має дворівневу структуру: нижній рівень займається
регулюванням та контролерною автоматизацією, тоді як
верхній рівень відповідає за диспетчеризацію та супервізорну
автоматизацію. Трирівнева структура ПТКЗА складається з таких рівнів:
контролери (PLC), програмні сервери, програмні клієнти. До компонентів також
належать HMI/SCADA-системи, промислові шини та інформаційні магістралі.
4. Програмування в АСУ. Програмування завдань для
програмно-логічного управління (ПЛК/PLC) включає неперервне ПІД-регулювання,
управління переміщенням та операторський інтерфейс (локальне HMI). У рамках
четвертої промислової революції (4ПР), реалізація машинного навчання включає
адаптивні та автотюнінгові контури ПІД-регулювання.
5. Програмування
HMI/SCADA-систем включає завдання обміну даними, візуалізації, алярмування, архівування, скриптінгу
та звітності. Реалізація попереджувального обслуговування як елемента четвертої
промислової революції (4ПР) передбачає створення консолідованої аналітичної
звітності.
6. Використання
протоколів OPC-UA, MQTT, ODATA та ModBus для обміну даними між
ПЛК, ПЛК та HMI/SCADA. Ці протоколи ефективно застосовуються в промисловому IoT архітектури «земля–туман–хмара».
7. Імітаційне моделювання автоматизованих
технологічних комплексів (АТК)
поєднує технологічні об'єкти управління (ТОУ) та автоматизовані системи
управління (АСУ). Імітаційне моделювання промислових АТК включає програмне
моделювання ТОУ, реалізацію контролерного регулювання
та SCADA-системи. Програмне моделювання ТОУ може здійснюватися в системі
комп'ютерної математики MatLab або безпосередньо в
ПЛК.
Імітаційне моделювання буває двох типів:
– SIL-моделювання: використання софтПЛК або симулятора ПЛК;
– HIL-моделювання: використання реального
ПЛК (хардПЛК).
Перед моделюванням виконується комплексний інженерний
розрахунок ПТК АСУ, враховуючи вимірювальні канали, надійність, динаміку,
виконавчі механізми та регулюючі органи, а також техніко-економічну
ефективність. Порівняльний аналіз функціонування ТОУ до і після автоматизації
базується на статистичній гіпотезі достовірності результатів.
Створення кафедральної бібліотеки імітаційних моделей
АТК застосовується в промисловості, енергетиці та інженерних системах.
3. Операційні технології (ot) кібер-фізичних систем
Операційні технології – це
сучасні технології автоматизації технологічних процесів, промислових виробництв
і підприємств на основі цифрових технологій.
Операційні
технології цифровізації підприємства включають такі
аспекти.
1.
Автоматизація промислового підприємства на основі АСУ технологічними процесами,
АСУ виробництвами, інтегрованої АСУ підприємством;
2.
Алгоритмізація і моделювання кібер-фізичних систем
(КФС) на основі теорії автоматичного управління (ідентифікація об’єктів, аналіз
і синтез систем автоматичного регулювання, PID-регулювання, fuzzy-регулювання,
neuro-регулювання, адаптивне управління) і сучасних
методів Data Science
(цифрові двійники – Digital Twins,
машинне навчання – Machine Learning,
попереджувальне обслуговування – Predictive Maintenance, віртуальна і доповнена реальність – VR/AR);
3.
Програмне і технічне забезпечення контролерного
(нижнього) рівня сучасної АСУ на платформі програмованих логічних контролерів
(PLC), станцій людино-машинного інтерфейсу (HMI), граничних пристроїв (Edge Devices), інтелектуальних
сенсорів і актуаторів (RTU);
4.
Програмне і технічне забезпечення супервізорного
(верхнього) рівня АСУ на платформі систем автоматизації і диспетчеризації
технологічних (SCADA), виробничих (MES) та бізнесових процесів (BPMS), систем
промислової бізнес аналітики (BI);
5.
Сучасні мережеві технології обміну даними, хмарні (Cloud)
технології, сенсорні мережі, промисловий інтернет речей (Industrial
IoT);
6. Засоби функціональної та інформаційної безпеки – кібербезпека (Cybersecurity).
