ТАРАТЫЛҒАН АВТОМАТТАНДЫРУ ЖҮЙЕСІНДЕ ӘЗІРЛЕУ ЖӘНЕ ЗЕРТТЕУ

АННОТАЦИЯ

Датчиктер санының өсуімен, автоматтандырылған жүйе орналасқан аумақтың ұлғаюымен және басқару алгоритмдерінің күрделенуімен таратылған жүйелерді қолдану тиімдірек болады. Таратылған жүйелер көптеген аумақтық аралық контроллерлерден және енгізу-шығару модульдерінен тұрады. Бұл тәсілде таратылған жүйенің құрылымы және оның жұмыс алгоритмінің құрылымы автоматтандыру объектісінің құрылымына ұқсас болады, ал деректерді жинау, өңдеу, басқару және есептеу функциялары көптеген контроллерлер арасында бөлінеді. Әрбір контроллер өзінің енгізу-шығару құрылғыларының тобымен жұмыс істейді және басқару объектісінің белгілі бір бөлігіне қызмет етеді. Атап айтқанда, технологиялық жабдық, әдетте, ендірілген PLC-мен шығарылады. Басқаруды орталықсыздандыру және контроллерлерді басқару объектілеріне жақындату тенденциясы барлық автоматтандыру жүйелерінде ортақ және ішінара объектіге бағытталған бағдарламалаудың жетістіктерінен шабыттандырады. Сонымен қатар, шоғырланған жүйе үлестірілген жүйенің бөлігі немесе ерекше жағдайы болып табылады, сондықтан таратылған жүйелердің пайда болуы табиғи дамудың салдары болып табылады.

Бұл мақалада таратылған автоматтандыру жүйесінің артықшылықтары қарастырылып, таратылған жүйенің қолдану аймақтары анықталады. Таратылған автоматтандыу жүйесінің қазыргі өндірістегі пайдасы айқындалады.

Түйінді сөздер: таратыған автоматтандыру жүйелері, процесті басқару жүйелері, шоғырланган автоматтандыру жүйелері.

1. Таратылған автоматтандыру жүйесінің анықтамасы мен құрамы

Таратылған басқару жүйесін (ТБЖ, DCS — Distributed Control System) кеңістікте орналасқан көптеген құрылғылардан тұратын жүйе ретінде анықтауға болады, олардың әрқайсысы қалғандарына тәуелді емес, бірақ жалпы тапсырманы орындау үшін олармен өзара әрекеттеседі. Шекті жағдайда жүйенің элементтері жер шарының әртүрлі континенттерінде болуы мүмкін және олардың арасындағы байланыс Интернет арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Кез-келген микропроцессорлық құрылғылар, мысалы, PLC немесе бір контроллердің кеңістіктегі енгізу-шығару модульдері "көптеген құрылғылар" бола алады. Алайда, соңғы жағдайда тек деректерді жинауды үлестірілген деп санауға болады, ал басқару функциясы бір контроллерде шоғырланған.

Таратылған жүйенің айтарлықтай артықшылықтары контроллерлер дербес жұмыс істегенде және олардың арасындағы ақпарат алмасу минимумға дейін төмендегенде қол жеткізіледі.

Таратылған жүйе шоғырланғаннан жүйеден ажырататын келесі сипаттамаларға ие:

• параллель жұмыс істейтін процессорлар арасында тапсырмаларды бөлудің арқасында үлкен өнімділік;
• сенімділіктің жоғарылауы (контроллерлердің біреуінің істен шығуы басқалардың жұмысына әсер етпейді);
• қателіктерге төзімділік;
• жүйені оңай құру немесе қайта конфигурациялау;
• жаңғыртудың жеңілдетілген рәсімі;
• жүйе архитектурасының басқару объектісінің архитектурасына сәйкестігі, сондай-ақ жүйе модульдерінің әрқайсысының салыстырмалы қарапайымдылығы арқасында жобалаудың, конфигурациялаудың, диагностикалаудың және қызмет көрсетудің қарапайымдылығы;
• датчиктерден кіріс құрылғыларына аналогтық сигнал беру желілерінің ұзындығының азаюына байланысты жақсартылған шуға төзімділік пен дәлдік;
• кабельдік өнімдердің аз мөлшері, кабельге қойылатын талаптардың төмендеуі және оның төмен құны;
• кабельдік шаруашылықты орнату және техникалық қызмет көрсету шығындары аз.

Таратылған жүйе сонымен қатар нақты уақыттағы операциялық жүйелерге (ОЖ) қойылатын талаптарды жеңілдетеді, өйткені тапсырмалар параллель жұмыс істейтін контроллерлер арасында бөлінеді, олардың әрқайсысында жеке ОЖ орнатылған.

Таратылған автоматтандыру жүйелерін тиімді жобалау үшін оларды сипаттаудың қатаң әдістері қажет. Сондай-ақ, жүйеге кіретін және әртүрлі өндірушілер шығаратын барлық құрылғылардың үйлесімділігі мен өзара алмастырылуын қамтамасыз ету қажет. Осы мақсаттар үшін МЭК 61499 «индустриялық басқару жүйелеріне арналған функционалдық блоктар» халықаралық стандарты әзірленді. Ол таратылған жүйелерді жобалау кезінде модель иерархиясының үш деңгейін қолданады: жүйе моделі, физикалық құрылғы моделі және функционалды блок моделі. Стандартқа сәйкес барлық деңгейдегі модельдер жүйеде ақпаратты беру және өңдеу процесін сипаттайтын функционалды блоктар түрінде ұсынылады.

МЭК 61499 стандартының функционалды блоктарының ерекшелігі - олар алгоритмді тактирование немесе уақыт кестесі арқылы орындаудың дәстүрлі бастамасын ғана емес, сонымен қатар кейбір оқиғалардың (оқиғаларды басқару) басталуына байланысты ескереді. Оқиғаны басқару неғұрлым жалпы болып табылады және тактингті оның бір оқиғаның (тактілік сигналдың) мезгіл-мезгіл пайда болуынан тұратын ерекше жағдайы ретінде қарастыруға болады.

Функционалдық блоктар (ФБ) жобалау, дайындау, жұмыс істеу, валидацияны қоса алғанда, жүйенің бүкіл өмірлік циклін қолдау үшін де пайдаланылуы мүмкін. Стандартты қолдану мысалдары және онымен таратылған жүйелерді жобалау әдістемесін одан әрі дамыту жұмыстарда сипатталған.

МЭК 61499 стандартына сәйкес таратылған автоматтандыру жүйесінің моделі бір немесе бірнеше өндірістік желілер арқылы өзара әрекеттесетін физикалық құрылғылар жиынтығы (мысалы, PLC) ретінде ұсынылуы мүмкін (1-сурет).

Сурет. 1. МЭК 61499 стандартына сәйкес таратылған автоматтандыру жүйесінің моделі

2. Қазіргі өнеркәсіптік салалардағы таратылған автоматтандыру жүйесінің қазіргі кездегі рөлі

Таратылған автоматтандыру жүйелері өндіріс процестерін тиімді басқаруды, өнімділікті арттыруды, шығындарды азайтуды және бәсекеге қабілеттілікті қамтамасыз етуді қамтамасыз ететін заманауи өнеркәсіптік салаларда шешуші рөл атқарады. Міне, олар ең маңызды болып табылатын бірнеше аймақтар:

Өндірістік процестер және кәсіпорынды басқару: таратылған автоматтандыру желілері жабдықтау мен өндіруден бастап тауарлық-материалдық қорларды бөлу мен басқаруға дейінгі өндірістік процестердің әртүрлі кезеңдерін автоматтандыруға және үйлестіруге мүмкіндік береді. Олар жабдықтың тоқтап қалу уақытын азайту және ресурстарды пайдалануды оңтайландыру арқылы өндірісті жедел және дәл басқаруды қамтамасыз етеді.

Жабдықты бақылау және диагностикалау: таратылған автоматтандыру желілері өндіріс желілеріндегі сенсорлар мен құрылғылардан деректерді жинайды, бұл операторларға жабдықтың күйін бақылауға, ақауларды анықтауға және ақаулардың алдын алу және тәуекелдерді азайту үшін профилактикалық қызмет көрсетуге мүмкіндік береді.

Энергия тиімділігі және ресурстарды басқару: бөлінген автоматтандыру желілері арқылы энергияны, суды және басқа ресурстарды пайдалануды оңтайландыруға, олардың шығындарын бақылауға және шығындар мен экологиялық әсерді азайту жолдарын іздеуге болады. Таратылған автоматтандыру жүйелері әртүрлі өндірістік бөлімшелер мен объектілердегі өндірістік процестерді тиімді басқаруға және үйлестіруге мүмкіндік береді. Олар нақты уақыт режимінде мониторингті, деректерді жинауды және жабдықтар мен процестерді бақылауды қамтамасыз етеді, бұл өндірістік қуаттылықты оңтайландыруға және ресурстарды пайдалануға әкеледі.

Сапа және процесті бақылау: олар өнімнің сапасын бақылауды, сондай-ақ ақаулар мен сапа стандарттарынан ауытқуларды азайту үшін өндіріс параметрлерін автоматты түрде реттеуді қамтамасыз етеді.

Қауіпсіздік және стандарттарға сәйкестік: таратылған автоматтандыру желілері жұмыс ортасының қауіпсіздігін қамтамасыз етуге, апаттардың алдын алуға және еңбек қауіпсіздігі мен экология саласындағы нормативтік талаптар мен стандарттарды сақтауға көмектеседі. Өнеркәсіптік ортада қауіпсіздік бірінші орында. Таратылған автоматтандыру жүйелері тәуекелдерді азайту және қызметкерлер мен активтер үшін қауіпсіз жұмыс ортасын қамтамасыз ету үшін апаттық өшіру жүйелері, қауіпсіздік құлыптары және дабылды басқару сияқты қауіпсіздік хаттамалары мен механизмдерін біріктіреді.

Басқа жүйелермен интеграция және үйлесімділік: олар кәсіпорынның ресурстарын жоспарлау жүйелері (ERP) және тұтынушылармен қарым-қатынасты басқару жүйелері (CRM) сияқты басқа кәсіпорынды басқару жүйелерімен біріктіріліп, бірыңғай ақпараттық кеңістік пен деректердің үйлесімділігін қамтамасыз етеді. Басқару функцияларын бірнеше түйіндерге тарату және резервтеу стратегияларын енгізу арқылы таратылған автоматтандыру жүйелері жүйенің сенімділігі мен қол жетімділігін арттырады. Олар жабдықтың істен шығуының немесе желінің бұзылуының әсерін барынша азайтады, осылайша тоқтап қалу уақытын қысқартады және жұмыс уақытын барынша арттырады.

Инновация және цифрлық трансформация: таратылған автоматтандыру желілері бизнеске процестерді оңтайландыру, болжау мен шешім қабылдауды жақсарту және жаңа өнімдер мен қызметтерді дамыту үшін машиналық оқыту, деректерді талдау және Заттар интернеті сияқты жаңа технологияларды енгізуге мүмкіндік береді.

Деректерге негізделген шешім қабылдау: датчиктер мен деректерді жинау жүйелерінің көбеюімен таратылған автоматтандыру жүйелері деректерге негізделген шешім қабылдау процестерін жеңілдетеді. Олар трендтерді, ауытқуларды және оңтайландыру мүмкіндіктерін анықтау үшін операциялық деректердің үлкен көлемін жинайды, талдайды және визуализациялайды, бұл белсенді шешім қабылдауға және үздіксіз жетілдіруге мүмкіндік береді.

Сәйкестік және нормативтік талаптар: Өндірістік операциялар қауіпсіздікті, қоршаған ортаны қорғауды және өнім сапасын реттейтін әртүрлі ережелер мен стандарттарға бағынады. Таратылған автоматтандыру жүйелері нормативтік стандарттарға сәйкестігін көрсету үшін басқару стратегияларын, деректерді тіркеу және есеп беру функцияларын жүзеге асыру арқылы осы талаптардың сақталуын қамтамасыз етуге көмектеседі.

Қорытындылай келе, таратылған автоматтандыру жүйелері барған сайын күрделі және серпінді өндірістік ландшафтта тиімді, қауіпсіз және бейімделгіш операцияларды жүзеге асыруға мүмкіндік беретін заманауи өнеркәсіптік салалар үшін таптырмас құрал ретінде қызмет етеді.

Бұл мүмкіндіктер мен мүмкіндіктер таратылған автоматтандыру желілерін заманауи өнеркәсіптік кәсіпорындардың ажырамас бөлігіне айналдырады, оларға икемді, тиімді және бәсекеге қабілетті болуға көмектеседі.

3. Таратылған автоматтандыру жүйелеріне қойылатын заманауи талаптар

Таратылған автоматтандыру жүйелері, әсіресе өнеркәсіптік кәсіпорындар мен заттар интернеті (IoT) контекстінде, бірқатар заманауи талаптарға тап болады, соның ішінде:

Қауіпсіздік: қосылған құрылғылар мен желі арқылы деректер алмасудың көбеюімен қауіпсіздік басымдыққа айналады. Қауіпсіздік талаптарына аутентификация, кіруді басқару, деректерді шифрлау және кибершабуылдан қорғау кіреді.

Ақаулыққа төзімділік және сенімділік: бөлінген жүйелер өзін-өзі қалпына келтіруге және Жеке түйіндер немесе Желілік қосылыстар істен шыққан жағдайда үздіксіз жұмысты қамтамасыз етуге қабілетті болуы керек.

Масштабтау: құрылғылар мен деректер көлемінің ұлғаюымен жүйелер өнімділік пен ресурстарды тиімді басқаруды қамтамасыз ете отырып, масштабталуы керек.

Өнімділік пен тиімділік: желі ресурстарын тиімді пайдалану және өнімділікті оңтайландыру деректер көлемінің өсуі мен жүйенің жауап беру талаптары жағдайында маңызды бола түсуде.

Интеграция және үйлесімділік: таратылған автоматтандыру желілері көбінесе әртүрлі құрылғылармен және жүйелермен өзара әрекеттеседі, сондықтан үйлесімділік пен интеграцияны қамтамасыз ететін стандарттар мен хаттамаларға қолдау қажет.

Деректерді басқару және талдау: таратылған жүйелер жинайтын деректер көлемінің ұлғаюымен құнды ақпаратты алу үшін деректерді тиімді басқару, сақтау, өңдеу және талдаудың маңыздылығы артады.

Икемділік пен бейімделу: жүйелер икемді және оңтайлы өнімділік пен функционалдылықты қамтамасыз ету үшін өзгеретін жағдайларға, талаптарға және қоршаған ортаға бейімделе алуы керек.

Энергия тиімділігі: қосылған құрылғылар санының өсуі және инфрақұрылымның кеңеюі жағдайында экологиялық след азайту және ресурстарды үнемдеу үшін жүйенің энергия тиімділігін қамтамасыз ету маңызды.

Бұл талаптар деректердің үлкен көлемін тиімді өңдеуге және әртүрлі жағдайларда сенімді және икемді жұмысты қамтамасыз етуге қабілетті жоғары тиімді және қауіпсіз таратылған автоматтандыру желілерін әзірлеу және енгізу қажеттілігін көрсетеді.

4. Таратылған автоматтандыру жүйелерін әзірлеудегі алгоритмдер

Таратылған автоматтандыру жүйелерін дамыту өндірістік процестерді басқарудың тиімді және сенімді жүйесін құруға көмектесетін бірқатар кезеңдер мен алгоритмдерді қамтиды. Осындай жүйелерді жобалау кезінде қолдануға болатын жалпы алгоритм:

1. Талаптарды анықтау: бірінші қадам-жүйенің функционалды және функционалды емес талаптарын анықтау. Бұл жүйенің негізгі мақсаттарын, өнімділік талаптарын, қауіпсіздікті, ауқымдылықты, сенімділікті және басқа аспектілерді анықтауды қамтиды.

2. Архитектуралық дизайн: бұл кезеңде жүйенің жалпы архитектурасы анықталады, оның ішінде ішкі жүйелерге бөлу, технологиялар мен хаттамаларды таңдау,желілік инфрақұрылымды дамыту, деректерді тарату және синхрондау принциптерін анықтау.

3. Интерфейсті жобалау: жүйенің әртүрлі компоненттері арасындағы пайдаланушы интерфейстері мен интерфейстерін әзірлеу. Бұл операторлар мен әкімшілер үшін ыңғайлы және интуитивті интерфейстерді жобалауды, сондай-ақ жүйенің әртүрлі модульдері арасындағы өзара әрекеттесу жолдарын анықтауды қамтиды.

4. Бағдарламалық жасақтаманы әзірлеу: бұл кезеңде жүйенің әртүрлі компоненттері үшін бағдарламалық жасақтама жасалады, соның ішінде басқару қосымшалары, деректерді жинау және өңдеу, өндірістік процестерді басқару алгоритмдері, қауіпсіздік және бақылау алгоритмдері.

5. Тестілеу және күйін келтіру: бағдарламалық жасақтама жасалғаннан кейін оның жұмыс қабілеттілігін, сенімділігі мен сәйкестігін тексеру үшін тесттер өткізіледі. Бұған жүйенің жеке компоненттерін модульдік тестілеу, бүкіл жүйені интеграциялық тестілеу және функционалды және функционалды емес талаптарға сәйкестігін тексеру кіреді.

6. Енгізу және теңшеу: тестілеу сәтті аяқталғаннан кейін жүйе өндіріс орнында енгізіледі. Бұл кезеңде жүйені кәсіпорынның нақты жағдайларына бейімдеу, сондай-ақ жүйені пайдаланатын қызметкерлерді оқыту жүзеге асырылады.

7. Сүйемелдеу және қолдау: жүйені енгізгеннен кейін ол үнемі сүйемелдеу мен қолдауды қажет етеді. Бұған жүйенің жұмысын бақылау, бағдарламалық жасақтаманы жаңарту, проблемалар мен оқиғаларды шешу және қызметкерлерді жүйенің жаңа функциялары мен мүмкіндіктеріне үйрету кіреді.

Таратылған автоматтандыру жүйелерін дамытудың бүкіл процесі жоғары тиімділік пен түпкілікті өнімнің сапасын қамтамасыз ету үшін agile немесе DevOps сияқты заманауи әзірлеу әдістемелерін қолдана отырып ұйымдастырылуы және басқарылуы керек. Сонымен қатар, әзірленіп жатқан жүйенің өзектілігі мен бәсекеге қабілеттілігін қамтамасыз ету үшін автоматтандыру саласындағы технологиялық трендтер мен инновацияларды үнемі қадағалап отыру маңызды.

Қорытынды

Таратылған автоматтандыру жүйелері өндіріс процестерін тиімді басқаруды, өнімділікті арттыруды, шығындарды азайтуды және кәсіпорындардың бәсекеге қабілеттілігін қамтамасыз етуді қамтамасыз ететін заманауи өнеркәсіптік салаларда шешуші рөл атқарады. Олар жетілдірілген автоматтандыру технологияларын, желілік шешімдерді және деректерді талдауды біріктіріп, күрделі өнеркәсіптік жүйелерді басқарудың қуатты құралдарын жасайды.

Таратылған автоматтандыру жүйелерінің маңызды сипаттамалары олардың икемділігі, ауқымдылығы, сенімділігі және қауіпсіздігі болып табылады. Олар кәсіпорындардың өзгеретін талаптарына бейімделе алады, өндірістік процестердің жоғары өнімділігі мен тиімділігін қамтамасыз етеді, сондай-ақ апаттар мен сәтсіздіктер қаупін азайтады.

Дегенмен, таратылған автоматтандыру жүйелерін сәтті енгізу және пайдалану үшін бірқатар аспектілерді ескеру қажет, соның ішінде дұрыс технологиялар мен платформаларды таңдау, кәсіпорынның нақты қажеттіліктеріне бейімделген шешімдерді әзірлеу, деректердің қауіпсіздігі мен қорғалуын қамтамасыз ету және қызметкерлерді оқыту.

Өнеркәсіптік кәсіпорындар өсіп келе жатқан қиындықтар мен бәсекелестікке тап болған қазіргі әлемде таратылған автоматтандыру жүйелері кәсіпорындардың тиімділігін, икемділігі мен бәсекеге қабілеттілігін арттыруда маңызды рөл атқарады, бұл оларға нарықтың өзгеріп отырған жағдайларына сәтті бейімделуге және олардың дамуында жаңа биіктерге жетуге көмектеседі.

Әдебиеттер тізімі:

1. Беспалов А.В., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. — М.: Академкнига, 2007. – 690 с.
2. Николайчук О.И., О. И. Николайчук.  Современные средства автоматизации — М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2007. – 256 с.
3. Шандров Б.В., Шандров Б.В., Чудаков. А.Д.  Технические средства автоматизации: учебник для студентов вузов. — М.: Академия, 2007. – 368 с.
4. Черенков В. В. Промышленные приборы и средства автоматизации: справ. пособие: Машиностроение, 1987.
5. Денисенко В.В. Компьютерное управление технологическим про- цессом, экспериментом, оборудованием. – М.: Горячая линия- Телеком, 2009. – 608 с.