Pięć kluczowych czynników integracji przemysłowych systemów sterowania

Fot. freepik

Przy rozważaniu integracji systemu sterowania w zakładzie przemysłowym musimy wziąć pod uwagę kilka czynników, takich jak: infrastruktura oprogramowania, procesowe bazy danych, interfejsy operatorskie, zarządzanie alarmami oraz bezpieczeństwo w sieci. 

Integracja systemu sterowania jest podstawą współczesnej automatyki przemysłowej. Osoby zajmujące się zawodowo automatyką, które dysponują zaledwie podstawową wiedzą na temat integracji systemów, zdają sobie sprawę i rozumieją, że obecnie kończy się czas dla systemów odizolowanych. W rzeczywistości integratorzy systemów dostarczają swoim klientom maksymalną wartość dzięki tworzeniu nowych systemów automatyki na podstawie parametrów projektu integracji, zamiast bycia zmuszonymi do opracowywania jakiegoś szczególnego systemu zastrzeżonego według specyficznych wymagań.

Przy integracji różnych systemów sterowania w przemyśle znaczenie ma pięć czynników:

  1. Infrastruktura oprogramowania.
  2. Procesowe bazy danych.
  3. Interfejsy operatorskie.
  4. Zarządzanie alarmami.
  5. Bezpieczeństwo w sieci.

Każdy z tych czynników odgrywa swoją kluczową rolę. W dalszej kolejności przyjrzymy im się bardziej szczegółowo.

  1. Infrastruktura oprogramowania

Nowoczesny system automatyki wymaga nieco więcej niż tylko funkcji konfigurowania i monitorowania. Muszą być z nim także zintegrowane aplikacje i dlatego też infrastruktura oprogramowania jest ważna dla integracji systemów. W otwartej architekturze oprogramowania, wykorzystującej schemat klient-serwer, aplikacja klienta wyświetla dane z aplikacji serwera.

Opracowana przez organizację OPC Foundation technologia OPC-UA (OLE for process control-unified architecture), czyli uniwersalny standard wymiany danych w zakładach przemysłowych, została stworzona w celu uproszczenia przeglądania oraz wymiany danych w czasie rzeczywistym, w tym historycznych. OPC-UA daje integratorom systemów więcej elastyczności przy integrowaniu różnych systemów w pożądanej konfiguracji. Integratorzy nie muszą być już przywiązani do specyficznej konfiguracji przez technologię zastrzeżoną dla jakiejś firmy. Standard OPC-UA koncentruje się na interoperacyjności i jest przeznaczony do łączenia ze sobą w sieci wielu urządzeń w celu stworzenia „mostu” łączącego starsze urządzenia istniejące w zakładach przemysłowych z urządzeniami nowymi.

  1. Procesowa baza danych

Zasadniczo istnieją trzy główne komponenty bazy danych: jedna lub więcej tabel dla danych, język zapytań (np. SQL) oraz formularze do wyświetlania lub wprowadzania danych. Istnieją też komponenty dodatkowe, takie jak dopasowane do użytkownika widoki stron danych oraz narzędzia do raportowania. Ponadto istnieją relacyjne bazy danych, które są zbiorami pozycji danych. Te pozycje są organizowane jako zbiór formalnie opisanych tabel, a dostęp do danych z tych tabel może być uzyskany na wiele sposobów bez potrzeby reorganizowania tabel danych. System zarządzania bazą danych (database management system – DBMS) zbiera powiązane ze sobą pliki i programy, co pozwala użytkownikom na dostęp do tych plików oraz ich modyfikowanie. Istnieje efektywny sposób modyfikowania, przechowywania i odzyskiwania informacji. Do komunikowania się z systemem DBMS jest wykorzystywany język zapytań, taki jak SQL.

  1. Interfejs operatorski

Interfejs operatorski (human-machine interface, HMI) pozwala operatorom monitorować stan kontrolowanego procesu (technologicznego/produkcji) oraz wydawać polecenia zmian w sterowaniu tym procesem. W sytuacjach awaryjnych może być on też wykorzystany do wymuszenia sterowania ręcznego, zastępującego sterowanie automatyczne. Podstawowymi aspektami konfiguracji HMI są: grafika, trend historyczny, alarmy, raporty oraz skrypty. Te funkcjonalności mogą być albo połączone w jednej aplikacji programowej, albo też udostępnione jako komponenty indywidualne w pakiecie oprogramowania.

  1. Zarządzanie alarmami

Alarmy sygnalizują przekroczenie wartości granicznych parametrów, czyli wystąpienie warunków odbiegających od normalnych w procesie. Służą one jako podstawowy środek alarmowania operatorów o wystąpieniu sytuacji odbiegającej od normalnej w ich fabrykach. Praca fabryki wymaga, aby alarmy miały priorytety oraz były wysyłane stosownie do nieprawidłowości i na czas. Wtedy będą one skuteczne. Zarządzanie alarmami jest kluczowe przy integrowaniu różnych systemów sterowania. Dlatego też systemy alarmowe muszą być projektowane tak, aby pomagały w identyfikacji kluczowych problemów.

  1. Bezpieczeństwo w sieci

Zintegrowane systemy sterowania i bezpieczeństwa (integrated control and safety systems, ICSS) działają w złożonym środowisku w przedsiębiorstwach, które w coraz większym stopniu wymieniają informacje pomiędzy systemami biurowymi a przemysłowymi. Ponadto systemy przemysłowe, które obejmują systemy sterowania procesami, systemy bezpieczeństwa oraz programowalne sterowniki logiczne (PLC) do tej pory były oparte na dostępnych od ręki w handlu (commercial, off-the-shelf COTS) i technologiach takich jak Ethernet, TCP/IP i Microsoft Windows, które realizowały funkcje zarówno krytyczne, jak i niekrytyczne. Jednak odizolowanie od świata zewnętrznego jest znacznie mniejsze. W rzeczywistości w przypadku cyberwłamania potencjalny wypadek śmiertelny przy pracy, straty na produkcji, zanieczyszczenie środowiska czy zagrożenie bezpieczeństwa operacyjnego to dalece poważniejsze konsekwencje niż utrata tajemnic handlowych firmy.                                                                                                                                      Konsekwencje takich zdarzeń mogą wykraczać poza dane przedsiębiorstwo. Mogą też obejmować uszkodzenie infrastruktury regionalnej czy państwowej.

Dlatego też wymagana jest szczegółowa analiza cyberbezpieczeństwa oraz ocena cyberryzyka. Analizy te powinny obejmować szczegółowe specyfikacje, polityki i procedury dla zarządzania poprawkami do systemu operacyjnego (OS patch management), wdrażanie programów antywirusowych oraz procedury wykonywania kopii zapasowych i przywracania danych.

Automatyka nie dotyczy tylko sterowania sprzętem w zakładzie przemysłowym. Obejmuje ona także wyższe poziomy sterowania – zarządzanie personelem, materiałami oraz sprzętem we wszystkich obszarach produkcyjnych fabryki. Zwykle jest to realizowane przy wykorzystaniu dokumentowanych procedur oraz oprogramowania, które jest powszechnie znane jako warstwa systemu realizacji produkcji (MES). MES to system sterowania przeznaczony do zarządzania i monitorowania realizacji ważnych zadań w fabryce. Wspiera on planowanie i sterowania na całej drodze do produktu gotowego, co daje transparentność bardzo złożonym zadaniom produkcyjnym.

Międzynarodowy standard ISA-95 definiuje cztery kategorie systemów przedsiębiorstwa i sterowania pod względem ich ról. Kategorie te są zorganizowane w modelu hierarchicznym, w którym opisane są działania związane z każdą kategorią. Poniżej zilustrowano Hierarchiczny Model Funkcjonalny ISA-95.

POZIOM 0 definiuje aktualne procesy fizyczne.

POZIOM 1 definiuje działania związane z czujnikami oraz manipulowaniem procesami fizycznymi.

POZIOM 2 definiuje działania związane z monitorowaniem oraz sterowaniem procesami fizycznymi. Systemy te są typowo wdrożone w sterownikach PLC oraz rozproszonych systemach sterowania (DCS).

POZIOM 3 to działania zwykle zautomatyzowane za pomocą systemu MES, który działa także jako warstwa interfejsu pomiędzy warstwą sterowania (Poziom 2) a warstwą systemu planowania zasobów przedsiębiorstwa ERP (Poziom 4).

POZIOM 4 definiuje działania związane z biznesem – zarządzanie przedsiębiorstwem produkcyjnym. Jest nazywany Planowaniem i Logistyką Biznesu. Działania na Poziomie 4 są zautomatyzowane za pomocą systemów ERP.


Ali Awais Amin, inżynier ds. projektowania i aplikacji w firmie Intech Process Automation.