Как IoT двигает АСУ ТП к большим изменениям

Искусственный интеллект, предиктивная аналитика, машинное обучение и целый стек решений data science — казалось бы, производственники в шаге от создания реальных «умных» заводов, которые по клику мышкой оптимизируют те или иные технологические процессы, за несколько месяцев знают точную дату отказа оборудования и по этой причине больше его не допускают. Всем этим технологиям не год и не два. Они прекрасно известны на рынке, многократно описаны в рекламных проспектах вендоров, но, увы, не работают без участия автоматизированной системы управления технологическими процессами. По ряду причин все эти чудеса техники ограждают от контакта с АСУ ТП. И тем самым запрещают ей становиться лучшей (читай, современной) версией себя.

Первое ограничение — информационная безопасность. Контур АСУ ТП традиционно изолирован от корпоративной сети. Почти всегда — физически. Передача данных во внешние системы возможна только через внешние носители. Это исключает сценарии вовлечения АСУ ТП в сценарии управления вида «data-driven» и интеграцию с MES или корпоративной аналитикой. Регулятор исходит из предположения, что АСУ ТП уязвима, и не готов ослаблять требования, даже если современные решения уже позволяют строить защищенные, но более открытые архитектуры — хотя бы на новых производствах.

Второе — vendor lock, или жесткая зависимость от конкретного производителя оборудования. В большинстве действующих систем «железо» и ПО должны быть от одного производителя, иначе возникают проблемы совместимости и поддержки. Архитектура следующего поколения будет открытой и модульной, с возможностью комбинировать решения разных разработчиков — как это давно работает, скажем, в телекоммуникационном оборудовании.

Третье — отсутствие поддержки беспроводных технологий. Экономика АСУ ТП завязана на проводную инфраструктуру. При этом стоимость владения одним тэгом данных, собранных по беспроводным протоколам, в несколько раз ниже, чем через традиционные сети управления. Когда объем и разнообразие данных напрямую влияют на точность управленческих решений, стоимость получения данных, собираемыми с оборудования, становится одним из важнейших критериев при оценке стоимости владения этими данными.

В результате АСУ ТП остаётся надежным, но медленно меняющимся ядром, а инициативы по цифровизации ищут обходные пути. Чаще всего — в решениях, выросших из практики Интернета вещей (IoT).

У промышленного Интернета вещей изначально не было задачи заменить АСУ ТП в управлении процессом. Он развивался как прикладное решение в сферах, где требовалось фиксировать потребление ресурсов и контролировать отклонения — прежде всего в ЖКХ и смежных отраслях, таких как эксплуатация зданий. Акцент делался на снижение стоимости. Отсюда — широкое распространение беспроводных каналов связи, упрощенной установки и минимальной стоимости получения данных.

Как итог — IoT-подход все чаще становится точкой входа в цифровизацию. CDO демонстрирует эффект от внедрения недорогих сенсоров, CIO строит витрины данных, операционные директора пересматривают процессы на основе новой аналитики. Все это — без вмешательства в АСУ ТП, без рисков для непрерывности и без необходимости пересогласования с регуляторами.

В среде с высокой зависимостью от непрерывности процессов — например, в химии, металлургии, фарме — сигналы АСУ ТП воспринимаются как базовая реальность. Есть показания — значит, система работает: насосы качают, установки выполняют цикл, параметры находятся в пределах допусков. С инженерной точки зрения полный порядок: процесс управляем, оборудование стабильно, выпуск продукции идет по плану.

Однако на уровне бизнес-целей этого уже недостаточно. Когда управленческая повестка выходит за рамки стабильности и переходит в плоскость эффективности, появляется новый тип вопросов. Как оптимизировать энергозатраты? Можно ли увеличить выход без перепрофилирования? Где возникают скрытые потери?

Здесь на сцену выходит IoT. Эта инфраструктура изначально собирает данные, которые не влияют напрямую на управление, но позволяют строить обобщения, выявлять закономерности и находить отклонения, значимые для бизнеса. Вибрации, температурный фон, поведенческие паттерны персонала — все это становится источником данных для построения больших оптимизирующих моделей (data science) на полном наборе данных IoT+АСУТП+MES+ERP. Задачи оптимизации технологического процесса, предиктивный прогноз развития дефектов, глубокий контроль фактического состояния здесь решаются наилучшим образом. Экономика реализации бизнес-кейсов оптимизации технологических процессов уже «проходная».

Цифровизация не отменяет фундамент, на котором строится производство. Она лишь меняет принципы работы с ним. Даже такая консервативная сущность, как АСУ ТП, постепенно вступает в фазу трансформации. Вероятные изменения технологического облика АСУ ТП видны уже сейчас — через оптику IoT.

Итак, какие решения лягут в основу новой архитектуры АСУ ТП?

Первое — это протоколы связи. MQTT, AMQP и др. упростят и ускорят передачу данных между устройствами и уровнями системы. Перспективные для АСУ ТП протоколы реализуют событийную модель (не опрос, а подписка на событие). Они хорошо работают в условиях нестабильной сети и большого объема данных, предлагают низкую стоимость передачи единицы информации, а также упрощают интеграцию с внешними сущностями — MES, в облако, аналитические платформы.

Второе — типично серверная архитектура на базе контейнеров и edge-вычислений. В рамках такого подхода получится разнести логику и функции по независимым блокам. Это повысит отказоустойчивость АСУ ТП, упростит обновление и масштабирование, придаст дополнительную гибкость в развертывании.

Третье — SoftPLC. Функции классического аппаратного контроллера переместятся в промышленный ПК или на edge-устройство. Такой маневр позволит централизовать и виртуализировать управление, а также снизить «вендорозависимость» производств

Четвертое — современные интерфейсы пользователя. Более интуитивный и гибкий способ работы с системой ускорит освоение систем сотрудниками производств и в значительной степени нивелирует проблему взаимодействия людей с управляющими узлами АСУ ТП.

Пятое — апгрейд компонентной базы. Процессоры архитектур ARM и RISC-V, энергоэффективные чипы и другие аппаратные блага сулят появление в составе АСУ ТП дешевых, компактных и мощных устройств с возможностями проведения серьезных «бортовых» вычислений. Это означает перспективу отхода от узкоспециализированных контроллеров, когда сами девайсы и их поддержка с каждым годом обходятся эксплуатантам все дороже.