Интеграция автоматизированных систем управления крупных промышленных предприятий: принципы, проблемы, решения.

А. А. Мусаев, Ю. М. Шерстюк
Рассматриваются вопросы интеграции автоматизированных систем управления промышленных предприятий с непрерывным технологическим циклом. Основное внимание уделяется вертикальной интеграции АСУ как важнейшей компоненте построения единой интегрированной системы управления предприятием.
Приведены сведения о современных взглядах на создание автоматизированных предприятий.

1. Проблема интеграции АСУ: генезис.

За последнее десятилетие на предприятиях с непрерывным технологическим циклом стали широко внедряться информационные системы и АСУ нового поколения, основанные на текущих достижениях в области компьютерных и сетевых технологий. При этом предприятия с полностью или частично непрерывным производством, как правило, относятся к относительно благополучным отраслям отечественной экономики (нефтеперерабатывающая, нефтехимическая, металлургическая и т.п.), что позволяет им вкладывать существенные инвестиции в развитие средств автоматизации производства и управления производством.
В настоящее время de facto сложилось разделение средств промышленной автоматизации на системы, действующие в рамках отделов, управлений, служб (применительно к терминологии ГОСТ 34.003-90 [2] рассматриваемые как АСУ предприятия (АСУП)), и автоматизированные системы мониторинга и управления технологическими установками и процессами - АСУ технологическими процессами (АСУТП).
Следует отметить, что наряду с быстрыми темпами и широкими масштабами внедрения средств автоматизации данный исторический период характеризуется и рядом явлений, оказавших отрицательное влияние на развитие АСУП и АСУТП. Среди них следует отметить:

появление множества реализаций автоматизированных систем (АС) от различных производителей и, как следствие, крайне разнородный состав средств (прежде всего программных) эксплуатируемых АС;

фрагментарное внедрение и локальное использование АС для частных задач управления (явление, получившее название "лоскутная автоматизация");

дистанцирование средств решения задач автоматизированного управления предприятием и технологическими процессами (ТП), проявившееся на ряде предприятий в создании самостоятельных подразделений АСУП и АСУТП в составе одной или разных служб;

внедрение существенно менее интеллектуально емких систем, чем это предполагалось идеологией построения АСУ 7080-х годов, что объясняется стремлением производителей АС к быстрой окупаемости разработок в сочетании с ожиданиями очевидного практического результата от приобретаемых средств автоматизации со стороны руководства предприятий.

Применительно к иерархически организованной системе управления предприятием интеграция может быть горизонтальной и вертикальной. В общем случае горизонтальная интеграция предполагает объединение АС одного уровня, а вертикальная различных (смежных).
3. Основные принципы интеграции АС предприятия.
В качестве важнейших принципов интеграции АС предприятия выступают [1, 6]:
Принцип системности. Объекты управления комплекса промышленной автоматизации образуют открытую динамическую систему, погруженную в неоднородную и нестационарную эволюционирующую производственную среду и активно с ней взаимодействующую. При этом предполагается, что как объект управления, так и АСУ отвечают всем системным характеризациям: целостности, структурированности и целенаправленности. Реализация принципа системности приводит к необходимости решения задач:
первоочередного определения глобальной цели функционирования автоматизированной системы управления предприятием;
идентификации внутренних и внешних возмущающих воздействий;
многоуровневой декомпозиции структурных и функциональных подсистем;
управления на основе иерархии математических моделей объектов управления.
Важным следствием принципа системности является неаддитивность управления, в соответствии с которым общий комплекс автоматизированного управления предприятием в рамках интегрированной АСУ (ИАСУ) предприятия должен решаться на базе взаимосвязанных моделей отдельных подсистем, а не формироваться путем простого комплексирования (технического сопряжения) этих подсистем.
Принцип иерархичности. Система автоматизации процессов управления на пред-приятии должна строиться как многоуровневая иерархическая система. Уровни иерархии АСУ определяется уровнями разделения процессов управления.
Принцип единства технологической информации. Результаты мониторинга состояния технологических установок должны служить базой как для решения технико-экономических задач управления производственным циклом в целом, так и для решения задач технологического управления (оптимизация процессов, расчеты материальных балансов и технико-экономических показателей работы установок и т. д.).
Очевидно, что в основе создания ИАСУ промышленных предприятий лежит инте-грация АСУП и АСУТП, которая осложняется целым рядом факторов. Среди них необхо-димо выделить следующие три, имеющие ключевое значение для выбора подхода к осу-ществлению интеграции:
1. Динамичность состава и среды функционирования АС предприятия. В процессе жизнедеятельности любого предприятия происходят разного рода преобразования органи-зационного, технологического и технического характера, затрагивающие систему и (или) объект управления;
2. Существенное различие темпов наступления отслеживаемых событий для АСУП и АСУТП. Управление ТП функционируют в реальном масштабе времени, определяемом поведением объектов управления, а к управлению предприятием требования реального масштаба времени не предъявляются, что на практике приводит к необходимости создания между АСУП и АСУТП промежуточных накопителей и преобразователей ин-формации;
3. Различие масштабов "" средств автоматизации управления и простарениямышленного оборудования. Как отмечено в [7], если технические средства вычислитель-ной техники "устаревают" в среднем через 6-12 месяцев после выхода на рынок, а новые версии современных информационных систем выходят через год, то промышленное пред-приятие не может себе позволить столь частую смену не только технологического, но и измерительного и исполнительного оборудования, кабельного хозяйства и т. д. В резуль-тате этого происходит "наслоение" АС, относящихся к разным поколениям вычислитель-ной техники, программного обеспечения, средств промышленной автоматизации и т.д
4. Моделирование уровней управления промышленным предприятием.
Сложный характер взаимосвязей в многоуровневой структуре управления производствен-ным циклом определяется организационно-функциональной структурой современного промышленного предприятия. В связи с этим процессу интеграции неизбежно предшест-вует этап структурного анализа, базирующийся на комплексном моделировании уровней управления предприятием.
Для многоуровневой структуры управления в настоящее время имеется достаточно много вариантов определения состава и содержания отдельных уровней управления [1, 4-8]. Некоторые из них схематично показаны на рис. 1.
Несмотря на то, что все приведенные примеры крайне схематичны, они наглядно показывают, что даже в рамках самой общей идеологии автоматизации управления про-мышленного предприятия имеет место широкий разброс подходов к определению состава и содержания уровней управления.
Принципиальная важность выбора того или иного подхода определяется тем, что в рамках конкретной схемы уровней управления осуществляется дальнейшее проектиро-вание АС. Фактически, с учетом всей специфики промышленного предприятия, выбран-ная модель уровней управления определяет:
Тем не менее, положительный опыт внедрения разного рода АС, осознание возрастание роли современных информационных технологий в жизнедеятельности промышленных предприятий, а также развитие технологий построения вычислительных сетей, распределенного хранения и обработки данных естественным путем привели к интенсификации внедрения средств автоматизации, и, как следствие, к актуализации проблематики интеграции АС предприятия. Как отмечалось в [8], "задача интеграции подсистем АСУТП и АСУП переходит в разряд первостепенных, без решения которой уже сложно себе представить современное производство".
Направления интеграции автоматизированных систем.
2. Направления интеграции автоматизированных систем.
Применительно к иерархически организованной системе управления предприятием интеграция может быть горизонтальной и вертикальной. В общем случае горизонтальная интеграция предполагает объединение АС одного уровня, а вертикальная различных (смежных).
3. Основные принципы интеграции АС предприятия.
В качестве важнейших принципов интеграции АС предприятия выступают [1, 6]:
Принцип системности. Объекты управления комплекса промышленной автоматизации образуют открытую динамическую систему, погруженную в неоднородную и нестационарную эволюционирующую производственную среду и активно с ней взаимодействующую. При этом предполагается, что как объект управления, так и АСУ отвечают всем системным характеризациям: целостности, структурированности и целенаправленности. Реализация принципа системности приводит к необходимости решения задач:
первоочередного определения глобальной цели функционирования автоматизированной системы управления предприятием;
идентификации внутренних и внешних возмущающих воздействий;
многоуровневой декомпозиции структурных и функциональных подсистем;
управления на основе иерархии математических моделей объектов управления.
Важным следствием принципа системности является неаддитивность управления, в соответствии с которым общий комплекс автоматизированного управления предприятием в рамках интегрированной АСУ (ИАСУ) предприятия должен решаться на базе взаимосвязанных моделей отдельных подсистем, а не формироваться путем простого комплексирования (технического сопряжения) этих подсистем.
Принцип иерархичности. Система автоматизации процессов управления на пред-приятии должна строиться как многоуровневая иерархическая система. Уровни иерархии АСУ определяется уровнями разделения процессов управления.
Принцип единства технологической информации. Результаты мониторинга состояния технологических установок должны служить базой как для решения технико-экономических задач управления производственным циклом в целом, так и для решения задач технологического управления (оптимизация процессов, расчеты материальных балансов и технико-экономических показателей работы установок и т. д.).
Очевидно, что в основе создания ИАСУ промышленных предприятий лежит инте-грация АСУП и АСУТП, которая осложняется целым рядом факторов. Среди них необхо-димо выделить следующие три, имеющие ключевое значение для выбора подхода к осу-ществлению интеграции:
1. Динамичность состава и среды функционирования АС предприятия. В процессе жизнедеятельности любого предприятия происходят разного рода преобразования органи-зационного, технологического и технического характера, затрагивающие систему и (или) объект управления;
2. Существенное различие темпов наступления отслеживаемых событий для АСУП и АСУТП. Управление ТП функционируют в реальном масштабе времени, определяемом поведением объектов управления, а к управлению предприятием требования реального масштаба времени не предъявляются, что на практике приводит к необходимости создания между АСУП и АСУТП промежуточных накопителей и преобразователей ин-формации;
3. Различие масштабов "" средств автоматизации управления и простарениямышленного оборудования. Как отмечено в [7], если технические средства вычислитель-ной техники "устаревают" в среднем через 6-12 месяцев после выхода на рынок, а новые версии современных информационных систем выходят через год, то промышленное пред-приятие не может себе позволить столь частую смену не только технологического, но и измерительного и исполнительного оборудования, кабельного хозяйства и т. д. В резуль-тате этого происходит "наслоение" АС, относящихся к разным поколениям вычислитель-ной техники, программного обеспечения, средств промышленной автоматизации и т.д
4. Моделирование уровней управления промышленным предприятием.
Сложный характер взаимосвязей в многоуровневой структуре управления производствен-ным циклом определяется организационно-функциональной структурой современного промышленного предприятия. В связи с этим процессу интеграции неизбежно предшест-вует этап структурного анализа, базирующийся на комплексном моделировании уровней управления предприятием.
Для многоуровневой структуры управления в настоящее время имеется достаточно много вариантов определения состава и содержания отдельных уровней управления [1, 4-8]. Некоторые из них схематично показаны на рис. 1.
Несмотря на то, что все приведенные примеры крайне схематичны, они наглядно показывают, что даже в рамках самой общей идеологии автоматизации управления про-мышленного предприятия имеет место широкий разброс подходов к определению состава и содержания уровней управления.
Принципиальная важность выбора того или иного подхода определяется тем, что в рамках конкретной схемы уровней управления осуществляется дальнейшее проектиро-вание АС. Фактически, с учетом всей специфики промышленного предприятия, выбран-ная модель уровней управления определяет:
Тем не менее, положительный опыт внедрения разного рода АС, осознание возрастание роли современных информационных технологий в жизнедеятельности промышленных предприятий, а также развитие технологий построения вычислительных сетей, распределенного хранения и обработки данных естественным путем привели к интенсификации внедрения средств автоматизации, и, как следствие, к актуализации проблематики интеграции АС предприятия. Как отмечалось в [8], "задача интеграции подсистем АСУТП и АСУП переходит в разряд первостепенных, без решения которой уже сложно себе представить современное производство".
В контексте совершенствования систем автоматизированного управления предприятием под интеграцией, в абсолютном большинстве случаев, понимается создание единого информационного пространства предприятия, осуществляемое путем объединение разнородных АС во взаимосвязанную интегрированную АСУ. В качестве основных побудительных мотивов такой интеграции обычно указываются [3, 8]:
§ устранение информационных барьеров внутри предприятия, формирование единого информационного пространства для всех АС предприятия, под которым понимается потенциальная возможность взаимного обмена данными в реальном масштабе времени между компонентами любых АС;
§ обеспечение гибкости производственной системы, повышение ее оперативности при смене видов выпускаемой продукции, корректировке производственных заданий;
§ повышение управляемости предприятия через обеспечение информационной прозрачности, оперативности управления, согласованности принимаемых решений.
Стремление к интеграции АСУ являются следствием глобального противоречия, корни которого лежат в области истории развития АСУП и АСУТП: противоречия между единством производственно-административной деятельности предприятия и разобщенно-стью отдельных уровней и контуров управления, и, как следствие, разобщенности (целе-вой, функциональной, информационной, технической) всей системы автоматизированного управления производственным циклом предприятия. Указанное противоречие существенно снижает объективную возможность управления производством, а его устранение (или, хотя бы, ослабление) является одним из действенных внутренних резервов повышения эффективности промышленного производства.

2. Направления интеграции автоматизированных систем.

Следует отметить, что понятие "интеграция автоматизированных систем", определяемое в ГОСТ 34.003-90 [2], существенно шире, чем интеграция АСУП и АСУТП. Данное понятие применимо к любой совокупности двух или более взаимоувязанных автоматизированных систем, в которой функционирование одной из них зависит от результатов функционирования другой (других) так, что эту совокупность можно рассматривать как единую АС.
Интеграция может рассматриваться в различных направлениях, которые перечислены в табл. 1.
Таблица 1. Направления интеграции автоматизированных систем

1. Организационная	Рациональное сочетание управленческой деятельности персонала по всем уровням интегрированной АСУ
2. Функциональная	Обеспечивает единство локальных целей функционирования, согласованность функций и критериев эффективности всех компонентов. Требует разработки общей функциональной структуры всей системы, декомпозиции системы на компоненты. Устанавливает для каждого компонента: критерий эффективности, модели функционирования, процедуры обработки данных, функциональные и информационные связи между компонентами.
3. Информационная	Требует единого подхода к сбору, представлению, хранению и ис-пользованию информации об объекте управления на всех уровнях иерархической системы управления. Обеспечивает взаимосвязанную циркуляцию информации между компонентами системы.
4. Программная	Обеспечивает совместное функционирование программных средств, используемых для решения задач.
5. Техническая	Обеспечивает объединение средств вычислительной техники, средств низовой автоматизации и локальных сетей ЭВМ, позволяющее про-водить автоматическую реализацию всех направлений интеграции при распределенной обработке информации.

3. Основные принципы интеграции АС предприятия.

В качестве важнейших принципов интеграции АС предприятия выступают [1, 6]:
Принцип системности. Объекты управления комплекса промышленной автоматизации образуют открытую динамическую систему, погруженную в неоднородную и нестационарную эволюционирующую производственную среду и активно с ней взаимодействующую. При этом предполагается, что как объект управления, так и АСУ отвечают всем системным характеризациям: целостности, структурированности и целенаправленности. Реализация принципа системности приводит к необходимости решения задач:
первоочередного определения глобальной цели функционирования автоматизированной системы управления предприятием;
идентификации внутренних и внешних возмущающих воздействий;
многоуровневой декомпозиции структурных и функциональных подсистем;
управления на основе иерархии математических моделей объектов управления.
Важным следствием принципа системности является неаддитивность управления, в соответствии с которым общий комплекс автоматизированного управления предприятием в рамках интегрированной АСУ (ИАСУ) предприятия должен решаться на базе взаимосвязанных моделей отдельных подсистем, а не формироваться путем простого комплексирования (технического сопряжения) этих подсистем.
Принцип иерархичности. Система автоматизации процессов управления на пред-приятии должна строиться как многоуровневая иерархическая система. Уровни иерархии АСУ определяется уровнями разделения процессов управления.
Принцип единства технологической информации. Результаты мониторинга состояния технологических установок должны служить базой как для решения технико-экономических задач управления производственным циклом в целом, так и для решения задач технологического управления (оптимизация процессов, расчеты материальных балансов и технико-экономических показателей работы установок и т. д.).
Очевидно, что в основе создания ИАСУ промышленных предприятий лежит инте-грация АСУП и АСУТП, которая осложняется целым рядом факторов. Среди них необхо-димо выделить следующие три, имеющие ключевое значение для выбора подхода к осу-ществлению интеграции:
1. Динамичность состава и среды функционирования АС предприятия. В процессе жизнедеятельности любого предприятия происходят разного рода преобразования органи-зационного, технологического и технического характера, затрагивающие систему и (или) объект управления;
2. Существенное различие темпов наступления отслеживаемых событий для АСУП и АСУТП. Управление ТП функционируют в реальном масштабе времени, определяемом поведением объектов управления, а к управлению предприятием требования реального масштаба времени не предъявляются, что на практике приводит к необходимости создания между АСУП и АСУТП промежуточных накопителей и преобразователей ин-формации;
3. Различие масштабов "" средств автоматизации управления и простарениямышленного оборудования. Как отмечено в [7], если технические средства вычислитель-ной техники "устаревают" в среднем через 6-12 месяцев после выхода на рынок, а новые версии современных информационных систем выходят через год, то промышленное пред-приятие не может себе позволить столь частую смену не только технологического, но и измерительного и исполнительного оборудования, кабельного хозяйства и т. д. В резуль-тате этого происходит "наслоение" АС, относящихся к разным поколениям вычислитель-ной техники, программного обеспечения, средств промышленной автоматизации и т.д

4. Моделирование уровней управления промышленным предприятием.

Сложный характер взаимосвязей в многоуровневой структуре управления производствен-ным циклом определяется организационно-функциональной структурой современного промышленного предприятия. В связи с этим процессу интеграции неизбежно предшест-вует этап структурного анализа, базирующийся на комплексном моделировании уровней управления предприятием.
Для многоуровневой структуры управления в настоящее время имеется достаточно много вариантов определения состава и содержания отдельных уровней управления [1, 4-8]. Некоторые из них схематично показаны на рис. 1.
Несмотря на то, что все приведенные примеры крайне схематичны, они наглядно показывают, что даже в рамках самой общей идеологии автоматизации управления про-мышленного предприятия имеет место широкий разброс подходов к определению состава и содержания уровней управления.
Принципиальная важность выбора того или иного подхода определяется тем, что в рамках конкретной схемы уровней управления осуществляется дальнейшее проектиро-вание АС. Фактически, с учетом всей специфики промышленного предприятия, выбран-ная модель уровней управления определяет:

какова декомпозиция подразделений предприятия по уровням управления;

где должна пройти линия "водораздела" между АСУП и АСУТП;

как должны быть установлены соответствующие зоны ответственности;

каковы потенциальные множества АС для горизонтальной и вертикальной интеграции;

к каким видам АС по "пирамидальной" модели они принадлежат или должны принадлежать.

Очевидно, что ответ на эти ключевые вопросы является определяющим для структурно-функциональной декомпозиции комплекса АС предприятия, организационных решений по его созданию и последующей эксплуатации, технических решений по его реализации.
В свете вышеизложенного несомненный интерес представляют более детальные модели уровней управления промышленным предприятием. Объективная сложность построения детальной модели уровней управления для конкретного предприятия связана с тем, что его организационная структура, структура уровней управления и структура информационных потоков в системе управления предприятием не совпадают. В частности, одни и те же подразделения и должностные лица могут решать задачи управления различных уровней. Имеется множество взаимодействующих контуров управления, по которым ряд должностных лиц имеет множественное подчинение (например, у каждого главного специалиста имеется свой контур управления, в который входят и представители цехов, одновременно подчиненные начальнику цеха, участка, установки и т. д.).
Кроме того, построение подобной детальной модели осложняется динамичностью среды погружения АС. Под средой погружения АС понимается ее контекст как совокупность объектов внешних интерфейсов данной системы, существенных с позиций ее целевого назначения и обеспечивающих ее информационную интеграцию в систему управления предприятием. Причины динамичности среды погружения достаточно очевидны входе производственного процесса, как уже указывалось, происходят разного рода преобразования организационного, технологического и технического характера, затрагивающие объект управления.

Продолжение следует...

ГектИС