Тернист путь автоматизации производства в России и похож на страшную сказку с неопределенным финалом. Именно поэтому начнем с краткого историко-технического экскурса – так проще понять истоки запущенности в этой области применения микроэлектроники и компьютеров. Данная тема не надуманна, касается вполне конкретных и понятных вещей и отражает сегодняшнее состояние российской промышленности. Этот разговор можно рассматривать как начало диалога, в процессе которого будет интересно узнать мнение читателей, рассмотреть опыт специалистов и уточнить возможности внедрения программируемых средств управления производством на отечественных предприятиях.

В начале октября текущего года в потустороннем граде Чикаго, на берегу озера Мичиган, имел место форум ISA/ICS. В его названии сошлись аббревиатуры двух известнейших организаций: 15Аи ICS. ISA расшифровывается как International Society of Measurement and Control – Международное сообщество средств измерения и управления. Для тех, кому аббревиатура не кажется убедительной, эта организация может представиться и как Instrumentation Systems in Automation (Инструментальные системы в автоматизации). ICS – Industrial Computing Society (Общество промышленного компьютеро-строения), иначе именуемое как Industrial Computing and Programmable Control, – чтобы было ясно, что речь идет о любых формах логических устройств управления. Оба общественных института приурочили к выставке свой полувековой юбилей.

Прошедший форум представлял ежегодное крупнейшее сборище компаний, работающих в области автоматизации во всем мире. С одной стороны, это крупнейшая выставка достижений в области промавтома-тики, с другой – тренировочный центр, с третьей – дискуссионный клуб. Рассказ о форуме заслуживает отдельной публикации, но сейчас речь не о нем, а о расстановке сил на мировом рынке в этой области информационных технологий.

На этот раз на форуме доминировали американцы и немцы, регулярно сходящиеся в жестоких конкурентных схватках. Среди посетителей было немало японцев, хотя их позиции на рынке промышленной автоматики на удивление слабы. Зато самая многочисленная нация мира прислала многочисленных специалистов и была представлена десятком китайских (вкупе с тайваньскими) компаний, которые скоординированными усилиями пытаются пошатнуть брэндов автоматики. Если два года назад американцы и немцы высокомерно не замечали китайских производителей, то уже в 1995 году китайская продукция почти официально стала признаваться конкурентоспособной.

Вслед за Rockwell и Siemens нам тоже придется отбросить скепсис относительно нашего великого соседа – «коммунистического» Китая. Объемы поставок Китаю средств промышленной автоматики только от американских фирм измеряются сейчас миллиардами долларов. И это не считая собственной продукции подобного назначения, выпускаемой упомянутым десятком фирм, как самостоятельно, так и в кооперации с ведущими мировыми производителями. А наших соотечественников на форуме присутствовало всего трое, включая автора статьи.

Почти для любого американского производителя ценность российского клиента редко превышает несколько десятков тысяч долларов, а ведь реальная отдача систем промавтоматики начинается на более высоком уровне инвестиций. Дороговизна посылки в США специалистов – не аргумент, поскольку грамотный руководитель легко просчитает пользу для своего предприятия от такой поездки на фоне командировочных расходов (поездка в Чикаго, например, обошлась в 1500 долларов). Информационный вакуум, в котором находятся специалисты российских заводов, никто пока не торопится заполнить. Крупнейшее событие в мире промышленной автоматики было пропущено нашей компьютерной прессой, равно как и все остальное, относящееся к данной проблематике.

Для того чтобы ударить автоматизацией по всему, по чему следует ею ударить, в России должен начаться ускоренный «ликбез». Потребность в информации огромна, и справиться с таким потоком под силу только специализированным изданиям. Этот информационный поток должен дойти до специалистов-компьютерщиков и показать им перспективную сферу приложения их сил – мозгов у нас хватает, несмотря на массовые утечки. Кстати, об утечках: на многих стендах американских фирм в Чикаго присутствовали «советские» автоматизаторы различных волн эмиграции (что легко определялось степенью забытости родного языка).

Курт Воннегут: «История – читай и плачь...»

Въехав в компьютерную эру всего на пару дней позади американского «Эниака», наша БЭСМ стала дорогостоящей игрушкой для узкого круга академических людей и военных стратегов. Чего стоят «исторические» партийные приговоры кибернетике, генной инженерии и другим наукам, переживающим сейчас бум. Компьютер открыл эпоху чудес в автоматизации производства, но мы делали былью другую сказку.

Американцы – как известно, энтузиасты автоматизации всего на свете и большие мечтатели. Именно американскими учеными было заложено идеологическое и теоретическое ТЗ (техническое задание) для кибернетики и роботизации. Энтузиастам оставалось только дождаться элементной базы, на которой это все могло бы быть реализовано. Изобретение транзистора перевернуло не только электронику, но и промавтоматику. Не случайно транзистор и объединения западных автоматизаторов практически ровесники. Далее все происходило, как в ускоренном кино. Дискретную (транзисторно-диодную) полупроводниковую электронику выжили микросборки, в свою очередь выдавленные на свалку истории макросборками, и, наконец, микропроцессоры – как вычислительные, так и специализированные (сигнальные, коммуникационные, видеоконтроллеры и невозможно перечислить какие еще). Синхронно с развитием микроэлектронной базы идеологические проблемы автоматизированного управления технологическими процессами атаковались сверху и снизу.

Громадные мэйнфреймы, подобно спрутам, грудой проводов-щупалец тянулись к датчикам и исполнительным механизмам. Страшно дорогие, прецизионные и малоресурсные «программоносители», шаблоны и копиры свернулись в рулоны перфолент и стопки перфокарт. Появились аббревиатуры CNC (ЧПУ) вместе с контроллерами – устройствами управления и контроля конкретных станков и установок. Между мэйнфреймами и контроллерами стали отчетливо заметны специализированные мини-ЭВМ и микрокомпьютеры. Совершенствовались коммуникационные технологии.

Весь этот инструментальный набор обладал невиданной гибкостью и позволял реализовать любую структуру управления производством во всем многообразии его задач. Идеологи управления стали склоняться к внедрению современной структурированной архитектуры компьютерных систем. Девиз компании Sun: «Сеть – это компьютер» – не просто популярный лозунг. Эпоха функционально распределенных параллельных систем в индустриальной автоматике началась давно. Аппаратно обеспечивались и потребности стратегического планирования деятельности предприятий, и оперативного управления им, и функционирования технологического оборудования в режиме реального времени.

В конце семидесятых перспективы компьютеризации стали понятны даже людям за стенами из красного кирпича. «Шутка» про кибернетику была отменена, идиотизм ситуации замазан пропагандистским словоблудием – СССР начал строить «свой велосипед». Несколько министерств знаменитой «девятки», не прекращая традиционных междоусобиц, с грохотом и руганью соорудили индустрию управляющих вычислительных машин. Сожрав огромные ресурсы из «закромов» и массу времени на обустройство мягких руководящих кресел, эта гора родила две или три мыши, устаревшие уже «в утробе».

О теоретической базе можно было бы спорить, если бы она была подкреплена существенным практическим опытом, а не только умозрительными расчетами и диссертациями. Отставание наше, тем временем, углублялось, и проблемы совместимости с новейшими решениями уподоблялись пропасти.

Мне видится только два полезных результата этой колоссальной «работы». Согласитесь, «железо» с названием ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, не говоря уже о других, произведенное нами или солагерниками по СЭВу, было, все же, хламом. Однако благодаря мудрому руководству и государственным программам мы сейчас имеем массу отличных специалистов, умевших работать даже на тех «бабушках»-УВМ всего с несколькими килобайтами оперативной памяти. И в настоящее время дефицита компьютерных специалистов у нас не наблюдается.

Хотя «поволжская Силиконовая Долина» не состоялась, а индустрия управляющих машин умерла, как только сняли капельницу, но остались весьма надежные кадры, которые могут и должны решить все. Менее эффектен и заметен, но не менее важен второй положительный момент: советская нормативная система значительно приблизилась к европейской благодаря стандартам СЭВ. Вот и все наследство. Неприятно пинать труп усопшего монстра, но за державу обидно не меньше, чем таможеннику Верещагину.

Между тем, последние годы были отмечены не менее стремительным прогрессом. Продолжался процесс приближения схем управления к реальной структуре производства. Этому, в частности, способствовала архитектура IBM PC, или, точнее, Intel x86. Избавившись от своих исконных недостатков (таких, например, как слабо развитая система прерываний) благодаря появлению мощных процессоров и скоростных интерфейсов, персоналки широким фронтом двинулись на производство, сметая со своего пути и мэйнфреймы, и специализированные машины, и даже старые типы контроллеров. Это не противоречит знакомой теории, что во главе всего действительно стоит человек, избравший дружественную и инструментально-обеспеченную архитектуру в качестве аппаратной базы всех уровней автоматизации. Теперь уже мэйнфреймы и мини- применяются только там, где без них невозможно обойтись: в схемах управления очень сложными, многопараметрическими технологическими или научно-исследовательскими установками, работающими в реальном масштабе времени. Идеологическое и архитектурное единообразие стало той сладкой морковкой, которая сломала последние очаги сопротивления приверженцев специальных архитектур. Действительно, трудно представить себе аппаратную платформу, которая смогла бы вытеснить персоналки ряда х86 из офисов и контор. Закрываются целые направления специализированных аппаратных платформ (таких, как Multibus и Multibus II), катастрофически теряет популярность и базу поддержки технология VME. Набирающая темпы техника Compact PCI лишает VME последних иллюзорных преимуществ и прочит ей место в музее.

В коммуникационных технологиях «нижнего» уровня прогресс похож на взрыв атомной бомбы. Технологии сенсорно-актуаторных циклично-ацикличных коммуникаций повышенной надежности, объединенные общим названием Fieldbus, изумляют даже специалистов-сетевиков. За этим витиеватым титулом скрывается стандартный серийный порт и витая пара (или телефонная «лапша»). А что умеет такая магистраль, вы узнаете в другой статье и, поверьте, не будете разочарованы.

Только «революцией» можно назвать то, что происходит в области средств операторского интерфейса. Плоскопанельные видеосистемы, робкие и неумелые новички еще в позапрошлом году, сегодня решительно роняют многолетний авторитет электронно-лучевых трубок. Экранно-сенсорные технологии меняют наше представление о привычных схемах взаимодействия, ибо глаз не находит ни клавиатур, ни мышей, да они уже и не нужны. На подходе средства самого простого и естественного речевого диалога человека и машины.

Все перечисленное и многое другое, о чем хотелось бы сказать и что осталось за рамками статьи, составляет современную базу аппаратно-коммуникационных средств АСУТП (прошу прощения за корявые советские аббревиатуры). Это все и позволяет создавать «живые» и понятные системы управления и контроля, основанные на разделении функций, свойственных реально существующим структурам управления.

Что имеем и что нам нужно?

Возвращаясь в светлое сегодня, оглянемся вокруг. В России, между тем, начался капитализм, но не закончилась, мягко говоря, эпоха некомпетентности. Оптимизация производства, приведение его хотя бы в минимально конкурентоспособное состояние, на повестке не стояла и не стоит. Флагманы индустрии -ЗИЛ, КамАЗ и АЗЛК, наша бывшая гордость, и почти вся автопромышленность страны брошены скороспелыми инвесторами и едва влачат существование. А ведь все три автогиганта в плане АСУТП были «упакованы», как ни один другой завод, и являлись штатными полигонами для проектантов и системотехников, знакомых с западными образцами средств автоматики, пусть не самыми новыми и далеко не оптимальными. Сегодняшнее состояние этих постоянных обитателей всесоюзных досок почета наводит на размышления о судьбе менее именитых предприятий.

Как сейчас поживает некое среднестатистическое, не самое бедное предприятие, выпускающее вполне приемлемую продукцию? Конторы и офисы его оборудованы на самом современном уровне. Управленцы, плановики, финансисты и даже конструкторы обеспечены мощными машинами (пусть даже «желтыми»), хорошим программным обеспечением (пусть даже ворованным) и надежными сетевыми технологиями. «Верх», как ему кажется, уже готов забить серебряный костыль и принять первые «вагоны» информации снизу и поделиться своими информационными ресурсами, но... не с кем.

Существует реальная и пока не решаемая проблема в обеспечении смычки «верхов» и «низов». «Нижний этаж фабрики» (Factory Floor – вполне официальный термин) и все промежуточные уровни управления – в хаосе и запустении и являют собой чистое поле приложения сил. Доживающие свой век УВМ «-дцатилетней» давности и тех же генераций контроллеры совместимы с новейшей техникой только по напряжению электропитания и физически неспособны воспринять информационные потоки современных ЛВС.

Простая замена неэффективной техники на современное готовое оборудование дела не решает. Вспомним наш дорогостоящий опыт закупки целых заводов «под ключ». Любили отцы нации это дело, и много на Руси Великой этих погостов валютного металлолома, да нет уж денег на повтор таких подвигов. Ввоз аппаратуры не эквивалентен восприятию технологии и ее основных идей, выраженных через программное обеспечение и нормативную базу. А именно это является вторым необходимым компонентом для возрождения из руин отечественных предприятий.

По моему мнению, немаловажна и третья составляющая технологического переворота и расчищения завалов на пути к смычке «низа» и «верха» -культура производства, о которой самое время позаботиться уже сейчас. Иначе как уберечь яркие и мягкие экранированные коммуникационные кабели от безжалостного «выкусывания» для личной потребы, а специализированные компьютеры – от исполнения несвойственных им функций игровых автоматов?

Что диктует «ноу-хау»?

А теперь поговорим об идеологии структурирования систем управления предприятием, отталкиваясь от общепринятых взглядов на правила их построения, от используемого при сем ноу-хау. Аккумулирование таких знаний – процесс не быстрый, охватывающий и «штудии» самых популярных изданий последних трех лет, включая такие периодические издания, как «ICS», «Industrial Computing», «Evaluation Engineering», «Embedded Systems», «Personal Engineering», «Avionics», «Signal», а также нормативные документы NEMA (Американской национальной ассоциации производителей электроники), и посещение специализированных выставок и семинаров, и живые, неформальные беседы как с зарубежными спецами, так и с родными АСУ'шниками.

Сколько «этажей» управления производством необходимо создать для эффективной работы предприятия? Строго говоря, никаких наборов шаблонов и готовых схем для решения этой задачи не существует да и не может существовать. Есть лишь постоянные дискуссии на тему оптимального взаимодействия и топологии да различные примеры конкретных применений.

Но в то же время сложился некий усредненный образ «поэтажного» распределения производственных функционалов управления. Хотя на каждом «этаже» свои задачи, диктующие установку на нем специфических технических и программных средств, все функционалы, присущие стандартным реализациям АСУТП, могут быть разбиты на четыре группы.

1. Измерение и управление. Здесь широко используются специализированные интерфейсы для непосредственного подключения к исполнительным механизмам и измерительным системам. Диапазон средств регистрации сигналов и готовых измерительных каналов огромен (но это тема сугубо отдельного рассмотрения), и возможности их практически не ограничены – все эти средства могут обеспечить мониторинг и управление даже тех технологических установок, которые созданы еще в прошлом веке и никак для этого не оборудованы. Весьма разнообразны и используемые управляющие элементы – от простейшего PID-регулятора (классический управляющий элемент школьной задачи о поддержании уровня в бассейне и трубах «А» и «Б»), не требующего даже программирования, до многопроцессорных и полноинтерактивных систем.

2. Операторский интерфейс. Сюда включаются и средства визуализации, и вся совокупность интерактивных средств взаимодействия человека и системы.

3. Коммуникация. Функционалы этой группы включают всю совокупность применяемых протоколов и устройств, обеспечивающих требуемые параметры связей между всеми узлами.

4. Обработка информации. Целиком зависит от уровня «этажности» системы, на котором обрабатываются данные, а также от вида поступающей информации и решаемых задач. Охватывает широкий спектр средств: от контроллеров до мощных специализированных компьютеров.

Любой «этаж» предприятия в определенных пропорциях объединяет все четыре указанных функционала. Сколько их на реальном производстве, на данном предприятии? Те узлы и уровни, которые вы нарисовали на предварительной схеме, несомненно, могут быть интегрированы в компьютеризованную схему. А теперь вычеркните все лишнее, оставляя то, без чего не обойтись, – скорее всего вы близки к рациональному решению. Только не увольняйте уборщиц несмотря на их внешнюю непричастность к производственному процессу.

Различные источники и авторы «слоят» производственный пирог с различной дискретностью, что совершенно справедливо, учитывая специфику конкретного предприятия. Но с самых общих позиций можно выделить несколько бесспорных уровней производственной системы, которые слагаются в определенную структуру, дающую наиболее наглядное представление о том, что должно быть реализовано на современном автоматизированном предприятии. Естественно при этом начать с «низа», с Factory Floor, как абсолютной и бесспорной основы любого производства, и назвать его «нулевым» уровнем.

Уровень 0. Слой непосредственного контроля и управления оборудованием. Приоритет – управление в реальном масштабе времени. Коммуникационная часть в основном представлена различными полевыми шинами. Отношение узла к полевой шине обычно подчиненное, однако в распоряжении отдельных узлов могут быть свои локальные полевые шины с удаленными устройствами ввода/ вывода, что целиком определяется структурой техпроцессов. Объем пересылок минимален и представлен в основном ненормализованными числовыми значениями и запросами на обслуживание. Средства визуализации и интерактивного ввода применяются довольно активно, однако, как правило, в урезанном виде: для индикации текущих цифровых значений и сигнализации об авариях.

Уровень 1. Этот слой отвечает за принятие оперативных решений и диспетчеризацию. Фактически, на этом уровне осуществляется управление группами технологического оборудования (цех или участок цеха) – так строятся первые пирамиды иерархии управления предприятием, где узел обработки информации является ведущим для целой сети узлов нижнего уровня. На этом уровне реализуются основные алгоритмы функционирования оборудования во взаимосвязи материальных потоков. Первый приоритет – также управление в реальном масштабе времени. Коммуникационные системы и здесь строятся в основном на полевых шинах. Функции визуализации и интерактивного контроля являются вторым приоритетом на этом уровне, чаще всего они сосредотачиваются в пультовом помещении в виде мониторов, видеостен и других средств отображения и сигнализации, нужных технологам. Предоставление машинам абсолютных прав на принятие оперативных решений пока практикуется мало, поэтому велика роль оператора-технолога.

Уровень 2. Уровень принятия стратегических решений в масштабах предприятия. Основными функциями узлов этого уровня являются получение и обработка информации с нижних этажей и планирование взаимодействий в пределах предприятия или группы цехов. Основной приоритет имеет статистическая обработка собранной «снизу» информации, оценка текущей ситуации во внешнем по отношению к предприятию мире (связи с партнерами предприятия, положение на рынке и бирже) и выдача рекомендаций «вниз». Управляющие воздействия на «нулевой» уровень, как правило, не используются. Связь с нижними уровнями осуществляется по локальным сетям и через шлюзы к полевым сетям.

Уровень 3. Информационно-коммуникационный. Функционально он представляет собой своеобразный коммуникационный терминал, завершающий подготовку и преобразование информации в стандартный вид для использования ее в централизованной системе документооборота. Это уже, как правило, обычные офисные системы «наверху», в конторах, которые обеспечивают предоставление информации администрации и руководству, что может потребовать включения средств визуализации высокого уровня. Здесь могут предусматриваться и обратные процессы – формирование запросов ко второму уровню, для чего используются средства локальных сетей.