Разработка универсального программно-аппаратного комплекса автоматизации технологических и обеспечивающих процессов в составе интегрированной информационной системы управления предприятием пищевой промышленности

УДК 519.685

Разработка универсального программно-аппаратного комплекса автоматизации

технологических и обеспечивающих процессов в составе интегрированной информационной системы управления предприятием пищевой промышленности

В.Г. Аитов, М.М. Благовещенская, д-р техн. наук, профессор; А.Я. Красинский, д-р физмат. наук, профессор; И.И. Чекин, М.Г. Шипарева, канд. техн. наук; К.А. Колесникова

Московский государственный университет пищевых производств

Импортозамещение - едва ли не главная задача среди тех, что призваны решить проблему защиты национальных интересов России и обеспечения ее безопасности. Для этого одна из наиболее динамично развивающихся отраслей промышленности - пищевая - должна быть обеспечена современными высокотехнологичными средствами автоматизации собственной разработки. Это позволит сделать отечественную пищевую промышленность более конкурентоспособной и независимой от крупных зарубежных производителей промышленных автоматических устройств (Schneider Electric, Rockwell Automation, Siemens, Bosh, Mitsubishi и др.), а также от производителей коммерческих систем класса ERP (Microsoft Dynamics, SAP, BAAN, OEBS и др.). Современная экономическая ситуация требует, чтобы предприятия пищевой промышленности работали более эффективно. Одним из основных источников повышения производительности предприятий пищевой промышленности является разработка, в том числе силами предприятия, универсальных программно-аппаратных комплексов (ПАК) автоматизации технологических и обеспечивающих производственных процессов, функционирующих в режиме реального времени в составе интегрированной информационной системы управления. Такие программно-аппаратные комплексы могут управлять одновременно технологическими и обеспечивающими производственными процессами крупных, территориально распределенных предприятий, учитывая при этом взаимосвязи критериев управления и общность обеспечивающей инфраструктуры. Проблема актуальна не только для крупных, но и для малых предприятий - автоматизация помогает им оставаться конкурентоспособными, повышать качество продукции и снижать ее себестоимость. Покупка готовых не универсальных решений в данном случае приводит к неоправданному расходованию

средств на ПАК, потенциал которого может не соответствовать потребностям предприятия с точки зрения требований к интерфейсам, элементной базе, совместимости с существующей инфраструктурой. При этом приходится работать с закрытым программным обеспечением и нести дополнительные затраты на персонал.

В последние годы экономическая ситуация в стране заставила предприятия пищевой промышленности, особенно малые, начать поиск более доступных по стоимости средств автоматизации, или приступить к разработке собственных программно-аппаратных комплексов на базе микрокомпьютеров с открытой архитектурой. Московский государственный университет пищевых производств (МГУПП) в силу своей специфики представляет собой комплекс малых предприятий пищевой промышленности различной направленности: мини-пивоварни, пекарни, хлебопекарные комплексы, сыроварни, действующие модели ресторанов и др. Все эти малые предприятия в процессе своего функционирования нуждаются в автоматизации технологических и обеспечивающих производственных процессов при помощи современных, универсальных и доступных программно-аппаратных решений с открытой архитектурой. МГУПП выпускает специалистов, которые должны быть готовы к работе с современным высокотехнологичным оборудованием для предприятий пищевой промышленности, поэтому такое оборудование должно быть представлено в университете на самом передовом и современном уровне.

Благодаря научно-техническому прогрессу, увеличивающимся запросам потребителей и конкуренции производителей аппаратное обеспечение в настоящее время развивается стремительными темпами. Появляются новые микрокомпьютеры, обладающие в несколько раз более мощными процессорами, объемами оперативной памяти, чем предыдущие версии. При этом их

стоимость повышается незначительно, либо даже остается прежней. Вводятся в промышленную эксплуатацию все более современные интерфейсы, прослеживается четкая тенденция перехода к цифровым датчикам в результате чего математический аппарат ПАК при расчете управления получает на вход более точные данные.

Настало время наравне с терминами «умный дом», «умный вуз» [5] ввести термин «умное», «интеллектуальное» предприятие пищевой промышленности. При этом сложная система управления, которую представляет собой предприятие, хотя и может стремиться стать автоматической, все равно останется автоматизированной, человеко-машинной. В немалой степени это определяется наличием вышестоящей интегрированной информационной системы управления (ИИСУ). ИИСУ, помогая принимать обоснованные управленческие решения, взаимодействует с ПАК, с одной стороны, получая от них информацию, с другой, на основании обобщенной информации и своего математического аппарата вырабатывает дополнительные команды управления, которые отправляются на необходимые экземпляры ПАК. например, в зависимости от потребительского спроса на пищевую продукцию ИИСУ может отправить на необходимые экземпляры ПАК команды в допустимых пределах ускорить или замедлить технологические процессы, тем самым повышая эффективность деятельности предприятия. В результате получается, что ПАК формирует команды управления внутри себя, но при этом дополняет их командами (информацией) из вышестоящей ИИСУ, благодаря чему повышается качество процессов.

Текущая экономическая ситуация в стране и задача импортозамещения буквально заставляет предприятия пищевой промышленности искать более доступные средства промышленной автоматизации. Однако требования к функционалу, качеству и надежности таких решений не просто остаются такими же, как к коммерческим зарубежным аналогам, они непрерывно повышаются.

На российском рынке присутствуют не только зарубежные программно-аппаратные комплексы, наравне с ними представлено значительное количество отечественных решений. В качестве примеров можно привести программно-технически комплексы на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК) отечественной разработки «УМИКОН», «ОВЕН», «ДЕКОНТ», «КОНТАР», «КРУГ-2000», «КРУИЗ», «ТЕКОН» и др.

Справедливости ради стоит признать, что многие из этих ПЛК созданы на элементной базе производства США, Японии, европейских стран и обладают недостаточной гибкостью. Прежде всего необходимо отметить отсутствие возможности программно задать определенную цифровую или аналоговую линию в качестве входной или выходной, недостаточность функционала в части работы с аппаратными прерываниями, сложность установки требуемой операционной системы. Это стало одной из причин отказа от реализации разрабатываемого ПАК на микроконтроллере и замены его на микрокомпьютер, где задача задания направления линии является предельно простой.

В подавляющем большинстве курсовых и даже выпускных квалификационных работ во многих вузах пищевого профиля данные программно-технические комплексы (ПТК) рассматриваются классически как трехуровневая система. Такое же деление принято производителями ПТК.

1. «Полевой уровень» - датчики, прочие измеряющие устройства, исполнительные устройства, конвертеры сред и интерфейсов.

2. «Уровень микроконтроллера» -ядро системы управления для управления технологическими процессами посредством получения информации с датчиков и устройств измерения.

3. «Уровень АРМ» - АРМ работника предприятия, контролирующего тот или иной процесс.

В этой классификации присутствуют два основных недостатка.

Во-первых, на второй уровень устанавливают не микрокомпьютер с полноценной промышленной операционной системой, промышленной СУБД, мощным процессором, большим объемом оперативной памяти, а более дешевый микроконтроллер, для программирования которого необходимо использовать специализированную среду разработки, изучать соответствующий язык программирования, нюансы компиляции и пр. Является очевидным, что микрокомпьютеру доступен гораздо больший объем задач промышленной автоматизации, чем микроконтроллеру (ПЛК).

Во-вторых, на второй уровень традиционно выводятся АРМ специали-

стов, различные мнемосхемы мониторинга и управления. Это программное обеспечение, как правило, является автономной, закрытой разработкой фирмы-производителя, внесение в него каких-либо изменений и улучшений силами предприятия не допускается. Для повышения эффективности работы предприятиям необходимо применять на третьем уровне не локальные, автономные АРМ визуализации и контроля технологических процессов, а вышестоящие информационные системы класса ИИСУ. Такая возможность хотя и декларируется производителями ПТК в рекламных буклетах и на своих сайтах, по факту используется на практике только зарубежными производителями в крупных, дорогостоящих ПТК. Очевидно, что для эффективной работы ПАК автоматизации должен изначально проектироваться для работы в режиме реального времени с вышестоящей интегрированной ин-

формационной системой управления. При этом в случае аварии на линиях связи должна быть предусмотрена возможность автономной работы, при этом качество управления процессами и журналирования не должны деградировать.

Микрокомпьютер с исполняемой на нем промышленной операционной системой может решать задачу визуализации процессов на соответствующих мнемосхемах при помощи широко распространенного, открытого протокола SNMP. Стоимость подобных микрокомпьютеров ненамного превышает, а часто равна стоимости обычных ПЛК. В качестве примера управления обеспечивающими процессами предприятия пищевой промышленности на рис. 1 приведена структурная модель разработанного программно-аппаратного комплекса «Система контроля и управления доступом» (СКУД).

Предъявление пропуска на вход

Рис. 1. Структурная модель ПАК автоматизации обеспечивающих процессов

SQL-запросы

Рис. 2. Структурная модель универсального ПАК автоматизации технологических и производственных процессов

В разработанном решении был применен микрокомпьютер Orange pione [1]. Операционная система - Ubuntu 16.04.2 LTS, mainline kernel [2]. При разработке представленного в работе ПАК и ИИСУ были применены знакомые специалистам пищевого предприятия по типовому учебному плану инженерной подготовки элементная база, среды и языки программирования, операционные системы, СУБД, предложена методика создания ИИСУ силами предприятия. Разработанный ПАК СКУД был апробирован и впоследствии запущен в промышленную эксплуатацию в Московском государственном университете пищевых производств (МГУПП) [6]. В настоящее время центральный журнал событий насчитывает свыше 20 млн записей, при этом время бесперебойной работы

отдельных экземпляров ПАК составляет порядка одного года.

Все вышесказанное позволило использовать данное решение в качестве прототипа для разработки универсального ПАК автоматизации технологических и обеспечивающих производственных процессов, функционирующего в качестве компоненты интегрированной информационной системы управления. Управление технологическими процессами плохо сочетается с научными экспериментами и разработками, затрагивающими при отладке течение процесса, так как в случае неизбежных на первых порах ошибок и отклонений под угрозу будет поставлена работа всего предприятия.

Технологические процессы являются основными процессами предприятия пищевой промышленности, для их ав-

томатизации необходимо применять проверенные промышленной эксплуатацией, надежные программно-аппаратные комплексы, так как возможные ошибки могут негативно повлиять на течение технологического процесса и привести к большим финансовым потерям.

Разработка универсального ПАК автоматизации технологических и обеспечивающих процессов предприятия пищевой промышленности

После посола готовой сырной массы головки сыра покрываются специальными пищевыми парафинами (полимерами) и помещаются на созревание и хранение в специальное помещение, в котором должны поддерживаться определенные температура, влажность, содержание углекислого газа. Именно эта стадия рассмотрена в статье в качестве технологического процесса, подлежащего управлению.

На микроклимат в помещении для созревания и хранения сыра влияют внешние возмущения. К ним прежде всего относятся температура, влажность и химический состав атмосферного воздуха, подаваемого извне. Все эти параметры являются взаимосвязанными, например, повышение концентрации углекислого газа может снизить энергозатраты на подогрев воздуха до необходимой температуры [3]. Возникает задача определения оптимального набора параметров технологического процесса на основе противоречивых показателей стоимости их поддержания, требований к качеству, особенностей технической реализации.

Эта задача решена в работе путем дополнения стандартных PID-регуляторов разработанного ПАК интеллектуальными функциями управления со стороны ИИСУ. Применение нейросетевых моделей и систем нечеткого управления позволили значительно повысить качество управления.

Интеллектуальный модуль реализован как симбиоз регрессионной линейной модели (для запоминания информации) и обучаемой нейронной сети (для обобщения информации).

Применение в разработанном ПАК микрокомпьютера взамен традиционных ПЛК позволило разместить автономную версию базы данных экспертных знаний непосредственно на экземпляре ПАК, чтобы в случае аварий на линиях связи и потери коммуникации с ИИСУ качество управления процессами не деградировало. В результате разработанный ПАК стал представлять собой нечеткий (fuzzy) регулятор [44].

На рис. 2. представлена структурная модель универсального ПАК автоматизации технологических и обеспечивающих процессов, функционирую-

Рис. 3. Действующий опытный образец универсального ПАК автоматизации технологических и производственных процессов

щего в режиме реального времени в составе интегрированной информационной системы управления.

На рис. 3 представлен действующий опытный образец разработанного универсального ПАК.

На основании опытной эксплуатации решения бала подтверждена необходимость разработки универсального ПАК автоматизации технологических и обеспечивающих производственных процессов, функционирующего в режиме реального времени в составе ИИСУ. Были устранены недостатки су-

ществующих традиционных решении, особо необходимо отметить возможность привлечения персонала предприятия пищевой промышленности к разработке и внедрению ПАК - как

ИТ-персонала, так и работников производства.

Себестоимость разработанного ПАК в 2-3 раза ниже аналогов, присутствующих на рынке, при этом он не уступает им в универсальности, технологичности, надежности, производительности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Микрокомпьютер Orange pi one. URL: https://4pda.ru/forum/index. php?showtopic=750921

2. Экспериментальный дистрибутив Ubuntu 16.04.2 LTS для Orange pi one. URL: https://d1.armbian.com/ orangepione/nightly/

3. Крусь, Г.Н. Технология молока и молочных продуктов / Г.Н. Крусь [и др.] Под ред. А.М. Шалыгиной - М.: Колосс, 2006. - 255 с.

4. Lafont, F. Optimized fuzzy control of a greenhouse / F. Lafont, J.-F. Balmat // Fuzzy Sets and Systems. - 2002. - Vol. 128, Issue 1. - P. 47-59.

5. Аитов, В.Г. Интеграция информационной системы вуза с системой

e-1earning / В.Г. Аитов // Прикладная информатика. - 2015. - Т. 10. - № 5. -С. 40-46.

6. Аитов, В.Г. Система контроля доступа в высшем учебном заведении / В.Г. Аитов, В.О. Новицкий, И.И. Чекин // Прикладная информатика. -2017. - Т. 12. -№ 4. - С. 81-99.

REFERENCES

Mikrokomp'yuter Orange pi one. URL: https://4pda.ru/forum/index. php?showtopic=750921

2. Eksperimental'nyj distributiv Ubuntu 16.04.2 LTS dlya Orange pi one. URL: https://d1.armbian.com/orangepione/ nightly/

3. Krus', G.N. Tekhnologiya moloka i molochnyh produktov / G.N. Krus' [i dr.]

Pod red. A.M. SHalyginoj - M.: Koloss, 2006. - 255 s.

4. Lafont, F. Optimized fuzzy control of a greenhouse / F. Lafont, J.-F. Balmat / Fuzzy Sets and Systems. - 2002. - Vol. 128, Issue 1. - P. 47-59.

5. Aitov, V.G. Integraciya informacionnoj sistemy vuza s sistemoj e-learning / V.G. Aitov // Prikladnaya informatika. - 2015. -T. 10. - № 5. - S. 40-46.

6. Aitov, V.G. Sistema kontrolya dostupa v vysshem uchebnom zavedenii / V.G. Aitov, V.O. Novickij, I.I. CHekin // Prikladnaya informatika. -2017. - T. 12. - № 4. - S. 81-99.

Разработка универсального программно-аппаратного комплекса автоматизации технологических и обеспечивающих процессов в составе интегрированной информационной системы управления предприятием пищевой промышленности

Ключевые слова

автоматизация технологических и обеспечивающих процессов; ERP; комплексная автоматизация; пищевая промышленность; системная интеграция

Реферат

Для решения задачи имортозамещения пищевая промышленность должна быть обеспечена современными высокотехнологичными средствами автоматизации отечественной разработки. Используемые программируемые логические контроллеры (ПЛК) в большинстве случаев строятся на элементной базе зарубежных производителей. Применение таких ПЛК предполагает знание специфических языков программирования, таких как LAD, STL, LD, FBD, SFC, ST, IL, CFC. На уровне управления предприятием требуется использование комплексных решений, охватывающих все процессы организации как основных сфер деятельности, так и обеспечивающих. Авторами статьи разработан и внедрен универсальный программно-аппаратного комплекс (ПАК) автоматизации технологических и обеспечивающих производственных процессов, функционирующий в режиме реального времени в составе интегрированной информационной системы управления предприятием пищевой промышленности. В разработанном ПАК традиционный ПЛК заменен на мощный универсальный микрокомпьютер с открытой архитектурой. Преставлены научно-практические результаты разработки (ПАК). Приведен пример работы решения в составе системы контроля и управления доступом в территориально-распределенной организации с возможностью продолжения работы в случае отказа центрального сервера. Показан вариант использования ПАК в составе автоматизированной системы управления процессом созревания и хранения твердых сортов сыра. В ПАК применены: климатическая установка, электронный замок, датчики влажности, температуры и углекислого газа. Показаны преимущества разработанного ПАК по сравнению с аналогичными решениями - открытость решения, возможность интеграции с вышестоящими системами, возможность модернизации и развития, более низкая стоимость. Описанное решение более гибкое в настройке, в некоторых случаях оно производительнее и надежнее зарубежных аналогов.

Авторы

Аитов Василий Григорьевич,

Благовещенская Маргарита Михайловна, д-р техн. наук, профессор, Красинский Александр Яковлевич, д-р физ-мат. наук, профессор, Чекин Иван Иванович,

Шипарева Марья Герасимовна, канд. техн. наук, Колесникова Карина Анатольевна

Московский государственный университет пищевых производств, 125080, Москва, Волоколамское ш., д.11, aitov@mgupp.ru

Development of a universal hardware and software complex for automation of technological and supporting processes in the composition of integrated management information system food industry enterprise

Key words

automation of technological and supporting processes; complex automation; ERP; food industry; system integration

Abstracts

To solve the problem of import substitution, the food industry should be provided with modern high-tech means of automation of domestic development. The used programmable logic controllers (PLCs) in most cases are built on the element base of foreign manufacturers. The use of such PLC implies knowledge of specific programming languages, such as LAD, ST, LD, FBD, SFC, ST, IL, SFC. At the level of enterprise management requires the use of integrated solutions covering all processes of the organization as the main areas of activity and provide. The authors of the article developed and implemented a universal hardware and software complex (HSC) of automation of technological and production processes, functioning in real time as part of an integrated information system of food industry enterprise management. In the developed HSC, the traditional PLC is replaced by a powerful universal microcomputer with an open architecture. Scientific and practical results of development HSC are given. An example of the solution operation as part of the access control system in a geographically distributed organization with the ability to continue working in case of failure of the Central server. The variant of HSC use as a part of the automated control system of the process of maturation and storage of hard cheese varieties is shown. In the HSC are used: climate control, electronic lock, sensors of humidity, temperature and carbon dioxide. The advantages of the developed HSC in comparison with similar solutions are shown - the openness of the solution, the possibility of integration with higher systems, the possibility of modernization and development, lower cost. The described solution is more flexible in configuration, in some cases it is more productive and reliable than foreign analogues.

Authors

Aitov Vasilij Grigorevich,

Blagoveshchenskaya Margarita Mihajlovna, Doctor of Tecnocal Sciences, Professor,

Krasinskij Aleksandr YAkovlevich, Doctor of physics and mathematics Sciences, Professor, Chekin Ivan Ivanovich,

Shipareva Marya Gerasimovna, Candidate of Technical Sciences, Kolesnikova Karina Anato'evna

Moscow State University of Food Production, 11, Volokolamskoe highway, Moscow, 125080, aitov@mgupp.ru