Автоматизированная система управления информационными потоками данных предприятия

Изобретение относится к системам интеллектуального управления информационными потоками данных предприятия. Техническим результатом является повышение надежности и безопасности эксплуатации технологических объектов предприятия за счет своевременного обнаружения отклонений от заданных режимов работы, быстрого реагирования на аварийные ситуации. Система содержит устройство визуализации, устройство администрирования, устройство обработки данных, включающее в себя блок оперативного сопряжения тегов, блок обработки тегов и агрегирования, блок вычислительных операций, буфер хранения данных. 9 ил.

 

Изобретение относится к системам интеллектуального управления информационными потоками данных предприятия и может быть использовано на объектах промышленных предприятий различных сфер деятельности, например, металлургии, энергетики, горнодобывающей, нефтегазовой, химической промышленности и т.п.

Известна автоматизированная система для сбора, интеграции и представления данных на основе событий (см. заявка US №20190034489 А1, опубл. 31.01.2019, МПК G06F 17/30). Указанная система содержит физические объекты с возможностью взаимодействия с реляционной базой данных объектов, систему интеграции данных с возможностью поиска и обработки данных посредством взаимодействия с базой данных временных рядов, реляционной базой данных событий и реляционной базой данных объектов для графического представления иерархической структуры объектов, реляционной базы данных объектов в графическом пользовательском интерфейсе, базы данных временных рядов с возможностью хранения данных о временных рядах из множества физических объектов, реляционных баз данных событий с возможностью хранения данных о событиях и состоит из множества событий, связанных в иерархическую структуру, реляционные базы данных объектов с возможностью хранения данных о физических объектах и состоит из множества объектов, связанных в иерархическую структуру.

Недостатками данной системы являются: недостаточная оперативная обработка высокоскоростных потоков информации, ограниченная интеграция с внешними системами. В результате известная система не может быть быстро адаптирована на изменения технологических и производственных требований, связанных с интеграцией со смежными информационными системами, необходимых для расширения сбора, обработки и представления данных, направленных на изменение информационной модели данных для оперативного принятия решений в условиях изменяемого информационного поля. Это обусловлено тем, что система самостоятельно не выполняет простые математико-алгоритмические операции, а также сложные технологические расчеты и требует дополнительной программной разработки, дополнительного формирования различных запросов на обработку данных из источников с использованием различных по своей семантике данных, а, следовательно, система имеет ограничения по ее масштабированию и скорости конфигурирования системы под изменяющиеся условия технологии и производства.

Наиболее близким техническим решением является система управления работоспособностью автоматизированных технологических объектов газотранспортных систем (см. пат. РФ №2619399, МПК G05B 19/00, G06F 19/00). Указанная система содержит устройство обработки данных, устройство хранения данных. Причем устройство обработки данных выполнено с возможностью получения и обработки данных реального времени и/или исторических данных о технологическом объекте с целью выявления нештатных событий и включает в себя модуль обработки исторических данных, модуль обработки данных реального времени и модуль прогнозирования отказов оборудования технологического объекта. Устройство хранения данных выполнено с возможностью приема от оператора технологического объекта данных о выявленных оператором технологического объекта нештатных событиях и о его действиях, направленных на предотвращение указанных нештатных событий, и их хранения. При этом система содержит устройство ввода-вывода данных, которое выполнено с возможностью передачи данных о выявленных нештатных событиях оператору технологического объекта.

Недостатком известной системы является ограниченность ее использования исключительно в области автоматизированных технологических объектов газотранспортных систем.

Кроме того, известная система фокусируется только на модуле прогнозирования отказов и, как следствие, не может быть использована для комплексной оценки текущего состояния технологических объектов на промышленных предприятиях различных сфер деятельности, а значит такая система не может оперативно реагировать на различные изменения (отклонения), аварийные ситуации на производстве и влиять на производственные процессы и цепочку поставок продукции (услуг) отдельного цеха и предприятия в целом.

Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности работы автоматизированной системы путем обеспечения непрерывного мониторинга технологических параметров на предприятии с получением достоверной информации в режиме реального времени, своевременного обнаружения отклонений от заданных режимов работы, быстрого реагирования системы на любые аварийные ситуации (отклонения), обеспечивая влияние формирующихся событий на производственные ситуации и, как следствие, на производственные процессы.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается повышении надежности и безопасности эксплуатации технологических объектов предприятия за счет возможностей ситуационной оценки работоспособности комплекса оборудования в производственной цепочке предприятия.

В результате работы заявляемой системы решается целевая задача по связыванию технологических данных, привязанных к конкретному оборудованию и технологической операции, осуществляемой в конкретный момент времени с производственным процессом, в котором совокупность исполнения разных технологических операций влияет на ситуацию по исполнению производственных операций. Например, отдельные технологические операции, исполненные с отклонением от технологии приведут к ситуации отклонений по качеству конечной продукции - один из вариантов. Другой вариант - отклонение в технологии складирования приводит к ситуации, когда при отгрузке кладовщики вынуждены дополнительно перекладывать готовую продукцию, для того чтобы погрузка груза была выполнена в соответствии с требуемыми условиями отгрузки. Интеграция технологических данных и производственных не может быть выполнена напрямую ввиду отличий в моделях данных, находящихся на разных уровнях управления ими. В связи с этим на уровне предлагаемой системы реализуется модель событийного управления посредством алгоритмической обработки данных.

Технический результат достигается тем, что в системе управления информационными потоками предприятия, содержащей устройство хранения данных, устройство обработки данных, согласно изменению, она дополнительно содержит устройство визуализации и устройство администрирования, при этом устройство обработки данных включает в себя последовательно соединенные блок оперативного сопряжения тегов, блок обработки тегов и агрегирования, блок вычислительных операций и буфер хранения данных, причем устройство обработки данных выполнено с возможностью обмена данными с устройством хранения данных, устройством визуализации, автоматизированной системой управления технологическим процессом, технологическим объектом, а также соединено с устройством администрирования и внешними источниками данных, при этом устройство хранения данных выполнено с возможностью обмена данными с устройством администрирования, а устройство визуализации выполнено с возможностью обмена данными с оператором.

Автоматизированная система управления информационными потоками предприятия поясняется графическими материалами, где на:

- фиг. 1 и 2 изображена блок-схема реализации указанной системы,

- на фиг. 3 представлен алгоритм работы устройства визуализации;

- на фиг. 4 изображен алгоритм работы устройства администрирования;

- на фиг. 5 представлен алгоритм работы устройства обработки данных;

- на фиг. 6 представлен алгоритм работы блока оперативного сопряжения тегов,

- на фиг. 7 изображен алгоритм работы блока обработки тегов и агрегирования,

- на фиг. 8 представлен алгоритм работы буфера хранения данных;

- на фиг. 9 изображен алгоритм работы блока вычислительных операций.

Заявляемая система включает в себя устройство визуализации 1 (фиг. 1, 2), устройство администрирования 2, устройство хранения данных 3 и устройство обработки данных 4. Причем последнее обеспечивает основную работу по получению, хранению и обработке информации и включает в себя последовательно соединенные блок оперативного сопряжения тегов 5 (фиг. 1, 2), блок обработки тегов и агрегирования 6, блок вычислительных операций 7, буфер хранения данных 8. Устройство обработки данных 4 выполнено с возможностью приема и передачи данных между указанными составляющими устройства.

Кроме того, позицией 9 на фиг. 1, 2 указаны внешние источники данных, т.е. внешние объекты, такие как: контроллер, база данных, ОРС-сервер, MES, ERP, другая СУИП и т.д., способные обмениваться информацией с текущей системой управления информационными потоками (СУИП) (чтение, запись) с помощью стандартных или заранее согласованных протоколов связи.

Позицией 10 указана автоматизированная система управления технологическим процессом (АСУТП) - это внешний источник данных, представляющий собой систему управления текущим технологическим объектом.

Позицией 11 указан технологический объект, который представляет собой один или группу технологических агрегатов, контролируемых заявляемой системой управления информационными потоками.

Позицией 12 указан оператор - это одно или группа ответственных лиц, управляющих агрегатом, технологический или управляющий персонал на объекте. Оператор 12 имеет возможность получать и передавать данные с устройства визуализации 1, а также взаимодействовать с АСУТП 10.

Устройство визуализации 1 (фиг. 1, 2) выполнено с возможностью представления данных, полученных от устройства обработки данных 4, в виде мнемосхем, графиков, и представляет собой стандартный ЖК-монитор, светодиодного дисплея, сенсорной панели с набором программных средств, представляющих функционал по взаимодействию внешних клиентов (оператор, технолог и т.д.) с ресурсами системы. Это могут быть стандартные SCADA и HMI, флеш-компоненты, WEB-компоненты на JavaScript с использованием библиотек jQuery, HighCharts, ExtJS и т.д., специализированные программы на С# и С++, применяющие стандартные протоколы связи для доступа к устройству обработки данных 4 и вывода информации конечному пользователю. Посредством устройства визуализации 1 данные в виде графиков (мнемосхем) доводятся до оператора 12 технологического и/или производственного объекта 11, на основании которых оператор 12 принимает решение (или необходимые действия) над этим объектом. Алгоритм работы устройства визуализации 1 представлен на фиг. 3.

Устройство администрирования 2 (фиг. 1, 2) выполнено как внешний программный модуль, предоставляющий возможность настройки и конфигурирования системы и обеспечивающий контроль за работой всей системы. Т.е. с помощью устройства администрирования 2 специалист по сопровождению данной системы способен редактировать и настраивать все компоненты системы внутри устройства обработки данных 4, перезагружать сервер и отдельные его службы, наблюдать за состоянием буфера хранения данных 8. При необходимости указанный специалист может добавлять новые теги и описывать формальным языком (мнемокод) правила формирования событий в системе. В качестве устройства администрирования 2 может быть использован ПК со специализированным программным обеспечением, предназначенным для развертывания, администрирования и оперативного наблюдения за элементами системы. Алгоритм работы устройства администрирования изображен на фиг. 4. В качестве специализированного ПО выступает программный модуль, который имеет доступ к конфигурации системы, перечню тегов, их настройкам и описанию атрибутов. Благодаря данному ПО делается описание всех связей и между модулями и алгоритмов формирования событий и их представления на мнемосхемах. Все эти операции выполняются в интерактивном режиме.

Устройство хранения данных 3 (фиг. 1, 2) представлено реляционной базой архивных, событийных и конфигурационных данных системы. Причем в качестве устройства хранения данных 3 возможно использование жестких дисков или массивов хранения данных, стандартных внешних носителей. Накопленные в устройстве хранения данных 3 данные о нештатных событиях и действиях, направленных на их устранение, используются для оценки текущего состояния оборудования и/или производственных событий, что позволяет оказывать управленческие воздействия на процессы в темпе с производством. Что в итоге влияет на повышение эффективности работ, связанных с эксплуатацией оборудования технологического и/или производственного объекта 11, планирования технического обслуживания и ремонта, передачи данных в сторонние системы и устройства для последующей обработки.

Устройство обработки данных 4 (фиг. 1, 2) предназначено для получения, обработки, агрегирования, вычисления данных, в том числе с использованием простых математико-алгоритмических операций и/или сложных технологических расчетов в режиме реального времени. Устройство обработки данных 4 использует для подключения различные источники данных, в том числе автоматизированные системы управления технологическим процессом 10, системы управления материальными потоками 9 (MES, ERP, АСУП и т.п.) по стандартным протоколам передачи данных (RS-232, ОРС, HDA, ЕА, OLE DB, XML-FLASH, WSF, HTTP, IPC, MSMQ). Получая данные реального времени и/или исторические данные о технологических и/или производственных объектах, устройство обработки данных 4 осуществляет их дальнейшую обработку, анализ, агрегирование, выявление нештатных ситуаций, предполагаемых и/или произошедших за исследуемый период, а также вычисление различной сложности в режиме реального времени в соответствии с бизнес-логикой, заданной для текущего процесса. Перечисленные функции устройства обработки данных 4 обеспечиваются благодаря совокупной работе составляющих устройства, а именно: блока оперативного сопряжения тегов 5, блока обработки тегов и агрегирования 6, блока вычислительных операций 7, буфера хранения данных 8. Алгоритм работы устройства обработки данных представлен на фиг.5.

Блок оперативного сопряжения тегов 5 устройства обработки данных 4 выполнен с возможностью контроля целостности данных, их оперативной обработки из внешних источников данных 9, 10 (АСУТП, ERP, АСУП, MES и т.п.) и интеллектуального распределения данных на основе событийной логики в блоке обработки тегов и агрегирования 6. Блок 5 используется для подключения к различным внешним источникам данных 9, 10, 11 по стандартным протоколам связи. Указанный блок (БОСТ) 5 представляет программный модуль с возможностью описания его входов, выходов и алгоритма внутренней обработки тегов (см. фиг. 6). Описание и их конфигурирование осуществляется с помощью устройства администрирования 2.

Блок обработки тегов и агрегирования 6 предназначен для объединения (агрегирования) нескольких блоков оперативных данных в единую группу при обмене информацией между блоком оперативного сопряжения тегов 5 и внешними источниками данных 9, а также для обработки данных внутри системы, а также для адаптивной-распределенной передачи данных между блоком оперативного сопряжения тегов 5 и буфером хранения данных 8 для повышения отказоустойчивости системы и ее быстродействия. Алгоритм работы блока обработки тегов и агрегирования 6 изображен на фиг. 7.

Буфер хранения данных 8 представляет собой участок оперативной памяти системы (технические характеристики ПК для функционирования работы буфера хранения данных следующие: Сервер -Windows Server 2008 (64 bit для поддержки памяти >3Gb), настройка IIS6 и выше SQL Server 2005, 2008, 2016 (64 bit для связки с версией Windows), оперативной памяти 4 GB, частота процессора от 2 Ghz.), хранящий, в установленном формате, информацию о текущих тегах системы, с возможностью обмена информацией между ними. Каждый тег представлен в виде одного блока оперативных данных. Блок оперативных данных (БОД) представляет собой минимальную единицу информации в системе. Он имеет регламентированный формат данных установленного типа. Может иметь как простой тип, например, значение какого-либо датчика (температура, давление, положение и т.д.), так и сложный, например, информацию о состоянии целого склада внутри цеха. Алгоритм работы буфера хранения данных изображен на фиг. 8.

Блок вычислительных операций 7 предназначен для обработки данных, полученных из блока обработки тегов и агрегирования 6 посредством исполнения математико-алгоритмических операций (фиг. 1, 2). Данный блок 7 состоит из двух программ «АТОМ» и «БИКОД», одна из которых («АТОМ») представляет собой типовой обработчик макрокоманд, построенный на машинно-ориентированном языке программирования низкого уровня «Assembler», предназначенный для исполнения простых математико-алгоритмических операций, а также для активации внешней программы БИКОД.

Внутренняя программа «АТОМ» работает только с регистрами блока оперативных данных и состоит из набора команд (электронов), а именно: на примере электрон ADD #1, #2 складывает содержимое регистра #1 и #2, записывая результат в первый регистр. В регистры информация поступает или из блоков оперативных данных, находящихся в буфере хранения данных 8, или непосредственно формируется внутри «АТОМ». Таким образом, «АТОМ» запускается и исполняется внутри данной системы, что значительно ускоряет расчеты по алгоритмам, которые реализованы как универсальные для всех возможных предметных областей применения модели.

Вторая внешняя программа обработки «БИКОД», специальным образом написанная программа на языках высокого уровня (например, С#), способная с высокой скоростью получить и обработать данные, находящиеся в буфере хранения данных 8 по заданным алгоритмам. В некоторых случаях программа «БИКОД» взаимодействует с внешними источниками данных 9, 10 напрямую для получения информации, отсутствующей в заявляемой системе (СУИП). Программа БИКОД выполнена как отдельный внешний программный модуль, что позволяет запускать, останавливать, отлаживать и контролировать его функционирование отдельно от устройства обработки данных 4, так называемого ядра системы, а также полноценно задействовать возможности используемого языка программирования. Причем программа БИКОД является распределенным кодом и может работать как на сервере, где функционирует система, так и на любом другом сервере в сети. Алгоритм работы блока вычислительных операций 7 изображен на фиг. 9.

Заявляемая система работает следующим образом.

Оперативные данные напрямую из технологического объекта 11, АСУТП 10 или внешних источников данных 9 через блок оперативного сопряжения тегов 5 устройства обработки данных 4, далее с помощью модуля обработки тегов и агрегирования 6 (считывание) поступают в модуль вычислительных операций 7, где при необходимости проходят обработку с помощью программы «АТОМ» или внешней программы «БИКОД». Результат обработки записывается в буфер хранения данных 8. Параллельно с этим модуль вычислительных операций 7 из данных, хранящихся в буфере хранения данных 8, через блок обработки тегов и агрегирования 6 производит запуск и пересчет внутренних алгоритмов в блоках оперативных данных (БОД) буфера хранения данных 8. Результат обработки БОДа может быть подан на другой БОД для следующей обработки. БОДы в свою очередь обмениваются информацией друг с другом. Таким образом, за счет цепочки БОДов выполняется любая последовательность по обработке фактических и расчетных тегов в необходимой комбинации с целью выявления и представления событий. В результате в буфере хранения данных 8 формируется технологический базис оперативной и расчетной информации, распределенной по различным БОД. Блок обработки тегов и агрегирования 6 через блок оперативного сопряжения тегов 5 передают необходимые данные внешним источникам данных 9 (происходит запись данных). Весь процесс контролируется устройство администрирования 2. При необходимости программа «БИКОД» блока вычислительных операций 7 корректируется программистом прямо в процессе работы, без остановки системы. Одновременно с этим блок обработки тегов и агрегирования 6 формирует архивную и событийную информацию, сохраняя ее в устройстве хранения данных 3. Через устройство визуализации 1 оператор 12 наблюдает за работой системы.

При поступлении событий, явно определяемых системой с помощью определенных заранее алгоритмов, как ситуацию. Система оповещает оператора, как лицо принимающее решение, визуализирует данное событие на устройстве визуализации, фиксирует запись в устройстве хранения данных, передает информацию в АСУТП (если система подключена на запись и на чтение к какой-либо АСУТП с заданием) для автоматической корректировки и изменения данных. Если система АСУТП 10 подключена к системе только на чтение, то система может принимать только уведомления и в этом случае для внесения корректировок и изменений требуется вмешательство администратора, в связи с этим система формирует рекомендации и направляет их оператору и ответственным лицам значащимся за объектом автоматизации через средства оповещения (электронная почта, мессенджеры, голосовое сообщение и т.п.) настроенные в устройстве администрирования.

Рассмотрим использование заявляемой автоматизированной системы управления информационными потоками на примере реализации автоматического слежения за перемещением рулонов на входном складе АНГЦ-3 ЛПЦ-11 ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат». В системе присутствуют следующие внешние источники данных:

АСУТП крана (контроллер, предоставляющий информацию о положении крана и захвате рулона, камера распознавания ID рулона на кране по QR-коду на бирке)

АСУТП на воротах цеха (Высотомер для фиксации прохождения вагонов и наличия рулона, камера для получения ID рулона по QR-коду на бирке)

ESB-шина

MES (система управления производственными процессами)

Транспортное задание (АСУ ЖДТ)

Натурный лист входящего состава

АСУТП разматывателя (данные о рулонах на входной балке разматывателя).

Система работает следующим образом (см фиг. 1, 2). При входе состава с рулонами в цех входная камера на воротах распознает ID, входящих рулонов, и передает их через сокетный блок оперативного сопряжения тегов 5 в соответствующий БОД буфера хранения данных 8, а высотомер, через блок 5 com-порта в БОД высотомера. В этот момент из АСУ ЖДТ через блок оперативного сопряжения тегов 5 ESB-шины в блок оперативных данных (БОД), находящийся в буфере хранения данных 8, поступает натурный лист входящего железнодорожного состава. Натурный лист не содержит информацию о том, как расположены рулоны внутри вагона. Программа «БИКОД» блока вычислительных операций 7 на основание данных с БОД высотомера, камеры и натурного листа формирует входной состав и записывает его в БОД карты склада. В процессе работы из MES 9 (системы управления производственными процессами) на соответствующий БОД поступают транспортные задания и изменяют карту транспортных заданий. Крановщик 12 через устройство визуализации 1 видит входной состав и поступившие транспортные задания. Кран, перемещаясь, формирует данные на БОД о его текущем положении, ID рулона на кране и событие о захвате рулона. Блок вычислительных операций 7 с помощью программы «БИКОД» на базе этой информации рассчитывает данные по перемещению рулона, записывает их в соответствующий БОД буфера хранения данных 8 и через блок оперативного сопряжения тегов 5 ESB-шины отправляет данные на внешний источник данных MES 9. Данные о перемещении поступают также в БОД карты склада и изменяют ее. Когда кран устанавливает рулоны на входные ложементы разматывателя, дальнейшее перемещение рулона контролируется посредством поступления данных из АСУТП разматывателя в БОД рулонов на входе балке, что, в свою очередь, по цепочке изменяет БОД перемещения рулона и карты склада. Кран своей информацией о фактах перемещения постепенно заполняет карту склада и крановщик имеет возможность с помощью устройства визуализации 1 не только видеть ее и найти нужный рулон, но и определить последовательность их загрузки в агрегат в соответствии с поступившими транспортными заданиями.

Таким образом, система позволяет осуществлять непрерывной сбор, обработку и хранение данных, своевременно обнаруживать отклонения от заданных режимов работы. Это позволяет повысить эффективность работы системы, быстро реагировать на любые аварийные ситуации, повышая надежность и безопасную эксплуатацию технологических объектов предприятия.

Автоматизированная система управления информационными потоками данных предприятия, содержащая устройство хранения данных, устройство обработки данных, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит устройство визуализации и устройство администрирования, при этом устройство обработки данных включает в себя последовательно соединенные блок оперативного сопряжения тегов, блок обработки тегов и агрегирования, блок вычислительных операций и буфер хранения данных, причем устройство обработки данных выполнено с возможностью обмена данными с устройством хранения данных, устройством визуализации, автоматизированной системой управления технологическим процессом, технологическим объектом, а также соединено с устройством администрирования и внешними источниками данных, при этом устройство хранения данных выполнено с возможностью обмена данными с устройством администрирования, а устройство визуализации выполнено с возможностью обмена данными с оператором.