Сегодня доступность в режиме реального времени оперативной информации о функционировании элементов промышленных комплексов — не только (и не столько) модное увлечение, но и фактор выживания предприятий. Своевременная и полная информация о технологических процессах позволяет держать под контролем параметры производства, а также оперативно учитывать и оптимизировать затраты, планировать закупки расходных материалов и комплектующих, распределять персонал и отслеживать признаки вероятных технических проблем.

Однако далеко не все промышленное оборудование, используемое сегодня на отечественных предприятиях, оснащено системами телеметрии или хотя бы системами записи логов технологических параметров. Еще совсем недавно даже микроконтроллерные системы мониторинга и управления были редкостью, а уж о телеметрии через Интернет или беспроводных сетях и речи не шло. Но и сегодня оснащение станка средствами телеметрии увеличивает его стоимость и может оказаться не по карману большинству покупателей.

Кроме того, по-прежнему нет стандартных интерфейсов на подключение оборудования к системам удаленного мониторинга. Большинство небольших устройств, хотя и управляются микропроцессорными системами, вообще не обладают никакими средствами удаленного мониторинга технологических параметров и процесса функционирования. Безусловно, имеются «фирменные» стандарты, поставляемые в составе больших производственных комплексов под ключ, но для России это большая редкость — особенно в условиях ограниченных бюджетов. Подавляющее большинство действующих производств среднего бизнеса оснащается случайными экземплярами оборудования от случайных поставщиков по принципу «подвернулось удачное предложение» и, как правило, бывшими в употреблении. В силу этого не только не представляется возможным построить систему мониторинга процессов простыми средствами, но и вообще нет сколько-нибудь стандартных средств построения подобных комплексов.

Безусловно, существует огромное количество промышленных компьютерных и микроконтроллерных систем, которым по плечу обозначенные задачи, но применение закрытых архитектур и разнообразие «фирменных» средств программирования делают задачу построения системы мониторинга уделом профессионалов и больших бюджетов, недоступных большинству малых и средних производителей.

В отличие от дорогостоящих машин и оборудования, элементы промышленной автоматизации дешевеют с каждым днем — датчики разнообразного назначения, приводные системы и системы контроля доступны практически любому покупателю даже самого небольшого станка. Это открывает широкие возможности для модернизации оборудования не только родом из прошлого века, но и вполне современного и при этом недорогого, а потому лишенного «фирменного» интеллекта. Важным дополнением к невысоким ценам является поддержка отраслевых коммуникационных стандартов для датчиков и исполнительных устройств автоматизации, что позволяет применять их практически без ограничения и независимо от производителя «мозга» системы — микроконтроллера или управляющего компьютера.

Именно такой подход был избран в проекте, реализованном Богородским полиграфическим комбинатом (БПК). Созданный прототип продемонстрировал эффективность и потенциальную доступность подобных решений и позволил сделать вывод об актуальности платформы для разработки систем мониторинга.

Перед БПК была поставлена задача создания платформы для построения систем мониторинга и удаленного управления производственными процессами на основе недорогих открытых аппаратно-программных компонентов и облачных технологий. Проект предусматривал реализацию комплекса обеспечения мониторинга, сервера и фронт-офиса.

Программно-аппаратный комплекс мониторинга, построенный на основе микроконтроллерной системы, отвечает за обслуживание датчиков, первичную обработку информации и ее преобразование в стандартные значения, накопление и буферизацию данных, а также за обслуживание соединения и передачу данных в соответствии с установленным алгоритмом и в определенном стандарте на сервер в облаке. Сервер обеспечивает удаленный прием данных аппаратной части, запись данных в базу, обработку полученной информации, визуализацию данных в режиме реального времени, выполнение операций над данными, формирование отчетов по запросам и форматирование данных для дальнейшей обработки в системах управления или CRM. Фронт-офис обеспечивает регистрацию пользователей, создание сервисов и управление ими, настройку персональных параметров предоставления и обработки данных, взаимодействие с пользовательским и экспертным сообществом, доступ к тематической торговой площадке.

Недостатки фирменных микроконтроллерных систем управления (высокая цена, недоступность средств разработки, закрытость архитектуры, сложность расширения и поставка под заказ со значительными — до 10 недель — сроками) вынуждали искать более доступные компоненты. По итогам анализа был выбран открытый проект Arduino, среди преимуществ которого можно отметить следующие.

  • Открытая архитектура. Доступны все исходные коды и техническая документация по проекту, что позволяет адаптировать продукты под конкретные нужды.
  • Простая среда разработки. Инструментальные кросс-платформные средства на базе Си/С++ имеют множество как оригинальных, так и пользовательских библиотек для решения различных задач.
  • Невысокая стоимость. Архитектура открыта, поэтому клоны модулей можно приобрести в розницу по цене от 5 долл.
  • Широкие коммуникационные возможности. В Arduino на уровне микропроцессора или посредством отдельных модулей поддерживаются практически все значимые протоколы последовательного или параллельного обмена данными.
  • Множество портов ввода-вывода, реализованных непосредственно на отладочной плате. У некоторых клонов Arduino Mega количество дискретных портов ввода-вывода достигает 74 (при этом каждый порт может быть определен как ввод или вывод, а 16 из них могут использоваться для широтно-импульсного управления различными устройствами, требующими аналогового управления) плюс 16 аналоговых входов, которые при необходимости могут быть сконфигурированы как дискретные порты общего назначения.
  • Большое количество портов аппаратного прерывания. На плате Arduino Due в качестве порта прерывания может быть назначен любой из 54 портов ввода-вывода, что позволяет построить системы, критичные к времени отклика (тактовая частота большинства плат 16 МГц, чего для промышленного применения обычно вполне достаточно). Кроме того, имеется значительное количество специализированных модулей ввода-вывода, сенсоров, систем хранения данных, контроллеров исполнительных устройств, в том числе контроллеров шаговых двигателей и сервоприводов, сильноточных твердотельных реле и систем управления с открытым коллектором, контроллеров сетей TCP/IP, Wi-Fi, GSM/SPRS, BlueTooth (в том числе BlueTooth 4.0) и т. д., причем такой функционал реализован уже на базовой плате процессора.
  • Универсальная система питания. Многоступенчатая стабилизация и опции автоматического выбора источника питания в сочетании с низким энергопотреблением делают применение модулей весьма гибким с точки зрения энергообеспечения и позволяют использовать их без постоянного питания или с малоэнергоемкими источниками типа солнечных батарей или термоэлементов.
  • Малые габариты. Стандартная плата по размеру не больше кредитной карты, а в миниатюрном исполнении по габаритам сравнима со школьным ластиком, что незаменимо в условиях жестких компоновочных требований.

Стоит также отметить, что для Arduino не требуется специальных программаторов — на большинстве плат установлен стандартный разъем USB или microUSB, и программирование контроллера возможно с любого компьютера, на котором установлена среда разработки Arduino IDE.

Вместе с тем имеются и недостатки.

  • Невысокая тактовая частота. Большинство плат построено на 8-разрядном процессоре 16 МГц — этого для индустриальных машин достаточно, а если необходима более высокая скорость, то требуется более дорогая реализация Due на базе 32-разрядного микропроцессора ARM с ядром Cortex-M3/80 МГц.
  • Отсутствие поддержки индустриального стандарта питания 24 В. Верхняя граница диапазона рабочих напряжений составляет 20 В при рекомендованных 12 В, это усложняет конструкцию устройства, но позволяет за счет «развязанных» понижающих преобразователей обеспечить высокую помехозащищенность модуля и гальваническую развязку с базовыми модулями питания машины, которую надо «мониторить», что немаловажно в условиях индустриальных помех.
  • Отсутствие оптической развязки по входам-выходам общего назначения. Большинство индустриальных датчиков оперируют рабочими напряжениями 12–30 В, что неприемлемо для процессора платы. Кроме того, промышленным машинам свойственна большая протяженность линий от датчиков, а это в условиях значительных электромагнитных помех создает угрозу нормальному функционированию микроконтроллера, поэтому требуются оптические развязки как для входных устройств, так и для управляемых. Компенсируется этот недостаток внешними модулями оптической развязки (несложными и недорогими), но было бы удобнее иметь их уже на борту.

Для взаимодействия с сервером используются протоколы TCP/IP, Wi-Fi или GSM/GPRS, а для особо компактных решений можно употребить модуль UART Wi-Fi, но из-за небольшой мощности его применение в индустриальных условиях оправданно только при наличии устойчивой связи с базой.

Сервер обеспечивает прием данных и их размещение в базах данных клиента. Он может быть развернут на любых облачных сервисах или выделенных веб-серверах с типовым стеком программного обеспечения. Кроме того, сервер обслуживает аккаунты пользователей, отвечает за их администрирование и защиту данных. Простые средства конструирования управляющей консоли позволяют настроить интерфейсы, выбрать основные и дополнительные параметры контроля, установить параметры для визуализации, определить способ предоставления данных, выбрать алгоритмы обработки данных и фильтры для экспорта данных с целью их последующего использования в бухгалтерских (учетных) системах, аналитических системах, системах управления предприятиями и т. д.

Прототип модуля мониторинга производственных процессов реализован в БПК для рулонной офсетной печатной машины Heidelberg Web16, в которую установлен модуль контроля ключевых параметров функционирования. Основной упор был сделан на невмешательство в оригинальную структуру управления машиной и ее систему безопасности.

Функционал модуля обеспечивает сбор данных и их простейшую обработку (преобразование периода оборота машины в скорость и т. п.), а вся остальная обработка (распознавание штрихкодовов, расчет данных по расходу материалов и рабочему времени, отнесение затрат разного вида на конкретную работу и т. д.) выполняется на сервере. В процессе мониторинга контролю подвергаются следующие показатели: скорость работы машины; количество листов бумаги, прошедших через машину; количество запечатанных листов бумаги, прошедших через машину, и количество «качественных» листов бумаги; аварийные датчики останова; индикация включения сервисным режимом отдельных секций (смена печатных форм); индикация сервисного режима фальц-аппарата (смена типа продукции); счетчики расхода краски (по секциям); работа клеевой системы; расход электроэнергии и газа.

Кроме того, модуль обслуживает сканер штрихкода, что обеспечивает мониторинг дополнительных параметров и позволяет учитывать: рабочее время персонала на машине (в условиях переменной численности подсобного персонала в зависимости от выполняемых операций это позволяет точнее оценить себестоимость работы и количество человеко-часов, которые следует отнести на конкретную работу); расход бумаги и краски, отнесенный на данную работу; время исполнения работы; расход электроэнергии и газа на данную работу; среднюю выработку в смену и выработку на одного печатника. Все эти данные агрегируются и передаются через канал UTP5 на сервер, что позволяет обеспечить помехозащищенность в условиях производства.

Питание модуля мониторинга — полностью развязанное, с собственной системой резервного питания, обеспечивающего энергонезависимость модуля.

Все данные из базы данных используются для визуализации процесса работы машины (см. рисунок), а также для учета и принятия управленческих решений в соответствующих бизнес-приложениях. Характеристики работы машины выводятся на график скорости с отображением сервисных режимов (смены форм и типа работы), во всплывающих окнах можно увидеть дополнительные параметры (наименование работы, фамилию печатника, счетчик по данной работе, счетчик по данному печатнику и т. д.).

 

Типичный график визуализации данных модуля мониторинга
Типичный график визуализации данных модуля мониторинга

 

Визуально определяются моменты смены форм (задания), скорость работы и простои, причем можно даже произвести базовую диагностику состояния машины.

Аппаратная платформа прототипа включает в себя: стандартный модуль Arduino Mega; стандартный источник аккумуляторного питания 12 В; модуль Ethernet; набор датчиков промышленной автоматизации; модули оптической развязки и согласования уровней сигналов собственного изготовления.

Успешная эксплуатация системы мониторинга на прототипе позволила тиражировать аналогичные устройства на все машины полиграфического комплекса, а также инициировала разработку системы сквозного контроля прохождения заказов по производственным цепочкам с автоматической обработкой данных для получения полной информации по фактическим затратам на производство.

***

Затраты на аппаратуру составили около 30 тыс. руб. в ценах 2014 года. Внедрение системы мониторинга потребовало примерно 160 человеко-часов работы специалиста по электронике и 120 человеко-часов программиста средней квалификации. Общие затраты на внедрение не превысили 100 тыс. руб. Уже на этапе тестирования системы было отмечено снижение простоев в ночное время более чем в три раза благодаря детальному учету внеплановых остановок и повышению оперативности реагирования на нештатные ситуации. Прямая экономия за три месяца тестовой эксплуатации только на одной машине составила более 250 тыс. руб. Дополнительный экономический эффект был получен благодаря более точному расчету стоимости заказов, повышению трудовой дисциплины и актуализации графиков сервисного обслуживания оборудования.

Михаил Борисов (m.borisov@osprint.ru) — технический директор БПК (Москва).

Купить номер с этой статьей в PDF