ИТ-архитектура «умной электростанции»
Задача перехода к концептам индустрии 4.0 сводится прежде всего к выбору и построению таких архитектур, которые обеспечивали бы понятную и удобную работу с оцифрованными данными, цифровизацию всех процессов, как технологических, так и организационных. Для этого архитектура информационных систем должна обладать рядом свойств:
1. Открытость. Прежний подход, когда производители датчиков, систем автоматизации используют проприетарные (закрытые) протоколы для информационного обмена и любая интеграция сторонней системы влечет за собой новые существенные затраты, делая зачастую бессмысленным расширение функциональности, должен быть полностью изжит. Без открытых стандартизованных протоколов цифровизация невозможна. Все новые компоненты цифрового ландшафта должны иметь стандартные открытые протоколы для обеспечения максимально простого и понятного информационного обмена между различными компонентами и системами. Как известно, повсеместный переход на единые стандарты дает мощный кумулятивный эффект, поэтому предлагаем использовать открытый межотраслевой протокол OPC UA для решения данной задачи. При этом, не обязательно демонтировать старые датчики, достаточно оборудовать их конвертерами, обеспечивающими преобразование старых протоколов в OPC UA.
2. Сквозное моделирование. Для решения различных задач объект описывается с различных точек зрения. Инструменты моделирования должны позволять описать объект именно так, как необходимо для конкретной задачи. При этом не усложняя модель побочными описателями, которые нужны для смежных задач с одной стороны, но позволяя повторно использовать смежные описатели с другой, чтобы избежать избыточности модели. Это достигается, в частности, за счет возможности создания различных взглядов на объект только с точки зрения конкретного пользователя или технологической задачи. Для этого целесообразно использовать подход цифровых двойников. Архитектура должна удовлетворять передовым требованиям Digital Twin Consortium. Важной особенностью цифровых двойников является их постоянная связь с физическим объектом и постоянная валидация и верификация математических моделей.
3. Киберфизичность. Человек участвует в работе системы и имеет особое место в цепочке процессов управления, т.к. именно человек задает конечную цель управляющих воздействий и именно на человеке лежит ответственность за принятие решения, влекущего не только финансовые, но социальные, этические и технологические последствия. Участие человека в управлении должно быть максимально удобным и простым для конечного пользователя, иметь дружелюбный интерфейс и не позволять ошибочных действий. Кибернетические/цифровые системы подготавливают данные для принятия решений, которые должны быть максимально доступны и оперативны (например, дешборды, отчеты в планшете или на телефоне с основными показателями работы). Интерфейс должен быть построен по принципу углубления в детали по мере необходимости от более агрегированной (обобщенной) информации к частным подробностям. Поскольку количество участников в управлении электростанцией велико, должен быть обеспечен удобный доступ к интерфейсам цифровых систем с соответствующим разграничением прав доступа по ролям и поддержкой системы единой аутентификации.
4. Информационная безопасность. Особое внимание необходимо уделять информационной безопасности используемых технологий на объектах критической инфраструктуры. Все необходимые меры для обеспечения возрастающих требований по информационной безопасности должны быть заложены на этапе выбора основных концепций и инструментов. Должны применяться алгоритмы шифрования трафика и безопасные соединения, разделения сегментов сетей с обеспечением защиты с помощью межсетевых экранов и дата-диодов, разграничение прав доступа и безопасное хранение паролей.
5. В перспективе - преодоление так называемого барьера между Operation Technology и Information Technology. Дело в том, что изначально мы управляем реальными физическими установками и процессами, которые порождают аналоговые, физические величины -- токи, напряжения и т.д. Полевые датчики порождают аналоговые величины, контроллеры преобразуют их в цифру. Однако сами датчики имеют свой контекст -- информация о датчике, его состоянии, сроках поверки. Он важен для интерпретации данных с полевого уровня. Сегодня этот контекст невозможно передать с полевого уровня на уровень ИТ-систем. Необходимо развивать цифровизацию в таком направлении, чтобы границы для передачи контекста не было.
6. Интероперабельность. Свойство архитектуры и информационного обмена, в которых аналогичные типы данных описываются, определяются и представляются стандартизированным образом, независимо от системы или поставщика системы. Это означает, что мы можем добиться большей доступности plug-and-play и тратить меньше инженерного времени на ручные привязки данных, сопоставления, преобразования данных и т.д.
Опираясь на вышеописанные свойства новой архитектуры цифровой электростанции, ниже опишем как будут выглядеть уровни автоматизации на объектах. Традиционно под уровнями понимаем следующее:
- Нижний уровень -- датчики, исполнительные механизмы, контроллеры, преобразующие аналоговые сигналы тока и напряжения в цифровые форматы, контроллеры управления находящиеся рядом с исполнительными механизмами
- Средний уровень -- уровень энергоблоков и станций, где решаются задачи группового управления агрегатами (турбина+котел), энергоблоками
- Верхний уровень -- исполнительный аппарат, где решаются задачи управления группой электростанций