Серия «ПО автоматизации»

Предлагаем два видео с описанием применения программируемых логических контроллеров (ПЛК) и программного обеспечения SCADA в проектах автоматизации инженерных систем и производственных процессов.

Автоматизация инженерных систем

Первое видео посвящено цифровому решению «Автоматизация инженерных систем зданий с использованием свободно программируемых контроллеров (ПЛК) и программного обеспечения SCADA».

В ролике рассматриваются варианты построения АСУ ТП на примере автоматизации вентиляционной установки, системы отопления и технологической линии пищевого производства с применением ПЛК, модулей расширения, панели HMI (человеко-машинного интерфейса) и ПО автоматизации и диспетчеризации.

На демонстрационном стенде показывается топология сетей, используемое оборудование, разбираются режимы работы систем, имитируются возможные отказы и реагирование на них со стороны диспетчера автоматизированной системы управления.

В качестве продуктов автоматизации выбрано оборудование и программное обеспечение разработанное Московского завода тепловой автоматики (МЗТА), в честности ПЛК серии КОМЕГА Basic и КОНТАР, а также ПО диспетчеризации SuperSCADA

Реализация проектов АСУ ТП

Второй ролик касается методики реализации проектов автоматизации инженерных систем с использованием программируемых логических контроллеров (ПЛК) и ПО SCADA.

В видео рассматриваются подходы, применяемые разработчиками проектов автоматизации инженерных систем и техпроцессов:

• Сферы применения автоматизированных систем: тепло- и водоснабжение, вентиляция, кондиционирование, электроснабжение, производственные техпроцессы и иные сферы АСУ ТП.

• Экономическая эффективность отечественных систем автоматизации на базе программируемых логических контроллеров (ПЛК) и ПО SCADA.

• Стоимость решения и время окупаемости проектов на базе российских разработок, в частности Московского завода тепловой автоматики (МЗТА).

• Этапы реализации проекта: выявление потребности заказчика, пред-проектное обследование, согласование и разработка технического задания, предоставление ТЭО и коммерческого предложения.

• Примеры реализации проектов в рамках импортозамещения.

Приводим данные четырех аналитических агентств о глобальном рынке SCADA. В предлагаемом обзоре даются сведения об объеме рынка, темпах роста и прогнозе развития до 2030 года, а также об отраслевом и географическом распространении, ключевых игроках, факторах роста, угрозах и тенденциях рынка SCADA.

Данные аналитического агентства Facts&Factors

Объем мирового рынка SCADA оценивается в $9,9 млрд в 2022 году и, как ожидается, достигнет 16,3 млрд к 2030 году, имея среднегодовой темп роста в 7,9%.

Основные тенденции

Ожидается, что мировой рынок SCADA в течение прогнозируемого периода продемонстрирует значительный рост из-за растущего спроса на нефть и газ, который перерастает в спрос на продукты SCADA и ПО автоматизации в целом.

Прогнозируется, что сегмент удаленных терминалов будет вносить основной вклад в развитие мирового рынка. Что касается предложения, то в сегменте услуг будет зафиксирован самый высокий среднегодовой темп роста в 2023–2030 годах. По оценкам конечных пользователей, сегмент перерабатывающей промышленности будет составлять основную долю мирового рынка. По прогнозам, на европейском рынке SCADA будет зарегистрирован самый высокий среднегодовой темп роста.

Факторы роста

Растущий спрос на нефть и газ привел к увеличению спроса на SCADA для автоматизации и контроля производственных процессов, тем самым стимулируя расширение рынка SCADA по всему миру. Огромные потребности в энергии привели к растущему проникновению ПО автоматизации в нефтегазовые компании, что в свою очередь, открыло путь к росту бизнеса SCADA.

Кроме того, SCADA находит множество применений в сфере водоснабжения и очистки сточных вод, энергетике, автомобилестроении, фармацевтике, нефтехимии, электротехнике, химической, электронной и энергетической промышленности. В дополнение к этому, революция Индустрии 4.0 вызвала огромный спрос на инструменты SCADA. Масштабное проникновение Интернета вещей и искусственного интеллекта в различные секторы экономики еще больше увеличило спрос на мировом рынке SCADA.

Ограничения

Растущие затраты, связанные с развертыванием и обслуживанием инструментов SCADA, могут тормозить расширение данной индустрии. Например, из-за дороговизны таких компонентов, как централизованные компьютерные устройства и программное обеспечение.

Возможности

Достижения в области беспроводных сенсорных сетей, а также их растущее распространение в перерабатывающих отраслях промышленности, включая фармацевтику, водоочистку и очистку сточных вод, а также нефтегазовый сектор, откроют по всему миру новые возможности роста рынка SCADA.

Проблемы

Автоматизированные комплексы подвержены кибератакам, что создает огромную проблему для расширения индустрии SCADA. Например, системы SCADA включают сеть мэйнфреймов, хранилища данных, датчики и системы связи, которые являются наиболее уязвимым звеном систем автоматизации.

Анализ сегментов рынка

Сегмент удаленных терминалов, на который в 2022 году приходилось наибольшая доля мирового рынка, сохранит свое отраслевое доминирование. Удаленные терминальные устройства используются для сбора данных, их кодирования и передачи в центральную систему. Рост этого сегмента в последующие 8 лет может быть результатом того, что удаленные терминалы станут ключевыми компонентами SCADA. Кроме того, глубоководная разведка и добыча, включая разведку сланцевого газа, разрабатываемого в настоящее время из-за огромного спроса на нефть и газ со стороны развивающихся стран, проложат путь к огромному спросу на удаленные терминалы.

Индустрия SCADA по всему миру делится на сегменты коммунальных предприятий, перерабатывающих отраслей и дискретного производства. Сегмент перерабатывающей промышленности, на долю которого в 2022 году приходилось почти 50% мировой промышленности, по прогнозам, продолжит свое доминирование наравне с глобальным расширением промышленных предприятий. Рост этого сегмента в последующие годы может быть обусловлен растущей конкуренцией между производственными предприятиями, ориентированными на снижение затрат и оптимизации процессов. Более того, огромный спрос на SCADA в перерабатывающих отраслях можно объяснить ростом потребности в управлении и визуализации процессов в реальном режиме времени в нефтегазовой, металлургической, горнодобывающей и пищевой промышленности.

Рынок SCADA также разделен на сегменты услуг, оборудования, программного обеспечения и решений для промышленности. Более того, в сегменте услуг, на долю которого в 2022 году приходилось почти 60% мирового рынка, прогнозируется самый высокий среднегодовой темп роста. Расширение сегментов в прогнозируемые сроки может быть обусловлено огромным спросом на такие услуги, как обеспечение кибербезопасности и настройка SCADA систем.

Региональное развитие

Ожидается, что Азиатско-Тихоокеанский регион, который успешно приносил прибыль на мировом рынке SCADA в 2022 году, продолжит свое доминирование. Расширение этого рынка в 2023-2030 годах может быть связано с ростом числа производственных предприятий в таких отраслях, как энергетика, связь, автомобилестроение, фармацевтика, текстильная промышленность и др.

Кроме того, европейская индустрия SCADA, на которую в 2022 году приходилось почти 50% мировой отрасли, в течение прогнозируемого периода должна зарегистрировать самый высокий среднегодовой темп роста. Факторы, которые, по прогнозам, будут определять расширение этого рынка, включают увеличение объема инвестиций в проекты интеллектуальных сетей и процветающий производственный сектор континента.

Ключевые игроки

• ABB Ltd.

• Enbase LLC Ing.

• Azbil Corporation

• Schneider Electric SE

• General Electric Company

• Schweitzer Engineering Laboratories Inc.

• Capula Ltd.

• Rockwell Automation Inc.

• ELYNX TECHNOLOGIES LLC

• Yokogawa Electric Corporation

• TOSHIBA CORPORATION

• Mitsubishi Electric Corporation Emerson Electric Co.

• Siemens AG

• Progea srl

• Willowglen Systems

• Fuji Electric Co. Ltd.

• Valmet Oyj

• Inductive Automation LLC

• Punzenberger COPA-DATA GmbH.

Главные события 2022 года:

Schneider Electric SE, французская компания, специализирующаяся на цифровой автоматизации и управлении энергопотреблением, приобрела компанию AVEVA – мирового лидера в секторе промышленного программного обеспечения. Этот шаг поможет последней усилить свою стратегию развития программного обеспечения и бизнес-модель в области гибридных облачных решений.

Немецкий производитель Siemens приобрел компанию Senseye GmbH, что поможет ему расширить портфель услуг по прогнозному обслуживанию и анализу активов.

Американский разработчик Rockwell Automation, Inc., предоставляющий технологии промышленной автоматизации выпустил программное обеспечение с функциями, обеспечивающими углубленное взаимодействие с контроллером Logix и возможностью управления HMI анимацией для автоматической диагностики посредством веб-клиентов Factory Talk ViewPoint.

Данные аналитического агентства Maximize Market Research

Рынок SCADA в 2022 году оценивался в $13,50 млрд. Ожидается, что с 2023 года он будет расти со среднегодовым темпом в 6,4% и к 2029 году достигнет в $20,85 млрд.

Факторы, влияющие на рынок SCADA

Индустрия 4.0. Растущая потребность в получении данных в реальном времени в промышленных средах, необходимая для анализа процессов и профилактического обслуживания, способствует внедрению Индустрии 4.0, частью которой являются Интернет вещей и облачные технологии. SCADA системы помогают создавать отчеты в режиме реального времени, а также прогнозировать будущие события. В результате на «умных» заводах использование SCADA систем позволяет операторам планировать потребность в обслуживании оборудования, избегать возникновение аварийных ситуаций и отказов в техпроцессах.

Мировые цены на нефть и газ падают с 2011 года. В результате падают доходы и операционная рентабельность нефтегазовых компаний, а также сокращаются капитальные затраты на инфраструктурные проекты. Автоматизация процессов используется при строительстве новых трубопроводов, разведке углеводородов и развитии нефтеперерабатывающих заводов. Таким образом падение капитальных вложений отражается на экосистеме автоматизации процессов и приборостроении в целом. Ожидается, что волатильность цен на нефть окажет влияние на инвестиции и рынок SCADA.

Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor network – WSN) можно найти в различных отраслях промышленности, включая нефтегазовый сектор, медицину, очистку воды и сточных вод и других. Например, большинство добывающих углеводородное топливо предприятий расположены в отдаленных местах с суровыми природными условиями, но стоимость построения системы связи снижается при использовании WSN, которые измеряют такие характеристики, как давление, температуру, расход и уровень жидкостей и газов в резервуарах, а также иные показатели компрессоров, генераторов и сепараторов. Использование WSN в SCADA системах позволяет осуществлять мониторинг данных и управление процессами в режиме реального времени. В итоге растущие исследования и разработки в области WSN расширят область применения SCADA.

Кибератаки являются одной из наиболее насущных проблем технологических сетей. Системы SCADA уязвимы для кибератак, поскольку они состоят из сети датчиков, мейнфреймов, систем связи и хранения. В SCADA системы управляют операционными элементами критической инфраструктуры. Неисправность этих систем может привести к утечкам и разливам нефти или канализационных трубопроводов, отключению электроэнергии и прочим техногенным катастрофам, что может оказать долгосрочное негативное воздействие на работу объекта, предприятия и экономику региона в целом.

Анализ сегмента рынка SCADA

Рынок SCADA подразделяется на оборудование, программное обеспечение и услуги. Ожидается, что сегмент услуг будет занимать основную долю на мировом рынке SCADA. Этот рост объясняется растущим спросом на услуги, которые позволяют конечному пользователю осуществлять автоматизацию с лучшей эффективностью, надежностью и визуализацией. Кроме того, прогнозируется, что растущий спрос на сбор данных в реальном времени будет способствовать росту рынка SCADA.

В зависимости от компонентов рынок подразделяется на программируемые логические контроллеры (ПЛК), удаленные терминалы (RTU), человеко-машинный интерфейс (HMI) и устройства связи. На сегмент RTU будет приходиться наибольшая доля рынка SCADA. RTU – это устройство, которое собирает данные, преобразует их в передаваемый формат и отправляет в основную систему. Нефть и газ, включая сланцевый газ, и как следствие глубоководная разведка и добыча способствуют растущей потребности в RTU.

Среди отраслевых рынков следует выделить: электроэнергетику, нефть и газ, водоотдачу, водоотведение и очистку, производство, транспорт, телекоммуникации, химическую продукцию, продукты питания и напитки, фармацевтику и автомобилестроение. Причем в автомобильном сегменте будет наблюдаться наибольшее число внедрений систем промышленной автоматизации.

Региональный обзор рынка SCADA

По прогнозам, Азиатско-Тихоокеанский регион будет лидировать на мировом рынке SCADA, что можно объяснить растущим внедрением автоматизации и Интернета вещей (IoT) для доступа к данным из удаленных мест посредством мобильных устройств. Ожидается, что правительственные инвестиции по внедрению SCADA для энергетики, водоснабжения и водоотведения также будут способствовать развитию рынка SCADA в этом регионе.

Благодаря улучшенному управлению электропитанием, а также огромным инвестициям в технологии, Северная Америка сохранит доминирование и будет иметь наибольшую долю доходов.

Ожидается, что из-за растущего спроса на методы автоматизации в нефтегазовом секторе Европа будет вторым по величине генератором доходов.

Ключевые игроки на рынке SCADA

1. IBM Corporation

2. Siemens AG

3. General Electric

4. Cisco Systems, Inc.

5. Alstom

6. ABB Ltd.

7. Emerson Electric Co.

8. Rockwell Automation, Inc.

9. Schneider Electric SE

10.Alstom

11.Honeywell International, Inc.

12.Omron Corporation

13.Yokogawa Electric Corporation

14.Iconics Inc.

15.Elynx Technologies, LLC

16.Enbase LLC

17.Globalogix

18.Inductive Automation

19.Deagital SAS

20.Mitsubishi Electric

21.Hitachi Ltd.

22.JFE Engineering Corporation

23.Partita IVA

24.Toshiba Infrastructure Systems & Solutions Corporation

Примечание. Разница в оценке объемов рынка SCADA двумя агентствами вероятно кроется в методологии исследования. Во-первых, агентство Facts&Factors при анализе SCADA рынка оборудования изучает три основных компонента: удаленные терминалы, ПЛК и HMI. В то время как Maximize Market Research добавляет к этим категориям устройства связи и иные продукты.

Во-вторых, Maximize Market Research, включает больше разработчиков, в частности такие именитые компании, как Cisco, Emerson, Honeywell, Hitachi, IBM и Omron, которых не указывает агентство Facts&Factors. Последнее вероятно сконцентрировалось в большей степени на специализированных разработчиках SCADA и меньше учитывает комплексные решения автоматизации, создаваемые многопрофильными компаниями. В таблице ниже собраны «непересекающиеся» вендоры, т.е. за вычетом компаний, отмеченных обоими агентствами.

Для справки:

Еще одну оценку объема рынка дает агентство «Research and Markets». Согласно его исследованию, объем мирового рынка SCADA вырастет с $9,8 млрд в 2022 году до $14,2 млрд к 2027 году, при среднегодовом темпе роста 7,8%.

С учетом данных трех аналитических агентств несложно подчитать, что в среднесрочном периоде, а именно в течение ближайших 5-8 лет мировой рынок SCADA будет прибавлять порядка 900 млн долларов в год.

Электроэнергетический рынок SCADA (Power SCADA)

По данным агентства Coherent Market Insights рынок Power SCADA оценивается в $2,71 млрд в 2024 году и, как ожидается, достигнет $4,41 млрд к 2031 году, демонстрируя совокупный годовой темп роста (CAGR) в 7,2%.

Тенденции рынка Power SCADA

Прогнозируется, что благодаря интеграции возобновляемых источников энергии в существующие электросети, внедрению современной инфраструктуры измерения и появлению микросетей в течение ближайших 7 лет на рынке произойдет значительный рост. Тенденция энергетического рынка SCADA демонстрирует растущий спрос на облачные системы и аналитические решения. Рост интеллектуальных сетей также предоставляет разработчикам SCADA возможности для создания продуктов оптимизированного управления. Однако рост рынка может быть затруднен из-за угроз кибербезопасности критической инфраструктуры и нехватки квалифицированной рабочей силы, с которой сталкиваются коммунальные предприятия во всем мире.

Спрос на электроэнергию растет во всем мире

Поскольку население мира и уровень жизни продолжают расти, растет и спрос на существующую инфраструктуру производства и распределения электроэнергии. Коммунальные предприятия как в развитых, так и в развивающихся регионах вкладывают значительные средства в расширение и модернизацию производства и передачи электроэнергии. Согласно прогнозам, мировой спрос на энергию вырастет на 30% в течение следующих двух десятилетий. Для удовлетворения этого спроса потребуется массовое строительство новых электростанций, а также модернизация сетей доставки электроэнергии в города и сельскую местность.

С помощью SCADA операторы сетей получают возможность просмотра в режиме реального времени всех систем генерации, передачи и распределения электроэнергии с тем, чтобы выявить места неэффективного ее использования или ограничений. Когда происходят резкие скачки спроса, например, во время аномальной жары или в периоды пикового промышленного производства, SCADA позволяет автоматически и удаленно корректировать маршрутизацию потоков. Это также облегчает интеграцию с традиционными генерирующими ресурсами возобновляемых источников энергии, таких как солнечные и ветряные электростанции, имеющих переменную мощность, которую необходимо тщательно балансировать.

Растущая зависимость от возобновляемых источников энергии

Растущая обеспокоенность по поводу изменения климата в сочетании с достижениями в области технологий возобновляемой энергетики побудили многие страны существенно увеличить количество энергии, получаемой без вредных выбросов от альтернативных источников, таких как солнечные, ветровые и гидроэлектростанции. По данным Международного энергетического агентства, если текущие политические обязательства будут выполнены, то доля возобновляемых источников энергии в общем объеме производства электроэнергии в мире может вырасти до более чем на 30% к 2040 году. Но несмотря на положительную тенденцию с экологической точки зрения, интеграция большого количества переменных, имеющихся у возобновляемых источников, таких как ветер и солнечная энергия, в существующие энергосети представляет собой технические проблемы, которые операторы сетей решают посредством интеллектуального мониторинга и контроля. Системы SCADA дают возможность операторам сетей поддерживать стабильные поставки электроэнергии, даже несмотря на то, что доля прерывистой генерации из возобновляемых источников в их системах значительно возрастает. Например, SCADA позволяет коммунальным предприятиям определять периоды высокой мощности ветра и солнечной энергии, что позволяет эффективно распределять или хранить избыточную электроэнергию.

Проблемы рынка

Рынок энергетического SCADA сталкивается с рядом трудностей. Устаревшая инфраструктура и необходимость ее модернизации представляют собой серьезную проблему, поскольку коммунальные предприятия ограничены в бюджете. Кроме того, растущая сложность сетевых операций из-за увеличения доли возобновляемых источников энергии затрудняет мониторинг сети. Недостаток квалифицированной рабочей силы также может препятствовать эффективному управлению энергосистемой. Коммунальным предприятиям сложно внедрять новые технологии из-за опасений, связанных с целостностью системы и проблемами безопасности со стороны киберугроз. Высокие первоначальные затраты на установку передовых систем SCADA также служат барьером, особенно для коммунальных предприятий в развивающихся регионах.

Возможности рынка

Модернизация сетей дает импульс для модернизации SCADA. Внедрение технологий интеллектуальных сетей повышает экономическое обоснование решений автоматизации. Коммунальные предприятия инвестируют в цифровизацию с тем, чтобы повысить эффективность, оптимизировать операции и интегрировать больше возобновляемых источников энергии. Растущий спрос на микросети и децентрализованное производство электроэнергии расширяет возможности для локализованного развертывания SCADA.

Архитектура SCADA

С точки зрения архитектуры, аппаратное обеспечение занимает 50% рынка Power SCADA, поскольку оно играет принципиально важную роль в работе системы. Аппаратное обеспечение, такое как удаленные терминалы, программируемые логические контроллеры, коммуникационная инфраструктура и человеко-машинные интерфейсы, которые собирают полевые данные, выполняют команды управления и отображают информацию о процессе операторам. Надежная и стабильная работа этих устройств имеет первостепенное значение для поддержания контроля над сетями производства, передачи и распределения электроэнергии. Любые неисправности или перебои, вызванные проблемами с оборудованием, могут серьезно повлиять на стабильность и безопасность электроснабжения. Внеплановые отключения сокращают мощность и увеличивают затраты, а технические неисправности могут поставить под угрозу безопасность работников или вызвать отключения электроэнергии. Таким образом, производители оборудования уделяют пристальное внимание разработке продуктов, обладающих лучшими в отрасли надежностью, долговечностью, защитой от киберугроз и отказоустойчивым резервированием. Они также предоставляют обширное послепродажное обслуживание и техническую поддержку с тем, чтобы свести к минимуму время простоя из-за незапланированного технического обслуживания. В целом упор на надежность приводит к тому, что оборудование имеет самые длинные жизненные циклы и самую низкую совокупную стоимость владения по сравнению с другими архитектурными сегментами.

Удаленный доступ способствует доминированию сегмента RTU

Что касается компонентов, удаленные терминальные блоки (RTU) занимают 41% доли рынка Power SCADA благодаря их роли в обеспечении широкомасштабного дистанционного управления и мониторинга. RTU служат основными устройствами, установленными на необслуживаемых полевых объектах в обширной инфраструктуре производства электроэнергии для осуществления связи, агрегирования и передачи данных. Они контролируют датчики, управляют автоматическими выключателями, а также консолидируют оперативные данные из многочисленных удаленных мест для передачи в центры управления. Учитывая масштаб и географическое распространение энергетической инфраструктуры, наличие возможностей удаленного доступа имеет важное значение для эффективного контроля со стороны операторов. RTU позволяют производить распределенное управление активами без необходимости постоянного физического присутствия на каждом объекте.

Региональное развитие

Северная Америка в настоящее время является крупнейшим и наиболее доминирующим регионом на мировом рынке SCADA в сфере энергетики. На долю региона приходится около 41% общей доли рынка благодаря присутствию в регионе таких крупных игроков рынка, как ABB, Schneider Electric и General Electric. Эти компании вкладывают значительные средства в разработку новых и инновационных решений SCADA, отвечающих растущей индустриализации и развитию инфраструктуры в странах США и Канады. Более того, региональные правительства постоянно работают над модернизацией стареющей энергетической инфраструктуры, что в дальнейшем помогает создать выгодные условия для развертывания передовых систем SCADA.

Азиатско-Тихоокеанский регион может стать самым быстрорастущим рынком решений Power SCADA в мире. Проекты быстрой индустриализации и урбанизации в развивающихся экономиках Китая, Индии и стран Юго-Восточной Азии увеличили спрос на системы, которые могут обеспечить эффективный мониторинг и управление сложными энергосетями. Многие региональные электроэнергетические компании, а также независимые производители электроэнергии внедряют современные системы SCADA, чтобы улучшить прозрачность и контроль над своими территориально распространенными энергетическими активами. Кроме того, ожидается, что присутствие глобальных поставщиков SCADA совместно с местными системными интеграторами, ускорит рост регионального рынка в течение следующего десятилетия. Такие страны, как Китай, также реализовали инициативы, поддерживающие внутреннее производство компонентов SCADA, что привело к увеличению регионального импорта и экспорта.

Конкуренция на электроэнергетическом рынке SCADA и ПО автоматизации

Ключевые игроки на рынке Power SCADA

• ABB

• Emerson

• Siemens

• Schneider Electric

• Eaton Corporation

• Rockwell Automation

• Hitachi

• Honeywell

• Indra Sistemas

• PSI AG

• Toshiba Corporation

• Emerson Electric Co. Establishment

• Alstom

• General Electric Co.

• Honeywell International Inc.

• Omron Corporation

• Yokogawa Electric Corporation

• Iconics Inc.

• Enbase LLC

• Globalogix

Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики

Усиление государственного регулирования в области энергосбережения (ФЗ 261 и другие нормативные акты) и сложность экономической ситуации в России стимулирует собственников к учету и экономии ресурсов. Соответственно увеличивается охват хозяйственной деятельности различных субъектов экономики приборами учета, и у каждого такого субъекта встает задача выбора наиболее подходящих ему приборов учета. Критерии такого выбора могут быть самые разные. Если у субъекта стоит задача автоматического сбора показаний счетчиков в единый центр учета энергоресурсов, то такие счетчики должны быть оснащены цифровым интерфейсом для передачи данных. В существующих решениях по построению распределенных АСКУЭ основной упор делается на выбор физической среды передачи данных от счетчика на верхний уровень (PLC-технология передачи по силовой линии, радиоканал, проводная связь RS 485, Ethernet и др.). Вместе с тем имеет определенное значение и используемый протокол передачи данных.

Несмотря на это, в настоящее время российские производители приборов учета не придерживаются какой-либо общепризнанной системы в выборе протоколов, вследствие чего наблюдается целый «зоопарк» разнообразных протоколов у производителей приборов учета. Это затрудняет их интеграцию в АСКУЭ. Учет используемых протоколов при осознанном выборе приборов может оказаться полезным для хозяйствующего субъекта. В настоящей статье приводится обзор широко используемых и перспективных протоколов передачи данных приборов учета, используемых в России и Европе. В обзоре рассматриваются протоколы, отвечающие российским/европейским стандартам, и не рассматриваются частные фирменные разработки, из-за их ограниченной сферы применения.

Протокол Modbus

Начнем с вездесущего протокола Modbus. Он используется в самых разных областях автоматизации, в том числе и в приборах учета электричества, газа, воды и тепла. Широко распространен как за рубежом, так и в России. Этот протокол основан на архитектуре ведущий/ведомый, может использоваться для передачи данных через последовательные интерфейсы RS 485/422/232, а также через сети TCP/IP. Типы данных – однобитовые (Coils) и целочисленные (Registers). К достоинствам данного протокола относится открытость, простота, массовое распространение, дешевизна технологии. Тем не менее, для задач учета этот протокол подходит не в полной мере.

Недостатки:

1. Определяет метод передачи только двух типов данных;

2. Не регламентирует начальную инициализацию системы. Назначение сетевых адресов и прописывание в системе параметров каждого конкретного устройства выполняются вручную на этапе адаптации и программирования системы;

3. Не предусмотрена передача сообщений по инициативе подчиненного устройства (прерываний);

4. Длина запроса ограничена, а данные могут быть запрошены только из последовательно расположенных регистров;

5. Не предусмотрен способ, с помощью которого подчиненное устройство могло бы обнаружить потерю связи с ведущим;

6. Соответствие регистров типам измерений и измерительным каналам не регламентировано.

На практике это может приводить к несовместимости протоколов счетчиков разных типов даже одного производителя и к необходимости поддержки большого числа протоколов и их модификаций встроенным ПО устройств сбора и передачи данных (УСПД) (при двухуровневой модели опроса – ПО сервера сбора) с ограниченной возможностью повторного использования программного кода.

С учетом избирательного следования протоколу производителями (использование нерегламентированных алгоритмов подсчета контрольной суммы, изменение порядка следования байтов и т. п.) ситуация усугубляется еще больше.

Протокол DLMS/COSEM

Гораздо более сложным, чем протокол Modbus, является протокол DLMS/COSEM (IEC 62056), применяемый для учета электричества, газа, воды, тепла. Он распространен преимущественно за рубежом. Это стек ориентированный протокол, базирующийся на концепциях модели OSI, регламентирующий обмен данными между приборами учета и системами сбора данных, в основе которого лежит клиент-серверная архитектура.

DLMS – спецификация прикладного уровня, разработанная для стандартизации сообщений, передаваемых по распределительным линиям. Ею регламентируются: дистанционное считывание показаний с приборов учета, дистанционное управление, а также дополнительные сервисы для измерения любого вида энергоресурса.

COSEM – спецификация, в которой отражена интерфейсная модель приборов учета, обеспечивающая представление их функциональных возможностей. Интерфейсная модель использует объектно-ориентированный подход.

Достоинства протокола:

1. Возможность широкого выбора интерфейсов для передачи данных: RS 232/485, PSTN, GSM, GPRS, IPv4, PPP и PLC;

2. Определяет интерфейсную модель, действительную для любого типа энергоресурса. Система, построенная на базе протокола DLMS/COSEM, открыта для расширения путем добавления новых возможностей без изменения имеющихся сервисов;

3. Стандартизует функционал прибора учета: регистрация потребления, тарифное планирование, измерение качества электроэнергии и др.;

4. Обеспечивает контролируемый и безопасный доступ к информации внутри прибора учета (открытый доступ, доступ по паролю и с аутентификацией). Информация, передаваемая по коммуникационным линиям, может быть дополнительно зашифрована;

5. Позволяет создавать унифицированные драйверы, посредством которых становится возможным связываться с приборами учета разных типов от различных производителей;

6. Широко распространен среди зарубежных приборов учета.

Однако у DLMS/COSEM есть и весомые недостатки:

1. Проблема полноты и “чистоты” реализации стандарта. На практике опрос счетчика с заявленной поддержкой DLMS одного производителя программой опроса другого производителя либо ограничен основными параметрами, либо попросту невозможен;

2. Большая сложность протокола;

3. Крайняя непопулярность среди отечественных производителей приборов учета.

Протокол M BUS

Далее рассмотрим протокол M BUS (ГОСТ Р ЕН +7(1434-3-2011, EN1434-3, EN13757). Сферой его применения являются преимущественно учет тепла и воды, также возможен учет электричества и газа. Он широко распространен в Европе, в России он тоже набирает популярность. Архитектура шины ведущий/ведомый. Используется стандартный телефонный кабель, шина полудуплексная, допустимые скорости передачи данных 300…9600 бит/с. Число устройств в сети – до 250 ед. Дальность работы в стандартной конфигурации до 1000 м. Логическая единица передается уровнем 36 В, с возможностью потребления от линии тока до 1,5 мА, логический ноль передается напряжением 24 В на master устройстве. Мастер передает данные меняя напряжение на линии: логической «1» соответствует 36 В, логической «0» 12…24 В. Ведомое устройство передает данные нагружением линии: в пассивном состоянии (логическая «1») ток нагрузки на линию связи должен быть ≤ 1,5 мА и не меняться в отсутствие передачи. Для передачи логического «0» ведомое устройство увеличивает ток потребления до 11…20 мА. Соответственно мастер отслеживает изменение тока нагрузки, определяя логическую «1» как неизменный ток, а увеличение тока потребления – как логический «0».

Стандарт тщательно оптимизирован для пониженного потребления и позволяет обходиться без отдельного внешнего источника питания конечного устройства, используя внутреннюю батарею и питание от самой линии, также отсутствует необходимость соблюдения полярности. Специфицирован также вариант M Bus для беспроводных сетей – Wireless M Bus (частота устройств 868,95 МГц).

Протокол хорошо проработан, его несомненными достоинствами являются:

1. Архитектура сети (витая пара) может быть практически любой топологии (кроме закольцованных);

2. Гарантированная передача данных относительно небольшого объема от большого числа приборов учета на расстояние до нескольких километров в условиях высокого уровня помех;

3. Умеренная стоимость оборудования и затраты на установку и эксплуатацию;

4. Простота расширения системы в течение эксплуатации;

5. Пассивное электропитание интерфейса Slave- устройств;

6. В развитии стандарта предлагается криптографическая защита данных с помощью симметричного шифра AES.

Недостатки протокола:

1. Применяется только в тех задачах, где не критична низкая скорость передаваемых данных;

2. Соответствие передаваемых данных типам измерений и измерительным каналам не регламентировано;

3. Ограниченный выбор оборудования на российском рынке для построения сетей M Bus. Недостаток справочной и технической документации.

ГОСТ Р МЭК 60870-5

Хорошо разработанным является набор протоколов по ГОСТ Р МЭК 60870-5 «Устройства и системы телемеханики. Часть 5. Протоколы передачи» (IEC 60870-5). Он используется, как правило, при интеграции систем телемеханики и учета электроэнергии. Например, при мониторинге состояния сетей 0,4/10 кВ. Он распространен за рубежом и несколько ограниченно в России. Это хорошо проработанный ряд стандартов, охватывающий разные уровни сетевого взаимодействия: начиная от физического уровня и кончая прикладным уровнем. На физическом уровне используется асинхронный интерфейс (UART). Диапазон скорости 300…9600 бод. Поддерживается также работа со стандартными сетями TCP/IP (Ethernet и модемное соединение). Возможно шифрование данных. Раздел +7(60870-5-102 является обобщающим стандартом по передаче интегральных параметров в энергосистемах. Стандарт +7(60870-5-104, например, может использоваться при передаче данных по Ethernet, а стандарт +7(60870-5-101 – при передаче данных через GSM/GPRS модем.

В качестве замечаний можно высказать следующее:

1. Поддержка этих протоколов счетчиками электроэнергии довольно ограничена;

2. Ограниченная поддержка протоколов системами верхнего уровня.

Стандарт PLC (IEC 61344)

Сферой применения стандарта PLC (IEC 61344) преимущественно является сбор данных с электросчетчиков. Также иногда допускается подключение расходомеров, теплосчетчиков, газовых корректоров. Распространен стандарт, как за рубежом, так и в России. Среда передачи данных — электросети среднего (4…30 кВ) и низкого напряжения (0,2…0,4 кВ). Для передачи данных используются различные виды модуляции электрического сигнала (S FSK, SS-FFH, OFDM, DCSK). Существуют сети PLC-I и PLC-II. Сети PLC-I могут выполнять статистические функции, то есть сбор и обработку информации за определенные временные отрезки, на основании которой производятся анализ и расчеты за потребленные виды энергии. АСКУЭ, построенная на базе оборудования PLC-II, кроме возможности статистического учета, может выполнять оперативно-измерительные функции, то есть в режиме, приближенном к режиму реального времени, отслеживать потребление и качество энергоносителей. Также через PLC-II можно управлять нагрузкой (включать/отключать потребителей). Основное назначение оборудования PLC-I – построение недорогой АСКУЭ бытовых потребителей. При необходимости получения более широкого набора данных необходимо развертывать более дорогие сети PLC-II. На большинстве объектов связь для PLC-I обеспечивается на расстоянии 400…800 м; на новых сетях, выполненных самонесущим проводом, – до 1000 метров. Для увеличения этого расстояния требуются ретрансляторы. Применение ретрансляторов увеличивает расстояние уверенного приема в 1,5…1,8 раза.

К достоинствам этого способа связи относятся:

1. Удешевление и упрощение монтажа за счет отсутствия необходимости прокладывать дополнительные информационные кабели для сбора данных. Это особенно важно, когда нужно сохранить интерьер помещений (особенно уже отремонтированных), или если сбор данных ведется с территориально разбросанных счетчиков (коттеджные и дачные поселки);

2. Пусконаладочные работы не требуют какой-то особой квалификации и могут выполняться силами местных специалистов. При грамотном монтаже оборудование PLC связи не нуждается в наладке.

Недостатки:

1. Максимальная длина линии связи сильно зависит от качества силового кабеля («скрутки», плохие контакты или износ линий) и от наличия помех от подключенного оборудования (мощные моторы, преобразователи частоты, устройства плавного пуска). В случае «плохой» силовой линии иногда бывает невозможно ее использовать для передачи данных;

2. Ограниченный набор передаваемых данных в наиболее распространенных недорогих сетях PLC-I;

3. Несмотря на наличие стандарта IEC 61344, каждый производитель использует свои закрытые протоколы обмена данными, а часто и свои способы модуляции сигнала. Поэтому применение различных PLC-устройств в рамках одной сети 0,4 кВ проблематично, а часто и просто невозможно. Соответственно с один раз выбранным поставщиком придется работать долгие годы;

4. Достаточно сложные технические решения при необходимости установить связь между приборами, находящимися на нескольких понижающих подстанциях, подключенных к одной линии 10 кВ, и базовой станцией, также находящейся на одной из этих подстанций.

Заметим, что стоит отличать собственно стандарт PLC (IEC 61344) и PLC-технологию передачи данных по силовой линии. Указанная PLC–технология используется не только стандартом IEC 61344, но стандартами DLMS\COSEM, KNX, LonWorks и некоторыми другими.

Стандарт Euridis

В заключение в качестве достаточно нового зарубежного протокола рассмотрим Euridis (IEC 62056-31). Сферой его применения является учет электричества. Распространен он довольно ограниченно – преимущественно Франция, Северная Африка. В качестве среды передачи используется витая пара, длина линии – до 500 м, число устройств в сети – до 100 ед., скорость передачи – 1200 бит/с. Для связи используется асинхронная, полудуплексная, двунаправленная передача данных. В качестве положительных сторон данного протокола отметим наличие процедуры аутентификации для защиты данных и невысокую стоимость оборудования.

К недостаткам протокола отнесем:

1. Ограниченный регион распространения;

2. Небольшое число устройств с поддержкой данного протокола;

3. Ограниченную среду передачи – витая пара. Для использования других сред требуются шлюзы;

4. Применяется только в тех задачах, где не критична низкая скорость передаваемых данных.

Краткая оценка протоколов

Протокол Euridis, распространен только в отдельных регионах. Его применение ограничивается электроэнергетикой.

Протокол Modbus имеет большую популярность, но ему присущ ряд существенных недостатков, ограничивающих его применение в системах учета энергоресурсов. На сегодняшний день ModBus не способен решить проблему протокольной разобщенности измерительного и контрольного оборудования для энергосистем.

ГОСТ Р МЭК 60870-5 предоставляет достаточно гибкий набор протоколов, что кроме преимуществ вносит и дополнительные сложности: разные производители приборов учета/УСПД могут поддерживать разные протоколы, что затрудняет их интеграцию в единую систему. Хотя применение этого стандарта в настоящее время ограниченно преимущественно электроэнергетикой, в этой сфере у него сильные позиции.

Протокол M BUS является весьма перспективным, для него разработаны законченные АСКУЭ, создана Open Metering System – европейская инициатива, преследующая цель унифицировать сбор данных с приборов учета ресурсов на основе шины M BUS. Успехом завершились усилия по интеграции шины KNX и M BUS, что позволяет строить законченные решения по автоматизации зданий. Заметим все же, что в протоколе M BUS соответствие передаваемых данных типам измерений и измерительным каналам не регламентировано, что требует индивидуальной настройки считывающего устройства верхнего уровня (наподобие УСПД) под конкретный прибор учета.

Протокол DLMS/COSEM позволяет теоретически добиться построения систем сбора данных, независимых от конкретного производителя и модификации прибора учета. То есть такие системы являются наиболее гибкими и открытыми. Среди зарубежных производителей он является одним из самых распространенных. Недостатком протокола является его существенная сложность.

Применение стандарта PLC является хорошим и недорогим способом для построения систем учета электроэнергии.

Заключение

Таким образом, ни один из существующих протоколов не является единственным кандидатом на роль универсального протокола для всех приборов учета. Что же делать системному интегратору, собирающемуся строить АСКУЭ с централизованным сбором данных?

При достаточной квалификации инженеров и ограниченных средствах можно посоветовать взять приборы учета с протоколом Modbus – вариант «дешево и сердито». При этом будет гарантировано как наличие достаточной номенклатуры счетчиков, поддерживающих данный протокол, так и умеренную стоимость получаемого решения. Правда, при этом потребуется достаточно трудоемкая задача считывания данных из нужных регистров, если не воспользоваться какой-либо готовой фирменной утилитой от производителя счетчиков.

При внешней привлекательности DLMS/COSEM становиться российским первопроходцем решения на его основе будет весьма накладно. Российских счетчиков с таким протоколом нет, использовать европейские при текущем курсе евро – недешево. Потребуется использовать и западный нерусифицированное программное обеспечение на верхнем уровне, что влечет непростую наладку и последующее дорогостоящее обслуживание.

Использование приборов учета с M BUS полностью оправдано для жилищного строительства премиум-сегмента (офисные «интеллектуальные» здания, дорогостоящие коттеджи). При этом система учета на M BUS может быть гармонично интегрирована в существующую систему автоматизации на основе европейской шины KNX, что обеспечит полную и прозрачную автоматизацию сверху донизу. Можно M BUS использовать и для обычного жилья, но здесь тормозящим фактором выступит не слишком большая распространенность этого протокола, и как следствие, привязка в дальнейшем к раз выбранному вендору.

Если стоит задача мониторинга и учета электроэнергии на оптовом и розничном рынках (например, мониторинг трансформаторных подстанций), то следует обратить особое внимание на решения на основе протоколов ГОСТ Р МЭК 60870-5. Эти протоколы хорошо приспособлены для решения этой задачи. Такой протокол может быть использован при передаче данных от электросчетчиков/УСПД на верхний уровень (SCADA-система, АСКУЭ).

При сборе данных о потребленном электричестве с низового уровня (с электросчетчиков) предпочтителен протокол PLC, когда прокладка кабеля с данными (RS 485, Ethernet) невозможна (порча интерьера помещения) или дорогостояща (большие расстояния).

Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики (МЗТА)

Протоколы связи являются важной частью ПО автоматизации. В настоящее время даже простые датчики имеют встроенные коммуникационные порты для обмена данными, не говоря уже о ПЛК. В этой связи стоит рассмотреть два старейших, но до сих пор широко используемых протокола связи – Modbus и Profibus. Оба звучат одинаково, но имеют свои особенности. В чем между ними разница? Отвечает на этот вопрос статья на портале InstrumentationTools.

Что такое Modbus?

Modbus – это протокол связи, разработанный компанией Schneider Electric, ранее известной как Modicon. Вот почему он называется Modbus. Modbus передает данные по последовательной линии, в которой используются аппаратные интерфейсы, такие как RS-232, Ethernet и RS-485.

Последовательная линия связи означает, что одновременно передается и принимается только один бит. Не допускается одновременная передача нескольких битов. Таким образом, последовательная связь немного медленнее параллельной.

Modbus имеет два формата – RTU и ASCII. RTU используется в двоичном формате, тогда как ASCII использует в текстовый формат ASCII. Modbus – это открытый протокол, то есть любой поставщик может использовать его, встроив в соответствующее программное обеспечение.

Modbus работает в формате ведущий-ведомый. Это означает, что есть одно ведущее устройство, которое запрашивает данные от других ведомых устройств. Подчиненные устройства отвечают и обмениваются данными с ведущим.

В стандартной сети Modbus может быть максимум 247 подчиненных устройств. Бит отправляется и принимается в виде напряжения. Нулевой бит означает +5 В, а единичный бит означает -5 В. Modbus идентифицируется по таким данным, как адреса регистров катушек, код функции, идентификатор устройства и тип чтения/записи.

Кроме того, одной из основных функций, связанных с данными Modbus, является CRC (cyclic redundancy code – циклический избыточный код). Два байта добавляются в конце каждого сообщения Modbus для обнаружения ошибок.

Что такое Profibus?

Profibus означает Process (Pro) Field (Fi) Bus и был разработан Siemens. Profibus можно назвать расширением протокола Modbus, и он более продвинут. Profibus существует в двух модификациях: Profibus DP (Decentralized Peripherals – децентрализованная периферия) для автоматизации машин и Profibus PA (Process Automation – автоматизация процессов) для автоматизации процессов. В них встроены дополнительные функции в соответствии с требованиями приложения. Это позволяет программистам использовать протоколы в соответствии с их задачами. Но, в отличие от Modbus, который работает на трех разных аппаратных уровнях, этот протокол работает только в RS-485.

Единственное, что отличает Profibus – это режим с несколькими мастерами, в то время как Modbus позволяет использовать только одного мастера. Это возможно за счет дополнительного протокола Token Ring в нем. Каждый мастер проходит последовательность запуска при холодном или теплом старте.

Подчиненные устройства ждут, пока мастер запросит данные, и если они не получат ни одного запроса в течение определенного периода времени, он перейдет в спящий режим. В этом случае мастеру необходимо снова пройти этап запуска и инициировать связь. Это означает, что все ведущие и ведомые устройства доступны в сети для корректной связи. Однако режим с несколькими ведущими устройствами доступен только в системе Profibus PA.

Разница между Modbus и Profibus

1. Modbus – это открытый протокол, тогда как Profibus таковым не является, т.е. никто не может его свободно использовать.

2. Modbus разработан компанией Schneider Electric, а Profibus – компанией Siemens.

3. Двумя вариантами Modbus являются Modbus RTU и Modbus ASCII, тогда как двумя вариантами Profibus являются Profibus DP и Profibus PA.

4. Profibus обеспечивает более скоростную связь, чем Modbus.

5. Modbus может работать на разных аппаратных уровнях, таких как RS-232, RS-485 и Ethernet, тогда как Profibus может работать только на уровне RS-485.

6. У Modbus может быть только один Мастер, тогда как у Profibus может быть несколько Мастеров.

7. С точки зрения программирования Modbus намного проще в использовании, чем Profibus.

8. Profibus более эффективен и надежен для использования в сложных сетях связи, чем Modbus.

9. Profibus имеет больше возможностей для диагностики и устранения неисправностей, чем Modbus.

Сравнение Modbus и Profibus

Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики

Объем рынка программного обеспечения промышленной автоматизации оценивается в $37,84 млрд в 2024 году и, как ожидается, достигнет $55,34 млрд к 2029 году, со среднегодовым темпом роста 7,9%. Такие данные в своем отчете приводит аналитическое агентство Mordor Intelligence. Величина рынка ПО автоматизации в целом, т.е. не только производственных процессов к 2030 году составит $76,4 млрд, приращивая в среднем по 16,5% в год, что отражено в исследовании агентства Acumen Research and Consulting. Также прилагаем данные о рыночной нише ПО автоматизации и диспетчеризации SCADA, подготовленные агентством Precedence Research.

Приводим выдержки из исследований и начнем обзор с рынка программного обеспечения промышленной автоматизации, а после рассмотрим рынок автоматизации в целом.

Что дает ПО автоматизации

• Программное обеспечение промышленной автоматизации является основополагающей системой управления всех производственных процессов.

• Промышленная автоматизация дает такие преимущества, как упрощенный мониторинг, сокращение машино-часов на выполнение операций, снижение отходов и увеличение скорости производства.

• ПО автоматизации сокращает время простоев, уменьшает количество сбоев и помогает составить график технического обслуживания, а также позволяет переключиться из режима ожидания и реакции на уже возникшие проблемы в состояние прогнозирования, т.е. создать предписывающие меры для принятия решений (предиктивная аналитика).

• Автоматизация снижает затраты и повышает качество управления производством за счет подключения промышленного оборудования к АСУ ТП и получения данных в режиме реального времени. Ключевую роль здесь играет внедрение широкого спектра программно-аппаратных средств, перечислим лишь аббревиатуры: SCADA, HMI, ПЛК, MES, APM, APC, PLM, OTS и ПО визуализации.

Тенденции глобального рынка промышленной автоматизации

• Ожидается, что глобальный спрос на интернет-технологии сместится от потребительского спроса в сторону промышленного пространства, в первую очередь благодаря различным приложениям Индустрии 4.0.

• Промышленный Интернет вещей (IIoT) и упомянутая Индустрия 4.0, совместно входят в такое понятие как интеллектуальная автоматизация производства (Intelligent Process Automation – IPA), находящаяся в центре новых технологических подходов по разработке, производству и управлению цепочкой технологических операций. Это доминирующие тенденции в промышленном секторе, где машины и устройства подключаются через интернет.

• Росту рынка будут способствовать перерабатывающие отрасли промышленности, такие как химическая, нефтяная, газовая, целлюлозная и пищевая, а также энергетика, коммунальное хозяйство, фармацевтика и водоочистные предприятия.

• Согласно исследованию корпорации Microsoft 85% компаний имеют по крайней мере один проект использования IIoT. Это число, вероятно, увеличится, поскольку 94% респондентов заявили, что внедрили стратегии IIoT еще в 2021 году. Кроме того, по данным GE Digital, 58% производителей Интернета вещей говорят, что именно промышленный Интернет вещей в производстве чрезвычайно важен для успешной цифровой трансформации бизнеса.

• Из-за высокого уровня внедрения подключенных устройств и датчиков, участвующих в обеспечении межмашинной связи (Machine-to-Machine – M2M) произошел всплеск генерации данных во всех отраслях промышленности, включая нефтегазовую, химическую, энергетическую, автомобильную и ЖКХ.

• С ростом числа подключенных устройств и соответственно M2M-соединений, станет более заметной и значимой потребность в их мониторинге и контроле.

• Разработки в области искусственного интеллекта (ИИ) и робототехники призваны помочь или даже полностью автоматизировать многие задачи социального взаимодействия. Достижения в области робототехники находят применение также в сфере услуг, включая здравоохранение, логистику, экспертизу и уборку, хотя большинство из них по-прежнему связаны с промышленной автоматикой.

• Решения промышленной автоматизации, такие как SCADA, позволяют сократить трудозатраты, необходимые для выполнения задач, тем самым снижают соответствующие затраты на рабочую силу, являющиеся одной из крупнейших статей расходов любого бизнеса.

• Промышленные роботы используются для выполнения различных задач во многих отраслях. Хотя высокоавтоматизированный сектор автомобилестроения остается одной из наиболее важных областей применения электромеханических машин, больше всего промышленных роботов установлено в электротехнической и электронной промышленности. Такие отрасли, вероятно, повысят спрос на программное обеспечение, что в ближайшем будущем соответственно увеличит спрос на робототехнику.

• По данным Международной федерации робототехники, поставки промышленных роботов в ближайшие годы увеличатся, даже превысив пик 2018 года. Ожидается, что в 2024 году поставки промышленных роботов по всему миру достигнут 518 тысяч штук.

Ограничивающие факторы: первоначальные затраты, связанные с внедрением решений промышленной автоматизации достаточно высоки. Кроме того, затраты на найм и обучение сотрудников, способных работать с данными продуктами, увеличивают общую стоимость владения решением, что может препятствовать росту рынка. Пандемия COVID-19 привела к падению рейтингов различных предприятий и негативно повлияла на рост рынка программного обеспечения промышленной автоматизации. Многим средним и малым предприятиям были необходимы дополнительные инвестиции с тем, чтобы позволить себе внедрение АСУ ТП.

Ключевые игроки рынка ПО промышленной автоматизации

Рынок программного обеспечения промышленной автоматизации является умеренно конкурентным и состоит из нескольких главных игроков. Ключевые из них, занимающие заметную долю на рынке, концентрируются на расширении клиентской базы за рубежом.

Лидеры глобального рынка программного обеспечения промышленной автоматизации

1. Emerson Electric Co.

2. ABB Ltd.

3. Siemens AG

4. General Electric Company

5. Schneider Electric SE

Лидеры европейского рынка программного обеспечения для промышленной автоматизации

1. Siemens AG

2. ABB Ltd.

3. IBM Corporation

4. Emerson Electric Co.

5. Rockwell Automation, Inc.

Европейский рынок ПО автоматизации

На европейском рынке ожидается значительный рост. Отрасль робототехники и автоматизации является одной из самых инновационных в машиностроительном секторе Германии. Немецкие OEM-производители входят в число ведущих мировых научно-исследовательских компаний. Технологии взаимодействия человека и робота (HRC – Human-Robot Collaboration) и машинного зрения (MV – Machine Vision) находятся в центре внимания европейских и мировых производителей робототехники. Разработки в области искусственного интеллекта, включая машинное обучение приведут к еще большему внедрению как обычных промышленных роботов, так и коллаборативных роботов – коботов, т.е. манипуляторов, которые совместно с человеком участвуют в производственном процессе.

За последнее десятилетие индустрия машинного зрения в Германии и Европе росла быстрыми темпами. Помимо автомобильной, электротехнической и электронной промышленности, включая производство полупроводников, технологии машинного зрения используются в металлургии, пищевом производстве и упаковке, а также в непроизводственных отраслях, таких как дорожное движение, медицинское диагностическое оборудование и хирургия.

Многие исследовательские и инновационные программы ЕЭС постоянно поддерживают разработку цифровой автоматизации, оптимизации процессов производственных активов, технологии моделирования и анализа, а также инновации в области ИКТ для производственных малых и средних предприятий. В Великобритании, например, создается новый национальный исследовательский центр робототехники для развития интеллектуального производства, а ряд проектов финансируются государственно-частным партнерством под названием «Фабрика будущего».

Введение строгих стандартов энергосбережения и стремление к местной переработке стимулируют рынок Европы

Растущее регулирование энергопотребления по всей стране, введение строгих стандартов энергосбережения и стремление к местной переработке в Европе способствуют росту ПО промышленной автоматизации.

В мае 2022 года Европейская комиссия представила детали своего плана по уменьшению и последующей ликвидации зависимости энергетики Европы от российского ископаемого топлива. Осуществление этих целей считается возможным посредством энергосбережения, диверсификации поставок и быстрой замены ископаемого топлива на экологически чистые источники энергии.

Инвестиции четырех национальных сетевых операторов Германии в размере $50 млрд ассигнованы на значительное увеличение мощностей по передаче электроэнергии. Это, вероятно, также приведет к увеличению использования ПЛК в автоматизированных системах и будет стимулировать рынок в целом.

Рынок программного обеспечения автоматизации в целом

Основные показатели рынка программного обеспечения автоматизации по данным агентства Acumen Research and Consulting:

· Оборот мирового рынка ПО автоматизации возрастет с $19,9 млрд в 2021 году до 76,4 млрд к 2030 году, при этом среднегодовой темп роста составит 16,5%.

· На облачный сегмент продуктов ПО автоматизации в 2021 году пришлось более 58% общей доли рынка.

· Сегмент производственных приложений будет расти в среднем на 17,1% в год в период с 2022 по 2030 годы.

· Среднегодовой темп роста сегмента продуктов локального использования составит 17,3%.

· Увеличению рынка ПО автоматизации будет способствовать растущее внедрение новых технологий цифровой индустриализации, таких как например, промышленный Интернет вещей.

Динамика мирового рынка программного обеспечения автоматизации

Драйверы рынка:

· Растущая потребность в автоматизации для обеспечения высокого качества и надежности операций.

· Требование устранения человеческих ошибок и повышения эффективности использования времени.

· Увеличение внедрения массового производства с меньшими эксплуатационными расходами.

· Растущий спрос на повышение производительности труда и контроля над операциями.

· Широкое внедрение Индустрии 4.0 и новых технологий цифровой индустриализации, таких как промышленный Интернет вещей (IIoT) и облачные решения.

Перечисленные выше факторы будут способствовать увеличению рыночной стоимости ПО автоматизации.

Рыночные ограничения

· Ограниченная профессиональная доступность и осведомленность о безопасности ПО.

· Отсутствие развитой инфраструктуры в развивающихся странах для внедрения передовых устройств и нехватка квалифицированных специалистов.

· Высокие затраты на внедрение решений промышленной автоматизации.

Однако увеличение государственных расходов на обучение новых специалистов, высокие инвестиции со стороны крупных игроков и запуск новых продуктов являются факторами, которые, как ожидается, создадут новые возможности для игроков, работающих на рынке программного обеспечения промышленной автоматизации. Кроме того, ожидается, что растущее партнерство между региональными и международными игроками будет способствовать росту доходов данного рынка.

Некоторые факты. В 2021 году правительство США заявило, что потратит $10,9 млрд на интеллектуальную автоматизацию процессов (IPA). В то время как услуги искусственного интеллекта (ИИ) и роботизированной автоматизации процессов (Robotic Process Automation – RPA), как ожидается, будут иметь меньшие расходы – $4 млрд и $5,4 млрд соответственно. Кроме того, увеличение количества слияний и поглощений, а также появление новых продуктов для развития бизнеса и расширения клиентской базы будет способствовать росту рынка ПО промышленной автоматизации.

Сегментация рынка программного обеспечения автоматизации

Ожидается, что на сегмент локального программного обеспечения будет приходиться наибольшая доля доходов в течение прогнозируемых лет. Локальные версии ПО значительно более безопасны, поскольку программное обеспечение устанавливается внутри помещений, что обеспечивает превосходный контроль данных. С этой точки зрения локальное программное обеспечение предпочтительнее облачного, поскольку оно более защищено. Вместе с тем в облачном сегменте в 2021 году находилось более 58% предлагаемых продуктов.

Рынок программного обеспечения для автоматизации по приложениям:

· Банки, финансы, страхование

· ИТ и телекоммуникации

· Розничная торговля и потребительские товары

· Путешествия и гостиничный бизнес

· Здравоохранение

· Образование

· СМИ и развлечения

· Производство

· Другие

Ожидается, что благодаря своей высокой эффективности программное обеспечение автоматизации получит более широкое признание в обрабатывающей промышленности, что приведет к увеличению доходов в этом секторе.

Региональное распространение ПО автоматизации

Доля рынка программного обеспечения средств автоматизации по регионам –  страны, лидеры в области разработки ПО:

Северная Америка – США, Канада

Европа – Великобритания, Германия, Франция, Испания

Азиатско-Тихоокеанский регион – Индия, Япония, Китай, Австралия, Южная Корея

Латинская Америка – Бразилия, Мексика

Ближний Восток и Африка – ЮАР, страны Персидского залива

Ожидается, что в Азиатско-Тихоокеанском регионе будет наблюдаться самый быстрый среднегодовой темп роста программного обеспечения автоматизации, в частности из-за высоких государственных расходов на инфраструктуру.

Ведущие игроки рынка программного обеспечения автоматизации

В число ведущих компаний на рынке программного обеспечения автоматизации входят:

· ClickDimensions

· Act-On Software

· Oracle

· ActiveCampaign

· Sendinblue

· SAS

· Acoustic

· Salesforce

· GetResponse

· HubSpot

Некоторые из ключевых стратегий на мировом рынке автоматизации:

В 2021 году UiPath, ведущая компания по разработке программного обеспечения для автоматизации предприятий открыла свою первую школу автоматизации в Ирландии с тем, чтобы обучать новое поколение рабочей силы навыкам автоматизации.

В 2020 году компания Automation Anywhere, лидер в области роботизации, запустила своего банковского бота на базе искусственного интеллекта, который ускорит обработку кредитов с 3 недель до 3 дней.

Аналитическая сводка рынка SCADA (ПО диспетчерского управления и сбора данных) агентства Precedence Research

Исследование утверждает, что рынок возрастет с $10,56 млрд в 2023 году до $28,6 млрд к 2032 году, прибавляя в среднем 11,7% в год.

Расширению рынка SCADA способствуют факторы, присущие для всего рынка ПО автоматизации, плюс растущее внедрение решений для промышленной мобильности. Глобальный рынок растет также благодаря увеличению использования облачных систем SCADA, развитию таких инфраструктур как умный город и умный транспорт.

Нефтегазовый сегмент доминировал на мировом рынке SCADA в 2022 году по выручке. Однако сегмент продуктов питания и напитков, может также стать наиболее перспективным, поскольку в данном случае SCADA используется для визуализации производства и упаковки, соблюдения стандартов качества пищевых продуктов, сокращения отходов и профилактического обслуживания оборудования.

Азиатско-Тихоокеанский регион доминировал на мировом рынке SCADA в 2022 году и сохранит свои позиции, поскольку он является производственно-техническим центром, который поможет разрабатывать приложения SCADA, где такие страны, как Южная Корея, Китай и Япония предлагают лучшие решения.

Северная Америка также будет наиболее перспективным сегментом. Передовые решения и быстрое развитие технологий являются решающими факторами для огромного роста в этом регионе.

Лидеры рынка SCADA систем:

· Schneider Electric SE

· ABB Ltd.

· Hitachi Ltd.

· IBM Corporation

· Emerson Electric Co.

· Rockwell Automation Inc.

· Honeywell International Inc.

· Mitsubishi Electric Corporation

· Yokogawa Electric Corporation

· Omron Corporation

Завершая обзор следует привести данные о всём рынке программных и аппаратных средств промышленной автоматики. По данным того же агентства Precedence Research он возрастет с $211,58 млрд в 2023 году до $459,51 млрд к 2032 году, прибавляя в среднем по 9% в год.

Цифровизация и автоматизация стали уже целью, а требованием рынка

Материал подготовлен Московским заводом тепловой автоматики

Управление технологическими процессами производится в весьма широком круге областей, типичными из которых являются: сборка автомобилей, переработка нефти, выработка электроэнергии, а также техпроцессы в пищевой, фармакологической, химической, металлургической, электротехнической промышленности и многих других. Рассмотрим несколько видов техпроцессов и применяемые в них методы автоматизации.

Классификация технологических процессов

Непрерывный технологический процесс – это такой процесс, при котором сырье поступает в начало системы, а готовый продукт соответственно получается в конце, при этом производственный процесс протекает непрерывно. Для таких процессов характерно измерение конечной продукции объемами: тонны, литры, кубометры и т.д. Типичные отрасли, использующие непрерывный техпроцесс это: металлургия, химическая промышленность, нефтепереработка. Но возможно и исключение, когда продукция измеряется в штуках, но сам процесс непрерывный, например, конвейерная сборка двигателей (рисунок 1).

Детали монтируются последовательно на конвейере на блок цилиндров, который переходит через ряд станций. Сборка и регулировка осуществляются как автоматизированным, так и ручным способом.

Периодический или Batch-процесс – это такой процесс пакетной обработки, в котором отсутствует поток материала, переходящего от одного участка процесса к другому. Вместо этого определенное количество каждого компонента, получаемых из входных ресурсов, поступает в виде партии в соответствии с рецептурой, а затем над партией выполняются некоторые операция для производства конечного продукта. Примеры продукции, производимой с использованием периодического процесса: продукты питания, напитки, фармацевтика, краски, удобрения и т.п.

На рисунке 2 показан пример периодического процесса. Три ингредиента смешиваются вместе, нагреваются и затем поступают в хранилище готовой продукции. Состав и характеристики каждой партии могут меняться в зависимости от текущего рецепта.

Дискретный процесс – это процесс, характеризующийся раздельным изготовлением единицы продукции. При таком производственном процессе в результате ряда операций получается полезный продукт на выходе, а сами процессы не являются непрерывными. По своей природе каждый процесс может быть запущен или остановлен индивидуально, либо может выполняться с различной производительностью. Дискретные производственные системы обычно имеют дело с цифровыми входами программируемых логических контроллеров (ПЛК), которые приводят в действие моторы и роботизированные устройства. Деталь обычно представляет собой отдельную заготовку, которая должна обрабатываться индивидуально. Типовые отрасли, использующие дискретный процесс – это выпуск автомобилей или любой другой техники, упаковка и т.д. В таких процессах может использоваться универсальное технологическое оборудование, позволяющее выполнять на одном рабочем месте нескольких видов операций.

Зачастую на предприятии все типы технологических процессов используются одновременно на разных этапах производства (рис. 3)

Управление технологическими процессами

Конфигурации систем управления техпроцессом. Выделяют локальные, централизованные, распределенные системы управления и системы управления процессами. Каждая система использует ПЛК, которые удовлетворяют ряду характеристик по типу и количеству обрабатываемых сигналов, быстродействию и по требованиям эксплуатации.

Локальное (индивидуальное) управление – используется для управления одной машиной или технологической установкой. Этот тип управления обычно не требует связи с другими контроллерами.

На рисунке 4 показано локальное приложение для управления процессом обрезки заготовки по длине. Оператор вводит длину подачи и количество отрезаемых заготовок через интерфейсную панель управления, а затем нажимает кнопку «Пуск» с тем, чтобы запустить процесс. Далее конкретная установка работает независимо от наличия других установок на производстве.

Централизованное управление – используется в тех случаях, когда несколько машин или процессов управляются одним центральным контроллером. Схема управления использует единую комплексную систему управления множеством разнообразных производственных процессов и операций, например, транспортировка, визуальный контроль, взвешивание, сортировка и т.д., как показано на рисунке 5.

Основные характеристики централизованного управления можно резюмировать следующим образом:

• Каждый отдельный этап производственного процесса обрабатывается контроллером центральной системы управления.

• Никакой обмен статусом контроллера или данными с другими контроллерами не осуществляется.

• Если главный контроллер выходит из строя, весь процесс останавливается.

Обычно в централизованных системах используется централизованная SCADA для обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте управления.

Распределенная система управления – РСУ (или Distributed Control System DCS) – это сетевая система, включающая в себя два или более ПЛК, взаимодействующих друг с другом для выполнения всех задач управления непрерывным технологическим процессом, как показано на рисунке 6.

Каждый программируемый логический контроллер управляет различными процессами локально, и все ПЛК постоянно обмениваются информацией по каналу связи и сообщают о состоянии процесса. Основные характеристики распределенной системы управления можно описать следующим образом:

• Распределенное управление позволяет разделять технологические задачи между несколькими контроллерами.

• Каждый ПЛК управляет соответствующей машиной или процессом и для синхронизации задач имеет доступ ко всем данным других ПЛК.

• Высокоскоростная связь между компьютерами осуществляется с помощью витой пары проводов CAT-5 или -6, одиночных коаксиальных кабелей, волоконной оптики или сети Ethernet.

• Распределенное управление значительно сокращает количество проводов в полевых условиях и повышает производительность, поскольку позволяет разместить ПЛК и ввод-вывод близко к контролируемому процессу машины.

• В зависимости от технологического процесса один сбой ПЛК не обязательно приведет к остановке всего процесса (а в идеале и не должен).

• DCS контролируется главным компьютером, который может выполнять функции мониторинга/наблюдения, а также формирование отчетов и хранение архивных данных.

Главная особенность РСУ (DCS) – любой ценой не дать незапланированно остановить непрерывный процесс, в связи с чем к ним предъявляются высокие требования по масштабируемости и отказоустойчивости. Они имеют высокую степень интеграции аппаратных средств и программного обеспечения (что подразумевает использование контроллеров и ПО визуализации одного производителя), и предоставляют инструменты, облегчающие процесс разработки систем управления с минимальным влиянием человеческого фактора (обычно до 90% кода контроллеров генерируется из базы данных сигналов и типовых алгоритмов, свойственных данному технологическому процессу). Это сильно отличает их от классических применения ПЛК + SCADA.

Система управления процессами (Process Control System – PCS) или комбинированная распределенно-централизованная система управления – это самый современный тип управления технологическими процессами, возникший благодаря развитию высокоскоростных сетей, используемых в быстро протекающих процессах и недорогой памяти. Данное управление представляет собой объединение принципов РСУ с использованием нескольких современных высокопроизводительных ПЛК, которые стали называть Контроллерами Процесса или Контроллерами Автоматизации (PC/PAC – ПАК) любого производителя и централизованной системой управления ими на общем SCADA-сервере. И если в DCS программа управления может быть разделена между несколькими контроллерами, то в централизованных PCS контроллеры выступают в роли удаленного ввода-вывода с локальными алгоритмами. При этом управляющая программа выполняется или прямо на сервере (что реже) или в общем контроллере верхнего уровня, которая агрегирует информацию с контроллеров нижестоящих уровней и распределяет задания для них. Пример такой системы приведен на рисунке 7.

Сейчас подобные системы еще не нашли отклика в сферах непрерывных техпроцессов, где классически применяют РСУ, но уже активно применяется на предприятиях со смешанными процессами (см. пример на рисунке 3), так как подходят под них наилучшим образом.

Выводы:

1. Существует несколько видов технологических процессов с разной алгоритмической сложностью и требованиями по взаимодействию с другими системами.

2. ПО автоматизации должно подстраиваться под различные виды техпроцессов и реализовывать систему управления с учетом экономической целесообразности.

3. В настоящее время наблюдается рост популярности высокопроизводительных систем управления процессами (PCS), которые фактически становятся универсальными решениями для всех типов техпроцессов.

Искусственный интеллект проник во все сферы человеческой деятельности, но мы расскажем о применении его в промышленности. Точнее приведем краткие примеры использования ИИ в АСУ ТП в разрезе предикативной аналитики для дискретных производств и производств непрерывного цикла, где ИИ позволяет предсказывать поведение, если так можно сказать оборудования и техпроцессов на несколько шагов вперед.

В качестве первого примера использования искусственного интеллекта на производстве приведем проект автоматизации технологических линий на заводе «Русский продукт». Предприятие выпускает целую гамму пищевых продуктов, (например, знаменитые овсяные хлопья «Геркулес») и ставило следующие задачи: получать аналитику работы производственной линии в реальном режиме времени, исключить непрогнозируемые остановки и снизить количество брака. Внедренная система автоматизации на базе ПО SuperSCADA позволила, во-первых, объединить исполнительные механизмы, датчики и программируемые логические контроллеры (ПЛК) различных производителей. И во-вторых, что самое главное, позволила получать предиктивную аналитику, в частности сигналы об отклонениях в работе отдельных узлов и агрегатов, и рекомендации по обслуживанию оборудования. В итоге произведенная модернизация снизила влияние человеческого фактора на работу производственной линии в целом.

Предикативная аналитика и виртуальные датчики активно используются и в нефтепереработке при анализе относительно редко обновляемых данных, допустим раз в смену. Такие данные поступают из химических лабораторий и говорят о составе фракций в ректификационной колонне. Однако и такой временной лаг позволяет провести анализ, который помогает определить динамику инерционных процессов как минимум до следующей пробы. В тот момент, когда поступают новые данные – модель корректируется.

Третий пример – использование машинного зрения для отбраковки продукции. На одном из заводов по производству алюминиевых (пивных) банок ИИ помогает по 6-ти точкам мгновенно оценить качество припоя, нанесенного на крышки, а также распознать наличие вмятин на банках. Скорость конвейера, подающего банки как из пулеметной ленты робота с «искусственным глазом» не смущает – он отстреливает брак с поражающей точностью и быстротой.

Четвертый пример – поиск с помощью предикативной аналитики участков трубопроводов системы водоснабжения, на которых происходит несанкционированный отбор воды (попросту говоря кража). ИИ справился с этой задачей, а также помог водоканалу, в нашем случае предприятию «Калугаоблводоканал» избавиться от сверхнормативных технических потерь и перерасхода электричества.

Есть примеры общего вида, когда искусственный интеллект следит за неким KPI (ключевой показатель или показатели). Допустим за показателями работы частотно регулируемого привода (ЧРП). В случае, если произойдет отклонение в параметрах вращения двигателя, ИИ поймет аварийный это режим или нет и изменит алгоритм работы ПЛК. Также компьютерная аналитика сделает прогноз жизни двигателя и при необходимости выдаст сигнал тревоги диспетчеру. Мониторинг ключевых показателей, естественно, может производиться для любого узла или прибора технологической цепочки.

KPI может быть сформулирован не только для работы конкретного агрегата, но и для производства в целом, позволяя придавать ключевое значение таким показателям, как максимальная производительность, безопасность, отказоустойчивость, экономия ресурсов или экологичность. Иначе говоря, ИИ в сочетании с развитым HMI (человеко-машинным интерфейсом) позволяет оператору условно говоря не следить за положением задвижки в системе отопления, а ставить задачи общего виде, например, поддержание температуры в зависимости от запасов топлива и прогноза погоды или увеличение срока службы оборудования за счет работы в щадящем режиме.

Во всех вышеперечисленных примерах программы искусственного интеллекта использовали так называемый цифровой двойник. Это математическая модель какого-либо отдельного узла, цеха, технологической линии или предприятия в целом, которая позволяет просчитать множество вариантов работы системы. Затем ИИ помогает выбрать из них наиболее оптимальные, а также выявить узкие места, с тем, чтобы можно было предупредить возможные остановки или аварии на производстве.

Искусственный интеллект – на вершине иерархии АСУ ТП

Резюме. Искусственный интеллект на основе большого количества заранее собранных данных и, что особо стоит подчеркнуть, постоянно пополняемых в процессе машинного обучения в ходе уже запущенного производства, позволяет:

• Оптимизировать производственный процесс в зависимости от приоритетных задач;

• Изменять алгоритмы ПЛК в случае получения новых вводных или возникновения нештатных ситуаций;

• Следить за качеством продукции и точностью соблюдения техпроцессов;

• Сигнализировать о потенциальных сбоях и необходимости проведения профилактического обслуживания;

• На стадии разработки продукта или производственного процесса выработать наиболее оптимальный сценарий работы системы.

===

Статья написана людьми, но проиллюстрирована генератором изображений, по запросу: «Искусственный интеллект на производстве».