Облачное управление производством

В МГТУ им. Н.Э. Баумана на базе облачной платформы SAP HANA Cloud Platform создается решение для управления роботизированной производственной системой.

Михаил Овсянников
Михаил Овсянников,
МГТУ им. Н.Э. Баумана

Управление производственными системами сегодня все чаще осуществляется с использованием концепции Интернета вещей, которая подразумевает взаимодействие разнородных устройств. Поскольку принципы работы различных видов промышленного оборудования значительно различаются, реализовать такое взаимодействие непросто даже при небольшом числе устройств, а если их много, задача оказывается почти невыполнимой.

Решить проблему помогают облачные сервисы. На кафедре «Компьютерные системы автоматизации производства» МГТУ им. Н.Э. Баумана создается производственно-исследовательская система поддержки жизненного цикла сложного изделия, назначение которой − организовать малозатратное, но эффективное управление высокотехнологичным оборудованием, обеспечив максимальному количеству пользователей доступ не только к нему, но и к мощным компьютерным системам. Система строится на основе развернутой на кафедре гибкой производственной системы (ГПС) Denford и облачной платформы SAP HANA Cloud Platform (SAP HCP). Проект реализуется при поддержке Университетского альянса SAP и подразделения SAP Labs в СНГ.

ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА

Сергей Буханов
Сергей Буханов,
МГТУ им. Н.Э. Баумана

Создаваемая система должна обладать следующими возможностями:

  • дистанционное управление производственным оборудованием, реализация функций SCADA-систем с использованием облачной платформы;
  • гибкое конфигурирование оборудования для решения конкретных производственных задач;
  • мониторинг производственных процессов в реальном времени;
  • контроль состояния оборудования (включая обработку сигналов датчиков и геопозиционирование);
  • обеспечение взаимодействия пользователей и программных компонентов; обработка больших массивов данных с использованием облачной платформы;
  • взаимодействие с системами управления предприятием и жизненным циклом продукции (ERP, CAD/CAM/CAE, MES).

К настоящему времени разработан алгоритм подключения устройств к облачной платформе SAP HCP, создано соответствующее программное обеспечение и реализована первая очередь системы, которая продемонстрировала техническую возможность осуществления проекта.

Для работы с внешними устройствами в составе SAP HCP имеется специальная служба SAP IoT Services, предоставляющая интерфейсы для регистрации устройств и передачи генерируемых ими данных в облачную базу. В SAP HCP развернуты база данных SAP HANA и имеющие к ней доступ Java-приложения, а также HTML5-приложения, которые предоставляют пользователю возможность управлять системой через обычный веб-браузер.

К облаку подключены управляющие компьютеры, которые выступают в роли связующего звена между облачной платформой и производственным оборудованием. Такой компьютер принимает команды из облака, преобразует их в последовательность управляющих действий, которые затем передает конкретным устройствам посредством стандартных протоколов. В то же время он взаимодействует непосредственно с оборудованием: получает сведения о его состоянии, преобразует их в специальные информационные структуры и отправляет в облако.

В качестве управляющего компьютера в проекте применяется одноплатный компьютер Raspberry Pi 3. На платах Raspberry Pi запускается созданный на языке программирования Python специальный скрипт, который отвечает за управление оборудованием и получение данных о его состоянии. Связь управляющего компьютера с SAP HCP происходит через защищенное соединение по протоколу WebSocket. Этот протокол в отличие от HTTP избавляет устройство от необходимости иметь статический IP-адрес, что в некоторых случаях позволяет обойти жесткие ограничения, установленные в топологии информационной сети, и может значительно ускорить процесс развертывания системы.

Применяемые в проекте протоколы выбирались исходя из особенностей производственного оборудования. ГПС Denford состоит из токарного и фрезерного производственных модулей (станок с ЧПУ, робот-манипулятор и накопитель), автоматизированного склада с штабелером, конвейера и системы управления. Управление оборудованием осуществляется через COM-порт по протоколу RS-232, а программное управление портом − с помощью библиотеки Pyserial для Python. Данные о текущем состоянии оборудования (занятость) считываются через интерфейс ввода/вывода общего назначения (GPIO) на Raspberry Pi. Программное управление интерфейсом реализовано с использованием библиотеки RPi.GPIO для Python.

СЛЕДУЮЩИЙ ЭТАП

В рамках проекта исследуются возможность и эффективность реализации на основе облачных технологий ряда этапов жизненного цикла изделия: конструкторско-технологической подготовки, управления материальным обеспечением и производством. Для этого на базе SAP HCP интегрируются друг с другом облачные системы управления производственными процессами и программные инструменты, предназначенные для поддержки отдельных этапов жизненного цикла: CAD/CAM/CAE и др.


В рамках проекта исследуются возможность и эффективность реализации на основе облачных технологий ряда этапов жизненного цикла изделия


В первую очередь предполагается исследовать оперативное управление ГПС. Необходимо определить, на каком уровне (исполнительный механизм, единица оборудования, производственный модуль или система в целом) удастся эффективно реализовать функции управления в облачной платформе.

При использовании концепции децентрализованной диспетчеризации ГПС большинство функций реализованы в системе управления гибким производственным модулем (ГПМ). Основным отличием от централизованной системы является способность модулей взаимодействовать минуя центральную диспетчерскую систему (ЦДС), которая может и отсутствовать. Модули выполняют все функции диспетчеризации, при этом каждый анализирует свое состояние и сообщения других модулей, а также отправляет им заявки на требуемые ему ресурсы.

В централизованной системе диспетчеризации ГПС всегда имеется центральная диспетчерская система, на которую передается большинство функций по управлению ГПС в реальном времени. В ЦДС производится анализ состояния каждого ГПМ, определяются действия для каждого модуля, планируется их начало, формируются и передаются устройствам управляющие команды на выполнение элементарных операций, выдаются сообщения о приеме команды и о сбоях при ее выполнении.

Особенностью решения задачи диспетчеризации ГПС является необходимость определения следующего выполняемого действия сразу после окончания предыдущего.

Для первого этапа исследований предполагается использовать алгоритм диспетчеризации на основе продукционных правил. При реализации централизованной системы диспетчеризации, представляющей собой интеллектуальную систему продукционного типа, необходимо учитывать следующие положения:

  • производственный процесс в ГПС − это упорядоченное множество основных операций и неупорядоченное множество вспомогательных;
  • операции описываются тремя множествами допустимых значений параметров устройств ГПС, зафиксированных до, во время и после выполнения операции;
  • для выбранного в качестве ресурса действия устройства ГПС, значения параметров которого не соответствуют множеству, строится ветвь сети, изменяющая состояние ресурса с текущего на требуемое.

Система диспетчеризации организуется как интеллектуальная система, в состав которой входят система принятия решений (система вывода), база данных, описывающая цель функционирования ГПС и текущее состояние ее элементов, а также база знаний, содержащая описания операций в форме «продукционных правил».

Такой алгоритм позволит обеспечить функционирование ГПС в течение смены как при наличии сменного задания, так и при его динамической корректировке. 


Уже более 100 университетов России и стран СНГ сотрудничают с Университетским альянсом SAP. МГТУ им. Н.Э. Баумана, представителями которого являются авторы статьи, − один из самых давних и, можно сказать, самых «зрелых» участников с точки зрения освоения наших решений. Тот факт, что вузы, и МГТУ в частности, сотрудничают с нами не только в образовательном направлении, но и в области прикладных, зачастую наукоемких проектов, открывает широкие возможности для развития новых форматов взаимовыгодного партнерства. С одной стороны, создание прототипов решений на основе платформы SAP с использованием методологической и лабораторной базы вуза позволяет студентам и аспирантам принимать участие в решении реальных отраслевых задач, осваивая передовые методы и получая знания о применении современных промышленных систем, востребованные на рынке труда. С другой, при достижении определенного качества решений, реализованных на платформе SAP Cloud Platform, речь может идти об их размещении на маркетплейсе SAP Store, что позволит монетизировать научно-прикладные изыскания университета в партнерстве с SAP. На мой взгляд, это весьма перспективно и переводит наше взаимодействие на принципиально новый уровень.

И если такой вариант сотрудничества с МГТУ им. Н.Э. Баумана сложился в процессе вовлечения профессоров и аспирантов в стажировки и проекты по совместной разработке учебных материалов, то во многих других вузах переход к совместным инновационным, наукоемким проектам осуществляется за счет запуска центров инноваций SAP Next-Gen Lab. В мире их уже 35, в том числе 7 в России: в МТУ (МИРЭА), РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, НИУ «ВШЭ» (Москва), НИУ «ВШЭ» (Н. Новгород), Технопарке Тюмени, РЭУ им. Г.В. Плеханова. Уверен, что именно в этих лабораториях, куда приглашаются ведущие ученые, а также молодые, мотивированные студенты, и могут создаваться решения для цифровой экономики, в которых будут реализованы нестандартные бизнес-модели, основанные на интенсивном использовании новейших технологий.

Юрий Куприянов, менеджер Университетского альянса SAP по СНГ

Контакт с нами
Отправить

Выполните вход под своей учетной записью или зарегистрируйтесь, чтобы создать новую учетную запись.

Не зарегистрированы?

Еще не зарегистрированы? Получите доступ к 5000 эксклюзивных материалов, подпишитесь на новостную рассылку и управляйте ей.




Создать новый профиль