2. ЧЕТВЕРТА ПРОМИСЛОВА РЕВОЛЮЦІЯ І АКТУАЛЬНІ ЦИФРОВІ ТЕХНОЛОГІЇ
3. ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ (IT)
4. ВИЗНАЧЕННЯ І ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА КІБЕР-ЕНЕРГЕТИЧНОЇ СИСТЕМИ
5.ОПЕРАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ (OT) КІБЕР-ФІЗИЧНИХ СИСТЕМ
1. АКТУАЛЬНІСТЬ СПЕЦІАЛЬНОСТІ
Вітаємо. Ви живете в епоху таких змін, яких ще не було ніколи. Актуальна освіта, що відповідає на виклики сучасності – найкраща інвестиція!
Тенденції дають нам чітку картинку, які спеціалісти знадобляться в найближчому майбутньому. Це, по-перше, інженери-експерти-аналітики в галузі автоматизації виробництва, – як побачити бізнес-цінність та як забезпечити створення якісної, привабливої продукції за цінами нижче конкурентів. Надзвичайно затребуваними будуть люди, які здатні зрозуміти особливості переходу від просто виробництва товарів до надання сервісів, приєднання до цих товарів. Раніше, щоб пофарбувати відро, купляли пульверизатор. Хоча насправді вам потрібен не процес фарбування, а пофарбоване відро, тобто результат сервісу по фарбуванню. Технічне забезпечення цього сервісу – основа фінансового успіху. І, звичайно, великий попит буде на кваліфікованих спеціалістів з операційних технологій – людей, які знаються на розумному виробництві майбутнього, знайомі з IT-технологіями, та здатні поєднати їх. Ми готуємо технічних спеціалістів, які думають категоріями цінностей бізнесу та підприємств, вміють реалізовувати реальні програмно-технічні проекти – затребуваних фахівців майбутнього!
Четверта промислова революція (Індустрія 4.0) передбачає масове впровадження цифрових технологій у виробництво. Тепер, з допомогою комп’ютерного проектування та роботизованих заводів, можна зробити товар з широким спектром властивостей за ціною звичайного серійного, що виготовляється на старих фабриках. В цьому суть – кастомізація під потреби конкретного клієнта і створення цифрових сервісів. І щоб це стало можливим – треба максимально автоматизувати весь процес створення продукту.
Industry 4.0 – це сучасна епоха інновацій, коли передові технології радикально змінюють цілі галузі економіки надзвичайно високими темпами. Виникає абсолютно новий тип промислового виробництва, що базується на повній автоматизації, технологіях доповненої та віртуальної реальностей, аналітиці «великих даних», інтернеті речей. Вона сприймається як виклик та нові можливості для кожної країни , яка прагне розвитку.
Викладачі, науковці і студенти кафедри АЕП активно теоретично і практично підтримують ідеї Industrial Revolution 4.0 та Computer Science for All Initiative і цілеспрямовано сприяють впровадженню їх в навчальний процес кафедри на рівні лекцій, лабораторних робіт і проектів.
Для нас, кафедри автоматизації теплоенергетичних процесів, – це шлях відновити економічну потужність країни, але вже на засадах високотехнологічного, наукоємного виробництва.
2. ЧЕТВЕРТА ПРОМИСЛОВА РЕВОЛЮЦІЯ І АКТУАЛЬНІ ЦИФРОВІ ТЕХНОЛОГІЇ
Перша індустріальна революція – паровий двигун і механізоване мануфактурне виробництво.
Друга промислова революція – електрифікація і масове конвеєрне виробництво.
Третя промислова революція – комп’ютеризація і інформатизація виробництва.
Четверта промислова революція (4ПР) – кібернетизація та інтернетизація промислових і побутових технологій.
4ПР – практична реалізація цифрової економіки. Цифрова економіка – це економіка інформатизації, автоматизації і роботизації (основна тенденція вже 5-ї промислової революції). Цифровізація підприємства – сенс 4ПР. Цифрове підприємство – предмет 4ПР.
Суб’єкти (агенти) цифрової економіки – розподілені кібер-фізичні системи КФС, які взаємодіють.
КФС (інакше: розумна або інтелектуальна система) – це інтерактивна мережа з фізичних та обчислювальних компонентів, які запроектовані і функціонують як єдине ціле. Приклади КФС – автоматизовані технологічні комплекси (технологічні агрегати і промислові виробництва, керовані автоматизованими системами управління), розумні девайси і роботи. КФС є актором (реалізує алгоритм управління об’єктом) і комунікатором (реалізує обмін даними). Саме сучасні технології обробки даних, а не складні внутрішні алгоритми і математика, роблять КФС активним агентом і комунікатором цифрової економіки.
Горизонтальна і вертикальна інтеграція операційних (і інформаційних) технологій підприємства – зміст 4ПР.
Цифрові технології як платформа операційних і інформаційних технологій 4ПР – інструментарій 4ПР.
Цифрові технології Четвертої Промислової Революції
- IoT – Інтернет речей – обчислювальна мережа (зараз – інтернет) інтелектуальних фізичних агрегатів (КФС), оснащених вбудованими технологіями для взаємодії один з одним або з зовнішнім середовищем. Протоколи OPC-UA, MQTT, ODATA як універсальна інтернет комунікація. HTML5-браузер як HTML5 RDP Client. SQL-СУБД і NoSQL-СУБД як архіватори даних. JavaScript як універсальна МП для клієнтських, серверних і скриптових (в хмарних СКАДА) застосунків. Вбудовані системи і системи РЧ. Автоматне (суб’єктно-орієнтоване) програмування як парадигма програмування розумних девайсів (суб’єктів інтернету речей). Сенсорні мережі (моти, шлюзи, протокол ZigBee). Теорія Event-driven Control в ТАУ.
- Cloud Computing & Edge Devices – Хмарові Обчислення і Граничні Пристрої – інтернет клієнт-серверна архітектура. Хмарове архівування даних. Хмарова колективна розробка проектів. Хмаровий моніторинг КФС (режим Read-Only). Хмарове управління в реальному часі. Віртуалізація. Резервування. Граничні пристрої – концентрація даних, агрегування сирих даних, інтеграція функцій локального HMI.
- Machine Learning – автоматизоване навчання машин. Індуктивне навчання = адаптивне управління + нейронні мережі + нечітка логіка.
- Predictive Maintenance – попереджувальне обслуговування. Дедуктивне навчання = експертний аналіз + видача рекомендацій + контроль виконання.
- Information Modeling – інформаційне моделювання (історично від 3D-моделювання будівель). Імітаційне (програмне) моделювання АТК (перед інсталяцією і введенням в дію, потім для модернізації). Digital Twins. Augmented Reality.
Примітка. Цифрові технології 4ПР є технологіями Data Science – Наука про Дані (big data – великі дані: OLAP; зберігання великих обсягів даних; переміщення великих обсягів даних; пошук кореляцій в великих обсягах даних; швидкі обчислення в реальному часі; повільні фонові обчислення на великих обсягах даних; обмін даними; маніпуляції з даними).
3. ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ (IT)
Студенти кафедри АЕП починають навчатися програмуванню вже з 1-го курсу: з самого початку ми вчимо правильно мислити розв’язуючи цікаві задачі, складати алгоритми та програмувати їх на самих популярних мовах програмування.
Опанувавши базові принципи на C++, студенти переходять (на 2му курсі) до вивчення C#, що дозволяє створювати сучасні комерційні програмні продукти на платформі Microsoft. Також увага приділяється вивченню баз даних: студенти опановують принципи правильної архітектури збереження даних, знайомляться з реляційними базами MS SQL, MySQL, SQLite та найпопулярнішою документо-орієнтованою MongoDB.
Студенти з 3го курсу починають вивчати WEB-технології: знайомитися з базовими принципами HTML, CSS та найпопулярнішою мовою програмування WEB-сайтів Javascript, включаючи фреймворк Vue.Js.
Поєднання знань алгоритмів, мов програмування та баз даних дає можливість студентам вже після 4го курсу пробувати себе у комерційні розробці програмного забезпечення та WEB-додатків.
Знання IT на нашій кафедрі вдало поєднуються з промисловими інформаційними системами SCADA та MES, що використовуються для керування виробництвами на підприємствах: розуміння процесів виробництва та керування, навички автоматизації бізнес-процесів роблять із нашого випускника добре підготовленого фахівця на ринку праці IT та IoT.
4. ВИЗНАЧЕННЯ І ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА КІБЕР-ЕНЕРГЕТИЧНОЇ СИСТЕМИ
Кібер-енергетичні системи (КЕС) – це цифровізовані (автоматизовані та інформатизовані) теплоенергетичні агрегати, виробництва і підприємства в енергетиці і промисловості. Енергетична кібер-фізична система – це «розумний» агрегат, «розумне» виробництво, «розумне» підприємство.
Промислові КЕС в автоматичному режимі забезпечують генерацію, перетворення, розподіл та споживання різних видів енергії – теплової, електричної, механічної. Прикладами КЕС в Україні і в світі є розумні енергетичні виробництва (ТЕЦ, ТЕС, АЕС тощо), розумні виробництва в металургійній, хімічній, будівельній, харчовій галузях, розумні електричні та теплові мережі (Smart Grid, Smart Thermal Grids), розумні будинки (Smart Building), промислові інтернет-речі (IoT).
Фізичні (промислові об’єкти) і вбудовані обчислювальні (кібернетичні) компоненти КЕС є глибоко інтегрованими на основі мереж обміну даними, інтернет технологій, хмарних обчислень. КЕС складається з технологічного об’єкту управління (агрегат, виробництво, підприємство) і автоматизованої системи управління (АСУ).
Програмна і апаратна платформа сучасної КЕС – операційні технології, що поєднують класичні рішення з автоматизації і актуальні інформаційні технології.
Інжиніринг в промисловій автоматизації
- АСУТП (PCS) – Автоматизовані системи управління технологічними процесами. Автоматизація технологічних процесів в промисловості (металургія, виробництво скла, промислові печі), великій енергетиці (парові котли, турбіни, допоміжне обладнання), малій енергетиці (котельні, теплопункти, бойлерні), інженерних системах будівель (опалення і гаряче водопостачання; управління насосними станціями; системи кондиціювання і вентиляції). Автоматизація промислових неперервних і дискретних процесів. Технологічні об’єкти управління (ТОУ) – фізика технологічних процесів, ідентифікація і математичне моделювання.
- АСУВ (MES) – Автоматизовані системи управління виробництвами. Автоматизація виробництв в промисловості, енергетиці та інженерних системах. Задачі MES за стандартами ISA-95/MESA-11: MES Performance (облік даун-таймів обладнання і розрахунок продуктивності OEE); MES Operations (інформаційне супроводження і генеалогія; формування, виконання і контроль виконання змінно-добових завдань і план-графіків; розрахунок техніко-економічних показників KPI): MES Quality (сертифікація обладнання; контроль якості і стандартів). Стандарт ISA-88 – автоматизація промислових періодичних процесів (батч-процесінг / batch-control).
- ПТКЗА – Програмно-технічні комплекси засобів автоматизації промислових АСУ. Структура інтегрованої АСУ підприємства за стандартом ISA-95 (IO – PCS – MES – ERP – BI). Дворівнева структура АСУ (нижній рівень – регулювання – контролерна автоматизація; верхній рівень – диспетчеризація – супервізорна автоматизація). Трирівнева структура ПТКЗА (рівень контролерів; рівень програмних серверів; рівень програмних клієнтів). ПЛК / PLC. HMI/SCADA-системи. Промислові шини. Інформаційні магістралі. Автоматизований технологічний комплекс (АТК = ТОУ + АСУ) як кібер-фізична система (КФС). Четверта промислова революція (4ПР) та інтернет речей (IoT) в промисловій автоматизації – концепція розумного (дигіталізованого) підприємства. Хмарна архітектура «земля – туман – хмара» АТК / КФС в промисловому IoT і в промислових хмарних обчисленнях. Реалізація кібер-безпеки в промислових АСУ як гарячого резервування, дублювання і реплікації програмно-технічних рішень.
- Програмування в АСУ. Програмування ПЛК / PLC. Програмування задач програмно-логічного управління, неперервного ПІД-регулювання, управління переміщенням, операторського інтерфейсу (локального HMI). Реалізація машинного навчання (елемент 4ПР) як адаптивних і автотюнінгових контурів ПІД-регулювання. Програмування HMI/SCADA-систем. Програмування задач обміну даними, візуалізації, алармування, архівування, скриптінгу, звітності. Реалізація попереджувального обслуговування (елемент 4ПР) як консолідованої аналітичної звітності. Реалізація обміну даними ПЛК – ПЛК – HMI/SCADA. Протоколи OPC-UA, MQTT, ODATA, ModBus в промисловому IoT архітектури «земля – туман – хмара».
- ІМ АТК – Імітаційне моделювання автоматизованих технологічних комплексів (АТК = ТОУ + АСУ). Імітаційне моделювання промислових АТК = програмне моделювання ТОУ + реалізація контролерного регулювання + реалізація SCADA-системи. Програмне моделювання ТОУ – в системі комп’ютерної математики MatLab або прямо в ПЛК. Імітаційне SIL-моделювання – використання софтПЛК або симулятора ПЛК. Імітаційне HIL-моделювання – використання реального ПЛК (хардПЛК). Виконання комплексного інженерного розрахунку ПТК АСУ перед моделюванням (вимірювальні канали; надійність; динаміка; виконавчі механізми і регулюючі органи; техніко-економічна ефективність). Порівняльний аналіз функціонування ТОУ до і після автоматизації (на основі статистичної гіпотези достовірності результатів). Створення кафедральної бібліотеки імітаційних моделей АТК в промисловості, енергетиці та інженерних системах.
5. ОПЕРАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ (OT) КІБЕР-ФІЗИЧНИХ СИСТЕМ
Операційні технології – це сучасні технології автоматизації технологічних процесів, промислових виробництв і підприємств на основі цифрових технологій.
Операційні технології цифровізації підприємства
- Автоматизація промислового підприємства на основі АСУ технологічними процесами, АСУ виробництвами, інтегрованої АСУ підприємством.
- Алгоритмізація і моделювання кібер-фізичних систем (КФС) на основі теорії автоматичного управління (ідентифікація об’єктів, аналіз і синтез систем автоматичного регулювання, PID-регулювання, fuzzy-регулювання, neuro-регулювання, адаптивне управління) і сучасних методів Data Science (цифрові двійники – Digital Twins, машинне навчання – Machine Learning, попереджувальне обслуговування – Predictive Maintenance, віртуальна і доповнена реальність – VR/AR).
- Програмне і технічне забезпечення контролерного (нижнього) рівня сучасної АСУ на платформі програмованих логічних контролерів (PLC), станцій людино-машинного інтерфейсу (HMI), граничних пристроїв (Edge Devices), інтелектуальних сенсорів і актуаторів (RTU).
- Програмне і технічне забезпечення супервізорного (верхнього) рівня АСУ на платформі систем автоматизації і диспетчеризації технологічних (SCADA), виробничих (MES) та бізнесових процесів (BPMS), систем промислової бізнес аналітики (BI).
- Сучасні мережеві технології обміну даними, хмарні (Cloud) технології, сенсорні мережі, промисловий інтернет речей (Industrial IoT).
6. Засоби функціональної та інформаційної безпеки – кібербезпека (Cybersecurity).
6. ПРАГМАТИЗМ СПЕЦІАЛЬНОСТІ
Що є суттєвим і важливим в нашій спеціальності? Відповідь – прагматизм нашої спеціальності, який полягає в постійному оптимальному поєднанні класики і сучасності. Саме це і відображається в назві – «Автоматизація і комп’ютерно-інтегровані технології».
Автоматизація технологічних об’єктів – це інженерна класика. Основа нашої спеціальності – автоматизація теплоенергетичних процесів. Процеси тепло- і масообміну – основа всіх промислових технологічних процесів і виробництв. Автоматизація – обов’язкова умова ефективної і безаварійної експлуатації теплоенергетичних агрегатів (технологічних об’єктів управління – ТОУ).
АСУТП – програмно-технічний комплекс (ПТК), який є інструментом оператора-технолога в управлінні ТОУ. АСУТП перетворює ТОУ в АТК – автоматизований технологічний комплекс, який керується людиною або функціонує безлюдно. Сучасний АТК є комп’ютерно-інтегрованою технологією – кібер-фізичною системою, в якій використовуються сучасні комп’ютерні технології (програмування, інтернет, бази даних). АТК як комп’ютерно-інтегрована технологія – це і є технологічна сучасність нашої спеціальності.
АТК як кібер-фізична система – серцевина четвертої промислової революції, що потужно розгортається на наших очах в постіндустріальних країнах. Повністю автоматизоване (тобто вже навіть автоматичне і роботизоване) «розумне» підприємство – основа нової промисловості Industrial4.0. Інструментарій IndustrialRevolution4.0 – це комп’ютеризація, програмування, інтернетизація управління (InternetofThings& InternetofServices), а також сучасні мікропроцесорні технічні засоби керування.
Наша спеціальність завжди є не молодою чи старою, а зрілою, так як вона оптимально сполучає класичну автоматизацію і сучасні технології управління. Автоматизація буде необхідна всюди і завжди, так як без неї технологічні об’єкти не можуть функціонувати. Автоматизація – це управління технологічним процесом людиною. Вчора інструментарієм управління, тобто автоматизації, були регулятори і реле. Сьогодні – комп’ютери і контролери, програмування і мережеві технології. Завтра, можливо, – експертні системи, роботи і машинне бачення. Але завжди це буде автоматизація з використанням сучасного інструментарію, яким ви, якщо закінчите кафедру АЕП, будете професійно володіти.
Прагматизм вибору нашої спеціальності полягає в тому, що: по-перше, наші спеціалісти завжди знайдуть собі роботу на будь-якому підприємстві енергетичної, металургійної, хімічної галузей, будівельної сфери, промислових та цивільних організаціях тощо; по-друге, ця робота завжди буде цікавою, так як вона завжди буде сучасною за своїм інструментарієм; по-третє, наші спеціалісти зможуть успішно працювати в будь-яких інших і найбільш сучасних галузях промисловості, так як вони теоретично і практично володіють сучасними комп’ютерними технологіями.