Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Про что статья, и с какой целью
Это первая из трех частей, описывающих развитие процесса обучения инженеров АСУТП. Целью всех трех статей является попытка осмыслить подготовку инженеров АСУТП в ВУЗе (какая была, и какая есть сейчас), и обсудить с сообществом хабра, какой она должна быть в будущем. Каким образом ее можно актуализировать. Сейчас такая попытка осмысления может казаться несвоевременной, но проблема в том, что образование – очень консервативная отрасль. На внедрение нового иногда требуются годы. А каждый упущенный год – это поколения студентов, которые не получат актуальных знаний.
Опыт автора
Описанное в статье соответствует региональному ВУЗу в городе-миллионнике. С 2013 года я преподаю на одной и той же специальности, название которой время от времени меняется – начиная от “Аппаратура автоматического управления” (ААУ), через АУТС, УИТС, сейчас она называется «Управление в технических системах» (УТС). Преподаю программирование С, С++ на 1-м и 2-м курсах и Компьютерные сети – на 3-м курсе. Я оканчивал другую специальность, поэтому о более ранних временах преподавания знаю только по рассказам коллег и по выпускавшимся сборникам к юбилею кафедры. Поэтому мои знания о ранних этапах преподавания этого направления могут быть неточны. С другой стороны, еще студентом я пошел работать как программист SCADA-систем и участвовал в разработке и пусконаладке нескольких объектов на металлургическом и добывающем производстве, поэтому частично представляю знания, которые требуются от студента для комфортного начала работы после окончания института.
Историческое развитие преподавания АСУТП
До сих пор существует какая-то размытость понятия АСУТП. Кто-то причисляет к нему только автоматизированные системы на производстве, кто-то – вообще всю автоматику, включая встроенные автономные системы управления, интернет вещей, моделирование технологических процессов, метрологию. Удивительно, что и в англоязычной терминологии каждая из этих областей отделена от остальных. Возможно, что общий зонтик в виде названия АСУТП – это только наше, российское обозначение. Чтобы не вызывать дальше возражений по терминологии, сразу скажу, что я понимаю под ним: для меня акцент в АСУТП на технологии (массовом производстве) и управлении, т.е. если система управляет, и она используется в производстве (либо как цель производства, либо как средство производства), то она принадлежит к АСУТП, иначе - нет. Таким образом сюда попадают автоматизация производственных процессов и универсальные системы управления, выпускающиеся относительно массово. Но не попадают системы умного дома, системы связанные с моделированием физики управляемого процесса.
Отдельные специальности в ВУЗах по данной тематике появляются в 50-60-xx гг. В этот период уже происходит переход от пневматических и гидравлических систем управления, распространенных ранее, к электрическим. Особенности преподавания АСУТП в то время вытекают из самой отрасли: что использовалось инженерами на предприятиях, тому и учили. Как мне видится, исторически было две ветви развития автоматизации: автоматизация в готовом изделии, и автоматизация производства. Трудно даже объединять их, т.к. по своей природе они используют и различные теоретические методы, и различные технические воплощения. Примеры автоматизации в готовом изделии – система наведения в ракете, система поддержания ориентации спутника. Примеры автоматизации на производстве – система поддержания температуры в печи для нагрева металла, система регулирования подачи компонентов смеси в химическом производстве. Объединение двух ветвей было отражено и в первоначальном названии специальности – «Автоматика и телемеханика» (телемеханика здесь, от слов теле – на расстоянии, механика- управление движением). Соотношение востребованности каждой из этих ветвей и определяло процесс обучения инженеров в ВУЗе в каждый момент времени.
В начальный период развития автоматизации существенно больший вес имела ветвь автоматизации в готовом изделии. Это было связано с развитием военных и космических систем управления с преобладанием военных задач: наведение, слежение, поддержание курса. Для их решения использовалась преимущественно аналоговая управляющая техника (т.к. другой в то время и не было). Простота технических средств компенсировалась очень сложной и развитой теорией. Основу этой теории составляла дисциплина ТАУ (теория автоматического управления). Ее цель состоит в расчете того, как будет вести себя управляемая система под разными управляющими и возмущающими воздействиями. Исходя из этого определяется подходящий тип и закон регулирования, что позволяет спроектировать необходимую управляющую систему (регулятор). Т.е. основной посыл: все по максимуму рассчитать «на берегу», предсказать что будет в максимальном количестве случаев, а в железе на каждый из этих случаев иметь отдельный простой алгоритм действий, реализованный в виде аналоговой схемы. В связи с этим в преподавании очень большой блок дисциплин был выделен на теорию автоматического управления: теория линейных систем, теория нелинейных, теория дискретных и т.п. Это в свою очередь подтягивало в курс спец.главы математики, без которых не освоить математический аппарат ТАУ: теорию функций комплексных переменных, операционное исчисление, операции свертки, теорию сигналов. Превалирование этой ветви было обусловлено еще и тем, что в СССР даже невоенное производство было ориентировано на массовый выпуск унифицированных изделий (крупносерийное производство). Поэтому существенная часть в процессе разработки тратилась на теоретическое предсказание поведения изделия, расчет всех возможных режимов его работы. Пример: для электрических схем выполняется расчет прохождения через схему сигналов различных частот. И уже по итогам такого всеобъемлющего теоретического расчета выпускается большая партия одинаковых приборов с минимумом различающихся модификаций. Если бы от производства требовалась гибкость и выпуск множества модификаций под разные потребности, то каждая из модификаций потребовала бы нового пакета теоретических расчетов. Например, в ТАУ добавление даже одного передаточного звена полностью меняет получаемые характеристики системы, влияет на передаточные функции. Это было неприемлемо с точки зрения трудозатрат.
Вторая ветвь применения АСУТП - автоматизация промышленных производств – на первоначальном этапе развития существенно уступала первой. В нашем регионе преимущественным было добывающее и металлургическое производство. Исторически эта промышленность содержит большой элемент ручного труда. Станки хоть и существуют, но требуют значительных усилий, в том числе и физических, человека. Поле автоматизации было гигантское – любой аспект работы станка, за который ни возьмись, можно улучшить добавлением примитивного локального регулятора. Вместо того, чтобы держать человека, следящего, чтобы внутренность печи не перегревалась и не недогревалась, поставь термопару, ПИД-регулятор, и клапан, контролирующий подачу топлива. И это позволяет не только сразу поднять КПД (человек, может, тоже неплохо справлялся, а труд у нас исторически дешев), но и легко вычислить эффект в тоннах руды, металла, труб и т.д. Аппаратная часть для обработки дискретных сигналов представляла собой систему на электромеханических реле. Аналоговая часть представлена локальными регуляторами, что не позволяет собрать большую комплексную управляющую систему. Зато это дало толчок развития математического моделирования физических процессов. На этапе проекта автоматизации рассчитывались с помощью сложной модели теоретически происходящие в системе процессы, а потом автоматизация заключалась в установке на систему набора локальных регуляторов, задания для которых получены как результат моделирования, выполненного на предыдущем этапе. Все, конечно, не настолько просто, но общее направление такое. Методы моделирования были очень развиты и часто лежали в области физики процесса в зависимости от автоматизируемой области (теплоперенос, гидродинамика, горение, химия). Отсутствие комплексных систем в то время было следствием естественного отсутствия цифровых машин, пригодных для такой работы. Хотя в мемуарах деятелей АСУТП и встречается описание таких комплексов на базе ранних ЭВМ, но эффективность такого внедрения требует независимого подтверждения производственниками, а прочитанные мной источники как раз показывали процесс внедрения глазами изобретателей, а не пользователей. Требуемыми дисциплинами в этой ветви становятся дисциплины, изучающие аналоговую электронику и электротехнику:
- для понимания имеющейся аналоговой элементной базы: электроника, электротехника, теоретические основы электроники, основы теории цепей.
- для понимания измерения физических величин – метрология
- для понимания управляющих воздействий – электротехника, электроприводы.
С другой стороны, хоть поле автоматизации и велико, но ее уровень даже в пределе ограничен конструкцией оборудования. Так как первоначально это оборудование не предполагалось к автоматизации, то установить что-то небольшое можно, а вот кардинально улучшить (например заменить ручную загрузку погрузочной машиной) нельзя: конструкция изначально этого не предполагает, и потребует слишком глубокой модернизации.
Таким образом, АСУТП «доцифрового» времени характеризовалось очень развитым теоретическим аппаратом и ограниченными техническими возможностями на практике.
Начиная с середины 80-х гг. начинается внедрение цифровых технологий. Сначала ввиду их дороговизны, они используются в АСУТП преимущественно для мат.моделирования. Как правило, это ЭВМ, установленные в вычислительных центрах, на которых рассчитывалась физическая модель процесса. Результаты расчета оформлялись в виде таблиц зависимостей заданий на локальные регуляторы от параметров обрабатываемого материала (например, от марки металла в металлургии или толщины стенки трубы в производстве труб).
90-е годы кардинально изменили рынок АСУТП. Бывшие советские заводы, ранее выпускающие приборы военного и гражданского назначения большими тиражами существенно сократили, или прекратили выпуск. Зато появляется много малых частных предприятий, ориентированных либо на мелкосерийный выпуск, либо на оказание услуг по автоматизации. Если в СССР одно и то же изделие могло выпускаться годами в неизменном виде, то теперь необходимо было на ходу кардинально менять производство, подстраиваясь под изменяющиеся интересы заказчика. Если не успеешь подстроиться – проиграешь в конкурентной борьбе. Основные денежные потоки остались в секторе добычи сырья и производстве, связанном с ним (например, трубном). Также были финансы в производстве низких переделов, направленном на экспорт (сталь, прокат, редкие металлы). Это заставило маятник востребованности качнуться в сторону второй ветви автоматизации – автоматизации на производстве. Всеобъемлющие предварительные теоретические исследования уходят в прошлое – уже нет времени полностью теоретически обсчитывать поведение системы. Да и смысла нет: Например, по проекту автоматизации заложен трехходовой клапан, а удалось купить только клапан с аналоговым управлением. Появилось другое передаточное звено в модели. Заново пересчитывать всю модель ? Эта тема упомянута и хорошо описана в публикации (ссылка). В 90-е появилось понятие фирмы – «системного интегратора». Эта формулировка используется не только в АСУТП, но здесь она подразумевает фирму, создающую и воплощающую проект автоматизации какого-либо производства. Сюда входит: создание проектной документации, подбор и закупка оборудования, сборка шкафов, и в конце – установка всего этого и пусконаладка на объекте. Объем таких фирм – от небольших коллективов в несколько десятков человек, до фирм-монополистов, обслуживающих целые отрасли страны.
В 90-е годы начинается период использования микропроцессорной техники. Очень активно на российский рынок заходят иностранные производители (Siemens, ABB, Allen-Bradley). Часть преподавателей проходит обучение у их специалистов, и начинает вводить дисциплины в курс обучения. В основном это дисциплины «Цифровая электроника» (не по микропроцессорам, а для общеинженерного понимания работы ЭВМ), «Микропроцессорная техника» (как правило на базе МК сначала отечественных типов К1816ВЕ51 (аналог Intel 8051) и КР580ВМ80, потом и STM8, PIC и других).
Но несмотря на кажущееся значительное улучшение в дисциплинах, этот процесс не набрал полную силу: т.е. эти дисциплины составляли небольшую часть от общей учебной нагрузки. Связано это с тем, что, как и везде в стране, 90-е годы ухудшили ситуацию в образовании: преподавателям с невысокой зарплатой достаточно трудно оперативно актуализировать курсы. Часть и преподавателей, и защитившихся аспирантов предпочла отойти от преподавания и уйти в коммерческую деятельность, и на тех же МК и ПЛК делать системы АСУТП для промышленности.
На рубеже 2000-х в отрасль приходят ПЛК для общих систем и ПЛИС для высокоскоростных. Автоматизация оборудования на производстве начинает идти еще в одном направлении: покупке целых производственных линий за рубежом. Как правило, наладку этих линий выполняли командированные инженеры поставщика, но попутно и местный персонал обучался работе. Основа линий – промышленные ПЛК. И спрос на знания в этой области был в начале 2000-х очень высок. Проводились курсы подготовки специалистов от промышленности. Высшему образованию тоже кое-что перепадало: производители оборудования оснащали учебные классы, лаборатории.
Но к этому времени приток новых преподавателей практически останавливается, и новые знания просачиваются к студентам от случая к случаю через совместителей, для которых преподавание – это что-то вроде малооплачиваемого хобби, и никто не сможет сказать, в какой момент оно им надоест. Для студентов это еще приемлемо, но для развития специальности необходимы люди, работающие над этим постоянно и на стабильной основе. Необходимо много чего делать для развития кроме преподавания: взаимодействовать со смежными специальностями (т.е. преподавать у соседней специальности, а соседи – у нас), т.к. так гораздо легче поддерживать общий высокий уровень преподавания при минимуме преподавателей; взаимодействовать с различными работодателями при руководстве студентами в практике и проектах; участвовать в подготовке аспирантов и будущих преподавателей (конференции, участие в защитах как эксперты, в научных советах, диссоветах, вообщем нужная, хоть и малоинтересная работа). Для всего этого совместителя мало.
С 2010-х годов начинается эра IT. Грустно смотря, как самые способные абитуриенты выбирают информатику и компьютерную безопасность, все традиционные инженерные специальности стараются влиться в общий тренд, вводя кто что может IT-шное и пытаясь заманить к себе будущих программистов. Зачастую, конечно, безуспешно, о чем неумолимо свидетельствует падение проходного балла. Об этом подробнее будет написано в Части 2, но по сути, появление IT мало повлияло на подготовку инженеров АСУТП: тот, кто хотел программировать – пошел программировать: спасибо государству, последовательно увеличивающему набор на IT-специальности и всячески рекламирующему IT-образ работы и жизни. Преподаватели нашей специальности работали со студентами, бОльшая часть которых не планировала, и не рассматривала свое место учебы как старт для работы программиста. Соответственно и стимула менять что-то в сторону IT-фикации у преподавателей тоже не было. Мимикрировать под IT-направление никто не хотел.
Подводя итог, можно сказать, что преподавание АСУТП исторически велось с основным упором на дисциплины, преимущественно заложенные в эпоху аналоговой техники. Преподавание цифровой микропроцессорной техники (а именно, обучение ее проектированию, программированию) внедрялось в 90-е и 2000-е гг. Тренд IT обошел специальность стороной.
