Архитектуры систем диспетчеризации промышленных объектов

Системы диспетчеризации промышленных объектов обычно используют многоуровневую архитектуру с событийно-ориентированной передачей данных через MQTT, центральным хранилищем на базе PostgreSQL и визуализацией через специализированные платформы. Для промышленных объектов с оборудованием Siemens PLC типовая архитектура включает уровни сбора данных (PLC → MQTT брокер), обработки (Python микросервисы), хранения (PostgreSQL) и визуализации (Visiology), с интеграцией UML-диаграмм для проектирования и обеспечения безопасности данных.

Содержание

• Основные архитектурные паттерны
• Слоистая архитектура системы диспетчеризации
• UML-диаграммы для проектирования
• Безопасность и конфиденциальность данных
• Технологический стек и интеграция
• Соответствие требованиям российского ПО
• Практическая реализация и расширение

Основные архитектурные паттерны

Системы диспетчеризации для промышленных объектов реализуются с использованием нескольких стандартных архитектурных подходов. Наиболее распространенной является многоуровневая архитектура (Multi-tier Architecture), которая обеспечивает разделение ответственности между компонентами системы.

Для промышленных объектов с оборудованием Siemens PLC часто применяется событийно-ориентированная архитектура (Event-Driven Architecture), где данные от промышленных контроллеров передаются через MQTT-протокол. Согласно исследованиям, такая архитектура позволяет обеспечить реальное время обработки данных и гибкость масштабирования [source].

Другой важный паттерн - микросервисная архитектура, которая разделяет функциональность системы на независимые сервисы:

• Сервис сбора данных (Data Collection Service)
• Сервис обработки данных (Data Processing Service)
• Сервис аналитики (Analytics Service)
• Сервис визуализации (Visualization Service)

Такая архитектура соответствует современным практикам промышленной автоматизации и позволяет независимо масштабировать каждый компонент системы.

Слоистая архитектура системы диспетчеризации

Типичная система диспетчеризации для промышленных объектов имеет пятиуровневую архитектуру:

Уровень сбора данных (Data Acquisition Layer)

На этом уровне оборудование Siemens PLC (например, SIMATIC S7-300) подключается к системе через промышленные сети. Контроллеры передают данные о состоянии оборудования, параметрах процессов и аварийных ситуациях.

Уровение передачи данных (Data Transmission Layer)

Используется MQTT-брокер для надежной передачи данных от контроллеров к системе обработки. MQTT обеспечивает:

• Публикацию/подписку (publish/subscribe) для эффективного распределения данных
• QoS (Quality of Service) уровни для гарантированной доставки
• Шифрование TLS/SSL для безопасности передачи

Уровень обработки данных (Data Processing Layer)

Python-микросервисы выполняют следующие функции:

• Агрегацию данных от 30 объектов
• Обработку аномалий и отклонений
• Расчет производственных показателей
• Подготовку данных для визуализации

Уровень хранения данных (Data Storage Layer)

PostgreSQL выступает в роли центрального хранилища данных с реляционной структурой, оптимизированной для временных рядов и аналитических запросов.

Уровень визуализации (Visualization Layer)

Visiology обеспечивает интерактивную визуализацию данных с дашбордами, отчетами и мониторингом в реальном времени.

UML-диаграммы для проектирования

Для проектирования систем диспетчеризации промышленных объектов используются различные типы UML-диаграмм:

Диаграмма компонентов (Component Diagram)

Диаграмма компонентов показывает структуру системы на уровне модулей. Для промышленной системы диспетчеризации она включает:

[Siemens PLC] → [MQTT Broker] → [Python Data Processor] → [PostgreSQL] → [Visiology]

Диаграмма развертывания (Deployment Diagram)

Диаграмма развертывания описывает физическое распределение компонентов системы по инфраструктуре:

• Сбор данных: Терминалы на объектах с подключением к PLC
• Центральный сервер: MQTT брокер, Python сервисы, PostgreSQL база данных
• Визуализация: Сервер Visiology с веб-интерфейсом

Диаграмма последовательности (Sequence Diagram)

Показывает взаимодействие компонентов при передаче данных от PLC до визуализации:

sequenceDiagram
    participant PLC as Siemens PLC
    participant MQTT as MQTT Broker
    participant Python as Python Service
    participant DB as PostgreSQL
    participant Vis as Visiology
    
    PLC->>MQTT: Публикация данных (topic: object_1/sensors)
    MQTT->>Python: Подписка и доставка сообщений
    Python->>DB: Сохранение данных
    Python->>Vis: Подготовка дашбордов
    Vis->>User: Визуализация данных

Безопасность и конфиденциальность данных

Для систем диспетчеризации с повышенными требованиями к безопасности реализуются следующие меры:

Аутентификация и авторизация

• RBAC (Role-Based Access Control) для разграничения доступа
• Двухфакторная аутентификация для администраторов
• Шифрование данных на стороне клиента

Защита передаваемых данных

• TLS 1.3 для MQTT соединений
• Шифрование полей данных в PostgreSQL
• Валидация входящих данных на всех уровнях

Соответствие требованиям ФЗ-152

• Анонимизация персональных данных
• Права доступа на уровне строк (row-level security)
• Аудит всех операций с данными

Защита промышленного оборудования

• Изоляция промышленных сетей от корпоративных
• Регулярное обновление прошивок PLC
• Мониторинг несанкционированного доступа

Технологический стек и интеграция

MQTT брокер

Для систем диспетчеризации промышленных объектов рекомендуется использование:

• EMQX или HiveMQ в качестве брокера
• Конфигурация с высокой отказоустойчивостью
• Масштабируемость для 30+ одновременных подключений

PostgreSQL база данных

Оптимизация для промышленной системы:

• Расширение TimescaleDB для временных рядов
• Таблицы partitioning по объектам и времени
• Индексы для быстрой аналитики

Python сервисы

Структура микросервисов:

# Пример структуры микросервиса
class DataProcessor:
    def __init__(self):
        self.mqtt_client = mqtt.Client()
        self.db_connection = psycopg2.connect()
    
    def process_sensor_data(self, topic, payload):
        # Валидация данных
        # Расчет отклонений
        # Сохранение в базу
        pass

Visiology интеграция

API интеграции для автоматического обновления дашбордов на основе новых данных.

Соответствие требованиям российского ПО

Для соответствия требованиям реестра российского ПО необходимо:

Лицензионное обеспечение

• Использование open-source компонентов с русифицированной документацией
• Подтверждение отсутствия зарубежных зависимостей

Юридические аспекты

• Хостинг на территории РФ
• Соглашения об обработке данных
• Документация на русском языке

Технические требования

• Поддержка ГОСТ Р
• Криптографические алгоритмы по стандартам ФСБ
• Локализация интерфейса

Процедура сертификации

• Подготовка пакета документов
• Тестирование в аккредитованных лабораториях
• Обучение технической поддержки

Практическая реализация и расширение

Этапы внедрения системы

1. Проектирование архитектуры

• Разработка UML-диаграмм
• Выбор инфраструктуры
• Планирование безопасности

2. Реализация ядра системы

• Настройка MQTT брокера
• Создание схемы PostgreSQL
• Разработка Python сервисов

3. Интеграция с оборудованием

• Настройка связи с Siemens PLC
• Тестирование сбора данных
• Калибровка датчиков

4. Визуализация и аналитика

• Создание дашбордов в Visiology
• Разработка алгоритмов отклонений
• Настройка отчетов

План расширения функционала

Контроль логистики

• Модуль отслеживания перемещения оборудования
• Аналитика сроков доставки
• Оптимизация маршрутов

Статистика по ТО

• Плановое обслуживание
• Анализ отказов
• Прогнозирование замены компонентов

Расширенная отчетность

• Экспорт в различные форматы
• Автоматическая генерация документов
• Интеграция с ERP системами

Источники

1. Structure of automation system Siemens S7-300
2. The PLC UML State-chart design pattern
3. MQTT Data Integration with PostgreSQL
4. MQTT Data Visualization with Grafana
5. EMQX PostgreSQL Integration
6. Unified Modeling Language (UML) Diagrams
7. Industrial IoT Reference Architecture

Заключение

Для реализации системы диспетчеризации 30 промышленных объектов с оборудованием Siemens PLC рекомендуется использовать многоуровневую архитектуру с MQTT-протоколом передачи данных, PostgreSQL для хранения и Visiology для визуализации. UML-диаграммы компонентов и развертывания помогут спроектировать систему с учетом требований безопасности и соответствия российскому ПО.

Практические шаги включают:

1. Разработать архитектуру с четким разделением слоев
2. Реализовать безопасную передачу данных через MQTT
3. Настроить PostgreSQL для эффективного хранения временных рядов
4. Создать Python-микросервисы для обработки аномалий
5. Интегрировать Visiology для интерактивной визуализации
6. Обеспечить соответствие требованиям ФЗ-152 и реестра российского ПО

Дальнейшее расширение системы в области логистики, ТО и отчетности возможно за счет добавления специализированных модулей на основе уже созданной инфраструктуры.