Na druhej strane vzdelávacie inštitúcie sú často vybavené ­priemyselnými riadiacimi systémami, ako sú programovateľný ­logický ­automat (PLC), hardvér na zber dát a softvér SCADA. V praxi ­existuje niekoľko metodologických prístupov, ako poskytovať vzdialené riadenie priemyselných systémov cez internet. Prvý je založený na priamej konektivite PLC do LAN, respektíve internetu, pomocou zabudovaných alebo prídavných modulov, ktoré možno použiť len pri niektorých dostupných zariadeniach. V prípade, kde takáto možnosť nie je, riešenie je založené na rozličnej implementácii systému SCADA.

Naše riešenie poskytuje odlišné, rýchle, jednoduché a nízko nákladové vzdialené riadenie laboratória. Na rozdiel od už spomenutého riešenia je naše založené na dvoch riadiacich zariadeniach, PLC VIPA a priemyselnom smerovači eWON bez potreby dedikovaného servera alebo špecializovaného softvéru. Všetky potrebné funkcie, ako sieťová komunikácia, získavanie dát, správa PLC a vizualizácia, sú poskytované smerovačom, čo zásadne zjednodušuje implementáciu vzdialeného riadenia.

Laboratórne zariadenie

Laboratórne zariadenie, ktoré bolo použité, pozostáva zo štyroch vertikálne upevnených zásobníkov a dvoch kompenzačných ­nádob. Zatvorením kompenzačných ventilov možno zariadenie rozdeliť na dva nezávislé systémy dvoch sériovo prepojených nádob. Riadenou veličinou je výška hladiny v spodných nádobách meraná hydrostatickým snímačom hladiny. Riadiacou veličinou je prítok kvapaliny do vrchných nádob reprezentovaný napätím pumpy.

Riadiace zariadenia

PLC VIPA programované v Siemens Step 7 obsahuje riadiace algoritmy a priamo interaguje s riadeným procesom pomocou analógových vstupov (senzory výšky hladiny) a výstupov (napätie na pumpách). V našej architektúre PLC predstavuje základnú vrstvu riadenia procesu (obr. 1). Zatiaľ boli implementované tri spôsoby riadenia: relé, PID a fuzzy.
Priemyselný smerovač (IR) eWON 4005CD predstavuje informačnú vrstvu nášho riešenia. Poskytuje možnosti, ako sú napríklad správa PLC, získavanie a uchovávanie dát, preklad priemyselných protokolov, zabezpečenú komunikáciu pomocou VPN. Dôležitými možnosťami sú FTP klient a server. Zabudovaný webový server nám umožnil implementovať vizualizáciu. eWON ako informačná vrstva nám poskytuje tieto možnosti:

  • prístup k premenným programu v PLC na čítanie a zápis,
  • zmenu PLC programu,
  • logovanie dát a alarmových stavov,
  • webovú vizualizáciu.

Vizualizácia

On-line vizualizácia vzdialeného laboratória (obr. 2) je založená na bežne používaných a overených priemyselných webových technológiách HTML, CSS, SVG a JavaScript. Webová aplikácia obsahujúca grafické používateľské rozhranie (GUI) sa skladá z viacerých informačných častí.

V hornej časti aplikácie sa nachádza stavový panel, ktorý obsahuje základné riadiace prvky, ako prepínač zapnutia/vypnutia zariadenia, tlačidlo na ovládanie externého svetla v miestnosti a informačné okno s aktuálnym výpisom činnosti aplikácie. Ďalej sa tu nachádza odpočítavanie času do automatického vypnutia zariadenia, ktoré slúži ako jedna bezpečnostná vrstva pre prípad, že používateľ zabudne zariadenie po práci vypnúť, spolu s tlačidlom na resetovanie odpočítavania, ktoré umožní predlžiť prácu so zariadením. Z tohto miesta sú dostupné aj historické dáta sledovaných veličín, ktoré možno stiahnuť na ďalšie spracovanie.

Konkrétne je dostupná výška hladín v zásobníkoch, požadovaná výška hladín v zásobníkoch a prítok kvapaliny do zásobníkov. Nižšie na ľavej strane GUI si používateľ môže zvoliť z dvoch spôsobov sledovania zariadenia. Prvý je živý prenos z IP kamery, ktorá sa nachádza v miestnosti, a druhý je vizualizačná animácia vytvorená pomocou SVG a JavaScriptu. Zároveň vpravo aplikácia zobrazuje požadované hodnoty aj v číselnej forme. Spodná časť aplikácie je venovaná výberu typu riadenia pomocou tlačidiel, ktoré vyvolajú okno (obr. 3), kde možno nastaviť požadovanú výšku hladín a presné parametre relé, PID a fuzzy riadenia, ktoré boli implementované v PLC.

Samozrejmosťou je aj možnosť nastavenia vlastných hodnôt prítoku kvapaliny v manuálnom type riadenia. Na pravej strane GUI môže používateľ sledovať správanie zariadenia pomocou dynamicky generovaných grafov založených na knižnici JavaScript Flot. Grafy sú aktualizované každú periódu získavania dát z PLC, aby zobrazovali najnovšie dostupné hodnoty sledovaných veličín. Celá webová aplikácia bola vytvorená s ohľadom na jednoduché rozšírenie funkcionality, pričom je prispôsobená na zobrazovanie na zariadeniach s rozličným rozlíšením, čím spríjemňuje používanie aplikácie a dodržuje zásady responzívneho dizajnu.

Spracovanie dát a komunikačnú časť možno opísať takto. V riadiacej vrstve architektúry sú všetky merané a riadené premenné prislúchajúce k zariadeniu pripojené ako analógové signály do PLC, kde bežia hlavné algoritmy. V PLC je každý signál zariadenia reprezentovaný premennou umiestnenou v pamäti, ktorá je označená unikátnou identifikáciou. Priemyselný smerovač (IR) eWON patriaci do informačnej vrstvy pristupuje k premenným každú vzorkovaciu periódu a číta alebo zapisuje ich hodnoty do príslušných premenných (tag) vo svojej pamäti. Tagy sú pomocou správne formátovaných HTTP požiadaviek transformované na konkrétne hodnoty obsiahnuté v ­súbore XML, ktorý si následne vyžiada aplikácia na spracovanie a zobrazovanie hodnôt v GUI.

Celá vizualizačná časť sa nachádza v pamäti priemyselného smerovača a na zobrazovanie GUI sa používa zabudovaný webový server. Týmto spôsobom môže používateľ alebo administrátor laboratória priamo zobraziť alebo zmeniť procesné premenné využitím webovej vizualizácie cez internet. Vzdialený prístup k smerovaču je dostupný dvomi spôsobmi: priamy prístup cez internet zabezpečený pomocou prístupového mena a hesla alebo prístup cez VPN službu, ktorá prináša ďalšiu možnosť zabezpečenia v prípade reálneho nasadenia v priemysle. Existuje možnosť použiť vlastné riešenie VPN, my sme sa však rozhodli pre riešenie dodávané spolu so smerovačom eWON – službou Talk2M.

Záver

V tomto článku sme ukázali, že tradičné prístupy vývoja vzdialených laboratórií založených na priemyselných technológiách môžu byť zjednodušené voľbou vhodného softvéru a hardvérovej architektúry. Vyvinuli sme on-line webové riešenie na riadenie laboratórneho zariadenia založeného na dvoch zariadeniach – programovateľného logického automatu (PLC) Vipa a priemyselného smerovača (IR) eWON. Opísaná architektúra sa skladá zo základnej riadiacej vrstvy obsahujúcej riadené laboratórne zariadenie a PLC a informačnej vrstvy s priemyselným smerovačom, ktorý poskytuje správu PLC a vizualizačné možnosti.

prof. Ing. Miroslav Fikar, DrSc,
Rudolf Halás
Pavol Ďurina