Chytré zariadenia v priemysle (2)

Rozhranie medzi operátorom a zariadením dlhodobo štandardne podporujú poprední výrobcovia automatizačnej techniky, resp. PLC zariadení. Operatívne informácie a akčné zásahy však často vychádzajú z okamžitých informácií a notifikácií, ktoré by v ideálnom prípade mali byť dostupné operátorovi v teréne v reálnom čase. Štandardne je HMI súčasťou operátorských panelov, ktoré sa nachádzajú buď pri jednotlivých stanovištiach, alebo v dozorniach. Informácie sa preto dostávajú k operátorom dávkovo s určitým oneskorením. Toto oneskorenie možno minimalizovať použitím notifikácií alebo aplikáciami v smartfónoch alebo nositeľných zariadeniach. Podpora popredných výrobcov automatizačnej techniky je však v tejto oblasti diskutabilná. Proprietárne riešenia poskytujú dostatočné možnosti riadenia aj monitorovania smartfónom, avšak obvykle nie sú súčasťou základných softvérových balíkov, treba dokupovať licencie alebo zakúpiť samostatnú mobilnú aplikáciu. V tomto článku chceme zhrnúť štandardné proprietárne riešenia podporujúce zobrazovanie HMI na smartfónoch, ale zároveň predstaviť alternatívne možnosti realizácie vlastných HMI riešení na monitorovanie priemyselných zariadení použitím štandardných sieťových protokolov.
Chytré zariadenia v priemysle (2)

HMI s použitím chytrých zariadení

Štandardné proprietárne riešenia

Reliance 4

Reliance 4 od českej spoločnosti Geovap, s. r. o., [1] patrí medzi systémy na tvorbu HMI, ktorý našiel uplatnenie v mnohých domácich (Slovensko a Česko) aj zahraničných projektoch. Riešenie umožňuje vytvárať projekty fungujúce na mobilných zariadeniach, desktopových počítačoch či dotykových paneloch, na ktorých je vizualizácia zobrazovaná pomocou run modulu postavenom na princípe webového klienta s podporou HTML 5. HMI je preto prispôsobené na použitie na mobilných zariadeniach vďaka responzívnemu dizajnu, ktorý HTML5 umožňuje realizovať. Vizualizácia na zariadení funguje ako tenký klient získavajúci dáta zo serverovej aplikácie komunikujúcej s PLC automatmi. Medzi úspešné nasadenia týchto projektov patria projekty vizualizácie rôznych výrobných procesov, ako aj správy budov, kúrenia a vzduchotechniky. Na správu vzduchotechniky bolo toto riešenie úspešne nasadené napríklad na výstavisku Incheba, kde zabezpečuje vizualizáciu štyroch bojlerov v dozorni, distribúciu teplej vody, monitorovanie klimatizácie či bezpečnostných požiarnych plánov.

Atvise SCADA

Atvise SCADA je komerčné riešenie SCADA, ktorého vizualizačná časť je postavená na webových technológiách, pričom HMI beží v internetovom prehliadači na ľubovoľnom zariadení podobne ako pri predošlom komerčnom riešení. Vizualizácia je tak plne nezávislá od operačného systému alebo typu zariadenia, čo umožňuje použitie tohto riešenia aj na mobilných zariadeniach. Samozrejmosťou je podpora pre všetky bežné funkcie, ako sú alarmy, história údajov, trendy, manažment používateľov a pod. Atvise SCADA podporuje štandardný priemyselný protokol OPC UA na komunikáciu s PLC automatmi.

AdvancedHMI’s PLC drivers

AdvancedHMI drivers [2] predstavujú riešenie na komunikáciu s podporovanými PLC bez potreby OPC servera alebo použitia DDE protokolu. Ide o framework v jazyku VB.net, ktorý môže byť použitý vo väčšine projektov vytvorených v prostredí Visual Studio, v jazykoch VB či C#. Medzi podporované protokoly na komunikáciu s PLC automatmi patria:

  • Controllogix alebo CompactLogix Ethernet/IP,
  • SLC, MicroLogix,
  • OPC Client,
  • Modbus TCP,
  • GE Fanus SNP-x serial port,
  • PPI driver.

Výhodou je cena riešenia, ktoré je šíriteľné a využiteľné bezplatne v podobe Community Edition. Značnou nevýhodou však je to, že nie je poskytovaná žiadna záruka a riešenie stále obsahuje niektoré chyby. Riešenie je určené iba pre zariadenia s OS Windows.

S využitím AdvancedHMI’s PLC drivers bola v [3] vytvorená vizualizácia procesu drvenia suroviny v cementárni. Simulácia systému cementárne bežala na PLC automatoch CompactLogix. Na získavanie dát z PLC automatov bol vytvorený C# program bežiaci v klaudovom prostredí MS Azure. Tento program získava údaje z PLC automatov a následne ich ukladá do databázy. Softvér zároveň podporuje archiváciu, agregáciu dát či kontrolu hodnôt na alarmové hodnoty. Tieto hodnoty sa potom načítavali na webové stránky s využitím HTML 5 či JavaScript.

Alternatívne HMI riešenie štandardnými protokolmi

V Laboratóriu inteligentných riadiacich systémov leteckých motorov (LIRS LM) je riadenie aj monitorovanie zabezpečené modulárnym systémom CompactDAQ od spoločnosti National Instruments (ďalej NI) a štandardné operátorské HMI rozhranie softvérom LabView. Hlavným problémom bolo získať riešenie na bezplatné vzdialené monitorovanie prevádzky malého prúdového motora iSTC21-V [4] na účely prezentácie a výučby, teda vytvoriť pasívne HMI rozhranie pre väčšie množstvo vzdialených klientov. Berúc do úvahy formu prispôsobenia HMI mobilným zariadeniam spomenutú pri komerčných riešeniach sa počas analýzy problému vytipovali tieto alternatívy na prenos dát [5]:

  1. použitie proprietárneho protokolu NI DataSocket,
  2. priame pripojenie k operátorskému HMI pomocou softvéru LabView nainštalovaného na klientskych staniciach,
  3. komunikácia s OPC serverom,
  4. komunikácia pomocou protokolov transportnej vrstvy modelu OSI.

Alternatívy 1 a 2 sú silne viazané na proprietárny softvér a nemajú univerzálne využitie napr. pri použití klasických priemyselných PLC. Na druhej strane však do značnej miery zjednodušujú zložitosť prenosu dát v reálnom, resp. kvázi reálnom čase cez sieť.

Tretia alternatíva je svojím spôsobom platformovo nezávislá. OPC servery sú integrálnymi súčasťami množstva priemyselných riešení v praxi; takisto viacero poskytovateľov alternatívneho HMI softvéru využíva OPC server ako primárny zdroj údajov na tvorbu vlastného HMI. Táto alternatíva je zložitejšie implementovateľná na rozdiel od prvej a druhej, pretože vyžaduje tvorbu HMI samostatne vo zvolenom programovacom jazyku. Zber dát a komunikácia so systémom je však pomerne jednoduchá vďaka širokej podpore zo strany automatizačnej komunity. Príkladom sú knižnice vydané vďaka OPC Foundation podporujúce tradičné (.NET, Java, AnsiC), ale aj moderné (.NET Standard) frameworky.

Posledná alternatíva poskytuje najväčšiu mieru flexibility na strane PLC, resp. riadiaceho systému, aj na strane HMI. Protokoly TCP a UDP môžu byť použité na prenos citlivých dát samostatným TCP kanálom, pričom menej citlivé prevádzkové údaje alebo údaje tolerujúce mikrovýpadky siete môžu byť prenášané pomocou samostatného kanála UDP. Týmto riešením možno zároveň realizovať napríklad prenos dát pomocou TCP a audiovizuálny prenos z IP kamery alebo termokamery pomocou UDP. Stranu HMI možno podobne ako pri tretej alternatívne vytvoriť samostatne vo zvolenom programovacom jazyku. Vďaka tejto flexibilite môže byť HMI navrhnuté tak, aby poskytovalo prispôsobiteľnosť responzívneho dizajnu, t. j. aby bolo zobraziteľné vo vyhovujúcej podobe pri rôznej veľkosti displeja.

Na riešenie špecifikovaného problému v LIRS LM bola zvolená štvrtá možnosť najmä pre jej nezávislosť od použitých technológií a minimálnu záťaž riadiaceho PC. Celú architektúru vrátane protokolov možno vidieť na obr. 2.

Použitím protokolu UDP, resp. TCP, sa zabezpečilo spojenie UNICAST medzi riadiacim PC a serverom. Serverová aplikácia plní niekoľko úloh zároveň. V prvom rade prijíma dáta z riadiaceho PC, v druhom rade ich odosiela na webovú stránku (front-end aplikácie) pomocou protokolu Internet Socket. Webová stránka je navrhnutá v responzívnom štýle (prispôsobená rôznej veľkosti obrazoviek) a obsahuje prístrojovú dosku na monitorovanie. Mobilné HMI je tak tvorené webovou stránkou prispôsobenou akémukoľvek mobilnému zariadeniu s prístupom na web s obsahom aktualizovaným v kvázi reálnom čase. Rýchlosť a spoľahlivosť prenosu závisí len od hardvéru, teda od rýchlosti pripojenia do siete, v ktorej sa nachádza server a riadiace PC, a od latencie siete.

Zhrnutie a záver

V článku boli stručne opísané komerčné riešenia podporujúce tvorbu mobilných HMI. Zároveň sme spomenuli aj prípady ich použitia v priemyselnom prostredí. Ako alternatívu ku komerčným riešeniam sme ukázali využitie vlastného riešenia prenosu dát bez potreby proprietárnych a priemyselných protokolov, pričom sme využitím štandardného protokolu TCP a UDP realizovali prenos dát aj vlastné, na mieru vytvorené HMI, ktoré podporuje vzdialené pripojenie viacerých klientov v pasívnom (monitorovacom) režime. Výskum, v ktorom sa zameriavame na aplikáciu mobilných a nositeľných zariadení v hospodárskej praxi, ako aj na riešenie pre LIRS LM, je realizovaný v Laboratóriu chytrých technológií na Katedre kybernetiky a umelej inteligencie, FEI TU v Košiciach.

Zdroje

[1] https://www.reliance-scada.com/en/products/reliance4-scada-hmi-system#page=structure

[2] http://www.advancedhmi.com/index.php?main_page=page&id=5

[3] ŠATALA, Pavol: Využitie grafických web technológií pre priemyselné HMI. Bakalárska práca. Technická univerzita Košice 2015.

[4] FŐZŐ, Ladislav – ANDOGA, Rudolf – MADARÁSZ, Ladislav – KOLESÁR, Ján – JUDIČÁK, Jozef: Description of an intelligent small turbocompressor engine with variable exhaust nozzle. In: SAMI 2015. Danvers: IEEE, 2015, pp. 157 – 160. ISBN 978-1-4799-8220-2.

[5] GAŠPAR, Vladimír – ANDOGA, Rudolf: Remote real-time monitoring of a small turbojet engine. In: CINTI 2016. Danvers: IEEE, 2016, pp. 359 – 362. ISBN 978-1-5090-3908-1.

Poďakovanie
Táto séria článkov vznikla vďaka realizácii projektov podporených Kultúrno-edukačnou grantovou agentúrou Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu SR a Slovenskej akadémie vied pod číslom 05TUKE-4/2017 a Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-16-0213.

Ing. Pavol Šatala
pavol.satala@tuke.sk

Ing. Vladimír Gašpar, PhD.
vladimir.gaspar@tuke.sk

doc. Ing. Peter Butka, PhD.
peter.butka@tuke.sk

Technická Univerzita v Košiciach
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Katedra kybernetiky a umelej inteligencie – Oddelenie hospodárskej informatiky
Laboratórium chytrých technológií
Vysokoškolská 4, 042 00 Košice
http://kkui.fei.tuke.sk/chi/smart