Людино-машинні інтерфейси Автор і лектор: Олександр Пупена доц. кафедри АКСТУ НУХТ
Лекція 1. Місце засобів SCADA/HMI в структурі керування
1.1.Способи реалізації людино-машинного інтерфейсу
Більшість систем керування технологічними процесами автоматизовані, тобто такі, що потребують участі людини в процесі керування. Це зумовлено рядом факторів. Насамперед тим, що не завжди можна розробити алгоритм керування, за допомогою якого можна було б реалізувати повністю автоматичну систему керування. Для цього або недостатньо інформації про стан об’єкта керування, або в процесі керування можуть виникати непередбачувані ситуації, з якими не може впоратись існуюча система автоматизації. Крім того, навіть для традиційних і добре вивчених і відпрацьованих завдань автоматичного регулювання (стабілізуюче, програмне і слідкуюче) та завдань дискретного керування періодичними процесами, для яких існують надійні алгоритми і програми керування, виникає необхідність коригувати їх роботу.
У будь-якому випадку необхідно налагодити зв’язок, який би, з одного боку, давав можливість людині контролювати стан процесу та системи, а з іншого – забезпечував можливість втрутитися в процес керування. Тобто необхідно в системі керування передбачити людино-машинний інтерфейс (HMI – Human-Machine Interface). Під “машиною” в цьому випадку розуміється система з усіх технічних засобів, що бере участь у процесі вимірювання, контролю, сигналізації та керуванні, а під “людиною” – оператор-технолог, який бере безпосередню участь у процесі керування. Отже, людина задіяна у процесі керування, тому вона є частиною цієї системи (автоматизованої системи керування технологічними процесами, АСКТП). Саме людина приймає найвідповідальніші рішення в процесі керування. Людино-машинний інтерфейс є частиною автоматизованого робочого місця (АРМ) оператора.
На відміну від прямого візуального контролю та безпосереднього керування регулюючими органами, в АСКТП процес отримання людиною інформації та ручне керування проходить опосередковано через засоби людино-машинного інтерфейсу, обчислювальні машини різного рівня складності (наприклад ПЛК), виконавчі механізми та датчики (рис. 1.1). Такий процес отримав назву супервізорного керування.
Рис. 1.1. Супервізорне керування об’єктом
Для невеликих процесів людино-машинний інтерфейс може бути реалізований з використанням кнопок, перемикачів, різного типу індикаторів. Однак більшість технологічних процесів потребує значної кількості елементів відображення та ручного керування, а також різного типу самописців та елементів сигналізації. У цьому випадку для реалізації людино-машинного інтерфейсу використовують операторські панелі (ще називають панелі оператора). Це невеликі мікропроцесорні засоби з текстовим або графічним дисплеєм для відображення інформації та елементами керування – кнопками або/та сенсорним екраном. Передня частина таких панелей захищена від пилу, бруду, вологи, що дає змогу оператору керувати процесом безпосередньо біля об’єкта. Для захисту іншої частини панелі її розміщують у спеціальному щиті.
Для великих АСКТП панель оператора не забезпечує можливості контролю за всім процесом, архівування великої кількості параметрів, зв’язку з іншими системами керування процесами та виробництвом у цілому. Ці функції можуть бути реалізовані засобами людино-машинного інтерфейсу, побудованим на базі комп’ютерів зі спеціалізованим програмним забезпеченням. На виробництві такі автоматизовані робочі місця оператора-технолога розміщуються, як правило, в спеціально обладнаних диспетчерських, які захищають комп’ютери від пагубного впливу виробничих умов та надають можливість нормально працювати операторам. У диспетчерських приміщеннях для керування об’єктами з великим обсягом інформації застосовують також настінні екрани, інколи комбінуючи їх з пультами та щитами керування.
Для реалізації роботи людино-машинного інтерфейсу необхідно забезпечити двосторонній обмін даними:
-
збирати інформацію про стан технологічного устатковання і значень технологічних параметрів;
-
передавати команди оператора в зворотному напрямку.
При побудові комплексної АСКТП на базі програмованих контролерів цими процесами займаються SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition – супервізорне керування і збирання даних). Тобто організація роботи АРМ складається, як мінімум, з двох складових: SCADA – для збирання даних та керування; HMI – для реалізації людино-машинного інтерфейсу.
У АСКТП, побудованих на базі DCS (Distributed control system – системи розподіленого керування), концептуальна база даних процесу є єдиною як для керування процесом у реальному часі, так і для візуалізації. Тому окремо функція SCADA не виділяється, але процес створення людино-машинного інтерфейсу практично такий самий. Надалі будемо розглядати тільки системи, побудовані за принципом: контролери+SCADA+HMI.
1.2.Засоби розроблення автоматизованих робочих місць
Програмне забезпечення для комп’ютерів АРМ можна створити на базі універсальних середовищ та мов програмування. Такий підхід дає змогу створити систему з будь-яким функціоналом за бажанням замовника, однак він має ряд недоліків. По-перше, розроблення проектів займає багато часу і потребує залучення спеціалістів з комп’ютерного програмування. По-друге, відлагодження такого проекту триває досить довго, а помилки в роботі програм нерідко проявляються протягом усього життєвого циклу системи. По-третє, такі програми важко супроводжувати і вносити туди зміни, оскільки це потребує постійного контакту з людиною-розробником.
Альтернативою наведеному вище підходу є використання спеціального програмного забезпечення, яке значно спрощує розроблення прикладного програмного забезпечення для реалізації АРМів різного призначення. Таке інструментальне програмне забезпечення належить до класу SCADA/HMI. Основний принцип розроблення з використанням цих інструментів – “Конфігурування замість програмування”, що різко зменшує витрачений час та вірогідність помилок, адже функціональність АРМів у своїй базовій частині мало залежить від особливостей виробництва. Програмні пакети для розроблення АРМів на базі комп’ютерів прийнято називати “SCADA-програмами”, або просто “SCADA”, а для панелей оператора – “HMI-програмами”, або просто “HMI”. Надалі ми будемо використовувати загальний термін, який об’єднує ці поняття – програми SCADA/HMI. У світі налічуються сотні компаній, що активно займаються розробленням і розповсюдженням програм SCADA/HMI.
Необхідно розрізняти програмне забезпечення SCADA/HMI, яке функціонує на автоматизованому робочому місці оператора, і набір інструментальних програмних засобів, призначених для розроблення такого прикладного програмного забезпечення (рис. 1.2). Середовище розроблення (Design-Time) використовується на стадії створення системи і містить набір різних редакторів. Як правило, ця програма виконується тільки на комп’ютері розробника (так званій інженерній робочій станції). Середовище виконання (Run-Time) містить усі виконавчі підсистеми для реалізації функцій, розроблених виробником SCADA/HMI. Воно слугує для запуску і виконання створеного проекту на комп’ютері автоматизованого робочого місця в режимі м’якого реального часу. На самому підприємстві обов’язковим є наявність середовища виконання проекту.
Результат розроблення – набір пов’язаних файлів, які називають проектом. За аналогією із середовищем розроблення і виконання у більшості SCADA/HMI проект може бути в 2-х варіантах (див. рис. 1.2):
-
вихідний проект, де зберігаються проектні дані у формі, доступній для редагування;
-
скомпільований проект, який вміщує код, який може інтерпретувати середовище виконання і недоступний для редагування людиною.
Рис. 1.2. Порядок створення, компіляції та виконання проекту
Для функціонування автоматизованої системи в режимі операційної роботи необхідне тільки середовище виконання та скомпільований проект. Однак, якщо в майбутньому планується вводити зміни в проект, підприємство повинно домовитися з розробниками про передачу також вихідного проекту.
Слід зазначити, що середовище виконання для комп’ютерів є платним і ліцензується залежно від функціональних можливостей та кількості змінних процесу, які задіяні в контролі та керуванні. Середовище виконання для панелей оператора вже вбудоване в неї і входить у вартість устатковання. Середовище розроблення може бути як платним так і безкоштовним, залежно від особливості фінансової політики виробника SCADA/HMI.
Розділення SCADA/HMI на два середовища є загальноприйнятою практикою, але не правилом. Ряд продуктів підтримує різні режими роботи одного середовища. Деякі базуються на WEB-технологіях, де середовищем виконання по суті є ВЕБ-сервер (серверна частина) і браузер (клієнтська). Тим не менше, надалі в посібнику дотримується саме таке розділення, як найбільш вживане.
1.3.Функціональні можливості середовищ виконання SCADA/HMI
Більшість програм SCADA/HMI має типовий набір функціональних можливостей для реалізації завдань АРМів:
-
збирання інформації про контрольовані технологічні параметри (даних реального часу) з контролерів та засобів віддаленого введення/виведення;
-
графічне представлення стану технологічного процесу і устатковання в зручній для сприйняття формі у вигляді мнемосхем;
-
вторинне оброблення інформації (масштабування, обмеження вводу, перевірка коректності тощо);
-
приймання команд оператора і передача їх на контролер, або засіб віддаленого виведення;
-
збереження даних реального часу в архівах даних і графічне представлення історичної інформації в зручній для сприйняття формі у вигляді графіків, гістограм тощо;
-
сповіщення експлуатаційного і обслуговуючого персоналу про виявлені аварійні події в технологічному процесі і програмно-апаратних засобах;
-
фіксація в електронних журналах виникнення аварійних подій у контрольованому технологічному процесі та дій експлуатаційного персоналу;
-
формування звітів на основі архівної інформації, тривог та даних реального часу;
-
обмін інформацією з автоматизованими системами керування виробництвом та підприємством у складі інтегрованих систем керування;
-
виконання певної логіки оброблення даних з використанням вбудованих мов, наприклад, VBA;
-
захист від несанкціонованого доступу до компонентів і файлів;
-
формування, записування, читання та збереження даних у вигляді рецептів;
-
створення оперативних календарних планів керування устаткованням.
Налаштування та робота цих функцій розглянуті в наступних лекціях курсу.
–> Лекція 2. Функції графічного інтерфейсу SCADA/HMI та високоефективний HMI
Контрольні запитання
- В яких випадках виникає необхідність участі людини в процесі керування?
- Поясніть своїми словами, що таке нештатна ситуація. Наведіть приклади. Чому для автоматики проблематично прийняти рішення щодо керування в таких ситуаціях?
- Поясніть своїми словами, що таке людино-машинний інтерфейс (HMI).
- Яке місце посідає людина в АСКТП?
- Поясніть, що таке супервізорне (опосередковане) керування. Які пристрої беруть участь на шляху супервізорного керування та отримання інформації?
- З використанням яких технічних засобів може бути реалізований людино-машинний інтерфейс? У яких випадках використовується кожен із них?
- Де розміщені операторські панелі? Як вони захищені від пилу, бруду та вологи?
- Де розташовуються автоматизовані робочі місця, які реалізовані на базі комп’ютерів?
- Поясніть призначення SCADA. Поясніть відмінність між SCADA та HMI.
- Які підходи використовуються при розробленні програмного забезпечення для АРМів операторів АСКТП?
- Які переваги та недоліки в розробленні АРМу на базі універсальних середовищ програмування?
- Який основний принцип використання програм SCADA/HMI при створенні АРМу оператору?
- Поясніть відмінність середовища розроблення та середовища виконання SCADA/HMI. Яке саме середовище потрібне для роботи АРМу оператору на підприємстві?
- Поясніть, що таке проект SCADA/HMI? Чим відрізняється вихідний проект від скомпільованого і коли підприємству необхідні обидва варіанти проектів?
- Від чого залежить вартість середовища виконання SCADA/HMI?
- Перерахуйте типові функції надають програми SCADA/HMI?