Розроблення людино-машинних інтерфейсів та систем збирання даних з використанням програмних засобів SCADA/HMI
Сьогодні світ знаходиться на рубежі четвертої промислової революції, де автоматизація стала невід’ємною частиною не тільки технологічних процесів а і повсякденного життя людини. Автоматизація всіх процесів життєвого циклу продукту передбачає їх інтегрування, а кінцевий споживач відіграє важливу роль в керуванні цими процесами, як в якості замовника так і в якості постачальника споживчих даних. Останнє забезпечує можливість зворотного замикання ланцюжка постачань, а отже і всього життєвого циклу. Таке перетворення стало можливим за рахунок бурхливого розвитку програмно-технічних засобів, повсякмісної наявності Інтернету та зміна парадигми з «придбання активів» на «використання послуг».
Кожна людина має власний комп’ютер – телефон або смартфон, який супроводжує його практично повсюди та надає повсякмісний та повсякчасний доступ до всесвітньої мережі Інтернет з розподіленою базою даних, знань та різноманітних сервісів. Це надає додаткові можливості не тільки в спілкуванні, а і в автоматизації рутинної роботи. За таких обставин “автоматизація всього” – це справа часу. Поява концепції Інтернету речей (IoT) – перша ластівка тотальної автоматизації. Вияснилося, що все навколо можна представити в цифровому світі у вигляді цифрового двійника, який буде зв’язуватися зі своїм фізичним активом через різнорідні інтерфейси. Це значить, що побудувавши сервіси взаємодії між цифровими двійниками можна організувати зв’язок між “речами” для забезпечення необхідної функціональності. Концепцію IoT розвинули і адаптували під промислові і інфраструктурні потреби, зробивши її надійною, робастною, захищеною. Так з’явилася концепція промислового Інтернету речей (IIoT), яка сьогодні є однією з фундаментальних технологій Індустрії 4.0.
За таких тенденцій людина ще більше віддаляється від самостійного виконання рутинних справ, при цьому інформаційне навантаження на неї значно збільшується. На промисловому виробництві, де автоматизація все більше замінює людину в рутинних операціях, є багато процесів, де оператор відіграє ключову роль. Це пов’язано з кількома факторами. По-перше, для неперервних виробництв характерні нечасті запуски і зупинки, які потребують великої кількості ручних операцій.
По-друге, на скільки б не були автоматизовані процеси, все одно трапляються нештатні ситуації, які не передбачені системою і потребують втручання людини в керування. Ці ситуації дуже суттєво впливають на економічні показники, і їх також намагаються автоматизувати принаймні в режимі порадника. Для читача можливо цікаво буде познайомитися з технічними звітами по створенню стандарту ISA-106, що передбачає автоматизацію ручних процедур.
По-третє, не всі здатності людини поки що вдалося замінити машиною. Ситуаційна обізнаність сильно залежить від досвіду людини а також здатності до аналізу. Все більше популярності набувають рішення з використанням інтелектуальних систем, що функціонують на основі аналізу великих даних (big data) та машинного навчання. Звісно, ці технології можуть сильно допомогти в аналізі ситуації, однак кінцеве рішення все одно залишаються за людиною.
По-четверте, творча складова, така як, наприклад, створення нових рецептів та способів виготовлення, поки-що непідвласна машині, тому у цій виробничій діяльності людина має вирішальне значення.
По-п’яте, обслуговування виробничого обладнання потребує участі людини.
Виходячи з вищевказаного, необхідно передбачати розробку автоматизованих а не автоматичних систем, тобто які передбачають участь людини в процесах керування. Тому кожна система повинна передбачати людино-машинний інтерфейс. Ще 20 років тому до засобів людино-машинного інтерфейсу відносилися тільки різноманітні кнопочні станції, індикатори, операторські панелі, комп’ютери зі спеціалізованим ПЗ. Сьогодні до них відносяться смартфони, планшети, засоби адитивної та віртуальної реальності.
Враховуючи вимоги до аналізу великої кількості вимірювань, їх агрегацію, що потребує збору з великої кількості розподілених засобів автоматизації, класичним залишається підхід з використанням системи супервізорного керування та збору даних (SCADA), а у якості концентраторів даних на підприємствах використовуються системи типу Historian. Поряд з цим, концепція IIoT передбачає розподілений збір даних, їх обробку, збереження та аналіз на хмарних платформах. Великої популярності набувають так звані хмарні SCADA з WEB-інтерфейсом.
Сьогодні українські спеціалісти з автоматизації мають достатньо компетенцій для розробки АСКТП (автоматизованих систем керування технологічними процесами) з людино-машинними інтерфейсами в їх складі. Як правило, ці компетенції здобуваються під час роботи з конкретним інструментальним програмним забезпеченням (SCADA/HMI програми) від певного постачальника, а також шляхом переймання досвіду від колег по цеху. Автору посібника не відомі роботи українських колег, що присвячені саме темі розробки ЛМІ та збору даних, які б розглядали сучасні підходи до розробки, функції та сучасні стандарти. Тому даний посібник може допомогти молодому спеціалісту і студенту в наступному:
дізнатися про функції, які можуть надавати засоби SCADA/HMI;
дізнатися про архітектури та принципи побудови SCADA/HMI;
дізнатися про сучасні стандарти побудови SCADA/HMI та кращі практики, які в них закладені;
дізнатися про сучасні тенденції в побудові людино-машинних інтерфейсів, які в найближчому майбутньому стануть стандартами де-факто;
отримати рекомендації щодо розробки SCADA/HMI в складі АСКТП;
отримати базові знання в побудові систем SCADA/HMI на базі підходів IIoT;
отримати базові знання в системах Historian;
отримати базові знання в процесах інтегрування систем керування;
отримати базові знання з кібербезпеки АСКТП.
Посібник може бути також цікавим спеціалістам, які вже мають досвід в розробці систем SCADA/HMI, так як вміщує опис стандартів, технологій та практик, які можуть бути невідомими їм.
Структура посібника орієнтована на вивчення матеріалів в окремій дисципліні “Засоби SCADA/HMI”, з послідовним проходженням по розділам. Однак кожен розділ вміщує велику кількість додаткового матеріалу, а деякі мають довідниковий характер. У зв’язку з цим, на початку кожного розділу вказуються рекомендації щодо вивчення матеріалу. Більшість розділів орієнтовані на окрему підсистему, тому спеціалісти можуть ознайомлюватися з цікавими їм матеріалами вибірково.
Розділи включають приклади на засобах трьох постачальників: Citect (AVEVA Schneider Electric), zenon (COPA DATA), WinCC Comfort (операторські панелі SIMATIC Comfort). Це дає змогу отримати інформацію про способи реалізації тих чи інших функцій а також використати даний матеріал при підготовці до лабораторних робіт з курсу. Крім того, викладачі можуть адаптувати даний посібник під інші платформи, які використовуються в їх ВНЗ.
Перший розділ посібника присвячений опису SCADA/HMI з точки зору їх використання. У ньому показані функції, засоби, загальні принципи побудови та розробки. Цей розділ буде корисним всім інженерам, задіяним у виробництві. Він не перевантажений термінами, і не відкриває сутність процесів розробки. Тим не менше, для кращого розуміння інших розділів він рекомендується для читання усім.
Другий розділ вводить читача в структуру систем SCADA/HMI з середини а також означує послідовність етапів при розробленні. Він, по суті, є коротким путівником по процесам розроблення і разом з іншими розділами робить посібник цілісним.
У третьому розділі показані процеси, що задіяні при проектуванні бази даних реального часу – центрального ядра, навколо якого крутяться інші підсистеми. Тут читач може ознайомитися з налаштуванням тегів, їх зв’язку з підсистемою вводу/виводу та іншими підсистемами.
Четвертий розділ має довідниковий характер і містить опис роботи драйверів найбільш вживаних протоколів та стандартів взаємодії: Modbus, OPC DA, OPC UA, S7 та MQTT. Для початкового вивчення матеріалу в курсі SCADA/HMI можна ознайомитися тільки з першими параграфами, інші підрозділи варто читати за необхідності.
П’ятий розділ повністю описує технології і процеси задіяні в розробці підсистеми людино-машинного інтерфейсу. Значна частина матеріалу щодо функцій HMI дана в 1-му розділі, у цій частині графічний інтерфейс розглядається в контексті розроблення. Велика увага в розділі присвячена стандарту ISA-101.
У шостому розділі розглядаються усі функції та процеси, що задіяні при розробленні підсистем тривожної сигналізації. Ці підсистеми є дуже важливими складовими будь якої АСКТП, тому розділ досить об’ємний за змістом і також може читатися, як окремий посібник.
У сьомому розділі описані процеси, задіяні при розробленні підсистеми трендів. Функціональна частина підсистеми описана в 1-му розділі. Тут приділяється увага конфігуруванню запису даних в тренди, та їх відображенню.
Функціональні можливості великої кількості SCADA/HMI вписуються в “джентльменський набір”, що наведений в попередніх розділах і потребують досить значних затрат на їх розробку. Інші функції є вибірковими, тобто залежать від особливостей виробництва чи вимог замовника. Ці додаткові функції даються у восьмому та дев’ятому розділах. У розділі 8 описані робота з рецептами, звітами, календарного виконання, генерування подій, робота зі скриптами та мультимовна підтримка. Крім того, у восьмому розділі описані функції підсистеми керування доступом, яка є обов’язковою для всіх засобів SCADA/HMI, але є недостатньо великою, щоб увійти в окремий розділ.
Враховуючи, що засоби SCADA/HMI як правило є частиною поєднаних між собою систем керування, окремий 9-й розділ присвячений інтеграції їх з іншими системами. Там розглядаються також питання кібербезпеки, віддаленого доступу, концепції промислового інтернету речей та використання Historian.
Останній, 10-й розділ, присвячений питанням життєвого циклу SCADA/HMI. Він повинен допомогти молодому спеціалісту при проектуванні, розробленню та налагодженню. Матеріал розділу вміщує практики з досвіду автору та колективу кафедри АКТСУ НУХТ в розробленні SCADA/HMI а також кращі практики, що закладені сучасними стандартами.
Посібник може бути корисним як студентам та спеціалістам з автоматизованих систем керування так і інженерам інших напрямків.