Systemy wizualizacji

Dawniej w systemach automatyki używano fizycznych przycisków, przełączników, zadajników, lampek, wskaźników i wyświetlaczy. Obecnie w wirtualnej formie umieszcza się je odpowiednio pogrupowane na ekranie. Współcześnie w przypadku pojedynczych maszyn i urządzeń tradycyjne pulpity sterownicze ograniczają się najczęściej do dotykowych paneli operatorskich. Nowoczesne, złożone procesy produkcyjne charakteryzują się wypieraniem tradycyjnych rozwiązań przez globalne systemy zarządzające, odpowiadające między innymi za ich wizualizowanie. Na rynku automatyki funkcjonuje wiele podmiotów, które oferują różnorodne systemy wizualizacyjne.

Panele HMI

Jedną z możliwości wizualizacji procesów technologicznych jest prezentowanie danych na panelach HMI (Human–Machine Interface). Panele umożliwiają jednoczesną interakcję operatora ze sterowanym urządzeniem czy grupą urządzeń. Komponenty umożliwiają wyświetlanie aktualnego stanu maszyny, prezentację wybranych danych oraz sterowanie elementami wykonawczymi. Ze względu na konieczność ekspozycji paneli na zewnątrz sterowanych urządzeń, podczas doboru tych komponentów należy zwrócić szczególną uwagę na ich stopień ochrony IP.

Panele HMI można podzielić na dotykowe i nie. W przypadku tych drugich interakcję z operatorem wspierają fizyczne przyciski, przełączniki i pokrętła lub w rozbudowanych systemach sterowania myszka i klawiatura podpięte do przemysłowego komputera. Występują również panele o mieszanym charakterze, które są dotykowe, ale mają kilka lub kilkanaście zintegrowanych przycisków fizycznych, które wspomagają pracę operatora i są dostępne niezależnie od rodzaju planszy wizualizacji, która jest w danej chwili wyświetlana na ekranie. Na komfort pracy z panelem HMI wpływa jego wielkość oraz dostępna rozdzielczość. Trzeba dobrać je odpowiednio do zapotrzebowania, uwzględniając rodzaj i ilość prezentowanych danych oraz dostępną przestrzeń w konstrukcji urządzenia.

Wśród dotykowych paneli HMI można wyróżnić dwa podstawowe typy, dzieląc je ze względu na typ ekranu. Są to panele z ekranami rezystancyjnymi i pojemnościowymi. Pierwsze z nich są tańsze, ale charakteryzują się mniejszą żywotnością i dokładnością. Mimo większej odporności na drobne uszkodzenia mechaniczne, z czasem tracą na estetyce ze względu na widoczne zużycie w miejscach najczęstszego dotyku. Ekrany rezystancyjne, w przeciwieństwie do pojemnościowych, nie wymagają stosowania elementów przewodzących podczas dotyku i pozwalają na obsługę również w rękawiczkach. W miejscu dotyku ekranu rezystancyjnego dochodzi do styku mechanicznego dwóch warstw, który generuje zmianę oporności. Z kolei w przypadku ekranu pojemnościowego dotyk przewodzącym elementem powoduje wykrycie punktowej zmiany pojemności.

Dobierając dotykowy panel HMI do projektu, należy zwrócić uwagę na dostarczane przez producenta oprogramowanie do projektowania spersonalizowanych interfejsów użytkownika. Warto sprawdzić, czy dedykowane do danego modelu oprogramowanie jest intuicyjne i proste w obsłudze oraz jaki ma zasób gotowych bibliotek. Gotowe elementy graficzne dostępne w bibliotekach umożliwiają odpowiednie dostosowanie interfejsu do charakteru zadań realizowanych przez sterowane urządzenie. Wirtualne przyciski, pola wyboru, suwaki, listy rozwijane, wykresy, gotowe lub importowane obrazy i grafiki ułatwiają pracę nad projektowaniem interfejsu.

Komputery panelowe

Grupą komponentów automatyki, które łączą funkcjonalności komputera i wyświetlacza są komputery panelowe. Komputer jest zintegrowany z ekranem, tym samym nie trzeba martwić się o kompatybilność urządzeń oraz prowadzenie przewodów między nimi. Komputer należy umieścić w bezpieczny sposób na obudowie maszyny, w pulpicie sterowniczym lub szafie sterowniczej. Łatwość dostępu do ekranu determinuje lokalizację komputera na obiekcie. Najczęściej przednia część komputera z wyświetlaczem ma wyższy stopień ochrony niż sama jednostka schowana za monitorem, ponieważ jest narażona na bezpośrednią ekspozycję na czynniki środowiskowe. Sam ekran najczęściej występuje w wersji dotykowej, może mieć różne wymiary przekątnej i obsługiwać różne rozdzielczości.

Przykładowy komputer panelowy Aaeon OMNI-2155-CML można znaleźć w ofercie firmy CSI. Urządzenie to występuje w wielu wersjach rozróżnianych rodzajem procesora. Najwydajniejsza z nich ma dziesięciordzeniowy procesor Intel Core i9. Produkt może obsługiwać do 64 GB pamięci operacyjnej. Ledowy wyświetlacz komputera ma przekątną 15,6”.

Innym przykładem jest komputer panelowy XS7 oferowany przez firmę Sabur. Charakteryzuje go bezwentylatorowa konstrukcja, metalowa obudowa oraz wykończenie frontu aluminium lub stalą nierdzewną. Urządzenie jest wyposażone w dotykowy ekran pojemnościowy o przekątnej, w zależności od wersji, od 7” do 19”, sześć portów USB 2.0, dwa gniazda ethernetowe, dysk HDD, opcjonalnie SSD i do 16 GB pamięci operacyjnej. Opisywany komponent występuje w wielu wersjach procesorowych, najwydajniejsza z nich jest wyposażona w procesor Intel Core i7.

Kolejne przykładowe urządzenie panelowe to komputer VMT 9000 znajdujący się w ofercie firmy Phoenix Contact. Jest wyposażony w dotykowy ekran rezystancyjny o przekątnej 10,4” do 15”, procesor Intel Atom x7, dysk SSD, cztery porty USB 4.0, może pracować w szerokim zakresie temperaturowym od –30 °C do 60 °C. Zamknięta obudowa zapewnia stopień ochrony IP66 całego urządzenia.

System SCADA

SCADA to system informatyczny, który pełni nadrzędną rolę nad systemami sterowania poszczególnych komponentów danego systemu automatyki. Nadzoruje przebieg określonego procesu technologicznego – zbiera na bieżąco aktualne dane procesowe, wizualizuje je, steruje na ich bazie procesem, alarmuje w razie potrzeby o niepożądanych sytuacjach oraz archiwizuje dane wykorzystywane w późniejszym czasie do analiz związanych z produkcją oraz optymalizację procesową. Systemy sterowania oparte na panelach operatorskich HMI i komputerach przemysłowych pozwalające na sterowanie lokalne jednym lub niewielką grupą urządzeń nie są wystarczającym rozwiązaniem w przypadku potrzeby sterowania i wizualizowania złożonych procesów technologicznych z jednego miejsca.

Systemy SCADA zapewniają sprawny i rzetelny wgląd w faktyczny stan linii technologicznej oraz urządzeń produkcyjnych i wykonawczych wchodzących w jej skład. Sygnały otrzymywane z poszczególnych urządzeń umożliwiają automatyczne reagowanie i wpływanie na przebieg sterowanego procesu. W przypadku wystąpienia problemów na linii SCADA umożliwia ich szybką detekcję oraz lokalizację. Dzięki temu operator i służby utrzymania ruchu mają ułatwione zadanie, a czas przestoju awaryjnego ulega znacznej redukcji. Wiąże się z tym minimalizacja kosztów ewentualnych przestojów. Ponadto oprogramowanie SCADA zwiększa wiedzę i świadomość operatorów, koncentruje ich uwagę na kluczowych obszarach.

Ścisła współpraca z urządzeniami i komponentami automatyki wchodzącymi w skład danej linii technologicznej umożliwia archiwizowanie wybranych danych procesowych, które można później poddać analizie w celu optymalizacji. Dane procesowe mogą być szyfrowane. Dzięki temu wiedza specjalistyczna jest chroniona. Bezpieczeństwo danych jest niezwykle ważnym aspektem w przypadku systemów informatycznych w automatyce. Pozyskiwane informacje o przyczynach alarmów i poczynionych reakcjach umożliwiają podejmowanie szybkich decyzji operacyjnych.

SCADA w przykładach

Poniżej przedstawiono krótkie opisy cech charakterystycznych wybranych systemów SCADA różnych producentów i dystrybutorów.

Asix 2022 (Askom)

Oprogramowanie Axis 2022 w najnowszym wydaniu zapewnia moduł wizualizacyjny zgodny z technologią HTML5. Odświeżony moduł AsTrend.Evo preferuje funkcjonalności niedostępne we wcześniejszej klasycznej odmianie Asix: nowe źródło danych w postaci plików CSV, możliwość eksportowania raportów do pliku o wskazanym formacie, obsługa zapisu i odczytu atrybutów przebiegów. Użyta technologia umożliwia dostęp z każdego urządzenia bez względu na stosowany system operacyjny. Zaletami omawianego oprogramowania jest skalowalność licencji oraz jego kompatybilność z poprzednimi wersjami.

MicroSCADA Pro (ABB)

Oprogramowanie MicroSCADA Pro jest dedykowane do systemów automatyki stacyjnej. Produkt ma funkcje przeznaczone do monitorowania i sterowania urządzeniami strony pierwotnej i wtórnej w stacjach przesyłowych. Oprogramowanie umożliwia monitorowanie jakości energii, pomaga w jej optymalizacji przez monitorowanie i wyświetlanie zniekształceń harmonicznych, spadków i skoków napięcia. Zaletą systemu jest jego modułowość umożliwiająca zakup tylko potrzebnych do danej aplikacji modułów.

zenon Supervisor (COPA DATA)

Przydatną cechą oprogramowania zenon Supervisor jest funkcjonalność Hot Reload. Umożliwia ona przeładowywanie danych bez konieczności restartu. Użyteczna jest również technologia o nazwie Chameleon, która umożliwia ustawianie różnych wzorów interfejsów. Omawiany system zapewnia obsługę ponad 300 protokołów komunikacyjnych.

CoMeta (MetaSoft)

Oprogramowanie umożliwia opis procesu produkcyjnego w środowisku Procesowej Bazy Danych. CoMeta.Mbase zapewnia prezentację danych za pomocą różnorodnych wizualizacji graficznych, ArcExPro obróbkę danych archiwalnych i ich prezentację.

CX-Supervisor V4 (Omron)

Oprogramowanie CX-Supervisor V4 zapewnia błyskawiczne przeprowadzanie symulacji za pomocą jednego kliknięcia myszą, które testuje funkcjonalność projektowanych systemów wizualizacji. Dla uzyskania łatwego dostępu do aplikacji i monitorowania jej stanu wystarczy użyć przeglądarki internetowej. Można za jej pomocą potwierdzać w bezpieczny sposób alarmy, monitorować status poszczególnych punktów linii technologicznej, wprowadzać aktualizacje i korekty. Opisywane oprogramowanie służy do projektowania i obsługi wizualizacji. Możliwy jest eksport danych jako obraz, plik CSV lub bezpośredni ich wydruk.

Visu+ 2 (Phoenix Contact)

Oprogramowanie SCADA Visu+ 2 oferuje wizualizację, prezentację trendów oraz zarządzanie alarmami przez liczne funkcje: SMS, FAX, e-mail i wiadomości głosowe. Visu+ 2 zapewnia rejestrację danych w połączeniu z zewnętrznymi bazami danych MS ACCESS, MS EXCEL i SQL, łączenie odbywa się w czasie rzeczywistym za pomocą ODBC. Bezpieczeństwo oraz ochronę danych procesowych, które stanowią tajemnicę danego przedsiębiorstwa zapewnia szyfrowanie danych. W Visu+ 2 dostępne są dwa języki programowania: tekstowy ST oraz Visual Basic. Oprogramowanie zapewnia możliwość projektowania on-line, skalowalność obrazów oraz obsługę wielu języków w projektach dzięki wsparciu Unicode.

MaestroImperium (Sabur)

Powstanie interfejsu graficznego oprogramowania MaestroImperium w technologii HTML5 zapewnia zwiększenie wydajności. Produkt powstał w oparciu o nową technologię .NET Core/.NET Framework/.NET Standard. System ma budowę modułową. Realizuje składowanie danych, pobieranie danych, alarmowanie, rozwijanie systemu, planowanie, raportowanie. Bezpieczeństwo pobierania danych i komunikacji zapewniają najnowocześniejsze protokoły bezpieczeństwa. Zaletą MaestroImperium jest możliwość łatwego aktualizowania.

AVEVA Plant (Schneider Electric)

Oprogramowanie AVEVA Plant wyróżnia obecność wbudowanych zabezpieczeń i powiadomień dla operatorów. Uproszczone zarządzanie topologią jest możliwe dzięki graficznemu widokowi infrastruktury serwerowej.

Proficy iFIX 2023 (VIX Automation)

Do oprogramowania iFIX dodawane są: bezpłatna przemysłowa baza danych, rozszerzone alarmowanie i raportowanie, dostęp do bibliotek driverów komunikacyjnych oraz opcjonalnie klient webowy i mobilny. Najnowsza wersja oferuje ulepszony mechanizm przełączania awaryjnego. Zwiększenie produktywność zapewniają scentralizowana konfiguracja, wykorzystanie natywnego HTML5 oraz obsługa protokołu MQTT.

SIMATIC WinCC OA (Siemens)

Oprogramowanie SIMATIC WinCC Open Architecture opiera się na obiektowej orientacji przy przetwarzaniu obrazów i strukturze baz danych. Umożliwia to implementację rozwiązań dostosowanych do potrzeb klienta. Platforma projektowa jest dostępna dla różnych środowisk projektowych. Zaletą oprogramowania jest jego elastyczność – jest w pełni skalowalne oraz otwartość – integruje różne urządzenia automatyki. System może zostać rozszerzony o wiele opcji, np. moduł zawierający kalendarz zdarzeń, moduł integrujący mapy GIS, moduły dla funkcji webowych.

Systemy MES i ERP

Bardziej zaawansowanymi systemami informatycznymi, które znajdują zastosowanie w zakładach produkcyjnych są systemy MES. Oprócz wizualizacji i monitorowania umożliwiają analizę przebiegu procesów technologicznych. Zestawianie pozyskanych danych z planami produkcyjnymi oraz aktualnymi potrzebami wpływa na zwiększanie wydajności. Dane mogą posłużyć tworzeniu raportów zarówno bieżących, jak i zawierających dane historyczne. Szczegółowe raportowanie jest wsparciem dla działów planistycznych, które mogą na bieżąco monitorować rzeczywisty przebieg procesów produkcyjnych.

Do integrowania wszystkich obszarów działalności zakładów produkcyjnych służą systemy ERP. Dzięki gromadzeniu informacji o stanach magazynowych, klientach oraz danych produkcyjnych z użyciem jednej bazy danych możliwe jest kompleksowe zarządzanie produkcją. Systemy ERP obejmują swoim zakresem dużo szersze obszary niż tylko te ściśle związane z produkcją. Łącznikiem między układami sterowań poszczególnych maszyn, urządzeń i linii produkcyjnych a systemami typu ERP są systemy typu MES.

HMI czy SCADA

SCADA jest systemem nadrzędnym nad HMI, jest dużo bardziej złożonym rozwiązaniem, kontroluje cały proces produkcyjny, wizualizuje przebieg całościowy. Z kolei HMI wizualizuje pracę jednego urządzenia lub określonego fragmentu większej linii produkcyjnej. Zakres możliwości wpływa na koszt wdrożenia danego rozwiązania. Panele operatorskie HMI stanowią interfejs służący komunikacji operatora z maszyną, zaś systemy SCADA umożliwiają szybkie zorientowanie się w temacie faktycznego i bieżącego stanu maszyn i urządzeń tworzących całą linię produkcyjną.

Cechy dobrego HMI

Każdy użytkownik systemu automatyki chciałby, aby jego interfejs użytkownika był jak najlepszy. Co wyróżnia dobre HMI? Przede wszystkim intuicyjność. Wskazane jest, aby interfejs był czytelny, zaprojektowany w przejrzysty sposób, wygląd elementów graficznych jednoznacznie wskazywał na ich rolę w systemie. Na intuicyjność wpływa również liczba elementów dostępnych na ekranie, ich użyteczność oraz zajmowana powierzchnia, która powinna być współmierna do potrzeb.

Z tym wiąże się kolejna cecha dobrego HMI – istnienie poziomów dostępu. Projektant systemu powinien dokonać podziału poszczególnych funkcjonalności na takie, których używanie jest konieczne dla operatora oraz takie, które mogą być przed nim ukryte, a być udostępnione służbom utrzymania ruchu czy technologom. Maksymalne uproszczenie widoku oraz dostępnych możliwości modyfikacji sprzyja szybszej nauce obsługi urządzenia czy systemu, jest jednocześnie gwarantem minimalizacji ryzyka uszkodzenia plików konfiguracyjnych przez operatorów. Jest to niezwykle ważne w przypadku obsługi procesów niebezpiecznych oraz skomplikowanych. Dostęp do funkcjonalności zaawansowanych powinien być zablokowany dla obsługi systemu i dostępny tylko dla personelu wyższego szczebla po podaniu hasła lub wykonaniu odpowiedniej sekwencji. Dzięki wprowadzeniu różnorodnych poziomów dostępu możliwe jest przypisanie konkretnego pracownika do rejestrowanego wydarzenia. Ułatwia to analizę przebiegu produkcji.

Ważne z punktu widzenia wydajności, ale również bezpieczeństwa i czasu reakcji operatora, jest dobre rozmieszczenie elementów w oknie HMI. Powiązane funkcjonalnie elementy powinny być odpowiednio pogrupowane. Przykładową grupą są strzałki służące do wprawiania w ruch urządzenia w trybie manualnym. Warto podzielić elementy HMI na zakładki, co czyni interfejs bardziej czytelnym. Przykładowy podział na zakładki to: sekcja obsługi manualnej, sekcja automatycznego wykonywania programu, sekcja konfiguracji i ustawień. Możliwość przejścia między zakładkami i poszczególnymi elementami interfejsu HMI powinna być intuicyjna. Ważne by przejście między dowolnymi sekcjami interfejsu było możliwa do spełnienia przez maksymalnie trzy kliknięcia. Dobrze również zwrócić uwagę na konsekwencję w wyrównywaniu treści oraz występowanie w całej aplikacji jednolitego stylu oraz czcionki.

Na czytelność interfejsu wpływa również jego kolorystyka. Konsekwencja w zachowaniu jednolitej tonacji jest niezwykle ważnym elementem, który powinien uwzględnić projektant dobrego HMI. Najlepiej, gdy widok ma kilka kolorów w dwóch odcieniach, które są stosowane w całej aplikacji. Zmiana okna nie powinna powodować zmiany odcieni. Niewskazane jest używanie jaskrawych kolorów na tłach i obiektach, ponieważ męczą wzrok operatora oraz utrudniają dostrzeżenie na ekranie sygnalizacji ewentualnych alarmów. Bardzo popularnym jest stosowanie odcieni szarości jako tło, na których dobrze widać prawie wszystkie kolory. Projektując ekrany HMI, należy pamiętać o stosowaniu odpowiedniego kontrastu napisów względem tła, zarówno ogólnego, jak i poszczególnych elementów wizualizacji, np. przycisków. Swobodne odczytanie treści jest bardzo istotne z punktu widzenia obsługi systemu. Nawet elementy zdezaktywowane w danej chwili powinny mieć napisy z kontrastem umożliwiającym odczyt ich treści. Interfejs użytkownika nie powinien zawierać żadnych rozpraszaczy w postaci zbędnych animacji czy nadmiernej liczby wyskakujących okienek.

Ważne jest przedstawianie krytycznych alarmów w wyraźny sposób – miganie na czerwono, okno pop-up, sygnalizacja dźwiękowa. Opisy alarmów powinny być kompletne, nie zwierać skrótów myślowych, wpływa to bowiem na czas reakcji obsługi w sytuacjach alarmowych. Dobre HMI powinna cechować możliwie duża prostota. Dla uniwersalności interfejsu ważne jest zadbanie o jego skalowalność. Skalowalność oznacza, że HMI może być wyświetlane bez deformacji na ekranach o różnych wielkościach i obsługiwanych rozdzielczościach. Warto, aby projektant interfejsu HMI znał oczekiwania klienta końcowego, jego dotychczasowe doświadczenia z używanymi interfejsami i systemami wizualizacji. Ułatwi to przygotowanie dedykowanej aplikacji.

Podsumowanie

Bardzo użytecznym narzędziem dla operatora i służb utrzymania ruchu jest wizualizowanie procesu. Umożliwia ono bieżące monitorowanie stanu danego systemu automatyki oraz szybką reakcję w przypadku wystąpienia ewentualnych problemów. W zależności od obszaru, który ma być wizualizowany należy dobrać odpowiednie rozwiązanie. Na rynku automatyki jest dostępna ogromna liczba paneli dotykowych o różnych wielkościach oraz odporności na warunki zewnętrzne. Propozycją o charakterze kompaktowym są komputery panelowe, w których panele są zintegrowane z jednostkami centralnymi. Dotychczas wymienione komponenty są dedykowane dla obsługi konkretnych sekcji linii technologicznych, gdzie konieczna jest cykliczna ingerencja operatora w działanie systemu, np. w celu dostarczania surowców, generowania programu technologicznego czy odbioru gotowych produktów. Dla służb utrzymania ruchu dedykowane są systemy typu SCADA, które służą do wizualizowania całych procesów technologicznych i szybkiego lokalizowania występowania problemów i awarii. Czytelna i intuicyjna wizualizacja skraca czas ewentualnego przestoju oraz ułatwia pracę obsłudze. Projektując wizualizację, należy zadbać o jej przejrzystość , estetykę i funkcjonalność.

source: Automatyka 5/2023