Wizualizacja i nadzorowanie procesów

Niemal powszechnie w automatyzacji procesów przemysłowych stosowane są rozproszone systemy sterowania i wizualizacji, określane mianem systemów SCADA (ang. Supervisory Control And Data Acquisition). Zastosowanie systemów SCADA umożliwiło podniesienie komfortu personelu obsługi, pracującego bezpośrednio przy obiekcie oraz kadry zarządzającej. Pośrednio wpływają na podniesienie efektywności ekonomicznej oraz poprawę jakości oferowanych wyrobów. Systemy wizualizacji wspomagają i ułatwiają podejmowanie strategicznych decyzji oraz śledzenie rezultatów.

Czym jest SCADA?

System SCADA to program komputerowy, który w układzie automatyki pełni nadrzędną rolę względem urządzeń wykonawczych i sterowników PLC. Z roku na rok rośnie liczba firm zajmujących się tworzeniem oprogramowania tego typu, przy czym większość programów ma wiele wspólnych cech. Podstawowe zadania to:

• Wizualizacja danych w postaci przejrzystej i przyjaznej użytkownikowi. Graficzna reprezentacja danych intuicyjna i jednoznaczna, dostarczająca użytkownikowi informacje w prostej formie. Umożliwia szybszą reakcję na zmieniającą się dynamicznie sytuację oraz poszerza grono osób obsługujących dany obiekt, zaopatrzony w system SCADA.
• Archiwizacja danych, niosących informacje o przebiegu procesu technologicznego. Umożliwia długoterminową analizę pracy obiektu, a także stanowi cenne źródło wiedzy w przypadku niepożądanej pracy obiektu czy ewentualnych awarii.
• Tworzenie okresowych raportów, zawierających zestawienie odpowiednich danych. Raporty takie są tworzone co określony czas, w zależności od charakteru obiektu sterowanego. Inny będzie okres tworzenia raportów dla dużej linii produkcyjnej, a inny dla małej elektrowni wodnej.
• Sygnalizowanie przekroczenia granic ostrzeżeń i alarmów. Alarmowanie o sytuacjach niepożądanych i niebezpiecznych. Alarm musi być skuteczny, zwrócić uwagę użytkownika oraz wymusić jego reakcję. Wystąpieniu alarmu towarzyszy sygnał graficzny lub dźwiękowy. Wyskakujące okno alarmu (pop-up) wymaga potwierdzenia, co jest jednoznaczne z przyjęciem przez użytkownika informacji o alarmie.
• System musi być elastyczny i skalowalny. Mając na uwadze fakt, że człowiek jest adresatem wszystkich informacji oraz to, że każdy inaczej interpretuje otrzymywane informacje, SCADA musi mieć możliwość prezentowania tych samych rzeczy w różny sposób.

Uniwersalność i niezależność

Otwarte, rozproszone systemy sterowania i wizualizacji charakteryzują się dużymi możliwościami komunikacyjnymi, umożliwiają wprowadzanie modyfikacji oraz rozbudowę istniejącego systemu. Cechą charakterystyczną systemu SCADA jest to, że układy regulacji w danym procesie technologicznym mogą działać niezależnie od niego. System SCADA stanowi warstwę nadrzędną, realizując swoje podstawowe zadania w procesie sterowania przez kontrolowanie pracy sterowników. 

Otwartość tych systemów jest związana z możliwością współpracy, w architekturze sieciowej, z inteligentnymi urządzeniami automatyki (PLC, regulatory, rejestratory, czujniki, elementy wykonawcze, przetworniki) różnych producentów, w przeciwieństwie do firmowych systemów automatyki, które są wyposażone w urządzenia tylko jednego producenta.

Elementy składowe ­– bramki

Podstawowymi elementami, umożliwiającymi komunikację systemu SCADA z procesem technologicznym, są bramki, które odnoszą się do poszczególnych zmiennych monitorowanych przez aplikację. Spełniają one podobną rolę, jak zmienne w językach programowania. Każda bramka musi mieć indywidualną nazwę oraz konkretny typ. W systemach SCADA występują zazwyczaj cztery rodzaje bramek:

• Bramki PLC – skojarzone z urządzeniami zewnętrznymi, które mają swoje odwzorowania w ich zmiennych (np. rejestr sterownika PLC). Aplikacja dokonuje okresowego odczytu lub zapisu tych zmiennych, z wykorzystaniem sterownika komunikacyjnego. Zmiana wartości bramki jest równoznaczna ze zmianą jej wartości na urządzeniu zewnętrznym i odwrotnie.
• Bramki własne – reprezentują zmienne wewnętrzne, które nie są podłączone do żadnych urządzeń i są używane przy różnorodnych obliczeniach, do obsługi sterowania, przechowywania wartości chwilowych i innych celów, związanych z obsługą aplikacji. Wartości tych bramek mogą być zmienione jedynie przez użytkownika lub wewnętrzny moduł aplikacji.
• Bramki złożone – ich wartość jest obliczana na podstawie wartości innych bramek, zgodnie z zależnościami zdefiniowanymi przez użytkownika.
• Bramki systemowe – ich wartość jest z góry zdefiniowana. Zawierają informacje o stanie systemu, takie jak np. data, czas lub ilość wolnego miejsca na dysku. Pozwalają również włączać lub wyłączać poszczególne moduły aplikacji, takie jak np. terminarz.

Każda z wymienionych bramek może być następującego typu:

• analogowa, czyli reprezentująca wartości liczbowe, np. liczby całkowite, liczby zmiennoprzecinkowe,
• cyfrowa, która reprezentuje zmienne binarne i może przyjmować stany 0 lub 1,
• tekstowa, reprezentująca ciąg znaków alfanumerycznych.

Polskie rozwiązania

Wśród licznych dostępnych na rynku zagranicznych systemów są też polskie opracowania, stworzone przez polskich automatyków i informatyków, takie jak OSA-2, PRO-2000, CoMeta czy Asix. Charakteryzują się unikalnymi rozwiązaniami diagnostycznymi, których nie można znaleźć wśród najnowszych zachodnich produktów.

OSA-2

Pierwowzór systemu OSA-2 został opracowany pod koniec lat 80. dla rodzimej platformy MERA-400. Po upowszechnieniu się komputerów klasy PC opracowana została wersja dla systemu operacyjnego IBM OS/2, a następnie dla 32-bitowych systemów operacyjnych MS Windows. System realizuje funkcje związane z komunikacją z urządzeniami i innymi programami. Do wymiany danych są stosowane wszystkie dostępne środki, od najpopularniejszych rozwiązań, bazujących na typowej komunikacji szeregowej, przez różnego rodzaju protokoły typu fieldbus, do transmisji wykorzystującej Ethernet ipołączenia radiowe w technologii Wi-Fi.

W zależności od potrzeb stosowane są różne sterowniki, np. wykorzystujące technologię OPC, głównie na platformach sprzętowych GE Fanuc i Siemens Simatic S7 lub tworzone na żądanie. OSA-2 pełni funkcję integratora systemów, który w jednym narzędziu łączy podsystemy: automatyki budynkowej, przeciwpożarowej, kontroli dostępu, alarmowy i telewizji przemysłowej. Konstruktorzy współpracują zproducentami urządzeń i oprogramowania, czego efektem jest m.in. system zarządzania rozdzielniami elektrycznymi średnich napięć, powstały na bazie urządzeń produkowanych przez Instytut Tele- iRadiotechniczny Warszawa. Innym przykładem jest współpraca z ZUD Polon-Alfa, której efektem jest system przeciwpożarowy.

OSA wyróżnia się wśród innych systemów SCADA rozszerzeniem funkcji uniwersalnych systemów sterowania nadrzędnego i wizualizacji procesów o narzędzia bieżącej diagnostyki. W Polsce pierwszy system bieżącej diagnostyki procesu został wdrożony do eksploatacji w Cukrowni Lublin w 1987 r. System OSA, opracowany w Instytucie Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej, służył do nadzorowania i monitorowania stacji wyparnej i kotłowni. Wyposażony był w uniwersalne oprogramowanie do detekcji i lokalizacji uszkodzeń, bazujące na metodzie Dynamicznych Tablic Stanu. Arvis współpracuje z ośrodkami naukowo–badawczymi – system OSA-2 jest stosowany do obsługi stanowisk badawczych.

CoMeta

Niezależnie opracowywano uniwersalne oprogramowanie SCADA, przeznaczone do kompleksowej komputerowej obsługi procesów technologicznych i eksperymentów badawczych, od etapu projektu, przez monitoring, sterowanie i archiwizację, do analizy poprocesowej i optymalizacji. Wynikiem tych prac jest system CoMeta, podstawa oferty firmy MetaSoft. W obecnej postaci jest on rozwijany idystrybuowany od 1994 r.
Jednym z osiągnięć firmy jest opracowanie i wdrożenie metody opisu procesów technologicznych w dziedzinie baz danych, pozwalającej na wykorzystanie oprogramowania CoMeta przez specjalistów zróżnych dziedzin nauki, techniki i przemysłu. Drugim obszarem działania firmy jest projektowanie i realizacja kompletnych, automatycznych systemów sterowania i pomiarów dla przemysłu i nauki, co zaowocowało udziałem w licznych programach badawczych, a także rozwojem systemu CoMeta o zagadnienia związane z identyfikacją, symulacją, modelowaniem, diagnostyką oraz optymalizacją procesów przemysłowych. Oprogramowanie spełnia wymogi normy ISO 9000 i ułatwia wdrożenie systemów jakości TQM (ang. Total Quality Management).

PRO-2000

Kolejny system SCADA jest rozwijany przez inżynierską firmę Zakład Elementów i Systemów Automatyki Przemysłowej MikroB, działającą na europejskim rynku od 1988 r. PRO-2000 jest systemem czasu rzeczywistego o strukturze sieciowej (architektura klient/serwer), pracującym pod kontrolą systemu operacyjnego QNX. Dostęp do systemu może być realizowany za pomocą lokalnych lub zdalnych stacji operatorskich, włącznie z dostępem za pomocą urządzeń mobilnych (telefonów komórkowych, tabletów). PRO-2000 Mobile ułatwia dostęp za pomocą sieci lokalnej lub telefonii komórkowej GSM. Natomiast PRO-2000 Internet, wykorzystując technologię ActiveX, pozwala na przeniesienie aplikacji do jej internetowej wersji.

Pozostałe systemy

Na krajowym rynku jest dostępnych wiele innych aplikacji HMI/SCADA, m.in. Asix (Askom), Citect (Schneider Citect), iFix (GE Fanuc Automation), InTouch (Wonderware), Control-
Maestro (Elutions). Są to nowoczesne, kompletne, otwarte i w pełni skalowalne platformy SCADA/BMS, pozwalające na pełną kontrolę procesów technologicznych w obiektach przemysłowych, infrastrukturalnych, a także w automatyce budynkowej. 

Co nowego w systemach SCADA?

Wśród nowych rozwiązań warto odnotować system ControlMaestro. Jest efektem ponad 20 lat doświadczeń firmy Wizcon Systems w tworzeniu aplikacji SCADA i wdrażaniu wiedzy z zakresu technologii webowych, w połączeniu z know-how firmy Elutions w telemetrii M2M, zarządzaniu aktywami przedsiębiorstw i technologiach bezprzewodowych. ControlMaestro bazuje na systemie Wizcon Supervisor jest jego następcą i rozwinięciem. Modułowa architektura pakietu ControlMaestro pozwala na dopasowanie poszczególnych usług (modułów) i aplikacji do indywidualnych potrzeb użytkowników.

W wersji ControlMaestro 2013 zawarto funkcje zwiększające wydajność i komfort użytkowania platformy. Do najważniejszych należą:

• kompatybilność z wymaganiami normy FDA (ang. Food and Drug Administration) dla potwierdzania alarmów,
• ulepszenia w inspekcji (m.in. śledzenie wszelkich zmian w aplikacji, dokonywanych przez użytkowników i projektantów),
• wykorzystywanie zdalnej bazy danych SQL Server i przechowywanie historii alarmów w bazie danych SQL,
• kompatybilność ze zdalnym pulpitem Windows,
• obsługa obrazów PNG,
• możliwość tworzenia animacji.

Platforma SCADA/BMS ControlMaestro udostępnia wiele zaawansowanych mechanizmów ułatwiających pracę, wśród których należy wymienić:

• zwiększenie bezpieczeństwa w sieciach IT; system udostępnia moduły zabezpieczające dane i aplikacje; AuditTrail nadzoruje i rejestruje wszystkie aktywności użytkownika, a karty typu SmartCard ibiometryczna autoryzacja – dostęp do aplikacji; system jest zgodny z restrykcyjną normą FDA 21 CFR część 11, stosowaną w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, a ostatnio również wautomatyce;
• włączenie systemu automatyki w procesy zarządzania przedsiębiorstwem – od zbierania danych, pochodzących z różnych źródeł, w rożnych formatach, aż po integrację z zaawansowanymi systemami zarządzania produkcją i przedsiębiorstwem, należące do kategorii MES, BI i ERP;
• technologie webowe; system umożliwia nadzór i kontrolę aplikacji przez połączenie internetowe lub intranetowe; konfigurowalny pulpit internetowy bazuje na najnowszej wersji technologii Java idziała na różnych przeglądarkach, zabezpieczając przed wirusami oraz uszkodzeniem danych źródłowych; dostęp do aplikacji może być realizowany za pomocą PDA i różnych urządzeń mobilnych;
• narzędzia automatycznej generacji aplikacji, czyli efektywny CAD Converter, umożliwia automatyczne tworzenie aplikacji z rysunków w formacie DXF; jego stosowanie gwarantuje uniknięcie błędów przy rozbudowie aplikacji.

Platforma ControlMaestro w 2013 r. została oznaczona certyfikatem B-AWS dla zaawansowanej stacji operatorskiej BACnet. Certyfikat ten zaświadcza, że ControlMaestro, jako stacja operatorska BACnet, oferuje maksymalną elastyczność, wydajność i łatwą konfigurację wszystkich urządzeń w sieci, a także dostęp do właściwości obiektów BACnet, bez konieczności używania dodatkowych narzędzi.

Wizualizacja – nowe kierunki

Dziesięciolecia doświadczeń w tworzeniu systemów SCADA i wciąż rosnące możliwości rozwiązań informatycznych przyczyniły się do budowania coraz bardziej realistycznie wyglądających ekranów synoptycznych. We współczesnych rozwiązaniach mogą być stosowane niemal wszystkie formaty graficzne (JPG, png, tiff, bmp), a także animowane elementy graficzne (animowany gif, technologia ActiveX, Flash). Producenci systemów SCADA prześcigają się w odgadywaniu potrzeb i preferencji przyszłych użytkowników – ich rozwiązania przypominają często film, a co najmniej tzw. wirtualną rzeczywistość. W pionierskich projektach stosowana jest rzeczywistość rozszerzona (ang. Augmented Reality), pozwalająca łączyć elementy instalacji technologicznej z obiektami graficznymi, prezentowanymi na urządzeniach mobilnych, wyposażonych w system android lub iOS, czyli takich jak tablety, smartfony, a także okulary Google Glass. 

Wizualizacja procesu technologicznego, jedna z istotniejszych funkcji systemów SCADA, zaczyna żyć własnym życiem. Migające elementy na tle kolorowych, animowanych, niemal filmowych scenerii, uzupełniane często wyskakującymi okienkami, tzw. pop-up, oraz sygnałami dźwiękowymi, mogą wprowadzać chaos, powodować zmęczenie i utrudniać koncentrację pracowników obsługujących takie aplikacje. Czyżby przyszedł czas na zmiany i powrót do prostych, ale przemyślanych i funkcjonalnych, oszczędnych w formie grafik?

Świadomość sytuacyjna

Nowe spojrzenie na graficzną prezentację danych i podstawowych elementów, tworzących układy regulacji i sterowania (czujników pomiarowych, regulatorów i układów wykonawczych), zaproponowała firma Wonderware, udostępniając bogatą bibliotekę nowych reprezentacji graficznych elementów automatyki, 
Situational Awareness Library.

Ideą nowego rozwiązania jest zwiększenie skuteczności działania operatorów przemysłowych aplikacji w wyniku podniesienia świadomości sytuacyjnej – lepsze rozumienie informacji przedstawianej na ekranach synoptycznych i bardziej świadome, intuicyjne oddziaływanie na proces.

Zastosowanie podejścia Situational Awareness umożliwia realizację zupełnie nowych wizualizacji i daje nową jakość dzięki użyciu innego niż w tradycyjnych systemach SCADA usytuowania wartości obserwowanych wielkości. Percepcja elementów środowiska (mierników, regulatorów itp.), w odniesieniu do czasu lub miejsca, wpływa w sposób szczególny na zrozumienie ich znaczenia i projekcji ich statusu.

Dane a informacja

Piramida Situational Awareness ilustruje etapy procesu, zachodzącego podczas przetwarzania pozyskanych danych i zakończonego sukcesem w postaci bezpiecznego rozwiązania. Informacja jest tworzona na podstawie odczytanych danych z uwzględnieniem kontekstu, co umożliwia ocenę i proste szacowanie, czy zmiany w monitorowanym procesie są zgodne z oczekiwaniami i gwarantują bezpieczną realizację celu procesu technologicznego, a co za tym idzie ­– celu firmy. W przeciwnym razie (w klasycznych rozwiązaniach) operator, obserwując kolorowe, najczęściej animowane elementy, opisane pojedynczymi wartościami liczbowymi, musi pamiętać lub szukać znaczenia poszczególnych wartości.

Przykłady

Przykładem danych bez kontekstu jest wizualizacja prezentująca prosty czujnik ciśnienia, oznaczony symbolem PI-4105, który wskazuje wartość 989,7 kPa. Zrozumienie takiego zapisu nie zawsze jest łatwe. Pojawiają się wątpliwości: jak odległa jest aktualna wartość zmiennej procesowej od wartości zadanej (jaki jest uchyb regulacji)?, czy wartość zmiennej procesowej zbliża się do poziomu alarmowego?, czy zmienna procesowa przyjmuje wartość z optymalnego zakresu pracy? W najlepszym wypadku analiza tych wątpliwości jest niewygodna, zaś w sytuacjach kryzysowych, na skutek zdenerwowania, może powodować wydłużenie czasu reakcji i kosztowne, a często również bardzo niebezpieczne błędy.

Situational Awareness Library gromadzi obiekty graficzne, znacznie odbiegające od dotychczas stosowanych. Prezentowany obraz w sposób uproszczony przedstawia przepływomierz (oznaczony symbolem FIC 123) i aktualną wartość zmiennej procesowej PV (ang. Process Value) w sposób graficzny (czarna kropka) oraz numerycznie – w jednostkach inżynierskich – 123,4 m3/h. Dodatkowo określony jest tryb stosowanej regulacji (C – kaskadowa, A – automatyczna, M – ręczna) oraz wielkość sygnału sterującego (pole w kolorze białym oznacza brak sterowania, w kolorze czarnym – przekroczenie dopuszczalnego poziomu sterowania, a w kolorze szarym – normalne warunki pracy regulatora). Czarną kreską zaznaczona jest wartość zadana SP (ang. Set Point), a niebieską – wartość śledzona. Szary prostokąt ogranicza optymalny zakres pracy, zaznaczone są również poziomy ostrzegawcze i alarmowe.

Każdy element graficzny może być dowolnie usytuowany (poziomo lub pionowo), w zależności od rzeczywistego rozwiązania w procesie technologicznym, ale zawsze jest to ten sam sposób prezentacji. Jedno spojrzenie na element pozwala określić stan istotnej dla działania procesu zmiennej. Przemieszczająca się wzdłuż zdefiniowanego odcinka kropka jasno wskazuje na stan procesu.

Podsumowanie

W którą stronę skierują się producenci systemów SCADA? Najważniejsze jest, by nie zapomniano o nadrzędnym celu – zagwarantowaniu bezpieczeństwa procesu technologicznego, przy jednoczesnej optymalizacji procesu, co przyczynia się do poprawy efektów ekonomicznych – zwiększenia zysków i obniżenia kosztów. Warto również pamiętać o unikalnych możliwościach niektórych starszych pakietów, które oferują bezpośrednią diagnostykę, wyprzedzając sygnały alarmowe, a tym samym umożliwiają zapobieżenie awariom.

Wojciech Pawełczyk, menedżer produktu Wonderware

Human Machine Interface (HMI) i Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) to terminy, które od dłuższego czasu są doskonale znane wszystkim osobom zainteresowanym ulepszaniem procesów produkcyjnych. Przetwarzanie danych, pochodzących z urządzeń wykonawczych, na formę bardziej przyjazną człowiekowi oraz maksymalne uproszczenie kontaktu z maszyną, to już codzienna praktyka we wszystkich firmach produkcyjnych. Systemy klasy SCADA mają dosyć stabilną pozycję, wynikającą z coraz szerszego stosowania tych produktów w instalacjach nowych oraz modernizowanych. Instalacje te, to nie tylko tradycyjne linie produkcyjne lub automatyka sterująca, ale także nowe dziedziny inteligentnych budynków, integracji rozproszonych elementów automatyki czy też bardziej kompleksowe, jak SmartCity. Intuicyjność nowoczesnych systemów SCADA ułatwia zarządzanie dużą ilością informacji, wpływając na skrócenie czasu reakcji operatora na zdarzenia produkcyjne oraz inne pochodzące znadzorowanych obszarów.

Z pewnością elementem wymaganym w nowoczesnych systemach jest otwartość architektury, ułatwiająca łączenie się zarówno z istniejącymi, jak i wdrażanymi w przyszłości systemami informatycznymi na różnych poziomach. Ten element stanowi w dużym stopniu o opłacalności takiej inwestycji w czasie, gdyż obniża koszty integracyjne. Nowym trendem staje się wykorzystanie OPC-UA (ang. OPC Unified Architecture), protokołu znacznie szerzej niż dotychczas traktującego zagadnienia bezpieczeństwa komunikacji i jej redundancji. Innym przykładem nowych trendów jest upraszczanie samych ekranów graficznych przez użycie gotowych bibliotek SAL (ang. Situational Awareness Library), wprowadzających ład kolorystyczny, a przede wszystkim ułatwiających percepcję istotnych sygnałów w natłoku zmieniających się wartości wizualizowanego procesu. Ten element ma szanse na szybkie ustandaryzowanie ekranów aplikacji, zarówno SCADA, jak i HMI, gdyż ujednolicając przekaz graficzny, zwiększa czytelność i użyteczność aplikacji.

Wirtualizacja systemów to kolejne pojęcie coraz częściej łączone z wizualizacją i systemami SCADA. Nowoczesne rozwiązania są tworzone, by wydajnie i stabilnie działały także w systemach wirtualnych, które są tańsze w utrzymaniu i niezależne od zastosowanego sprzętu komputerowego.

Istotną zmianą jakościową staje się dostępność systemów SCADA z poziomu przeglądarek sieciowych. Funkcje InTouch Access Anywhere są odpowiedzią na potrzeby nie tylko podglądu, ale pełnej interakcji z aplikacją SCADA, na dowolnym urządzeniu wyposażonym w przeglądarkę WWW (pracującą w standardzie HTML5). Trend ułatwiania dostępu do danych, wartościowych z punktu widzenia prowadzenia procesu czy nadzoru produkcji, wpisuje się w ogólne zmiany technologiczne, zachodzące w naszym codziennym życiu. Odpowiedzialne za to są coraz mocniejsze i lepiej wyposażone smartfony, fablety (phablet = phone + tablet – urządzenie mobilne wyposażone w ekran dotykowy o przekątnej ponad 5”, łączące cechy smartfona i małego tabletu) oraz tablety na stałe już goszczące w naszych teczkach, plecakach i na biurkach.

Główne cechy Wonderware InTouch to: łatwe, intuicyjne tworzenie i używanie aplikacji wizualizacyjnych, otwartość i wymiana danych z innymi systemami przemysłowymi, biblioteka gotowych obiektów graficznych (w tym zgodnych z Situational Awareness Library), wspieranie środowiska Windows 7 i Windows 8.1 (32- i 64-bitowego), komunikacja z większością sterowników i urządzeń stosowanych wprzemyśle, wizualizacja mobilna (InTouch Access Anywhere) oraz najpopularniejszy pakiet wizualizacyjny w Polsce i na świecie.

źródło: PAR 12/2014