POWRÓT

SEMESTR V

Wizualizacje HMI/SCADA - wykład


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Efektywne projektowanie wizualizacji
Ogólne zasady projektowania wizualizacji w HMI/SCADA


 

Efektywne projektowanie wizualizacji

     
   

   System SCADA (ang. Supervisory Control And Data Aquisition, czyli Sterowanie Nadrzędne i Akwizycja Danych) jest realizowany w postaci sieci połączonych serwerów, pobierających niezbędne dane dotyczące zarządzanego procesu, które po przetworzeniu umożliwiają jego odwzorowanie w postaci wizualizacji, przy jednoczesnym zachowaniu możliwości archiwizacyjnych i sterowniczych. SCADA jako systemem komputerowym zarządza urządzeniami przyłączonymi do sieci obejmującymi, oprócz komputerów, przede wszystkim urządzenia dedykowane dla zastosowań przemysłowych. Zazwyczaj wspomniane urządzenia posiadają własny sprzętowy program, który w trakcie procesu jest realizowany. Ponadto urządzenie poprzez programowalny sterownik logiczny (PLC) może komunikować się ze światem zewnętrznym, zarówno dostarczając niezbędnych danych, jak i w celu zmiany wybranych parametrów, a nawet całych algorytmów działania. W praktyce program sterownika, w zależności od jego przeznaczenia i rodzaju procesu technologicznego, może być zarówno zapisany w sposób trwały bądź kontrolowany przez system SCADA.

   Potrzeba wprowadzenia wizualizacji i systemów nadzoru działania procesów produkcyjnych powstała już ponad 70 lat temu, na początku głównie w formie oprzyrządowania pneumatycznego obsługiwanego w oddzielnym pomieszczeniu blisko procesu produkcyjnego.
   Wraz z rozwojem i wprowadzeniem komputeryzacji tych systemów zostały wprowadzone grafiki i elementy wizualizacji często używane do dziś. Z powodu braku odpowiednich budżetów przy migracji systemów pneumatycznych do komputerowych, nie inwestowano w grafiki. Dlatego też, wiele zwyczajów projektowania okazuje się w dzisiejszych czasach nieefektywne, a dotychczas wykorzystywane elementy wizualizacji wymagają odświeżenia.
   W tradycyjnych systemach dyspozytor miał przed sobą często całą ścianę, zapełnioną wskaźnikami, lampkami kontrolnymi i wyświetlaczami numerycznymi, często też monitorami wyświetlającymi kolumny liczb lub wykresy.

   Dziś z pomocą przychodzą nam wirtualni, znacznie usprawnieni następcy tablic synoptycznych i paneli sterowania - programy typu HMI/SCADA, takie jak HMI/SCADA, iFIX lub Cimplicity. Wizualizacja procesów technologicznych i nadrzędne sterowanie nimi to najważniejsze zadania systemów HMI/SCADA iFiX i Cimplicity.

Na co pozwalają nam systemy GE HMI/SCADA, IFIX I CIMPLICITY:
Urządzenia lub elementy tworzące układ automatyki przemysłowej należą do czterech głównych grup:

  • informacje można prezentować w postaci graficznej, wzbogaconej o animacje, dynamiczne wykresy i najważniejsze parametry liczbowe, a w momencie alarmu - także dźwięki,
  • można zdefiniować dowolną wymaganą liczbę ekranów, prezentujących różny zakres informacji,
  • dane nieistotne mogą być ukrywane tak długo, jak długo ich wartości mieszczą się w zadanych zakresach, wybrane szczegółowe in-formacje mogą być prezentowane na dodatkowych zdefiniowanych ekranach,
  • wielkość wyświetlanych elementów można uzależnić od ich ważności, a animacje pokażą symbolicznie stan pracy urządzeń,
  • dane mogą być prezentowane nie tylko na monitorach komputerowych, ale też na wielkoformatowych telewizorach i wyświetlaczach (np. pokazujących załodze stopień wykonania planu), a nawet urządzeniach mobilnych (laptopy, tablety, smartfony),
  • operator nie musi być już "przywiązany" do dyspozytorni - może poruszać się po terenie zakładu, przemieścić się do wybranego punktu, gdzie coś "idzie nie tak", i wciąż mieć dostęp do pełnego obrazu sytuacji,
  • wraz ze zmianą potrzeb i rozwojem firmy, łatwo, szybko i tanio można wprowadzać zmiany w wizualizacji - elastyczność tego rozwiązania nie ma sobie równych.

   System SCADA to inaczej system komputerowy pełniący rolę nadrzędną w stosunku do sterowników PLC i / lub innych. Szerokie zastosowanie i skuteczność sprawia, że coraz więcej firm zajmuje się tworzeniem oprogramowania tego typu. Podstawowymi zadaniami programu mogą być np.

  • wizualizacja stanu procesu technicznego,
  • zbieranie, gromadzenie i przetwarzanie danych pochodzących z procesu oraz na ich podstawie wykonywanie sterowanie,
  • rejestracja zdarzeń i alarmowanie w przypadku wystąpienia niepożądanych zjawisk,
  • archiwizacja danych,
  • alarmowanie o niebezpiecznych lub niepożądanych sytuacjach podczas przebiegu procesu produkcyjnego,
  • tworzenie okresowych raportów zawierających ważne informacje dot. Przebiegu procesu technologicznego.
  • nadawanie uprawnień określających zabezpieczenie dostępu.

   W ten sposób system SCADA umożliwia zoptymalizować dostępne zasoby produkcyjne oraz na szybsze identyfikowanie potencjalnych zagrożeń. Na rynku istniej wiele firm oferujących rozwiązania jedynie najlepszych i sprawdzonych marek, takich jak:

  • Wonderware - in Touch, System Platform,
  • Siemens - WINCC, Power Manager,
  • Rockwell Automation - PlantPAx, RSView32,
  • GE Inteligent Platforms - iFIX,
  • Askom - ASIX
  • Indusoft.

Gdzie SCADA ma swoje miejsce w procesie produkcyjnym, do czego służy?

   Zadaniem SCADA jest usprawnienie procesu produkcyjnego, więc jego działanie opiera się na współpracy z elementami automatyki zaimplementowanymi w procesie wcześniej.
   SCADA odnajduje swoje miejsce pomiędzy urządzeniami sterującymi, pomiarowymi i wykonawczymi (takimi jak sterowniki PLC, moduły I/O, czujniki i liczniki), a operatorem maszyn. Działa w łańcuchu urządzeń, pełniąc nadrzędną rolę. Dodatkowo może integrować wiele sterowników PLC.



System SCADA wizualizuje dane produkcyjne agregowane w sterowniku PLC, wykorzystując przy tym bazy danych SQL. (pozyskano ze strony http://iconics.elmark.com.pl/index.php/2019/07/10/integracja-systemow-sterowania-plc-i-wizualizacji-scada/)

   Sterownik PLC wykonuje operacje sterowania zgodnie z programem, na podstawie wejść, a więc danych otrzymanych z urządzeń pomiarowych i wykonawczych. Następnie wysyła dane do systemu SCADA, gdzie następuje ich przetwarzanie i archiwizacja. Na ich podstawie powstaje wizualizacja i z poziomu SCADA operator może nie tylko obserwować stan procesu produkcyjnego, wartości określonych wyjść oraz alarmy, ale może również zadawać parametry procesu, wyłączyć/włączyć proces lub prowadzić sterowanie w trybie ręcznym.



Schemat integracji PLC i SCADA poprzez bazę SQL (pozyskano ze strony http://iconics.elmark.com.pl/index.php/2019/07/10/integracja-systemow-sterowania-plc-i-wizualizacji-scada/)

   Wykorzystywany sterownik PLC - w tym przypadku model USC-B10-RA28 –zapisuje poszczególne pomiary do swojej wewnętrznej tabeli w 1-sekundowych odstępach czasu. Jeśli liczba rekordów przekroczy 100, sterownik wyzwala akcję zapisu danych z tabeli wewnętrznej do tabeli w bazie danych SQL. Następnie, rozpoczyna zapełnianie tabeli wewnętrznej od początku.
Zapisywane informacje to: data i czas pomiaru, nazwa czujnika oraz wartość mierzona.

Do góry


 

Ogólne zasady projektowania wizualizacji w HMI/SCADA

     
   

   Pełne zrozumienie zasady działania systemu SCADA wymaga dokładnej analizy architektury sprzętowej, do której zalicza się: serwer MTU, serwer danych, urządzenia zbierające dane oraz stacje klienckie.
Serwer

W systemach SCADA ze względu na pełniona funkcję można wyróżnić dwa rodzaje serwerów: MTU oraz danych. Serwer MTU (ang. Master Terminal Unit) jest elementem dedykowanym, którego zadaniem jest rozpoczynanie wszelkich form komunikacji, zbierania i przechowywania informacji, wysyłania i odbioru danych do innych systemów i użytkowników. Ponadto jego zadaniem jest komunikacja z urządzeniami peryferyjnymi służącymi do przedstawienia za pomocą obrazów synoptycznych elementów danego procesu technologicznego. Służą do tego głównie monitory i ekrany dodatkowe, na których, wraz z aktualizacją danych w systemie, informacje są odświeżane.

Urządzenia do archiwizacji danych
System SCADA najczęściej rejestruje dane za pośrednictwem sterowników PLC oraz modułów RTU (ang. Remote Terminal Unit), które zazwyczaj z urządzeniami wykonawczymi i pomiarowymi są połączone bezpośrednio. Urządzenia PLC, podobnie jak RTU, rejestrują wybrane parametry i przekazują te informacje do systemu, lecz w odróżnieniu od nich mają za zadanie kierować pracą urządzeń odpowiedzialnych za utrzymanie żądanych parametrów. Zadania te wykonywane są poprzez uruchomienie zaimplementowanych w urządzeniu funkcji w odpowiedzi na wartość mierzonych parametrów.

Stacja kliencka - wizualizacja danych
Elementem umożliwiającym interakcję użytkownika z systemem SCADA jest stacja kliencka. Umożliwia ona wizualizację procesu technicznego oraz jego sterowanie. Ponadto daje możliwość śledzenia wcześniej zdefiniowanych wyzwalaczy danych procesów (np. załączenie elementu przy określonej temperaturze i ciśnieniu ), reakcji na alarmy oraz śledzenie i analizę raportów.

Najlepiej wizualizacje sprawdzają się gdy;

  • wizualizacje przedstawione na dużych ekranach, na których każdy operator może z łatwością odczytać dane oraz zauważyć alarm,
  • na ekrane pokazana jest hierarchiczna struktura w celu uzyskania przejrzystości oraz jak najszybszej reakcji operatora,
  • na ekranach wizualizacji wyróżnione są najważniejsze informacje z punktu widzenia wydajności procesu,
  • zminimalizowane jest wykorzystanie elementów rozpraszających, o różnych kolorach,
  • zastosujemy 7 kroków tworzenia wydajnej wizualizacji HMI/SCADA.

jaki system wizualizacji wybrać?

   Systemy wizualizacji danych od lat odgrywają bardzo istotną rolę w zarządzaniu procesami produkcyjnymi, monitorowaniu pracy maszyn, monitorowaniu budynków. Odpowiednia prezentacja informacji stworzonych w oparciu o gromadzone w czasie rzeczywistym dane ułatwia podejmowanie odpowiednich decyzji we właściwym czasie. Mówiąc o systemach wizualizacji w przedsiębiorstwach produkcyjnych, możemy wyróżnić przynajmniej trzy główne ich rodzaje. Pierwszym jest prezentacja niewielkiej ilości podstawowych parametrów pracy urządzenia lub systemu z wykorzystaniem panelu operatorskiego HMI. Panel operatorski z predefiniowanym oprogramowaniem wizualizacyjnym pozwala na ekonomiczną prezentację danych operatorowi kosztem ograniczonego zakresu i możliwości funkcjonalnych. Rosnącą popularność w ostatnich latach w zakresie urządzeń HMI można zaobserwować na przykładzie paneli operatorskich Astraada HMI lub GE Intelligent Platforms.
   Drugą metodą prezentacji danych z procesu lub produkcji jest stworzenie aplikacji wizualizacyjnej w oparciu o środowisko wizualizacyjne klasy HMI - przykładem takiej wizualizacji jest oprogramowanie Wonderware InTouch, które, będąc niezależne od warstwy sprzętowej, pozwala na tworzenie już znacznie bardziej rozbudowanych i zaawansowanych graficznie i funkcjonalnie ekranów wizualizacyjnych w porównaniu do ekranów na panelu operatorskim.
   Trzecim sposobem jest wykorzystanie wysoce wydajnych i bardzo zaawansowanych funkcjonalnie narzędzi do tworzenia systemów SCADA - często wieloserwerowych rozproszonych geograficznie aplikacji, których ekrany wizualizacyjne są jedynie częścią funkcjonalności. Przykładem takiego oprogramowania jest Platforma Systemowa Wonderware, oferująca unikalne podejście do tworzenia systemów SCADA w oparciu o modelowanie obiektowe. Podsumowując ten artykuł, można jednoznacznie stwierdzić, że panele HMI, systemy wizualizacji HMI oraz systemy SCADA należy dobrać do konkretnych zastosowań. Panele HMI znajdą zastosowanie tam, gdzie pojawia się potrzeba zadawania parametrów produkcyjnych, a nie ma miejsca na komputer przemysłowy oraz przeznaczeniem wizualizacji na panelu nie jest kontrola procesu produkcyjnego.
   W sytuacji, gdy pojawia się potrzeba bardziej szczegółowej kontroli procesu bezpośrednio przy urządzeniu lub w centralnej dyspozytorni, należy zastosować oprogramowania wizualizacyjne klasy HMI/SCADA, dobierając konkretną wersję do potrzeb opisanych wcześniej.

  • skup się na operatorach - użytkownikach systemu wizualizacji, który projektujesz
  • zidentyfikuj rzeczywiste zadania i ustal ich priorytety.
  • zbierz ważne realne treści. Bądź i konkretny/a w przekazie.
  • zbuduj strategię projektowania uwzględniając urządzenia, na których będzie wyświetlona wizualizacja.
  • zbuduj hierarchię ekranów i ich elementów.
  • pamiętaj o interakcjach między systemem SCADA, a operatorem.
  • zadbaj o wygląd wizualny wizualizacji (priorytetyzuj informacje i bądź konsekwentny/a w sposobie wprowadzania elementów wizualizacji)
  • ustal proces projektowania - współpracuj, ucz się i myśl pozytywnie.

Do góry


 

 (C) 2011 - 2020 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved