Тема 08. Технические средства ЧМИ

 

Человеко-машинный интерфейс (Human Machine Interface)

Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ)

- широкое понятие, охватывающее инженерные решения, обеспечивающие взаимодействие оператора с управляемыми им машинами. Создание систем человеко-машинного интерфейса тесно связано с эргономикой, но не тождественно ей. Проектирование ЧМИ включает в себя создание рабочего места: кресла, стола, или пульта управления, размещение приборов и органов управления, освещение рабочего места, а, возможно, и микроклимат. Далее рассматриваются действия оператора с органами управления, их доступность и необходимые усилия, согласованность (непротиворечивость) управляющих воздействий и <защита от дурака>, расположение дисплеев и размеры надписей на них. Наиболее сложной задачей является создание ЧМИ для пилотов самолета. В промышленных условиях ЧМИ чаще всего реализуется с использованием типовых средств: операторских панелей, персональных компьютеров и типового программного обеспечения

 

HMI на базе операторских станций.

Самое, пожалуй, главное в системе управления - это организация взаимодействия между человеком и программно-аппаратным комплексом. Обеспечение такого взаимодействия и есть задача человеко-машинного интерфейса (HMI, human machine interface).

В аббревиатуре "АСУ ТП" ключевым является слово "автоматизированная", что подразумевает непосредственное участие человека в процессе реализации системой определенных задач. Очевидно, что чем лучше организован HMI, тем эффективнее дует "человек - система управления" способен решать поставленные задачи.

Как же организован HMI в современных АСУ ТП? На самом деле существует, как минимум, два подхода по реализации функционала HMI:

1. На базе специализированных рабочих станций оператора, устанавливаемых в центральной диспетчерской;

2.  На базе панелей локального управления, устанавливаемых непосредственно в цеху по близости к контролируемым технологическим объектам.

Иногда эти два варианта комбинируются, чтобы достичь наибольшей гибкости управления. В данной статье речь пойдет о первом варианте организации операторского уровня.

Аппаратно рабочая станция оператора (OS, operator station) представляет собой ни что иное как персональный компьютер. Как правило, станция снабжается несколькими широкоэкранными мониторами, функциональной клавиатурой и необходимыми сетевыми адаптерами для подключения к сетям верхнего уровня (например, на базе Industrial Ethernet). Станция оператора несколько отличается от привычных для нас офисных компьютеров, прежде всего, своим исполнением и эксплуатационными характеристиками (а также ценой 4000 - 10000 долларов). На рисунке 1 изображена рабочая станция оператора системы SIMATIC PCS7 производства Siemens, обладающая следующими техническими характеристиками:

Процессор: Intel Pentium 4, 3.4 ГГц;

Память: DDR2 SDRAM до 4 ГБ;

Материнская плата: ChipSet Intel 945G;

Жесткий диск: SATA-RAID 1/2 x 120 ГБ;

Слоты: 4 x PCI, 2 x PCI E x 1, 1 x PCI E x 16;

Степень защиты: IP 31;

Температура эксплуатации: 5 - 45 C;

Влажность: 5 - 95 % (без образования конденсата);

Операционная система: Windows XP Professional/2003 Server.

 

Системный блок может быть как настольного исполнения (desktop), так и для монтажа в 19" стойку (rack-mounted). Чаще применяется второй вариант: системный блок монтируется в запираемую стойку для лучшей защищенности и предотвращения несанкционированного доступа.

Какое программное обеспечение используется? На станции оператора устанавливается программный пакет визуализации технологического процесса (часто называемый SCADA). Большинство пакетов визуализации работают под управлением операционных систем семейства Windows (Windows NT 4.0, Windows 2000/XP, Windows 2003 Server), что, на мой взгляд, является большим минусом. Программное обеспечение визуализации призвано выполнять следующие задачи:

1. Отображение технологической информации в удобной для человека графической форме (как правило, в виде интерактивных мнемосхем) - Process Visualization;

2.  Отображение аварийных сигнализаций технологического процесса - Alarm Visualization;

3.  Архивирование технологических данных (сбор истории процесса) - Historical Archiving;

4. Предоставление оператору возможности манипулировать (управлять) объектами управления - Operator Control.

5.  Контроль доступа и протоколирование действий оператора - Access Control and Operator's Actions Archiving.

6.  Автоматизированное составление отчетов за произвольный интервал времени (посменные отчеты, еженедельные, ежемесячные и т.д.) - Automated Reporting.

 

Как правило, SCADA состоит из двух частей:

1.    Среды разработки, где инженер рисует и программирует технологические мнемосхемы;

2.   Среды исполнения, необходимой для выполнения сконфигурированных мнемосхем в режиме runtime. Фактически это режим повседневной эксплуатации.

Существует две схемы подключения операторских станций к системе управления, а точнее уровню управления. В рамках первой схемы каждая операторская станция подключается к контроллерам уровня управления напрямую или с помощью промежуточного коммутатора (см. рисунок 2). Подключенная таким образом операторская станция работает независимо от других станций сети, и поэтому часто называется одиночной (пусть Вас не смущает такое название, на самом деле таких станций в сети может быть несколько).

 

Есть и другой вариант. Часто операторские станции подключают к серверу или резервированной паре серверов, а серверы в свою очередь подключаются к промышленным контроллерам. Таким образом, сервер, являясь неким буфером, постоянно считывает данные с контроллера и предоставляет их по запросу рабочим станциям. Станции, подключенные по такой схеме, часто называют клиентами (см. рисунок 3).

Как происходит информационный обмен? Для сопряжения операторской станции с промышленным контроллером на первой устанавливается специальное ПО, называемое драйвером ввода/вывода. Драйвер ввода/вывода поддерживает совместимый с контроллером коммуникационный протокол и позволяет прикладным программам считывать с контроллера параметры или наоборот записывать в него. Пакет визуализации обращается к драйверу ввода/вывода каждый раз, когда требуется обновление отображаемой информации или запись измененных оператором данных. Для взаимодействия пакета визуализации и драйвера ввода/вывода используется несколько протоколов, наиболее популярные из которых OPC (OLE for Process Control) и NetDDE (Network Dynamic Data Exchange). Обобщенно можно сказать, что OPC и NetDDE - это протоколы информационного обмена между различными приложениями, которые могут выполняться как на одном, так и на разных компьютерах. На рисунках 4 и 5 изображено, как взаимодействуют программные компоненты при различных схемах построения операторского уровня.

Как выглядит SCADA? Разберем простой пример: Абстрактная схема технологического процесса, хотя полноценным процессом это назвать трудно.

 

Упрощенный вариант операторской мнемосхемы для управления тех. процессом (прошу закрыть глаза на мои изобразительные способности). Как видно, резервуар (емкость) наполняется водой. Задача системы - нагреть эту воду до определенной температуры. Для нагрева воды используется газовая горелка. Интенсивность горения регулируется клапаном подачи газа. Также должен быть насос для закачки воды в резервуар и клапан для спуска воды.

На мнемосхеме отображаются основные технологические параметры, такие как: температура воды; уровень воды в резервуаре; работа насосов; состояние клапанов и т.д. Эти данные обновляются на экране с заданной частотой. Если какой-либо параметр достигает аварийного значения, соответствующее поле начинает мигать, привлекая внимание оператора.

Сигналы ввода/вывода и исполнительные механизмы отображаются на мнемосхемах в виде интерактивных графических символов (иконок). Каждому типу сигналов и исполнительных механизмов присваивается свой символ: для дискретного сигнала это может быть переключатель, кнопка или лампочка; для аналогового - ползунок, диаграмма или текстовое поле; для моторов и насосов - более сложные фейсплейты (faceplates). Каждый символ, как правило, представляет собой отдельный ActiveX компонент. Вообще технология ActiveX широко используется в SCADA-пакетах, так как позволяет разработчику подгружать дополнительные символы, не входящие в стандартную библиотеку, а также разрабатывать свои собственные графические элементы, используя высокоуровневые языки программирования.

Допустим, оператор хочет включить насос. Для этого он кликает на его иконке и вызывает панель управления (faceplate). На этой панели он может выполнить определенные манипуляции: включить или выключить насос, подтвердить аварийную сигнализацию, перевести его в режим "техобслуживания" и т.д. (см. рисунок 7).

 

Оператор также может посмотреть график изменения интересующего его технологического параметра, например, за прошедшую неделю. Для этого ему надо вызвать тренд (trend) и выбрать соответствующий параметр для отображения. Пример тренда реального времени показан на рисунке 8.

 

Для более детального обзора сообщений и аварийных сигнализаций оператор может воспользоваться специальной панелью (alarm panel), пример которой изображен на рисунке 9. Это отсортированный список сигнализаций (alarms), представленный в удобной для восприятия форме. Оператор может подтвердить ту или иную аварийную сигнализацию, применить фильтр или просто ее скрыть.

 

Говоря о SCADA, инженеры часто оперируют таким важным понятием как "тэг" (tag). Тэг является по существу некой переменной программы визуализации и может быть использован как для локального хранения данных внутри программы, так и в качестве ссылки на внешний параметр процесса. Тэги могут быть разных типов, начиная от обычных числовых данных и кончая структурой с множеством полей. Например, один визуализируемый параметр ввода/вывода - это тэг, или функциональный блок PID-регулятора, выполняемый внутри контроллера, - это тоже тэг. Ниже представлена сильно упрощенная структура тэга, соответствующего простому PID-регулятору:

 

Tag Name = "MyPID";

Tag Type = PID;

 

Fields (список параметров):

 

MyPID.OP

MyPID.SP

MyPID.PV

MyPID.PR

MyPID.TI

MyPID.DI

MyPID.Mode

MyPID.RemoteSP

MyPID.Alarms и т.д.

 

В комплексной прикладной программе может быть несколько тысяч тэгов. Производители SCADA-пакетов это знают и поэтому применяют политику лицензирования на основе количества используемых тэгов. Каждая купленная лицензия жестко ограничивает суммарное количество тэгов, которые можно использовать в программе. Очевидно, чем больше тегов поддерживает лицензия, тем дороже она стоит; так, например, лицензия на 60000 тэгов может обойтись в 5000 тыс. долларов или даже дороже. В дополнение к этому многие производители SCADA формируют весьма существенную разницу в цене между "голой" средой исполнения и полноценной средой разработки; естественно, последняя с таким же количеством тэгов будет стоить заметно дороже.

 

Сегодня на рынке представлено большое количество различных SCADA-пакетов, наиболее популярные из которых представлены ниже:

 

1.    Wonderware Intouch;

2.    Simatic WinCC;

3.    Iconics Genesis32;

4.    Citect;

5.    Adastra Trace Mode

 

Лидирующие позиции занимают Wonderware Intouch (производства Invensys) и Simatic WinCC (разработки Siemens) с суммарным количеством инсталляций более 80 тыс. в мире. Пакет визуализации технологического процесса может поставляться как в составе комплексной системы управления, так и в виде отдельного программного продукта. В последнем случае SCADA комплектуется набором драйверов ввода/вывода для коммуникации с контроллерами различных производителей.

 

 

Интерфейс между человеком и машиной - человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) (human machine interface или HMI) - интерфейс между миром автоматизации и индивидуальными требованиями оператора.  ЧМИ осуществляет контроль над процессом, следит за оптимальностью работы установок и предприятия, гарантирует работоспособность и продуктивность.

 

Упрощение растущей сложности

 

Современные процессы становятся все более сложными и к функциональности установок и предприятий предъявляются все более серьезные требования. Оператор должен всегда иметь четкую картину происходящего. Вот почему человеко-машинный интерфейс должен обеспечивать самый высокий из возможных уровень прозрачности. Упрощение растущей сложности - вот наша цель с каждой инновацией в сфере ЧМИ. Мы формируем технический прогресс в ЧМИ и переводим его в передовые технологические решения.

 

Все из единого источника

 

С SIMATIC HMI, Siemens A&D предлагает завершенный спектр продуктов для широкого диапазона задач оперативного контроля и мониторинга, а также реализует индивидуальные системы.

 

Хорошая оснащенность для внедрения в мир автоматизации

 

Со своими открытыми, стандартизированными интерфейсами оборудования и программного обеспечения продукты SIMATIC HMI могут быть внедрены на уровни производства и автоматизации так же, как и на уровень управления в любое время. Они могут быть присоединены почти к любому ПЛК на рынке и многоязычному программному обеспечению по проектированию и визуализации, которые содержат даже идеографические языки и поддерживают всемирное использование.

 

Часть корпоративного ландшафта IT

 

В оптимизации предприятия, гарантировании качества на уровне автоматизированной системы управления производственными процессами (MES - Manufacturing Execution System) или обеспечения управляющей информацией для планирования ресурсов предприятий (ERP - Enterprise Resource Planning): за границами автоматизированного процесса, SIMATIC HMI становится интегральным компонентом корпоративного ландшафта IT.

 

Интеграция в World Wide Web

 

SIMATIC HMI использует Web в качестве пульта управления- внутри предприятия так же, как внутри мировой корпоративной сети. Используя WinCC Web Navigator, вы можете управлять и контролировать работу предприятий посредством Internet или внутренней сети компании Intranet. Операторские панели, такие, как мульти-панели SIMATIC MP 370, могут быть интегрированы как тонкие клиенты, которые тоже устанавливают соединение между уровнем автоматизации и пультом управления. Посредством локальной беспроводной сети LAN или связи мобильного телефона вы можете использовать тонких клиентов, таких как портативные компьютеры, органайзеры или WebPad. Сервисная, управленческая информация или информация о процессе может быть предоставлена соответствующим пользователям.

 

Высокая производительность предприятия

 

Все операторские панели и панельные ПК разработаны для жестких промышленных условий. Резервированные WinCC системы визуализации процесса гарантируют высокую производительность предприятия при нормальной работе. Диагностика процесса с помощью ProAgent от SIMATIC HMI предлагает вам эффективную поддержку с локализацией и исправлением ошибок и значительным уменьшением времени простоев. Более того, специальные опции программного обеспечения, такие, как SIMATIC IT WinBDE, поддерживают планово-предупредительный ремонт установок и объектов.

 

Более чем просто ЧМИ

 

Мульти-панели под Windows CE сочетают преимущества двух разных миров: жесткая конструкция операторской панели и гибкость, характерная для ПК. Siemens, первый производитель этого нового класса устройств, представляет многофункциональные платформы. Не считая классических функций ЧМИ, другие задачи автоматизации, например, функции ПЛК могут выполняться совместно. Для автоматизации на базе ПК, панельные ПК SIMATIC Panel PC являются компактными платформами автоматизации.

 

Все преимущества Компексной Автоматизации (Totally Integrated Automation)

 

Комплексная Автоматизация (TIA -- Totally Integrated Automation R) от Siemens это наиболее удачная мировая концепция автоматизации с потенциалом для сбережений, который никогда не достигался до этого. TIA разрешает полную интеграцию отдельных компонентов автоматизации, начиная от ПЛК, распределенных технологий ввода/вывода и приводов через систему человеко-машинного интерфейса и заканчивая уровнем производственного управления. Это означает, что вы получаете постоянную прибыль от троекратного единообразия в программировании и проектировании, управлении данными и связи. Впечатляющий результат: интенсивное сокращение затрат на разработку решений автоматизации и следовательно суммарных издержек.

 

Будучи частью TIA, SIMATIC HMI использует те же средства разработки под Windows, корпоративные коммуникации и обращается к совместно используемым данным. Например, система проектирования SIMATIC ProTool может встраиваться в основное средство проектирования мира SIMATIC, SIMATIC STEP 7 и может быть использована для проектирования всех оперативных модулей. В то же время ProTool и WinCC могут обращаться к переменным и спискам сообщений ПЛК и использовать своих коммуникационных партнеров. Это предотвращает многочисленные трудоемкие обращения и сопровождающие их источники ошибки с самого начала.

 

При взаимодействии с другими компонентами SIMATIC, SIMATIC HMI также поддерживает систему диагностики процесса при работе. Вы можете, например, запустить диагностику STEP 7 прямо из окна WinCC для всесторонней диагностики ошибок в схеме соединений через программу ПЛК. С помощью SIMATIC ProAgent сообщения диагностики процесса из ПЛК отображаются на операторских панелях или системах визуализации без необходимости проведения дополнительных конфигурационных работ в системе ЧМИ и без нужды в дополнительных инструментах диагностики.

 

Компетентные партнеры для решений автоматизации

 

С SIMATIC HMI вы не только получаете отличные продукты, которые удовлетворят вашим требованиям, мы также помогаем вам выбрать партнера для вашего решения автоматизации. В нашей всемирной сети поставщиков Siemens (Siemens Automation Solution Providers) вы всегда найдете опытных представителей в вашей области, которые находятся в курсе всех инноваций в технологии SIMATIC HMI. Внутренний центр компетенции WinCC в дополнение к специальным промышленным продуктам, также применяет индивидуальные решения на базе WinCC. Профессионалы WinCC - это внешние системные интеграторы, эксперты, которые сочетают навыки, касающиеся WinCC, с опытом в своих секторах промышленности и нестандартными привлекательными решениями. Многочисленные продукты от наших партнеров, которые превосходно работают с WinCC, доступны в виде дополнений WinCC.

 

Защита инвестиций включена

 

Вы не можете не получить прибыли от нашего многолетнего опыта в проектировании решений задач автоматизации. То же относится и к нашей глобальной сети услуг, нашему долгосрочному содержанию отдельных элементов и нашей эффективной поддержке. Все это служит для безопасности ваших вложений в течение долгого времени. Другие услуги, начиная от обучения и заканчивая заказами через Internet, завершает наш список продуктов, систем и услуг.

 

 

 

SIMATIC HMI

Человеко-машинный интерфейс

 

 

 

SIMATICR HMIR

 

Целый мир оперативного контроля и управления

 

 

 

Визуализация процесса

 

SIMATIC WinCC

SCADA-система для масштабируемой визуализации процесса для любых требований, от однопользовательских систем до резервированных многопользовательских систем и в качестве платформы для IT и деловой интеграции.

 

 

 

Локальный оперативный контроль и управление

 

Кнопочные панели (SIMATIC Push Button Panels)

Операторские панели для легкого и прямого управления установкой.

 

Микро панели (SIMATIC Micro Panels)

Операторские панели для небольших установок и специально для SIMATIC S7-200.

 

Передвижные панели (SIMATIC Mobile Panels)

Передвижные операторские панели для непосредственного управления предприятием и установками из любого места.

 

Панели (SIMATIC Panels)

Жесткое и компактное решение для использования на установке - имеет отличную производительность и дружественный интерфейс в виде текстовых дисплеев, операторских панелей и сенсорных панелей.

 

Мульти-панели (SIMATIC Multi Panels)

Многофункциональные платформы, которые в дополнение к визуализации также выполняют другие задачи автоматизации, например, функции контроля.

 

Панельные ПК SIMATIC Panel PC

Промышленные платформы для локальной ПК-визуализации или для выполнения многочисленных задач автоматизации на базе PC.

 

SIMATIC WinCC flexible

Новое программное обеспечение HMI для всех графических панелей оператора - начиная с микро панелей и до платформ ПК. Идеально для обслуживания и визуализации установок с стационарными, мобильными или распределенными панелями оператора. Дополнительные опции поддерживают обслуживание, сервис и диагностику через Web.

 

SIMATIC ProTool R

Универсальное интегрированное программное обеспечение под Windows для всех операторских панелей SIMATIC HMI.

 

SIMATIC ProTool/Pro R

Программное обеспечение визуализации для операторского контроля и управления на базе PC на уровне установки. Обеспечивает короткое время реакции и надежный операторский контроль процесса.