HMI przyszłości będzie wyglądać bardzo znajomo

Komercyjne technologie przeznaczone do zastosowań przemysłowych pozwalają zmniejszyć koszt i usprawnić warstwę HMI/SCADA.

Fabio Terezinho
Odkąd oprogramowanie bazujące na technologii PC zaczęło być wykorzystywane w przemyśle, aplikacje komercyjne i przemysłowe bardzo upodobniły się do siebie. Wielu czytelników pamięta moment, kiedy w połowie lat 80. przedstawiono pierwsze aplikacje HMI/SCADA bazujące na PC. W tamtym czasie obawiano się niewystarczającej pewności działania i szybkości reakcji, ale dzisiaj oprogramowanie bazujące na technologii PC jest de facto standardem HMI, zarówno jako interfejs operatora, jak i fragment systemu SCADA.
Aplikacje HMI pracują na biurowych i przemysłowych komputerach PC. Są również tworzone za pomocą oprogramowania zgodnego ze standardami PC. W tym samym czasie technologie SCADA idą naprzód, umożliwiając producentom redukcję kosztów przez wykorzystywanie aplikacji konsumenckich (ramka obok).
Przemysłowe urządzenia nie są jednak i nie będą duplikatami urządzeń konsumenckich. Przemysłowe PC mogą wyglądać i sprawiać wrażenie bardzo podobnych do urządzeń konsumenckich, jednak zaprojektowano je tak, aby przetrwały pracę w ciężkich warunkach, a do tego wzbogaca się je o dodatkowe funkcje zwiększające niezawodność, takie jak dyski SSD.
Tak jak w wielu przypadkach komputery stacjonarne zostały wyparte przez laptopy, tak laptopy są zastępowane przez tablety i smartfony wyposażone w technologię wielodotyku. Ten trend można również zaobserwować w środowisku przemysłowym. Co więcej, sposób, w jaki uzyskujemy dostęp do HMI, metodygromadzenia i przetwarzania danych przez systemy SCADA zaczynają być podobne do technologii opracowanych na potrzeby urządzeń konsumenckich.
Korporacje rozpoznały i reagują na ten trend. Ostatnie badanie firmy Gartner przewiduje, że około połowy światowych firm wprowadzi programy BYOD (ang. bring your own device – przynieś własne urządzenie) do 2017 roku i przestanie inwestować w tego typu sprzęt.
Implikacja jest prosta: zostanie przyjęte założenie, że pracownik będzie korzystał z własnego smartfona i tableta do uzyskiwania dostępu do systemów obliczeniowych przedsiębiorstwa, co przyniesie przedsiębiorstwom znaczne ograniczenie kosztów i zwiększy mobilność pracowników.
Szybsze, mniej kosztowne sposoby dostępu do danych
Smartfony i tablety to znakomite produkty dla dzisiejszej mobilnej siły roboczej, jako że wielu pracowników ma za zadanie monitorować i kontrolować wiele lokalizacji, często z domu lub w czasie służbowej podróży. Tacy pracownicy potrzebują szybkiego i prostego zdalnego dostępu do systemu HMI, który umożliwi im podjęcie decyzji na podstawie aktualnych danych, gdyż jest to najlepszy sposób wykorzystania mobilnych urządzeń, z których korzystają na co dzień.
Jednym z czynników napędzających tę tendencję jest oprogramowanie SCADA, które umożliwia użytkownikom identyczny dostęp do systemów automatyki niezależnie od tego, czy pracownik znajduje się na terenie zakładu, czy poza nim. Autoryzowani użytkownicy potrzebujący dostępu zdalnego mogą otrzymać uprawnienia odczytu lub odczytu i zapisu danych, zależnie od ich obowiązków i zakresu odpowiedzialności. Dostęp z urządzeń mobilnych polega zwykle na szyfrowanym połączeniu za pośrednictwem przeglądarki internetowej. Taka funkcjonalność jest zazwyczaj standardem systemów HMI.
Wiele systemów HMI/SCADA jest wzbogacanych o dedykowane bezpłatne lub niedrogie aplikacje dla urządzeń mobilnych. Tak samo jak w przypadku dostępu za pośrednictwem przeglądarki, użytkownicy mogą korzystać z pełnej dwukierunkowej transmisji. Przewagą dedykowanych aplikacji jest szybsze nawiązywanie połączenia, szybsze ładowanie ekranów i krótsze czasy reakcji (rysunek 1).

Wykorzystanie standardowej przeglądarki to znacznie tańsza alternatywa dostępu z poziomu tzw. cienkiego klienta lub komputera PC podłączonego do sieci przedsiębiorstwa, szczególnie jeśli wdrożono zasadę BYOD. Dodatkowo dostęp za pośrednictwem przeglądarki nie wymaga żadnego specyficznego oprogramowania, a dedykowana aplikacja jest gotowa do użycia wkrótce po prostej instalacji. To zwalnia dział IT firmy z konieczności zapewnienia specjalistycznego wsparcia, a dalsze usprawnienia można zrealizować, adaptując inną konsumencką technologię – przetwarzanie w chmurze.
Łatwiejszy dostęp do danych
Tzw. chmury, początkowo wykorzystywane do przechowywania zdjęć i muzyki, stają się magazynem danych korporacji i jej oprogramowania. Czym jest chmura?
Przetwarzanie w chmurze zapewnia dostęp sieciowy 24/7 do współdzielonych, konfigurowalnych zasobów obliczeniowych: sieci, serwerów, aplikacji, usług i przestrzeni dyskowej. Zasoby mogą być szybko powiększane i są dostępne przy minimalnym wysiłku użytkownika. Większość systemów SCADA wykorzystujących chmury jest konfigurowanych za pomocą lokalnej aplikacji SCADA uruchomionej na komputerze PC, do którego podłączone są sterowniki. Lokalne PC są również połączone z chmurą, która odbiera i przechowuje dane. Z tego poziomu można również wysyłać komendy do chmury (rysunek 2).
Systemy HMI/SCADA generują ogromną ilość danych, które muszą być dostępne dla wielu użytkowników z różnych lokalizacji. Duża część z nich musi mieć możliwość przesyłania komend do systemu HMI. Pewna dwukierunkowa transmisja przewodowa i bezprzewodowa to domena systemów bazujących na technologii chmur danych i usług sieciowych, ponieważ od wielu lat był to podstawowy wymóg sprawnego działania aplikacji konsumenckich.
Wykorzystanie technologii chmur w HMI może znacząco obniżyć koszty przy jednoczesnym zwiększeniu funkcjonalności. Użytkownicy mogą łatwo przeglądać dane za pomocą smartfonów i tabletów. Otrzymują również komunikaty i ostrzeżenia za pomocą wiadomości SMS i e-mail. Przetwarzanie w chmurze eliminuje również problemy i koszty sprzętowej warstwy infrastruktury IT.
Ten nowy paradygmat oferuje dynamikę i przystępną skalowalność przy możliwych ogromnych oszczędnościach. Przedsiębiorstwa nie muszą finansować zakupu licencji oprogramowania, redundantnych urządzeń czy opracowania procesów odtwarzania awaryjnego, których nigdy się nie wykorzysta. Chmury pozwalają również szybko dodawać nowe zasoby wtedy, kiedy są naprawdę potrzebne.
Do niedawna przechowywanie danych było bardzo kosztowne, ponieważ ze względów bezpieczeństwa gromadziło się je na różnych serwerach, umieszczonych w różnych lokalizacjach, a do obsługi systemu potrzebny był doświadczony personel IT. Przetwarzanie w chmurze zapewnia łatwą archiwizację danych opartą na modelu pre-paid, w którym płaci się za wielkość przestrzeni dyskowej, a za jej obsługę i tworzenie kopii bezpieczeństwa odpowiedzialny jest operator chmury.
Czy chmura jest bezpieczna?
Jeśli wspomina się o Internecie w kontekście automatyki przemysłowej i aplikacji HMI/SCADA, od razu pojawia się pytanie dotyczące bezpieczeństwa. Tak jak w każdym systemie, zawsze istnieje ryzyko włamania, ale systemy SCADA bazujące na technologii chmur często oferują lepsze zabezpieczenia niż podobne systemy zarządzane wewnętrznie.
W wielu przedsiębiorstwach kurczące się budżety spowodowały dramatyczną redukcję zasobów i personelu IT, a ci, którzy pozostali, często nie mają czasu albo wiedzy o tym, jak skutecznie zabezpieczać się przed nowymi zagrożeniami. Z drugiej strony dostawcy rozwiązań systemowych bazujących na technologii chmur danych i usług sieciowych specjalizują się w zapewnianiu bezpiecznego dostępu do aplikacji i w ochronie danych. Ich ludzie są nieustannie szkoleni, jak chronić systemy przed zewnętrznymi i wewnętrznymi zagrożeniami. Dostawcy tych technologii mogą pozwolić sobie na posiadanie wymaganej liczby pracowników IT, ponieważ rozkładają koszty na swoich klientów.
Wiele przedsiębiorstw polega wyłącznie na jednym dostawcy usług internetowych, co oznacza utratę możliwości sterowania i monitorowania w przypadku utraty połączenia. W przypadku systemów bazujących na technologii chmur, w celu zapewnienia odpowiedniej prędkości, korzysta się z usług wielu operatorów, a dane przechowuje się na większej liczbie serwerów w różnych lokalizacjach, aby zapewnić ich bezpieczeństwo w przypadku katastrof.
Najnowsze aplikacje SCADA zmieniają sposób wdrażania systemów i dostęp do danych. Poza możliwością wykorzystania urządzeń konsumenckich, takich jak smartfony czy tablety i technologii chmur, systemy SCADA dają również możliwość zastosowania innej technologii, dobrze znanej w świecie urządzeń konsumenckich – technologii wielodotyku.
Korzyści z technologii wielodotyku
Gdy technologie charakterystyczne dla urządzeń konsumenckich wkraczają do świata aplikacji przemysłowych, zwykle przyjmuje się je ze sceptycyzmem. Czy nowa technologia będzie wystarczająco bezpieczna i pewna dla przemysłowych aplikacji? Czy będzie w stanie przetrwać w brudzie, hałasie i innych szkodliwych czynnikach? Czy stosunek kosztów do korzyści pozytywnie wpłynie na wskaźnik ROI?
Wspierające technologię wielodotyku aplikacje SCADA, uruchamiane na sprzęcie dostosowanym do warunków przemysłowych, dają możliwość korzystania z tego technologicznego postępu. Podstawą działania wielodotykowych HMI jest rozpoznawanie dotyku i ruchów palców nazywanych gestami, znanych z urządzeń konsumenckich – powiększania czy przesuwania (rysunek 4).
Gesty są bardzo intuicyjne i zwiększają tempo wykonywania działań. Polecenie wydane za pomocą gestu wielodotykowego może być średnio trzy razy szybsze niż to samo polecenie wydane przez naciśnięcie klawiszy i kliknięcie myszą. Operatorzy mogą więc szybciej reagować na alarmy i wszelkie zmiany, zyskują również więcej czasu na analizę i poprawę działań.
Inną zaletą wielodotykowych systemów HMI jest zwiększone bezpieczeństwo, ponieważ zaawansowane ekrany pozwalają na pracę w rękawicach ochronnych. Co więcej, funkcje krytyczne z punktu widzenia bezpieczeństwa mogą wymagać użycia obu rąk.
Technologia wielodotyku w trudnych warunkach przemysłowych sprawdza się zwykle lepiej niż klawiatura i inne urządzenia wskazujące. Nie wykorzystuje ona ruchomych elementów, które wystawione są na działanie kurzu, wody i innych czynników, mających negatywny wpływ na żywotność urządzeń. Dostępne są klawiatury i urządzenia przystosowane do ciężkich warunków przemysłowych, jednak ich koszt jest zwykle bardzo wysoki. Wielodotykowe ekrany HMI mogą być dodatkowo chronione przed kurzem, zachlapaniem i ekstremalnymi temperaturami warstwą szkła lub poliwęglanu.
Pomoc w zapełnieniu luki
Jednym z największych problemów współczesnych wytwórców jest potrzeba zatrudnienia i przeszkolenia nowej kadry automatyków i operatorów, ponieważ poprzednia generacja inżynierów odchodzi na emeryturę. Dla większości nowych pracowników smartfony, tablety i technologia dotyku nie będą stanowić nowości. Gdyby poprosić tych pracowników o korzystanie z klawiatury i myszki zamiast urządzeń z technologią wielodotyku, to tak jakby zaproponować im obsługę telewizora bez pilota.
Dlatego też wykorzystanie technologii wielodotyku w aplikacjach SCADA ogranicza ilość szkoleń potrzebnych młodym operatorom do sprawnej pracy. Co więcej, ponieważ interakcja z systemem przebiega niezwykle podobnie do interakcji ze smartfonem czy tabletem, szkolenie może koncentrować się na zrozumieniu i analizie danych, a nie metodzie dostępu do nich.
Wkrótce okaże się, że trudno jest nauczyć sprawnej obsługi klawiatury i myszy osoby, które przyzwyczaiły się do ekranów z funkcją wielodotyku. W rozmowach z użytkownikami końcowymi i integratorami systemów automatyki często okazuje się, że zaskakująco duża liczba doświadczonych operatorów również preferuje technologię wielodotyku.
Ta sama prawda dotyczy systemów HMI/SCADA w technologii chmury, do których dostęp uzyskuje się za pomocą smartfonów i tabletów. Konieczność oczekiwania na dział IT, który ma zainstalować aplikację na PC, i uzależnienie w dostępie do sieci to dla wielu niezbyt atrakcyjna opcja. Preferuje się dostęp za pomocą przeglądarki przy użyciu własnych urządzeń lub jeszcze lepiej – za pomocą dedykowanych aplikacji dających wiele korzyści zarówno w zastosowaniu konsumenckim, jak i przemysłowym.
Przyszłość czeka za rogiem
Większość pracowników firm wytwórczych korzysta ze swoich dotykowych smartfonów i tabletów do sprawdzania poczty, konta w banku i przeglądania stron. Konsekwentnie będą oczekiwać takiej funkcjonalności w pracy. Przedsiębiorstwa, które nie zaktualizują swoich systemów za pomocą odpowiedniego oprogramowania umożliwiającego taki dostęp, mogą być postrzegane przez swoich pracowników jako przestarzałe, ponoszące nadmierne koszty i dobrowolnie zrzekające się korzyści.
Najnowsze technologie SCADA to nie tylko spełnienie pragnień pracowników – to również szybszy dostęp do danych, który pozytywnie wpływa na wszystkie operacje. Na przykład eksploracja danych stała się bardzo istotna w czasach, gdy najważniejsza jest informacja, a systemy HMI bazujące na chmurze są stworzone do efektywnego zarządzania dużą ilością danych.
Zdolność do dostępu i reagowania
na dane w bardziej intuicyjny sposób to również metoda na zwiększenie bezpieczeństwa i efektywności operacji wytwarzania. Graficzne interfejsy ułatwiły podgląd i analizę danych, a systemy SCADA z technologią wielodotyku i dostępem za pośrednictwem urządzeń mobilnych dodatkowo zwiększają te możliwości.
Technologia wielodotyku i przetwarzanie w chmurze dla systemów SCADA to najnowsze osiągnięcia, które umożliwiają wykorzystanie technologii konsumenckich w przemyśle – to jednak nie koniec. Producenci komputerów, smartfonów i innego elektronicznego sprzętu konsumenckiego nadal szukają bardziej intuicyjnego sposobu korzystania z ich produktów. Wielu pracuje nad śledzeniem ruchu oka i innymi rewolucyjnymi metodami nawigacji, a także całkowicie nową funkcjonalnością, taką jak okulary z podglądem 3D. Dlatego w aplikacjach HMI/SCADA należy spodziewać się kolejnych zmian, będących zapożyczeniem z technologii konsumenckich.
Chociaż większość producentów nie będzie natychmiast wprowadzać nowych rozwiązań do urządzeń przemysłowych, liczni już teraz wykorzystują niektóre z nich – smartfony, tablety czy technologię wielodotyku. Aplikacje SCADA pozwalające na ekonomiczny i pewny dostęp do zasobów zakładu za pośrednictwem urządzeń mobilnych staną się wkrótce tak popularne, jak popularne stały się kiedyś komputery typu desktop. Spóźnialscy mogą zostać wykluczeni przez konkurencję, która dzięki nowej technologii zwiększa zyski przez wzrost efektywności i ograniczenie kosztów.

Fabio Terezinho jest wiceprezesem ds. usług consultingowych w InduSoft.
Opracował: Łukasz Urbański, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie