Mobilne urządzenia HMI poprawiają pracę fabryk

Po podłączeniu urządzenia mobilnego do Przemysłowego Internetu Rzeczy i uzyskania przez nie dostępu do danych produkcyjnych w czasie rzeczywistym, może ono poprawić pracę fabryki wspierając pracę osób decyzyjnych, gdy potrzebują one takich informacji
Zbieranie danych jest pierwszym krokiem do podejmowania decyzji za pomocą urządzeń typu panele operatorskie HMI (ang. human-machine interface – interfejs człowiek-maszyna), z wykorzystaniem smartfonów, tabletów i laptopów. Dysponując zebranymi poprawnymi danymi, mobilne rozwiązania HMI stanowią pomost pomiędzy systemami sterowania, a urządzeniami mobilnymi wymagającymi dostęp do informacji z tych systemów.
Podczas gdy te rozwiązania mogą być instalowane jako zwykłe okna podglądu procesu produkcyjnego, funkcjonalność zbierania danych może także dostarczać narzędzi do wizualizacji i analizy, bardzo istotnych dla mobilnych aplikacji HMI. Istnieje cały proces, który wymaga zrozumienia i który rozpoczyna sie zbieraniem danych oraz kończy lepszym podejmowaniem decyzji, poprzez wykorzystanie mobilnych urządzeń HMI.
Nowoczesne platformy HMI
Od strony aplikacji przemysłowej, nowoczesne urządzenie HMI jest umieszczone tak, aby stanowić pomost pomiędzy systemami sterowania, a urządzeniami mobilnymi pokazanymi na fot. 1. Użytkownicy zwykle wymagają elastyczności, w celu uzyskania dostępu do urządzeń HMI oraz ich danych za pomocą urządzeń mobilnych.
Powszechnie zaczynają się rozwijać nowoczesne rozwiązania HMI, a może nawet i używanie aplikacji typu runtime na platformie Microsoft Windows, łączącej z lokalną siecią fabryczną. Ale obecnie system Windows nie jest jedynym rozwiązaniem i szokującą nowością, zaś zdolność aplikacji HMI do działania na różnych systemach operacyjnych i platformach sprzętowych ma swoje zalety.
Aplikacje HMI typu runtime mogą być hostowane w różnych lokalizacjach, a użytkownicy powinni mieć możliwość pobrania każdej z aplikacji w wersjach na różne systemy operacyjne. Popularne systemy operacyjne do hostingu programów typu runtime obejmują Windows w wersjach Desktop, Server i Embedded. Często także są używane takie systemy jak Linux, Wind River, VxWorks i inne. Dopasowanie danej aplikacji do systemu operacyjnego, daje w wyniku najbardziej opłacalne rozwiązanie, ponieważ należy zakupić, skonfigurować i utrzymywać tylko funkcje wymagane dla każdej aplikacji. Dla urządzeń mobilnych wymagana jest zdolność do uruchamiania w systemach Google Android i Apple iOS/OS X, wraz z opartymi o Windows systemami operacyjnymi dla laptopów.
Nowoczesne urządzenia HMI dają tę elastyczność poprzez możliwość opracowywania oprogramowania na komputerach PC z systemami Windows, a następnie pobierania go w wersji runtime lub app na wiele platform i urządzeń, bez potrzeby zmiany grafiki, szablonów, symboli czy trendów. Ta możliwość znacznie upraszcza wdrażanie aplikacji runtime dla mobilnych urządzeń HMI. Urządzenia mobilne wykorzystują standard HTML5 do realizacji tego poprzez automatyczne skalowanie ekranów HMI na podstawie platform docelowych. Teraz więc można uzyskać na urządzeniu mobilnym szybki dostęp do tego, co jest wdrożone w interfejsie HMI opartym o Windows, ale najpierw potrzebujemy właściwych danych.
Wdrażanie IIoT rozpoczyna się od danych
W wielu aplikacjach wszystkie dane potrzebne do wdrożenia kompletnego rozwiązania Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) nie zostały jeszcze przekazane osobom podejmującym decyzje. Pierwszym krokiem jest zebranie danych z urządzeń obiektowych, zaś następnym przekazanie ich osobom, które ich potrzebują.
Na przykład jedną z aplikacji IoT, związaną z branżą przemysłową i handlową, jest domowy, internetowy moduł komfortu systemu sterującego EcoNet amerykańskiej firmy Rheem, służący do sterowania grzejnikami wody poprzez sieć (EcoNet Home Comfort WiFi module). Aplikacja obsługująca ten moduł łączy się za pomocą domowej sieci WiFi z Internetem i może przekazywać alarmy i powiadomienia o zdarzeniach, takich jak np. wykrycie nieszczelności, bezpośrednio do urządzenia mobilnego. Ponadto posiada ona funkcje służące redukcji kosztów użytkowania, takie jak tryb wakacyjny i ustawianie temperatur regulowanych. Połączenie z portalem internetowym, umożliwia także długotrwałe zbieranie danych dotyczących zużycia energii.
Obecnie aplikacje IIoT są w wielu przypadkach wdrażane wolniej niż ich odpowiedniki handlowe, z powodu wymagań działania całodobowego, obaw o cyberbezpieczeństwo i inne czynniki. Jednak część firm oferuje zbieranie i przechowywanie danych jako usługę.
Na przykład usługa Inteligentnej Sieci Energetycznej firmy General Electric (GE’s Smart Grid), integruje zebrane dane z infrastrukturą systemu wytwarzania i rozdziału energii elektrycznej. Teoretycznie zebrane dane mogą być wykorzystane do zwiększenia wydajności, promocji odnawialnych źródeł energii, wzmocnienia pozycji konsumentów, redukcji emisji CO2 oraz zapobiegania przeciążeniom i spadkom napięcia w sieciach. Oczekiwany sukces takich jak ta aplikacji inteligentnych sieci, pomoże podkreślić znaczenie danych zebranych w czasie rzeczywistym i historycznych, dla poprawy niezawodności i optymalizacji maszyn, systemów i przedsiębiorstw.
W innych aplikacjach produkcyjnych dane pochodzą zwykle z urządzeń obiektowych, podłączonych do sterowników przemysłowych. Z kolei sterowniki te są połączone z urządzeniami HMI, co pozwala na rozprowadzenie danych do urządzeń mobilnych.
Uzyskiwanie dostępu do danych za pomocą urządzeń mobilnych
Poprawne dane dotyczące procesu technologicznego i maszyny, powinny być przesłane doosób decyzyjnych, gdy jest to im potrzebne. W tym aspekcie ważnym elementem dla wielu użytkowników urządzeń mobilnych są dane pomiarowe lub statystyczne danej maszyny czy procesu. Bezpośrednie sterowanie maszyną za pomocą urządzenia mobilnego jest także opcją, ale jest ono zwykle ograniczone do użytkowników lokalnych, takich jak operatorzy czy technicy w fabryce.
Poszczególne platformy programowe i inne oprogramowanie dla interfejsów HMI, posiadają kilka opcji dostępu do danych i graficznej ich prezentacji na urządzeniach HMI na hali fabrycznej, czy w sterowni. Aplikacja HMI typu runtime może być zainstalowana na biurowym komputerze PC, aby dać użytkownikowi identyczne możliwości, ale zwykle jest to już przesadą.
Lepszym wyborem dla aplikacji na zdalne urządzenia HMI jest lokalny klient runtime (runtime client) albo tzw. cienki klient (thin client), gdy oprogramowanie użytkowe, takie jak np. Secure Viewer, jest zainstalowane na komputerze PC czy innej platformie, połączonej z lokalną siecią fabryczną i obsługującej przeglądarkę typu Internet Explorer. To rozwiązanie jest bardzo opłacalne, ponieważ lokalne sieci fabryczne zwykle już istnieją i są dobrze zabezpieczone.
Jeśli urządzenie HMI jest obsługiwane zdalnie i znajduje się poza zakładem, to można wykorzystać bezpieczne tzw. cienkie klienty, działające w oparciu o sieć Internet. Chociaż są one podobne do cienkich klientów z Secure Viewer, to wykorzystują przeglądarkę internetową do uzyskania dostępu do interfejsów HMI poprzez protokół SSL (secure sockets layer) i inne metodologie zabezpieczeń, takie jak szyfrowanie danych. W tych aplikacjach funkcje sterowania powinny być zminimalizowane z oczywistych względów, ale zwykle użytkownicy mają pełne prawa do przeglądania danych.
Aby rozszerzyć zdalny dostęp do informacji można wykorzystać mobilnego cienkiego klienta. Wykorzystanie przeglądarki obsługującej HTML5 na urządzeniu mobilnym jest mądrym i opłacalnym sposobem dostarczania osobom decyzyjnym wymaganych przez nich informacji.
Przykłady wykorzystania danych HMI
Dane HMI, przechowywane w wielu różnych lokalizacjach, są dostępne zdalnie za pomocą urządzeń mobilnych. Urządzenia HMI mogą przechowywać dane lokalnie, jako pliki tekstowe, pliki arkuszy kalkulacyjnych, baz danych i danych historycznych. Urządzenie HMI może być połączone z bazą danych korporacji, lokalną bazą danych historycznych lub nawet usługą danych historycznych w chmurze, w celu zapisu danych i uzyskiwania dostępu do nich. A zatem urządzenia mobilne też mogą być połączone z tymi lokalizacjami przechowywania danych. 
Dane mogą być oglądane i wykorzystywane przez inżynierów, pracowników operacyjnych, działów personalnych do planowania kadr oraz przez kierownictwo (patrz fot. 2). Dodatkowe połączenia pozwalają inżynierom i innym osobom pracującym na halach fabrycznych czy w terenie na uzyskanie dostępu do danych za pomocą urządzeń mobilnych, cienkich klientów czy komputerów PC.
Dane zebrane z urządzeń obiektowych i oglądane na urządzeniach mobilnych mają wiele różnych zastosowań, jak podano w tabeli. Niektóre z tych zastosowań mogą być wdrożone poprzez zwykłe przeglądanie danych z urządzeń obiektowych, takich jak dotyczących konserwacji i rozwiązywania problemów. Inne zastosowania wymagają pośredniej analizy i/lub połączenia z innymi danymi, za pomocą wyspecjalizowanych aplikacji, w celu opracowania pełnego wyniku, jak pokazano w tabeli:

Tabela: wykorzystanie mobilnych interfejsów HMI
Utrzymanie ruchu (konserwacja)
Rozwiązywanie problemów
Przeglądanie danych i podejmowanie działań dotyczących danych statystycznej kontroli procesu (SPC)
Prezentacje i prognozowanie
Zamawianie materiałów
Sprawdzenie statusu zamówienia klienta 
Obliczanie kosztów produkcji w czasie rzeczywistym

Na przykład oprogramowanie do statystycznej kontroli procesu (statistical process control, SPC) może być zainstalowane na tym samym komputerze PC, co oprogramowanie HMI i może być wykorzystywane do interpretacji danych z urządzeń obiektowych oraz do przesyłania wynikających z nich informacji, dotyczących realizacji procesu i zapewnienia jakości (quality assurance, QA), na urządzenia mobilne. Specyficznie algorytmy SPC mogą być wykorzystane, jako pomoc przy dostrajaniu parametrów sterowania w czasie rzeczywistym lub zwracania uwagi na problemy zanim maszyna czy proces technologiczny zacznie wytwarzać wadliwe produkty.
Za pomocą oprogramowania do analizy i agregacji danych mogą być także realizowane projekcje i prognozowania. Te informacje mogą być dostarczane użytkownikom mobilnym, aby pomóc im w zażegnaniu problemów zanim one wystąpią. Inne przypadki wykorzystania danych obejmują konserwację prognozowaną i lokalizowanie wąskich gardeł w procesach.
Dane produkcyjne zapisane w HMI mogą być łączone z informacjami dotyczącymi inwentarza, pochodzącymi z systemu planowania zasobów przedsiębiorstwa (enterprise resource planning, ERP) lub systemu realizacji produkcji (manufacturing execution system, MES), do alarmowania użytkowników urządzeń mobilnych o zużyciu materiałów i wymaganiach dotyczących ich zamawiania, statusie zamówień klientów i kosztach produkcji w czasie rzeczywistym.
Mobilne urządzenia HMI pomagają w podejmowaniu lepszych decyzji
Każde mobilne urządzenie HMI może być skonfigurowane tak, aby wyświetlać tylko dane potrzebne jego użytkownikowi. To upraszcza i przyśpiesza reakcję na otrzymane informacje, ponieważ są przesyłane i wyświetlane tylko wymagane dane. Ponadto daje to pewien poziom zabezpieczenia danych i poprawia bezpieczeństwo pracy. Na przykład lokalny operator może posiadać pełny dostęp do oglądania i wprowadzania danych dotyczących sterowania tylko swoją maszyną, natomiast pracownik działu sprzedaży może mieć dostęp tylko do danych dotyczących statusu zamówień klientów.
Mobilne urządzenia HMI pozwalają użytkownikom na obserwowanie pracy maszyny czy realizacji procesu technologicznego i są skoncentrowane na specyficznym obszarze zainteresowań. Na przykład widok graficznego trendu danych czy procesu, pokazuje ogólny, uproszczony status urządzeń, a jednocześnie pozwala zaawansowanym użytkownikom na oglądanie bardziej szczegółowych informacji w przypadku wykrycia anomalii.
W celu skutecznego wdrożenia IIoT w zakładzie produkcyjnym muszą być zbierane prawidłowe dane, a następnie prezentowane osobom decyzyjnym w taki sposób, który pozwoli im na poprawienie pracy fabryki. Ponieważ dostępnych jest coraz więcej danych, mobilne urządzenia HMI mogą dać użytkownikom bardziej wyraźny obraz stanu i parametrów pracy sprzętu i procesów technologicznych oraz pomóc im w podejmowaniu lepszych decyzji dotyczących organizacji produkcji i biznesu.
Autor: Richard Clark, deweloper aplikacji InduSoft Web Studio w firmie informatycznej Wonderware. Redakcja i tłumaczenie Control Engineering Polska.