Zaopatrz się w HMI i wędruj spokojnie

Wzrastająca moc, lepsza jakość grafiki i wyższa niezawodność przenośnych urządzeń realizujących funkcje interfejsu HMI… Urządzenia PDA umożliwiają zdalny nadzór nad systemem sterowania.

 Urządzenia PDA (Personal Digital Assistants) są dziś obecne niemal wszędzie. Nie dziwi zatem coraz częstsze stosowanie ich w środowisku automatyki i sterowania. Użycie urządzeń PDA jako interfejsów człowiek-maszyna (HMI – Human-Machine Interface) szybko się rozpowszechnia. W najbliższych latach przewidywany jest gwałtowny rozwój w tej dziedzinie.

Obecnie PDA to bardzo funkcjonalne, uniwersalne urządzenia. Nie mogą one oczywiście zastąpić koputerów stacjonarnych, ale można je skonfigurować do niemal wszystkich zadań. Wyposażone są w bogatą grafikę i imponującą liczbę funkcji. Oprogramowanie sterowania i automatyki obejmuje niemal wszystkie zastosowania i umożliwia personelowi dozoru technicznego błyskawiczną ingerencję w procesy produkcji z dowolnego miejsca. Oprogramowanie HMI nie stanowi wyjątku. Niemal każdy system HMI umożliwia przyłączenie rosnącej liczby PDA. Dostępność urządzeń przenośnych jest coraz bardziej ceniona w nadzorowaniu procesów i automatyzacji, a urządzenia PDA umożliwiają zdalny nadzór nad systemem sterowania.

 

Ruszamy w trasę

Aby w pełni wykorzystać zalety PDA w funkcji interfejsów HMI, należy rozważyć możliwości tego rozwiązania w trzech podstawowych obszarach: sprzętu, oprogramowania i obsługi (wsparcia).

Sprzęt, możliwości łączenia. W automatyce przemysłowej i systemach sterowania używa się jako HMI dwóch podstawowych typów urządzeń przenośnych: korzystających z Microsoft Windows jako systemu operacyjnego (np. PocketPC) i urządzeń typu Palm, z odrębnym, zastrzeżonym systemem operacyjnym. Urządzenia obu typów mają podobne możliwości graficzne, zasoby pamięciowe, szybkość działania i funkcjonalność. Dla każdego dostępne są liczne aplikacje. Oczywiście, nie działają one na urządzeniach obu typów. Wprawdzie niektórzy z producentów oprogramowania oferują pakiety dla obu systemów, jednak większość skupia się na jednym typie urządzeń.

– Dawniej urządzenia PDA typu Palm wykorzystywane były na co dzień jako np. kalendarze i notesy adresowe, natomiast w urządzeniach PDA typu PocketPC instalowano oprogramowanie oparte na Microsoft Windows: Word, Excel, Outlook i Internet Explorer, ponieważ miały szybsze procesory – mówi Eric Reffett, menedżer produktu LabView w National Instruments. – Obecnie jednak dostępny jest zarówno szeroki asortyment urządzeń Palm i PocketPC, w tym proste i niedrogie PDA z małą pamięcią i wolniejszymi procesorami, jak i wydajne, kosztowne urządzenia PDA z szybszymi procesorami, większą pamięcią i wbudowanymi funkcjami, np. możliwością
przyłączenia WiFi i Bluetooth.

Narzędzia LabView z NI pozwalają użytkownikom także opracowywać i zestawiać własne aplikacje HMI dla urządzeń przenośnych. Czego użytkownik może oczekiwać od urządzenia PDA skonfigurowanego jako HMI?

– Oczywiście, nie mają one wszystkich funkcji komputera stacjonarnego – zauważa Russ Agrusa, prezes Iconics. – Trudno wiele zmieścić na ekranie o rozdzielczości 240×340 pikseli – przyznaje. Mimo to sukces urządzeń PDA jest niewątpliwy. – Obecnie oferuje je ponad 30 producentów – dodaje.

Iconics Pocket Genesis jest wersją systemu Genesis32 przeznaczoną dla urządzeń przenośnych. Jego użytkownicy mają dostęp do aktualnych wskazań HMI, alarmów i informacji o trendach. Technologia BizViz Suite umożliwia dostęp do danych przez sieć telefonii komórkowej za pośrednictwem Pocket Genesis.

Użytkownicy muszą jednak pamiętać, że wydajny sprzęt przenośny traci funkcjonalność, jeżeli nie ma osprzętu pozwalającego na przyłączenie go do innych urządzeń i systemów. Dostęp do informacji to przecież nie jest magiczna sztuczka. Wybór sposobu przesyłu danych zależy od różnych czynników. – Wielu użytkowników ma mylne wyobrażenie o łączności bezprzewodowej – ostrzega prezes Agrusa. – Korzystanie z infrastruktury sieci telefonii komórkowej to co innego niż bezprzewodowe aplikacje zakładowe oparte na IEEE 802.11 (patrz ramka „Możliwości łączenia”).

Oprogramowanie. Wyróżniamy dwa rodzaje aplikacji umożliwiających stosowanie urządzeń PDA jako interfejsów HMI:

1) oprogramowanie, które pracuje na urządzeniach PDA,

2) funkcje, które w zasadzie ładują zawartość terminalu-klienta na PDA i korzystają z tego urządzenia jako zdalnej przeglądarki-terminala.

 

Konfiguracja terminalu pozwala użytkownikowi obserwować na PDA to, co dzieje się na serwerze. Aplikacja jest sterowana zdalnie, w odróżnieniu od zainstalowanej bezprzewodowej aplikacji, działającej jako samodzielny, lokalny system na urządzeniu PDA. Oba rozwiązania są godne uwagi i oferują wiele funkcji, choć mają różne możliwości.

Na wybór oprogramowania HMI ma wpływ wiele czynników. – Zadaniem efektywnych aplikacji w urządzeniach PDA jest rozszerzenie systemu sterowania i udostępnianie go z dowolnego miejsca – zauważa Scott Hillman, menedżer ds. zaawansowanych aplikacji czasu rzeczywistego w Honeywell Process Solutions. – Zaczynamy właśnie badać, w jaki sposób urządzenia te stosowane są w aplikacjach nadzoru nad procesem – dodaje.

Przenośne rozwiązania dla PDA firmy Honeywell wchodzą w skład zestawu Mobile PKS, a obejmują IntelaTrac PKS i Mobile Station PKS. Oba rozwiązania, korzystające z firmowego systemu sterowania Experion, przekazują najważniejsze informacje, graficzną reprezentację procesu, cyfrowy obraz oraz udostępniają inne kluczowe funkcje na przenośnych urządzeniach korzystających z łączności bezprzewodowej.

Roy Kok, dyrektor ds. marketingu HMI/SCADA w GE Fanuc, zgadza się ze Scottem Hillmanem: – Popularność urządzeń PDA znacznie wzrosła w okresie ostatnich czterech lat. Jedna z istotnych funkcji tych urządzeń to ułatwienie dostępu do danych. Interfejs HMI pozwala obserwować przebieg zdarzeń. Nie byłbym skłonny nadzorować całego zakładu za pomocą urządzenia PDA, ale polecam wykorzystanie go do analizowania stanów i sprawnego reagowania na nie – mówi R. Kok. Urządzenia przenośne typu PDA firmy GE Fanuc – PalmView, Tablet-View i LogicDeveloper – współpracują z oprogramowaniem automatyki przemysłowej tej firmy i udostępniają dane z systemów sterowania zakładu w czasie rzeczywistym.

   Możliwości połączeń

 

   Możliwości połączeń zależą w głównej mierze od specyfiki określonego zastosowania. Choć opisane tu możliwości są prawdopodobnie najbardziej powszechnie stosowane, nie należy odrzucać innych możliwości, ani metod transmisji. Inne pojawiające się standardy (np. Zigbee, patrz: www.zigbee.org), choć nadal dość szczególne, nie powinny być lekceważone.

  • Do najpopularniejszych należy łączność w podczerwieni (IR). To stosunkowo tani sposób komunikacji, ma jednakże pewne poważne ograniczenia. Skoro jasność otoczenia i zapylenie mogą mieć wpływ na promieniowanie podczerwone – taka komunikacja okazuje się bardziej zawodna. Z powodzeniem znajduje np. zastosowanie w czystych pomieszczeniach, gdzie prawdopodobna jest niewielka interferencja. Współczesne systemy operacyjne Microsoft Windows automatycznie wykrywają porty na podczerwień (IR ports), które łatwo dodać do urządzeń, by utworzyć zdolne do działania, choć może nie zawsze stabilne środowisko komunikacyjne. Łączność na podczerwień pozwala na komunikowanie się urządzeń w zakresie ok. 1–3 m.
  • Choć IEEE 802.11 i Bluetoot (patrz: www.ieee.org, www.bluetooth.org) to standardy ewidentnie konkurencyjne, wybór jednego z nich często zależy od specyfiki zastosowania lub istniejącego już systemu łączności. Obecnie zakres stosowania Bluetooth jest węższy, choć stale czynione są wysiłki zmierzające do jego rozszerzenia. Definicja normy 802.11 została rozszerzona przez standardy 802.11g i 802.11i o wyższym poziomie zabezpieczeń i szerszym zakresie, uzupełniającym 802.11b.

     Eric Reffet, menedżer produktu LabView w National Instruments stwierdził, że: „IEEE 802.11 ma szerokie zastosowanie i komponenty do jego realizacji są szeroko dostępne. Chodzi tu o Ethernet. Stąd zrozumienie, uruchomienie i adaptacja – są stosunkowo proste. Standard 802.11 jest wbudowany w wielu urządzeniach PDA. Bluetooth również ma specyficzne zalety, ale do opanowania wymaga dłuższego cyklu nauki. Zawiera system rozpoznawania wbudowany do samego protokołu. Jeśli dwa urządzenia stosujące Bluetooth są blisko siebie, to komunikacja pomiędzy nimi zostaje nawiązana automatycznie i same stwierdzają, czy mogą pomiędzy sobą wymieniać dane. Takie działanie nie występuje w przypadku urządzeń stosujących 802.11. W każdym z tych urządzeń połączenie musi zostać zainicjowane ręcznie. W wielu gałęziach przemysłu, np. w przemyśle samochodowym, już zaczyna się odkrywać te zalety. “ Gdy występuje potrzeba globalnej, długodystansowej komunikacji, zastosowanie łączności poprzez sieć komórkową zapewnia połączenia niezawodne w niemal nieograniczonym zakresie (przykład praktycznego zastosowania, patrz ramka: Od ręcznego sterowania do precyzyjnej automatyki).

       Eric Reffet, menedżer produktu LabView w National Instruments stwierdził, że: „IEEE 802.11 ma szerokie zastosowanie i komponenty do jego realizacji są szeroko dostępne. Chodzi tu o Ethernet. Stąd zrozumienie, uruchomienie i adaptacja – są stosunkowo proste. Standard 802.11 jest wbudowany w wielu urządzeniach PDA. Bluetooth również ma specyficzne zalety, ale do opanowania wymaga dłuższego cyklu nauki. Zawiera system rozpoznawania wbudowany do samego protokołu. Jeśli dwa urządzenia stosujące Bluetooth są blisko siebie, to komunikacja pomiędzy nimi zostaje nawiązana automatycznie i same stwierdzają, czy mogą pomiędzy sobą wymieniać dane. Takie działanie nie występuje w przypadku urządzeń stosujących 802.11. W każdym z tych urządzeń połączenie musi zostać zainicjowane ręcznie. W wielu gałęziach przemysłu, np. w przemyśle samochodowym, już zaczyna się odkrywać te zalety. “

       Gdy występuje potrzeba globalnej, długodystansowej komunikacji, zastosowanie łączności poprzez sieć komórkową zapewnia połączenia niezawodne w niemal nieograniczonym zakresie (przykład praktycznego zastosowania, patrz ramka: Od ręcznego sterowania do precyzyjnej automatyki).


Obsługa i wsparcie. System to nie tylko sprzęt i oprogramowanie, lecz także inne elementy, takie jak:

  • Bezpieczeństwo i niezawodność. Łączność bezprzewodowa budzi uzasadniony niepokój u wielu użytkowników, jednak obecnie dostępnych jest wiele dobrych sposobów zabezpieczania bezprzewodowej transmisji danych. Ograniczenie pasma przesyłu w sieci bezprzewodowej zwiększa bezpieczeństwo, zmniejszając dostępność danych. Ponadto bezpieczeństwo wielu procesów przemysłowych jest także domeną informatyki.
  • Wydajność. Czy urządzenia PDA są wystarczająco wydajne? Czy są niezawodne? Czy mają wystarczający zakres użytecznych funkcji, by okazały się rzeczywiście przydatne? Na pytania dotyczące ich zastosowania należy odpowiedzieć przed wdrożeniem systemu.
  • Dostępny zakres sygnałów. Czy dostępny zakres sygnałów jest wystarczający? Można zainstalować punkty dostępu w całym zakładzie, ale dostęp do wszystkich sygnałów jest niemożliwy – i zapewne niepotrzebny. Warto też wiedzieć, czy są miejsca, w których sygnały mogą stać się niedostępne i jak sobie z tym radzić.
  • Czynnik ludzki. – Należy także uwzględnić czynnik ludzki jako ograniczenie stosowania urządzeń PDA w funkcji interfejsów HMI. Jest to równie ważne jak ograniczenia techniczne – podkreśla Ramal Murali, prezes Software Horizons Inc. – Nikt nie potrafi jednocześnie obserwować więcej niż pięć do siedmiu zdarzeń. Większa liczba informacji na jednym ekranie przekracza możliwości percepcji. Urządzenie PDA może być niezwykle wydajne, ale nigdy nie zastąpi systemu stacjonarnego – dodaje R. Murali.

InstantHMI firmy Software Horizons zmienia przenośne urządzenie w interfejs HMI działający na platformach opartych na PalmOS i Microsoft Windows. Firma oferuje rozwiązanie pod hasłem „opracuj raz, używaj wszędzie”. Pozwala ono na jednokrotne opracowanie aplikacji i uruchamianie jej na wielu platformach. System jest kompatybilny z układami sterowania największych firm, w tym Rockwell Automation, Watlow i Wago.

 

Technika bez barier

Postęp techniczny usunął większość przeszkód w stosowaniu urządzeń PDA jako interfejsów HMI. Ograniczenia obejmują takie funkcje, jak zdolność przetwarzania danych i rozdzielczość grafiki. Mimo to upowszechnianie takiego systemu sterowania w przemyśle to dziś nie tylko możliwość, lecz wręcz konieczność.

– Wszystko zależy od ustalenia celów – mówi R. Kok z GE Fanuc. – Technologia jest już dostępna, ale należy korzystać tylko z rozwiązań, które powodują dodanie nowej wartości. Co pomoże lepiej kierować zakładem? Można już pobierać dane w czasie rzeczywistym. Należy starannie określić potrzeby, a potem zdecydować, co się najbardziej opłaci – dodaje.

   Od ręcznego sterowania do precyzyjnej automatyki

 

   Woda stanowi dobro niezwykle cenne na zachodzie USA. Jej zużycie jest w wielu wspólnotach dokładnie kontrolowane. Jednym z takich dokładnie chronionych źródeł jest rzeka South Platte River w stanie Colorado. W ramach projektu sponsorowanego przez konsorcjum składające się z administracji hrabstwa i władz municypalnych, zbudowano kanał irygacyjny w celu utrzymania uregulowanego zużycia wody poprzez codzienną, świadomą regulację przepływu wody przez tenże kanał zgodnie z oczekiwaną ilością wody spływającej na Południową Równinę (South Platte).

   Początkowo system, nazywany Fulton Ditch Project, był sterowany ręcznie. Choć wyniki były zadowalające, sam proces ręcznej regulacji nie zadowalał. Często w momencie wezwania do zmiany przepływu operatorzy znajdowali się w odległości 30 do 50 mil. Bez możliwości zdalnej zmiany wartości przepływu taka ręczna regulacja na wezwanie była czasochłonna i mało efektywna.

   W ostatnim roku system został zautomatyzowany, by łatwiej reagował na potrzeby. Teraz operator zabiera ze sobą swój PDA, wciska przycisk „connect” (połacz) funkcji połączenia przez sieć komórkową i w ten sposób łączy się zdalnie z systemem Opto 22 Snap Ultimate I/O sterującym głównym przepustem tamy. Wszystkie połączenia są bezpieczne, dostęp jest chroniony hasłem. Połączenia następują przez sieć Modbus TCP/IP.

   Interakcja operatora z systemem następuje za pośrednictwem aplikacji kategorii HMI control application napisanejprzez firmę Performance Software Associates. Aplikacja działa na przenośnych urządzeniach PocketPC w systemie operacyjnym Microsoft CE.

   Na ekranie sterującym widocznym na PDA operator widzi położenie głównego przepustu tamy i może zmodyfikować lub wybrać zadaną wartość przepływu. W ciągu 15 minut od otrzymania polecenia zmodyfikowania wartości przepływu, sterownik zarządzany przez system, Ultimate I/O, ustawi przepust tamy w taki sposób, by uzyskać zadany przepływ z dokładnością do jednej stopy sześciennej na sekundę

   Za pośrednictwem PDA operator może zrobić wszystko to, co mógłby robić znajdując się fizycznie na tamie. Regulacja jest możliwa z każdego miejsca, które obejmuje zasięgiem sieć komórkowa. System niezawodnie i precyzyjnie zapewnia dopływ wody do użytkowników w ciągu dnia i w nocy. Dane są dostępne w czasie
rzeczywistym. Aktualizacja następuje co sekundę.

   Joe Berger, prezes Performance Software Associates powiedział o tym systemie:

   „Największa korzyść to niezawodność dostarczania wody użytkownikom. Uprzednio przepust wymagał ręcznej regulacji dwa – trzy razy dziennie. Byliśmy pod wrażeniem, widząc, jak w rzeczywistości czuły okazał się i jak poprawnie reaguje system z zastosowaniem HMI. Zrobiliśmy ten system, bo użytkownicy potrzebowali innego sposobu sterowania działaniem tamy. Zaproponowaliśmy go nie bez pewnych emocji, choć z przekonaniem, wraz z narzędziami projektowymi dostępnymi dla środowiska CE i z dostępną symulacją. Skoro mieliśmy już to wszystko razem, umieściliśmy to w maleńkim PDA i system ruszył jak przysłowiowa rakieta”.

   Więcej informacji o Performance Software Associates patrz: www.performancesw.com; więcej informacji o Snap Ultimate I/O – strona Opto 22: www.opto22.com

 

 

Rys. Regulacja zużycia wody z South Platte River w stanie Kolorado z wykorzystaniem systemu Fulton Ditch Project. Operator steruje głównym przepustem tamy przez PDA (zdjęcie pochodzi z Performance Software Associates).

 

– Trzeba zadbać, by urządzenia przenośne były sprawnie włączone w użytkowany system – ostrzega S. Hillman z Honeywell. Celem powinno być udostępnienie systemu automatyki operatorowi w produkcji i służbie utrzymania ruchu w czasie rzeczywistym w takim zakresie, jaki jest im rzeczywiście niezbędny z czysto praktycznego punktu widzenia. – Pragniemy logicznie powiązać i zintegrować działania w sterowni i w produkcji – mówi S. Hillman. – Zdolność obliczeniowa urządzenia przenośnego powinna wnosić nową jakość i nowe możliwości do systemów sterowania – inwestycji w automatykę, której przedsiębiorstwo już dokonało.

Rockwell Automation – www.rockwellautomation.pl
GE Fanuc – www.gefanuc.com.pl
Honeywell – www.honeywell.com.pl
Iconics – www.iconics.com
Microsoft – www.microsoft.com
National Instruments – www.ni.com/poland
Opto 22 – www.opto22.com, www.abmicro.pl
Wago – www.wago.com