HMI ȘI SCADA: Ce sunt și cum interacționează

Tarta Daniel
Autonomous Robotic Senior Analyst @ Accenture

PROGRAMARE

În acest articol, vom descrie sistemele SCADA și HMI, implementate în domeniul automatizării industriale. Vom discuta despre diferențele și asemănările dintre cele două concepte.

La ce sunt folosite HMI-urile?

Interfața om-mașină fiind cunoscută cu termenul de HMI (abrevierea din limba engleză de la Human-Machine Interface) este o structură hardware și software utilizată în automatizarea proceselor industriale moderne pentru controlul și monitorizarea echipamentelor, a celulelor de producție robotizate etc. Aceste interfețe sunt folosite pentru a comunica cu automatul programabil (în limba engleză, Programmable Logic Controller, PLC), dispozitiv electronic robust, bazat pe microprocesoare care este utilizat pentru controlul echipamentelor dintr-o aplicație.

Care sunt criteriile pentru dezvoltarea unei aplicații HMI?

Din punct de vedere arhitectural, HMI-urile există în mai multe variante, fiind selectate în funcție de complexitatea aplicației industriale. Pentru aplicațiile simple se poate realiza un panou de comandă care să conțină doar selectoare, butoane şi lămpi. Prin intermediul acestora se poate realiza controlul elementelor dintr-un echipament şi se pot monitoriza starea senzorilor sau a comenzilor electrice.

Pentru o colaborare și interacționare mult mai eficientă s-au dezvoltat structuri hardware speciale numite panouri operator, având ecran integrat, procesor, memorie RAM și capacitate de stocare date pe card SD sau USB. Unele panouri operator sunt dotate cu sisteme de operare precum Windows CE, Windows Embedded sau Linux. Panourile comunică cu automatul programabil printr-un protocol, care poate fi de tip serial (Profibus, RS-232, CAN etc.), Industrial Ethernet (Profinet, EtherNet/IP, Modbus TCP/IP ) etc. Modelele noi sunt prevăzute cu un switch Ethernet integrat compatibil cu tehnologia multiprotocol Ethernet şi IIoT, cu comunicaţie OPC-UA şi MQTT oferind flexibilitate maximă.

Gama de dimensiuni ale ecranului, tipul ecranului (tactil sau nu) și culorile sunt diferite, fiind adaptabile la diferitele aplicații. Când vine vorba de selectarea unui panou operator, proprietățile fizice sunt extrem de importante, deoarece trebuie să se ia în considerare mediul de operare și ce măsuri de siguranță trebuie luate pentru a proteja ecranul. De pildă, în industria alimentară și farmaceutică, ecranele sunt prevăzute cu carcasă realizată din inox având protecție înaltă IP67 şi partea frontală de sticlă cu membrană capacitivă. Există panouri care sunt folosite în industria constructoare de mașini sau turnătorii, rezistente la temperaturi înalte, șocuri, vibrații având protecție împotriva prafului, uleiului etc.

De asemenea, poate fi necesară o anumită dimensiune din cauza limitărilor de spațiu, există echipamente care pot fi controlate și monitorizate folosindu-se un ecran tactil alb-negru de dimensiuni reduse.

Ce presupune programarea unui HMI?

Avantajul major al acestor HMI-uri este interfața grafică care se poate dezvolta pentru a fi intuitivă și ușor de folosit de utilizator. Fiecare producător pune la dispoziție un mediu de dezvoltare, o aplicație, care se folosește la programarea și configurarea interfeței, în cele mai multe cazuri fiind aceeași aplicație utilizată pentru programarea automatului programabil sau a altor echipamente industriale de la același producător.

Programarea HMI-ului este diferită de majoritatea limbajelor de programare deoarece un HMI este o reprezentare vizuală a ceea ce se întâmplă la nivelul producției. Cel mai mare efort este depus pentru dezvoltarea ecranelor parametrizabile folosite la afișarea informațiilor utilizând diferite obiecte și câmpuri, dintre care menționăm: comutatoare şi butoane pentru acţiuni asupra procesului sau cu funcţii de navigare spre alte ecrane, câmpuri numerice, câmpuri simbolice care pot afișa liste de opțiuni, pictograme, variate tipuri de obiecte dinamice pentru afișarea intrărilor/ieșirilor analogice, reprezentări grafice ale istoricului unei variabile de proces și setări de alarme la anumite valori ale variabilelor. Dacă obiectele puse la dispoziție de mediul de dezvoltare nu sunt suficiente pentru îndeplinirea sarcinilor atunci se pot realiza funcții logice folosind limbaje precum: C++, JavaScript, Visual Basic etc.

Fig.1 Interfață grafică HMI

Unele panouri operator oferă posibilitatea de a folosi rețete, care conțin seturi de date specifice produselor şi anumiți parametri pentru configurarea echipamentelor. Aceste date pot fi transferate din memoria panoului operator spre automatul programabil atunci când se dorește schimbarea produsului pe linia de fabricație. Alte facilități oferite de panouri sunt jurnalele (Logs) care sunt utilizate pentru memorarea valorilor unor variabile de proces. În funcție de mediul de configurare sunt oferite diferite modalități pentru crearea, configurarea și ștergerea acestora atunci când sunt pline. Un ecran important pentru orice aplicație este cel pentru vizualizarea evenimentelor și alarmelor, acesta fiind de cele multe ori o fereastră specială, creată conform unui șablon, dând informații precum: textul alarmei, data și ora, starea activă/inactivă etc.

Care sunt tendințele tehnologice în dezvoltarea HMI-urilor?

HMI-urile oferă opțiunea acces la distanță pentru monitorizarea producției sau pentru reducerea cheltuielilor de călătorie spre echipamentele aflate în zone izolate. De asemenea, pot fi activate tehnologii web care permit realizarea unor pagini în format HTML, fiind posibil accesul la HMI de pe tabletă sau calculator. În ultimii ani, s-au dezvoltat aplicații HMI folosindu-se realitatea augmentată (în engleză, Augmented Reality, AR) și inteligență artificială. Astfel, s-a adăugat o dimensiune virtuală elementelor monitorizate, care atrage atenția utilizatorului prin efecte vizuale asupra parametrilor depășind nivelul de tolerană sau ajută la identificarea componentelor defecte.

Ce sunt sistemele SCADA?

Sistemele SCADA sau "Supervisory Control and Data Acquisition" au apărut din necesitatea de a obține informații de la procesele de câmp, având în același timp rolul de a executa operațiuni de control asupra acestora. Sistemele SCADA de astăzi includ, dar nu se limitează la aplicații software la nivel operator pentru supervizarea și depanarea mașinilor și a proceselor din producție. Toate aceste funcționalități au ca scop final atât obținerea de beneficii economice prin reducerea timpilor de staționare a producției, cât și îmbunătățirea eficienței acesteia.

Termenul de "Supervisory Control" este asociat atât cu industria de proces (unde există schimbări de fază în materie precum, tratarea apei, industria chimică, sistemele de combustie), cât și cu industria discretă/digitală de producție, concept aplicat local (single machine) sau la nivel de celulă, încorporând diferite mașini care deservesc diferite procese/funcții.

Fig.2 Poziționarea sistemelor SCADA în ierarhia industrială modernă 4.0

Ce fac practic sistemele SCADA și cine le produce?

Câteva funcționalități ale acestor sisteme sunt:

Se conectează la controllere de tip PLC/DCS care servesc procese industriale în vederea supervizării și a controlului acestor procese.
Monitorizează și achiziționează "real-time" datelor de proces.
Vizualizează contextualizat sub format grafic a diagramelor P&Id - UX/UI.
Gestionarea de Alarme și Evenimente cât și notificarea personalului prin mail/sms/tool-uri IT.
Stochează datele în baze de date pentru afișare și analiză sub formă de grafice de evoluție.
Raportează la cerere sau periodic statisticilor, factorii de performanță și datele din producție.
Gestionează rețelele pentru realizarea unor produse (tipice pentru industria "Batch"/Dozare).
Realizează Audit - prin urmărirea completă a operațiunilor și a impactului acestora asupra producției, în strânsă legătură cu sistemul de management al utilizatorilor.
Creează sisteme de autentificare fie bazate pe tooluri IT (de ex. Active Directory), fie locale.

În câteva cuvinte putem spune că sistemele SCADA stau la baza interacțiunii umane cu procesele din producție. Pentru a înțelege mai bine "unde" se situează aceste sisteme în ierarhia industrială putem observa figura de mai jos:

Cele două exemple evidențiază atât o abordare pe nivele conform piramidei ISA 95, cât și un concept modern RAMI 4.0 în care sistemele sunt interconectate complet între ele.

Câteva exemple de sisteme des întâlnite în industrie pot fi: Siemens WinCC, Rockwell Factory Talk, Inductive Automation - Ignition, AVEVA - System Platform și altele.

Cum arată o arhitectură modernă SCADA?

Fig. 3 Arhitectura SCADA - Industria 4.0.

În figura de mai sus, este prezentat un sistem SCADA distribuit, unde comunicația se realizează bidirecțional cu diferite procese aflate în locații diferite. Sistemele "Edge" au rolul de a interacționa cu aceste procese și de a realiza o procesare locală, după care datele sunt trimise către sistemele SCADA Backend care au funcția de a asigura funcționalitățile descrise anterior. Interacțiunea utilizatorilor se realizează printr-un sistem SCADA Front-End care poate servi un număr de clienți. De asemenea, sistemul poate comunica prin interfețe OPC UA, MQTT, RestApi cu alte sisteme de "business" cum ar fie ERP, MES, Servicii Cloud. De menționat este că sistemele SCADA pot avea atât o arhitectură Client Server, cât și una de sine stătătoare "stand-alone". Totodată, acestea pot fi redundante sau nu și sunt extrem de scalare și modulare.

Care sunt diferențele și asemănările dintre HMI și SCADA?

Ambele sisteme sunt utilizate pentru controlul și supervizarea echipamentelor sau a proceselor. Programarea și configurarea aplicațiilor se realizează în același mediu pentru dezvoltare. Se pot folosi protocoale identice pentru a comunica cu componentele dintr-un proces.

Principala diferență dintre sistemul HMI și SCADA este domeniul lor de aplicare. HMI-urile sunt folosite local, deoarece sunt componente ale echipamentelor sau ale stațiilor de lucru. De asemenea, fac parte și din sistemul la distanță SCADA, care poate superviza și controla procesele mai multor celule de fabricație, având fiecare câte un HMI.

Sistemele SCADA pot colecta și stoca un volum mai mare de date. Reprezentările grafice ilustrând mai bine relațiile, tendințele, anomaliile ce se stabilesc între date sunt mai ușor de vizualizat și de interpretat decât la un HMI local.

Sisteme SCADA oferă mai multă flexibilitate și extensibilitate.

Concluzii

HMI-urile oferă o modalitate eficientă de monitorizare și de control a aplicațiilor industriale. Alegerea soluției corespunzătoare va îmbunătăți performanțele echipamentelor, oferind o vizibilitate sporită asupra proceselor la nivel local.

Sistemele SCADA sunt nelipsite în domeniul automatizărilor industriale, datorită fiabilității, beneficiilor economice și informațiilor centralizate și contextualizate care stau la baza planificării producției și a detectării și prevenției erorilor.

Mai jos este un exemplu de vizualizare ale unui proces industrial dintr-un sistem SCADA.