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人機界面變更管理和安全性能受關(guān)注

中國視聽網(wǎng)資訊 更新時間:2011-5-6 9:28:38  編輯:雁楓  [ ]     手機訪問

 

  隨著人機界面(HMI)之類的工業(yè)可視化工具正變得越來越開放化,變更管理和安全性能正越發(fā)受到人們的關(guān)注。HMI 能夠顯示過程數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù),因此正確的安全預防措施需要根據(jù)不同的控制功能提供多種選擇。諸如OPC UA之類的標準以及其他一些更新穎的技術(shù)能夠讓過時的產(chǎn)品變得更靈活、更具有重用性,從而滿足最嚴苛的要求。

  

  圖形化用戶界面的價值在現(xiàn)代控制系統(tǒng)中得到了充分的體現(xiàn)。HMI在自動化系統(tǒng)中的作用遠遠超出了那句格言:一圖勝千言。

  

  HMI 往往被定義為一部機器中用于就地顯示的小型用戶界面;它可以被看成是機器中的一個嵌入式部件。相對而言,數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)則是一種多合一軟件包,他包含了多個組件,能夠從整體上對系統(tǒng)進行操作?紤]到設(shè)計SCADA 軟件的復雜性,當它們朝著功能多樣化的方向發(fā)展時,軟件開發(fā)和管理的難度也迅速增加。目前,SCADA系統(tǒng)呈現(xiàn)出層次化的發(fā)展趨勢,而且能夠以相對獨立的專業(yè)化模塊的方式向用戶提供,例如歷史記錄模塊、通信服務器、用戶界面以及其他功能模塊。

  

  用戶界面的作用是在方案策劃者和方案執(zhí)行者之間建立一座聯(lián)系的橋梁。

  

  如今的軟件允許用戶在同一個界面上啟動不同的操作。例如,你可以讓一臺數(shù)控機床開始鉆孔,也可以將200MW 的電能從一家工廠遠程傳輸?shù)搅硪患夜S。這兩種情況下,操作員都只需要按下觸摸屏上的“確定”按鈕就能夠啟動操作。而且,這種HMI 界面能夠縮減開發(fā)和配置成本。

  

  人機界面交互性

  

  一個高效的人機互動界面需要提供以下功能:

  

  • 能夠反映過程表現(xiàn)和當前狀態(tài)——輸出界面

  • 能夠接收操作員決策的傳感器——輸入界面

  

  HMI 廠商可以運用3D 圖像、觸摸屏、語音識別、運動追蹤和其他許多技術(shù)。但有效的通信所包含的內(nèi)容遠遠不止界面那么簡單。

  

  自動化過程是動態(tài)的、由當前狀態(tài)決定的,因此界面必須提供充分的信息幫助相關(guān)人員作決策。為了實現(xiàn)這一目標,過程表現(xiàn)必須由過程變量及時反映,以使屏幕內(nèi)容得到最佳調(diào)整,并將最重要的及時顯示出來。由于自動化系統(tǒng)添加了過程變量,相關(guān)人員必須慎重選擇控制系統(tǒng)的架構(gòu),使之更加可視化。

  

  每個變量都具有一系列屬性:變量值、質(zhì)量、時間戳和含義。前三項屬性的表示方法可以簡單也可以復雜,還可以通過數(shù)值與圖形結(jié)合的方式顯示在屏幕上。含義這一屬性往往不隨時間變化,因此這部分會在設(shè)計時被做死。舉例而言,一位操作人員可以通過屏幕上的一個特定部分與自動化制藥生產(chǎn)線上的一臺色譜分析儀進行通信。

  

  不幸的是,這樣的安排太過局限以至于當我們更換HMI 設(shè)備時,無法對系統(tǒng)實施無縫改進和升級。尤其是當我們換用其他廠商的產(chǎn)品時,情況更是如此。而且,當我們遇到一臺可添加組件和多種附件的多功能設(shè)備時,這種不可更改的顯示方式就無從應對了。為了避免增加不必要的設(shè)計成本以及專用解決方案,下一代界面需要采用“語義HMI” 方式。一臺語義HMI 根據(jù)工廠中的測量和控制設(shè)備,諸如分析儀、PLC、DCS 等等,提供的元數(shù)據(jù)判斷過程變量的含義。元數(shù)據(jù)在包含實時過程數(shù)據(jù)的同時,還必須經(jīng)過高智能語義HMI 處理。

  

  過程界面互動性

  

  如果兩臺設(shè)備需要協(xié)同工作,那么它們必須采用相同(廠家自己定義的或符合標準)的協(xié)議,并且通過通信基礎(chǔ)設(shè)施互相連接。由于各廠家定義的非公開解決方案會限制系統(tǒng)今后的擴展性,因此我們不推薦采用這類方案。雖然各家廠商都能夠為工廠級設(shè)備提供標準的協(xié)議,但不幸的是,在自動化領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)了上百個“開放協(xié)議”。

  

  為了克服這一缺點,OPC 基金會制定了OPC 規(guī)范,希望在通用操作系統(tǒng)、過程控制硬件及軟件之間建立起連接的橋梁。OPC 以間接通信的方式取代了工廠底層設(shè)備(過程)與過程數(shù)據(jù)用戶(HMI)間的直接通信。在流程控制行業(yè),常用的通信協(xié)議數(shù)以百計。OPC規(guī)范以其顯著的特點為我們詮釋了“過程觀察者”這一概念。

  

  OPC 規(guī)范并不是一套全新的、試圖在競爭中脫穎而出的協(xié)議。它是一種數(shù)據(jù)采集技術(shù):一套精確包含了特定服務的接口,專門用來管理過程數(shù)據(jù)。它采用了Microsoft DCOM技術(shù)作為系統(tǒng)平臺實現(xiàn)這些服務。由于采用了DCOM 技術(shù)并且被整合到Microsoft Windows 操作系統(tǒng)家族中,OPC 成為了一個強大的、可重復使用的平臺,能夠支持通信并很好地應對安全問題。這一標準的主要缺點是無法獲得充足的過程元數(shù)據(jù)。

  

  為了克服這一缺點并且從目前普遍被接受的DCOM標準遷移到一些新出現(xiàn)的技術(shù)上,OPC基金會開發(fā)了一套OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)規(guī)范。這套面向服務的架構(gòu)(SOA)采用了萬維網(wǎng)聯(lián)盟(W3C)定義的網(wǎng)絡服務。

  

  OPC UA 能夠滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求,因為它是:

  

  • 基于Internet 的技術(shù);

  • 一個與平臺無關(guān)的標準,可以在任何系統(tǒng)(包括嵌入式系統(tǒng))上使用;

  • 支持多種獲取過程變量的形式以及獲取元數(shù)據(jù)的對象模型;

  • 采用高效率的協(xié)議實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸;

  • 適用范圍涵蓋了嵌入式應用到企業(yè)級的過程自動化;

  • 支持的工業(yè)應用很廣泛,并且正用于其他一些工業(yè)標準,例如PAT、OpenPLC、ISA95、ISA88、EDDL、MIMOSA、OAGiS 等等。

  

  安全課題

  

  HM(I 決策制定設(shè)備)和過程控制設(shè)備(決策執(zhí)行設(shè)備)在連接方面會牽扯到很多技術(shù)控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,例如RS-232 總線(位于包含Internet 的接線盒中)、無線連接等等。連接方式的多樣性只是對安全性能的一個考驗。安全性能強大與否還取決于被傳輸數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)源和用戶數(shù)據(jù)的正確性。

  

  即使是在核電站這樣完全封閉的控制室內(nèi),我們在結(jié)束一天的工作之前都必須明確,如果出現(xiàn)任何問題,是誰來負責按下“確認”按鈕。另一方面,我們也不希望在緊要關(guān)頭看到屏幕上顯示這樣一條信息“你必須登陸 后才能繼續(xù)”。

  

  安全HMI 在設(shè)計過程中需要添加一個合適的通信層。幸運的是,新的OPC UA 標準提供了現(xiàn)成的強大而有效的網(wǎng)絡安全技術(shù)。

  

  CAS公司(OPC 基金會成員之一)的軟件架構(gòu)師Maciej Zbrzezny 表示,OPC UA 對未來的開放式過程控制系統(tǒng)發(fā)展具有重要意義。CAS 提供的軟件通過三個簡單的步驟就能配置OPC UA :設(shè)計信息模型(設(shè)計階段)、不通過編程將模型與過程變量綁定(配置階段)、獲得數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)(運行階段),從而構(gòu)筑起一套現(xiàn)成的方案。

  

  擁有8000 個節(jié)點的過程控制系統(tǒng)

  

  大多數(shù)現(xiàn)代HMI 都具備了先進的圖形界面、較高的分辨率、觸摸屏、高防護等級面板、更快速的處理器、整合現(xiàn)代操作系統(tǒng)等特點。然而作為一種決策設(shè)備,它們需要做的遠遠不止這些。

  

  在波蘭Lodz(一個人口為750,000 的城市),全市的供熱網(wǎng)絡受控于一套過程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)所管轄的三家工廠總發(fā)熱量達到2,560MW,用于傳送熱水的管網(wǎng)總長大約為800 公里,交叉連接了8控制工程網(wǎng)版權(quán)所有,000 個左右的節(jié)點。這套控制系統(tǒng)最大的特點是開放、支持互操作性、能夠通過過程元數(shù)據(jù)靈活地獲取過程數(shù)據(jù)、有合適的安全防范措施可供 選擇。

  

  OPC UA 之類的新標準與可反復使用的早期產(chǎn)品相結(jié)合,能夠滿足那些最高要求的應用。

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