Moderní průmyslový aplikační server nejen pro SCADA/HMI

Moderní průmyslový aplikační server nejen pro SCADA/HMI

Úvod

Wonderware Industrial Application Server (IAS) je softwarový aplikační server nové generace pro průmyslovou automatizaci. Uživateli poskytuje významné výhody.

Industrial Application Server je základním prvkem integrované softwarové skupiny Wonderware FactorySuite^® A², která přeměňuje „surová“ výrobní data získávaná z technologických procesů na informace pro podporu rozhodování pracovníků různých kategorií na všech úrovních podniku.

Základní informace o IAS již byly v tomto časopise uveřejněny [1]. Předkládaný příspěvek je věnován zejména přínosu a výhodám pro uživatele, vyplývajícím z novátorské koncepce tohoto produktu.

Základní charakteristika

Industrial Application Server vykonává stejné základní funkce jako běžné „administrativní„ aplikační servery: poskytuje služby a data mnoha klientským aplikacím, ale na rozdíl od nich, díky důslednému využití moderní průmyslové infrastruktury ArchestrA, přidává vrstvu s „průmyslovými„ službami pro použití v reálném čase v průmyslovém prostředí.

Poskytované služby zahrnují funkce nutné pro vyspělé vizualizační aplikace kategorie SCADA/HMI (Supervisory Control and Data Acquisition/Human-Machine Interface), tj. robustní komunikaci v reálném čase v rámci jednotného adresního prostoru celého projektu, vyhodnocování a generování alarmových stavů, deterministické vykonávání skriptů, ale i automatický elektronický záznam procesních dat do historizační databáze, správu zabezpečení, komplexní diagnostiku výkonu aj.

Koncepce IAS a FactorySuite A² koncovým uživatelům, integrátorům systémů (SI, System Integrator) i finálním dodavatelům zařízení (OEM, Original Equipment Manufacturer) navíc umožňuje významně snížit celkové náklady na inženýrskou činnost, vlastnictví a správu automatizačních systémů a aplikací.

Efektivní práce v každé fázi projektu

Přínosem pro uživatele systému Industrial Application Server je otevřenost, rozšiřitelnost a architektonická volnost. Tyto vlastnosti jsou založeny na distribuované a důsledně objektově orientované koncepci aplikace. Další výhodou je infrastruktura pro zjednodušení a zrychlení vývoje, aplikace, údržby a uskutečňování změn při úpravách či rozšiřování distribuovaných řídicích systémů.

Integrované vývojové prostředí

K vývoji aplikací IAS je určen vývojový balík FactorySuite A² Development. Jeho součástí je výkonné a intuitivně ovládané integrované vývojové prostředí (IDE, Integrated Development Environment). Veškeré vývojové práce na projektu IAS, jeho přenesení do cílového „runtime„ počítače, správa a případné změny či rozšiřování jsou vykonávány centrálně z prostředí IDE. Vývojové prostředí IDE umožňuje i spolupráci několika vývojářů, kteří mohou současně konfigurovat, editovat a spravovat všechny komponenty související s projektem.

IDE pracovníkům vývoje dále nabízí různé pohledy na automatizační projekt. To jim usnadňuje správu systému. Vývojář může v průběhu vývoje nahlížet na projekt ze tří připravených pohledů: prvního v podobě hierarchického modelu řízeného technologického procesu, druhého v podobě skutečného fyzického rozmístění částí aplikace do cílových počítačů (servery a klientská pracoviště) a třetího podle vztahů (rodokmenu) mezi objekty (rodič-potomek). Tyto vzájemně se doplňující pohledy jsou přínosné v různých fázích vývoje aplikace a pomáhají vývojáři při realizaci okamžitých změn, aniž by ztratil přehled, jak tyto změny ovlivní celkovou architekturu aplikace a vztahy mezi objekty v systému.

Vývoj a správa projektu

Každý projekt systému Industrial Application Server vychází z hierarchicky strukturovaného objektového modelu řízeného výrobního systému (obr. 1), který z hlediska automatizace řízení procesů komplexně popisuje funkce všech výrobních zařízení.

Struktura modelu umožňuje zohlednit fyzické nebo logické umístění výrobních zařízení na území závodu a tím zásadním způsobem přispívá k celkové přehlednosti i velmi složitých a rozsáhlých projektů. Umístění objektu v modelu navíc jednoznačně určuje jeho nadřazené objekty (zařízení) v hierarchii. To umožňuje zavést relativní odkazování na daný nadřazený objekt, popř. objekty, a tak zobecnit a zpřehlednit stanovování meziobjektových vazeb.

Základním prvkem při sestavování modelu jsou šablony objektů, jež reprezentují obecná zařízení určitého typu (např. motor, ventil apod.) s veškerými jejich vlastnostmi a chováním. Šablona tedy např. zahrnuje parametry pro I/O komunikaci s reálným procesem, logiku chování (skripty), vymezení procesních stavů, podmínky alarmů, volby ukládání výrobních a jiných dat (tzv. historizaci), určení zabezpečení apod. Z takto připravených objektů lze velmi snadno a rychle odvodit další „dceřiné“ objekty. Ty jsou následně přímo umístěny do hierarchického modelu řízeného výrobního systému nebo jsou vnořeny do jiných šablon pro vytvoření komplexních strukturovaných objektů.

Při odvozování objektu nebo objektů ze šablony se dědí vlastnosti, takže odvozený objekt je věrným obrazem své předlohy. Tímto způsobem lze odvodit neomezený počet potomků a přitom neztratit přehled o jejich vlastnostech a nastaveních.

Další významnou výhodou systému Industrial Application Server je možnost definovat vlastní „podnikové“ standardy a jmenné konvence (pojmenovávání objektů a signálů v souladu s jejich fyzickým umístěním nebo vnitropodnikovou směrnicí), tolik žádané v moderních řešeních. Využívání vlastních standardů je přínosné v projektech všech velikostí, ale zejména ve středních a velkých aplikacích usnadňuje orientaci a zjednodušuje realizaci případných úprav nebo rozšiřování.

Zavádění a rozšiřování projektu

Model výrobního systému je zcela nezávislý na konkrétní architektuře cílových počítačů. To vývojářům aplikace umožňuje plně se koncentrovat na funkční stránku výrobních zařízení a oprostit se od úvah typu „kde co poběží“. Až později, kdy má být aplikace „nasazena„ do konkrétní architektury PC, je model systému doplněn infrastrukturou sítě a projekt zaveden do jednotlivých počítačů.

Ani samotné uspořádání cílových počítačů není diktováno, jak se s tím lze setkat u jiných systémů. Projekt může být aplikován v libovolné konfiguraci – od centralizovaného uspořádání klient-server (obr. 2) s vyhrazenými serverovými nódy AOS (Automation Object Server) k distribuované architektuře peer-to-peer (obr. 3), kdy je příslušná část aplikačních objektů vykonávána na stejném uzlu jako klientská aplikace (uživatelské a operátorské rozhraní), nebo kombinací obou přístupů.

Zátěž aplikace navíc může být kdykoliv rozložena na dva nebo více serverových nódů AOS, aniž je třeba zasahovat do konfigurace klientských aplikací. Tato vlastnost je neocenitelná při postupném rozšiřování aplikace, kdy není nutné dopředu složitě odhadovat budoucí zátěž konečného projektu a preventivně předimenzovat hardware serveru, nýbrž lze pružně reagovat na aktuální stav a v případě potřeby přidat standardní PC a pouhým přesunutím (drag-and-drop) části aplikačních objektů na tento další server rozložit zátěž (obr. 2). Jednotný adresový prostor IAS zajistí, že se takové rozšíření nedotkne již existujících klientských aplikací.

Nezávislost modelu na architektuře je rovněž významná výhoda pro OEM nebo integrátory. Ti mohou profitovat z opakovaného nasazování stejného nebo obdobného projektu ve více zakázkách s rozdílnou skladbou cílových počítačů. Tímto způsobem je možné výrazně snížit časové náklady na inženýrskou činnost.

Změny

U málokteré aplikace lze předpokládat, že ve stavu, v jakém byla navržena a poprvé uvedena do provozu, zůstane jednou provždy. Efektivní a přehledné vykonávání změn a úprav je proto stejně důležité jako snadný prvotní vývoj.

Snadné vykonávání změn v systému Industrial Application Server patří mezi nejvýraznější uživatelské výhody. Při odvozování následných objektů (potomků) z výchozí šablony (rodiče) se nejen dědí všechny vlastnosti, ale také se zaznamenává „rodokmen„ odvozovaných objektů. To je klíčový předpoklad pro efektivní provádění změn – propagaci, tj. postupné přenášení změn.

Jakoukoliv změnu v rodičovském objektu umožňuje systém Industrial Application Server automaticky přenést do všech jeho potomků. Například úpravy nebo přidání skriptu, přidání nové vlastnosti (atributu), změny alarmových limitů, nové požadavky na zaznamenání parametru do databáze apod. realizované v jedné rodičovské šabloně lze okamžitě promítnout do stovek odvozených objektů napříč celým, jakkoliv rozsáhlým projektem, bez ztráty přehlednosti a obecnosti.

Industrial Application Server se rovněž bez potíží vyrovná se změnou architektury sítě, ať je způsobena rostoucí zátěží projektu nebo vynucena vnějšími okolnostmi. Nezávislost modelu výrobního systému na architektuře sítě dovoluje strukturu cílových počítačů kdykoliv změnit nebo jen přidat další serverový nód AOS pro rozložení zátěže, bez vlivu na dosavadní klientské aplikace, jak je popsáno v předchozím odstavci.

Otevřený systém

Industrial Application Server je všestranně otevřený systém využívající standardní programové prostředky společnosti Microsoft – operační systémy Windows, relační databázi SQL Server, webové služby, komunikace a další související služby moderní informační platformy .NET.

Rovněž hardwarové nároky nejsou specifické. Serverové stanice systému pracují na počítačích typu PC a pracoviště operátorů mohou být variabilně přizpůsobena potřebám uživatele – od stacionárních PC s jedním nebo několika monitory, přes mobilní stanice na bázi operačních systémů TabletPC nebo PocketPC až po uživatele vybavené telefonem GSM.

Další významnou výhodou pro uživatele je skutečnost, že Industrial Application Server není závislý na řídicím systému od konkrétního dodavatele. IAS může spolupracovat se širokou škálou řídicích systémů (programovatelných automatů – PLC, distribuovaných systémů – DCS apod.), přes více než 800 typů komunikačních rozhraní.

IAS poskytuje uživatelům možnost využívat standardní i nejnovější komunikační protokoly těchto zařízení prostřednictvím Wonderware SuiteLink nebo DA Server, rozhraní OPC nebo protokolů DDE, FastDDE a NetDDE a sjednotit tak popř. i již existující oddělené aplikace (řízení různých technologických celků) jednotným výkonným systémem a společným operátorským rozhraním.

Podpora pro certifikaci podle FDA

Industrial Application Server byl od počátku navržen a vyvíjen i se zřetelem na potřeby průmyslových odvětví podléhajících přísným regulačním požadavkům FDA 21 CFR Part 11 nebo jiným státním a nadnárodním nařízením, vyžadovaným zejména při výrobě potravin a léčiv.

Potřebné vlastnosti jsou implementovány na úrovni systémových služeb s cílem minimalizovat náklady (finanční i časové) na implementaci IAS do výrob podléhajících validaci, maximálně prodloužit životní cyklus již schválených aplikací a minimalizovat náklady na obhájení validace, např. při rozšiřování výrobního systému.

Z hlediska výrob podléhajících validaci jsou nejdůležitějšími vlastnostmi automatický elektronický záznam výrobních dat a všech alarmů a událostí souvisejících s řízeným procesem nebo činností obsluhy a zabezpečení systému, které musí zajistit, aby všechny akce a operace s daty byly vykonávány pouze oprávněnými pracovníky.

Industrial Application Server automaticky zaznamenává všechna výrobní data do otevřené relační databáze IndustrialSQL Server. Sem jsou ukládány hodnoty technologických veličin, stavy výrobních procesů, nastavené hodnoty (setpoint), hlášení (tzv. alarmy), události, akce obsluhy (zejména zápisy) apod.

Pro aplikace vyžadující validaci jsou již přímo v bezpečnostním systému IAS připraveny např. režimy pro zabezpečený zápis, popř. ověřený zápis (DoneBy/CheckBy), kdy se uživatel musí pro provedení zápisu opakovaně přihlásit, popř. se musí přihlásit také druhá osoba, aby bylo možné zápis realizovat. Obě akce, společně s příslušnými identifikačními údaji o operátorech, jsou automaticky elektronicky zaznamenány do systému událostí.

Navíc, vedle dat souvisejících s chodem aplikace (runtime), zajišťuje IAS také automatický záznam průběhu konfigurace (audit trail) automatizačních objektů během vytváření a úprav aplikace (development). U každého objektu v projektu tak lze zjistit, kdo, kdy a jakou operaci s objektem vykonával.

Z hlediska zabezpečení poskytuje IAS robustní bezpečnostní systém s centrální správou a vyhodnocováním v rámci celého jednotného adresního prostoru. Model zabezpečení je propracován až na nejnižší možnou úroveň, tj. úroveň dat. To vyhovuje speciálním průmyslovým požadavkům. V praxi to znamená, že každá vlastnost, alarmový limit, parametry regulátorů apod. automatizačního objektu IAS mohou mít stanoveny vlastní bezpečnostní zásady, např. režimy zápisu. Tato bezpečnostní pravidla rovněž dědí potomci při odvozování nových objektů z rodičovské šablony.

Zabezpečení je, stejně jako skripty, alarmy a události, ukládání dat apod., nedílnou součástí objektu a nezávisí na umístění objektu v modelu výrobního systému ani na tom, zda je objekt vyexportován a opakovaně použit v dalších projektech. Na vlastnosti automatizačního objektu se tak může odkazovat libovolná klientská aplikace, která je členem jednotného adresního prostoru IAS. Bezpečnostní pravidla jsou stále stejná, neboť jsou přehledně přesně určena ve vytvořeném modelu výrobního procesu.

Výrobní inteligence

Industrial Application Server je součástí „balíku„ softwarových produktů Wonderware FactorySuite A², integrované skupiny softwarových produktů pro průmyslovou automatizaci od renomovaného dodavatele. FactorySuite svým uživatelům zajišťuje snadný přístup ke všem důležitým výrobním informacím potřebným k efektivnímu provozování a optimalizaci výrobních procesů.

S pomocí FactorySuite A² lze vybudovat (i postupně) vyspělý výrobní informační systém, který je těsně svázán s vlastní výrobou ve výrobních provozech (obr. 4). FactorySuite A² tak vhodně doplňuje administrativní podnikové informační systémy kategorie ERP (SAP, Baan, LCS Noris aj.) zaměřené především na finance, personalistiku a obchodní logistiku.

Softwarové produkty ze souboru FactorySuite A² lze charakterizovat tak, že umožňují v reálném čase zviditelňovat a ovlivňovat průběh provozovaných technologických procesů a podrobně zaznamenávat skutečnou historii výroby, včetně dokladování její kvality.

Získané informace jsou poskytovány pracovníkům z různých úrovní podnikové hierarchie, a to nejen horizontálně, ale i vertikálně, tj. od výrobních operátorů až po výrobní management. Tím se ve výrobních podnicích přemosťuje obvyklá bariéra mezi světem „modrých a bílých límečků“ a zároveň se pomáhá splnit i požadavky různých certifikačních autorit (ISO, VDA, FDA aj.) a zákaznických auditů.

Hlavním operátorským rozhraním pro všechny aplikace z FactorySuite A², tedy i pro aplikace IAS, je známý grafický vizualizační systém InTouch. Ten je od roku 1994 používán i v ČR a SR.

Firma Wonderware tak nejen rozšiřuje možnosti tohoto oblíbeného systému, ale dokonce umožňuje, věrna své tradiční ochraně dosavadních investic svých zákazníků, případné začlenění již existujících uzlů s aplikacemi InTouch Runtime nebo FactoryFocus do nových projektů s IAS.

Snadnost použití

Při vývoji IAS zůstala firma Wonderware věrna i své další tradici – uživatelské přátelskosti, která je charakteristickým poznávacím znakem veškerého softwaru této společnosti od samého počátku její existence.

Přestože Industrial Application Server využívá nejmodernější softwarové metody a postupy, je jejich složitost před uživatelem skryta. Je tomu tak díky průmyslové „servisní“ (obslužné) infrastruktuře ArchestrA, běžící na pozadí a zabezpečující potřebné služby pro snadné vytvoření výkonných průmyslových automatizačních aplikací.

IAS před uživatelem skrývá technickou složitost vlastního síťového provozu, použitého hardwaru a operačního systému tak, že uživatelé své aplikace pouze sestavují a konfigurují. Nemusejí tedy mít podrobné programátorské znalosti, ale mohou se co nejvíce soustředit na splnění jejich hlavního poslání – vlastních odborných požadavků ohledně funkčnosti aplikace.

Shrnutí

Wonderware Industrial Application Server poskytuje v sektoru průmyslové automatizace dosud nedosažitelné uživatelské výhody, které vyplývají z promyšlené koncepce celého systému.

Výhody automatizačních řešení na bázi IAS se projevují po celou dobu životního cyklu projektu. Mohou z nich tedy profitovat nejen aplikační inženýři při vývoji a implementaci projektu, nýbrž i koncoví uživatelé, které spíše než snadný vývoj zajímají možnosti snadné správy systému a jeho rychlé úpravy či rozšíření při nových požadavcích nebo změnách jejich výrobního prostředí.

Nelze opominout ani významný přínos IAS pro zákazníky, jejichž automatizační řešení musejí splňovat požadavky státních i nadnárodních regulačních autorit typu FDA, které se navíc v důsledku politického vývoje ve světě průběžně zpřísňují a rozšiřují.

Industrial Application Server a jeho výhody již oceňuje mnoho významných uživatelů – British Petroleum, 3M, Volkswagen, SAB/Miller, Jim Beam, DaimlerChrysler, Nucor Steel aj.

Wonderware Industrial Application Server umožňuje těmto a dalším zákazníkům vytvářet nadčasová řešení průmyslových automatizačních projektů při velmi příznivých celkových nákladech na jejich vlastnictví.

Ing. Michal Tauchman,
Pantek (CS) s. r. o.