人機界面變更管理和安全性能受關(guān)注

　　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(yù)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)雜性，當(dāng)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(wù)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�廠。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(dāng)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(dāng)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(biāo)，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(fù)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(dāng)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(dāng)我們換用其他廠商的產(chǎn)品時，情況更是如此。而且，當(dāng)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)）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(biāo)準(zhǔn)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(wù)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(wù)。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(fù)使用的平臺，能夠支持通信并很好地應(yīng)對安全問題。這一標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(wù)的架構(gòu)（SOA）采用了萬維網(wǎng)聯(lián)盟（W3C）定義的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

　　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(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用到企業(yè)級的過程自動化；

　　• 支持的工業(yè)應(yīng)用很廣泛，并且正用于其他一些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(zé)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(biāo)準(zhǔn)提供了現(xiàn)成的強大而有效的網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)與可反復(fù)使用的早期產(chǎn)品相結(jié)合，能夠滿足那些最高要求的應(yīng)用。