Уеб технологиите в индустриалната автоматизация

Премахват ограниченията на традиционните технологии, променят концептуално човеко-машинния интерфейс

 Уеб технологиите отдавна са част от живота на всеки от нас. Използването на електронна поща, търсенето на информация в мрежата, Интернет магазините и разплащанията се приемат като съвсем обикновени неща. Уеб услугите отдавна прехвърлиха границата на персоналните компютри и се “настаниха” сред функциите със стандартна поддръжка на мобилните телефони. Революцията в комуникациите през последното десетилетие утвърди широкото използване на IT методите и технологиите. Всички или поне повечето от нас си спомнят, че до съвсем неотдавна влизането в Интернет се осъществяваше с помощта на аналогов модем, чрез набиране на телефонен номер. Понастоящем връзката със световната мрежа се извършва с ADSL маршрутизатори (от Asymmetric Digital Subscriber Line – несиметрична цифрова абонатна линия) и други високоскоростни технологии. По този начин уеб комуникациите се издигнаха на качествено ново ниво и като скорост, и като надеждност.

Уеб технологиите променят промишлената автоматизация. Само допреди няколко години бе немислимо „обикновеният потребител” да създава Firewall (“защитна стена”, включваща набор от софтуер и/или хардуер, разрешаващ достъпа), LAN-мрежи и пощенски кутии. Днес това е реалност. Светът на промишлената автоматизация също не остана встрани от бурното развитие на Интернет технологиите. Да се използват Интернет комуникациите вече не само че не е екзотика, а в много случаи дори е желателно за целите на управлението. Непрекъснато расте и наборът от уеб функции, предоставяни на крайните потребители, както и значимостта им, задавана от специалистите. Неизбежно възниква и елементарният въпрос защо след като връзката от личната уеб камера чрез мобилния телефон е толкова евтина да не е възможно също толкова лесно да се наблюдават производствените показатели на оборудване, струващо стотици хиляди евро. По принцип доставчиците на оборудване следват пазарните и технологичните промени, изменяйки задачите, поставяни към системите за автоматизация. Ако допреди броени години на преден план еднозначно бе извеждано управлението на инсталациите и технологичните процеси, то днес се акцентира върху ефективното им обслужване на базата ЧМИ (човеко-машинен интерфейс, или HMI – Human-Machine Interface) и комуникация. Промениха се и изискванията към съвременните HMI решения и комуникации. Преди години като правило бе достатъчно да се разполага с панел за управление, установен в непосредствена близост до машината или инсталацията. Днес се използват концепциите за разпределено управление, които наред с локалното управление дават възможност за въздействие през интранет или Интернет.

Оборудването - част от високоразвита IT инфраструктура
Преди години, когато се говореше за комуникация в индустрията, се разбираше системи от полеви шини, последователни съединения или най-много модемна връзка. Сега оборудването трябва да бъде част от високоразвита IT инфраструктура. В съвременния глобализиран свят дистанционната диагностика и дистанционното техническо обслужване се превърнаха от екзотика в повсеместна практика. Не бива да се забравя и огромният им принос в понижаването на разходите за поддръжка. Това е основна причина производителите на автоматизационно оборудване да инвестират в разработването и внедряването на уеб технологии, които се явяват техни основно конкурентни преимущества.

Структура на уеб технологията
Да се изброят всички решения, които се използват в Интернет технологиите е невъзможно, както и да се структурират в детайли всички разработки до момента. По тази причина в настоящата статия ще бъдат разгледани единствено технологиите, представляващи интерес за целите на автоматизацията и намиращи практическо приложение. На основата на този прагматичен подход уеб технологиите се разделят в следните категории:
l комуникация;
l архитектура;
l презентация.
l комуникация чрез TCP/IP и др.

Комуникацията - фундамент на уеб технологията
Неслучайно, комуникацията се възприема като фундамент на уеб технологията. TCP/IP е базов протокол, който обезпечава правилното адресиране на участниците в мрежата и непрекъснатия обмен на данни. Освен това приложението на TCP/IP не се ограничава само в чистите Интернет приложения. Понастоящем локалните мрежи (LAN) също използват предимно протокола TCP/IP. Благодарение на това, проходимостта между локалните мрежи и Интернет чувствително се е увеличила, тъй като и двата типа мрежи функционират на базата на една и съща технология. По тази причина LAN често се наричат неправилно Интернет. Протоколът TCP/IP представлява най-ниското ниво за уеб комуникация. Над него в йерархията стоят такива услуги, като електронна поща (e-mail), протокол за пренасяне на файлове (FTP – File Transfer Protocol) и световната мрежа. Всяка от изброените услуги използва свой собствен протокол, който е вложен в TCP/IP. Например протокол, на който се базира услугата електронна поща, е SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – опростен протокол за пренос на поща), файловете се обменят чрез FTP, а браузерите комуникират със сървъра с помощта на HTTP (Hypertext Transfer Protocol – протокол за пренос на хипертекст).

Архитектура клиент-сървър
Интернет мрежата е структурирана в съответствие с архитектурата клиент-сървър. Сървърът представлява компютър или програма, предоставяща данните на разположение на мрежата. По принцип сървърът се държи винаги пасивно – той предава данните само по заявка. Съществуват и изключения, когато сървърът сам предава данните, или т. нар. Server-Push. В най-елементарното изпълнение сървърите разпращат само тези файлове, които са записани на тях. При наличие на съответния софтуер обаче уеб сървърите са в състояние да модифицират поисканите файлове или да генерират съвършено нови файлове. Сървърите комуникират с клиенти. Известно е, че клиентите представляват активните партньори, които искат информация от сървърите. Например, уеб браузърът е клиент, който поисква съответната уеб страница от сървъра.

Гъвкавата и мощна платформа HTML
Съществува голям брой различни форми за представяне на данните. По тази причина на първо място следва да се посочи HTML (HyperText Markup Language – език за описание на форматирани документи). Съответно, уеб страниците се създават на езика HTML, а след това браузърите превеждат тези HTML файлове. С помощта на HTML преди всичко могат да се структурират текстове и документи. В случай че възможностите на HTML не са достатъчни и съществува необходимост от контрол на макета на уеб страницата, е възможно да се използват таблици CSS (Cascading Style Sheets – език за описание на стилове). Езикът CSS позволява точно да бъдат задавани параметрите за форматиране на отделните HTML елементи, например, шрифтът на параграфите. Важно е да се знае, че CSS не заменя HTML, а разширява възможностите на функциите му.
Друга важна характеристика на HTML е способността му да съчетава съвсем различни технологии, освен CSS, например JavaScript и PHP (от Hypertext Preprocessor – скриптов език с отворен код, специално създаден за уеб приложения, който може да бъде вмъкван в HTML). Благодарение на всичко това, HTML представлява изключително гъвкава и мощна платформа за уеб развойна дейност.

Динамичен HTML
В своята първоначална форма HTML е статичен. По тази причина съществуват HTML страници, които създадени веднъж се предават в неизменен вид от сървъра по заявка. С развитието на Интернет се създава необходимост в един HTML документ да се включва определена актуална информация, например астрономическо време или текуща дата. Общото понятие „динамичен HTML” обединява няколко технологии, които позволяват върху уеб страницата да се визуализират динамични данни.
Първият начин, чрез който се реализира, е технологията SSI (Server Side Includes – включване от страна на сървъра). Представлява опростен скриптов език, използван изключително за уеб приложения). С помощта на SSI, на HTML страницата се разполагат SSI изрази и директиви. Така, преди изпращането на исканата страница, сървърът зарежда необходимата информация на мястото на тези включвания. По принцип, следва да се прави разлика какъв е конкретният способ, по който е заредена динамичната уеб страница – в сървъра или в клиента.

Динамика, реализирана на сървъра
Ако SSI се изпълнява на сървъра, то браузърът изобщо не „вижда” SSI включванията и получава чист HTML документ. На основата на този принцип функционират CGI и скриптовите езици PHP и Perl (динамичен програмен език от високо ниво, предназначен за обща употреба, разработен от лингвиста Лари Уол). Под термина CGI (Common Gateway Interface) се разбира стандартизиран интерфейс, позволяващ да се стартират скриптове или други изпълними файлове на сървъра. Много често CGI скриптовете се пишат на езика Perl. Обикновено скриптовете се съхраняват в определен каталог (cgi-bin), създаден преди тях. При обръщането си към този каталог сървърът разпознава, че той е длъжен не просто да предаде файла, а да стартира изпълнимия файл. Като резултат CGI скриптовете създават документ във формата на HTML страница, който се изпраща на искащия го клиент. На основата на аналогичен принцип функционира и PHP. Разликата е, че PHP-директивите (т.е. собственият му скрипт) се записват направо в HTML страницата. Следователно, статичната част на страницата би могла да се създава с помощта на стандартните HTML елементи, а динамичната й част - да се генерира от вложените в нея PHP директиви. И двата описани метода се изпълняват на сървъра. Предимството е, че браузърът получава чист HTML код и не е необходимо сам да изпълнява скриптове или програмиКато недостатък на метода би могъл да се изтъкне фактът, че текущите данни се изпращат на клиента едва след зареждането им на уеб страницата. Потребителят, който иска постоянно да вижда актуалните данни, трябва непрекъснато да презарежда страницата. Дори и HTML да съдържа автоматично обновяване на страницата, то резултатът от работата на тази функция ще бъде мигаща картина и необходимост от много висока скорост за опресняване на информацията.

Динамика, администрирана от клиента
В случай че е необходимо информацията постоянно да се актуализира или приложението съдържа анимационни елементи, то задачата следва да се изпълнява от клиента. Именно за подобни случаи специално е разработен езикът за програмиране JavaScript. Фрагментите, написани на JavaScript, могат да бъдат включени както в самата HTML страница, така и в отделни файлове. Съвременните браузъри разполагат и с HTML, и с JavaScript интерпретатори. По този начин JavaScript програмите се изпълняват на компютъра на клиента, от неговия браузър, и изцяло удовлетворяват изискванията за динамика, а също и за анимация.
Аналогичен подход се използва и при Java Applets (аплетите са малки програми за точно определени задачи) в затворените и написаните на езика Java приложения, които се предават от сървъра на клиента за изпълнение. За информация Java е обектно-ориентиран език за програмиране, който не трябва да се бърка с JavaScript. Предназначен е за писане на малки програми (аплети), които най-често се изпълняват от уеб браузърите. За да се реализират Java аплетите, трябва да бъде инсталирана виртуална Java машина, осигуряваща подходяща среда за изпълнение на Java програми. Поради виртуалността, създавана от Java машината, програмите на Java, т.е. Java аплетите, не зависят от платформата и могат да се изпълняват както в операционни системи Windows, така и в Mаc или Linux/Unix системи. Тук е мястото да се отбележи, че ActiveX е аналогична технология, разработена от Майкрософт, но тя работи само в среда на Windows. Голямото предимство на ActiveX е, че чрез нея много удобно се вграждат обекти, като плъзгачи, бутони, цифрови дисплеи и други на уеб страниците.

Уеб технологиите намаляват разходите за поддръжка
Интересен е въпросът какво печели автоматизацията от употребата на различни уеб технологии. Днес, уеб е синоним на неограничени комуникации. Без значение е дали обменът на информация се осъществява между системите за управление и локалните пултове или е необходимо да се транслират производствените показатели на оборудването в локалната мрежа на предприятието, или трябва да се направи дистанционно обслужване през Интернет. Във всички тези случаи действа един и същ комуникационен механизъм. Отмина времето, когато панелите за управление се включваха посредством специализирани куплунзи, разработвани поотделно от различните производители. Остана в миналото и времето, когато интеграцията в съществуващата IT инфраструктура бе осъществявана само чрез скъпи копроцесори, а отдалеченият достъп бе възможен единствено по нископроизводителната и неудобна модемна връзка. На системните инженери вече не е нужно да се борят със специализирани програмни драйвери или OPC сървъри, само заради това да бъдат предадени няколко показателя от системата за управление в персонален компютър. Всичко това не само облекчи работата на инженерите по поддръжката, но и намали разходите за техническа поддръжка.

Отпадат ограниченията на традиционните технологии
Типичните за индустриалната автоматизация комуникационни технологии имат известни ограничения. Полевите шини поддържат лимитиран брой свързани устройства, системите за управление могат да работят само с определен брой панели за управление. Аналогично, системните шини различават водещи (master) и водими (slave) елементи, като на свой ред броят на водещите също е ограничен. С внедряването на уеб технология описаните ограничения отпадат. Всички участници в мрежата са равноправни и нямат лимитиране по отношение броя на установените връзки. По този начин една система за управление теоретически може да установи връзки с 1000 панела за управление. Естествено, наличната честотна лента на пропускане на практика ограничава броя на панелите, които могат едновременно да се обръщат към системата за управление. В много от случаите обаче отсъстват изкуствени предели на системата, които да възпрепятстват изпълнението на подобен род задачи. Отпада и изискването за употреба на сложни междумрежови портове (gateway). В крайна сметка това опростява значително проектирането.

Реализира се със стандартни устройства
Уеб технологията се реализира чрез стандартни IT устройства, т.е. могат да се използват широко разпространени мрежови компоненти, като маршрутизатори, комутатори или точки за достъп до WLAN (Wireless LAN Access Points). По този начин в реализацията на автоматизационната задача, наред с класическите апаратни платформи за управление, могат да се включат и органайзери (PDA) или просто мобилни телефони. Освен това уеб технологията по принцип е независима и може да се използва както с Windows платформи, така и с Linux/Unix системи или Mac компютри. По отношение на човеко-машинния интерфейс, уеб технологията се развива по съвършено нов път в сравнение с традиционните подходи. В съответствие с принципа клиент-сървър, системата за управление с уеб поддръжка съдържа не само софтуера за управление и параметрите на процеса, но и графичен интерфейс. Като панели за управление, в този случай, са необходими само платформи със стандартен браузър.

Платформи за управление с уеб функции
Главно условие за използване на възможностите, предлагани от уеб технологиите, е наличие на апаратура за управление с уеб функции. Като пример може да бъде посочен предлаганият на пазара продукт на една от водещите компании в бранша. Системата за управление притежава уеб сървър за управление, наблюдение и визуализация и позволява достъп до SPS данни чрез интерфейса CGI. Допълнително са интегрирани FTP сървър и файлова система, което обезпечава простота на обмен на данни с висшестоящата система. Възможно е и елементарно транслиране на процесните параметри и лог файловете с помощта на обикновен FTP клиент на персонален компютър. Уеб панелите могат да бъдат включени към мрежата по произволен начин (включително LAN и Интернет), имат вграден браузър и могат да използват интерфейс, който е вграден в системата за управление.

Човеко-машинният интерфейс и уеб технологиите
Концепцията за човеко-машинен интерфейс с уеб функционалност принципно се различава от типичните панели за управление. Командното поле просто се визуализира в браузъра и заменя специално разработен пулт за управление или специализиран компютърен софтуер (в т.ч. и лицензен).Тук е мястото да се обърне внимание на неограничените възможности за включване в мрежата, а също така и на достъпа до една и съща среда от произволно място. В случая е без значение дали се провежда настройка на параметрите на елементарен технологичен процес, чрез олекотени HTML страници, или се реализира сложно управление на машини посредством Java инструменти. По този начин наблюдението и управлението на базата на уеб поддръжка открива пред производителите на оборудване предизвикателството на съвършено нова функционалност и улеснява техническите разработки.

Какви са разликите в концепциите?
Кое всъщност различава управлението, наблюдението и визуализацията на основата на уеб функционалност от традиционното им изпълнение с панели за управление? Както вече бе посочено, първата разлика е реализацията на полето за управление чрез стандартен браузър. Веднъж разработен, алгоритъмът за управление на дадена инсталация остава “привързан” не само към машината в локалния пулт, но е възможнода функционира на персонален компютър с браузър. Освен него, друго изискване е компютърът да бъде свързан със системата за управление, примерно с LAN.
В следващите редове се разглеждат по-подробно класическата и уеб концепциите на човеко-машинен интерфейс.Класическата концепция на човеко-машинен интерфейс
Построена е на принципа „от точка до точка” между системата за управление и панела за управление. Панелите осигуряват визуализация, а системата за управление се занимава с чисто технологичното управление на съответната машина или технологичен процес. Проектите за визуализация, в смисъл съответните страници на екраните, са заложени в панелите. Системата подава само „суровите” данни с параметрите на процеса.
Този подход е бил обусловен исторически от времето, в което системите са съхранявали единствено данните, но не и заемащите голям обем визуализации. С развитието на технологиите е възникнала необходимост с помощта на един панел да се обслужват няколко системи за управление, както и да има достъп до една и съща система от различни точки. По този начин на бял свят са се появили първите шинни системи, като MPI или S-Bus, а с тях и полевите системни шини като Profibus.
Всичките изброени решения имат една обща черта – тяхната реализация е изкуствено ограничена. Например броят на свързаните устройства да бъде до 128, да има разделение на водещи и водими (Master/Slave) точки от мрежата и т.н. Налице е и още един съществен недостатък. Ако се наложи системата за управление да бъде включена към телефонната мрежа (за достъп до Интернет или, за да бъде интегрирана в мрежата на предприятието), трябва да се осигурят скъпи преобразуватели (модеми, комуникационни модули и др.), както и да се закупи лицензиран софтуер. Изводът от казаното до тук е, че въвеждането на шинните системи, стоящи в основата на комуникационната структура, си остава както и преди свързване "от точка до точка".

АСУ съдържа и полето на управление
Основната идея в тази концепция се състои в използването не на твърди връзки от типа точка до точка, а на гъвкавата топология клиент-сървър. На практика, системите за управление представляват сървъри и следователно могат да изпълняват ролята на уеб сървъри, на които е записана системата за визуализация. Панелите за управление, компютрите и другите платформи за визуализация са клиенти и притежават браузър. Новото е, че проектът за визуализация не се изгражда в панелите за управление, а се зарежда в автоматизираната система за управление (АСУ).
Следователно, АСУ се превръща в "главен обект за автоматизация" и съдържа всичко, което е необходимо за изпълнение и на задачите за управление плюс, и на полето за управление. От друга страна, панелите за управление се превръщат в т.нар. Thin Client (тънък клиент) – дисплей и браузър. Поради това не е необходимо в тях да се съхранява проектът за визуализация, докато той не влезе в работа. Когато този момент настъпи, панелът автоматически се зарежда от системата със страниците (т.е. екраните), които трябва да бъдат визуализирани. Това води до облекчаване на информационния обмен и обслужването.Благодарение на структурата клиент-сървър, в концепцията на човеко-машинния интерфейс с уеб функционалност много лесно се организират разширения и нововъведения. Не съществуват никакви ограничения по отношение на комуникацията. Както вече бе казано, наличната честотна лента на пропускане би наложила ограничение, само ако се включат огромен брой панели и всички едновременно се опитват да се свържат със системата.