Interfejsy człowiek-maszyna (Human-Machine Interface – HMI) oraz programy do archiwizowania danych (historian) różnią się pod względem przeznaczenia, jednak by we współczesnych aplikacjach przemysłowych przynosiły istotne korzyści dla działań firm, wymagają ścisłej integracji. Interfejsy HMI umożliwiają skuteczne sterowanie oraz komunikowanie się pomiędzy ludźmi (operatorami) a maszynami. Z kolei oprogramowanie do archiwizacji danych zbiera je z dużą prędkością, uszeregowane w czasie tak, aby zachować chronologię zdarzeń.
Podłączenie do źródeł danych
Interfejsy HMI zwykle łączą się z programowalnymi sterownikami logicznymi PLC, aby pozyskać z nich dane w czasie rzeczywistym. Z kolei programy do archiwizacji danych zazwyczaj mogą się łączyć z interfejsami HMI lub bezpośrednio ze sterownikami PLC, za pośrednictwem serwerów OPC. Czasami użytkownicy chcą łączyć się z interfejsem HMI, ponieważ pewne znaczniki mają wartości obliczone przez HMI. Preferowaną metodą powinno być jednak bezpośrednie łączenie się programu do archiwizacji danych ze sterownikiem PLC lub źródłem danych (np. linia z sygnałem wyjściowym bezpośrednio na urządzeniu). Celem programu archiwizującego jest przechowywanie kompletnej chronologii zdarzeń związanych z realizowanym procesem dla celów przyszłych analiz.
Ekrany interfejsów HMI są zwykle aktualizowane poprzez nowe grafiki i teksty, a w efekcie wyłączane lub uruchamiane od nowa, co może powodować przerwy w ciągach danych, jeżeli program archiwizujący jest podłączony do HMI.
Przy niezależnym podłączeniu programu archiwizującego do sterownika PLC dane są zbierane bez względu na to, czy interfejs HMI działa, czy nie. Dobrze opracowane oprogramowanie archiwizujące jest w stanie przechowywać i wysyłać dane wewnątrz rejestrujących/zbierających je komponentów i powinno być zlokalizowane na tej samej maszynie co źródło danych. Zapobiega to ich utracie w przypadku przerwania połączenia sieciowego pomiędzy komputerami lub podczas aktualizacji oprogramowania.
Przy wykorzystaniu współczesnej, standardowej technologii komputerów PC i ich możliwości typowy system archiwizujący dane powinien być w stanie przechowywać je i umożliwiać dostęp do nich w okresie dłuższym niż dziesięć lat od wprowadzenia danych nieprzetworzonych. Zagregowane zbiory Big Data dotyczące produkcji są doskonałym materiałem do sporządzania rozmaitych raportów. Programy archiwizujące powinny mieć dostęp do tych danych, które jednak nie powinny być przechowywane w postaci zagregowanej. Do prawdziwej analizy wymagane są bowiem strumienie danych nieprzetworzonych. Dobrze działający system archiwizujący wykonuje podczas zapisu danych ponad milion aktualizacji na sekundę, a podczas wyszukiwania i sprowadzania danych ponad 3 miliony na sekundę. Te prędkości nie powodują frustracji u użytkowników, zapobiegając opóźnieniom w uzyskiwaniu dostępu do danych.
Łatwość używania oprogramowania archiwizującego
Użytkownicy potrzebują intuicyjnych narzędzi do obsługi danych historycznych. Chcą łatwego dostępu do narzędzi programowych, które nie wymagają tygodni szkoleń z ich obsługi. Dane historyczne mogą być dostępne dla operatorów korzystających z interfejsów HMI za pomocą aplikacji klienckich, które wykorzystują kontrolki Microsoft ActiveX lub, lepiej, aplikacje Microsoft .NET. Gdy operatorzy maszyn i urządzeń oraz inżynierowie widzą, jak zmieniały się różne wielkości i jak zmieniano punkty nastaw sterowników, mogą zidentyfikować efekt domina w całym systemie i szybciej zlokalizować problemy oraz je rozwiązać. Dzięki takim narzędziom tworzone są dla nich informacje prowadzące do szybszego podejmowania decyzji.
Łatwy dostęp do danych jest sprawą kluczową. Użytkownik może zawsze po nie sięgnąć, aby natychmiast zweryfikować swoją teorię. W rzeczywistości, jeżeli analiza nie jest prowadzona niemal w czasie rzeczywistym, to zasadniczo może nie być przeprowadzana w ogóle. Poniżej przeanalizowano konkretne korzyści z integracji interfejsów HMI z programami do archiwizacji danych.
1. Wykorzystanie danych historycznych
W pewnej elektrowni wodnej system HMI wskazał wysoką temperaturę głównego łożyska turbiny. Standardowym podejściem w takiej sytuacji byłoby wyłączenie całego urządzenia, poddanie go kontroli, wykonanie pomiarów tolerancji, wymiana oleju i filtrów oraz ponowne uruchomienie w celu sprawdzenia działania. Operatorzy dysponowali jednak danymi z ciągłych pomiarów temperatury tego łożyska w ciągu siedmiu lat, mogli więc stwierdzić, że nie pojawił się narastający wzrost temperatury, sygnalizujący stopniowe zbliżanie się awarii. Po porównaniu kilku linii trendów ustalono, że przyczyną może być awaria wentylatora chłodnicy oleju łożyska. Badania wykazały obecność węgla i korozji na stykach silnika wentylatora. Ocena sytuacji i korekcja zabrała w rezultacie mniej niż godzinę, bez potrzeby wyłączania turbiny, co oznaczało zaoszczędzenie 20 tys. dol. na jednym zdarzeniu.
2. Analiza raportów i badania
Pewna spółdzielnia, zarządzająca małą elektrownią wodną, poszukiwała metody wyznaczania ilości nadmiaru wody, która przelewała się nad nadmuchiwaną, gumową zaporą wodną w dół rzeki. Nadmiar ów stanowił okazję do zwiększenia sprzedaży i oferowania atrakcyjnej ceny, wraz z odpowiednim rozłożeniem kosztów stałych tak, aby obniżyć cenę energii elektrycznej we wspólnocie. Na podstawie analizy danych historycznych z czterech lat ustalono, że system archiwizacji danych gromadził znaczniki danych dostępne dla wymaganych pomiarów. Wyniki przetworzono w ciągu zaledwie jednego dnia roboczego, a przybliżony koszt tych prac wyniósł 1 tys. dol. Tymczasem szacowany koszt wynajęcia inżyniera hydraulika, który wykonałby analizę teoretyczną na podstawie danych historycznych przepływu strumienia wody oraz krzywych zużycia energii, wynosiłby 20 tys. dol. – w dodatku przygotowany przez niego zestaw danych prawdopodobnie byłby mniej dokładny niż wartości z linii trendu.
3. Współpraca podczas inspekcji
W niektórych krajach agencje ochrony środowiska wykazują dużą aktywność odnośnie przeprowadzania w zakładach przemysłowych inspekcji i kontroli wdrożeń przepisów proekologicznych. Procedury inspekcyjne bywają niekiedy skomplikowane, czasochłonne i angażujące pracowników kontrolowanych firm. Posiadanie jednak przez taką firmę dokładnych danych historycznych może zmniejszyć napięcie pomiędzy inspektorami a załogą. Ci pierwsi nie mają wówczas wrażenia, że coś jest przed nimi ukrywane lub maskowane, zaś członkowie zakładowego personelu mogą szybko odpowiadać na pytania dotyczące anomalii parametrów i danych procesowych.
Systemy archiwizacji danych umożliwiające dodawanie notatek zawierają więcej niż zwykle uwag operatorów w danych szeregach czasowych, dokumentujących sytuacje takie jak ponowna kalibracja sprzętu i czujników. Przedstawianie kompletnych danych historycznych wraz z racjonalnymi wyjaśnieniami utrzymuje w efekcie wzajemne zaufanie obu stron inspekcji – łatwy dostęp do danych zapewnia szybkie odpowiedzi na szczegółowe pytania.
4. Dogłębna analiza przyczyn
Gdy zainstalowana w jednym z zakładów droga pompa (koszt 25 tys. dol.) uległa awarii, jej operator stwierdził po prostu, bez wyjaśnień, że sprzęt przestał działać. Dane z programu archiwizującego pokazały jednak, że chciał on tymczasowo uzyskać poziom cieczy w zbiorniku poniżej tego ustawionego w regulatorze automatycznym, wykorzystując tryb sterowania ręcznego. Gdy w pewnym momencie coś odwróciło jego uwagę, pompa zaczęła pracować na sucho i uległa awarii. Po ustaleniu głównej przyczyny kierownictwo podjęło decyzję o rozbudowaniu programowanego układu sterowania, tak aby obsługiwał on awaryjne wyłączenie pompy pracującej w trybie sterowania ręcznego, co pomoże zapobiec powtórzeniu się opisanej sytuacji.
5. Raporty dla „góry”
Firmy stanowiące część większych podmiotów lub np. należące do państwa umożliwiają dostęp do danych historycznych upoważnionym pracownikom spoza zakładu w celu dokonania ich weryfikacji i analizy. Dane z wielu stacji są wówczas kopiowane w lokalizacjach centralnych, a przesył danych umożliwiają odpowiednie narzędzia internetowe.
6. Zarządzanie zasobami
Przemysł wiertniczy zarządza wieloma urządzeniami ruchomymi i monitoruje ich pracę. Mając dane i raporty dostępne w czasie rzeczywistym, można pracować bardziej wydajnie i przygotowywać dokładne plany konserwacji sprzętu. Zautomatyzowane zbieranie danych oszczędza zasoby ludzkie, określa, co zużywa się szybciej, generując większą liczbę awarii, sprawdza, czy operatorzy popełniają błędy, wyznacza zasoby do wykonania harmonogramów konserwacji i napraw/zakupu nowego sprzętu oraz pomaga przy alokacji zasobów. Przy wykorzystaniu danych historycznych mogą być opracowywane nowe aplikacje analizy predyktywnej, ponieważ możliwe jest zidentyfikowanie większej liczby obszarów, w których da się przeprowadzić oszczędności kosztów i poprawić wydajność.
7. Analityka biznesowa (business intelligence)
Wiele firm zaczyna dostrzegać korzyści z wykorzystania danych historycznych z fabrycznych systemów archiwizacji danych oraz łączenia pewnych danych z innymi systemami, bez kopiowania danych podstawowych (master data). Kluczem jest tu integrowanie różnych typów danych i przekształcanie ich w informacje użyteczne. Przedstawiciele zakładów, które osiągają więcej korzyści z analityki biznesowej niż inne, twierdzą, że ich zakłady stały się tzw. zmieniaczami gry (game changer – terminem tym określa się przedsiębiorstwa, które zmieniają swoją strategię biznesową i opracowują całkowicie nowy biznesplan – przyp. tłum.)
Autor: Ed Stern jest wiceprezesem ds. operacji w firmie Canary Labs.