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HMI的未来:云计算和多点触控

作者:Fabio Terezinho2013.12.22阅读 2791

        自从基于PC的软件被引入工业自动化领域后,商用现货(COTS)和工业技术这两个完全不同的世界得以融合。很多读者应该会记得,在二十世纪八十年代中叶,基于PC的软件最先被引入HMI/SCADA系统中。一开始,人们仍对可靠性和响应速度有所担忧,然而,今天操作员界面和SCADA应用中的HMI,其事实上的标准就是基于PC的软件。
        HMI的应用在商业PC和工业PC上都不少,用来为其编程的软件也是基于PC的软件。同时,SCADA技术也通过使用COTS应用程序(见表1),帮助生产厂商降低成本。

        “影响”这个词很重要,因为工业自动化设备不是、也不会是COTS设备的翻版。工业PC可能会在外观和使用感受上与现有的商用 PC技术类似,但是它却能够抵抗严酷的环境条件,而且通常都配有一些其他的特性以提升稳定性,例如固态数据存储技术。
        正如同在很多场合中台式电脑被笔记本电脑所取代,现在笔记本电脑正在被使用多点触控功能的平板电脑和智能手机所取代。这一趋势也将在工业领域中被复制。除了我们访问HMI系统的方式以外,数据操控和存储的方法也将会随着SCADA技术的不断发展而改变,实际上应用SCADA技术的设备最初也是针对个人应用而出现的。
        众多企业发现了这一趋势并作出回应。据研究机构Gartner最新发表的报告预测,全球大约一半的企业将在2017年之前启用BYOD (自带设备)计划并且不再向员工提供计算设备。
        企业希望雇员能够使用他们自己的智能手机和平板电脑来操作企业的计算机系统,这样既能为企业节省成本,同时也为雇员提供工作的便利和更好的移动性。
        更快地实现数据访问
        智能手机和平板电脑非常适合如今极具移动性的作业模式,很多员工正在被要求在家里或者在路上对多个本地站点或者远程站点进行监视和控制。这些员工必须能够对HMI系统进行快速并且便捷地访问CONTROL ENGINEERING China版权所有,才能够在远离控制室的地方做出更加明智的决策。还有什么方法能够比使用他们日常生活中已经非常熟悉的设备更加好呢?
        促成这一改变的原因之一就是用来登录自动化系统的SCADA软件可以轻松地安装在智能手机上,并发挥作用,与在工厂中没有区别。需要远程实时登录的授权用户可以按照不同的职能和职责采用只读登录或者双向登录。对于手持式设备,用户通常借助安全程度较高的浏览器或者应用程序登录基于Web的HMI系统,几乎所有的服务器-浏览器选件都会标配基于Web的HMI软件包。
        很多HMI/SCADA软件包也提供一些免费或者价格很低的服务器-移动电话应用程序。基于SCADA服务器-浏览器平台,远程用户也能够享用功能完备的双向通讯。相比于浏览器控制工程网版权所有,SCADA应用程序与远程系统的连接速度更快,加载屏幕更快,响应速度也更快(见图1)。


图1 今天的SCADA工具包可以帮助工人在平板电脑和智能手机上对远距离区域实现监视和控制。图片来源:InduSoft

        浏览器和应用程序这两种登录方法都比使用精简客户端或者PC联网的成本要低,特别是当企业采用BYOD政策后更加明显。而且,基于浏览器的登录方法不需要在移动设备上加载任何软件,而基于应用程序的登录方法仅仅要求用户安装一个简单的应用程序。这就减轻了企业IT人员支持这些设备的负担,而且如果采用另一种COTS技术——云计算,负担将进一步减轻。
        价格合理的数据存储解决方案
        云技术曾经在照片和音乐文件存储方面大展拳脚,今天在企业数据和软件方面也找到了用武之地。但是,云到底是什么?
        云计算提供了一种对可配置计算资源共享池(网络、服务器、应用程序、服务和存储)的全时段访问支持。用户可以付出最小的代价享用这些资源。今天大多数的基于云技术的SCADA系统可以在一台安装有SCADA应用程序的现场计算机上进行配置,并且通过这台计算机与控制器实现互联。本地计算机随后与云相连,将数据发送给云进行存储和分配,在需要的时候从云接收指令(见图2)。


图2 基于云的HMI将IT硬件、软件和管理成本转嫁给了云服务供应商,实现了便捷的数据存储和更好的安全性。

        HMI/SCADA系统自身的工作特性决定了需要生成大量数据,这些数据必须能够被处于不同地点的用户进行访问,很多用户还需要能够向HMI系统发送指令。这就要求有可靠和高速的双向有线和无线的访问方法,这正是云技术最为擅长的领域,这种技术已经在商业应用中存在了多年。
        使用基于云的HMI能够极大地降低成本,改善功能特性。用户能够便捷地通过智能手机和平板电脑浏览数据,他们还能够通过SMS文本信息和e-mail接收报警。云计算将IT架构的成本高昂且故障频发的硬件层从根本上去除了。
        这种新的工作模式提供了动态扩展能力,且价格并不昂贵,还能实现潜在的巨大节省。企业无需将资金花费在购买那些可能永远不会用到的软件许可证、冗余硬件和故障恢复站点上。云技术还赋予了企业根据需求快速补充新资源的能力,而不是在系统设计阶段预留扩展空间。
        直到最近,数据存储仍旧是企业成本中不可忽视的一部分,因为数据经常需要存储在位于不同地理位置的独立服务器上以确保实现安全的备份,为了提供对这些数据的正常访问功能,还需要IT人员进行维护和支持。相比之下,云计算技术提供了简单的数据存档方式,按需付费的作业模式让客户只需要为所需的部分付费即可控制工程网版权所有,而所有的备份和维护都由云供应商来提供。
        云技术安全吗?
        在工业自动化应用(例如HMI/SCADA)的范畴内讨论因特网控制工程网版权所有,首先要考虑的问题就是安全性。诚然,对于任何系统来说问题都是不可避免的,但是基于云技术的SCADA通常能够提供比系统自身更加优越的防护方法。
        很多企业为了缩减预算大量地减少了IT人员,仅存的IT人员通常都没有时间或者专业技能来应对潜在的威胁。而另一方面,云资源供应商则致力于在对数据存储提供防护的同时提供对应用程序的安全访问。他们的员工不断地接受培训,保护系统不受内部和外部威胁的损害,云服务供应商能够承担的起IT人员的成本,因为它们将成本平摊在众多客户身上。
        很多企业依赖于单一的网络提供商,这意味着一旦网络服务崩溃,就无法访问控制和监视功能了。云技术使用多个网络供应商,数据存储于不同位置的多台服务器之上,确保在灾难事件发生时,数据仍旧能够被安全备份。
        最新的SCADA应用正在改变自动化系统的作业模式以及工业资源的访问模式。除了能够使用智能手机、平板电脑和云计算机之类的COTS设备对系统进行访问之外,SCADA解决方案还为用户提供了另一种更为流行的COTS技术——多点触控技术。
        多点触控技术的好处
        当COTS技术向工业自动化领域迁移时,例如云计算技术中的COTS技术,质疑声并不少。这种新技术是否足够安全和可靠,是否适用于工业应用?它是否能够抵御充满粉尘和噪声的工业生产环境的考验?其成本收益比是否对ROI有积极影响?
        SCADA技术和多点触控应用的结合,加上能够抵御严酷环境的工业级硬件设计,使用户现在能够享受到技术的进步。多点触控HMI可通过被称之为手势的一整套触摸和手指动作来实现各种功能,与智能手机和平板电脑上使用的放大、平铺和抓取手势非常类似。


图3 支持屏幕多点触控的SCADA系统在设计上相比于键盘和点击设备之类的操作员接口更加适合严酷的作业条件。

        手势非常直观,执行速度加快很多。平均来说,多点触控指令比键盘和鼠标点击的命令执行速度快3倍。操作员能够对报警和改变做出更快的响应,因此就能够有更多的时间进行问题分析并改善作业。多点触控HMI的另一个好处是提升了安全性,因为高级触摸屏支持戴手套操作,而且多点触控HMI还支持双手操作。
        相比于键盘和点击设备,多点触控技术更加适用于严酷的作业环境。没有移动部件会暴露于粉尘、水和其他脏污之下,设备寿命更长。在危险区域保护键盘和点击设备并非不可能,但是成本非常昂贵。多点触控HMI屏幕还可以配有玻璃或者聚碳酸酯保护膜,以防划伤和脏污,并降低极端温度的影响。
        弥合差距
        今天的生产制造企业最为担心的问题就是生育高峰时代的员工退休后,需要雇佣并培训新的自动化技术人员和操作人员。不可避免地,新一代工人较为年轻,熟悉智能手机、平板电脑和多点触控技术。实际上,让这些工人使用键盘和点击设备而不去使用多点触控技术,就如同让他们操作电视机但是不给他们遥控器一样。
        SCADA应用中的多点触控技术能够减少对新自动化人员和操作人员的培训,使他们快速上岗。而且,由于系统访问的方法与他们使用智能手机和平板电脑非常类似,所以就可以把精力更多地关注于对数据的理解和分析,而不是如何访问数据。
        不久的将来,新员工恐怕只会使用多点触控屏幕控制工程网版权所有,教会这些新员工使用老式的键盘和点击方法恐怕会很困难,孤注一掷只会带来更高的培训时间和成本。通过与一些最终用户和系统集成商的交谈,我们发现了一个有趣的现象:喜欢多点触控技术的年长工人也比预期要多。
        通过智能手机和平板电脑访问基于云的HMI/SCADA系统所面临的问题也类似,让IT人员将应用程序安装在台式计算机上,然后依赖IT人员维护网络的运行,对于很多用来说这种方法已经并不能令他们满足。他们更喜欢通过自己的设备借助浏览器访问系统,或者更好的是直接通过app访问,后者还能为用户和工业应用提供很多好处。
        未来并不遥远
        很多生产制造企业的员工在几乎任何位置通过简单的触碰指令就能够使用自己的智能手机和平板电脑访问e-mail、网络和关键数据(例如他们的银行账户)。因此,他们希望在工作中也能够如此。如果企业不将其系统更新以适应这种需求,那么就会让员工感觉企业过于保守,同时引起成本增加并错失良机。
        最新的SCADA技术不仅满足了员工的需求,它们还能对更大量的数据进行更快速的访问,并改善整体作业性能。例如,数据挖掘在当今的信息时代不可谓不重要,而基于云的HMI系统就能有效地管理大量数据。
        以更加直观的方式对数据进行访问和响应让生产制造工艺中的安全性和效率得以提高。图形界面很容易浏览数据并进行分析,而多点触控SCADA技术和使用手持设备进行访问的功能进一步加强了这种能力。
        SCADA技术中多点触控和云计算功能是支持COTS技术的最新进步,已经被用于工业领域,而它并未止步。计算机、智能手机和其他消费电子产品生产厂商正在致力于开发更加直观的产品使用方法,很多企业正在研究眼球运动控制和其他更加革命性的控制方法,包括可穿戴3D视觉设备。HMI/SCADA应用将会不可避免地成为前线战场,而新技术将会在这个战场上找出自己在工业环境中的一席之地。
        大多数生产制造企业并不会立即接纳所有这些新技术——平板电脑、智能手机、多点触控屏幕和云计算,但是越来越多的企业已经开始接受某些新技术了,而且这一趋势还在加快。既然SCADA解决方案能够为工业企业提供一种可以承受且足够可靠的使用这些设备访问自动化系统的方法,那么它们最终就会变得和曾经的台式电脑一样普及。积极采纳新技术的企业将会通过提升效率和削减成本改善盈利能力,而踌躇不前的企业将面临落后被淘汰的风险。
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