Rozdział 2 Wymagania

2.1 Charakterystyka problemu

Przebieg procesu technologicznego we współczesnym zakładzie przemysłowym można opisać za pomocą wielu różnych parametrów. Ma to sens zwłaszcza w sytuacji, gdy jakaś część procesu jest obsługiwana automatycznie. Wartości parametrów zbierane przez różnego rodzaju urządzenia pomiarowe są danymi wejściowymi dla innych urządzeń, które na ich podstawie podejmują decyzje o wykonaniu jakiejś akcji.

Także w sytuacji, gdy przebiegiem procesu bezpośrednio steruje człowiek, istotna jest aktualna i wiarygodna informacja o aktualnym stanie procesu. W prostszych przypadkach może wystarczyć bezpośrednia obserwacja lub poleganie na wskazaniach różnego rodzaju mechanicznych czy analogowych wskaźników i urządzeń pomiarowych. Często jednak potrzebny jest bardziej zaawansowany system, np. z powodu fizycznej odległości między czujnikiem a operatorem, który na podstawie jego wskazań ma podjąć decyzję.

Uzyskiwanie danych z procesu przemysłowego w postaci cyfrowej pozwala na ich rejestrację, obecnie najczęściej po prostu w bazie danych, z wykorzystaniem systemu komputerowego. Zarejestrowane dane mogą być analizowane i służyć do usprawnienia przebiegu procesu, w celu uzyskania pożądanych efektów technologicznych czy ekonomicznych, wychwycenia awarii i błędów obsługi. Często także rejestracji niektórych parametrów wymaga prawo, np. tych dotyczących wpływu zakładu na środowisko naturalne.

Coraz częściej w zakładach przemysłowych pojawiają się sterownie -- pomieszczenia, w których można mieć dostęp do wszystkich najważniejszych informacji o przebiegu procesu technologicznego, a także można sterować jego przebiegiem. Pozwala to na synchronizację czasami bardzo skomplikowanych procesów, a także zwiększa bezpieczeństwo.

W wyposażeniu sterowni zwykle znajdują się tablice synoptyczne, przedstawiające w postaci graficznej schemat zakładu oraz aktualne wartości najważniejszych parametrów, w tym informacje o przekroczeniu dopuszczalnych wartości i innych sytuacjach alarmowych.

Obecnie coraz częściej tablice synoptyczne realizowane są w postaci wyświetlaczy komputerowych. Czasami konieczne jest zastosowanie w tym celu dużych, specjalistycznych wyświetlaczy. W mniejszych zakładach może wystarczyć prezentacja na ekranie dużego monitora komputerowego. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest możliwość dostępu do prezentowanych danych z wielu różnych punktów, przez wielu operatorów, korzystających z terminali komputerowych.

System, który stworzyłem w ramach mojej pracy magisterskiej, jest więc taką elektroniczną wersją tablicy synoptycznej, umożliwiającą także ingerencję w obserwowany proces. Oczywiście do działania wymaga on informacji o aktualnych wartościach kontrolowanych parametrów. Informacje te muszą zostać zebrane przez czujniki, sterowniki przemysłowe i inne urządzenia pomiarowe, a następnie wprowadzone do systemu komputerowego. Ta część całego procesu nie jest tematem mojej pracy. Zakładam, że wszystkie potrzebne dane są już dostępne. Wszystko, czego wymagam od tego bazowego systemu, to możliwość identyfikacji parametrów przez nazwę (unikatową w obrębie systemu), a także pobrania wartości parametrów (i ewentualnych innych atrybutów, jak na przykład nazwa jednostki) w postaci tekstowej lub liczbowej.

Wykonana implementacja i wdrożenie bazuje na systemie SZARP (System Zbierania ARchiwizacji i Prezentacji danych) warszawskiej firmy Praterm, zajmującej się automatyką ciepłowni węglowych. Tak więc projekt powstawał pod kątem potrzeb miejskich systemów ciepłowniczych i w szczególności właśnie systemu komputerowego SZARP.

W kolejnych podrozdziałach opisuję konkretne wymagania, jakie, moim zdaniem, powinien spełniać realizowany system.

2.2 Założenia funkcjonalne

Podstawowe wymagania, jakie sobie postawiłem, wynikają wprost z celu pracy. Jej efektem ma być system, który umożliwi prezentowanie operatorowi na ekranie komputera dynamicznej, interaktywnej grafiki. Dynamicznej, gdyż to, co dokładnie widzimy na ekranie, zależy od przebiegu kontrolowanego procesu, od uzyskanych przez system informacji o wartościach parametrów charakteryzujących przebieg procesu¹.

Interaktywność oznacza przede wszystkim możliwość sterowania procesem. Założyłem, że sterowanie to oznacza po prostu przekazanie do niższej warstwy (a więc np. systemu SZARP) informacji o żądanej wartości parametru. Dalsze działania należą już do tych niższych warstw.

Poza tym interaktywność może oznaczać także możliwość wyboru przez użytkownika prezentowanych informacji.

2.3 Możliwość dopasowania do istniejących rozwiązań

Zastanawiając się początkowo nad tematem pracy, myślałem o projektowaniu protokołów niższego poziomu, umożliwiających bezpośredni dostęp do sterowników przemysłowych. W tej chwili większość producentów oprogramowania typu SCADA wykorzystuje własne protokoły, co utrudnia integrację systemów pochodzących od różnych producentów i ich współpracę. Okazało się to jednak pomysłem nierealnym z kilku powodów. Po pierwsze wymagałoby to bardzo dużego nakładu pracy -- dla każdego obsługiwanego urządzenia należałoby napisać dedykowany sterownik umożliwiający współpracę z nowym protokołem. Po drugie, koszty i pracochłonność dostosowania pozostałej części systemu do nowego protokołu spowodowałyby, że moje rozwiązanie nie byłoby stosowane.

Należało więc rozpocząć budowanie systemu od warstwy wyższej, umożliwiając jego współpracę z istniejącymi rozwiązaniami. W szczególności konieczne jest zapewnienie bezproblemowej współpracy z systemem SZARP, zainstalowanym między innymi właśnie w ciepłowni w Bytowie. Współpraca ta nie powinna wymagać żadnych zmian w pozostałej części systemu, gdyż konieczność ich wprowadzania oznacza po prostu dodatkowe koszty, a w przypadku instalacji na większej liczbie obiektów byłaby także bardzo uciążliwa.

2.4 Rozproszenie instalacji, źródeł danych i klientów

Architektura systemu komputerowego zainstalowanego w danym obiekcie przemysłowym może być bardzo różna. Często jest ona uwarunkowana różnymi czynnikami natury technicznej (na przykład klasa zainstalowanego sprzętu komputerowego) czy nawet historycznej, kiedy początkowo mały system jest rozbudowywany z zachowaniem zgodności wstecz. Nie można zakładać, że serwer przetwarzający dane dla potrzeb mojego systemu, serwer zbierający dane i klient oglądający dane znajdują się na tej samej fizycznej maszynie, czy nawet w tej samej sieci lokalnej.

Nie można także zakładać, że dane prezentowane na jednym schemacie pochodzą z jednego systemu zbierającego dane (ograniczenie to występuje na przykład w obecnych aplikacjach systemu SZARP i jest dość kłopotliwe). System powinien nakładać jak najmniejsze ograniczenia na lokalizację poszczególnych jego elementów.

2.5 Dostęp przez Internet

Prostą konsekwencją poprzedniego wymagania, w odniesieniu do klientów, jest możliwość dostępu do danych prezentowanych przez system przez sieć Internet. I to nie za pomocą specjalizowanego oprogramowania, ale zwykłej przeglądarki stron WWW. Pozwala to na dostęp do danych praktycznie z dowolnego miejsca na świecie, z komputera dowolnego typu lub innego urządzenia wyposażonego w przeglądarkę WWW. Zwalnia to z konieczności instalacji dodatkowego oprogramowania w każdym miejscu, z którego chcemy mieć dostęp do systemu. Umożliwia oglądanie danych z domu czy na urlopie, w kafejce internetowej.

Ten sposób dostępu nie musi oferować pełnej funkcjonalności systemu.

2.6 Niezależność od platformy sprzętowej i programowej po stronie klienta

Nie zawsze do przeglądania danych prezentowanych przez system używa się dedykowanych komputerów. Zwykle przynajmniej część z nich pełni także inne funkcje, są używane na przykład do prac biurowych. Różnie jest także z wydajnością tych maszyn. O ile więc w sterowni można postawić dedykowany komputer, to nie powinno się wymuszać zmiany systemu operacyjnego czy samego komputera stojącego na przykład na biurku dyrektora zakładu. W związku z tym należy zapewnić możliwość wykorzystania jako klientów jak najszerszej klasy komputerów z zainstalowanymi różnymi systemami operacyjnymi. W tej chwili oznacza to właściwie możliwość stosowania różnych wersji systemu Microsoft Windows oraz GNU/Linux (pod kontrolą systemu Linux działa SZARP).

2.7 Stabilność i niezawodność

System wizualizacji nie jest elementem krytycznym, niezbędnym do prawidłowego przebiegu procesu przemysłowego. Oczywiście powinien prezentować prawidłowe wartości parametrów, gdyż na ich podstawie mogą być podejmowane decyzje. Zwykle jednak dostępne są także inne źródła informacji -- panele na szafach ze sterownikami, czy też aplikacja Raporter systemu SZARP, prezentująca dane w postaci tekstowej. Tak więc wymagania dotyczące stabilności i niezawodności sprowadzają się właściwie do zapewnienia komfortu użytkownikowi, a więc na przykład niezawieszania się systemu.

Nieco istotniejszą sprawą jest niezawodność w przypadku ustawiania wartości parametrów. Kontrola poprawności podanych przez operatora danych należy jednak do niższych warstw systemu. Wymagania sprowadzają się więc do prawidłowego przekazania wartości podanej przez operatora niższym warstwom systemu.

Jak każde oprogramowanie obsługiwane przez człowieka, system powinien charakteryzować się odpornością na błędy obsługi. W tym wypadku nie powinno to być problemem, gdyż interakcja z użytkownikiem sprowadza się głównie do prezentacji żądanych przez niego danych.

2.8 Wydajność

Procesy technologiczne, z jakimi mamy do czynienia w ciepłowniach, należą do tzw. wolnozmiennych. Na przykład w systemie SZARP dane ze sterowników zbierane są co sekundę, prezentowane użytkownikowi jako średnie dziesięciosekundowe, a do bazy zapisywane co dziesięć minut. Z danych przetwarzanych przez system korzystają operatorzy -- ludzie. Tu także mamy więc do czynienia z czasem reakcji rzędu sekund. Tak więc oczekiwana wydajność jest znów określana głównie przez komfort pracy użytkownika -- powinien on mieć wrażenie płynnego napływu danych.

Obsługa mniejszych przedziałów czasowych wymagałaby zupełnie innego podejścia, w tym stosowania na przykład systemu operacyjnego czasu rzeczywistego.

2.9 Bezpieczeństwo

Ze względu na ,,niekrytyczność'' systemu prezentowania danych (zobacz p. 2.7) wymagania dotyczące bezpieczeństwa nie są zbyt ostre. W szczególności nie jest wymagane zapewnienie niemożności podglądania danych przez osoby trzecie, choć taka możliwość byłaby dodatkowym atutem. Natomiast dużo większe wymagania mamy wobec ustawiania parametrów -- taką możliwość powinny mieć tylko osoby uprawnione. Należy się też zabezpieczyć przed świadomymi próbami włamania w celu ustawienia wartości parametru. Oznacza to konieczność autoryzacji i szyfrowania połączenia (zwłaszcza, jeżeli ma ono miejsce poza siecią lokalną).

Ewentualne włamanie nie powinno prowadzić do bardzo poważnych konsekwencji (typu wysadzenie kotła) ze względu na różne zabezpieczenia (elektroniczne i mechaniczne) w niższych warstwach systemu, w tym sprzętowej. Nie musi to być jednak prawdą w innego rodzaju zakładach przemysłowych (nie ciepłowni). Poza tym zawsze może mieć kłopotliwe skutki dla obsługi i odbiorców ciepła (na przykład ustawienie innej zadanej temperatury wyjściowej wody z ciepłowni).

2.10 Wymagania sprzętowe wobec serwera

O ile to możliwe, należy zapewnić możliwość instalacji części serwerowej systemu na istniejącym sprzęcie, np. komputerze, na którym działa system SZARP. Komputery te działają pod kontrolą systemu GNU/Linux i nie zawsze są to jednostki najnowsze, o wyśrubowanych parametrach wydajnościowych. System powinien więc działać sprawnie i szybko na niekoniecznie najnowszym komputerze, jako jedno z wielu uruchomionych w systemie zadań. ,,Sprawnie i szybko'' odnosi się tu znów głównie do wrażenia, jakie mają odnieść użytkownicy.

2.11 Łatwość instalacji i konfiguracji

Tak jak pisałem w p. 2.3, ideałem byłaby możliwość instalacji i konfiguracji systemu bez wprowadzania żadnych zmian do bazowego systemu typu SCADA. Instalacja powinna być na tyle prosta, aby była możliwa do wykonania także przez osobę nie posiadającą specjalistycznej wiedzy o systemie. Nie powinna także wymagać instalacji dużej ilości dodatkowego oprogramowania czy bibliotek. Do minimum powinna być ograniczona liczba koniecznych do ustawienia opcji konfiguracyjnych, zwłaszcza, że większość informacji powinno się uzyskać automatycznie od systemu bazowego.

System powinien być też odporny na zmiany w konfiguracji systemu bazowego. Nie do zaakceptowania byłby fakt konieczności modyfikacji wszystkich schematów po dodaniu nowego parametru do systemu.

Ma to szczególne znaczenie w sytuacji, gdy większość zmian w konfiguracji wykonuje się zdalnie (w tym czasami za pomocą połączenia przez modem).

2.12 Łatwość tworzenia schematów

Obecna wersja systemu SZARP jest wyposażona w program do wizualizacji, pod nazwą Schemat. Nie jest on już w tej chwili oferowany ciepłowniom, z kilku względów. Pod względem szaty graficznej i możliwości ustępuje on produktom konkurencji. Najbardziej kłopotliwy jest jednak sposób tworzenia schematów. Zapisywane są one w pliku tekstowym, w dość skomplikowanym formacie, jako lista linii, prostokątów, kół itp. oraz odwołań do tekstowych wartości parametrów. Edycja schematu polega na edycji tego pliku tekstowego. Dodanie nowego parametru może powodować konieczność zmiany schematów, nawet jeśli nie zawierają one tego parametru. Tak więc projektowanie i modyfikacja schematów są bardzo żmudne.

Realizowany system powinien być pozbawiony tych wad. W szczególności konieczne jest narzędzie do wizualnego projektowania i edycji schematów. Najlepiej, aby było ono na tyle proste, żeby schematy mogli tworzyć czy poprawiać sami użytkownicy. Przydałaby się także możliwość importowania rysunków wektorowych zapisanych w innych formatach.

2.13 Atrakcyjność wizualna

Podstawowym zadaniem systemu jest prezentowanie danych w postaci graficznej. Oczywiście jakość wyświetlanej grafiki nie ma znaczenia dla merytorycznej zawartości schematu. Jest jednak tym, co najbardziej rzuca się w oczy i w tego typu oprogramowaniu jest głównym kryterium oceny programu przez docelowego użytkownika.

Ostateczne efekty zależą co prawda głównie od autora konkretnego schematu, ważne jest jednak, aby umożliwić mu osiągnięcie pożądanych efektów, między innymi przez udostępnienie dobrych narzędzi do tworzenia schematów i bogatego języka do ich zapisywania.

2.14 Współpraca z innymi systemami zbierania danych

Implementacja systemu odbywa się w oparciu o system SZARP. Jednak pożądana byłaby możliwość w miarę prostego dostosowania go do współpracy z innymi systemami typu SCADA lub wykorzystania w innej roli, do prezentacji danych innego rodzaju (np. graficzna prezentacja obciążenia komputerów w sieci).

2.15 Możliwość implementacji w ramach pracy magisterskiej

Istniejące komercyjne systemy wizualizacji przemysłowej są dużymi projektami programistycznymi, tworzonymi przy współudziale zespołu programistów i z zaangażowaniem dużego kapitału. Realizowany system nie powinien funkcjonalnie zbyt od nich odbiegać. Jednocześnie projekt musi umożliwiać stworzenie systemu w ramach pracy magisterskiej -- a więc przez jedną osobę, w okresie kilku miesięcy.

1: Pojedynczy dokument, zawierający informację o wartościach parametrów oraz inne elementy graficzne, nazywam schematem.