Upravljanje procesom preko WEB aplikacije

Stipe Predani, Danijel Mari, Goran Mali Elektrotehniki odjel

Tehniko veleuilite u Zagrebu Vrbik 8, Zagreb, Hrvatska

Telefon: 01-5595 327 E-mail: stipe.predanic@tvz.hr Saetak - Internet aplikacije sve vie ulaze u podruje industrijske vizualizacije i time nekad strogo zatvorene SCADA sustave, te tako proiruju mogunost kontrole nad procesom sa bilo kojeg raunala uz visoki stupanj sigurnosti.

U ovom radu je opisana primjena OPC servera, koji omoguuje razmjenu podataka izmeu industrijskih raunala (PLC) razliitih proizvoaa i web aplikacije. Time je pokazana mogunost razvoja vlastite web aplikacije preko koje se moe vriti potpuna kontrola i dijagnostika nad proizvodnim procesom (SCADA).

Mogunosti ovakvog sustava su testirane i izvedene u laboratorijskim uvjetima Tehnikog veleuilita u Zagrebu na primjeru vizualizacije, nadzora i upravljanja sustava iji su pojedini dijelovi lokalno kontrolirani PLC ureajima razliitih tvrtki. Kontrolirani sustav se takoer sastoji od niza senzora i aktuatora preko kojih se prate procesne veliine i pogoni sustav.

I. UVOD

Sustavi za nadzor i upravljanje proizvodnih procesa vaganja, mijeanja i skladitenja sipkastih materijala u dananje vrijeme automatizirani su uporabom programirljivih logikih kontrolera (engl. Programmable Logic Controller PLC) centralno upravljanih preko SCADA (engl. Supervisory Control And Data Acquisition) sustava. Sustav mijeanja i distribucije arnog procesa uzet je kao primjer vizualizacije, nadzora i upravljanja tehnikim procesom. Izraenim SCADA sustavom, instaliranim na serverskom raunalu, moe se upravljati preko bilo kojeg PC raunala na ethernet raunalnoj mrei. Programska podrka je izraena tako da se svemu pristupa preko WEB suelja, odnosno sustav upravljanja i nadzora je izveden tako da mu se moe pristupiti sa svih raunala unutar ili izvan tvrtke uz dovoljnu mjeru sigurnosti. Operater na ekranu moe vidjeti sve relevantne podatke o procesnim veliinama sustava i uz koritenje mia i tipkovnice moe zadavati veliine. eljene recepture mjeavine alju se u upravljaki ureaj. Koristei podatke sa senzora u procesnim ureajima (spremnici, vage), te podatke dobivene iz SCADA sustava, upravljaki ureaj obavlja izraun potrebnog vremena mijeanja i putanje prema spremnicima. U sluaju krivog rada sustava, PLC alje alarmna stanja SCADA sustavu, kako bi ih operater registrirao na runom raunalu. Kako se ne radi o vremenski kritinim procesima, odziv raunalnog sustava na stvarne promjene procesnih veliina nije od vanosti ako se kree unutar desetak sekundi, to je i postignuto.

II. IDEJNO RJEENJE PROCESA

U industriji u kojoj se odvijaju procesi mijeanja i skladitenja sipkastih materijala vrlo esto se susree

problematika upravljanja dijelovima procesa s razliitim industrijskim raunalima razliitih proizvoaa. U ovom simuliranom laboratorijskom modelu prikazan je jedan takav (Sl. 1.).

Sl. 1. Shema procesa

Prvi dio procesa je kontrola stanja dvaju spremnika (1) koji u sebi sadre prakastu komponentu A i komponentu B. Kontrola se vri preko ultrazvunih senzora razine koji daju kontinuirani analogni signal o razini materijala u spremniku.

Drugi dio procesa je vaganje prakastih komponenti preko arne vage (3). Prakasti materijal nakon otvaranja automatskog ON/OFF ventila (2) slobodnim padom odlazi u korito vage. Vaga na PLC alje analogni signal proporcionalan masi materijala. Koliina materijala pojedine komponente koja se mijea u ari zadaje se preko SCADA sustava. Nakon vaganja materijal se isputa u mjea (4) gdje se obje komponente izmjeaju u odreenom omjeru prema recepturi.

Trei dio procesa je distribucija prakaste mjeavine isputanjem iste nakon otvaranja automatskog ON/OFF ventila (5) slobodnim padom u zrana korita po kojima materijal 'klizi' do silosa. Na silosima (6) imamo ultrazvune senzore razine koji daju kontinuirani analogni signal o stanju razine u silosu. Isputanje materijala iz spremnika prema daljnjoj obradi vri se preko automatskog ON/OFF ventila (7). Na vrhu svih spremnika su sigurnosni senzori prepunjenosti silosa koji digitalnim signalom signaliziraju prepunjenost spremnika.

Procesom mijeanja dviju komponenti, odnosno nadzora skladitenja komponenti, njihovog vaganja i mijeanja are upravlja PLC serije SLC-5/03 proizvoaa Allen-Bradley. Procesom distribucije sipkaste mjeavine do

spremnika (silosa), te praenjem stanja spremnika i distribucije materijala dalje u proces pakiranja upravlja PLC serije S7-300 proizvoaa Siemens.

Operater nad SCADA sustavom pomou otvaranja i zatvaranja ventila te odreivanjem mase prakastih materijala odreuje sastav are i prema potrebi aru distribuira prema odreenim spremnicima.

III. PROGRAMSKA PODRKA

Podaci koji se prikazuju u obliku web stranica pohranjeni su na serverskom raunalu. Kako bi doli do njih, Internet pretraivaem poput Internet Explorera pristupamo serveru koristei HTTP (engl. Hypertext Transfer Protocol) protokol. Ovaj protokol definira prijenos podataka koji su prikazani opisnim HTML (engl. HyperText Markup Language) jezikom. Za prikaz podataka na webu potrebno je aplikacijski spojiti OPC (engl. OLE for Process Control) server i HTTP server, odnosno podatke iz OPC servera oblikovati u HTML obliku. Za uvijek tone podatke potrebno je automatski generirati HTML po poticaju od HTTP servera tj. po pristupu na web stranicu. Generiranje HTML stranice obavlja web aplikacija, napisana u nekom programskom jeziku. Spoj je mogue ostvariti na dva naina:

A) web aplikacija koja priprema podatke u HTML-u direktno komunicira sa OPC serverom. Web aplikacija i HTTP server se nalaze na istom raunalu kao i podeeni OPC server (Sl. 2.).

Sl. 2. Direktna komunikacija web aplikacije i OPC servera

B) meuaplikacija (proxy) komunicira sa OPC serverom i centralnom aplikacijom u kojoj se spremaju svi podaci. Web aplikacija komunicira sa centralnom aplikacijom, od koje dobiva podatke, te kojoj alje upravljake podatke (Sl. 3.).

Sl. 3. Sustav sa centralnom aplikacijom i meuaplikacijama

Odabrana je druga opciju u kojoj web aplikacija komunicira s OPC serverom posredstvom meuaplikacija. Ova solucija je odabrana zbog mogunosti prikaza podataka iz vie raunala koji su na PLC spojeni direktno, npr. RS-232 protokolom. Takoer, upotrebom standardnih alata raunalo na koje je spojen PLC bi moralo imati i pristup Internetu, to je sa sigurnosnog stajalita nepraktino. Centralna aplikacija jedina treba imati pristup Internetu, dok se za komunikaciju sa meuaplikacijama moe koristiti bilo koji protokol (npr. Ethernet). Uz prikaz podataka putem weba, centralna aplikacija postavlja platformu i za druge oblike komunikacije (npr. e-mail, SMS).

Ralanjujui dijelove sustava potrebno je podesiti: 1) OPC server: Uobiajno je da se u industriji koriste ureaji razliitih proizvoaa i vie razliitih nadzornih i upravljakih aplikacija koje su neovisno razvile razliite kompanije. Problem se javlja kad je potrebno sve te razliite ureaje i njihove programske aplikacije povezati u jedinstvenu cjelinu, kojom bi se obuhvatilo upravljanje kompletnim procesom. Da bi se prevladao ovaj problem razvijeno je standardno suelje (OPC) za komunikaciju izmeu ovakvih sustava. OPC se definira kao otvoren industrijski standard temeljen na tehnologijama OLE (engl. Object-Linking and Embedding), DCOM (COM) (engl. Distributed Component Object Model) i ActiveX, koji osiguravaju operabilnost izmeu razliitih ureaja, sustava za automatizaciju, kontrolu i vizualizaciju. Postojanje ovakvog standarda omoguava razliitim programskim aplikacijama da slobodno komuniciraju s razliitim ureajima, ili drugim upravljakim i nadzornim aplikacijama [1].

Premda je OPC server primarno napravljen za dobivanje podataka preko mrene strukture, moe se upotrebljavati i na druge naine. Na najnioj razini moe direktno preuzimati stanja ulaza/izlaza stvarnog ureaja (PLC) ili s postojeeg SCADA sustava prema nadreenoj aplikaciji. Takva struktura omoguuje korisniku da preuzima podatke s vie OPC servera koji su spojeni na ureaje i SCADA sustave raznih proizvoaa i sve skupa spojiti u jednoj korisnikoj aplikaciji.

Za rad sa OPC serverima koriste se serverske aplikacije instalirane na serverskom raunalu. Cilj serverske aplikacije je da prikuplja podatke s fizikih ulaza/izlaza ureaja (engl. Physical device) pri svakoj njihovoj promjeni (engl. Change of State) i opsluuje radne aplikacije (SCADA) traenom brzinom osvjeavanja podataka. U daljnjem tekstu opisan je rad i podeavanje serverskih aplikacija koritenih u ovom rjeenju.

A. RSLinx OPC server

OPC serverska aplikacija koju koristimo prilikom rada s

Allen-Bradley programabilnom logikim kontrolerima je RSLinx (RSLinx OPC server). RSLinx komunikacijska aplikacija omoguuje spajanje i izmjenu podataka s kompletnim spektrom proizvoda tvrtke Allen-Bradley te njihovu dostupnost preko OPC servera s raznim aplikacijama.

Podeavanje OPC servera je vrlo jednostavno i izvodi se u prozoru Topic configuration (odabir DDE/OPC> Topic Configuration). Prvo se u izborniku Data Source imenuje objekt (engl. Topic) koji se prati te mu se dodijeli ureaj

kojeg e predstavljati u OPC serveru odnosno sa kojeg e se prikupljati/slati podaci (Sl. 4.). U odabranom rjeenju objektu UNTITLED je dodijeljen PLC spojen lokalno na serijski port.

Sl. 4. Objekt povezan s ureajem

Takoer, u izborniku Data collection se podeavaju parametri ureaja s kojim se povezujemo npr. tip procesora (u ovom sluaju SLC-5/03), brzina uzorkovanja (osvjeavanja) podataka i sl. U posljednjem izborniku Advanced communication odabire se tip komunikacije s ureajem (u ovom sluaju AB_DF1-1), te nain adresiranja (engl. local/remote).

Nakon odgovarajuih podeenja u navednim izbornicima kreiran je objekt koji je vrsto povezan s ureajem s kojeg prati parametre i moe ga se pod njegovim imenom pozvati iz RSLinx OPC servera. Nain pozivanja objekta iz OPC servera ovisi o aplikaciji koja se koristi.

Rad podeenog OPC servera mogue je testirati pomou aplikacije OPC Test Client koja je sastavni dio RSLinx komunikacijskog paketa.

B. SIMATIC NET OPC server

Prilikom rada sa Siemens programabilnim logikim

kontrolerima OPC server se podeava pomou aplikacija unutar SIMATIC NET programskog paketa. SIMATIC NET omoguuje spajanje i izmjenu podataka serverskog PC-a s kompletnim spektrom proizvoda tvrtke Siemens preko industrijskih komunikacijskih protokola koje koristi ta tvrtka [3].

U odabranom rjeenju OPC server komunicira sa S7 kontrolerom preko MPI adaptera i CP 5611 komunikacijske kartice ugraene na serversko raunalo. Podeavanje OPC servera za rad na serverskom raunalu kod ovog proizvoaa je neto kompliciranije. Na slian nain kako se definira sklopovska konfiguracija S7 kontrolera potrebno je definirati i konfiguraciju serverskog PC-a pomou aplikacije SIMATIC NCM PC Manager koja je sastavni dio SIMATIC NET programskog paketa. U ovoj aplikaciji prvo je potrebno ubaciti PC stanicu (odabir Insert> SIMATIC PC Station) u projekt u kojem se ve nalazi S7 kontroler s kojim se ele razmjenjivati podaci. U njezinoj sklopovskoj konfiguraciji se potom umetanjem komponeneta na mjesta u virtulanom montanom okviru definira konfiguracija koja predstavlja serversko raunalo. U ovom sluaju se iz kataloga sklopovlja na proizvoljna mjesta u montanom okviru umee OPC server i CP 5611 komunikacijska kartica (Sl. 5.). Budui da se CP 5611 primarno koristi kao suelje za Profibus komunikacijski protokol potrebno mu je u postavkama kartice dodijeliti MPI podmreu s pripadajuom adresom [4].

Sl. 5. Konfiguracija serverskog raunala

Takoer, u alatu NetPro kojem se pristupa iz sklopovske konfiguracije potrebno je kreirati vezu izmeu OPC servera i partnera s kojim razmjenjuje podatke, u ovom sluaju S7 kontrolera. U grafikom prikazu svih veza u projektu na simbolu PC stanice oznai se OPC server te se odabirom opcije Insert Connection automatski kreira veza, tipa S7 connection, izmeu OPC servera i S7 kontrolera (Sl. 6.). Ovime zavrava sklopovska konfiguracija PC stanice koju je takoer mogue napraviti i unutar SIMATIC Manager razvojnog okruenja [6].

Sl. 6. Veza izmeu OPC servera i S7 kontrolera

Podeavanje OPC servera zavrava se "uitavanjem" izraene konfiguracije u PC raunalo za to se koristi aplikacija Station Configuration Editor. U ovoj aplikaciji jednostvano se otvori file s ekstenzijom .XDB u kojem je spremljena izraena konfiguracija ime je OPC server u potpunosti konfiguriran (Slika 7.).

Sl. 7. Podeeni OPC server

Rad podeenog OPC servera mogue je testirati pomou aplikacije OPC Scout koja je sastavni dio SIMATIC NET programskog paketa.

2) Komunikacija OPC server - meuaplikacija: Meuaplikacije su napisane u programskom jeziku Basic u aplikaciji Visual Basic 6.0, kako bi se mogle pokrenuti na

gotovo svakom PC raunalu. Meuaplikacija sa OPC serverom komunicira upotrebom OPC standardizirane library datoteke, u ovom sluaju RSLinx OPC Server i Siemens OPC DAAutomation (Sl. 8.). Upotreba univerzalne library datoteke poput Kepware ServerX takoer je mogua.

Sl. 8. Postavljanje OPC library datoteke u VB

Po pokretanju meuaplikacije potrebno je spojiti se na podeeni OPC server, odrediti eljenu grupu i parametre koje elimo pregledati u grupi (Sl. 9.). Ovaj postupak je, zbog standardizacije, jednak za sve OPC servere, bez obzira na proizvoaa opreme.

Sl. 9. Osnovne VB naredbe za komunikaciju sa OPC serverom

Nazive grupa i eljene parametre (memorijske lokacije, ulaze, izlaze i dr.) postavljaju se prilikom podeavanja OPC servera. Iako su naredbe i postupak pristupa OPC serveru iz aplikacije neovisni o proizvoau, formati zapisa, grupa i parametara (engl. OPCItems) koji se ele koristiti u meuaplikaciji ovise o proizvoau koritenog PLC-a. Za pristup memorijskoj lokaciji u Siemens-ovom kontroleru koristi se zapis "S7:[S7 connection_1]MX5.0". Pritome je "S7 connection_1" veza izmeu OPC servera i S7 kontrolera kreirana prilikom podeavanja OPC servera, a MX5.0 eljena memorijska lokacija [5]. U Allen-Bradley-evim kontrolerima koristi se zapis "[UNTITLED]N7:0,L1,C1". Pritome je UNTITLED objekt stvoren prilikom podeavanja OPC servera, N7:0 eljena memorijska lokacija, dok ostali parametri odreuju veliinu memorije koja se promatra [2].

Meuaplikacija centralnoj aplikaciji alje podatke dobivene redovitim osvjeavanjem komunikacije sa OPC serverom. Na taj nain se prati svaka promjenu stanja memorijskih lokacija u PLC-u. Slanje zadanih vrijednosti na eljene memorijske lokacije u PLC-u vri se postavljanjem zahtjeva za novom vrijednou prema OPC serveru. Ova radnja se obavlja kada meuaplikacija od centralne aplikacije dobije novu eljenu vrijednost.

3) Komunikacija meuaplikacija Centralna aplikacija: Komunikacija izmeu meuaplikacije i centralne aplikacije izvedena je standardnim Telnet protokolom pokrenutim na visokom portu. Telnet protokol je najednostavniji oblik komunikacije na TCP/IP podatkovnim mreama Internetu i Ethernet baziranim lokalnim mreama. Kod ovog protokola podaci se prenose u tekstualnom obliku. Kako je eljena konana platforma web stranica, potrebno je prilagoditi te podatke u HTML oblik. Programski jezik PHP (engl. Hypertext Preprocessor) je jedan od najrairenijih jezika za pisanje web aplikacija, zbog svoje izrazite prilagoenosti HTML opisnom jeziku. Stoga je centralna aplikacija napisana u PHP-u, kako bi se maksimalno prilagodili podaci za web stranice, koje se generiraju u aplikaciji takoer napisanoj u PHP-u. Centralna aplikacija sa OPC meuaplikacijama i web PHP stranicama komunicira aljui poruke u obliku "PARAMETAR#VRIJEDNOST". Parametri su jednaki onima u meuaplikacijama, ime je olakano programiranje u bilo kojem jeziku, i otkrivanje moguih greaka. Tako npr. zapis "[UNTITLED]N7:0,L1,C1#10 " moe oznaavati vrijednost 10 na memorijskoj lokaciji N7:0 u Allen-Bradley-evom kontroleru ukoliko se podatak alje od meuaplikacije prema centralnoj aplikaciji, odnosno zahtjev za postavljanjem zadane vrijednosti ukoliko se alje od centralne aplikacije prema meuaplikaciji (Sl. 8.). Isto vrijedi i za izmjenu podataka u Siemens-ovom kontroleru. U vremenskoj domeni poruke sa podacima izmeu centralne aplikacije i meuaplikacije alju se odmah po izmjeni nekog od podataka izmjena u PLC-u osvjeava podatak u meuaplikaciji koja inicira izmjenu na centralnoj aplikaciji, odnosno web zahtjev za promjenom u centralnoj aplikaciji e odmah inicirati zahtjev za izmjenom na meuaplikaciji, odnosno u PLC-u. U lokalnim Ethernet TCP/IP mreama, vrijeme prolaska kroz cijeli sustav e biti par sekundi, no u sluaju vee mree ekanje na izmjenu moe trajati desetak sekundi.

Sl. 10. Vremenski dijagram komunikacije u sustavu

Sustav je isproban u laboratorijskim uvjetima te nisu postavljeni dodatni sigurnosni elementi. Telnet protokol podatke prenosi u obliku istog vidljivog teksta (engl. plaintext) koji omoguuje laki napad u sustav po putu komunikcije (npr. spajanjem na tvorniku raunalnu mreu) - i u pogledu pregleda i prekida komunikacije, pa ak i ubacivanjem lanih podataka napadom ovjek u sredini (engl. man-in-the-middle attack). Dodavanjem simetrinih ili asimetrinih algoritama kriptiranja poput AES-a (engl. Advanced Encryption Standard) ili RSA u obje aplikacije napadi pregledavanja i lairanja podataka mogu se sprijeiti. Prekid komunikacije moe se tada detektirati prekidom Telnet sesije koja koristi TCP (engl. Transfer Control Protocol) protokol. TCP protokol u

svojem radu potvruje svaku primljenu poruku, kako se podaci, u sluaju kvara u mrei, ne bi izgubili.

Sustavima u kojima postoji mogunost naruavanja sigurnosti izvana moe se, postavljanjem vatrozida, poveati sigurnost omoguavajui samo komunikaciju meuaplikacije i centralne aplikacije, titei koriteni OPC server (Sl. 9.). Vatrozid e blokirati sve pokuaje komunikacije sa Interneta i centralne aplikacije prema upravljakim posluiteljima, osim onih koji su potrebni za rad ovog sustava.

Sl. 11. Sustav s pojaanom sigurnou

IV. IZRAENA WEB APLIKACIJA

Konane web stranice mogu biti napisane u bilo kojem jeziku, zbog upotrebe standardnog Telnet protokola i definiranog oblika poruka. U ovom rjeenju odabran je programski jezik PHP. Zadaa web aplikacija je prilagoditi upravljake podatke za PLC kontrolere u oblik razumljiv centralnoj aplikaciji, i u obliku web stranice prikazati trenutno stanje PLC kontrolera. Stranica je izraena koristei CSS (engl. Cascade Style Sheets) kako bi se podaci prikazali intuitivno, kombinirajui model procesa i podatke iz PLC-ova (Sl. 10.).

Sl. 12. Izraena web stranica

Kako web stranice ne bi preopteretile centralnu aplikaciju zahtjevima, stranica se automatski redovito osvjeava (npr. svakih 15 sekundi), a podaci se po potrebi mogu, osvjeiti u bilo kojem trenutku. Podaci u centralnoj aplikaciji su uvijek toni, i osvjeavanje po elji obavlja samo prilagoavanje podataka web prikazu.

V. ZAKLJUAK

Aplikacijski web sustav nadgledanja i kontrole procesa prikazan u ovom radu ostvaren je u laboratorijskim uvjetima, te se prilikom testiranja pokazao kao zadovoljavajua i sasvim mogua zamjena za druge metode udaljenog upravljanja procesom, kakvog nude mnogi komercijalni SCADA sustavi. Koritenjem programskih razvojnih alata koje moemo nabaviti potpuno besplatno, omoguen je razvoj ovakvih aplikacija za manje sustave uz znatno niu cijenu. Takav pristup realizaciji SCADA sustava u potpunosti dokazuje da se danas za niz slinih sustava bespotrebno plaa komercijalna programska podrka, dok je sve to mogue razviti samostalno i gotovo jednako brzo.

Pokazani proces dokazuje kako je mogue upravljati sustavom koji se sastoji od PLC ureaja razliitih proizvoaa, zahvaljujui komunikaciji preko OPC servera. Naravno ovdje treba naglasiti da se radi o arnom i relativno sporom procesu, gdje brzina odziva raunalnog sustava nije kritina za upravljanje.

Tehnika rijeenja u kojima je omogueno spajanje razliitih PLC ureaja na ethernet mreu i komunikacija preko OPC servera sama po sebi uvjetuju koritenjem web servisa. Uz odreenu dozu sigurnosti pri koritenju mrenih aplikacija i uz uzimanje u obzir poznate mane kanjenja raunalnog sustava u odnosu na realni rad ovakvi sustavi sigurno pronalaze svoje mjesto na tritu.

LITERATURA [1] G. Mali: Programabilni logiki kontroleri, skripta za

kolegij Procesna raunala, Tehniko veleuilite u Zagrebu, Elektrotehniki odjel, Zagreb, 2006.

[2] Allen Bradley: MicroLogix 1500 Programmable Controllers User manual, Publication 1764-UM001B-EN-P, April 2002.

[3] Siemens: SIMATIC NET - Industrial Communication with PG/PC - Manual, Publication C79000-G8976-C172, Edition 11/2003.

[4] Siemens: Process Control System PCS 7 Network Diagnostics with the SNMP OPC Server - Manual, Publication C79000-G8976-C195, Edition 04/2004.

[5] Siemens: SIMATIC NET - Description of the OPC Client for Asynchronous Readsand Writes - Manual, Publication C79000-G8976-C172, Edition 11/2003.

[6] Hans Berger: Automating with STEP 7 in LAD and FBD, 3rd revised edition, Publicis Corporate Publishing, Berlin and Munich, 2005.