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隨著人機界面（HMI）之類的工業可視化工具正變得越來越開放化，變更管理和安全性能正越發受到人們的關注。HMI 能夠顯示過程數據和元數據，因此正確的安全預防措施需要根據不同的控制功能提供多種選擇。諸如OPC UA之類的標準以及其他一些更新穎的技術能夠讓過時的產品變得更靈活、更具有重用性，從而滿足最嚴苛的要求。 圖形化用戶界面的價值在現代控制系統中得到了充分的體現。HMI在自動化系統中的作用遠遠超出了那句格言：一圖勝千言。 HMI 往往被定義為一部機器中用于就地顯示的小型用戶界面；它可以被看成是機器中的一個嵌入式部件。相對而言，數據采集與監視控制系統（SCADA）則是一種多合一軟件包，他包含了多個組件，能夠從整體上對系統進行操作�？紤]到設計SCADA 軟件的復雜性，當它們朝著功能多樣化的方向發展時，軟件開發和管理的難度也迅速增加。目前，SCADA系統呈現出層次化的發展趨勢，而且能夠以相對獨立的專業化模塊的方式向用戶提供，例如歷史記錄模塊、通信服務器、用戶界面以及其他功能模塊。 用戶界面的作用是在方案策劃者和方案執行者之間建立一座聯系的橋梁。 如今的軟件允許用戶在同一個界面上啟動不同的操作。例如，你可以讓一臺數控機床開始鉆孔，也可以將200MW 的電能從一家工廠遠程傳輸到另一家工廠。這兩種情況下，操作員都只需要按下觸摸屏上的“確定”按鈕就能夠啟動操作。而且，這種HMI 界面能夠縮減開發和配置成本。 人機界面交互性 一個高效的人機互動界面需要提供以下功能： • 能夠反映過程表現和當前狀態——輸出界面 • 能夠接收操作員決策的傳感器——輸入界面 HMI 廠商可以運用3D 圖像、觸摸屏、語音識別、運動追蹤和其他許多技術。但有效的通信所包含的內容遠遠不止界面那么簡單。 自動化過程是動態的、由當前狀態決定的，因此界面必須提供充分的信息幫助相關人員作決策。為了實現這一目標，過程表現必須由過程變量及時反映，以使屏幕內容得到最佳調整，并將最重要的及時顯示出來。由于自動化系統添加了過程變量，相關人員必須慎重選擇控制系統的架構，使之更加可視化。 每個變量都具有一系列屬性：變量值、質量、時間戳和含義。前三項屬性的表示方法可以簡單也可以復雜，還可以通過數值與圖形結合的方式顯示在屏幕上。含義這一屬性往往不隨時間變化，因此這部分會在設計時被做死。舉例而言，一位操作人員可以通過屏幕上的一個特定部分與自動化制藥生產線上的一臺色譜分析儀進行通信。 不幸的是，這樣的安排太過局限以至于當我們更換HMI 設備時，無法對系統實施無縫改進和升級。尤其是當我們換用其他廠商的產品時，情況更是如此。而且，當我們遇到一臺可添加組件和多種附件的多功能設備時，這種不可更改的顯示方式就無從應對了。為了避免增加不必要的設計成本以及專用解決方案，下一代界面需要采用“語義HMI” 方式。一臺語義HMI 根據工廠中的測量和控制設備，諸如分析儀、PLC、DCS 等等，提供的元數據判斷過程變量的含義。元數據在包含實時過程數據的同時，還必須經過高智能語義HMI 處理。 過程界面互動性 如果兩臺設備需要協同工作，那么它們必須采用相同（廠家自己定義的或符合標準）的協議，并且通過通信基礎設施互相連接。由于各廠家定義的非公開解決方案會限制系統今后的擴展性，因此我們不推薦采用這類方案。雖然各家廠商都能夠為工廠級設備提供標準的協議，但不幸的是，在自動化領域已經出現了上百個“開放協議”。 為了克服這一缺點，OPC 基金會制定了OPC 規范，希望在通用操作系統、過程控制硬件及軟件之間建立起連接的橋梁。OPC 以間接通信的方式取代了工廠底層設備（過程）與過程數據用戶（HMI）間的直接通信。在流程控制行業，常用的通信協議數以百計。OPC規范以其顯著的特點為我們詮釋了“過程觀察者”這一概念。 OPC 規范并不是一套全新的、試圖在競爭中脫穎而出的協議。它是一種數據采集技術：一套精確包含了特定服務的接口，專門用來管理過程數據。它采用了Microsoft DCOM技術作為系統平臺實現這些服務。由于采用了DCOM 技術并且被整合到Microsoft Windows 操作系統家族中，OPC 成為了一個強大的、可重復使用的平臺，能夠支持通信并很好地應對安全問題。這一標準的主要缺點是無法獲得充足的過程元數據。 為了克服這一缺點并且從目前普遍被接受的DCOM標準遷移到一些新出現的技術上，OPC基金會開發了一套OPC統一架構（OPC UA）規范。這套面向服務的架構（SOA）采用了萬維網聯盟（W3C）定義的網絡服務。 OPC UA 能夠滿足現代控制系統的要求，因為它是： • 基于Internet 的技術； • 一個與平臺無關的標準，可以在任何系統（包括嵌入式系統）上使用； • 支持多種獲取過程變量的形式以及獲取元數據的對象模型； • 采用高效率的協議實現高速數據傳輸； • 適用范圍涵蓋了嵌入式應用到企業級的過程自動化； • 支持的工業應用很廣泛，并且正用于其他一些工業標準，例如PAT、OpenPLC、ISA95、ISA88、EDDL、MIMOSA、OAGiS 等等。 安全課題 HM（I 決策制定設備）和過程控制設備（決策執行設備）在連接方面會牽扯到很多技術控制工程網版權所有，例如RS-232 總線（位于包含Internet 的接線盒中）、無線連接等等。連接方式的多樣性只是對安全性能的一個考驗。安全性能強大與否還取決于被傳輸數據、數據源和用戶數據的正確性。 即使是在核電站這樣完全封閉的控制室內，我們在結束一天的工作之前都必須明確，如果出現任何問題，是誰來負責按下“確認”按鈕。另一方面，我們也不希望在緊要關頭看到屏幕上顯示這樣一條信息“你必須登陸 后才能繼續”。 安全HMI 在設計過程中需要添加一個合適的通信層。幸運的是，新的OPC UA 標準提供了現成的強大而有效的網絡安全技術。 CAS公司（OPC 基金會成員之一）的軟件架構師Maciej Zbrzezny 表示，OPC UA 對未來的開放式過程控制系統發展具有重要意義。CAS 提供的軟件通過三個簡單的步驟就能配置OPC UA ：設計信息模型（設計階段）、不通過編程將模型與過程變量綁定（配置階段）、獲得數據和元數據（運行階段），從而構筑起一套現成的方案。 擁有8000 個節點的過程控制系統 大多數現代HMI 都具備了先進的圖形界面、較高的分辨率、觸摸屏、高防護等級面板、更快速的處理器、整合現代操作系統等特點。然而作為一種決策設備，它們需要做的遠遠不止這些。 在波蘭Lodz（一個人口為750,000 的城市），全市的供熱網絡受控于一套過程控制系統。該系統所管轄的三家工廠總發熱量達到2,560MW，用于傳送熱水的管網總長大約為800 公里，交叉連接了8控制工程網版權所有,000 個左右的節點。這套控制系統最大的特點是開放、支持互操作性、能夠通過過程元數據靈活地獲取過程數據、有合適的安全防范措施可供 選擇。 OPC UA 之類的新標準與可反復使用的早期產品相結合，能夠滿足那些最高要求的應用。
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