Одним из важных аспектов в автоматизированных системах управления технологическими процессами является организация взаимодействия между человеком и программно-аппаратным комплексом. Обеспечение такого взаимодействия задача человеко-машинного интерфейса (далее HMI, Human Machine Interface), пример которого приведен на рис.1:

Рис.1 - Пример HMI для контроля и управления технологическим процессом

Тенденции современного мира предполагают широкое использование различных мобильных средств (планшетов, смартфонов) и, как следствие, применение веб-технологий. Они дают преимущество в платформо-независимости решений и предоставляют набор динамично развивающихся возможностей (SVG, HTML5 и т.д.) для построения HMI.

На рис.2 приведена схема одного из вариантов организации управления и контроля исполняемых прикладных программ на ПЛК (Программируемых логических контроллерах) с помощью HMI, реализованного с помощью веб-технологий:

микропроцессор интерфейс человеческий машинный прикладная программа

Рис.2 - Пример организации HMI, построенного на веб-технологиях

Передача данных с ПЛК для отображения необходимой информации в HMI реализована через локальную сеть Ethernet (по протоколу TCP/IP). Вся информация выводится в веб-браузер. Такая структура контроля и управления носит распределённый характер. Вычислительные комплексы, на которых расположены средства отображения HMI, могут находиться на любом расстоянии от ПЛК. В соответствии с клиент-серверной архитектурой, веб-совместимый ПЛК содержит не только прикладную программу управления и обработки данных, а также часть для предоставления данных для веб-интерфейса. [3]

Как следствие, важно обеспечить для ПЛК на микропроцессорах SPARC и "Эльбрус" возможность разработки человеко-машинного интерфейса для контроля и управления прикладными программами с учётом современных требований, перечисленных ранее.

Создание HMI в среде разработки Beremiz

Свободно-распространяемая среда разработки Beremiz с открытым исходным кодом, позволяет создавать прикладные программы для вычислительных комплексов с микропроцессорами на архитектуре SPARC (МЦСТ R500S, МЦСТ-4R) из операционной системы Windows, используя соответствующие кросс-компиляторы. [1] Так же имеется возможность использовать инструмент Beremiz на вычислительных комплексах с микропроцессорами "Эльбрус" для создания прикладных программ для ПЛК, построенных на этой же архитектуре.

Помимо создания прикладных программ, в соответствии со стандартом IEC 61131-3, среда разработки Beremiz позволяет быстро создать человеко-машинный интерфейс для управления ими. Данная возможность достигается использованием плагинов SVGUI или wxGlade GUI и библиотеки py_ext, входящих в состав Beremiz.

Плагин wxGlade GUI позволяет создавать HMI с помощью кросс-платформенной библиотеки пользовательских интерфейсов wxPython. Данная библиотека, благодаря своей открытости, может быть адаптирована и для вычислительных комплексов с архитектурой SPARC, и с архитектурой "Эльбрус". Но в данном случае управление и контроль прикладной программой будет осуществляться с того вычислительного комплекса на котором она выполняется.

Более перспективным и предоставляющим больше возможностей является использование плагина SVGUI, позволяющего реализовать HMI с помощью веб-приложения, построенного на SVG графике. Язык SVG предназначен для описания двумерной векторной и смешанной векторно/растровой графики в формате XML. Благодаря формату XML можно быстро и просто изменять параметры и атрибуты элементов SVG. [2]

Плагин SVGUI позволяет добавить в проект файл формата svg, в котором определен каркас HMI для создаваемой прикладной программы. Библиотека py_ext, написанная на языке C и Python, в свою очередь, позволяет с помощью языка Python производить взаимодействие серверной стороны (ПЛК) и клиентской (например, браузер на одном из вычислительных комплексов).

Для интеграции логики и алгоритмов программ на языках IEC 61131-3 с поведением человеко-машинного интерфейса, построенного на SVG графике, в стандартной библиотеке Beremiz имеется набор соответствующих функциональных блоков (см. рис.3).

Далее приводится кратное их описание.

Рис.3 - Функциональный блоки для построения HMI на SVG графики

Функциональный блок TextCtrl позволяет связать текстовый элемент SVG графики, имя которого определено во входном параметре back_id типа STRING (данный тип и далее все остальные соответствуют типам стандарта IEC 61131-3), для отображения входного текстового значения text.

Функциональный блок Button позволяет связать два графических примитива SVG графики, для реализации логики работы элемента "кнопка" в HMI. Данный функциональный блок имеет выходной параметр state_out типа BOOL. Для возможности использования данной кнопки в режиме переключателя ("тумблера") входной параметр toggle типа BOOL должен быть равен TRUE.

Функциональный блок Led позволяет связать два графических примитива SVG графики, для реализации логики работы светодиода в HMI. В зависимости от входного параметра state_in (типа BOOL), будет отображаться SVG элемент, либо с идентификатором, определённом во входном параметре back_id (типа STRING), если state_in равно FALSE, либо с идентификатором в параметре sele_id, если state_in равно TRUE.

Рассмотрим пример создания HMI в Beremiz, построенного с помощью существующих библиотечных элементов. В проект добавлен плагин SVGUI и импортирован файл формата svg (созданный, например, в редакторе Inkscape, запустить который можно прямо из добавленного в проект плагина SVGUI), содержащий следующие элементы:

- текстовое поле с идентификатором text_tempr для отображения температуры котла;

- два объекта с идентификаторами mdo_pin1_on и mdo_pin1_off для отображения двух состояний кнопки;

- два объекта с идентификаторами led1_on и led1_off для отображения двух состояний светодиода.

На рис.4 приведен пример программы, алгоритм которой написан на языке FBD с использованием функциональных блоков SVGUI.

Рис.4 - Программа на языке FBD с использованием функциональных блоков SVGUI

Идентификаторы SVG элементов, описанные выше, соединены с соответствующими функциональными блоками. Значение переменной temp_pin1 (соответствующее первому каналу с термопарой модуля аналогово ввода) будет выводиться в текстовый элемент SVG графики с идентификатором text_tempr. Так же показано, как состояние нажатой кнопки (выходное значение state_out) влияет на то, в каком состоянии светодиод Led1 и какой из элементов SVG графики (led1_on или led1_off) он отображает. После компиляции, передачи и запуска созданной прикладной программы на ПЛК, с помощью браузера (см. рис.5) можно управлять и наблюдать состояние частей FBD программы, интегрированной с визуальными элементами SVG графики, через функциональные блоки SVGUI.

Добавление в библиотеку собственного элемента HMI

В сфере промышленной автоматизации часто приходится решать узко-специализированные задачи, для которых не хватает стандартных средств. За счёт открытости Beremiz есть возможность добавления новых элементов человеко-машинного интерфейса. Добавление нового элемента HMI осуществляется расширением библиотеки функциональных блоков, используемых вместе с плагинами SVGUI. Далее следует краткий обзор реализации взаимодействия SVG элементов, отображаемых в браузере, с прикладными программами, исполняемыми на ПЛК.

Как уже упоминалось ранее, для того, чтобы была возможность отображать различные данные о выполнении прикладной программы на ПЛК с помощью веб-технологий (в частности вывод в браузер) необходимо иметь некоторую серверную часть, исполняемую на контроллере. В данном случае эта задача решается с помощью библиотеки Nevow, написанной на языке Python и позволяющей создавать серверную часть веб-приложений. В папке плагина SVGUI находится файл svgui_server. py, который содержит все необходимые импортируемые модули данной библиотеки для запуска серверной части, а так же следующие классы и методы:

- метод createSVGUIControl создания нового SVG элемента;

- методы setAttr, updateAttr, getAttr для установки, обновления и получения значения определённого атрибута SVG элемента;

- класс SVGUI_HMI представляющий "контейнер" для SVG элементов;

- класс SvguiWidget представляющий определённый SVG элемент.

Вызов перечисленных выше методов, осуществляться прямо из программ, написанных на языках IEC 61131-3 с помощью функционального блока python_eval библиотеки py_ext, позволяющего исполнять на языке Python любые команды и скрипты.

Описание поведения SVG элементов, отображаемых браузером, в зависимости от манипуляций пользователя или изменения каких-либо параметров на серверной стороне, осуществляется с помощью языка JavaScript. Для упрощения процесса добавления поведения нового элемента, его логику можно описать на языке Python. Код для уже имеющихся функциональных блоков определен в файле svguilib. py. В процессе компиляции прикладной программы логика каждого элемента будет преобразована, с помощью компилятора PyJS, в эквивалентный код на языке JavaScript.

Соответственно, решение задачи добавления нового HMI элемента предполагает:

- добавление описания нового функционального блока ("серверная" часть) на одном из языков стандарта IEC 61131-3;

- добавление логики поведения данного добавляемого элемента в SVG графике, отображаемой в графике, на языке Python ("клиентская" часть).

Далее рассмотрен пример добавления элемента Progress Bar (индикатор процесса), который отсутствует в библиотеке функциональных блоков Beremiz. Функциональный блок для данного элемента должен содержать следующие входные аргументы:

- идентификаторы SVG элементов (типа STRING), отображающие в целом ProgressBar и его текущее значение;

- минимальное, максимальное и текущее значение (тип UINT) для отображения на Progress Bar'е;

- цена минимального и максимального деления на шкале (тип UINT);

- ориентация ProgressBar'а (0 - вертикальная, любое другое число - горизонтальная), по умолчанию вертикальная.

Создан функциональный блок и реализовано его тело на языке ST стандарта IEC 61131-3. Часть исходного кода приведена ниже:

(* Формирование строки кода вызова метода createSVGUIControl для создания SVG *) (* элемента Progress Bar путём конкатенации всех входных параметров *) (* функционального блока *)

initCode: = CONCAT ('createSVGUIControl ("progressBar",pb_id="', pb_id, '", scale_id="', scale_id, '", orient="', orient, '",minv="', minv,'",maxv="', maxv, '",minor_sc="', minor_sc, '",major_sc="', major_sc,'", curv="',curv,'") ');

(* Вызов функционального блока initWidget типа python_eval для исполнения *)

(* кода, сформированного выше в строке initCode *)

initWidget (BOOL#1, initCode);

(* Получение из initWidget идентификатора созданного Progress Bar'а *)

ID: = initWidget. RESULT;

(* получение значения trig зависящего от флага flag и выходного параметра *)

(* ACK функционального блока initWidget, подтверждающего его выполнение *)

flag: = NOT flag;

trig: = AND (initWidget. ACK, flag);

(* установка текущего значения Progress Bar'а (метод setAttr) вызовом *)

(* функционального блока setValue типа python_eval *)

setValue (trig, CONCAT ('setAttr (', ID, ',"curv", ', curv, ') '));

Далее, в файле svguilib. py реализована логика работы SVG элемента на "стороне клиента", т.е. то, что отображается в браузере:

class progressBar:

def __init__ (self, parent, id, args): # метод вызываемый при создании

self. parent = parent # Progress Bar'а

self. id = id # идентификатор данного Progress Bar'а

self. pb = getSVGElementById (args. pb_id) # получение ID элемента SVG,

# отображ. в целом Progress Bar

self. scale = getSVGElementById (args. scale_id) # получение ID элемента SVG,

# отображ. индикатор

# код инициализации основных параметров: значение, мин. и макс значение,

# ориентация, цена минимального и максимального деления по шкале

self. createScale () # вызов метода создания шкалы для Progress Bar'а

self. updateElements () # вызов метода обновления графических атрибутов

def updateValues (self, values): # метод обновления отображаемого значения

if values. curv! = self. curv: # если значение изменилось

self. curv = values. curv

if self. orientation == 0: # если ориентация вертикальная

updateAttr (self. id, 'height', self. curv) # обновить высоту Progress Bar

else: # если ориентация горизонтальная

updateAttr (self. id, 'width', self. curv) # обновить ширину Progress Bar

self. updateElements () # вызов метода обновления графических атрибутов

def updateElements (self): # метод обновления графических атрибутов

if self. orientation == 0: # вертикальная ориентация

y = self. pb. getAttribute ("y") # получение положения Progress Bar'а по оси y

y_pos = self. max_value - self. curv + Number (y) # расчёт положения по оси y

# для индикатора

self. scale. setAttribute ("y", y_pos) # перемещение индикатора

self. scale. setAttribute ("height", self. curv) # изменение высоты индикатора

.

else: # горизонтальная ориентация

.

В результате реализован функциональный блок progressBar, который может быть использован для интеграции алгоритмов и логики программных модулей, написанных на языках стандарта IEC 61131-3, и человеко-машинного интерфейса, основанного на SVG графике.

Пример использования созданного функционального блока

Ниже представлен пример, демонстрирующий контроль и управление технологическим процессом, связанным с заполнением резервуара с водой. Имеются кнопки запуска/остановки наполнения резервуара, дополнительного насоса и ручной вызов аварийной сигнализации. С помощью созданного элемента Progress Bar отображается уровень воды в резервуаре. Часть описания реализации алгоритма и логики данного технологического процесса, в котором используется созданный элемент, на языке FBD, представлена на рис.5:

Рис.5 - Часть реализации управлением технологическим процессом на языке FBD

Человеко-машинный интерфейс прикладной программы отображается в браузере (см. рис.6), через который можно отслеживать выполнение технологического процесса и управлять им.

Рис.6 - Реализованный HMI с созданным элементом Progress Bar

Созданный элемент может быть использован аналогично стандартным элементам для реализации человеко-машинного интерфейса с помощью SVG графики в среде разработки Beremiz для любой задачи управления и контроля исполняемой прикладной программы.

Заключение