Ještě v nedávné minulosti byl svět programového vybavení pro průmyslovou automatizaci jednodušší. Existovaly jasně rozdělené oblasti působnosti jednotlivých kategorií programového vybavení:

• Na nejnižší úrovni to byly programy pro jednočipové řadiče nebo vestavěné řídicí počítače (firmware). Tyto programy mívají většinou výrobcem zařízení již pevně danou funkčnost, případně bývají jen velmi omezeně parametrizovatelné.

• Prostředním článkem bývaly obecně použitelné programovatelné automaty (PLC - Programmable Logic Controller) nebo specializované numerické řídicí jednotky strojů (CNC - Computer Numerical Control). Programovací model PLC je obvykle velice prostý - časovací jádro periodicky spouští sekvence interpretovaných instrukcí. Programovací jazyky do jisté míry připomínají instrukce programovatelných kalkulaček.

• Na vrcholu stávaly systémy pro operátorské řízení technologického procesu (SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition). Principy fungování těchto tzv. vizualizačních programů se většinou nezměnily - základem je tabulka datových elementů (či tagů, datových bodů, atd., každý výrobce má své pojmenování), jejíž data jsou cyklicky obnovována buď čtením hodnot z periferních zařízení nebo výpočtem z jiných elementů. Možnosti programování bývají velmi omezené, vesměs se jedná o pouhou parametrizaci fixního programu.

Toto členění a z něj plynoucí principy výstavby automatizačních projektů přetrvávaly dlouhá desetiletí. Každý člověk z oboru se v této struktuře dobře vyznal, věděl, co může od každé kategorie zařízení čekat, a také obvykle nevznikaly žádné pochyby, jak nový projekt koncipovat.

Doba ale pokročila, používáme mobilní telefony, přenosné počítače, kdekoliv právě jsme, máme k dispozici bezdrátové připojení na Internet, a především - všechna zařízení navzájem komunikují. Zde nám velký užitek přinášejí standardní a všeobecně přijaté komunikační protokoly a standardní programová rozhraní. Je docela pochopitelné, že uživatelé vyžadují takový komfort a vlastnosti, na které jsou zvyklí i po řešeních v oblasti průmyslové automatizace. Systémy vytvořené klasickými "historickými" prostředky mají pro dnešní dobu informačních a komunikačních technologií několik zatěžujících vlastností:

• Většina zařízení komunikuje prostřednictvím firemních proprietárních, často až nepochopitelně tajných a právně chráněných protokolů. Uživatel se tak stává "rukojmím" dodavatele zařízení a nemůže systém udržovat a rozvíjet podle svých představ, které se s časem a rozvojem technologií přirozeně mění.

• Používané programové vybavení není škálovatelné - pro různé kategorie aplikací je nutno používat různá vývojová prostředí a různé programovací modely a jazyky.

• Programové vybavení je obvykle svázáno se zařízeními stejného výrobce, není snadno propojitelné se systémy jiných dodavatelů a je obtížně zařaditelné pro informačního systému podniku.

• Systémy jsou jen obtížně rozšiřitelné o nová zařízení jiných výrobců.

• Funkčnost běžná v informačních technologiích (např. webová rozhraní, SMS zprávy, GPRS připojení, bezdrátové operátorské panely atd.) je realizovatelná jen komplikovanými způsoby, kter0 celý systém citelně prodražují. Tyto technologie obvykle nejsou přirozenou součástí použitých prostředků.

• Celé systémy se obvykle skládají z většího počtu zařízení a jsou podstatně dražší. Rovněž vývoj a další údržba programového vybavení jsou velmi nákladné.

Control Web a jeho předchůdci

Na počátku devadesátých let minulého století jsme při realizaci zakázek stále častěji naráželi na požadavky, které nebylo možno s použitím stávajících SCADA programů realizovat. Počítače standardu PC byly již tehdy dostatečně výkonné, spolehlivé a levné, ale programové vybavení za rozvojem počítačů zaostávalo. Začali jsme pracovat na programovém systému, který nebude omezen jen na vizualizaci a sběr dat na operátorských pracovištích, ale umožní vytvářet aplikace pro přímé řízení strojů v reálném čase, komplexní aplikace v oblasti simulace a modelování, zpracování dat v počítačových sítích atd. Měli jsme v té době štěstí na kolektiv špičkových odborníků z oblasti počítačové vědy a programovacích technik. Tradičními principy SCADA programů nebyla architektura našeho nově vznikajícího produktu pojmenovaného Control Panel nijak negativně ovlivněna. Díky tomu vznikl na svou dobu velmi progresivní produkt, jehož komponentová a objektově orientovaná koncepce se do dnešní doby ukazuje jako velmi silná.

Control Panel, to jsou programové komponenty ve výkoném víceúlohovém systému

V době vzniku tohoto produktu zde byl operační systém Windows 3.1 jako nadstavba nad DOSem, a tento operační systém jistě nebyl tím pravým prostředím pro trvalý provoz řídicích aplikací v reálném čase v průmyslovém prostředí. Proto byl pro Control Panel vytvořen vlastní operační systém, který pracoval v chráněném módu procesorů 286 a vyšších, virtualizoval paměť kódu i dat (pro data vytvářel odkládací soubor) a mohl spustit mnoho paralelně běžících úloh. Tento systém byl vybaven velmi kvalitním grafickým uživatelským rozhraním pracujícím s libovolně složitou hierarchickou strukturou oken na obrazovce (kéž by okna v současných Windows byla takto dobře použitelná:-(). Systém byl i na tehdejším hardware velice výkonný a především stabilní, aplikace v prostředí Control Panel bývaly běžně provozovány v nepřetržitých provozech několik let bez odstávky.

Také struktura systému Control Panel a principy tvorby aplikačního programu byly přelomové. V systému neexistovala žádná pevná programová smyčka periodicky obnovující data v poli tagů. Existovaly volně definovatelné datové elementy a tzv. virtuální přístroje, které dokázaly s těmito elementy pracovat. Virtuální přístroje zde jsou externími programovými komponentami, jejichž počet a vlastnosti nejsou systému při budování struktury aplikačního programu známy. Struktura aplikačního programu je tedy tvořena obecným stromem instancí virtuálních přístrojů, které jsou navzájem propojeny do stromů viditelnosti na obrazovce a do struktury časování a toku událostí. Pro každý virtuální přístroj je přístupná kompletní množina instancí datových elementů. Virtuální přístroje neví nic o tom, jak tyto datové elementy získávají data z periferních zařízení a pracují abstraktně se všemi elementy shodně. Ke komunikaci s periferními zařízeními slouží tzv. ovladače. Jsou to opět programové komponenty s abstraktním, i když v tomto přídadě celkem jednoduchým, procedurálním rozhraním. Při vývoji aplikace je tedy definována a popsána struktura instancí všech těchto typů komponent včetně všech jejich vzájemných vazeb. Systém Control Panel tedy pouze dokázal z aktuálně přítomných knihoven vytvářet a propojovat instance programových komponent do podoby aplikačního programu.

V dalších verzích systému bylo virtuálním přístrojům přidáno i dynamicky, tj. za běhu aplikace, detekovatelné rozhraní a vznikla tak další úroveň komunikace mezi jednotlivými programovými komponentami. Bylo tak možno vytvářet algoritmy i způsobem připomínajícím tradiční imperativní programovací jakyky, i když v tomto případě sekvence příkazů probíhaly na vysoké úrovni nad strukturou instancí mnohdy velmi komplexních komponent. Vznikl tak základ pro pružný a všestraný programovací jazyk OCL (Object Control Language).

Možnosti této technologie byly s vlastnostmi tehdy používaných SCADA programů nesrovnatelně mocnější a Control Panel byl uživateli velmi pozitivně přijat a sloužil všude tam, kde schopnosti tradičních systémů již nedosahovaly.

Příchod 32-bitových Windows a systém Control Web

S příchodem Windows NT se situace změnila. Byl zde stabilní operační systém, který byl dobře použitelný i pro trvalý běh aplikací v náročném nepřetržitém průmyslovém provozu. Existující systém Control Panel 3.1 byl převeden pod Windows pod názvem Control Web 3.1. Začala tak nová etapa rozvoje systému, charakterizovaná především rozvojem internetových technologií a komunikací vůbec.

Zatímco Control Web 3.1 byl z převážné části replikou systému Control Panel 3.1 pro Windows, další systém Control Web 4, známý pod výročním pojmenování Control Web 2000, přinesl intenzivní technický rozvoj. Koneckonců i nyní, po několika letech prodeje moderního systému Control Web 5, řada zákazníků stále žádá systém Control Web 2000. Tato verze přinesla možnosti přímé komunikace virtuálních přístrojů v počítačová síti, byla implementována rozhraní podle standardů OPC, ActiveX, ODBC, SQL a především do systému přibyla komponenta HTTP serveru s možností dynamického generování WWW stránek z běžícího aplikačního programu.

Control Web 2000 také přinesl možnost provozování aplikací v operačním systému Windows CE. Aplikace lze pohodlně vyvíjet na stolním PC s vývojovou verzí systému a poté z nich vygenerovat runtime pro veškeré platformy a používané procesory systému Windows CE. V jednom prostředí a stejným způsobem lze tedy na jedné straně vytvářet rozsáhlé aplikace pro clustery Windows Advanced Server a na straně druhé aplikace pro mobilní telefony a malé vestavěné počítače.

Asi nejrozsáhlejší změnou v historii vývoje systému byl příchod prostředí Control Web 5. Systém je nyní schopen vytvořit skupinu redundantních aplikací bez podpory nákladného serverového systému, pouze prostřednictvím propojení v jedné počítačové síti. Nově byl zaveden koncept datových sekcí, které v sobě zapouzdřují množinu datových elementů a umožňují nebo alespoň podstatně zjednodušují sdílení, zálohování a replikaci dat v síťovém prostředí. Řada vylepšení architektury zasahuje prakticky všechny části systému, mohutně je rozšířen také programovací jazyk OCL pro komunikaci mezi komponentami uvnitř aplikace.

Vizualizační schopnosti byly v páté verzi produktu rozšířeny o třírozměrný vykreslovací systém. Tento systém je postaven na principu klient - server. Vykreslovací server běží ve vlastním threadu a je schopen v reálném čase vykreslovat i velmi složité scény s mnoha efekty v téměř fotorealistické kvalitě. Využívá nejnovějších technologií počítačové grafiky, včetně shaderů běžících v grafických procesorech. Přitom, pokud není v aplikaci žádný 3D virtuální přístroj, nic z vykreslovacího systému není zaváděno do paměťového prostoru procesu. 3D systém tedy nemůže být na překážku ani u malých embedded systémů nevybavených možnostmi 3D grafiky. Tato nejdokonalejší současná technologie počítačové grafiky může podstatně zvýšit rychlost, působivost i přehlednost vizualizací.

Control Web se v současné verzi rozrostl do podoby mohutného a velmi všestranného systému, který asi málokdo dokáže využít v jeho plné šíři. Technologie skládání aplikací z programových komponent, jejíž první nástin jsme přinesli již v roce 1992, se ukázala jako nosná a dodneška velmi silná. To ostatně potvrzuje nejen historie tohoto produktu, ale vůbec celý současný vývoj v oblasti softwarového inženýrství.

Současnost - neomezený prostor pro vaše aplikace

Control Web vždy byl a dodnes je cenově atraktivní, proto je používán nejen v rozsáhlých aplikacích ve velkých firmách, ale i v malých a vestavěných aplikacích a také ve školách, ve vědě a výzkumu. Struktura typických aplikací se v poslední době podstatně změnila. Postupně ubývá zakázek, ve kterých je požadováno jen prosté operátorské pracoviště s vizualizací a případným sběrem dat. Požadavek rozhraní pro webové klienty je již samozřejmostí. Většina současných systémů je zapojena, často bezdrátově, do počítačových sítí, obvyklá je spolupráce s nějakým databázovým informačním systémem. Také se často systémy skládají z více částí, které spolu musejí komunikovat. Stále větší výhodou se tak stává to, že i malý vestavný systém je vybaven veškerými komunikačními kanály a jeho programové vybavení dokáže pracovat se všemi současnými standardy výměny dat. I malá vestavěná řídicí jednotka tak má k dispozici Ethernet, USB, Wi-Fi, Bluetooth a může obsahovat internetový HTTP server, ale současně také webový klient, dokáže posílat e-maily, posílat a přijímat SMS zprávy, komunikovat přes GPRS nebo radiové mosty, spolupracovat s Plug-and-Play zařízeními na rychlé USB atd. V řadě případů dokáže malý a levný průmyslový počítač nahradit kombinaci PLC a počítače pro operátorské řízení. Zde pak výhoda jednoho programového prostředí pro vývoj aplikací nabývá na ceně.

Control Web je programovým systémem, který dokáže vystupovat v mnoha rolích. Může pracovat v řídicích jednotkách strojů, může spojovat výrobní technologii s informačním systémem podniku, může být datovým serverem s mnoha webovými klienty, může modelovat a simulovat procesy, dokáže vytvářet náročné vizualizace a mnoho dalšího. Dokáže nám posloužit tak, jak zrovna potřebujeme.

To, že Control Web bezezbytku řeší veškerou funkčnost SCADA systémů je zřejmě. Podívejme se však na několik zajímavých příkladů, jak lze řešit zadání, která před nás staví současná epocha Internetu a globálních komunikací.

Control Web v roli firemního WWW serveru

Pro software pro průmyslovou automatizaci to asi není typické použití, ale velmi dobře nám dokládá vysoký výkon a schopnosti vestavěného HTTP serveru (HTTP server je jedním z mnoha dodávaných virtuálních přístrojů). Control Web dynamicky generuje WWW stránky z dat uložených v SQL databázi. Pro klienty na vnitřní síti server poskytuje pohodlné redakční rozhraní. Data se do systému doplňují prostřednictvím souborů ve formátu XML prostřednictvím redakčního rozhraní.

Control Web jako automatický registrační a aktivační server a webovým a SMS rozhraním

Control Web zde pomocí několika dodávaných komponent elegantně řeší požadavky, kladené na bezobslužný běh registračního a aktivačního serveru. Zákazník má možnost výběru ze tří automatických, tedy nevyžadujících komunikaci s živou operátorkou, mechanismů aktivace:

• Během aktivace si Control Web automaticky vymění data s aktivačním serverem. Komunikace probíhá prostřednictvím HTTP protokolu na všeobecně akceptovaném portu 80. Tento způsob je rychlý a zcela bezstarostný.

• Pomocí libovolného webového klienta se lze spojit s aktivačním serverem a získat tak aktivační kód.

• V místech bez internetové konektivity lze aktivačnímu serveru poslat SMS. Server zpětně pomocí SMS pošle aktivační kód.

Server poskytuje i další užitečné služby pro vnitřní síť i pro veřejný Internet. K databázovému serveru MS SQL je systém připojen ve vnitřní síti, na dalším Ethernetu je k dispozici veřejný Internet. SMS komunikace probíhá prostřednictvím GSM modemu Siemens a standardního SMS ovladače systému Control Web.

Control Web jako integrující systém laboratoře na Fakultě aplikované informatiky

Laboratoř integrované automatizace na Universitě Tomáše Bati ve Zlíně je vybavena unikátním informačním systémem. V laboratoři se nacházející experimentální zařízení jsou lokálně řízeny jak pomocí PLC Simatic, tak i průmyslovými počítači DataLab. Tato struktura je zastřešena počítačem se systémem Control Web, jehož jediným rozhraním pro vnější svět je HTTP server. Veškeré experimenty v rámci studia i výzkumu jsou prováděny prostřednictvím webových klientů v prostředí Internetu. Nejedná se ovšem o žádné modelování a simulaci, veškerá experimentální zařízení v laboratoři fyzicky existují. Control Web zde prokazuje svoji schopnost spojovat nejrůznější produkty do jediného spolupracujícího celku.

Control Web je natolik bohatým a komplexním systémem, jehož veškeré možnosti a vlastnosti není možno uceleně vysvětlit. Jen základní dokumentace má přes 2000 stran. Nikdo také pravděpodobně nevyužívá produkt v celé jeho šíři. Pro efektivní tvorbu aplikací ale naštěstí není nutno znát vše. Ikdyž se obvykle zabýváme jen tím, co zrovna pro dokončení svého úkolu potřebujeme, může nás uklidňovat pocit, že jakmile vznikne nový nečekaný požadavek, Control Web nabídne řešení. Nemusíme využít všechno, ale je dobré mít to k dispozici.

rc@mii.cz