Learning Objectives
- 說明 HMI 與 SCADA 的分工，以及標籤（tag）資料庫的角色
- 把畫面元件綁到標籤，用資料驅動畫面
- 設定告警的上限與遲滯，說明告警跳動是什麼、怎麼避免
- 說明告警的確認流程，以及歷史資料怎麼記錄
操作員看的是畫面，不是暫存器
到目前為止，我們都用 Python 直接讀寫 PLC 的位址。工廠裡的操作員不會這樣做，他們看的是畫面： 水塔畫成一個桶子、泵浦是一個會變色的圖示、水位過高時跳出一行紅字。這種「人與機器之間的介面」叫 HMI（Human-Machine Interface）。
| 名稱 | 通常在哪裡 | 做什麼 |
|---|---|---|
| HMI | 機台旁邊的觸控面板、操作站 | 顯示一台機器或一個區域的狀態，讓操作員下命令 |
| SCADA | 中控室的電腦與伺服器 | 監控整個廠區甚至遠端站點：收集資料、告警、歷史紀錄、報表 |
| DCS | 化工、電廠等連續製程 | 控制器與監控軟體整合成一套系統（這一課不細談） |
不管哪一種，核心都是標籤（tag）：一個有名字的資料點，例如 Tank.Level。標籤資料庫記下每個標籤的來源（哪台 PLC 的哪個位址）、
型別、換算方式與單位；畫面上的元件只要「綁」到標籤，資料一變，畫面就跟著變。
這一課要回答：
- 標籤資料庫要記錄哪些東西？
- 告警為什麼需要「遲滯」？
- 「確認告警」是什麼意思？歷史資料要怎麼記？
逐步看：一個最小的標籤資料庫
Python 版的「SCADA」：先寫一張標籤表，再寫一個 read_tag(名稱) 函數，畫面程式只用標籤名稱，不必知道位址。
模擬的水塔一開始水位偏低，PLC 在低水位時啟動泵浦；看第 3 次讀取時泵浦的狀態。
告警：上限、遲滯與跳動
最簡單的告警是「水位 > 80 % 就告警，≤ 80 % 就恢復」。問題是真實的量測值會晃動：水面有波浪、感測器有雜訊， 水位剛好在 80 % 附近時，值會在 79、81、79、82 之間跳來跳去，告警就一直發生、恢復、發生。這叫告警跳動（chattering）。
告警跳動的壞處不只是吵：操作員會習慣性地忽略它，真正重要的告警就淹沒在裡面。解法是遲滯（deadband）： 超過 80 % 才發生，但要低於 80 − 5 ＝ 75 % 才算恢復。下一個範例用同一串資料比較兩種設定。
告警發生後還有一件事：確認（acknowledge）。操作員按下「確認」，表示「我知道了、正在處理」，畫面就不再閃爍。 告警管理標準 ISA-18.2 描述的狀態大致是：
正常 ──超過上限──▶ 未確認（閃爍）──按確認──▶ 已確認 ──恢復──▶ 正常
│
└──沒人確認就恢復──▶ 已恢復、未確認 ──按確認──▶ 正常
「已恢復、未確認」很重要：就算問題已經自己消失，系統也要讓人知道「剛才發生過」。
逐步看：有沒有遲滯的差別
同一串 10 秒的水位，第一次不用遲滯，第二次用遲滯 5。看 events 串列：第一次有 4 個事件（跳動），第二次只有 2 個。
歷史資料與畫面設計
SCADA 的另一個核心是歷史資料庫（historian）：把標籤的值連同時間記下來，之後畫趨勢、做報表、追查事故。 記錄方式有兩種，常常混用：
- 固定週期：每 1 秒記一筆。簡單，但值不變時也一直記，資料量大。
- 變化才記錄：和上一次記錄的值相差超過設定的範圍才記一筆，再加上「至少每 N 分鐘記一次」，確定系統還活著。 這和第 15 課的訂閱是同一個想法。
畫面設計也有標準可以參考。高效能 HMI（ISA-101 等指引）建議：平常的畫面用灰色等低調的顏色， 醒目的顏色只留給異常，操作員一眼就能看到哪裡出問題；把數值和趨勢放在一起，讓人看得出「正在變好還是變壞」。 上面的練習畫面就是照這個想法配色的。
小測驗：標籤與畫面
工廠把舊 PLC 換成新的，水位改放在另一個位址。用標籤資料庫的 SCADA，要改哪裡？
依照高效能 HMI 的建議，下面哪一種配色比較好？
小測驗：告警與歷史資料
下面的程式用遲滯 3 判斷告警，會印出什麼？
active = False
count = 0
for v in [79, 81, 79, 82, 76, 81]:
if not active and v > 80:
active = True
count += 1
elif active and v < 80 - 3:
active = False
print(count)
操作員按下「確認告警」代表什麼？
下面的程式模擬「變化超過 1 才記錄」，會印出什麼？
log = []
for v in [50.0, 50.4, 50.8, 51.3, 51.5, 49.9]:
if not log or abs(v - log[-1]) > 1:
log.append(v)
print(log)
重點整理
- HMI 是機台旁的操作介面，SCADA 監控整個廠區並負責收集資料、告警、歷史紀錄與報表。
- 標籤資料庫：名稱 → 來源位址、型別、換算、單位。畫面元件綁標籤名稱，換設備時只改標籤表。
- 告警：超過上限發生；加遲滯避免在上限附近跳動；遲滯只要大過正常的晃動就好。
- 告警狀態：正常 → 未確認 → 已確認 → 恢復；沒人確認就恢復的是「已恢復、未確認」。
- 歷史資料：固定週期或變化才記錄（加上最長間隔），和訂閱是同一個想法。
- 高效能 HMI：平常灰色，顏色只留給異常。
下一課談這些系統的安全：Modbus 沒有認證時，怎麼用網路分區與白名單保護產線。