🥇Grafana+Zabbix: Визуализация на работата на производствената линия

В тази статия искам да споделя опита си с употребата на open source системите Zabbix и Grafana за визуализация на работата на производствените линии. Информацията може да е полезна за тези, които търсят бърз начин за визуално представяне или анализ на събраните данни в проекти за индустриална автоматизация или IoT. Статията не представлява подробно ръководство, а по-скоро концепция за система за мониторинг, базирана на отворен софтуер за производствени предприятия.

Инструменти

Zabbix – използваме го отдавна за мониторинг на ИТ инфраструктурата на завода. Системата се оказа толкова удобна и универсална, че започнахме да въвеждаме данни от производствените линии, сензори и контролери. Това ни позволи да съберем всички данни за метрики на едно място, да направим прости графики за разхода на ресурси и производителността на оборудването, но много ни липсваше аналитиката и красивите графики.

Grafana – това е мощен инструмент за анализ и визуализация на данни. Огромно количество плъгини позволяват извличане на данни от различни източници (zabbix, clickhouse, influxDB), обработването им в реално време (изчисляване на средни стойности, суми, разлики и т.н.) и рисуването на всевъзможни графики (от прости линии, спидометри, таблици до сложни схеми).

Draw.io – услуга, която позволява в онлайн редактора да нарисувате от проста блок-схема до план на помещения. Има много готови шаблони и нарисувани обекти. Данните могат да бъдат експортирани във всички основни графични формати или xml.

Събирайки всичко заедно

Има много статии как да инсталирате и настроите Grafana и Zabbix, ще разкажа за основните моменти на конфигурация.

На Zabbix сървър се създава „узел на мрежата“ (host), на който ще принадлежат „елементи от данни“ (item) с метрики от нашите сензори. Имената на узлите и елементите от данни е желателно да се обмислят предварително и да се направят максимално структурирани, тъй като ще се обръщаме към тях от Grafana чрез регулярни изрази. Този подход е удобен, тъй като с една заявка можем да получим данни от група елементи.

За настройка на Grafana ще е необходимо да инсталирате допълнителни плъгини:

Zabbix от Alexander Zobnin (alexanderzobnin-zabbix-app) – интеграция с Zabbix
natel-discrete-panel – плъгин за дискретна визуализация на хоризонтален график
pierosavi-imageit-panel – плъгин за показване на данни върху собствена картинка
agenty-flowcharting-panel – плъгин за динамична визуализация на схеми от draw.io

Самата интеграция с Zabbix се настройва в Grafana, в менюто ConfigurationData sourcesZabbix. Там трябва да се посочи адреса на Zabbix API сървъра, при мен е http://zabbix.local/zabbix/api_jsonrpc.php, и потребителско име с парола за достъп. Ако всичко е направено правилно, при запазване на настройките ще се появи съобщение с номера на версията на API: Zabbix API version: 5.0.1

Създаваме Dashboard

Тук започва самата магия на Grafana и нейните плъгини.

Плъгин natel-discrete-panel
Имаме данни за статусите на двигателите на линиите (работи = 1, не работи = 0). С помощта на графика discrete можем да начертаем мащаб, на който ще бъде видно: статус на двигателя, колко време е работил в минути/часове или % и колко често е стартиран.

Визуализация на статусите на двигателите

Според мен, това е един от най-добрите графици за визуализация на производителността на оборудването. Веднага се вижда колко време е в неактивен режим, в кои режими работи по-често. Данните могат да бъдат много, има възможност за агрегация в диапазони, преобразуване по стойности (ако стойността е '1', да се показва като 'ON')

Плъгин pierosavi-imageit-panel

Imageit е удобен за използване, когато вече имате начертана схема или план на помещението, върху която искате да нанесете данни от сензори. В настройките на визуализацията трябва да посочите URL адреса на картинката и да добавите нужните елементи sensor. Елементът се появява на картинката и може да бъде разположен в желаното място с мишката.

Схема на печката с метрики за температура и налягане

Плъгин agenty-flowcharting-panel

За създаването на визуализацията FlowCharting искам да разкажа по-подробно, тъй като това е невероятно функционален инструмент. Той позволява да се направи динамична мнемосхема, елементите на която ще реагират на стойностите на метриките (да променят цветя, положение, име и др.).

Получаване на данни

Създаването на всеки визуален елемент в Grafana започва с извличането на данни от източника, в нашия случай това е Zabbix. Чрез заявки трябва да получим всички метрики, които искаме да използваме в схемата. Реквизитите на метриките са имената на данните в Zabbix; можем да зададем или отделна метрика, или множество с филтриране чрез регулярни изрази. В моя пример полето Item съдържа израз: "\/([^линия 1]|наличие|кабачок)\/" - това означава: изберете всички метрики, чието име стриктно започва с "линия 1" или съдържа думата "наличие", или съдържа думата "кабачок".

Пример за настройка на заявка за данни за двигателите на първата линия и наличието на суровини.

Преобразуване на данни

Изходните данни понякога не са в формата, в който трябва да ги визуализираме. Например, имаме данни за теглото на продукта в резервоара (кг) на всяка минута и трябва да показваме скоростта на запълване в т/час. Правя го по следния начин: вземам данните за теглото и ги преобразувам с функцията Delta на Grafana, която изчислява разликата между стойностите на метриката, така текущото тегло става в кг/мин. След това умножавам по 0.06, за да преобразувам резултата в тона/час. Тъй като метриката за тегло се използва в няколко заявки, задавам ново псевдоним (setAlias) и ще го използвам в правилото за визуализация.

Пример за използване на параметъра delta и множителя и преименуване на метриката в заявката.

Ето още един пример за преобразуване на данни: трябва да преброя броя на замесите (началото на цикъла = стартиране на двигателя). Метриката се изчислява въз основа на статуса на двигателя "линия 1 - помпа за отводняване от резервоар 1 (статус)". Преобразуването: данните от началната метрика се променят с функцията Delta (разлика на стойностите), като по този начин в метриката ще има стойност "+1" за стартиране на двигателя, "-1" за спиране и "0" когато двигателят не променя статуса си. След това премахвам всички стойности по-малки от 1 и ги сумирам. В резултат на това получавам броя на стартиранията на двигателя.

Пример за преобразуване на данни от текущия статус в броя на стартиранията.

Сега относно самата визуализация.

В настройките за показване има бутон "Edit Draw", който стартира редактора, в който може да се нарисува схема. Всеки обект в схемата има свои параметри. Например, ако зададете настройки за шрифта в редактора - те ще се прилагат към визуализацията на данните в Grafana.

Така изглежда редакторът в Draw.io

След запазването на схемата, тя ще се появи в Grafana и ще можете да създавате правила за промяна на елементите.

В параметрите () посочваме:

Options — задава името на правилото (Rule name), името или псевдонима на метриката, данните от която ще бъдат използвани (Apply to metrics). Типът агрегация на данните (Aggregation) влияе на крайния резултат на метриката, така Last — означава, че ще бъде избрана последната стойност, avg — средната стойност за периода, избран в горния десен ъгъл.
Thresholds — параметър за прагова стойност, описва логиката за прилагане на цветове, т.е. избраният цвят ще бъде приложен към елементите на схемата в зависимост от данните на метриката. В примера ми при стойност на метриките «0» — статус «Ok» цветът ще бъде зелен, а при стойност «>1» статус Critical и цветът ще бъде червен.
Color/Tooltip Mappings» и «Label/Text Mappings» — избор на елемент от схемата и сценария на неговото поведение. В първия сценарий обектът ще бъде оцветен, а във втория — ще има текст с данни от метриката. За да изберете обект на схемата, трябва да натиснете знака на веригата и да кликнете с мишката върху схемата.

На този пример оцветявам помпата и стрелката й в червено, ако тя работи, и в зелено, ако не работи.

С помощта на приставката flowcharting успях да нарисувам схемата на цялата линия, на която:

цветовете на агрегатите се променят в съответствие със състоянието им
има сигнализация за отсъствие на продукт в резервоарите
показва настройките на частотите на двигателите
скоростта на запълване/изпразване на първия контейнер
се броят циклите на работа на линията (замеси)

Визуализация на работата на производствената линия

Резултат

Най-сложното за мен беше да получа данни от контролерите. Благодарение на универсалността на Zabbix по отношение на получаването на данни и гъвкавостта на Grafana чрез приставки, бяха нужни само няколко дни за създаване на комплексен мониторинг на производствената линия. Визуализацията предостави възможност за преглед на графики и статистики на състоянията, плюс лесен достъп чрез уеб на всички заинтересовани — всичко това позволи бързо откриване на тесни места и неефективно използване на агрегатите.

Заключение

Много ми хареса комбинацията Zabbix+Grafana и препоръчвам да се обърне внимание на нея, ако трябва бързо да обработите данни от контролери или сензори без програмиране или внедряване на сложни търговски продукти. Безусловно, това не може да замести професионалните SCADA системи, но ще бъде достатъчно като инструмент за централизирано мониторинг на цялото производство.

Източник: habr.com