Urządzenia HMI oraz inne rodzaje paneli sterowniczych przeznaczone dla operatorów urządzeń podlegają ewolucji i są wciąż rozwijane w celu połączenia najlepszych cech klasycznych paneli z nowoczesnymi technologiami komercyjnymi.
Urządzenia i panele sterownicze wspomagające operatorów maszyn i procesów przemysłowych są nieodłącznym elementem automatyki przemysłowej. Jednakże wiele produktów tej kategorii nie może w pełni pokazać swoich możliwości z powodu pewnych braków lub problemów natury implementacyjnej. Najnowsze rozwiązania bazują niejednokrotnie na koncepcji pracy na tzw. krawędzi lokalnej sieci przemysłowej (edge computing), mającej zastosowanie w przemyśle w różnych kluczowych aplikacjach i łączą w sobie najlepsze cechy klasycznych interfejsów z nowoczesnymi technologiami elektroniki konsumenckiej.
Przemysłowe systemy automatyki maszyn i procesów mają za zadanie monitorować stan i zarządzać urządzeniami, jak również sterować procesami. Konstruktorzy implementują te funkcje poprzez łączenie różnych technologii i modułów automatyki przemysłowej, takich jak czujniki i oprzyrządowanie, moduły wejścia/wyjścia oraz sterowniki cyfrowe. Nawet najbardziej zaawansowane maszyny nie działają jednak same, co oznacza, że w parze z każdym systemem automatyki musi iść istnienie panelu sterowania jako interfejsu przeznaczonego dla operatora.
Elektroniczne urządzenia pozwalające operatorom na interakcję z systemami automatyki stały się znane jako urządzenia typu interfejs człowiek-maszyna (HMI) lub też panele sterownicze. Dedykowane do konkretnego zastosowania urządzenia zbudowane na platformie niewykorzystującej komputera PC są nazywane terminalem interfejsu operatora (OIT).
Wykorzystanie tych urządzeń oraz systemów automatyki jest bardzo ważne z wielu powodów. Oferują one wiele więcej możliwości niż proste urządzenia panelowe, a jeśli zajdzie potrzeba wymiany, urządzenie tego typu może zostać ponownie skonfigurowane lub przeprogramowane mniejszym kosztem.
Jednakże mimo zwiększonej funkcjonalności rozwiązania te wciąż mają kilka wad, które wpływają na zwiększony koszt urządzenia oraz powodują trudności w utrzymaniu. Rozwiązaniem tych problemów w przypadku najnowszych urządzeń typu HMI jest funkcja uczenia się na podstawie danych i działań z przeszłości, wykorzystująca przy tym najnowsze technologie elektroniki konsumenckiej.
Wyzwania stojące przed tradycyjnymi urządzeniami HMI oraz OIT
Pierwsza generacja urządzeń HMI oraz OIT pozwalała użytkownikowi uruchamiać i zatrzymywać urządzenia, przeglądać aktywne procesy oraz wprowadzać poprawki.
Z czasem do listy funkcji dodano także możliwość ustawienia alarmów, prowadzenia rejestru zdarzeń, przechowywanie danych oraz wizualizację trendów. Konfiguracja urządzenia może być skopiowana i zapisana na nowym urządzeniu, więc interfejs może zostać względnie szybko zastąpiony nowym, jeśli stary uległ zniszczeniu lub awarii. Możliwość pracy w sieci, zwłaszcza Ethernet oraz WiFi, oznacza, że urządzenia HMI nie muszą być instalowane bezpośrednio przy maszynie. Daje to swobodę organizacji systemów monitorowania i sterowania, a w zakładzie można zainstalować kilka urządzeń HMI, by zapewnić odpowiednią liczbę paneli sterowniczych w sterowni, przy maszynach oraz w biurach.
Urządzenia HMI i OIT mają wiele zalet w porównaniu do przewodowych urządzeń panelowych, lecz mają również kilka wad, m.in. takich jak:
→ ograniczenia związane z urządzeniami i oprogramowaniem,
→ wysoki koszt zakupu,
→ koszty związane z utrzymaniem i wsparciem technicznym,
→ skomplikowana forma licencji i jej koszty,
→ niezbędne szkolenia dla inżynierów i operatorów,
→ potrzeba integracji wielu platform,
→ technologia ta nie jest już rozwijana.
Dedykowane urządzenia OIT często zawierają własne dedykowane oprogramowanie i wykorzystują własne oprzyrządowanie (rys. 1). Producenci oferują urządzenia do sterowania systemem w postaci względnie samowystarczalnego zestawu. Jako że urządzenia te są przeznaczone do użytku przemysłowego, nie są sprzedawane w takich ilościach jak elektronika konsumencka. Powoduje to wyższą cenę urządzeń w odniesieniu do ich możliwości.
Urządzenia te są jednak projektowane w taki sposób, by mogły wytrzymać warunki pracy w środowisku przemysłowym oraz były praktyczne i łatwe w serwisowaniu.
Wraz z rosnącą dostępnością urządzeń HMI wykorzystujących komputery PC sprzęt ten coraz częściej uważa się za lepszy w porównaniu do poprzednich rozwiązań, dzięki uniwersalności stosowania i ułatwionej łączności dla użytkownika. Jedyną wadą takich rozwiązań jest utrudnione utrzymanie oraz wysokie wymagania związane ze wsparciem technicznym.
Warto podkreślić, że w dzisiejszych czasach użytkownik, przyzwyczajony w coraz większym stopniu do korzystania z urządzeń elektroniki konsumenckiej, oczekuje atrakcyjnego wyglądu oraz częstych aktualizacji i poprawek systemu operacyjnego i aplikacji (rys. 2).
Jednakże innowacje w świecie przemysłu zdarzają się znaczenie rzadziej, ponieważ rynek ten jest względnie mały w porównaniu do ogromnego rynku elektroniki konsumenckiej. Nie wspominając już o tym, że z zasady jest on także o wiele bardziej konserwatywny, bazując na technologiach już wypracowanych, o wysokiej niezawodności.
Nowe technologie HMI
Najnowsza generacja produktów HMI rozwiązuje część z tych problemów poprzez adaptację technologii dostępnych komercyjnie, mając przy tym najlepsze cechy przeniesione z poprzednich generacji urządzeń HMI i OIT. Potencjalnymi korzyściami są:
Open source
Nowoczesny panel HMI łączy w sobie trwałość i łatwość użycia tradycyjnych paneli OIT, z możliwościami oferowanymi dotychczas w interfejsach wykorzystujących komputery PC. Połączenie to jest możliwe wtedy, gdy platforma sprzętowa jest zbudowana na systemie operacyjnym o otwartym źródle, działającym w czasie rzeczywistym. Takim systemem jest Linux, który nie wymaga zakupu oraz żadnych opłat licencyjnych. Niewielka ilość zajmowanego miejsca, łatwo zastępowane komponenty, wskaźniki LED oraz inne praktyczne rozwiązania sprawiają, że takie urządzenia są przyjazne użytkownikowi. Prawidłowo zaprojektowane urządzenie tego typu doskonale sprawdzi się nawet w najbardziej wymagającym środowisku przemysłowym, jednocześnie zapewniając parametry pracy na poziomie komputera PC.
Przystępna konfiguracja
Personalizacja jest możliwa, lecz nie jest wymagana, ponieważ panele HMI wykorzystują nowoczesne standardy funkcjonalności w celu sprostania wymaganiom rynku. Oprogramowanie konfigurujące interfejsu zbudowane na komputerze PC jest przystępne i bezpłatne. Użytkownik końcowy może skoncentrować się na sposobie zastosowania urządzenia tam, gdzie jest ono potrzebne, bez zamartwiania się o ograniczony czas aktywności programu lub ograniczony czas pracy.
Łatwość użycia
Różne opcje rozwoju i modyfikacji urządzenia sprawiają, że nowoczesne urządzenie HMI pozwala nowym użytkownikom na łatwe tworzenie podstawowych aplikacji, zaś zaawansowanym programistom oferuje rozszerzone możliwości wykorzystania zaawansowanych funkcji urządzenia, opcjonalnie również z użyciem bezpiecznego zdalnego dostępu typu shell. Producenci często potrzebują tego typu uniwersalności do programowania maszyn oraz tworzenia własnych algorytmów w języku C/C++, Phyton czy innych.
Zintegrowany ekran i uniwersalne porty
Wbudowany, zwykle niewielki wyświetlacz umożliwia niektórym urządzeniom stanie się czymś więcej niż tylko urządzeniem HMI. Jeśli jednak potrzebujemy większego wyświetlacza, możemy podpiąć go przez wejście HDMI. Ponadto liczne porty typu Ethernet czy USB, jak również moduły wejścia i wyjścia dają możliwość połączenia z różnymi urządzeniami i systemami.
Praca w sieci oraz łączność z chmurą
Jeszcze więcej możliwości płynących z nowoczesnych urządzeń HMI można uzyskać dzięki wykorzystaniu sieci Internet oraz połączenia z chmurą. Dane mogą być bezpiecznie udostępniane pomiędzy bazami danych oraz systemami, a wgląd jest możliwy z każdego autoryzowanego komputera oraz urządzenia mobilnego zdolnego do obsługi przeglądarki internetowej.
Urządzenia mobilne
Obsługa urządzeń bezprzewodowych to kolejny bardzo ważny element nowoczesnych paneli HMI. Mając zainstalowane i skonfigurowane podstawowe urządzenie, można podłączyć do niego każde urządzenie mobilne (ze względów bezpieczeństwa zwykle autoryzowane) i używać je jako kolejny interfejs HMI. Oznacza to dużą elastyczność dla inżynierów i operatorów. Konstruktorzy mogą się skupić na wykorzystaniu zawartych w panelu informacji, bez potrzeby przejmowania się złożonością i kosztami platform, na których pracują.
Nowa generacja paneli HMI może łatwo i nieprzerwanie pracować w sieci, również przy połączeniu z urządzeniem mobilnym. Dlatego, zdaniem wielu użytkowników końcowych, dostępna obecnie technologia i rozwiązania komunikacyjne spełniają ich potrzeby za przystępną cenę.
Benson Hougland jest wicedyrektorem ds. marketingu w firmie Opto 22.
