Dostarczenie użytkownikowi właściwego interfejsu operatorskiego (HMI) jest sprawą wielkiej wagi w każdej sytuacji, gdy ludzie muszą obsługiwać urządzenia automatyki przemysłowej.
Urządzenia umożliwiające ludziom obsługę ich telefonów czy samochodów oraz systemów automatyki w fabrykach określono ogólnym terminem interfejsów operatorskich, dosłownie interfejsów człowiek-maszyna (human-machine interfaces – HMI). W przypadku np. samochodu w ciągu wielu lat dokonał się tu znaczny postęp technologiczny: od elementów mechanicznych (ręczna dźwignia zmiany biegów) poprzez elektryczne (regulacja lusterek zewnętrznych czy wysokości świecenia reflektorów) aż do cyfrowych (nawigacja z ekranem dotykowym). Systemy cyfrowe jawią się jako najwyższy stopień ewolucji interfejsów HMI. Istnieje kilka sposobów ich wdrażania.
W przypadku dzisiejszych przemysłowych systemów automatyki użytkownicy mają dwie opcje cyfrowych interfejsów HMI do zainstalowania na hali fabrycznej. Mogą wybrać dedykowany interfejs HMI, znany także pod nazwą wbudowanego HMI (embedded HMI) albo komputera panelowego, opracowany specjalnie do konkretnego zastosowania. Mogą też wybrać standardowy bądź przemysłowy komputer PC (IPC), na którym można instalować bardziej ogólne systemy operacyjne (OS) oraz aplikacje interfejsów HMI, przeznaczone do komputerów IPC.
Ponieważ komputery PC są tak popularne, wiele osób może pomyśleć, że wykorzystanie IPC jest najlepszym wyborem, ponieważ wbudowane interfejsy HMI mają mniej możliwości od interfejsów przeznaczonych do IPC. Jednak wbudowane interfejsy HMI mogą wykonywać niemal te same funkcje co IPC HMI, przy niższych kosztach operacyjnych, mniejszych gabarytach oraz łatwiejszej konserwacji. W dalszej części artykułu podano kilka punktów do przeanalizowania podczas podejmowania decyzji co do wyboru interfejsu HMI: wbudowany czy przeznaczony do IPC.
Ewolucja interfejsów HMI
Pierwsze interfejsy HMI dla automatyki przemysłowej były prostymi mechanicznymi urządzeniami sterującymi, takimi jak: przyciski sterownicze, wyłączniki i przełączniki, lampki kontrolne oraz mierniki mechaniczne. Umożliwiały one operatorom włączanie sygnałów wejściowych dla systemów automatyki oraz uzyskanie wskazań statusu wyjść. Niektóre z tych urządzeń, takie jak przełączniki, miały możliwość oddziaływania na wejścia i wyjścia. Wielu użytkowników doceniało błyskawiczne reagowanie i namacalność tych elementów sterowniczych montowanych na panelach automatyki, działających jako interfejsy operatorskie.
Cyfrowe interfejsy HMI stanowiły wielki postęp technologiczny. Użytkownicy mogli upakować znacznie więcej elementów sterowniczych oraz sygnalizacyjnych na jednym wyświetlaczu, który posiadał umiarkowane gabaryty. Ta konfiguracja mogła być aktualizowana za pomocą oprogramowania – było to znacznie łatwiejsze, niż opracowanie od nowa i wykonanie nowych połączeń przewodowych w przypadku mechanicznego panelu sterowniczego (fot.1).
Wczesne cyfrowe interfejsy HMI były systemami wbudowanymi, specyficznymi dla aplikacji. Mogły wykonywać jedynie określone i ograniczone zadania technologii operacyjnej (OT), do których były one zaprojektowane. Z komputerowego punktu widzenia były bardzo wydajne i lekkie.
Gdy komputery PC, potem przemysłowe komputery IPC a następnie urządzenia mobilne stały się dostępne wraz z uniwersalnymi systemami operacyjnymi, producenci stworzyli oprogramowanie dla interfejsów HMI, pracujące pod tymi systemami. Interfejsy HMI przeznaczone dla komputerów IPC szybko prześcignęły wbudowane interfejsy HMI pod względem wydajności, możliwości oraz wygodnych dla użytkownika interfejsów graficznych. Jednak wszystko to kosztowało.
Zalety interfejsów HMI opartych na komputerach IPC
Ze względu na masową adaptację komputery PC oraz ich odpowiedniki przemysłowe w bardziej solidnej i odpornej na warunki otoczenia obudowie, IPC, zyskały na funkcjonalności, natomiast ich ceny spadły. Główne zalety komputerów PC, wykorzystywanych jako interfejsy HMI, to:
• bardzo szybko pojawiające się na rynku procesory o coraz większej mocy obliczeniowej,
• duża pamięć,
• duża pojemność nośników danych,
• liczne opcje połączeń przewodowych i bezprzewodowych,
• budowa modułowa, umożliwiająca szybkie naprawy,
• możliwość uruchamiania oprogramowania o funkcjonalności na wysokim poziomie, takiego jak analityczne czy bazy danych,
• personel operacyjny może dokonywać wyboru spośród wielu pakietów oprogramowania HMI,
• ulepszona integracja z systemami informatycznymi.
Dlaczego więc nie wybrać interfejsu HMI opartego na komputerze IPC, skoro posiada on taką uniwersalność i możliwości? W większości przypadków, szczególnie sprzętu średniej wielkości czy mniejszych maszyn, ogólny koszty cyklu wykorzystania interfejsu HMI opartego na IPC przewyższa koszt interfejsu wbudowanego. W wielu sytuacjach komputery IPC są zbyt przeładowane funkcjami w stosunku do danej aplikacji przemysłowego interfejsu HMI, co niepotrzebnie zwiększa koszty i złożoność.
Komplikacje pojawiają się w sprzęcie, systemie operacyjnym i oprogramowaniu. Pod względem sprzętowym interfejsy HMI dla komputerów IPC są modułowe i ekonomiczne, ale niezbyt dobrze dopasowane do rygorów pracy w przemyśle. Komputery IPC są produkowane dla środowiska docelowego, jednak ta specjalizacja oznacza, że sprzęt jest droższy niż zwykłe komputery biurowe PC.
Inną częścią tego problemu jest system operacyjny, który musi być starannie zarządzany i aktualizowany przez użytkowników. Wbudowane interfejsy HMI także wymagają aktualizacji ze względu na wydajność i bezpieczeństwo, jednak platformy dla komputerów PC są bardziej wrażliwe na cyberataki i muszą być częściej aktualizowane.
Zaletą interfejsów HMI opartych na komputerach IPC jest to, że użytkownicy mogą wybierać spośród kilkudziesięciu aplikacji i pakietów oprogramowania HMI, takich jak programy do archiwizacji danych czy raportowania, oraz innych. Użytkownicy mogą też tworzyć własne aplikacje, dopasowane do ich potrzeb. Różnorodność opcji oprogramowania przytłacza użytkownika końcowego, ponieważ musi on potwierdzać interoperacyjność, płacić koszty i realizować wymagania licencji oraz aktualizować oprogramowanie. Komputer IPC może tworzyć bazę dla atrakcyjnego interfejsu HMI. Może pracować latami po zainstalowaniu, jednak bardziej prawdopodobne jest, że będzie wymagał ciągłego wsparcia i aktualizacji.
Użytkownicy muszą także przeanalizować swoje wymagania co do wyświetlacza HMI. Wiele komputerów IPC znajduje się w osobnych obudowach, do których trzeba podłączyć montowany w panelu wyświetlacz. Co prawda oznacza to, że użytkownicy mogą dobierać sobie i instalować dokładnie takie elementy systemu, jakich potrzebują, jednak wymaga to trochę pracy. Utrzymanie odpowiedniego wycięcia w panelu sterowniczym pod montaż wyświetlacza jest dużym problemem dla przyszłej konserwacji każdego interfejsu HMI.
Z tego powodu oraz innych użytkownicy biorący pod uwagę wybranie interfejsu HMI do komputera IPC powinni jednak zwrócić się ku opcji interfejsu wbudowanego.
Funkcjonalność wbudowanych interfejsów HMI
Wielkość aplikacji pod względem wymaganej liczby znaczników oraz liczby wyświetlaczy może być głównym czynnikiem decydującym o wyborze interfejsu HMI. Dla wielu typów sprzętu i procesów, które są średniej i małej wielkości, wbudowany interfejs HMI oferuje właściwy poziom funkcjonalności.
Co prawda wbudowane interfejsy HMI mogą wykorzystywać powszechnie dostępne podzespoły komputerowe, jednak ich konstrukcja sprzętowa jest opracowana pod kątem zastosowania, przy uwzględnieniu temperatury oraz innych warunków otoczenia w przemyśle. Zamiast wykorzystania uniwersalnych systemów operacyjnych, pochłaniających zasoby komputera, wbudowany interfejs HMI wykorzystuje specjalny system operacyjny, który wystarcza do realizacji funkcji interfejsu, natomiast wymaga mniejszej mocy obliczeniowej oraz pamięci.
Wbudowane interfejsy HMI są często gotowe do pracy zaraz po rozpakowaniu. Mają łatwy w obsłudze uniwersalny ekran dotykowy typu „wszystko w jednym”, są mniej awaryjne od interfejsów HMI do komputerów IPC, zaś ich niski koszt pozwala na zakup zapasowego, przechowywanego w magazynie. Mogą być szybko zainstalowane, zarówno w nowym projekcie, jak i w istniejącym systemie (fot. 2).
• Wykorzystują dedykowane, czasami darmowe środowiska programistyczne dla komputerów PC, łatwe w konfiguracji.
• Zawierają środowisko uruchomieniowe (runtime).
• Całkowita cena produktu jest zwykle niższa niż interfejsu HMI dla komputera IPC z licencją na oprogramowanie.
• Kompaktowa i solidna mechanicznie obudowa, lepsza do zainstalowania i konserwacji.
• Samodzielne konfiguracje wymagają mniej aktualizacji systemu.
• Wymiana całego interfejsu jest szybsza niż w przypadku wersji dla IPC.
Wykorzystywane platformy HMI konkurują ze sobą pod względem szczegółowych cech. Dzisiejsze interfejsy HMI są zaawansowane technologicznie, niektóre z funkcjonalności są wspólne zarówno dla wbudowanych, jak i opartych na komputerach IPC:
• komunikują się z wieloma typami urządzeń docelowych,
• wspierają różne protokoły przemysłowe,
• są konfigurowane za pomocą znaczników,
• dostarczają całe bogactwo różnych obiektów graficznych,
• oferują opcje animacji.
W niektórych przypadkach to zaawansowanie technologiczne doprowadziło do uproszczenia. Interfejsy HMI o wysokich parametrach i z uproszczoną grafiką zastąpiły starsze konstrukcje z nadmiarem animacji.
Bill Dehner, menedżer ds. marketingu technicznego w firmie AutomationDirect. Redakcja tekstu: Chris Vavra, redaktor współpracujący, Control Engineering, CFE Media, cvavra@cfemedia.com.
