Wszystko o HMI (Human-Machine Interface), co automatyk powinien wiedzieć

Tematyka interfejsów pośredniczących między człowiekiem a maszyną pojawia się właściwie w każdym punkcie, tam gdzie technologia spotyka człowieka. Im sprawniej wykorzystujemy nowe technologie...

Zobacz pełną wersję artykułu na Poradniku Automatyka: https://www.astor.com.pl/poradnikautomatyka/wszystko-o-hmi-co-automatyk-powinien-wiedziec/

Tematyka interfejsów pośredniczących między człowiekiem a maszyną pojawia się właściwie w każdym punkcie, tam gdzie technologia spotyka człowieka. Im sprawniej wykorzystujemy nowe technologie przydatne w świecie produkcyjnym, tym więcej takich punktów styku się pojawia. Dlatego tematyka HMI będzie nam towarzyszyć coraz częściej! Dowiedz się, z czym dokładnie masz do czynienia.

Co to jest HMI (Human-Machine Interface)?

HMI (ang. Human-Machine Interface) to przemysłowy interfejs między maszyną lub procesem a operatorem, który go obsługuje. Dzięki HMI osoba odpowiedzialna za realizację zadań produkcyjnych może wpływać na przebieg procesu i go kontrolować.

Tyle teorii. Co to oznacza w praktyce?

Wyobraź sobie, że wchodzisz do otwartej windy. Czego szukasz w pierwszej chwili? Oczywiście popularnych „guzików”, czyli panelu sterowania, który w tym wypadku jest niczym innym jak HMI pomiędzy procesem jazdy windą a jego operatorem, a więc Tobą.

Kiedyś popularne były głównie przyciski, dziś coraz częściej możemy spotkać w tej funkcji np. interaktywne panele operatorskie.

• Sterowanie przyciskami w windzie, źródło: ASTOR Technology Park
• Panel HMI w windzie, źródło: ASTOR Technology Park

Analogii można tu znaleźć wiele. Na hali produkcyjnej możemy często poczuć się jak w muzeum, natrafiając na „mechaniczną” tablicę synoptyczną starej daty, a parę metrów dalej, w pomieszczeniu operatora innego procesu, obserwując nowoczesny system HMI/SCADA.

Funkcje HMI w przemyśle

Najważniejszym zadaniem HMI jest dostarczać operatorowi aktualnych, rzeczywistych informacji w formie, która pozwoli na podjęcie najlepszej decyzji w danym momencie. W zależności od typu produkcji i branży, może to być np. zmiana typu spawanego detalu, wznowienie działania maszyny czy przekazanie informacji o awarii do systemu wyższego rzędu (np. CMMS).

HMI stosujemy na przykład do:

1.  obsługi linii produkcyjnej do zmiany wytwarzanego produktu,
2.  sterowania systemem HVAC w budynku hali produkcyjnej,
3.  kontekstowej wizualizacji drobnych procesów produkcyjnych.

W tym momencie zapewne zadajesz sobie kolejne pytanie:

Jaka jest różnica między HMI a systemem SCADA?

Wyjaśnialiśmy już to w artykule Co to jest SCADA. Funkcja HMI kończy się na zadawaniu parametrów na konkretnej maszynie lub części procesu produkcyjnego, natomiast SCADA jest systemem nadrzędnym nad HMI.

System SCADA kontroluje cały proces produkcyjny, umożliwia rozbudowaną obsługę archiwizacji i analiz w bazach danych. Oprogramowanie i warstwa sprzętowa HMI jest zwykle zoptymalizowana do obsługi maksymalnie kilku ekranów, natomiast nawigacja w małych systemach SCADA umożliwia tworzenie kilkunastu, czy kilkudziesięciu ekranów. Największe systemy SCADA, takie jak np. Platforma Systemowa Wonderware, pozwalają na obsługę setek czy tysięcy ekranów za pomocą podejścia obiektowego. To leży poza zasięgiem klasycznego HMI.

Styl graficzny wizualizacji procesu. GUI a HMI

GUI (ang. Graphical User Interface) to po prostu warstwa graficzna systemu HMI (Human-Machine Interface). Tak jak idea interfejsu człowiek-maszyna istnieje od pierwszej rewolucji przemysłowej, tak wykorzystanie w nim części graficznej to stosunkowo świeży pomysł, bo pochodzący z końcówki lat 80-tych XX wieku.

Wtedy pierwsze komputery z GUI stały się na tyle powszechne, że trafiły również do przemysłu. Jednym z pierwszych programów, który pozwolił na obsługę procesu produkcyjnego z poziomu graficznego interfejsu był Wonderware InTouch HMI. Do dziś podobnych systemów powstały setki.

Taka mnogość na rynku powoduje również powstawanie bardzo szerokiej palety obiektów i styli graficznych używanych przy projektowaniu wizualizacji HMI.

 Ma to oczywiście wiele plusów: szeroki wybór narzędzi do wizualizacji procesów przemysłowych to lepiej dopracowane systemy i bardziej dopasowane do potrzebnych funkcji.

 Specjaliści ds. produkcji zauważyli jednak istotny minus – zbyt wiele kolorów i ciągłe zmiany schematów nie pomagają operatorom w sprawnym reagowaniu na bieżące zdarzenia, co w efekcie prowadzi do obniżania efektywności produkcji i dłuższego czasu reagowania na awarię.

Jako odpowiedź na ten problem powstała metodyka Situational Awareness, stawiająca w centrum operatora i komfort jego pracy:

Situational Awareness

to metodyka projektowania wizualizacji procesów przemysłowych, która skupia się na dostarczaniu operatorowi najpotrzebniejszych informacji w odpowiednim czasie. SAL polega na filtrowaniu nieistotnych danych oraz umiejętnym wykorzystaniu kolorów. 

Tematykę i sposób aplikowania metodyki w projektowaniu wizualizacji HMI obszernie przedstawiliśmy w Kursie projektanta HMI/SCADA oraz w artykule o wykorzystaniu kolorów w wizualizacjach procesów przemysłowych.

Panel hmi czy system scada, czyli jak to fizycznie zrobić?

Mimo że najczęstszym skojarzeniem ze słowem „HMI” w Polsce jest prawdopodobnie „panel operatorski”, to jednak w innych krajach niekoniecznie tak jest. Przyjrzyjmy się różnym realizacjom sprzętowym systemów HMI.

1. Panele operatorskie HMI

Panele operatorskie (inaczej panele sterownicze) to urządzenia, które szturmem zdobyły serca automatyków dzięki łatwości programowania, wygodzie instalacji i stosunkowo niskich cenach w porównaniu do klasycznych stacji operatorskich.

Panele HMI zwykle posiadają własny system operacyjny oraz dedykowane oprogramowanie do tworzenia wizualizacji. Interfejs jest najczęściej dotykowy, natomiast niektóre panele posiadają dodatkowe przyciski. Warto zwrócić uwagę na wybór typu ekranu dotykowego – ten temat opisywaliśmy już kiedyś na Poradniku w artykule o rodzajach ekranów dotykowych.

Na rynku dostępnych jest sporo większych i mniejszych dostawców tego typu urządzeń, np. Astraada HMI, Weintek HMI, Emerson QuickPanel+ czy Siemens HMI. Bardziej zaufani dostawcy oferują lepszą jakość wykonania obudów, wyższe klasy ochrony IP, czy dłuższy czas gwarancji (czasem 30 lub 54 miesiące).

Panele HMI są często narażone na bezpośrednie działanie wysokich temperatur i środowiska pyłowego, przez co jakość ich wykonania bezpośrednio wpływa na dostępność procesu produkcyjnego. Jeśli jednak panel HMI znajduje się w zamkniętym pomieszczeniu operatora, np. popularnej „dyżurce”, wymagania jakościowe mogą być nieco niższe.

Panel operatorski Astraada HMI zastosowany w pomieszczeniu operatora, źródło: archiwum ASTOR

Przykładowo, do małych aplikacji warto wybrać panele Astraada HMI, a do bardziej wymagających aplikacji serię Emerson QuickPanel+.

Aby łatwo zintegrować panel sterowniczy HMI z maszyną lub fragmentem procesu, potrzebne są różne protokoły komunikacyjne. Tego typu urządzenia posiadają więc rozbudowane porty, takie jak RS232/422/485 czy Ethernet oraz popularne protokoły komunikacyjne, aby łatwo podłączyć się do większości urządzeń automatyki.

Dla wszystkich, którzy chcieliby spróbować swoich sił w programowaniu paneli operatorskich, stworzyliśmy bezpłatny dedykowany kurs programowania paneli HMI, dzięki któremu w kilka godzin można stworzyć własną wizualizację.

2. Systemy HMI/SCADA

Systemy SCADA to jeden z bardziej popularnych tematów dla automatyków. Zakres zagadnień i potencjalne rozbudowanie tego typu oprogramowania sprawia, że jest to właściwie osobna dziedzina wiedzy.

Aby być uczciwym, trzeba jednak powiedzieć jasno: sam software nie czyni HMI – do stworzenia stanowiska potrzebujemy jeszcze części hardware’owej. I tu najczęściej stosowane są dwie możliwości :

1.  komputer stacjonarny z systemem Windows 10 lub Windows Server i monitorem klasycznym lub monitorem dotykowym
2.  przemysłowy dotykowy komputer panelowy z systemem Windows 10 lub Windows 10 IoT (dawniej Embedded)

Komputery stacjonarne są najczęściej stosowane w bardziej rozbudowanych systemach wizualizacji, co czyni je bardziej odpowiednimi dla systemów SCADA niż dla klasycznego HMI.

Druga opcja z komputerami panelowymi, dzięki swojej mobilności (montujemy je w dowolnych miejscach, najczęściej na szafach sterowniczych), pozwala na zastosowanie rozbudowanych systemów HMI/SCADA, co znacząco poszerza podstawowe funkcje panelu operatorskiego.

Najczęściej wybierane są urządzenia z systemem Windows, ze względu na szerokie wsparcie dla systemów HMI/SCADA. Windows 10 w wersji IoT także stał się popularny, głównie dzięki wsparciu dla systemów wbudowanych i jednocześnie małym ograniczeniom w stosunku do klasycznego systemu Windows. To bardzo obniża koszty integracji pojedynczego stanowiska HMI/SCADA.

Przykładowo, jeśli jako integrator wybierasz komputer panelowy Astraada PC dedykowany dla systemów Embedded oraz mniejszą licencję systemu HMI/SCADA AVEVA Edge HMI, możesz zamknąć się w widełkach 5000 – 6000 PLN za jedną stację operatorską HMI.

Jakie funkcje sprawiają, że użytkownicy wybierają system HMI/SCADA zamiast panelu? Szeroko opisaliśmy tę sprawę w artykule o wyborze komputera przemysłowego lub panelu HMI, natomiast w dużym skrócie zależy to od skomplikowania wizualizowanego procesu.

3. Systemy SCADA/OMI

System SCADA/OMI to jeszcze bardziej zaawansowany wariant systemu HMI/SCADA.

Systemy klasy OMI (ang. Operations Management Interface) to interfejsy między operatorem a procesem zarządzanym operacyjnie. To de facto HMI, ale nie dla maszyny, a dla procesów zarządzania całą produkcją, implementowanych w takich systemach jak systemy MES, czy obiektowe systemy SCADA typu Platforma Systemowa Wonderware.

4. Sterowniki PLC z HMI

W przypadku drobnego sterowania lub w bardzo prostych procesach, stosuje się urządzenia integrujące sterowniki PLC z interfejsem operatorskim HMI.

Zdecydowanym plusem tego typu urządzeń jest łatwość ich programowania – wspólna baza zmiennych pozwala bardzo szybko tworzyć proste wizualizacje dla operatora. Odpada Ci też element związany z komunikacją systemu sterowania z wizualizacją. Często dla mniejszych maszyn to najlepsze, optymalne kosztowo i najłatwiejsze rozwiązanie.

Zakres urządzeń jest szeroki – od małych ekranów 2,2” z rozbudowanymi wejściami/wyjściami typu Horner X2, po większe, nawet 10” urządzenia z szerokimi opcjami komunikacyjnymi i wzmocnioną konstrukcją.

5. Terminale operatorskie

Niektórzy producenci sterowników PLC rozszerzają możliwości swoich urządzeń i dodają do nich część sprzętową części wizualizacyjnej. Dzięki temu serwer HMI obecny jest w sterowniku PLC, a do obsługi procesu możesz wykorzystać wiele różnych możliwości wizualizacyjnych. Jedną z nich jest właśnie terminal operatorski.

Urządzenia tego typu wizualnie nie różnią się od panelu operatorskiego. Wyróżnia je sposób tworzenia wizualizacji. Dzięki wspólnej bazie zmiennych w PLC i HMI zajmuje to mniej czasu. Często od strony narzędziowej wykorzystuje się popularne oprogramowanie Codesys, które różni producenci różnie adaptują do swoich potrzeb.

Korzyści z takiego rozwiązania jest więcej – często dzięki wykorzystaniu web servera istnieje możliwość łatwego wykorzystania urządzeń mobilnych.

6. Urządzenia mobilne

Prawdopodobnie 10, a nawet 5 lat temu nikomu nie przyszłoby do głowy, że to właśnie na urządzeniach mobilnych będziemy realizować interfejs HMI. Dziś, dzięki popularności smartfonów i tabletów, każdy potrafi te urządzenia obsługiwać, co ułatwia proces adaptacji.

Responsywność wizualizacji procesu przemysłowego, źródło: archiwum ASTOR

Przykładowe możliwości zastosowania HMI w urządzeniach mobilnych to:

1.  dedykowane aplikacje na Android/iOS dla systemu HMI/SCADA do dostępu zdalnego do wizualizacji, jak np. w przypadku jednego ze zdalnych dostępów AVEVA Edge HMI,
2.  dostęp do panelu operatorskiego przez klienta VNC, aby uzyskać pełen dostęp do wizualizacji na panelu peer-to-peer, jak np. w przypadku Astraada HMI,
3.  dostęp do wizualizacji pod określonym adresem IP dzięki web serverowi na sterowniku lub bramie, jak w przypadku Astraada ONE lub Web HMI.

7. HMI w chmurze

Żyjemy w internetowym świecie, w którym ilość danych przesyłanych sieciowo podwaja się co dwa lata. Aby nadać tę elastyczność także systemom HMI, coraz częściej przetwarzanie, archiwizowanie i analizowanie danych produkcyjnych przenosi się do chmur obliczeniowych.

Dzięki temu osiąga się znacznie większą skalowalność systemu oraz więcej możliwości analizy danych, np. za pomocą uczenia maszynowego. Operator otrzymuje wówczas adekwatne informacje, które w chmurze konsoliduje za niego sztuczna inteligencja.

Główne punkty sprzętowe w takiej konfiguracji to:

1.  IoT Gateway, czyli urządzenie fizycznie podłączone do Internetu i wysyłające dane na serwer obliczeniowy, w przypadku użycia np. AVEVA Insight może to być system HMI/SCADA lub np. sterownik komunikujący się po OPC UA,
2.  urządzenia końcowe, które służą jako interfejs HMI – może to być dowolne urządzenie podłączone do Internetu.

Serce systemu jest utrzymywane po stronie producenta, dzięki czemu w każdym momencie można zmienić wizualizację lub skonfigurować potrzebne trendy. Tworzenie HMI tego typu jest maksymalnie uproszczone dzięki łatwym kreatorom – po to, by skrócić czas uruchomienia systemu.

Tego typu technologia pojawiać się będzie coraz częściej na halach produkcyjnych. Chciał(a)byś przetestować jej działanie?. W przypadku AVEVA Insight można przetestować możliwości tego typu oprogramowania na bezpłatnej wersji do 32 zmiennych.

Co dalej?

Jak widać, mimo że z definicji HMI to dość prosta rzecz, zrealizować ją można na wiele sposobów. Najważniejsze to zdawać sobie sprawę z tego, jakie zadanie ma spełnić i jakie kryteria jakości chcesz przyjąć dla swojej wizualizacji procesu.