Idealny HMI

Panel operatorski (Human Machine Interface, HMI) zbudowany jest z elementów, których operator dotyka, które widzi lub korzysta z nich w inny sposób, tak aby zrealizować zadania nadzoru i sterowania danym systemem, a także odebrać od niego informację zwrotną o stanie i rezultatach. Tym mianem określane są różne urządzenia - zarówno te stosunkowo proste, które łączy się z zewnętrznym komputerem, jak też te, które są kompletnymi komputerami. Te ostatnie są zwykle wysokiej klasy, wyposażonymi w szybkie procesory, pojemną pamięć, a także mające możliwość rozszerzania modułowego.

IDEALNY ZNACZY INTUICYJNY

Łącznikiem między operatorem a maszyną może być zarówno klawiatura z wyświetlaczem tekstowym lub graficznym, pulpit sterowniczy naszpikowany przyciskami, sygnalizatorami i przełącznikami, jak też wyświetlacz dotykowy integrujący funkcje wizualizacji i sterowania. Różnorodność dostępnych rozwiązań pozwala sprostać potrzebom różnych urządzeń oraz instalacji przemysłowych i innych. W każdym z przypadków warunek jest jeden - HMI musi być właściwie dobrany do aplikacji.

We wstępie wymieniono najważniejsze cechy, które powinny charakteryzować idealny HMI. Na pierwszym miejscu znalazła się intuicyjność obsługi (zagadnienie to jest dalej szeroko omawiane). Jeżeli będzie zbyt skomplikowana albo sposób interakcji z systemem będzie niewłaściwy - przykładowo w sterowaniu ruchem zamiast joysticka używany będzie panel operatorski z ekranem dotykowym, operator szybko się zniechęci, a z czasem zacznie szukać sposobów na ominięcie niewygodnych rozwiązań.

RÓŻNI UŻYTKOWNICY POTRZEBUJĄ RÓŻNEJ FUNKCJONALNOŚCI

Intuicyjność obsługi może być interpretowana również przez różnych użytkowników. Na przykład ci, którzy nie wprowadzają zmian w systemie, szybciej nauczą się korzystania z HMI, jeśli operacje wykonywane za jego pośrednictwem będą opisywane prostymi komendami, w zrozumiały sposób, a zadania będą realizowane podobnie w zakresie kolejności kroków i poleceń. Ilość informacji prezentowanych takim użytkownikom powinna być ograniczona do niezbędnego minimum, a funkcje, z których korzystają najczęściej - łatwo dostępne.

Dostęp do zaawansowanych funkcji i ustawień powinien być zablokowany, co nie pozwoli osobom nieuprawnionym dokonywać zmian ani przypadkowych, ani celowych. Panele można zabezpieczyć hasłami znanymi użytkownikom zaawansowanym, którzy poradzą sobie z większą ilością informacji wyświetlanych i do wprowadzenia, jak i ze skomplikowanymi procedurami (np. konfiguracją).

Poza rozróżnieniem użytkowników o innym poziomie zaawansowania, intuicyjną obsługę zapewni identyfikacja na podstawie ich roli. Dane i funkcje, które interesują operatora maszyny, są bowiem niekoniecznie przydatne inżynierom działu utrzymania ruchu, a nawet mogą im utrudnić pracę. Kontekstualizacja jest w tym przypadku bardzo istotna.

Jakie normy dotyczą HMI?

W omawianym zakresie przykładowymi dokumentami są: PN-EN ISO 9241 pt. Wymagania ergonomiczne dotyczące pracy biurowej z zastosowaniem terminali wyposażonych w monitory ekranowe oraz PN-EN ISO 11064 pt. Ergonomiczne projektowanie centrów sterowania. Od kilku lat nad standardem dla HMI pracowała również organizacja ISA (International Society of Automation). Wynikiem tych działań jest norma ANSI/ISA-101.01-2015 pt. Human Machine Interfaces for Process Automation Systems.

JAK UNIKNĄĆ PRZYPADKOWEGO URUCHOMIENIA?

Korzystanie z HMI ułatwi też odpowiednie rozmieszczenie jego elementów - najlepiej zgrupować je w zależności od ich roli, z uwzględnieniem kolejności, w jakiej będą używane. Najważniejsze z nich powinno się w jakiś sposób wyróżnić, a te aktywujące specjalne funkcje - zabezpieczyć przed przypadkowym uruchomieniem. W przypadku elementów elektromechanicznych realizuje się to przez wymóg wykonania kolejno dwóch oddzielnych operacji - na przykład wciśnięcia, a potem przekręcenia pokrętła, a programowo przykładowo przez konieczność zatwierdzenia operacji hasłem.

Jeżeli informacje prezentowane za pośrednictwem HMI będą nieczytelne, wydłuży się czas reakcji operatora, łatwiej też wtedy o ich błędną interpretację. Dlatego ekranu nie powinno się zaśmiecać niepotrzebnymi danymi. Ważny jest też wybór kolorów. Zaleca się stosowanie tych ciemniejszych na jasnym tle (uwaga na połączenie czarnego z białym - choć kontrastowe, przy dłuższym patrzeniu męczy wzrok) oraz szarości w różnych odcieniach. Inne kolory powinny być używane oszczędnie i konsekwentnie.

Oprogramowanie wizualizacyjne

Podstawowe parametry pracy urządzenia albo systemu, który jest sterowany albo nadzorowany za pośrednictwem HMI, można wizualizować, korzystając z oprogramowania fabrycznie dostępnego w panelu operatorskim. Zazwyczaj producent zapewnia właściwe narzędzia, co oznacza brak konieczności ponoszenia dodatkowych kosztów przez użytkowników.

Możliwości omawianych rozwiązań są ograniczone - zwykle obsługują one co najwyżej kilka okienek i niewiele zmiennych. W związku z tym podejście to sprawdza się przede wszystkim wtedy, kiedy za pośrednictwem panelu operatorskiego wydawane będą proste polecenia, a oczekiwania w zakresie prezentacji wyników są niewielkie.

W przeciwnym wypadku lepiej wybrać oprogramowanie wizualizacyjne, które można uruchamiać na komputerze przemysłowym albo urządzeniu panelowym. Jego zaletą jest niezależność od sprzętu - na przykład rozmiarów ekranu albo interfejsów komunikacyjnych. Ponadto ma ono więcej opcji konfiguracyjnych, zaimplementowaną obsługę różnych urządzeń i możliwość wymiany danych z innymi systemami, na przykład zarządzania bazami danych albo procesami produkcyjnymi i jest skalowalne (aplikacje jednostanowiskowe, klient-serwer). Oczywiście funkcje zależą każdorazowo od samego pakietu programowego i różnią się pomiędzy środowiskami różnych producentów.

W dedykowanym oprogramowaniu wizualizacyjnym dostępne są również rozbudowane biblioteki gotowych elementów graficznych. Wadą tego rozwiązania jest konieczność dodatkowego zakupu licencji na oprogramowanie, której koszt uzależniony może być od liczby stanowisk czy zmiennych.

Przykłady oprogramowania HMI

Wonderware InTouch
Pozwala na wymianę danych z innymi systemami przemysłowymi, ma bibliotekę gotowych obiektów graficznych, w tym zgodnych z Situational Awareness Library, komunikacja ze sterownikami PLC i urządzeniami stosowanymi w przemyśle. Występuje również w wersji mobilnej (InTouch Access Anywhere).
www.astor.com.pl

Oprogramowanie PASvisu
Jest kompatybilne z systemem sterowania PSS 4000 firmy Pilz i składa się z narzędzia konfiguracyjnego PASvisu Builder oraz PASvisu Runtime. W oprogramowaniu wykorzystano języki: HTML5, CSS3 i Java Script, zapewnia ono wizualizację z elementami graficznego interfejsu użytkownika (kafelków) i dostęp przez dowolny rodzaj sieci.
www.pilz.com

OSZCZĘDNE GOSPODAROWANIE KOLORAMI

To pierwsze poprawi czytelność, natomiast drugie zapewni ich jednoznaczną interpretację. Warto przestrzegać powszechnie rozumianego kodu trzech kolorów: czerwonego dla oznaczania funkcji zatrzymywania i informowania o zdarzeniach awaryjnych, żółtego dla uwypuklania ostrzeżeń i zielonego dla wyróżnienia operacji uruchamiania i zatwierdzania. Niebieski natomiast sugeruje zwykle, że daną czynność można wykonać bezpiecznie, na przykład odłączyć urządzenie bez konieczności wyłączania całego systemu, albo że jest ona obowiązkowa.

Ponadto kolor nie powinien być nigdy jedynym źródłem informacji - dodatkowy wyróżnik, na przykład jakaś forma animacji lub alarm dźwiękowy, zwróci uwagę również tych osób, które mają problem z rozróżnianiem barw. Informacja o błędzie musi być sformułowana w sposób zrozumiały wraz, o ile to możliwe, z podpowiedzią odnośnie do dalszego postępowania. W komunikatach tych należy unikać skrótów, chyba że są one powszechnie zrozumiałe.

W przypadku HMI sprawdza się też przysłowie, że jeden obraz jest wart więcej niż tysiąc słów. Znaczenie grafiki zwykle da się bowiem odgadnąć szybciej, niż zrozumieć opisujący to samo tekst.

Łukasz Runiewicz

ANIRO

Jakie panele operatorskie są popularne na rynku lokalnym?

Na rynku polskim zauważalne jest rosnące zapotrzebowanie na tanie panele operatorskie o wielkościach ekranów od 7" do 10,2". Istotnym parametrem w doborze takich urządzeń, oprócz jakości, jest atrakcyjna cena. Tą ostatnią producenci muszą konkurować, bowiem rynek HMI jest bardzo duży. Mniej popularne są panele o bardzo wysokich parametrach oraz możliwościach. Takie urządzenia są też dużo droższe.

Wychodząc naprzeciw wymaganiom stawianym przez odbiorców HMI, firma LS wprowadziła do sprzedaży nową serię paneli dotykowych serii eXP. Charakteryzują się one bardzo dobrymi parametrami technicznymi i wydajnością. Producentowi udało się połączyć ten aspekt z niską ceną. Urządzenia oferowane przez koreańską firmę wytwarzane są w wersjach z ekranami od 7" do 15".

Na jakie parametry paneli operatorskich zwracają uwagę producenci OEM oraz użytkownicy maszyn?

Producenci maszyn, którzy stosują w swoich maszynach HMI, zwracają głównie uwagę na to, aby stosowane przez nich panele były wytrzymałe pod kątem mechanicznym. Dotyczy to odporności na przypadkowe uszkodzenia, a także wytrzymałości części dotykowej oraz możliwości długotrwałej pracy użytkownika z takim panelem. Rodzaj zastosowanej technologii ekranu dotykowego nie jest parametrem istotnym - moim zdaniem nie ma większego znaczenia, czy będzie ona rezystancyjna, czy pojemnościowa.

Przy zakupie urządzenia użytkownicy oczekują również, aby oprogramowanie wizualizacyjne było intuicyjne oraz darmowe. Odchodzi się od stosowania paneli, do których trzeba dokupić drogi software. Dodatkowo przy wyborze HMI ważne są dodatkowe aspekty: webserwer, VNC, logowanie danych, wysyłanie e-maili, możliwość sterowania panelem z telefonu lub tabletu.

NIE TYLKO PRZYCISKI I PRZEŁĄCZNIKI

Dzięki grafikom można ponadto stosować różne niestandardowe, ale skuteczne sposoby prezentacji danych. Ułatwiają one m.in. ich grupowanie. Jeżeli przykładowo obiektem sterowania jest zbiornik, z którym skojarzone są wartości trzech zmiennych, to dzięki wyświetleniu ich w obrębie grafiki go przedstawiającej będą one przez operatora automatycznie postrzegane jako zbiór danych powiązany ze sobą i tym konkretnym obiektem.

Jak wspomniano wcześniej, panele operatorskie wyposaża się w różnego typu elementy wejściowe. Są to rozmaite przyciski i przełączniki. Te ostatnie są przydatne m.in. wtedy, gdy wymagane jest, żeby operator mógł ręcznie przełączać się między pozycjami włącz/wyłącz lub potrzebny jest wyraźny, cały czas widoczny i namacalny, wskaźnik aktualnej pozycji. Ekrany dotykowe są z kolei wybierane m.in. wtedy, gdy gromadzenie się zanieczyszczeń na elementach elektromechanicznych jest niedopuszczalne, na przykład w produkcji spożywczej i farmaceutycznej.

Wyświetlacze łatwiej się czyści. Można też zabezpieczyć je nakładkami ochronnymi. Ich zaletą, wtedy gdy są często myte, jest też hermetyczność konstrukcji. Ponadto rezygnując z przycisków, klawiatur oraz przełączników na rzecz paneli dotykowych, zmniejsza się liczbę elementów potencjalnie awaryjnych.

Maciej Zawadzki

Pro-face

Do czego wykorzystywane są HMI i jakie są ich cechy charakterystyczne?

Panel operatorski jest wizytówką maszyny, miejscem sterowania i informacji o produkcji, jak również określa możliwości danego urządzenia, jego wydajność oraz pomaga w doborze parametrów i pokazuje raporty. Musi on być niezawodny, a w przypadku ewentualnej awarii czas naprawy powinien być skrócony do minimum. Mechanika większości podobnych urządzeń jest bardzo podobna, natomiast oprogramowanie jest zupełnie inne.

Jakie zmiany zachodzą w przypadku tego ostatniego?

HMI powinien być intuicyjny, a jego możliwości najlepiej "nieograniczone" - tego samego wymaga się od każdego oprogramowania. Ze względu na stale rozwijające się możliwości produkcyjne, HMI muszą realizować coraz więcej zadań, a nie tylko informować operatora o błędach czy statusach. Teraz potrzebujemy sprawdzać wydajność, wysyłać raporty, łączyć się z innymi systemami pracującymi w zakładach.

Czy technologia multi-touch jest dzisiaj popularna w zastosowaniach przemysłowych?

Panele obsługujące wielopunktowy dotyk czy te z matrycami pojemnościowymi są dzisiaj rozwiązaniami jeszcze nie tak popularnymi - głównie ze względu na praktyczność. Trudno wyobrazić sobie operatora w rękawicach ubrudzonych olejem obsługującego panel operatorski tak jak najnowszego smartfona - to dopiero jeszcze przed nami.

Jakie zabezpieczenia HMI się stosuje? Czy często konieczne jest używanie dodatkowych osłon lub innych akcesoriów?

W wielu przypadkach standardowe HMI są dodatkowo wyposażane w odpowiednie osłony, pojawiają się modele z pokryciami wewnętrznych układów elektronicznych, mające folie ochronne i inne dodatki. Oczywiście sprawdzają się one w większości projektów tego wymagających, aczkolwiek używanie dodatkowych osłon nie jest zbyt rozpowszechnione. Projekt maszyny zazwyczaj zakłada umieszczenie HMI w lokalizacji względnie bezpiecznej, tak aby ekran czy inne elementy sterowania nie zostały zniszczone.