Что включает в себя понятие человеко машинный интерфейс
HMI как интеллектуальные периферийные устройства
Программное обеспечение HMI можно использовать для создания ценности из быстро увеличивающегося объема промышленных данных. По сведениям корпорации International Data Corp. (IDC), в 2025 г. каждый день будет создаваться 463 Эбайт (1 Эбайт равен 1 квинтиллиону байт) данных [1]. При этом большая часть этих данных будет передана следующими устройствами и технологиями:
Устройства всех перечисленных выше типов продолжают добавлять в свою структуру датчики, а большее число используемых датчиков, естественно, ведет и к большему объему собранных данных. Экспоненциальный рост только одних промышленных систем уже опережает доступную пропускную способность сети. Большая часть данных от машин и процессов остается неиспользованной, но получение доступа к этим сведениям имеет решающее значение для получения ценной бизнес-информации, буквально ее кладезем.
Эффективно использовать данные помогает их обработка с помощью программного обеспечения HMI, развернутого рядом с источником таких данных. Для этого роль HMI должна эволюционировать
Новые роли для программного обеспечения HMI
Программное обеспечение HMI, установленное на периферийных устройствах, должно соответствовать постоянно растущим требованиям к тому, как все типы данных должны быть получены, отсортированы, проанализированы и уточнены. Огромный объем собираемых данных означает, что важную роль в общем плане цифровой трансформации для более разумных операций на операционном уровне должны играть передовая аналитика и машинное обучение.
HMI, как правило, работают с такими источниками данных, как ПЛК и датчики. Традиционно HMI использовались в качестве инструмента визуализации, а иногда и в качестве сборщика данных, просматриваемых на специальной панели управления, мобильном устройстве или в веб-браузере. Современные HMI по-прежнему должны выполнять эти роли, но также собирать данные в реальном времени, хранить их локально для дальнейшего анализа и использовать для поиска закономерностей и выводов, необходимых для составления прогнозов (рис. 1).
Рис. 1. Традиционные HMI технологического и производственного оборудования использовались только для визуализации, но новые продукты, такие как SmartView от компании ADISRA, поддерживают хранение и анализ данных непосредственно на периферии.
Все изображения предоставлено компанией ADISRA
Сейчас HMI развиваются как источник данных для обеспечения машинного обучения в реальном времени. Соответственно, для обучения моделей данные процесса временного ряда должны коррелировать с данными о нарушениях процесса и сопровождающих их событиях. Это позволяет таким моделям определять качество продукта в ходе производства или прогнозировать состояние критически важного оборудования. Модели машинного обучения работают лучше всего, когда для них доступны большие объемы данных с высокой точностью. Прогнозное техническое обслуживание возможно только тогда, когда эти модели заранее обнаруживают отклонения от обычного поведения и указывают на возможный надвигающийся отказ, способный привести к простою оборудования производственной линии или машины.
Четыре способа проверить качество промышленных данных
Чтобы перейти от необработанных данных к аналитическим, человеко-машинный интерфейс должен анализировать входящие сведения от физических активов предприятия и промышленных элементов управления и хранить их в организованном порядке. Решающую роль в закладке основы, необходимой для прогнозного моделирования, играет объединение исторических данных с данными, поступающими в реальном времени.
Модели машинного обучения разрабатываются путем изучения достаточного количества данных, представляющих довольно разнообразный набор, чтобы охватить как можно больше примеров успеха и неудач в соотношении, например, 70/30 (успех/неудача).
Для того чтобы подобрать правильный набор данных с проверенным качеством, требуется время. Также их нужно очистить следующим образом:
При выполнении анализа числовых данных (они необходимы для выявления тенденций) поисковыми методами может быть выброшен большой объем исторических данных, но часто требуется получать и новые текущие данные. При этом пользователи должны убедиться, что обучающий набор не имеет встроенной систематической ошибки. Только после подтверждения достоверности данных можно создавать и применять модели машинного обучения.
Как правильно построить модель машинного обучения
Данные, собранные в реальном времени, поддерживают построение и уточнение модели машинного обучения. Сейчас ведутся споры о том, должно ли после создания модели машинного обучения каждое пограничное устройство иметь возможность изменять модель машинного обучения или такие обновления должны контролировать исключительно люди.
Преимущество возможности изменять модель каждому периферийному устройству состоит в том, что они могут адаптироваться. Однако следствием динамического изменения модели является то, что модели машинного обучения для каждого граничного устройства могут различаться. Последовательно обновляемые модели с большей вероятностью сведут к минимуму проблемы с их поддержкой.
Большинство пользователей начинают процесс разработки модели с контролируемого обучения таким алгоритмам, как линейная регрессия, логистическая регрессия и нейронные сети. Большая часть сегодняшней практической ценности модели — это обучение под контролем человека или как минимум под его наблюдением. Затем уже можно приступить к применению методов глубокого обучения на основе одних лишь данных.
Когда модель машинного обучения находится в приемлемом с точки зрения ее «разумности» состоянии, ее можно развернуть на граничном устройстве, где она сможет работать с данными в реальном времени и искать аномалии. При обнаружении каких-либо аномалий HMI может уведомить пользователя, отправив сигнал тревоги.
Архитектура современного HMI, пограничная аналитика
Роль современного HMI заключается не только в сборе данных, но и в идентификации элементов, событий или наблюдений, не соответствующих ожидаемому шаблону. У такого HMI есть хорошие возможности не только для того, чтобы делать выводы на основе данных и обнаруживать те или иные аномалии, но и для отправки аварийных сигналов через экран, в виде текстовых сообщений или отправления электронных писем оператору о фактических или потенциальных проблемах.
Выполняя обнаружение ближе к источнику данных, человеко-машинный интерфейс позволяет реализовать более раннее оповещение без задержки, свойственной отправке данных в облако. HMI может находить известные шаблоны, способные привести к обнаружению отказа на критически важном элементе оборудования, при этом и логический вывод, и действия на этом уровне обрабатываются локально (рис. 2).
Рис. 2. Расположенные на периферии HMI хорошо подходят для выполнения аналитики и быстрой доставки сообщений и сигналов тревоги пользователям
HMI также могут выполнять и предварительную обработку данных. Благодаря расположению HMI на периферии, его возможности по созданию и генерации выводов в реальном времени он может классифицировать, обнаруживать и сегментировать данные перед их отправкой в облако. Это обеспечивает эффективность восходящей обработки и упрощает организацию сети.
Однако концепция, в рамках которой пограничное устройство должно передавать необработанные, агрегированные или прогнозные данные в облако для дальнейшей аналитики, несколько спорна. Для оптимизации моделей машинного обучения в высокоуровневых или облачных системах потребуются необработанные данные максимальной точности. К сожалению, это может создать для пользователя техническую (аппаратную и сетевую) нагрузку и привести к финансовым затратам.
Необходимость в фильтрации промышленных данных
Основываясь на оценке корпорации IDC, что к 2025 г. ежедневно будет создаваться 463 Эбайт данных, о чем было сказано в начале статьи, пользователи должны принимать осторожные решения о передаче данных, исходя из объема хранилища и пропускной способности сети, необходимой для обновления данных в том месте, где они необходимы для анализа (рис. 3).
Рис. 3. HMI SmartView от компании ADISRA выходит за рамки простой визуализации и помогает OEM-производителям и конечным пользователям управлять передачей данных и выполнять аналитику машинного обучения
Подход на основе необработанных данных предоставляет лучшие базовые данные для моделей машинного обучения. Однако из-за того, что создается огромный объем информации, в этом случае может быть физически сложно передать данные в реальном времени. Когда агрегированные или прогнозные данные в реальном времени предварительно обрабатываются на границе и передаются, объем для передачи ниже. Впрочем, пользователи должны знать, что этот подход может фильтровать или скрывать информацию, позволяя предвзятости проникать в модель машинного обучения.
Другой вариант — отправка агрегированных или прогнозных данных в реальном времени и настройка другого канала для отправки необработанных данных с меньшей скоростью. Потенциальным недостатком является то, что при таком подходе очередь связи может быть быстро заполнена.
Экономические затраты на приобретение пропускной способности сети и устройств хранения должны быть сбалансированы с доступными техническими практическими задачами, такими как определение достаточной стабильности сети. Эти факторы будут влиять на то, где можно развернуть машинное обучение: на границе, в облаке или в обеих точках сразу. Здесь необходим поход на основе функционально-стоимостного анализа.
Расширенная аналитика в HMI и обнаружение аномалий
С помощью современных HMI возможна расширенная аналитика. Большая часть мировых данных —- это потоковые данные и данные временных рядов, аномалии которых предоставляют важную информацию, указывающую на критические ситуации. Существует множество вариантов использования HMI для обнаружения аномалий, включая основу профилактического и прогнозного технического обслуживания, обнаружения неисправностей и мониторинга текущего состояния технологического и производственного оборудования, а также отдельных критически важных машин и механизмов.
Аномалии определяются как момент времени, когда поведение системы становится необычным и сильно отличается от ее поведения в прошлом. Аномалии могут быть пространственными (значение выходит за пределы типичного диапазона) или временными (значение не выходит за пределы типичного диапазона), но последовательность, в которой они возникают, необычна. Метки состояний могут быть связаны с аномалиями и классифицировать их как временные или пространственные. Система аварийной сигнализации также может назначать взвешенные значения для прогнозирования отказа на основе приоритета, важности и частоты.
Любой современный HMI также должен изначально поддерживать механизмы для отправки и получения сообщений с отслеживанием состояния и гарантировать актуальность и достоверность данных удаленного устройства. Связь с отслеживанием состояния может быть обеспечена с помощью таких протоколов, как MQTT (Message Queue Telemetry Transport — легкий сетевой протокол, работающий поверх TCP/IP) и Kafka (распределенный программный брокер сообщений, проект с открытым исходным кодом), а управление состоянием — спецификацией Sparkplug B.
Данные, попавшие в облако, можно агрегировать и объединить с данными из нескольких источников. Ценность здесь заключается в том, что пользователи могут рассматривать несколько операций или весь парк оборудования вместе, независимо от их физического местоположения. Облачную фильтрацию и аналитические модели можно использовать для уточнения данных в рамках глубокого анализа с целью прогнозирования поведения и тенденций, таких как среднее время наработки на отказ (MTBF) или окончание срока службы машин. Затем эту информацию можно развернуть обратно в модели машинного обучения, расположенные на периферии и работающие в HMI, чтобы улучшить работу этих моделей.
Пять требований к современным HMI
Если прогноз корпорации IDC хоть сколько-нибудь близок к правильному, то роль HMI будет возрастать и необходимо соответствующим образом их развить, чтобы вместить огромные объемы данных. Современные HMI могут подключаться к большому количеству машинных данных, чтобы:
Это новая роль HMI, поскольку развертывается все больше датчиков, а зависимость от машин продолжает расти. Критический характер и функции этих машин будут расширяться, и человеко-машинный интерфейс станет мозгом интеллектуальной периферии.
Человеко машинный интерфейс
Основные понятия и стандарты человеко-машинных интерфейсов
В современном оборудовании применяются различные виды органов управления для приведения в действие оборудования и процессов.
В компьютерном оборудовании широко используются органы управления (устройства ввода данных), представленные в виде функциональных или алфавитно-цифровых клавиатур, различных видов манипуляторов (например, «мышь», световое перо, сенсорное устройство указания).
Органы управления как часть человеко-машинного интерфейса могут иметь различную степень важности в диалоге между оператором и оборудованием или машиной.
Стандартизация требований (в том числе эргономических) к органам управления особенно важна в областях, где принятие мер по обеспечению безопасности крайне необходимо (например, когда в результате неправильной работы системы приведения в действие может произойти авария или когда необходимы частые или оперативные действия: при работе подъемных кранов, эксплуатации транспортных средств и др.), особенно в случаях, когда потенциально опасное оборудование используется людьми с низкой квалификацией.
Требования к органам управления и принципы приведения в действие человеко-машинного интерфейса установлены в международном стандарте МЭК 60447:2004 «Интерфейс человеко-машинный (ИЧМ). Принципы приведения в действие», который входит в число основных публикаций по безопасности, принятых Международной электротехнической комиссией Этот стандарт предназначен для применения соответствующими Техническими комитетами МЭК при разработке стандартов на конкретное оборудование, а также в случаях, когда отсутствуют стандарты на конкретное оборудование с аналогичной областью применения.
В странах Европы действует европейский стандарт ЕН 60447:2004 «Интерфейс человеко-машинный (ИЧМ). Принципы приведения в действие», требования которого не отличаются от МЭК 60447:2004.
В МЭК 60447:2004 установлены основные принципы приведения в действие человеко-машинного интерфейса, обеспечивающие правильное и своевременное функционирование органов управления, безопасную и надежную работу оборудования в целом.
Установленные в МЭК 60447:2004 принципы применяют при эксплуатации электрооборудования, машин или даже целого предприятия.
На территории Украины эти требования используются с учетом основных нормативных документы и норм ДСТУ и ГОСТ.
Основные требования представлены в таких стандартах Украины:
Согласно вышеуказанным стандартам внесем такие основные определения и термины:
Орган управления это часть системы приведения в действие, которая принимает воздействие человека.
Под системой приведения в действие следует понимать совокупность взаимосвязанных устройств, применяемых для достижения конкретной цели путем выполнения определенных функций.
Классификация органов управления
1 однофункциональный орган управления: Один или несколько органов управления, результат действия которого приводит к одному конечному результату (например, перемещение в определенном направлении или расположение).
2 многофункциональный орган управления: Один или несколько органов управления, результат действия которого приводит к различным конечным результатам (например, перемещение в определенном направлении и расположение).
Орган управления может быть в виде ручки, кнопки, кнопочного переключателя, кнопки «нажать-нажать», кнопки «нажать-отпустить», ролика, поршня, «мыши», светового пера, клавиатуры, чувствительной области экрана монитора.
Человеко-машинный интерфейс (ЧМИ) это набор технических средств, предназначенных для обеспечения непосредственного взаимодействия между оператором и оборудования, который и дает возможность оператору управлять оборудованием и контролировать его функционирование.
Примечание— Такие средства могут включать приводимые в действие вручную органы управления, контрольные устройства, дисплеи.
Человеко-машинные интерфейсы подразделяются на:
Двухкоординатпый контроллер (VDU контроллер) – специализированный манипулятор, предназначенный для выбора специфической области на устройстве вывода, который представляет собой некоторое оборудование или устройство для выдачи команды.
Примечание – Двухкоординатным контроллером может быть джойстик, «мышь», трекбол, дигитайзер, сенсорные панели и активные экраны.
Основные принципы построения человеко-машинных интерфейсов
Применение принципов приведения в действие, конструктивное расположение и последовательность функционирования органов управления должны рассматриваться на стадии разработки и проектирования оборудования.
Тип, форма и размер органа управления, а также его расположение должны быть выбраны таким образом, чтобы он отвечал требованиям назначения, обслуживания и условий эксплуатации. Также должны быть приняты во внимание навыки пользователей, ограничения в маневренности, аспекты эргономики и требуемый уровень предотвращения возможности выполнения непреднамеренной операции.
Принципы построения ЧМИ:
1. Органы управления должны быть однозначно идентифицируемы при всех указанных состояниях и размещены так, чтобы допускать безопасное и своевременное выполнение операций.
2. Орган управления должен выполнять только команды, соответствующие заданным целям его применения.
3. Действия пользователей не должны приводить к неопределенному или опасному состоянию оборудования или процесса.
4. Органы управления и связанные с ними контрольные устройства должны размещаться согласно требованиям отраслевых нормативных документов, ДСТУ, ГОСТ и международных стандартов и быть функционально взаимосвязаны.
5. Метод диалога, используемый в ЧМИ, должен принимать во внимание аспекты эргономики, соответствующие конкретной задаче.
6. Для исключения опасных последствий, связанных с ошибками оператора, рекомендуется обеспечить:
— определенный приоритет команд (например, команда «СТОП» имеет более высокий приоритет, чем команда «ПУСК»);
— упрощение последовательности функционирования органа управления (например, при помощи автоматизации);
— блокировку управления (например, управление двумя руками);
— функционирование в толчковом режиме.
7. Органы управления должны быть логически сгруппированы согласно их эксплуатационной или функциональной взаимосвязи необходимым для обеспечения управления оборудованием. Указанный принцип должен соблюдаться во всех областях применения оборудования.
Расположение органов управления должно быть выполнено таким образом, чтобы упростить его идентификацию и минимизировать вероятность неправильного приведения в действие, являющуюся результатом ошибки оператора.
Должны быть использованы один или несколько из следующих принципов группировки органов управления:
— группировка по функции или взаимосвязи;
— группировка по последовательности применения;
— группировка по частоте применения;
— группировка по приоритетам;
— группировка по процедурам функционирования (нормальное или критическое состояние);
— группировка по моделированию схемы предприятия (машины).
Принципы группировки должны быть совместимы с навыками пользователя, приобретенными им в результате обучения.
Не должны применяться зеркальные и симметричные схемы панелей с расположенными на них органами управления, контроллерами и средствами отображения информации.
Связанные группы органов управления должны размещаться согласно их уровню приоритета, например:
— самый высокий приоритет – вверху слева;
— самый низкий приоритет – внизу справа.
Последовательность операций
В технологическом оборудовании для выполнения определенных функций используются два вида последовательностей:
Трехшаговый принцип характеризует последовательность приведения в действие и связанные с ним показания:
— шаг 1 – выбор функции/оборудования/устройства;
— шаг 2 – выбор соответствующей команды;
— шаг 3 – выполнение команды.
Могут применяться три шага:
а) с отдельными группами органов управления: каждая группа относится к одной функции или оборудованию, включая выполнение команды (монофункция). Пример применения приведен на рисунке 1;
б) с двумя группами органов управления: первая группа предназначена для выбора функции/ оборудования/устройства, а вторая – для выбора соответствующей команды; также используется дополнительный орган управления, отделенный от этих групп, для выполнения команды (мультифункция). Пример применения приведен на рисунке 2.
Может возникнуть необходимость указания состояния выбранного оборудования, являющегося основой для следующей требуемой команды.
Может возникнуть необходимость подтверждения каждого выбранного шага операции.
После выполнения команды как можно быстрее должно быть обеспечено понятное и однозначное подтверждение конечного результата обработки команды.
Рисунок 1 – Трехшаговая последовательность выполнения однофункционального применения 
Рисунок 2 — Трехшаговая последовательность выполнения многофункционального применения
При одношаговой последовательности каждый орган управления отвечает за определенную команду для заданного устройства. Т.е. оператор визуально без использования дополнительных аппаратных средств выбирает орган управления для определенного оборудования и контролирует выполнение команды.
Обозначению органов управления
Органы управления в соответствии с требованиями безопасности должны иметь обозначения либо на самом органе управления, либо рядом (например, графическими символами, цветами, буквами). Может также использоваться осязательная или звуковая информация, если органы управления не всегда видны.
Обозначения органов управления должны легко распознаваться и однозначно соответствовать назначению, конечному результату и быть взаимосвязанными с органами управления и, если воз-можно, с их расположением.
2 Звуковой сигнал
Звуковой сигнал может выдаваться как ответ на операцию органа управления, особенно для стандартных действий. Использование звукового сигнала в качестве единственного средства для обозначения органа управления не рекомендуется.
При использовании звукового сигнала должны учитываться характер и громкость звука в соответствии с уровнем окружающего шума и расстоянием от оператора до источника звука.
Чтобы гарантировать распознавание звукового сигнала, сигнал должен сохраняться или повторяться до момента вмешательства оператора.
Значение звукового сигнала должно быть ясно оператору и однозначно им воспринято.
3 Осязательный сигнал
Осязательные сигналы могут быть необходимы в некоторых случаях:
— когда необходимо идентифицировать связанные с безопасностью органы управления в условиях ограниченной видимости (например, в темноте, в дыму);
— в нормальных условиях, когда орган управления не находится в поле зрения оператора;
— в нормальных условиях по причинам эргономичности, чтобы избежать ошибок оператора. Информация, переданная оператору через осязательный орган чувств, должна быть независимой от информации, получаемой оператором через зрительный или слуховой органы чувств.
Осязательное обозначение должно ясно и однозначно идентифицировать необходимый элемент(ы) системы приведения в действие.
Информация, переданная осязательным сигналом, должна быть хорошо известна оператору. Значение каждого осязательного сигнала должно быть указано на оборудовании и в инструкции по эксплуатации, которая поставляется с оборудованием.
Современный человеко-машинный интерфейс на производстве: актуальные тенденции
Средства человеко-машинного интерфейса остаются одним из ключевых компонентов систем автоматизации. Однако их внешний вид и функциональные возможности претерпевают существенные изменения. Об актуальных тенденциях в развитии HMI рассказывает Александр Шугаев, менеджер по развитию направления бизнеса в области «Человеко-машинный интерфейс» компании Schneider Electric в России.
Автор: Александр Шугаев, менеджер по развитию бизнеса «Человеко-машинный интерфейс» компании Schneider Electric в России и СНГ
Главный тренд — виртуализация HMI
Важный компонент любой системы автоматизации — средства человеко-машинного интерфейса (HMI – англ. Human-Machine Interface). Их роль, как и роль производственного персонала, по-прежнему велика, несмотря на то, что уровень автоматизации промышленных предприятий постоянно растет. Какой бы совершенной ни была система управления, принятие критически важных решений всегда остается за человеком, а значит, он должен оперативно и в удобной форме получать информацию о техпроцессе и иметь возможность контролировать и влиять на него.
HMI представляет собой набор технических средств, предназначенных для обеспечения непосредственного взаимодействия между оператором и оборудованием. Он позволяет оператору управлять и контролировать работу технических систем. Удобство, надежность и функциональность средств HMI во многом определяет успех работы всей АСУ.
Исторически под HMI понимали кнопки, переключатели, стрелочные приборы и т.д. В современном мире на смену физическим устройствам постепенно приходят виртуальные. Так сегодня панель оператора, содержит виртуальные кнопки, графики, аналоговые и цифровые показатели. Благодаря виртуализации в диспетчерской появляется экран, на котором можно отобразить все, что необходимо; причем есть возможность пользоваться множеством сменяемых изображений. Это намного удобнее по сравнению с физическими кнопками, которые не обеспечивают должной наглядности, занимают место на диспетчерской панели и не могут быть убраны или с легкостью заменены.
Однако полного отказа от физических устройств не происходит в силу следования стандартам безопасности. На сегодняшний день сохраняются требования, в соответствии с которыми кнопка аварийного отключения и лампа состояния аварии должны представлять собой реальные объекты, поскольку это позволяет создавать физический разрыв в цепи управления и контролировать ситуацию даже в том случае, если панель полностью погасла.
Важно подчеркнуть, что панель оператора и человеко-машинный интерфейс – не тождественные понятия. Панель – это всего лишь интерфейс, где технология производства экрана немногим отличается от телевизионного. Большинство же ее возможностей и «интеллектуальных способностей» определяется программными средствами. Таким образом, эволюция HMI – это всегда параллельные процессы развития аппаратных средств и программного обеспечения (ПО).
Средства HMI для большой и малой автоматизации
Выбор средств HMI определяется главным образом задачами автоматизации. Первый критерий выбора — архитектура системы автоматизации: она определяет тип сети или шины передачи данных и объем информации для оператора. Второй критерий – потребности операторов системы человеко-машинного интерфейса.
Промышленную автоматизацию можно условно разделить на два ключевых направления – «малая» автоматизация, включающая решения для отдельных машин и механизмов, и «большая» – предназначенная для управления сложными техпроцессами и даже целым производственным комплексом. Малая и большая автоматизация будут выдвигать разные требования к HMI.
Прежде всего, принципиально различаются концепции отображения информации на панели. При автоматизации отдельных машин важна наглядность, прорисовка, возможность создания собственных динамических картинок, отображающих протекание операций. Здесь могут использоваться яркие изображения и анимация.
Для отображения сложных систем, напротив, необходимы унифицированные, минималистичные отображения. Важно, чтобы оператор максимально быстро замечал сбои в контролируемых процессах. Цветная, быстро меняющаяся картинка отвлекает внимание, в то время как, наблюдая за однообразным и систематизированным потоком данных, проще сосредоточиться и своевременно отследить предупреждение и распознать опасную ситуацию.
Другое требование «большой» автоматизации связано со сложностью процессных систем, где в большинстве случаев используется оборудование от нескольких производителей. Для потребителей данной категории на первый план выходит легкость интеграции HMI с остальными компонентами АСУ, поддержка открытых протоколов связи (чаще всего по каналу Ethernet), а также возможность передачи информации в системы более высокого уровня (SCADA-системы) и масштабируемость решений.
Однако есть и общие требования к HMI, характерные и для машинной, и для процессной автоматизации. Во-первых, это легкость настройки и адаптации под нужды заказчика. Во-вторых, возможность создавать собственные, в том числе динамические, объекты и тиражировать их. В-третьих, четкое и ясное отображение информации,независимо от условий окружающей среды и других факторов. Наконец, в-четвертых, возможность быстро и четко управлять системой, независимо от ее текущего состояния, условий окружающей среды и других факторов.
Сенсорные технологии: за и против
В эпоху смартфонов и планшетов, любой экран воспринимается не только как устройство вывода информации, но и как устройство ввода. Не удивительно, что технология сенсорных панелей (touch screen) все активнее используется в промышленности. Однако, в отличие от потребительской сферы, в промышленной автоматизации применяются в основном резистивные, а не емкостные дисплеи. Это связано с повышенными требования к безопасности и надежности. Резистивные экраны имеют определенные недостатки – они обеспечивают менее яркие цвета и не позволяют полноценно реализовать технологию multi touch (считывание прикосновения в нескольких точках). Тем не менее, они больше подходят для условий промышленной эксплуатации, где не исключено попадание на чувствительную часть экрана токопроводящей стружки, а нажатие необходимо производить в перчатках.
Передовые решения на резистивных экранах уже сегодня позволяют реализовать технологию double touch (считывание прикосновения в двух точках). Такие экраны обладают всеми привычными для пользователей смартфонов функциями – перелистывание, изменение масштаба, прокрутка экрана и т.д. Благодаря развитию сенсорных технологий кнопочные устройства ввода информации (такие как клавиатура, мышь и подобная техника) нередко уступают свое место панелям с виртуальными кнопками. Однако производители не отказываются от возможности подключения этих устройств, а также периферийной техники — принтеров или считывателей штрих-кодов (barcode). К тому же, не все новейшие технологии ввода информации подходят для применения в промышленности. Например, использование голосового ввода данных в области управления АСУ связано с огромными рисками нарушения прав доступа.
Легкость конфигурации за счет программных средств
Как уже отмечалось выше, многие инновационные возможности панелей оператора связаны с эволюцией программного обеспечения. Именно от характеристик софта зависят скорость разработки приложений, гибкость настройки, возможность реализовывать любые пожелания клиента.
Обычно аппаратные средства HMI не имеют выраженной отраслевой специфики и определяются наличием сертификатов различных классификационных обществ, таких как МЭК, UL, CSA, EAC, морские BV, GL, и ATEX. Для адаптации диспетчерских панелей к требованиям различных производств используются специальные программные продукты – библиотеки, содержащие тысячи готовых объектов, к примеру, конвейеры, вентиляторы, миксеры и т.д. Однако зачастую компании-потребители специализируются на достаточно узких сегментах рынка. Это ведет к тому, что до 90 % встроенных объектов библиотек может не использоваться.
Также адаптировать средства HMI к отраслевым задачам можно за счет использования готовых архитектур – TVDA (Technical validated documented architecture). Благодаря TVDA отпадает необходимость писать громоздкие программы, достаточно ввести параметры для уже готовых архитектур.
Существенно расширить возможности программного обеспечения для конфигурирования панелей можно за счет поддержки сценарного языка программирования Java Script, который позволяет реализовать практически любую логику.
Избежать ошибок при написании сценариев поможет использование «конструкторов», содержащих готовые блоки для построения «тела» программы. Есть и другие пути сократить время настройки панели оператора. Как правило, для внесения изменений и исправлений, необходимо «перезалить» проект в панель. Однако в случае с самым современным ПО этого не требуется: во время отладки изменения можно вносить в режиме онлайн без перезагрузки.
Современный софт позволяет с легкостью изменить графику в соответствие со вкусами заказчика. Дело в том, что человеко-машинный интерфейс – это компонент АСУ, наиболее подверженный субъективной оценке пользователя. Бывает так, что логика системы автоматизации работает прекрасно, но клиенту визуально не нравится графика на панели. Для решения этой проблемы ПО последнего поколения оснащено функцией создания тем и шаблонов, по аналогии с тем, как это реализовано в Microsoft PowerPoint. В распоряжении пользователя такие возможности как градиентная заливка цвета, конфигурировние прозрачности объекта, использование шрифтов true type. Система позволяет открывать несколько страниц в одном окне и осуществлять навигацию независимо в каждой секции. Размер объектов на экране автоматически изменяется в соответствии с размером экрана. Так несколько элементарных действий позволяют существенно повысить удовлетворенность клиента.
Мобильность и дистанционное управление
Один из ключевых трендов рынка средств HMI последних лет – возможность контролировать производственные процессы не только с помощью стационарных панелей, но и с помощью мобильных устройств. Не случайно ведущие игроки рынка активно разрабатвают специальные мобильные приложения для АСУ.
Эта функция вострбована там, где есть необходимость контролировать удаленное оборудование. Расширенный вариант позволяет техническому руководителю или инженеру-разработчику на своем мобильном устройстве создавать дополнительные экраны, не связанные с экраном панели оператора. С их помощью можно менять настройки, недоступные на обычных рабочих станциях.
Также современные панели оператора могут взаимодействовать с пользователем на расстоянии, отправляя ему SMS или электронные письма.
Единство средств автоматизации
Основными потребителями средств HMI являются разработчики АСУ, а для данной категории принципиальна возможность интеграции софта для программирования контроллеров и операторской панели. Единая платформа увеличивает скорость разработки и запуска проекта, избавляя от дублирования действий.
В целом стоимость средств HMI для процессной автоматизации составляет малый процент от совокупных затрат на проект по внедрению АСУ. Поэтому большинство заказчиков АСУ выбирают комплексные монобрендовые решения – то есть панели оператора, контроллеры и другое смежное оборудование от одного и того же производителя. Это гарантирует совместимость компонентов системы автоматизации с программными или аппаратными средствами HMI.
Для некоторых заказчиков важно, чтобы панель оператора являлась не только частью АСУ, но и частью информационных систем более высокого уровня. Для этой цели могут использоваться два независимых Ethernet-порта в панелях серии GTU, обеспечивающих работу панели одновременно в двух разных сетях. К примеру, через один порт приходит информация с контроллеров, через другой – она автоматически отправляется в SCADA-систему.
Таким образом, одно из ключевых требований современного рынка большой автоматизации — интеграция оборудования и программного обеспечения в самых разных плоскостях. Поэтому способность компании-поставщика HMI обеспечить полный спектр комплексных программно-аппаратных решений становится одним из ключевых конкурентных преимуществ.
В противоположность архитектурам, предназначенным для работы с одной установкой, в данном случае существует возможность построения распределенных архитектур человеко-машинного интерфейса. В таких архитектурах работа с оборудованием происходит глобально, что позволяет обеспечить тесный контакт с ПО управления предприятием (ERP).
Этот тип средств HMI требует наличия высоких вычислительных возможностей, поэтому для этих целей применяются полноценные промышленные компьютеры. Благодаря промышленному исполнению такие устройства могут работать в сложных условиях производства, характеризующихся высоким уровнем электромагнитных помех, неблагоприятными климатическими условиями и т.д. Промышленные компьютеры поставляются с установленными операционными системами Windows, SCADA-системами (системами диспетчерского управления и сбора данных) для установки приложений, либо системами HMI или web-интерфейса в зависимости от потребностей пользователя.
Новые решения для максимальной эффективности
Делая выводы, отметим, что основные тенденции в развитии средств человеко-машинного интерфейса. связаны с достижениями в сфере информационных технологий, микроэлектроники и средств передачи данных. Причем эволюция происходит в направлении совершенствования как аппаратных, так и программных средств.
Глобальные изменения коснулись систем ввода-вывода информации. Если раньше оператор выполнял функции контроля и управления с помощью аналоговых устройств, то сейчас им все чаще на смену приходят виртуальные. В сферу промышленной автоматизации проникает технология сенсорных экранов с функциями double touch и multi touch. Современное программное обеспечение становится все более гибким, что позволяет адаптировать панель оператора под индивидуальные потребности и сценарии.
Средства HMI остаются неотъемлемой частью системы автоматизации, и должны легко интегрироваться с любыми ее компонентами, зачастую – и с системами верхнего уровня. Поэтому заказчики отдают предпочтение комплексным предложениям по автоматизации или, как минимум, используют оборудование, работающее по открытым протоколам.
Благодаря грамотному выбору и конфигурации средств HMI пользователи могут эффективнее контролировать технологические процессы, повышать производительность, минимизировать время простоев и, в итоге, улучшать свои бизнес-показатели.