Панель оператора как средство создания высокоэффективного HMI

Опубликовано в номере:
PDF версия
Функционирование современной автоматизированной системы управления (АСУ) зависит от согласованной работы ее частей. Высокое качество взаимодействия внутри программно-аппаратного комплекса обеспечивают высокопроизводительные вычислительные средства, поддерживающие открытые протоколы обмена данными, и унифицированные сигналы контроля и управления. А должный уровень связи между таким комплексом и оперативным персоналом достигается с помощью средств человеко-машинного интерфейса (Human Machine Interface, HMI). Степень важности HMI переоценить сложно: в АСУ, независимо от степени автоматизации, именно операторы играют ключевую роль. От них зависит штатное функционирование всего автоматизированного технологического комплекса и принятие важных решений.

Сегодня существует три основных способа создания HMI.

Первый и традиционный способ — это применение светосигнальной арматуры (рис. 1) в виде переключателей, кнопок, сигнальных ламп, маячков, колонн и т. д. Преимуществами такого метода являются относительно низкая стоимость реализации, высокая надежность и ремонтопригодность. Он подходит для отдельных технических агрегатов и установок (электродвигатели, насосные агрегаты, вентиляторы и т. д.), на которых реализованы несложные технологические процессы и где используются системы управления на базе релейно-контактных схем.

Светосигнальная арматура

Рис. 1. Светосигнальная арматура

Второй способ является развитием первого. Дело в том, что для управления сложными технологическими объектами с большим количеством сигналов контроля и управления применение HMI, реализованных только на базе светосигнальной арматуры, будет неэффективным решением. Громоздкие пульты управления с множеством сигнальных ламп, переключателей, тумблеров не способствуют повышению качества взаимодействия с оперативным персоналом. Поэтому второй метод основан на применении таких технический решений, как панельные компьютеры и панели оператора (НMI-панели, рис. 2).

АРМ на базе HMI-панели

Рис. 2. АРМ на базе HMI-панели

Третий способ — это реализация НMI на базе автоматизированных рабочих мест (АРМ), представляющих собой персональный компьютер (ПК) с развернутой SCADA-системой (рис. 3).

Выбор того или иного способа организации HMI зависит от ряда факторов: сложности и архитектуры автоматизированной системы, целесообразности применения тех или иных технических решений и др.

АРМ на базе SCADA-системы

Рис. 3. АРМ на базе SCADA-системы

 

HMI-панели

Панели оператора используются в разных сферах человеческой деятельности. Их активно применяют для автоматизации отдельных агрегатов, установок или целого технологического процесса в структуре АСУ ТП.

Трехуровневая архитектура современных АСУ ТП (рис. 4) определила комбинированный подход к реализации HMI: на верхнем уровне (диспетчеризации) развернута SCADA-система, а на среднем (контроля и управления) помещены HMI-панели или панельные компьютеры.

Трехуровневая структура АСУ ТП

Рис. 4. Трехуровневая структура АСУ ТП

Применение панелей оператора на среднем уровне позволяет прежде всего повысить надежность работы автоматизированной системы. Как правило, HMI-панель входит в состав щита или пульта управления отдельной технологической операцией, а то и технологическим процессом в целом. В случае выхода из строя центрального АРМ на базе SCADA-системы оперативный персонал может локально производить настройку и контроль параметров технологического процесса. Использование HMI-панелей также позволяет повысить скорость и эффективность пусконаладочных работ.

Более того, при автоматизации небольших объектов HMI-панель может стать хорошей альтернативой полноценной SCADA-системе и промышленным панельным компьютерам. Это возможно благодаря тому, что современные HMI-панели, такие как панели оператора ТМ ONI, обладают широким функционалом, который сопоставим с работой SCADA-системы.

 

Разработка HMI на базе панелей оператора

Современная HMI-панель — это специализированное микропроцессорное устройство с дисплеем, предназначенное для создания HMI. Она поставляется с предустановленными операционной системой и средой исполнения проектов пользовательского HMI. Этим панель оператора отличается от ПК и панельных промышленных компьютеров, на которые необходимо дополнительно устанавливать программные пакеты и другие приложения — как правило, платные.

Рассмотрим ключевые параметры HMI-панелей и особенности их практического применения на примере панелей оператора ТМ ONI.

Сегодня в ассортимент ТМ ONI входит шесть таких устройств: одна текстовая панель TD-MP-043 и пять сенсорных графических панелей серии ETG (рис. 5).

Панели оператора ТМ ONI

Рис. 5. Панели оператора ТМ ONI

Модели серии ETG оснащены микропроцессором ARM Cortex A8 с тактовой частотой 600 МГц и работают под управлением операционной системы на базе ядра Linux. Разработка проекта HMI осуществляется в программном обеспечении (ПО) ONI Visual Studio (рис. 6).

Программное обеспечение ONI Visual Studio

Рис. 6. Программное обеспечение ONI Visual Studio

Для текстовой панели оператора ONI TD-MP-043 предусмотрено отдельное ПО ONI TD (рис. 7).

Все программное обеспечение распространяется бесплатно и функционирует без ограничений. Актуальную версию можно скачать на сайте компании.

Программное обеспечение ONI TD

Рис. 7. Программное обеспечение ONI TD

Проект пользовательского HMI представляет собой набор экранов с расположенными на них графическими элементами. При помощи этих элементов осуществляются ввод и отображение информации.

Сенсорные панели оператора ONI серии ETG позволяют выводить информацию в стандартных для систем диспетчеризации формах: мнемосхемах, трендах (текущих и архивных параметров), аналитических отчетах за определенный период, журналах событий и аварий (рис. 8).

Формы представления информации: мнемосхемах, трендах (текущих и архивных параметров), аналитических отчетах за определенный период, журналах событий и аварий

Рис. 8. Формы представления информации

Место хранения архивных данных (для их последующей обработки, анализа и вывода на экран) может определить разработчик проекта в зависимости от решаемой задачи и необходимой глубины хранения. Панели оператора ONI серии ETG позволяют хранить данные во внутренней памяти ПЗУ (ROM), но поскольку она ограничена по объему, можно использовать и внешнее запоминающее устройство USB или SD-карту памяти.

Благодаря широкому набору графических компонентов, а также возможности настройки их функций, внешнего вида, свойств и логики отображения можно создать HMI, способный удовлетворить самые разные требования. При этом реализованный в ONI Visual Studio функционал не требует от разработчика специальных навыков программирования.

Порядок разработки проекта можно описать как следующую последовательность шагов:

  1. Создание нового проекта в ONI Visual Studio (рис. 9).
    Окно создания проекта HMI

    Рис. 9. Окно создания проекта HMI

  2. Настройка коммуникационных портов и протоколов, по которым будет осуществляться обмен данными с внешними устройствами (рис. 10).
    Окно настройки коммуникационных портов

    Рис. 10. Окно настройки коммуникационных портов

  3. Создание окон проекта HMI.
  4. На этом этапе определяется, сколько и каких окон будет в проекте. Настраиваются их свойства (цвет фона, границы, действия и функции при вызове) и порядок навигации (переключения) между окнами (рис. 11).
    Панель оператора

    Рис. 11. Менеджер окон

  5. Разработка дизайна пользовательского интерфейса.
  6. Данный этап очень важен, ведь именно от него зависит дальнейшее удобство работы пользователя с НMI. Интерфейс должен быть эргономичным, соответствовать требованиям нормативной документации, а самое главное — удовлетворять требованиям заказчика. В связи с этим предварительно необходимо подготовить и согласовать эскиз НMI (рис. 12).
    Панель оператора

    Рис. 12. Пример пользовательского интерфейса

  7. Привязка графических элементов к адресам памяти для обмена данными между панелью оператора и внешними устройствами контроля и управления.

В зависимости от своей функции графический элемент может отображать или передавать данные. Работа на данном этапе является очень кропотливой и требует большой концентрации внимания от разработчика. Облегчить процесс может инструмент «Библиотека адресных меток» в ONI Visual Studio. Он позволяет предварительно присвоить текстовые метки (tag name) всем адресам памяти внешнего устройства (рис. 13) и впоследствии работать уже с ними, а не с самими адресами.

Панель оператора

Рис. 13. Библиотека адресных меток

Как было указано выше, в ONI Visual Studio доступен большой набор инструментов по созданию пользовательского интерфейса: готовые графические элементы, векторные примитивы для рисования, а также загрузка своих рисунков. Библиотеку графических элементов разработчик может пополнять собственными элементами (рис. 14).

Панель оператора

Рис. 14. Библиотека графических элементов

Для предварительной отладки НMI можно воспользоваться инструментом «Моделирование в симуляторе», позволяющим скомпилировать и запустить проект на ПК без физического соединения с внешним устройством.

Практически любую задачу, связанную с получением, хранением, отображением и передачей данных в HMI-панели, можно решить стандартными инструментами ONI Visual Studio. Если этого функционала не хватает, можно воспользоваться инструментом «Макрос» — он позволяет решать нестандартные задачи с помощью встроенного языка программирования С (рис. 15).

Панель оператора

Рис. 15. Окно создания макроса

Интерфейс ПО ONI Visual Studio полностью русифицирован и интуитивно понятен. Для того чтобы освоить и начать создавать простые HMI-проекты в ONI Visual Studio, в среднем требуется один день.

 

Коммуникационные возможности HMI-панелей

Современные HMI-панели обладают широкими коммуникационными возможностями. Сенсорные панели оператора ONI серии ETG оснащены последовательными интерфейсами RS-232/RS-485, Ethernet, портами USB-Host и USB-Slave. В некоторых панелях также есть слот для SD-карты (рис. 16).

Коммуникационные возможности HMI-панелей

Рис. 16. Коммуникационные возможности HMI-панелей

Интерфейс USB-Slave предназначен для загрузки проекта HMI, разработанного в ПО ONI Visual Studio. С помощью USB-Host можно подключить к панели оператора клавиатуру и компьютерную мышь с USB-выходом. Кроме того, к этому порту можно подсоединить внешнее запоминающее устройство USB (USB-флэш-накопитель или жесткий диск). Как было сказано выше, это позволяет расширить объем внутренней памяти ПЗУ (ROM) панели оператора, если в ней планируется хранить большой объем архивных данных. Для загрузки проекта HMI можно также использовать Ethernet-соединение, интерфейс USB-Host или SD-карту.

Сенсорные панели оператора ONI серии ETG поддерживают большое количество протоколов передачи данных различных производителей (рис. 17), а также популярный открытый протокол Modbus (RTU и TCP). Текстовая панель ONI TD-MP-043 предусматривает только протокол Modbus RTU. Такие коммуникационные возможности делают панели универсальным средством создания HMI.

Панель оператора

Рис. 17. Окно настройки COM-порта

Чаще всего панель оператора применяют в паре с программируемым логическим контроллером (ПЛК) или группой контроллеров. ПЛК осуществляет контроль и управление исполнительными механизмами согласно заложенному в нем алгоритму, а HMI-панель является средством отображения и ввода данных в ПЛК.

Такие инструменты ONI Visual Studio, как «Рецепт», «Таймер», «Расписание задач» и особенно «Макрос», позволяют реализовать алгоритм контроля и управления в самой HMI-панели. Такая возможность может быть актуальна, если в системе автоматизации отсутствуют ПЛК, но есть исполнительные механизмы и контроллеры с жесткой логикой, поддерживающие протоколы передачи данных. В качестве примера подобного технического решения можно привести систему управления несколькими насосными станциями с частотно-регулируемым приводом. В каждой насосной станции преобразователь частоты с протоколом Modbus RTU управляет насосом, и можно реализовать необходимый алгоритм чередования запуска станций с помощью одной HMI-панели.

Панели оператора ONI серии ETG предлагают еще несколько коммуникационных возможностей, которые может использовать разработчик для создания интересных и высокоэффективных технических решений:

  • Работа HMI-панели в режиме «Удаленный НМI». В этом случае HMI-панель может получать доступ к регистрам памяти панели оператора, которая физически удалена (размещена в другом помещении, установлена в другом НКУ и т. д.). Такой режим можно настроить при наличии Ethernet-соединения.
  • Используя Ethernet-соединение между двумя удаленными друг от друга HMI-панелями, можно применить еще один режим работы — «Удаленный ПЛК». Его суть заключается в том, что HMI-панель может получить доступ к регистрам контроллера, который подключен к удаленной HMI-панели по COM-порту.
  • Встроенный в HMI-панели VNC-сервер позволяет организовать удаленный доступ к пользовательскому интерфейсу при помощи ПК, если они находятся в одной локальной Ethernet-сети (рис. 18). При наличии Wi-Fi-роутера можно обеспечить беспроводное управление с мобильного устройства (смартфона или планшета). Для работы в этом режиме ПК и мобильное устройство должны быть оснащены VNC-клиентом (как правило, распространяется бесплатно).
    Удаленный доступ к HMI-панели по технологии VNC

    Рис. 18. Удаленный доступ к HMI-панели по технологии VNC

 

HMI-панель в составе НКУ

Панели оператора активно применяют для создания удобного HMI в различных низковольтных комплектных устройствах (НКУ), таких как щиты автоматизации, диспетчеризации, управления, мониторинга и т. д. Это позволяет свести к минимуму физические элементы: светосигнальную арматуру, кнопки, переключатели, стрелочные приборы и т. д.

Как правило, HMI-панель устанавливают на лицевой панели щита, шкафа или пульта управления. На рис. 19 приведен пример применения панели оператора в составе щита автоматизации. На рис. 2 HMI-панель включена в пульт управления.

Рассмотрим порядок установки панели оператора ONI серии ETG. Процесс достаточно прост и состоит из трех основных шагов (рис. 19):

  1. В том месте корпуса, где планируется разместить HMI-панель, необходимо отметить место выреза будущего монтажного отверстия (его размеры указаны в паспорте и системном руководстве).
  2. Произвести вырез отверстия по указанным меткам.
  3. Установить HMI-панель в вырез и закрепить специальными металлическими фиксаторами, входящими в комплект поставки.
    Порядок установки HMI-панели в оболочку НКУ

    Рис. 19. Порядок установки HMI-панели в оболочку НКУ

Все панели оператора ONI оснащены специальным силиконовым уплотнением, которое обеспечивает плотное прилегание панели оператора к корпусу, тем самым позволяя сохранить степень IP-защиты корпуса (рис. 20).

Степень защиты самой HMI-панели определяется через степень защиты фронтальной стороны, которая имеет уровень IP65, и тыльной стороны — IP20.

НКУ, в состав которых входят HMI-панели, эксплуатируются в различных климатических условиях и могут быть подвержены при эксплуатации механическим и химическим воздействиям. Поэтому панели оператора ONI выполнены из материалов, обладающих высокой стойкостью к воздействию агрессивных сред и повышенной защитой от механических повреждений. Температура их эксплуатации составляет –20…+70 °C.

Монтажный комплект для крепления HMI-панели

Рис. 20. Монтажный комплект для крепления HMI-панели

 

Заключение

Панель оператора является универсальным средством создания HMI в различных системах автоматизации. И сегодня, благодаря широкому функционалу и доступной цене, НMI-панели становятся все более популярными.

ТМ ONI предлагает высококачественное оборудование для автоматизации, включая HMI-панели (табл.), на базе которых можно создать интерфейс, способный удовлетворить даже специфические требования.

Таблица. Основные технические характеристики HMI-панелей ONI серии ETG

 

HMI-панелей ONI серии ETG

HMI-панелей ONI серии ETG

HMI-панелей ONI серии ETG

HMI-панелей ONI серии ETG

HMI-панелей ONI серии ETG

Артикул

ETG-CP-043

ETG-CP-070

ETG-CP-097

ETG-CP-121

ETG-CP-150

Экран, ”

4,3

7

9,7

12,1

15

Рабочая температура, °С

–20…+70

0…+50

0…+50

–20…+70

–20…+70

Корпус

Металл

Пластик

Пластик

Металл

Металл

CPU

Cortex A8 600 МГц

ROM/RAM, Мбайт

128/128

Тип подсветки

LED

Тип сенсора

4-проводной резистивный

Цветность, бит

24

USB-порт

USB-Host/USB-Slave

COM-порт

RS-232/RS-485

Ethernet, Мбит

10/100

Срок службы, ч

50 000

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *