Magelis GTU

Актуальные тенденции в развитии средств человеко-машинного интерфейса в производственной сфере

Опубликовано в номере:
PDF версия
По мере развития промышленной автоматизации меняются требования к человеко-машинному интерфейсу. В статье рассматриваются актуальные тенденции в развитии программных и аппаратных средств его реализации.

От физических средств — к виртуальным

Уровень автоматизации промышленных предприятий постоянно возрастает, однако персонал, управляющий машинами и технологическими процессами, по-прежнему играет на производстве значимую роль: принятие критически важных решений всегда остается за человеком. Именно поэтому важной частью любой системы автоматизации были и остаются средства человеко-машинного интерфейса (Human-Machine Interface, HMI).

HMI представляет собой набор технических средств, предназначенных для обеспечения непосредственного взаимодействия между оператором и оборудованием, именно он и дает возможность оператору управлять и контролировать функционирование оборудования. И от того, насколько эти средства удобны, надежны, понятны и функциональны, в конечном счете зависит успех работы всей автоматизированной системы управления (АСУ).

Исторически под HMI понимали кнопки, переключатели, стрелочные приборы и т. д. Но современное развитие технологий привело к тому, что на смену физическим устройствам постепенно приходят виртуальные. В первую очередь речь идет о панели оператора, содержащей виртуальные кнопки, графики, аналоговые и цифровые показатели. Преимущества виртуализации в том, что 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 заменены легким движением руки.

Полный уход от физических устройств не происходит только в силу следования стандартам безопасности. На сегодня 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.

Будет неверно полагать, что панель оператора и человеко-машинный интерфейс — тождественные понятия. Сама по себе панель по технологии производства экрана немногим отличается от телевизора. 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).

 

Требования к современному интерфейсу

Выбор средств HMI определяется главным образом задачами автоматизации. Первым критерием выбора является архитектура системы автоматизации: она определяет тип сети или шины передачи данных и объем информации для оператора. Вторым критерием являются потребности операторов системы HMI.

Условно, в рамках промышленной автоматизации, можно выделить два ключевых направления: «малая» автоматизация, включающая решения для отдельных машин и механизмов, и «большая», предназначенная для управления сложными техпроцессами и даже целым производственным комплексом. Требования к HMI со стороны малой и большой автоматизации будут существенно отличаться.

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, а при наблюдении за однообразным и систематизированным потоком данных проще сосредоточиться, 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 проколов связи (чаще всего 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:

  • простая настройка и легкая адаптация под нужды заказчика;
  • возможность создавать собственные, в том числе динамические, объекты и их тиражировать;
  • четкое и ясное отображение информации независимо от условий окружающей среды и других факторов;
  • предоставление возможности оператору быстро и четко производить управление системой независимо от ее текущего состояния, условий окружающей среды и других факторов.

    Magelis GTU. Работа в перчатках

    Рис. 1. Magelis GTU. Работа в перчатках

 

Устройства ввода информации

Мы живем в эпоху смартфонов и планшетов, а значит, любой экран воспринимаем 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 тем, что индустриальные требования к безопасности и надежности существенно выше бытовых. Резистивные экраны, с одной стороны, обеспечивают менее яркие цвета и не позволяют полноценно реализовать технологию multi touch (считывание прикосновения в нескольких точках), с другой стороны, они больше подходят для условий промышленной эксплуатации, где не исключено попадание на чувствительную часть экрана токопроводящей стружки, а нажатие необходимо производить в перчатках (рис. 1).

Magelis GTU

Рис. 2. Magelis GTU. Функция double touch

Тем не менее передовые решения на резистивных экранах уже сегодня позволяют реализовать технологию double touch (считывание прикосновения в двух точках). Такие экраны (рис. 2) обладают всеми привычными для пользователей смартфонов функциями — перелистывание, изменение масштаба, прокрутка экрана и т. д. К примеру, такие возможности реализованы на панелях Magelis GTU (рис. 3), разработанных компанией Schneider Electric. В ближайшем будущем компания планирует выпустить на рынок операторские панели на емкостных экранах с функцией multi touch.

Magelis GTU

Рис. 3. Линейка Magelis GTU

Еще одной отличительной особенностью панелей Magelis GTU является модульность конструкции. Панель состоит из двух частей: процессорного модуля и экрана. Это позволяет более гибко подходить к удовлетворению потребностей заказчика.

С развитием сенсорных технологий кнопочные устройства ввода информации (такие как клавиатура, мышь и т. п.) уходят на второй план, уступая место панелям с виртуальными кнопками. Однако производители не отказываются от возможности подключения этих устройств, а также периферийной техники (принтеров, считывателей штрихкодов (barcode) и т. д.). К тому же не все новейшие технологии ввода информации подходят для применения в промышленности. Например, голосовой ввод данных вряд ли в ближайшее время получит развитие в области АСУ, ведь доступ к управлению подобными системами должны иметь только лица, наделенные соответствующими правами.

 

Эволюция софта

Как уже отмечалось выше, многие инновационные возможности панелей оператора связаны с развитием ПО. Именно свойства софта определяют скорость разработки приложений, гибкость настройки, возможность реализовывать самые непредсказуемые 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, занимающиеся промышленной автоматизацией, специализируются на достаточно узких сегментах рынка. Это ведет к тому, что до 90% встроенных объектов может не использоваться.

Один из способов решения такой проблемы можно проследить на примере софта Schneider Electric: ПО Vijeo Designer содержало до 6 тыс. готовых объектов, тогда как готовящаяся к выпуску новая версия софта Vijeo XD (рис. 4) будет оснащена небольшим количеством встроенных объектов, что компенсируется поддержкой векторной графики и возможностью создавать собственные объекты, в том числе и динамические.

Экран Vijeo XD

Рис. 4. Экран Vijeo XD

Другой способ адаптировать средства HMI к отраслевым задачам состоит в использовании готовых архитектур — TVDA (Technical Validated Documented Architecture), которые предлагает компания Schneider Electric. Эти архитектуры протестированы производителем и гарантируют надежную работу всей системы в целом. TVDA устраняют необходимость написания громоздких программ: достаточно ввести параметры для уже готовых архитектур.

Также возможности ПО для конфигурирования панелей существенно расширяются за счет поддержки сценарного языка программирования Java Script, который позволяет реализовать практически любую логику. Избежать ошибок при написании сценариев поможет использование «конструкторов», предлагающих готовые блоки, из которых строится «тело» программы. В частности, Vijeo XD будет иметь встроенный инструмент Google Blockly, повышающий скорость конфигурирования панелей HMI.

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 онлайновом режиме без перезагрузки. В Vijeo XD эта функция также будет реализована.

Также Vijeo XD сможет раскрыть все преимущества использования double touch технологии: при создании проекта нет ограничения на физический размер экрана панели оператора.

Говоря о HMI, нельзя забывать, что это наиболее подверженный субъективной оценке пользователя компонент АСУ. Бывает так, что логика системы автоматизации работает прекрасно, но клиенту визуально не нравится графика на панели. Для решения этой проблемы ПО последнего поколения оснащен функцией создания тем и шаблонов, по аналогии с тем, как это реализовано в Microsoft PowerPoint. В распоряжении пользователя такие возможности, как градиентная заливка цвета, конфигурирование 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. Таким образом, несколько элементарных действий позволяют изменить графику в соответствии со вкусами заказчика.

 

Удаленное управление

В последнее время одним из трендов на рынке средств HMI стала возможность контролировать производственные процессы не только с помощью стационарных панелей, но и с помощью мобильных устройств. Не случайно ведущие игроки рынка уделяют внимание разработке специальных мобильных приложений.

К примеру, решение Vijeo Design Air от Schneider Electric дает возможность отображать экран панели управления оператора на смартфоне или планшете. Это может быть удобно, когда речь идет об удаленном оборудовании. Расширенный вариант — Vijeo Design Air Plus — 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.

 

Плюсы интеграции

Основными потребителями средств HMI являются разработчики АСУ, а для данной аудитории большое значение имеет интеграция софта, позволяющего программировать контроллеры и операторскую панель. Единая платформа увеличивает скорость разработки и запуска проекта, избавляя от многих ненужных действий. Компания Schneider Electric, являясь одним из немногих игроков рынка, предлагающих комплексные решения по автоматизации, в полной мере руководствуется данным требованием при разработке своих продуктов.

В частности, конфигураторы панелей Vijeo Designer и Vijeo XD могут выступать как составная часть ПО SoMachine, используемого в рамках архитектуры MachineStruxure, предназначенной для автоматизации отдельных машин и механизмов. Также они могут быть интегрированы в пакет для процессной автоматизации Alliance Software Pack, используемый для программирования логических контроллеров в рамках построения архитектуры PlantStruxure.

В целом, говоря о выборе средств HMI для процессной автоматизации, важно понимать, что их стоимость составляет малый процент от совокупных затрат на проект по внедрению АСУ. Поэтому, как правило, клиенты выбирают комплексные «монобрендовые» решения — то есть панели оператора, контроллеры и другое смежное оборудование от одного и того же производителя. Это также помогает избегать проблем, связанных с несовместимостью компонентов системы автоматизации с программными или аппаратными средствами HMI.

В ряде случаев удобно, если панель оператора выступает не только как часть АСУ, но и как часть информационных систем более высокого уровня. Для этой цели могут использоваться два независимых Ethernet-порта в панелях серии GTU, позволяющих панели одновременно работать в двух разных сетях. К примеру, через один порт приходит информация с контроллеров, а через другой она автоматически отправляется в SCADA.

Таким образом, интеграция оборудования и ПО в самых разных плоскостях становится одним из настоятельных требований рынка. А это значит, что способность компании — поставщика HMI обеспечить полный цикл комплексных программно-аппаратных решений в области автоматизации становится одним из ключевых преимуществ.

В противоположность архитектурам, предназначенным для работы с одной установкой, в данном случае существует возможность построения распределенных архитектур HMI. В таких архитектурах работа с оборудованием происходит глобально, что позволяет обеспечить тесный контакт с ПО управления предприятием (ERP).

Данный 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, сложными климатическими условиями и т. д. Промышленные компьютеры поставляются с установленными операционными системами Windows, SCADA (системами диспетчерского управления и сбора данных) для установки приложений либо системами HMI или веб-интерфейса в зависимости от потребностей пользователя.

Пакетные предложения Schneider Electric обеспечивают хорошую интеграцию корпоративных систем управления (баз данных, систем управления предприятием и т. д.) и систем управления на основе ПЛК.

 

Выводы

Подводя итоги, стоит еще раз подчеркнуть основные тренды в развитии средств HMI — переход от физических устройств к виртуальным и внедрение на панелях операторов технологий double touch и multi touch.

Для конечных потребителей и компаний, работающих в области промышленной автоматизации, решающее значение имеют время создания приложения для панели оператора и возможность адаптировать ее под индивидуальные потребности, с легкостью реализовать нестандартные сценарии. Эти характеристики определяются программным обеспечением, которое используется для конфигурации панели.

Средства HMI остаются неотъемлемой частью системы автоматизации и должны легко интегрироваться с любыми ее компонентами, зачастую — и с системами верхнего уровня. Не случайно потребители отдают предпочтение комплексным предложениям по автоматизации или, как минимум, используют оборудование, работающее по открытым протоколам.

Таким образом, при правильном выборе интерфейса и его конфигурации пользователи могут контролировать технологические процессы с большей точностью, а также проводить диагностику и профилактическое обслуживание, добиваясь повышения готовности оборудования и производительности труда за счет сокращения времени простоев.

Добавить комментарий

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