Модернизация HMI: что нужно знать

С момента создания в 1980-х гг. человеко-машинные интерфейсы (human-machine interface, HMI) прошли долгий путь. С тех пор компьютеры стали неотъемлемой частью производства, и сегодняшним заводам требуются современные HMI.

Человеко-машинные интерфейсы были разработаны для обеспечения возможности людей взаимодействовать с программируемыми логическими контроллерами (ПЛК), появившимися в 1970-х гг. в качестве замены релейной логики. Во многих отношениях ПЛК и HMI произвели революцию в производстве, обеспечив большую гибкость, широкие возможности управления и отображения информации.

Со временем не только технология эволюционировала, но и пользователи научились взаимодействовать с ней более эффективно. Следуя принципу «чем больше, тем лучше», человеко-машинные интерфейсы оказались перегружены информационными и аварийными сигналами, представляющими все доступные сведения, а их было очень много. Мы больше не довольствовались тем, что знали о неисправности частотно-регули­руемого привода, у нас была возможность показать пользователю, какая из более чем 300 возможных неисправностей вызвала конкретную проблему.

Все это полезные данные, но они буквально затопили людей, и в результате появились такие инициативы, как «управление аварийной сигнализацией» и «концепции ситуационной осведомленности», позволяющие более эффективно предоставлять информацию пользователю. Идея предоставления нужной информации нужному человеку в нужное время послужила основой для развития более современного подхода к организации взаимодействия между человеком и оборудованием (рис. 1).

Рис. 1. В будущем человеко-машинный интерфейс (HMI) сможет предоставлять пользователю больше информации в режиме реального времени, позволяя принимать более разумные и качественные решения.
Все изображения предоставлены Polytron

Большинство HMI по-прежнему работает на плоских дисплеях или мониторах, но уже сейчас можно представить, как будут выглядеть HMI следующего поколения. На предприятиях в качестве интерфейса оператора начали появляться дополненная реальность и «умные очки», оказавшиеся очень востребованными прежде всего в области технического обслуживания и пооперационной сборки. По мере того как эти технологии развиваются и сближаются с искусственным интеллектом и проекционными технологиями, можно представить, как в недалеком будущем дисплеи и мониторы станут уже не нужны.

Обновление устаревших HMI

Несмотря на то что в дальнейшем HMI будут выглядеть иначе, чем нынешние дисплеи и мониторы, все же необходимо рассмотреть возможности в краткосрочной перспективе сделать HMI более удобными для пользователя, сделав это с помощью доступных на сегодня технологий. Способность оператора эффективно взаимодействовать с HMI напрямую влияет на эффективность применения оборудования.

Существует множество устаревших систем человеко-машинного интерфейса, выполняющих технологические операции, многим из которых несколько десятилетий. Во многих случаях подход таков: «Это работает. Мы научились правильно пользоваться, так что давайте не будем это трогать». Это особенно заметно в консервативных отраслях промышленности, таких например как добыча нерудных материлов или обработка камня. Необходимость модернизации HMI неочевидна при производстве гранита Блю Перл.

Обычно триггерами обновления HMI являются устаревание аппаратного и программного обеспечения и проблемы кибербезопасности в сочетании с преимуществами новых технологий. Ведь никто не хочет пользоваться кнопочным телефоном-раскладушкой, когда есть смартфон.

Существует два способа обновить устаревшие человеко-машинные интерфейсы:

• Повторить прежнее решение, но перенести его на более новое оборудование и программное обеспечение.
• Переработать проект HMI с использованием современных подходов и новейших технологий.

В защиту каждого из этих способов можно привести свои аргументы. Используя аналогию с телефоном-раскладушкой и смартфоном, мы легко можем понять, что первый подход оставляет многие возможности нереализованными. Следует также отметить, что в настоящее время большинство производителей имеют иные среды и трудовые ресурсы, чем в то время, когда такие HMI первоначально внедрялись. Последнее поколение работников выросло с мобильными устройствами, с образом мышления, которое можно описать фразой «Для этого есть приложение», и повсеместным доступом к Интернету для быстрого поиска решения. Сегодняшняя производственная среда требует меньшего количества рабочей силы, более высокой эффективности оборудования и систем, большей гибкости, а также повышения производительности и показателей качества, что, в свою очередь, требует от человеко-машинного интерфейса более высокой эффективности.

Шесть возможностей HMI

Новейшие человеко-машинные интерфейсы теперь способны поддерживать продвинутые функциональные возможности, обычно интегрируемые в системы диспетчерского управления и сбора данных (SCADA) или даже производственного интеллекта (manufacturing intelligence, MI). Современные HMI характеризуются следующими функциональными возможностями:

• Мобильность. Теперь доступ с помощью смартфонов и планшетов стал проще. Это ключевой фактор для предоставления нужной информации нужному человеку в нужное время, особенно при малочисленном персонале. Более широкий доступ также расширяет круг лиц, имеющих возможность участвовать в обслуживании системы. Эксперты, обладающие богатым опытом, могут внести свой вклад, даже не находясь на рабочем месте. Пандемия продемонстрировала силу такого удаленного присутствия.
• Информационные экраны. Добавление больших плоских мониторов на ключевые рабочие станции позволяет операторам очень быстро обнаруживать проблемы, которые требуется устранить, без необходимости подходить к HMI и пытаться найти в нем описание проблемы.
• Электронные документы. Формы, таблицы и другие способы отслеживания данных, ранее заполнявшиеся вручную, теперь легче вести в цифровом виде. На самом деле нет никаких причин хранить на производстве бумажные документы.
• Диспетчеризация. По мере сокращения рабочей силы и с учетом необходимости обслуживания одним оператором большего числа автоматизированного оборудования диспетчерские пункты позволяют оператору более эффективно контролировать несколько систем одновременно. Распределенные диспетчерские пункты вобрали лучшее из обоих миров: мониторинг нескольких систем и гибкость, обеспечиваемая тем, что этот мониторинг могут вести постоянно перемещающиеся сотрудники.
• Ситуационная осведомленность (рис. 2). Эта концепция человеко-машинного интерфейса позволяет операторам выделять полезную информацию, используя определенную цветовую кодировку на сером фоне, с помощью которой выделяются элементы, требующие внимания. Подобная философия становится фундаментальным сдвигом парадигмы преобразования данных в полезную информацию. Больший акцент делается не на «это то, где я нахожусь», а на «где я должен быть».
• Управление аварийной сигнализацией. Оповещение обо всем, что отклоняется от допустимых значений, перегружает операторов до такой степени, что они игнорируют аварийные сигналы. Частью любой модернизации HMI должна быть разработка уровней приоритета, отделяющих информационные сигналы от сигналов, требующих принятия мер.

Рис. 2. Хороший HMI должен быть простым в использовании и постоянно обеспечивать пользователю ситуационную осведомленность

Стандартизация HMI

Стандартизация HMI — это ключевая концепция эффективного использования современных решений. Стандартизация включает типовые графические решения, соглашения об именовании и требования к разработке приложений, результатом применения которых становится согласованный внешний вид, повышающий эффективность предприятия. Для увеличения эффективности использования человеко-машинных интерфейсов наилучшей практикой является применение легко узнаваемых визуальных элементов. По мере того как стандарты начинают применяться на всем предприятии, общие выгоды умножаются.

На уровне оборудования стандартизация обеспечивает согласованность: пользователю становится легче понять, как взаимодействовать с оборудованием. Например, кнопка, возвращающая пользователя в главное меню, должна располагаться в одном и том же месте во всех интерфейсах. Если ее местоположение меняется от экрана к экрану, возникает путаница, снижающая эффективность. Кроме того, если элементы управления для редко используемых устройств работают так же, как и для часто используемых, то пользователь будет обладать навыками взаимодействия и с тем, и с другим.

На уровне производственных цехов пользователи, перемещающиеся между производственным оборудованием, понимают, как работают элементы управления, независимо от назначения установки. Однотипное управление приносит пользу операторам, позволяя им более эффективно работать на нескольких единицах оборудования. Кроме того, от единообразия всех систем поиска и устранения неисправностей выигрывает техническое обслуживание. К примеру, сообщение о неисправности и сброс двигателя на линии A выполняется точно так же, как и двигателя на линии B. Единообразные системы человеко-машинных интерфейсов сокращают затраты на обучение как новых, так и опытных операторов.

Максимальная польза от стандартизации HMI достигается на уровне предприятия. Пользователи, перемещающиеся между заводскими площадками, знают, как работать и устранять неполадки более эффективно. Кроме того, повышается эффективность обучения и выпуска технической документации. Наилучшие, проверенные опытом решения можно внедрять на всех заводах крупной компании.

Например, завод А может иметь больше опыта в технологическом процессе, в то время как завод В имеет больше опыта в упаковке. При этом опыт завода А можно распространить на завод В и наоборот. Стандартизация позволяет обоим заводам совместно использовать решения и максимизировать возможности на нескольких площадках. В результате рабочий процесс становится бесперебойным, позволяя сотрудникам работать с высочайшим уровнем эффективности.

Преимущества стандартизации HMI

Стандартизация HMI способствует быстрому и легкому обучению в случае изменения производственных процессов, а обучение новых сотрудников становится единообразным. Три наиболее важных преимущества стандартизации HMI:

• Повышение производительности. Простота использования и функциональность HMI повышают общую эффективность использования оборудования и производительность работников. Модернизированная система управления упрощает запуск, остановку, устранение неполадок и внесение изменений в производственный процесс.
• Простота понимания. В дополнение к повышению производительности операторов улучшаются и другие аспекты. Обучение, устранение неполадок и реконфигурация производственных линий упрощаются. Обученный оператор линии может в любое время подойти к HMI и легко понять, что происходит на конкретном этапе производства. Стандарты прикладного программирования позволяют легко углубляться в элементы управления с помощью HMI, чтобы получить больше информации о ситуации.
• Экономическая эффективность. Инвестиции в стандартизацию HMI быстро окупаются за счет повышения эффективности операций благодаря сокращению времени простоя, возникающего при устранении неполадок оборудования и внесении изменений, а также повышения эффективности операторов, технического обслуживания и инжиниринга.

Важно сосредоточиться на разработке эффективного человеко-машинного интерфейса — хорошо функционирующего и хорошо выглядящего. Яркая анимация и программное обеспечение могут производить положительное впечатление при демонстрации, но они не способствуют эффективности HMI; они замедляют навигацию по интерфейсу и затрудняют восприятие информации. Хорошо разработанный человеко-машинный интерфейс превращает данные в полезную информацию.

HMI нового поколения

Новые, доступные сегодня программные и аппаратные технологии дают возможность HMI нового поколения предоставлять информацию, а не только данные. Пользователи завалены данными, но проблема заключается в том, как извлечь полезную информацию, когда она нужна.

Гибкость HMI позволяет оператору получать информацию в любой точке производственного помещения, а большие плоские дисплеи или информационные экраны доставляют информацию пользователям там, где это необходимо. С первого взгляда пользователи могут понять, как работает производственная линия, видеть неисправности, предупреждения, проблемы с качеством и производительностью в соответствии с установленными ключевыми показателями эффективности (KPI) и производственными задачами. Эта информация, получаемая оператором в режиме реального времени, позволяет ему принимать соответствующие решения и вносить изменения, обеспечивающие достижение или превышение целевых показателей.

Другие устройства с интерактивным интерфейсом, такие как смартфоны и планшеты, подключаются к той же настроенной и стандартизированной платформе, предоставляя информацию тем, кто в ней нуждается, независимо от того, где они находятся. Смартфоны предоставляют информацию о ключевых показателях эффективности, критических неисправностях и проблемах с качеством, помогая принимать решения более высокого уровня. Планшеты обеспечивают мобильный беспроводной человеко-машинный интерфейс для диагностики и устранения неполадок. Использование планшета в качестве средства устранения неполадок позволяет использовать HMI там, где в данный момент находится специалист, обычно постоянно перемещающийся по производственным помещениям.

Поддерживаемые интеллектуальным HMI, вооруженные активно передающейся информацией, операторы и технические специалисты могут беспрепятственно перемещаться по производственному объекту, поддерживая производство на самом высоком уровне. Благодаря доступу в режиме реального времени к стандартным процедурам, актуальным руководствам по устранению неполадок и ценным справочным материалам, рабочий процесс дополняет обучение. Автоматизированная передача данных о критических неисправностях и проблемах с качеством гарантирует, что для принятия адекватных мер нужные люди будут проинформированы в нужное время.

HMI нового поколения помогают операторам и техническим специалистам принимать более разумные решения, влияющие на конечную прибыль предприятия.