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
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
