Операторски терминали и интерфейси

• HMI платформите играят ролята на “преводачи” в комуникационния процес между човека и машините в съвременното промишлено производство
  
  
• Операторските интерфейси вече не са неизбежно физически свързани с оборудването или “затворени” в тежки удароустойчиви корпуси, а могат да бъдат носени в джоба или дори на китката
  
  
• Фундаментални технологични концепции като Industry 4.0 и Industrial Internet of Things допълнително подсилват ролята и разширяват приложенията на интерфейса човек-машина (HMI) в дигиталните фабрики
  
  

Модерната индустрия във все по-голяма степен е базирана на ефективното взаимодействие между човека и машините – двете неизменни и органично свързани звена на промишленото производство. Операторските терминали и интерфейси служат за посредници в тази ключова и комплексна комуникация, а фундаментални концепции като Industry 4.0 и Industrial Internet of Things допълнително разширяват приложенията на интерфейса човек-машина (HMI) в дигиталните фабрики. Сега решенията за машинно управление не са неизбежно обвързани физически с оборудването или затворени в тежки удароустойчиви корпуси, а могат да бъдат носени в джоба или дори на китката. Това става възможно, тъй като с развитието на технологиите всеки смартфон или умен часовник може да бъде трансформиран в компактен HMI терминал.

Еволюция на функциите и приложенията

По дефиниция човеко-машинният интерфейс е софтуерно приложение, което се грижи за информационното обезпечаване на оператора по отношение на работния процес и опосредства управлението на съответното оборудване чрез широк набор от контролни функции. Макар терминът да е приложим за всеки терминал, който позволява на потребител да взаимодейства с дадена система, той се използва основно в индустриален контекст.

На практика HMI платформите играят ролята на “преводачи” в комуникационния процес между човека и машините или устройствата в съвременното промишлено производство. Част от функциите им са визуализация на различни по тип данни, проследяване на производствени цикли, статуси и тенденции, наблюдение на ключови показатели за ефективност (KPI), мониторинг на входно-изходни материални и ресурсни потоци (към и от машината) и т. н. Информацията обикновено се извежда на екрана в графичен формат.

В модерната индустрия операторските интерфейси се срещат в множество разновидности – от вградени в оборудването контролни панели, през компютърни монитори, таблети и други преносими терминали, включително и под формата на мобилни приложения за персонални смарт и носими устройства. HMI технологии в наши дни се използват в почти всяка промишлена организация, а водещи приложения са производствените и преработвателните отрасли, хранително-вкусовата, химическата и нефтено-газовата индустрия, енергетиката, транспортът, водният сектор, рециклиращият бранш и др. С тях боравят основно машинни оператори, системни интегратори, проектанти, развойни инженери, разработчици на системи за управление и т. н.

Специфики и възможности

Операторските терминали позволяват на промишлените работници да изпълняват задълженията си с помощта на функционално и пространствено консолидирано автоматизирано оборудване посредством единен интерфейс вместо чрез отделни и разпръснати из цеха бутони, лостове и превключватели. HMI платформите са плод на технологичната конвергенция между визуалните изчислителни технологии и автоматизираните средства за управление. Най-популярни в практиката са контролните панели с течнокристални дисплеи и сензорна функционалност, монтирани посредством специални конзоли върху съответното оборудване.

Сред основните предизвикателства към производителите на човеко-машинни интерфейси е разработването на цялостни продуктови гами, обхващащи всички възможни мащаби и нива на производителност, графични резолюции и типове визуализация. Все по-търсени на пазара са т. нар. HMI концепции от висок клас, при които цветовите и графичните схеми са максимално опростени, но са налице големи възможности за персонализиране. Ключови параметри на един операторски интерфейс са функциите за навигация, цветовите модели, настройките на текстовата и графичната информация, както и опциите за удобно и достъпно управление.

Сред базовите команди на машинните терминали са тези за стартиране и стопиране на оборудването, както и бутоните за придвижване из менюто, като е добре те да са лесно видими на всяка страница. Често интерфейсните приложения изискват различни нива на оторизиран достъп, организирани в отделни потребителски акаунти, както и специализирана защита с помощта на парола или друг тип средство за персонална идентификация. Всички настройки на критични машинни параметри е препоръчително да бъдат със защитен достъп и по възможност – обединени в един екран.

Широк набор от цветови схеми могат да бъдат използвани за фонове, текстови шрифтове, статични елементи и анимирани обекти в менюто, но прекомерната употреба на различни цветове на един и същи екран или в един и същи интерфейс не се препоръчва, тъй като може да доведе до отместване на фокуса на внимание. Най-често се залага на бледосиви фонове и черно-бели обекти, а цветната индикация е запазена за регистриране и оповестяване на отклонения от зададените параметри, аварии и други анормални събития. В енергетиката например са общовъзприети двуцветни кодировки, при които червеното сигнализира за риск (оборудване под напрежение), а зеленото – за безопасна (деактивирана), изключена от захранването система. В други отрасли са популярни трицветните схеми червено – жълто – зелено, като в HMI платформите за такива приложения е добре цветовият модел на интерфейса да им съответства точно с цел по-лесно управление.

Важно предимство на дигиталните операторски терминали е възможността им да изобразяват широко популярни и разпознаваеми в даден бранш графични изображения и икони, които могат да бъдат лесно и бързо интерпретирани от персонала, без да е необходимо разчитане на текст. Това позволява универсализиране на приложенията за потребители, говорещи различни езици и елиминира рисковете от грешки и недоразумения вследствие на езикови бариери. Толерират се опростените изображения за сметка на сложните инженерни чертежи, комплексните фотографии и анимираните обекти. Като цяло анимацията се избягва в човеко-машинните интерфейси, освен когато добавя специфична стойност към дадена функция. В допълнение към факта, че играе ролята на разсейващ фактор, тя типично е и много по-ресурсоемка за изпълнение.

HMI интерфейсите по традиция комуникират на базата на програмируеми логически контролери и входно-изходни компоненти, които позволяват извличане и екранно визуализиране на необходимата информация в избрания формат (текстов, табличен, графичен и др.) Те могат да бъдат използвани както за единична функция, например включване/изключване, мониторинг или проследяване на даден набор от показатели, така и за комплексни приложения като оптимизация на работните параметри, управление на цели производствени линии и др.

Основните ползи от внедряването на човеко-машинен интерфейс в дадено производство са възможностите за дигитализиране на информационните потоци и централизирано управление и визуализация на необходимите данни. Освен конфигурация на ключовите системни параметри, с помощта на HMI терминал операторите могат също да настройват аларми, да преглеждат различни доклади и тенденции в исторически план, както и да се свързват със SCADA и MES платформи – през една единствена конзола.

С помощта на PLC технологиите, които изпращат информация в реално време директно към екрана, HMI терминалите елиминират необходимостта операторът физически да обхожда отделните елементи на системата, която надзирава, и ръчно да прави настройки и промени. Сведени до минимум са и проблемите, свързани с човешка грешка, както и с липсваща или ненавременна информация за дадено събитие.

HMI, IoT и SCADA технологии

В миналото HMI системите представляваха самостоятелни, изолирани терминали, интегрирани в дадена машина от производителя на оригинално оборудване. Съвременните решения могат да бъдат както предварително конфигурирани да изпращат данни към облачна платформа, така и да бъдат персонализирани за локална свързаност и управление на ниво завод или цех. В контекста на Internet of Things – технологията, която качествено трансформира индустриалната комуникация, HMI терминалите все повече се доближават по удобство и функционалност до персоналните смарт устройства, а често – директно се интегрират в тях под формата на мобилно приложение.

Друго следствие от въвеждането на IoT технологии в индустрията е драстичното нарастване на броя информационни точки в една машина или фабрика, при което е налична повсеместна вертикална свързаност с всички полеви устройства, колкото и да са те на брой. С помощта на архитектури от типа на OPC UA, интегрирани в PC-базирани платформи за машинно управление, днес е възможно сигурно да се пренася криптирана информация от една машина към облака и към системите на ниво предприятие. Така интерфейсът човек-машина завинаги излиза от физическите ограничения на машинния корпус, монтажната конзола и производствения цех и се превръща в среда за двупосочна комуникация и отдалечен мониторинг от всяка до всяка точка посредством облак-базирана платформа.

С масовото навлизане на IoT във всички типове оборудване в модерните заводи човеко-машинният интерфейс придобива още по-ключова роля на свързващо звено между персонала и устройствата. Ето защо сега, повече от всякога, операторските терминали се нуждаят от функции за лесно, бързо и интуитивно управление и безпроблемна мрежова свързаност с други компоненти на производствената система. Мобилните HMI терминали позволяват видимост на операции в труднодостъпни зони, а вградените усъвършенствани възможности за въвеждане в експлоатация, обслужване и диагностика на конвенционалните решения значително улесняват работата на операторите и спомагат за удължен жизнен цикъл на оборудването.

По своята същност SCADA системите и човеко-машинният интерфейс са близки и често се адресират в един и същи контекст, тъй като обикновено са част от по-големи промишлени системи за управление, но и доста се различават, основно във функционален аспект. Докато HMI интерфейсите поставят фокус върху визуалното предаване на информация в помощ на оператора, осъществяващ надзор на даден индустриален процес, SCADA платформите разполагат с по-голям капацитет за събиране и обработка на данни и изпълнение на контролни задачи. За разлика от тях HMI терминалите не събират и не записват информация, а също и не се свързват с бази данни. Вместо това, те изпълняват ролята на ефективен и надежден комуникационен инструмент, като част от или паралелно със SCADA системата.

Отдалеченият мониторинг, осъществяван посредством мобилни терминали и клиентско-сървърна архитектура, осигурява по-голяма гъвкавост и достъпност до необходимите информационни единици за операторите и мениджмънта. Така например един супервайзър на отдалечен обект може от фирмената централа или всяка друга точка да управлява работните параметри на функциониращото оборудване в реално време посредством преносимо устройство, без да се налага реално да посещава съоръжението.

Голяма популярност набират облачно базираните HMI платформи, които правят възможно изпращането на данни от локални терминали към облачен сървър, където да бъдат отдалечено обработвани и анализирани, като същевременно контролните функции остават на местно ниво.

Сред новостите в сегмента са и т. нар. периферни (edge) технологии, които пък позволяват на операторите да получават достъп до централизирани данни и визуализации от полеви устройства. Други иновации в сферата на човеко-машинния интерфейс са добавената и виртуалната реалност, които спомагат за значително разширяване на възможностите за визуализация и взаимодействие между оператора и машината.

Но еволюцията на технологиите в областта по линия на тяхната интерактивност далеч не свършва дотук. Нарастващата популярност на носимите електронни устройства (чийто пазар бележи ръст с около 20% на годишна база) обещава да внесе нова доза удобство и ефективност в промишлените HMI приложения. Най-модерните решения в бранша вече разполагат и с дълго чакалата пазарна реализация NLP технология за обработка на естествен език, която прави възможна вербалната комуникация между разноезични оператори посредством HMI система.

Друга интересна концепция е т. нар. минимизиране на HMI терминалите до “слепи” (без екран) компактни устройства, разположени в контролния панел, които пренасочват взаимодействието човек-машина директно към таблета или смартфона на потребителя. С ускорените темпове на развитие на технологиите в областта не след дълго отдалеченият мониторинг на индустриални системи вероятно ще може да бъде осъществяван и чрез т. нар. BCI (brain-computer interface – мозъчно-компютърен интерфейс) технологии, които функционират на базата на сигнали от мозъка към външен хардуер или обратното.