معرفی HMI ، ویژگی ها، کاربردها و مزیت ها

HMI چیست؟ آشنایی با واسط کاربری ماشین انسان (HMI)

وقتی تازه وارد دنیای کنترل صنعتی شده اید، مفاهیم گیج کننده و پیچیده زیادی می شنوید که یکی از آنها Human Machine Interface یا HMI است. این پست مفاهیم و مبانی HMI های صنعتی را روشن می کند.

بیایید برویم توی کار و بفهمیم HMI چیست؟

فهرست مطالب

• تعریف HMI
• تاریخچه HMI
• استفاده از HMI – مزایا و ویژگی ها
• کاربران HMI
• مقایسه HMI و SCADA
• اصول طراحی HMI برای کارایی بالا
• امروز و آینده HMI
• اصول نرم افزار HMI
• برندهای HMI
• نتیجه گیری

تعریف HMI

در یک محیط صنعتی، واسط کاربری ماشین انسان (HMI) وسیله ای برای تعامل اپراتور با یک ماشین، فرآیند یا سیستم و کنترل آن از یک صفحه نمایش مرکزی است. کنترل یک سیستم از یک نمایشگر مرکزی تقریباً در هر سیستم خودکار مانند کنترل خودرو، ماشین لباسشویی، هواپیما و بسیاری موارد دیگر یافت می شود.

اصطلاح HMI عمدتا استفاده می شود، اما می توانید اصطلاحات مختلفی مانند موارد زیر را هم مشاهده کنید.

• GUI  – Graphical User Interface (رابط کاربر گرافیکی)
• MMI – Man-machine Interface (رابط انسان و ماشین)
• LOI – Local Operator Interface (رابط اپراتور محلی)
• OT – Operator Terminal (ترمینال اپراتور)
• OIT – Operator Interface Terminal (پایانه رابط اپراتور)
• SCADA – بسیاری از مردم در مورد تفاوت بین HMI و SCADA سردرگم هستند

در این پست وبلاگ، تفاوت را روشن خواهیم کرد.

تفاوت بین HMI و SCADA

اپراتورها، مدیران و مهندسان کنترل در محیط کارخانه از HMI برای نمایش داده های پیچیده فرآیند به عنوان اطلاعات ساده و ارزشمند استفاده می کنند.

HMI به کارکنان کمک می کند تا ماشین آلات را نظارت کنند و مطمئن شوند که به درستی کار می کنند و درک فرایند کنترل آسان می شود. نمایشگرهای بصری به داده‌های مختلف از سطوح مخزن، سنسورهای فشار و لرزش، اطلاعات موتور و شیر و موارد دیگر معنا و مفهوم می‌دهند.

HMI های پیشرفته مدیران و مهندسان را قادر می سازند تا کارهای بسیار بیشتری از فرآیندهای کنترل را انجام دهند. با استفاده از تاریخچه و روند داده های کنترلی، آنها می توانند کیفیت محصول را بهبود بخشند و سیستم ها را کارآمدتر و قوی تر کنند.

همه HMI ها یکسان ساخته نمی شوند. راه‌حل‌های HMI می‌توانند به اشکال مختلف، از پایانه‌های مستقل گرفته تا صفحه‌نمایش‌های لمسی پیشرفته، پنل‌های کنترل با قابلیت چندلمسی، دکمه‌های فشاری، رایانه‌های دارای صفحه کلید، دستگاه‌های تلفن همراه یا تبلت ارائه شوند. یک کارخانه ممکن است یک SCADA مرکزی یا HMI های توزیع شده متعددی داشته باشد که از طریق شبکه به هم متصل هستند.

تاریخچه HMI

تکامل HMI ها موازی با پیشرفت کامپیوتری است که در دهه 1960 آغاز شد و رابط خط فرمان نامیده شد. نیاز قابل توجهی برای تعامل موثرتر با ماشین های تولید در محیط صنعتی وجود داشت. بنابراین، یک HMI برقی استفاده شد که به عنوان پانل های سینوپتیک برقی نیز شناخته می شود.

لامپ ها تغییرات در فرآیند را نشان می دهند و دکمه ها را برای فعال کردن تجهیزات استفاده می کردند.

ساخت آن پانل ها تلاش زیادی را نیاز داشت و پس از آماده شدن، تغییرات بیشتری را نیاز بود که انجام دهند. تغییر و اصلاح و افزودن اجزای جدید به فرآیند بسیار سخت و پرهزینه بود همچنین نگهداری یک چنین سیستمی پیچیده بوده و هزینه های زیادی را تحمیل می کرد.

در دهه 1990، مایکروسافت سیستم عامل ویندوز را معرفی کرد و سپس طراحی HMI شروع به ادغام نمایشگرهای گرافیکی کرد تا بتوانید با چند کلیک یک دکمه، طراحی یک قسمت گرافیکی را تغییر دهید.

استفاده از HMI – ویژگی ها و مزیت ها

معمولا HMI با یک PLC (کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی) و سنسورهای نصب شده در فرآیند برای دریافت و نمایش اطلاعات برای اپراتور ارتباط برقرار می کنند. صفحه نمایش HMI می تواند بسیار ساده باشد، از یک عملکرد (نظارت) تا عملیات پیچیده تر، مانند مدیریت دسته ای عملیات و تغییر سرعت تولید یا دستور پخت در یک ماکروفر.

هدف HMI ها بهینه سازی فرآیند با استفاده از اطلاعات نمایش داده شده در نمودارها، چارت ها، داشبوردها و هشدارهاا است.

برخی از کاربردهای HMI در محیط کارخانه در ادامه برجسته شده است:

• پایش– یک HMI با کارایی بالا می تواند نسبت به فرآیند دید بهتری به کاربر بدهد. این امکان نظارت بر عملکرد سیستم را از یک داشبورد (که می تواند از راه دور نیز انجام شود) را ممکن می کند. این قابلیت ها با پاسخ دادن سریعتر به هشدارها به بهبود بهره وری کمک می کند.
• کنترل – دکمه های فشاری روی صفحه نمایش، اپراتور را قادر می سازد تا سیستم را کنترل کند، پمپ ها را فعال کند، فرآیند را شروع کند، یا به صورت دستی یک شیر را باز کند.
• با کنترل کننده ها و حسگرهای میدانی ارتباط برقرار کنید
• ارتباط با سیستم های بالاتر مانند سیستم های ERP، SCADA و MES
•  تاریخچه داده ها، روندها، KPI ها و زمان تولید را پیگیری کنید
• مانیتور آلارم ها – آلارم ها یکی از کاربردهای مهم HMI هستند. اپراتور می تواند بدین طریق از یک مشکل مطلع شود و به محل مشکل هدایت شود.

HMI ها مزیت های متعددی را برای اپراتورهای کارخانه ایجاد می کند، شامل:

• راندمان: HMI بینشی در مورد داده های بلادرنگ ارائه می دهد و می تواند برای نظارت بر تولید مورد استفاده قرار گیرد، که در صورت تقاضا قابل تنظیم است. پایش آنلاین می تواند به طور چشمگیری به شناسایی نقاطی کمک کند که می توانید بدین وسیله کارایی عملیات خود را بهبود ببخشید، به خصوص اگر که با تجزیه و تحلیل داده ها ترکیب شود.
• کاهش زمان از کار افتادگی: با هشدارهای موجود در داشبورد مرکزی، می‌توانید به سرعت به یک مشکل پاسخ دهید یا قبل از اینکه روی سیستم تأثیر بگذارد، آن را تشخیص دهید.
• بهبود قابلیت استفاده: نمایشگرهای HMI و تجسم داده ها را می توان توسعه داد تا تعامل کاربران با سیستم را آسان تر کند.
• سیستم یکپارچه: شما می توانید تمام تجهیزات را از یک پلت فرم کنترل کنید که این قابلیت، یادگیری نحوه کنترل تجهیزات را برای اپراتورها آسان تر می کند. همچنین می‌توانید تمام داده‌های خود را در یک مکان مشاهده کنید و به شما کمک می‌کند نمای کلی روشنی از کل امکانات خود داشته باشید. علاوه بر این، همه کاربران به‌روزرسانی‌های همزمان را دریافت می‌کنند، بنابراین تیم شما همیشه در یک مرحله و به روز می باشند.

در ادامه

• امنیت پیشرفته: یک کنترل بصری HMI به معنای خطاهای کمتر است. دستورات کنترل هر بخش را می توان فقط برای سرپرست های آن بخش فعال کرد تا بدین وسیله امنیت و کیفیت افزایش یابد.

• مقاوم بودن: یک HMI مستحکم بوده و در شرایط سخت به هیچ قطعه متحرکی نیاز ندارد. HMI های صنعتی بهتر از صفحه کلید، ماوس و کامپیوتر می توانند شرایط سخت کارگاهی را تحمل کنند. به این ترتیب، تجهیزات با اطمینان بیشتری کار می کنند و عمر طولانی تری خواهند داشت.

• انعطاف پذیری: با نمایشگر HMI، تغییرات فرآیند نیازی به سیم کشی مجدد پنل کنترل ندارد. در عوض، کاربران می توانند نرم افزار را به روز کنند. توسعه دهندگان HMI همچنین می توانند به راحتی بر اساس نیازها و ترجیحات خود و برای افزایش کارایی داشبوردهای سفارشی ایجاد کنند.

HMI ها به اشکال مختلف از صفحه نمایش داخلی روی ماشین ها گرفته تا مانیتور کامپیوتر و تبلت وجود دارند. صرف نظر از شکل آنها، هدف ارائه بینشی در مورد عملکرد و جریان عملیات در سیستم است.

کاربران HMI

رایج ترین جایگاه های شغلی که هر روزه از HMI استفاده می کنند عبارتند از:

• سرپرست ها – نظارت و هماهنگی مستقیم بر فعالیت های تولیدی در محیط کارخانه و کارگران آن مانند اپراتورها، همچنین ایجاد امنیت بیشتر در پایش فرآیند توسط HMI

• مهندس های کنترل (مهندس های سیستم کنترل) – توسعه اپلیکیشن HMI طبق نظر سرپرست. همچنین، هر زمان که نیاز بود، مهندس کنترل می تواند تغییراتی در برنامه ایجاد کند.
• اپراتورها – اپراتورها کاربران نهایی HMI هستند. آنها مسئول ماشین/فرآیند/سیستم هستند. آنها باید داده های HMI را نظارت کنند، مشکلات را تشخیص دهند و بر اساس آن تصمیم بگیرند

اپراتورها، مدیران و سرپرستان در محیط کارخانه برای دریافت اطلاعات مفید در مورد فرآیند کارخانه به HMI ها متکی هستند.

تنظیمات، نمایشگرها و آلارم های HMI توسط یک مهندس کنترل با کمک نرم افزار مخصوص برند و مدل ارائه شده توسط سازنده HMI توسعه داده شده است.

HMI ها در هر کارگاه، کارخانه و سازمان صنعتی برای تعامل با ماشین آلات و بهینه سازی فرآیندهای صنعتی استفاده می شوند.

صنایع کاربر HMI شامل:

• خوردنیها و آشامیدنیها
• انرژی
• صنایع خودرو
• ساخت و تولید
• داروسازی
• نفت و گاز
• تولید برق
• بازیافت
• حمل و نقل
• اب
• فاضلاب
• ساختمان

HMI در مقابل SCADA

SCADA و HMI به هم مرتبط هستند و گاهی اوقات در یک زمینه مشترک به آنها اشاره می شود زیرا هر دو بخش از یک سیستم کنترل صنعتی جامع تر هستند. با این وجود، آنها ویژگی ها و اهداف متفاوتی را ارائه می دهند. در حالی که HMI در درجه اول بر بازیابی اطلاعات و ارائه‌های بصری سیستم‌ها/فرایندهای محلی تمرکز دارد. اما وظیفه SCADA کنترل نظارتی و جمع‌آوری داده (Supervisory Control and Data Acquistion)، از سوی دیگر، جمع‌آوری داده‌های مهم‌تر و کنترل چندین زیرسیستم مانند کل خط تولید یا کارخانه می باشد.

جمع آوری و ثبت تاریخچه داده ها یا توانایی اتصال به پایگاه داده در HMI حداقل است. برعکس، سیستم‌های اسکادا بصورت ویژه برای این اهداف طراحی شده‌اند.

HMI و SCADA به دلیل شباهت هایشان و این واقعیت که با هم کار می کنند، با هم اشتباه گرفته می شوند. HMI می تواند بخشی از یک سیستم SCADA بوده یا خود یک سیستم مستقل باشد.

سیستم SCADA یک سیستم کنترل کلی مرکزی کارگاه یا کارخانه است که تمام عملیات پیچیده را تنظیم می کند، در حالی که HMI یکی از اجزای آن است.

اصول طراحی HMI برای عملکرد بالا

مهندسان کنترلی که برنامه HMI را طراحی و پیاده‌سازی می‌کنند و اپراتورهایی که کاربران نهایی HMI هستند، بیشتر یک HMI با کارایی بالا می‌خواهند.

HMI با کارایی بالا روشی از اصول طراحی HMI است که به تعامل سریع و قانع کننده کمک می کند. این تکنیک طراحی تنها با جلب توجه به ضروری ترین یا حیاتی ترین شاخص های رابط به اپراتورها اجازه می دهد تا مشکلات را به سرعت و کارآمد مشاهده کرده و به آنها پاسخ دهند. HMI با کارایی بالا ساده و جمع و جور بوده و به طور عمدی از بسیاری از گرافیک ها و نقشه های غیر ضروری پاک می شود که می توانند آلارم ها یا نشانگرهای ضروری را مختل کنند یا باعث حواس پرتی شوند.

ویژگی هایی مانند رنگ، اندازه و محل قرارگیری المان ها توسط دستورالعمل های تنظیم شده برای HMI با کارایی بالا برای بهینه سازی تجربه کاربر طراحی شده است.

امروز و آینده HMI

HMI های امروزی بسیار پیشرفته هستند. علاوه بر مشاهده و آلارم، آنها همچنین از اتصال به پایگاه داده و قابلیت جمع آوری داده های تاریخی پشتیبانی می کنند. و حتی ویژگی های پیشرفته تر مانند هشدارهای ایمیل/پیامک و نظارت از راه دور را هم پشتیبانی می کنند.

پروتکل های صنعتی که تقریباً توسط هر سازنده HMI پشتیبانی می شود بسیار متنوع و پایدار هستند.

روندهای جدید در HMI :

•  توسعه با کارایی بالا – هدف روش طراحی کاربردی HMI جلب توجه کاربر تنها به ضروری ترین عناصر است. این به اپراتور کمک می کند تا مشکلات را سریعتر و آسانتر ببیند و به آنها پاسخ دهد.
• تجزیه و تحلیل داده ها: برخلاف سیستم های اسکادا که در زمینه ذخیره سازی و تجزیه و تحلیل داده ها تخصصی هستند، HMI ها معمولا محدودتر هستند. گفته می شود، امروزه HMI ها می توانند تاریخچه داده ها را ذخیره کرده و نمودارها و روندها را ارائه دهند
• مبتنی بر حافظه ابری: برندهای بزرگ HMI/SCADA از برنامه های کاربردی مبتنی بر حافظه ابری با کمک رایانش مرزی برای ارسال داده ها از محیط کارگاه به حافظه ابری پشتیبانی می کنند. برای انتقال داده ها و اطلاعات با ایمن ترین حالت، مسائل امنیتی زیادی وجود دارد که باید حل شود.
• • نظارت از راه دور – HMI امروزی نظارت از راه دور را امکان پذیر کرده است. که به کاربر اجازه می‌دهد سیستم را نظارت کرده و بدون توجه به موقعیت مکانی خود پاسخ دهد.
• رایانش مرزی – Edge HMI در چند سال گذشته شروع به ظهور کرده است. در مورد برنامه های کاربردی مبتنی بر حافظه ابری، HMI های Edge داده ها را از HMI های محلی به حافظه ابری ارسال می کنند. این امکان کنترل محلی از میدان و نظارت از راه دور از حافظه ابری را فراهم می کند

در ادامه

• IIOT (اینترنت اشیاء) با رشد کمیت دستگاه در یک شبکه کنترل، رویکردهای اینترنت اشیا بیشتری اتخاذ شده است. HMI ها می توانند داده های بیشتری را جمع آوری و ذخیره کنند و بخشی از شبکه IIoT شوند. به همین دلیل، استفاده در پروتکل های اینترنت اشیا بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد (MQTT، REST و غیره)
• دستگاه های همراه – در حال توسعه با اصول طراحی ریسپانسیو. HMI مبتنی بر وب
• امنیت- امروزه امنیت سایبری نقش مهمی در هر سیستم کنترلی ایفا می کند. تهدیدها واقعی هستند و سازمان ها هر روز با مسائل امنیتی مواجه می شوند. هر نرم افزار و سخت افزاری باید با حداکثر امنیت پیکربندی شود. امنیت HMI عمدتاً در سیستم تعبیه شده است، اما دستگاه های بیشتری مانند فایروال مورد نیاز است. همچنین، توسعه برنامه HMI باید امنیت را در نظر بگیرد، مانند ایجاد کاربران و گروه‌هایی با محافظت از رمز عبور و پیاده‌سازی محدودیت‌ها و امتیازات درون برنامه‌ای توسط کاربران یا گروه‌ها.
• AR –  واقعیت افزوده
• VR –  واقعیت مجازی

مبانی نرم افزار HMI

همه کاربری های HMI شامل موارد زیر است:

• نمایشگرها
• برچسب ها
• اتصالات OPC/ درایور
• آلارم ها