Современные средства человеко-машинного интерфейса от Advantech как зеркало четвёртой промышленной революции

Современные промышленные человеко-машинные интерфейсы (ЧМИ, или HMI – Human-Machine Interface) не всегда отвечают ожиданиям операторов. Укрупнение промышленных систем, расширение производства, рост объёмов данных и числа подключённых устройств усложняет управление и обслуживание оборудования персоналом при сохранении высоких требований к его квалификации, снижает безопасность и эффективность производства. Человеческим фактором, а точнее, ошибками оператора объясняются 42% аварийных ситуаций в промышленных системах. Рост уровня автоматизации в рамках концепции Industry 4.0 интеллектуального промышленного производства (Smart Manufacturing) требует переосмысления функций HMI.

Как работает промышленный HMI

HMI, известный как пользовательский интерфейс (UI), или человеко-машинный интерфейс, – основное программно-аппаратное средство, на которое опираются операторы и инженеры-технологи для координации и управления производством. Конструктивно весь арсенал промышленных HMI, от простых уст­ройств до комплексных систем, можно разделить на следующие виды:

• кнопки, переключатели, индикаторы;
• панели операторов и сенсорные мониторы;
• панельные ПК с сенсорной или механической клавиатурой;
• мобильные устройства.

Сенсорный экран, кнопки, рубильники, переключатели, клавиатурные панели и манипуляторы служат для ввода информации и запуска команд. Вывод может ретранслироваться с помощью световых индикаторов на приборную панель, экран либо комплексный пульт управления, детально отображающий измеряемые параметры.
Промышленный HMI (рис. 1) может представлять собой как отдельно стоящий терминал, так и территориально распределённую систему.

HMI-решение может быть стационарным, портативным, мобильным. Использование облачных технологий и связь с базами данных повышает ценность панельного компьютера, терминала оператора или промышленного монитора как части интеллектуального производства и делает централизованный мониторинг и контроль за работой всего предприятия более эффективным [1]. Правильно организованный HMI транслирует промышленные данные в MES-системы (Manufacturing Execution System – система управления производственными процессами) для увеличения эффективности производства (например, коррекции либо пере­расчёта производственного плана, перенастройки станков).
Большинство людей регулярно используют HMI в повседневной жизни, когда устанавливают температуру в автомобиле или программируют микроволновую печь. В отличие от бытовых промышленные HMI должны быть надёжнее, мощнее, иногда иметь возможность обрабатывать данные большого объёма в процессе эксплуатации промышленного оборудования и быть интегрированными в системы общезаводского управления.

Каким должен быть промышленный HMI

Промышленный HMI – обязательный компонент современных производственных процессов – должен сочетать удобство использования (usability) и наглядность. Обычно для разработки функционального пользовательского интерфейса требуется всесторонний анализ технических условий, спецификаций и сопутствующих факторов:

• окружающая среда;
• требования отраслевых стандартов;
• оптимальные средства ввода данных;
• надёжность, вандалоустойчивость;
• связь с интеллектуальной системой производства;
• информационная защита;
• пользовательские ожидания.

Тенденции развития промышленного HMI, хотя имеют свои особенности, в целом следуют тем же путём развития, что и HMI в потребительской электронике. Операторы имеют богатый опыт использования бытовых и персональных электронных устройств в нерабочей обстановке и привыкают к определённым функциональным особенностям, например, сенсорному экрану.
Задача проектировщика HMI – соблюсти баланс между функциональными требованиями и удобством использова­ния. В случае с потребительской электроникой плохо разработанный пользовательский интерфейс разочарует пользователя, и, напротив, качественный и прогрессивный интерфейс – часто главный коммерческий аргумент для устройства потребительского класса. В промышленном HMI плохо продуманный дизайн интерфейса может привести к нежелательным эксплуатационным последствиям, ошибкам и просчётам с разрушительными последствиями для производительности и безопасности.

Новые стандарты для промышленных HMI

Ежедневное использование смартфонов и планшетов определяет потребительские ожидания от промышленных средств человеко-машинного интерфейса. Пользователи привыкают к развитой функциональности интерфейса любимого производителя персональной электроники и хотят видеть тот же уровень удобства и простоты использования в рабочих устройствах.
Производители промышленного оборудования исторически были больше сосредоточены на базовых задачах, таких как обеспечение управления и мониторинг в режиме реального времени, и меньше ориентируются на ощущения и опыт операторов. Увеличение доли «умных» устройств, в особенности устройств Интернета вещей (IoT) и промышленного интернета вещей (IIoT), постепенно смещает вектор развития промышленных HMI к более простому и удобному интерфейсу.
Базовые системы автоматизации должны по-прежнему работать надёжно, интерфейс к этим системам, отражающий оперативное состояние и диагностическую информацию, должен разрабатываться с учётом пользовательского восприятия, без чрезмерной перегрузки пользователя избыточными или сырыми данными, что в конечном итоге должно повысить показатели общей эффективности оборудования OEE (Overall Equipment Effectiveness).
Современный промышленный HMI должен преобразовать данные в полезную информацию и представлять её операторам в простой, наглядной манере. Представление системы в операторском интерфейсе должно совпадать с мысленным представлением оператора – для этого необходимо тесное сотрудничество разработчиков и пользователей. Разработчики HMI должны обеспечить представление информации таким образом, чтобы оператор мог адекватно оценить изменения в системе, оперативно отреагировать на любую нештатную ситуацию и оценить возможные последствия своего действия/бездействия.
Новейшие разработки в сфере потребительских HMI стимулируют ведущих промышленных производителей реагировать на пользовательские ожидания.

Драйверы рынка HMI

Вовлечённость потребителей в использование растущего количества приложений HMI во всех аспектах их личной и профессиональной жизни сложно даже представить. Сколько касаний сенсорного экрана выполняет в день типичный пользователь?
Хотя индустриальный сектор более консервативен, производители оборудования и систем автоматизации взяли на вооружение многие особенности потребительского HMI, часто адаптируя электронные HMI потребительского класса к промышленным нуждам.
Применение на производстве HMI разных форм-факторов – экономичный и гибкий способ увеличения функциональности оборудования и визуализации. Виртуальные кнопки постепенно вытесняют аналоговые и световые индикаторы, за исключением предусмотренных стандартами безопасности. Сенсорный экран оператора с виртуальными кнопками экономит пространство, наглядно отображая всё, что необходимо в конкретном случае, в динамических картинках с анимацией и детальной прорисовкой, либо наоборот, в упрощённой форме. Использование программируемых HMI с возможностью лёгкой настройки и адаптации к нуждам заказчика позволяет избежать последующей закупки дополнительных кнопок для оборудования и его дорогостоящих модификаций, в перспективе дополняя его новыми и улучшенными функциями. Решения HMI, построенные на резистивном сенсорном экране с функцией double touch (двухточечное касание) и на ёмкостном с функцией multitouch (множественное касание), позволяют производить хорошо знакомые по смартфонам манипуляции: менять масштаб, перелистывать, прокручивать экран, оставляя при этом возможность подключения аналоговых средств интерфейса и периферийной техники.
Характерная особенность должным образом организованного HMI – привлекательный, обращённый на конечного пользователя экран дисплея, отражающий наиболее важную для данного контекста информацию за счёт оптимального дизайна. Под последним подразумевается эффективная структура окон, оптимальное использование цветов, рациональное отображение аварийной информации и элементов мнемосхем с организованным в режиме
реального времени технологическим контролем [2, 3].
С технической и экономической точек зрения, плюсы внедрения современных HMI очевидны, как и факт регулярного оснащения небольших автономно функционирующих терминалов сенсорными компьютерами. В архитектуре распределённых систем интерфейс оператора расширяется при организации дополнительных средств человеко-машинного интерфейса в различных эксплуатационных зонах, например, в помещениях технического обслуживания.
Мобильность – ещё одна характерная особенность персональной электроники, которая также в большей степени изменит парадигму, функциональные и визуальные особенности промышленных HMI. Современный малоформатный HMI востребован в системах управления интеллектуальными зданиями для обеспечения и улучшения прогностического обслуживания, мониторинга состояния, безопасности и, конечно, визуализации.

Навстречу пользователям

За годы HMI-технологии изменились от первоначальных текстоориентированных проприетарных устройств до платформ на основе персональных компьютеров, чему способствовало распространение компьютерных вычислений в конце 1980-х годов. HMI на базе ПК могли предложить гораздо больше передовых графических и вычислительных возможностей по более низким ценам, чем их проприетарные предшественники.
Огромным шагом вперёд стал переход от громоздких и энергоёмких ЭЛТ-мониторов к ЖК-дисплеям со светодиодной подсветкой, снижение стоимости запоминающих устройств, увеличение скорости передачи данных в проводных и беспроводных сетях. Эти достижения в первую очередь были использованы в коммерчески доступных (COTS – Commercially Available Off-The-Shelf) продуктах, разработанных для массового потребления, так что рядовые пользователи успели близко познакомиться с ПК, Ethernet, операционными системами на базе Windows и т.д.
Основным требованием для первых технических решений индустриальных HMI была большая функциональность с меньшими затратами. В ущерб детализации, эргономичности и простоте оператор был перегружен графикой P&ID-схем (Piping and Instrumentation Drawings – графическое отображение трубопроводов и контрольно-измерительной аппаратуры), исчерпывающей пределы аппаратного и программного обеспечения. При явном дефиците внимания к пользователю интерфейса внимание акцентировалось на технологическом оборудовании (рис. 2).

В боль­шинстве случаев такой подход увеличивал когнитивную нагрузку на оператора, был неэффективен и тормозил работу, но до тех пор, пока интерфейс оператора функционировал, он считался успешным, в особенности по сравнению с более ранними аналогами [4, 5, 6].
В настоящее время повышенный спрос на технологии промышленной автоматизации рабочих мест предполагает интуитивно понятные и удобные интерфейсы. С точки зрения оператора, наиболее востребованным является сочетание функциональности смартфона с необходимыми отраслевыми требованиями:

• образная визуализация;
• интуитивное сенсорное управление;
• клавиша возврата и навигационные ссылки;
• поддержка беспроводных стандартов связи;
• доверенный платформенный модуль (TPM – Trusted Platform Module) для обеспечения безопасности;
• программная поддержка веб-ориентированных SCADA и HMI;
• модульная архитектура.

Лидер промышленной автоматизации – компания Advantech предлагает серию сенсорных панельных компьютеров TPC именно с такими характеристиками [7].

Правильно позиционированный HMI

Корректно сконфигурированный и введённый в эксплуатацию человеко-машинный интерфейс, кроме уменьшения когнитивной нагрузки на оператора, может объединить компоненты MES-системы, став связующим или ведущим звеном вычислительной распределённой сети управления.
Далее представлено решение на базе оборудования Advantech для автомобильного сборочного цеха (рис. 3).

В интеллектуальную сеть объединены устройства ввода-вывода, сканер и принтер штрих-кода, устройства чтения радиометок RFID, ручные программаторы электронных блоков автомобиля.
Оператор-сборщик, предварительно авторизовавшись, получает производственное задание с сопроводительной документацией, отслеживает готовность деталей автомобиля, осуществляет сборку или настройку узлов, распечатывает и наклеивает штрих-код для передачи на следующий участок конвейера.
В случае необходимости оператор-сборщик обращается к базе данных для заказа нужной детали со склада, после чего возвращается к сборке базовой модели [7].

Перспективы промышленных HMI

Уровень возможностей потребительской электроники за последние десять лет существенно возрос, её производители сконцентрировались на удобстве использования, производительности и привлекательном интерфейсе. Для дальнейшего развития промышленным HMI-платформам необходима эффективная визуализация и сенсорная навигация, общая для персональной электроники, автомобильных интерфейсов и других коммерческих HMI. Кроме всего прочего, в промышленных HMI должны быть поддержка современных беспроводных технологий и удобство монтажа. И, наконец, необходима поддержка TPM или других стандартов безопасности для надёжного запуска современных SCADA и HMI-приложений на различных платформах и браузерах.

Не просто умный, а интеллектуальный HMI

Цель любого предприятия – сокращение расходов и увеличение прибыли. Тайваньская компания Advantech производит современные и экономичные решения для увеличения уровня автоматизации производства и, как следствие, повышения его эффективности. Следуя последним тенденциям в развитии человеко-машинных интерфейсов, Advantech предлагает:

• переход на открытые платформы;
• поддержку большинства промышленных интерфейсов;
• широкоформатный плоский экран в соответствии с медицинскими рекомендациями;
• модульную архитектуру;
• интеграцию с системами верхнего уровня: АСУ ТП, SCADA, MES-системами.

Панели оператора WebOP

Универсальные TFT ЖК-панели серии WebOP (табл. 1) с резистивным сенсорным экраном от 4,3 до 12 дюймов и поддержкой более чем 300 коммуникационных протоколов для связи с ПЛК легко встраиваются в системы АСУ ТП, просты в программировании, обладают интуитивно понятным и удобным Web-интерфейсом благодаря программному пакету WebAccess/HMI. Полная сетевая совместимость обеспечивает быстрый обмен данными и удалённый мониторинг на всех уровнях АСУ ТП, в том числе с помощью мобильных устройств. Аппаратная платформа Advantech Web-OP-3000K/T на базе RISC-процессора ARM® Cortex™ под управлением OC реального времени (RTOS/WinCE) сохраняет работоспособность при температуре от –20 до +60°С.
WebAccess/HMI – многофункциональная программная платформа для создания комплексных HMI-решений. Программный пакет визуализации включает конструктор WebAccess/HMI Designer и среду исполнения WebAccess/HMI Runtime.
WebAccess/HMI Designer – простой для освоения и использования многоязычный инструмент разработки интерфейса с высококачественной векторной графикой, анимацией, поддержкой шрифтов Windows, готовыми экранными объектами, наборами правил с возможностью их редактирования, сигналами тревог, журналом регистрации событий, online/offline-моделированием.
WebAccess/HMI Runtime – среда исполнения с минимальными системными требованиями к ОС (RTOS/Windows CE, Windows XP, Windows Server 2003, Win-dows Vista, Windows 7/8) и высокой скоростью передачи данных. Команда разработчиков гарантирует эксплуатацию системы в режиме 24/7/365, постоянно дополняя пакет новыми функциями и коммуникационными протоколами.

Панельные компьютеры TPC

Панельные компьютеры серий TPC-651, TPC-1x51 (табл. 2) с низким энерго­потреблением штатно комплектуются процессором Intel Atom E3827, обеспе­чивающим приемлемую производитель­ность в компактном безвентиляторном корпусе с защищённой от внешних воздействий передней панелью. Они могут применяться в качестве терминала (тонкого клиента) для работы с сервером в системах с ограниченным бюджетом. С предустановленными ОС Windows, Linux или ПО собственной разработки WebAccess/SCADA, WebAccess/HMI они отлично подходят для решения локальных задач. Широкоформатные терминалы оператора TPC-XX51WP с диагоналями 10,1 и 15,6″ поставляются с сенсорной multitouch-панелью, TPC-XX51T формата 4:3 c диагоналями 5,7; 12; 15; 17″ – с резистивным сенсорным экраном.

Широкоэкранные панельные компьютеры Advantech серий TPC-1X82H, TPC-1X81WP (табл. 3), TPC-51X2 (табл. 4) с высокопроизводительным про­цессором Intel® Core™ имеют ёмкостные экраны с функцией multitouch либо резистивные экраны формата 4:3 и переднюю панель со степенью защиты IP66. Они оптимальны для ресурсоёмких задач, требующих вычислительной мощности и передовой графики в экстремальных условиях эксплуатации.

Новое поколение HMI от Advantech благодаря ряду технологических решений и учёту требований концепции Smart Factory и IIoT позволяет оператору эффективно управлять техпроцесом за счёт интуитивно понятного интерфейса, что снижает издержки производства.

Интеллектуальное программное обеспечение WebAccess

SCADA WebAccess – платформа для разработки IIoT-приложений, её особенности – интеллектуальный мониторинг с кросс-платформенной, кросс-браузерной аналитической обработкой данных и интеллектуальный пользовательский интерфейс с поддержкой HTML5 для создания собственных Web-приложений.

iDoor-технология

При помощи патентованной технологии расширения на базе шины MiniPCIe можно объединять периферийные уст­ройства и расширять функциональность системы модулями Advantech. Благодаря iDoor система может быть в любой момент дополнена модулями памяти и устройствами хранения данных, промышленными протоколами, аппаратурой цифрового и аналогового ввода/вывода, беспроводными сетями Wi-Fi/Bluetooth, GPS, GPRS, и LTE.

Широкоформатный multitouch-экран

Экран формата 16:9 увеличивает полезную площадь дисплея на 40% по сравнению с традиционным форматом 4:3 (при равных диагоналях). Сенсорный экран с двухточечным касанием повышает эксплуатационную безопасность панельного компьютера.

Передняя панель из магниевого сплава

Передняя панель компьютера Advan­tech TPC с диагональю 18,5/21,5″ изготовлена из магниевого сплава и на 35% легче аналогичных по размеру компьютеров с передней панелью из сплава алюминия.

Плоский сенсорный экран со степенью защиты IP66

Дополнительно к степени защиты IP66 от пыли и воды сенсорный экран имеет антивандальную защищённую поверхность с твёрдостью 7H по шкале Мооса (соответствует кварцу), предотвращающую появление случайных царапин в процессе эксплуатации.

Заключение

Дизайн HMI серий TPC (рис. 4) и SPC Advantech был признан лучшим на международном конкурсе iF Product Design Award в 2013 году.

Высокий профессионализм тайваньских разработчиков ставит их в один ряд с дизайнерами автомобильного концерна Mercedes-Benz, в том же году получивших престижную награду за разработку Concept Style Coupe и Mercedes-Benz Actros. ●

Литература

1. Hooper T. What is Industrial HMI? How an Industrial Human-Machine Interface (HMI) Works, Examples and Uses, and Best Practices for HMI Design [Электронный ресурс] // Режим доступа : https://www.pannam.com/blog/what-is-industrial-hmi/.
2. Шугаев А. Современный человеко-машинный интерфейс на производстве: актуальные тенденции [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://www.up-pro.ru/library/information_systems/production/hmi-schneider.html.
3. Ситуационное восприятие. Новый подход к дизайну человеко-машинных интерфейсов [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://isup.ru/articles/2/5410/.
4. Создание HMI, который работает (Часть 1) [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://cleverhouse.club/software/dispatch/sozdanie-hmi-kotoryiy-rabotaet-chast-1.html.
5. Building an HMI that Works: New Best Practices for Operator Interface Design [Электронный ресурс] // Режим доступа : https://www.automation.com/pdf_articles/opto_22/2061_High_Performance_HMI_white_paper.pdf.
6. Holifield B., Nimmno I., Oliver D., Habibi E. The High Performance HMI Handbook. – USA : Plant Automation Services, 2008.
7. Personal Electronics are Shaping Tomorrow’s Industrial Human Machine Interfaces [Электронный ресурс] // Режим доступа : http://leadwise.mediadroit.com/files/58941-white%20paper.pdf.

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru