Standaryzacja sprzętowa interfejsów operatorskich (HMI) z ekranami wielodotykowymi

Fot. 1. Przemysłowe panele sterownicze z ekranami wielodotykowymi oferują użytkownikom wiele możliwości, w tym powiększanie i pomniejszanie (zoom) oraz przesuwanie i nawigowanie przyciskami sterowniczymi za pomocą oprogramowania 3D HMI. Źródło: Beckhoff Automation

Wdrażanie nowoczesnych i, co ważne, opłacalnych kosztowo technologii paneli operatorskich z ekranami wielodotykowymi może zapewnić firmom przemysłowym posiadanie w swoich zakładach modułów i systemów o architekturach odpornych na upływ czasu.

Kontrola kosztów w aplikacjach związanych z produkcją może być tak samo ważna, jak efektywne sterowanie maszynami. W wyniku tego oszczędni producenci mogą się wahać, czy zainwestować w nowe technologie automatyki i sterowania. Modernizacje interfejsów operatorskich (human-machine interface – HMI) nie są tu wyjątkiem.

Producenci i dostawcy oraz użytkownicy interfejsów HMI często są zgodni, że standardowo takie urządzenie powinno mieć wytrzymały (na trudne warunki przemysłowe) panel z ekranem dotykowym oraz możliwość dołączenia procesora CPU dla celów sterowania, a także przycisków ekranowych oraz fizycznych, realizujących specyficzne funkcje, takie jak zatrzymanie awaryjne (E-stop). Interfejs może mieć również dodatkowe podświetlane przyciski dookoła panelu, w zależności od funkcji sterowanej maszyny. Zwiększają one efektywność obsługi maszyn w specyficznych gałęziach przemysłu, takich jak przetwarzanie tworzyw sztucznych, pakowanie i obrabiarki.

Producenci i firmy z branży automatyki przemysłowej często natomiast mają odmienne zdanie co do tego, czy lepiej jest wdrażać panel z ekranem jednodotykowym (panele jednodotykowe), czy zastosować technologię wielodotykową. Przemysłowe panele sterownicze z ekranami wielodotykowymi znajdują się na rynku już od wielu lat. Dają operatorom wiele możliwości, w tym powiększania i pomniejszania (zoom) oraz przesuwania i nawigowania przyciskami sterowniczymi za pomocą oprogramowania 3D HMI.

Chociaż „nowy” oznacza zwykle droższy, jednak nie zawsze jest to prawdą w przypadku interfejsów sprzętowych HMI. Okazuje się bowiem, że zależnie od producenta panele wielodotykowe są często tańsze od swoich odpowiedników jednodotykowych, gdy porówna się wielkość ekranu, konstrukcję panelu i osiągi procesora.

Ponadto panele wielodotykowe wpływają na obniżenie kosztów firm dzięki uczynieniu operacji obsługi maszyn odpornymi na upływ czasu. Możliwe jest zainstalowanie panelu wielodotykowego i obsługiwanie go w trybie jednodotykowym, z opcją modernizacji w postaci przejścia w przyszłości na nowsze oprogramowanie wspierające panele wielodotykowe. W wyniku tego nie będą konieczne żadne dodatkowe zmiany sprzętu. Będzie także znacznie łatwiej zmodernizować już wdrożone systemy HMI, instalując tylko w przyszłości nowsze oprogramowanie wspierające panele wielodotykowe.

Modernizacja interfejsów sprzętowych HMI

Panele wielodotykowe to dla operatorów maszyn rozwiązanie umożliwiające ulepszenie funkcjonalne i zwiększenie efektywności obsługi, w tym:

→ możliwość intuicyjnego znajdowania ważnych powiadomień o statusie sprzętu;

→ bardzo szybkie przewijanie wielu opcji menu na wyświetlaczu;

→ wygodne poruszanie się po ekranach wizualizacji linii produkcyjnych;

→ dodatkowe funkcje bezpieczeństwa, takie jak dotykanie obiema rękoma lub dwoma palcami w celu aktywacji pewnych trybów pracy maszyny.

Te funkcje interfejsów są już dostępne od lat dzięki wykorzystaniu smartfonów i tabletów. Wraz z postępami zarówno w dziedzinie oprogramowania ekranów wielodotykowych, jak i możliwości smartfonów i tabletów, sterowanie maszynami oraz wizualizacja ich pracy są dostępne dla urządzeń mobilnych przy wykorzystaniu oprogramowania HMI na bazie języka HTML5. Język ten umożliwia ekranom interfejsów HMI automatyczne dostosowanie się do wymiarów tabletu czy smartfona. Wcześniej wymagane było nowe programowanie ekranów w celu dopasowania ich wielkości do urządzeń o innych wymiarach.

Przy wykorzystaniu paneli webowych HMI (opartych na technologii WWW) możliwe jest tworzenie maszynowych ekranów HMI, dostępnych na urządzeniach mobilnych. Częste adaptowanie paneli wielodotykowych w aplikacjach przemysłowych oznacza, że te same urządzenia mobilne, które są używane do sprawdzania służbowych e-maili czy do ogólnych celów biznesowych, mogą dać użytkownikom więcej możliwości – zarówno w obszarze monitoringu maszyn, jak również sterowania nimi.

Przez lata panele wielodotykowe i ich pakiety oprogramowania udowodniły w praktyce, że są tak samo niezawodne jak tradycyjne systemy HMI. Przekłada się to obecnie na ich większy udział na rynku i wzrost popularności aplikacyjnej na halach fabrycznych.

Czas eksploatacji wyświetlaczy przemysłowych wysokiej jakości wynosi 10 lat lub więcej. Obecnie jednak wybór paneli z wyświetlaczem jednodotykowym zamiast z wielodotykowym może w przyszłości postawić firmę produkcyjną w trudnej sytuacji.

Dalsze postępy w interfejsach HMI oraz ich oprogramowaniu opartym na technologii WWW prawdopodobnie sprawią kłopot przy podejmowaniu decyzji, czy lepiej pozostać przywiązanym do mniej funkcjonalnego systemu, czy też nadszedł już czas na modernizację nadal sprawnych paneli jednodotykowych. Lepszą strategią będzie wdrożenie paneli wielodotykowych i skonfigurowanie ich w trybie jednodotykowym, chyba że dana aplikacja będzie wymagała wykorzystania pełnych możliwości interfejsu HMI.

Fot. 2. Interfejsy HMI mogą być tak konfigurowane, aby spełniały wymagania aplikacji przemysłowych. Mogą być zintegrowane z przemysłowymi komputerami PC, mieć obudowę o wysokiej odporności mechanicznej, umożliwiającą spłukiwanie czy obsługę w rękawiczkach, albo być wyposażone w wyświetlacz dobrze widoczny w świetle dziennym. Źródło: Beckhoff Automation

Przemysłowe komputery panelowe PC i ich moc obliczeniowa

Innym trendem w przemyśle jest zmniejszanie gabarytów sprzętu i maszyn. Ważne
jest zadanie sobie pytania, czy konieczne
jest zainstalowanie oszczędzającego miejsce panelowego komputera PC w celu wyeliminowania oddzielnego komputera przemysłowego PC (IPC) z szafy sterowniczej.

Wybór panelowego komputera PC z wyświetlaczem wielodotykowym może tu być właściwą strategią, jednak nie idealną dla wszystkich aplikacji. Panelowe komputery typu PC powinny mieć wystarczającą moc obliczeniową, pamięć RAM oraz wbudowane narzędzia diagnostyczne, aby zapewniały odpowiedni poziom obsługi danej aplikacji.

Zaletą pasywnych paneli wielodotykowych i oddzielnych komputerów IPC jest to, że panel taki może być eksploatowany całymi latami, nawet w przypadku gdy komputer IPC jest modernizowany. Ponadto łatwiej jest wtedy wymienić panel pasywny w razie jego uszkodzenia. Panele pasywne i panelowe komputery PC ze zintegrowanym procesorem CPU mogą być całkowicie obudowanymi jednostkami, przeznaczonymi do montażu na wysięgniku lub słupku, co eliminuje potrzebę wycinania otworów w osobnych obudowach interfejsów HMI.

Pewną strategią zmniejszania okablowania paneli jest wykorzystywanie jednej technologii łączenia przewodów i kabli. Wykorzystując prosty i tani adapter sprzętowy, komputer IPC może wysyłać sygnał wizyjny poprzez złącze DVI (digital visual interface), sygnały danych w standardzie USB 2.0 oraz doprowadzać zasilanie do panelu odległego o 100 m. Takie podejście oszczędza nawet więcej przestrzeni na hali produkcyjnej, jednocześnie dając tę samą elastyczność dla modernizacji sprzętowej HMI w przyszłości.

Rys. 1. Ekrany dotykowe mogą wyeliminować potrzebę posiadania oddzielnych klawiatur w pewnych aplikacjach interfejsów HMI. Panele wielodotykowe są często tańsze od swoich odpowiedników jednodotykowych, gdy porówna się wielkość ekranu, konstrukcję panelu i osiągi procesora. Źródło: Beckhoff Automation

Zaawansowane cyberbezpieczeństwo w zintegrowanych interfejsach HMI

Otwarta platforma automatyki oparta na komputerach typu PC jest idealna do integrowania interfejsów HMI. W sterowniku przemysłowym na bazie komputera typu PC oprogramowanie HMI może być uruchamiane tak łatwo, jak projekty programowalnych sterowników logicznych (PLC) i sterowania ruchem. Jeśli chodzi o zapewnienie komunikacji pionowej w sieciowej hierarchii, to komputery IPC oraz panelowe PC są dobrze dopasowane do komunikacji w otwartym standardzie OPC UA (open-platform communications unified architecture). Dzięki temu możliwe jest zbudowanie cyberbezpiecznej i zaszyfrowanej transmisji danych między halą fabryczną a chmurą obliczeniową oraz dla celów przetwarzania danych na krawędzi sieci (edge computing).

W klasycznym podejściu cyberbezpieczeństwo systemu jest często wdrażane w oprogramowaniu i pracy sieciowej, jednak nowe sprzętowe interfejsy HMI mogą zapobiegać nieautoryzowanemu dostępowi w zakładzie oraz błędom. Na przykład wykorzystując mikroczipy (etykiety) do identyfikacji radiowej (RFID), wtopione w identyfikatory pracowników lub karty dostępu. Interfejsy HMI wyposażone w czytnik etykiet RFID mogą autoryzować dostęp pracowników do maszyn i urządzeń, w zależności od zakresu obowiązków tych osób.

A zatem tylko niektóre funkcje maszyn są dostępne dla pracowników, w zależności od ich stanowiska pracy i obowiązków służbowych. Technologia RFID może służyć jako bardziej wydajny i efektywny „portier”, który nie wymaga ręcznego wpisywania nazwy użytkownika i hasła dostępu.

Dlatego też, podsumowując, dobrą strategią przy modernizacji lub tworzeniu systemów sterowania i monitoringu aplikacji przemysłowych jest wybór sprzętowych interfejsów HMI z ekranami wielodotykowymi oraz zapewnienie, że panelowe komputery PC będą miały wystarczającą moc obliczeniową przez dłuższy czas. Dzięki standaryzacji paneli wielodotykowych już dziś fabryka może być odpowiednio przygotowana na to, co przyniesie postęp technologiczny w następnych latach.


Eric Reiner jest specjalistą od produktów z dziedziny przemysłowych komputerów PC w firmie Beckhoff Automation.