Vývoj rozhraní pro automatizaci

-- 28.01.19

Rozhraní HMI a další zařízení operátorských rozhraní jsou vytlačována na okraj (edge) aplikací pro nepříznivá prostředí a spojují v sobě ty nejlepší prvky tradičních rozhraní s moderními, komerčně dostupnými technologiemi. 

Zařízení operátorských rozhraní jsou klíčovým prvkem průmyslové automatizace, nicméně mnoho produktů trpí nedostatky a problémy s implementací. Nová řešení se zvýšenou odolností, určená pro použití na okraji průmyslových a jiných kritických aplikací, v sobě spojují ty nejlepší prvky tradičních rozhraní s moderními, komerčně dostupnými technologiemi.

Systémy průmyslové automatizace pro stroje a procesy musejí monitorovat stavy, vydávat příkazy zařízením a koordinovat řízení. Návrháři tyto funkce implementují kombinací široké řady technologií průmyslové automatizace, jako jsou senzory a přístroje, vstupně/výstupní (I/O) moduly a digitální řídicí prvky. Ani ty nejpokročilejší stroje však neběží samy o sobě, což znamená, že s automatizačním systémem musí být dodána určitá forma operátorského rozhraní.

Elektronická zařízení, jež umožňují operátorům komunikovat s automatizovanými systémy, se souhrnně označují jako rozhraní člověk–stroj (Human-Machine Interface – HMI). Někdy mohou být specializovanější zařízení zabudovaná do výpočetní platformy, která není na bázi PC, označována jako terminál operátorského rozhraní (Operator Interface Terminal – OIT).

Začlenění rozhraní HMI a terminálů OIT do automatizačních systémů má zásadní význam z mnoha důvodů. Nabízejí mnohem více možností rozhraní než jednoduchá panelová zařízení, a je-li nutno provést změnu, rozhraní HMI nebo terminál OIT lze obvykle překonfigurovat nebo přeprogramovat za nižších nákladů.

Nicméně taková zvýšená funkčnost operátorského rozhraní má stále určité nedostatky a zvyšuje cenu rozhraní HMI a komplikuje jeho údržbu. Pro odstranění těchto nedostatků jsou nejnovější rozhraní HMI zkonstruována s ohledem na osvědčená tradiční řešení, přičemž využívají nejnovější komerčně dostupné technologie. 

Slabiny tradičních rozhraní HMI a terminálů OIT

První generace rozhraní HMI a terminálů OIT se soustředily na to, aby uživatelům umožňovaly spustit a zastavit zařízení, rozumět chodu systému a provádět úpravy.

Během let byly doplněny funkce, jako jsou alarmy a protokolování událostí, ukládání historických dat a zobrazování trendů. Konfigurace rozhraní HMI a terminálů OIT bylo možno kopírovat a ukládat a nová zařízení mohla být nasazena relativně rychle, došlo-li k poškození nebo selhání původního zařízení. Díky vylepšování schopnosti práce v síti, zejména s Ethernetem a Wi-Fi, již rozhraní HMI nemusela být instalována ve fyzické blízkosti zdrojů. V příslušné lokalitě bylo možno instalovat více rozhraní HMI, například v řídicí místnosti, na stroji a v kancelářích.

Tato rozhraní HMI spolu s terminály OIT nabízela mnoho výhod ve srovnání s napevno zapojenými panely, nicméně měla i několik slabin. Lze jmenovat například tyto: 

Vyhrazené terminály OIT budou pravděpodobně využívat speciální hardware a software (obrázek 1). Výrobci tato zařízení nabízejí, aby poskytli adekvátní ovládání rozhraní řídicího systému v relativně samostatném provedení. Jelikož jsou zařízení určena speciálně pro průmyslový trh, nemohou využívat obchodní výhody v rozsahu obvyklém u spotřební elektroniky, a proto jsou z hlediska poměru ceny a výkonu dražší. Jsou však tradičně zkonstruována tak, aby odolávala průmyslovému prostředí, a nabízejí praktické a dobře udržovatelné řešení.

S dostupností pokročilejších rozhraní HMI na bázi PC byl tento hardware vnímán jako dobrá hodnota ve srovnání s předchozími řešeními a poskytoval uživateli flexibilitu a konektivitu. Jedním z nedostatků však byla zvýšená potřeba průběžné údržby a podpory.

Uživatelé nyní očekávají graficky dokonalý vzhled a způsob ovládání, časté bezplatné aktualizace a vylepšování operačního systému a aplikací zařízení (obrázek 2).

Inovace na průmyslovém trhu však přicházejí poněkud pomaleji, protože je poměrně malý ve srovnání s mnohem větším spotřebitelským trhem – nemluvě o tom, že je mnohem konzervativnější než špičkový trh s osobní elektronikou. 

Nové technologie rozhraní HMI

Nejnovější generace rozhraní HMI řeší každý z těchto nedostatků přizpůsobením komerčních technologií, přičemž zahrnuje a vychází z nejlepších prvků předchozích generací rozhraní HMI a terminálů OIT. K potenciálním přínosům patří:

Technologie typu „open source“: V ideálním případě kombinuje moderní rozhraní HMI robustnost a jednoduchost používání tradičního terminálu OIT s výkonem a cenou rozhraní HMI na bázi PC. Tato kombinace je možná, pokud je hardwarová platforma založena na operačním systému reálného času typu open source, jako je Linux, který nevyžaduje žádné pořizovací náklady ani licenční poplatky. Malé prostorové nároky, komponenty s možností výměny za chodu, místní kontrolky LED a další praktické doplňky mohou zajistit použitelnost této platformy v provozu. Je-li správně navržen, je zde tento hardware jako doma, a to i v náročném průmyslovém prostředí, přitom poskytuje výkon na úrovni PC.

Cenově dostupná konfigurace: Přizpůsobení je možné, ale není nutné, protože moderní hardware rozhraní HMI obsahuje zabudované standardní funkce, které splňují většinu potřeb. Konfigurační software rozhraní HMI na bázi PC je cenově dostupný a neexistují žádné omezující licenční poplatky. Konečný uživatel se může soustředit na použití rozhraní HMI tam, kde se nejlépe hodí, a to bez obav o omezení počtu tagů nebo runtimů.

Snadnost použití: Sada vývojářských možností umožňuje, aby moderní rozhraní HMI byla snadno přístupná pro nové vývojáře k vytváření základních aplikací, avšak pro pokročilé programátory byla zcela rozšiřitelná pro vývoj vlastních aplikací pomocí volitelného zabezpečeného přístupu k shellu. Výrobci OEM často potřebují tento typ flexibility k programování algoritmů specializovaných pro určité stroje, ba dokonce i speciálních algoritmů v jazycích C/C++, Python a dalších jazycích.

Integrovaná obrazovka a flexibilní porty: Vestavěný displej, který je k dispozici na některých zařízeních, může být pro mnoho aplikací více než dostatečným rozhraním HMI, přestože připojení HDMI umožňuje v případě potřeby použít větší lokální obrazovku. Několik ethernetových a USB portů, stejně jako I/O moduly navíc usnadňuje připojení k jakýmkoli provozním zařízením nebo systémům.

Připojení k síti a cloudu: Moderní rozhraní HMI mohou poskytovat ještě více možností, když uživatelé využívají připojení k síti a cloudu. Data mohou být bezpečně sdílena mezi databázemi a systémy a vizualizace rozhraní HMI může být rozšířena na libovolný autorizovaný počítač nebo mobilní zařízení schopné hostovat webový prohlížeč.

Mobilní zařízení: Mobilita je dalším klíčovým prvkem moderních rozhraní HMI. Jakmile je základní zařízení nainstalováno a nakonfigurováno, může se jakékoli mobilní zařízení bezpečně připojit a stát se dalším rozhraním HMI, což technikům a operátorům nabízí větší flexibilitu. Návrháři se mohou více soustředit na obsah a způsob ovládání rozhraní HMI a zároveň by měli být zbaveni nákladů a složitosti podkladových platforem.

Nejnovější generace rozhraní HMI kombinuje nejlepší vlastnosti tradičních produktů s moderním hardwarem, softwarem a síťovými technologiemi typu open source pro řešení těchto problémů.

Vzhledem k tomu, že tato nová rozhraní HMI mohou být snadno a bez problémů síťově propojena a nasazena do jakéhokoli typického mobilního zařízení, koneční uživatelé zjišťují, že dnešní technologie splňují jejich potřeby za cenu, kterou si mohou dovolit. 

Benson Hougland, viceprezident pro marketing společnosti Opto 22. Upravil Mark T. Hoske, obsahový ředitel, Control Engineering, CFE Media, mhoske@cfemedia.com.