Объяснение человеко-машинного интерфейса: что это такое и как его правильно реализовать

Что на самом деле представляет собой человеко-машинный интерфейс

Человеко-машинный интерфейс, почти повсеместно называемый HMI, представляет собой точку контакта между человеком-оператором и машиной или автоматизированной системой. По своей сути, HMI — это любое устройство или программное обеспечение, которое позволяет человеку отслеживать, контролировать и взаимодействовать с промышленным оборудованием или процессами. Это определение охватывает широкий спектр физических форм: сенсорную панель, установленную на заводском станке, графическую панель на рабочей станции диспетчерской, веб-интерфейс, доступ к которому осуществляется с планшета, или даже простую кнопочную панель со световыми индикаторами. Все это объединяет фундаментальная цель перевода сложных состояний машины и обрабатываемых данных в форму, которую человек может читать и в которой можно действовать, а также перевода человеческих команд обратно в сигналы, которые машина может выполнять.

В современной промышленной автоматизации система HMI является одним из наиболее важных компонентов любого предприятия. Без хорошо спроектированного интерфейса оператора даже самым сложным программируемым логическим контроллером (ПЛК) или распределенной системой управления (РСУ) становится трудно эффективно управлять, контролировать и устранять неисправности. HMI — это то место, где операторы проводят свое рабочее время, где подтверждаются сигналы тревоги, где настраиваются параметры процесса и где состояние всей производственной линии становится видимым с первого взгляда. Правильный выбор HMI — с точки зрения выбора оборудования, разработки программного обеспечения и расположения экрана — напрямую влияет на эффективность работы оператора, время отклика и, в конечном итоге, на безопасность и производительность работы.

Как работают системы HMI: Технический фундамент

Понимание того, как работает промышленная система HMI, требует понимания уровней аппаратного и программного обеспечения, которые связывают оператора с физическим процессом. HMI не управляет машиной напрямую — эта роль принадлежит ПЛК, РСУ или другому аппаратному обеспечению управления, находящемуся под ним. Вместо этого HMI считывает данные из системы управления, отображает их визуально оператору и передает входные данные оператора обратно в систему управления в виде команд или изменений параметров.

Связь с ПЛК и системами управления

HMI взаимодействует с базовым оборудованием управления — обычно с ПЛК или контроллерами РСУ — через промышленные протоколы связи. Общие протоколы включают, среди прочего, Modbus RTU, Modbus TCP/IP, EtherNet/IP, PROFIBUS, PROFINET, DeviceNet и OPC UA. Программное обеспечение HMI сопоставляет определенные регистры, теги или адреса данных в ПЛК с графическими элементами на экране — поэтому, когда значение датчика температуры изменяется в памяти ПЛК, соответствующий датчик или числовой дисплей на экране HMI обновляются в реальном времени. Когда оператор нажимает виртуальную кнопку на сенсорном экране HMI, HMI записывает значение в соответствующий регистр ПЛК, на которое ПЛК затем действует в соответствии со своей логикой управления.

Базы данных тегов и сопоставление данных

Центральным элементом любой системы HMI является база данных тегов — структурированный список всех точек данных (тегов), которые HMI считывает и записывает в подключенную систему управления. Каждый тег имеет имя, тип данных, адрес связи, технические единицы и параметры масштабирования. Хорошо организованная база данных тегов является основой надежной конфигурации HMI; Плохо названные, непоследовательно структурированные или неправильно адресованные теги являются одним из наиболее распространенных источников проблем HMI в промышленных средах. Современные пакеты программного обеспечения HMI позволяют импортировать теги непосредственно из среды программирования ПЛК, что уменьшает количество ошибок при ручном вводе данных и обеспечивает синхронизацию базы данных HMI с конфигурацией системы управления.

Экранная графика и лицевые панели

Визуальная часть HMI состоит из графических экранов, называемых страницами, представлениями или дисплеями в зависимости от программной платформы, которые представляют процесс так, чтобы операторы могли его быстро интерпретировать. Диаграммы технологических процессов, анимированные изображения оборудования (насосы, которые вращаются во время работы, клапаны, меняющие цвет при открытии или закрытии), графики тенденций, списки аварийных сигналов и формы ввода данных — все это стандартные элементы дизайна экрана промышленного HMI. Лицевые панели — стандартизированные всплывающие окна, в которых отображаются все необходимые данные для одного контура управления или части оборудования — позволяют операторам детализировать подробную информацию, не загромождая основные экраны обзора процесса.

Типы оборудования HMI: от панельных HMI до систем на базе ПК

Аппаратное обеспечение HMI поставляется в нескольких различных форм-факторах, каждый из которых подходит для различных прикладных сред и эксплуатационных требований. Правильный выбор зависит от сложности контролируемого процесса, условий окружающей среды места установки и уровня требуемой функциональности.

Автономные панели HMI

Автономные панели HMI, иногда называемые панелями оператора или терминалами интерфейса оператора (OIT), представляют собой автономные устройства, которые объединяют дисплей, сенсорный экран или клавиатуру, процессор и коммуникационное оборудование в одном прочном корпусе, предназначенном для непосредственного монтажа на машине. Они выпускаются с широким диапазоном размеров экрана, обычно от 4 до 21 дюйма по диагонали, и доступны с различными степенями защиты IP для использования в пыльных, влажных или химически агрессивных средах. На этих панелях используется специальная прошивка HMI, а не операционная система общего назначения, что упрощает их настройку и делает их более стабильными в долгосрочной перспективе, чем решения на базе ПК. Ведущими производителями в этой области являются Siemens (SIMATIC HMI), Rockwell Automation (PanelView), Mitsubishi Electric (серия GOT), Schneider Electric (Magelis) и Weintek, а также многие другие.

Системы HMI на базе ПК

Системы HMI на базе ПК запускают программное обеспечение HMI на платформе промышленного ПК — стандартного настольного или стоечного ПК, панельного ПК (ПК, встроенного в корпус с сенсорным экраном) или промышленного тонкого клиента. Системы на базе ПК предлагают значительно большую гибкость и вычислительную мощность, чем автономные панели HMI: они могут запускать более сложную графику, обрабатывать большее количество тегов, интегрироваться с базами данных и корпоративными системами и одновременно запускать несколько программных приложений. Компромиссами являются более высокие первоначальные затраты, более сложное управление ИТ (обновления операционной системы, антивирус, кибербезопасность) и потенциально более короткий жизненный цикл оборудования, чем у выделенных панелей HMI. HMI на базе ПК является предпочтительным подходом для больших и сложных систем управления и рабочих станций диспетчерских.

Мобильный и веб-интерфейс HMI

Современные платформы HMI все чаще поддерживают удаленный доступ через веб-браузеры или специальные мобильные приложения, позволяя операторам и инженерам отслеживать данные процесса и получать уведомления о тревогах на смартфоны или планшеты из любой точки производственной сети — или, что все чаще, через безопасные удаленные соединения за пределами площадки. Веб-интерфейс HMI снижает необходимость физического присутствия у панели для выполнения повседневных задач мониторинга и позволяет быстрее реагировать на сигналы тревоги, поступающие в нерабочее время. Однако удаленный доступ вызывает вопросы кибербезопасности, которыми необходимо тщательно управлять, а мобильные интерфейсы, как правило, лучше подходят для мониторинга, чем для сложных операций управления, которые выигрывают от точности установки специальной панели.

HMI против SCADA: понимание разницы

Термины HMI и SCADA (диспетчерское управление и сбор данных) часто используются вместе, а иногда и взаимозаменяемо, что вызывает значительную путаницу. Это связанные, но разные концепции, и понимание разницы важно для всех, кто разрабатывает промышленные системы управления или работает с ними.

В самом строгом смысле HMI — это локальный интерфейс оператора для отдельной машины или технологической зоны — он визуализирует данные и принимает ввод данных оператора для оборудования, к которому он напрямую подключен. SCADA — это системная архитектура более высокого уровня, которая объединяет данные от нескольких HMI, ПЛК, удаленных терминальных устройств (RTU) и других полевых устройств по всему объекту, заводу или географически распределенному предприятию, обеспечивая централизованную диспетчерскую видимость и контроль. Системы SCADA обычно включают в себя архиватор для долгосрочной регистрации данных, расширенное управление сигналами тревоги, инструменты отчетности и интеграцию с общезаводскими ИТ-системами.

На практике большинство современных пакетов программного обеспечения SCADA включают полную среду разработки HMI, а экраны HMI, которые операторы используют в системе SCADA, создаются с использованием тех же инструментов и принципов, что и автономные машинные HMI. Различие больше связано с масштабом и архитектурой, чем с самим интерфейсом оператора. Небольшая производственная ячейка может использовать только автономную панель HMI без слоя SCADA над ней. Крупный перерабатывающий завод будет использовать программное обеспечение SCADA, работающее на рабочих станциях на базе ПК, с десятками HMI отдельных машин, передающих данные в центральную систему SCADA.

Сравнение основных функций и возможностей HMI

При оценке систем HMI — будь то аппаратные панели или программные платформы — для любого промышленного применения наиболее важно сравнивать следующие области характеристик:

Распространенные промышленные применения систем HMI

Технология HMI применяется практически во всех секторах промышленности и инфраструктуры. Понимание диапазона приложений помогает понять, что на практике должны обеспечивать различные конфигурации HMI.

• Производственные и сборочные линии: Панели HMI, установленные на отдельных рабочих участках и машинных станциях, позволяют операторам контролировать объемы производства, корректировать параметры машины, устранять неисправности и вызывать техобслуживание, не покидая своего рабочего места. Обзорные экраны на уровне линии в зонах диспетчера отображают состояние всей производственной линии одновременно.
• Очистка воды и сточных вод: Системы HMI на базе SCADA используются во всех операциях водоснабжения для мониторинга насосных станций, процессов очистки, уровней в резервуарах, скорости потока и параметров качества воды в географически распределенной инфраструктуре из центральной диспетчерской.
• Нефтегазовая и химическая переработка: Системы HMI и SCADA технологического предприятия контролируют и контролируют сложные непрерывные процессы, включающие давление, температуру, скорость потока и химический состав, которые должны оставаться в жестких рабочих пределах для обеспечения безопасности и качества продукции. Управление сигнализацией особенно важно в этих приложениях.
• Производство продуктов питания и напитков: Системы HMI в пищевой промышленности должны поддерживать взаимодействие оператора с линиями розлива, пастеризаторами, системами безразборной мойки (мойка на месте) и упаковочным оборудованием, часто с требованиями к контрольному журналу и регистрации партий, обусловленным правилами безопасности пищевых продуктов.
• Автоматизация зданий и ОВиК: Системы управления зданием (BMS) используют операторские интерфейсы в стиле HMI для отображения состояния систем HVAC, освещения, контроля доступа и управления энергопотреблением в коммерческих и промышленных зданиях, доступ к которым обычно осуществляется через рабочие станции ПК или веб-браузеры.
• Энергия и производство электроэнергии: Электростанции, подстанции и объекты возобновляемой энергетики используют системы HMI и SCADA для мониторинга мощности генерации, подключения к сети, состояния оборудования и состояния систем защиты — часто с очень высокими требованиями к надежности и времени реагирования.

Лучшие практики проектирования экранов HMI, которые действительно улучшают работу

Качество дизайна экрана HMI напрямую влияет на то, насколько эффективно операторы могут контролировать процесс и реагировать на него. Плохой дизайн HMI — загроможденные экраны, непоследовательное использование цветов, чрезмерная анимация и трудночитаемые списки сигналов тревоги — является хорошо документированным фактором, способствующим производственным инцидентам и ошибкам операторов. Хороший дизайн HMI заключается не в том, чтобы экраны выглядели впечатляюще; речь идет о том, чтобы предоставить нужную информацию быстро, четко и без двусмысленности.

Методология высокопроизводительного HMI

Методология высокопроизводительного HMI (HPHMI), разработанная и популяризированная Консорциумом ASM и такими отраслевыми практиками, как Билл Холлидей и Ян Ниммо, обеспечивает структурированный подход к проектированию промышленного HMI, в котором приоритет отдается ситуационной осведомленности и быстрому обнаружению аномалий над визуальной сложностью. Его основные принципы включают использование приглушенной, нейтральной цветовой палитры для нормальных рабочих состояний (серый фон, серые элементы процесса), сохранение ярких цветов — особенно красного и желтого — исключительно для ненормальных условий и сигналов тревоги, сведение к минимуму использования заливок и градиентов, которые затрудняют быструю оценку аналоговых значений, и организацию экранов вокруг потока процесса, а не географии оборудования. Когда операторы видят яркие цвета на высокопроизводительном экране HMI, они сразу понимают, что что-то требует внимания, что невозможно, если при нормальной работе экран уже заполнен красочной анимацией и графическими элементами.

Иерархия экранов и навигация

Хорошо спроектированные системы HMI организуют свои экраны в четкую иерархию. Уровень 1 — это обзор предприятия или территории — единый экран, показывающий состояние всего процесса на высоком уровне, предназначенный для чтения с первого взгляда с расстояния нескольких футов. На экранах уровня 2 более подробно показаны отдельные технологические блоки или секции. На экранах уровня 3 отображаются подробные лицевые панели оборудования, контуры управления и показания конкретных приборов. Уровень 4 охватывает экраны обслуживания и диагностики. Навигация между уровнями должна быть быстрой и логичной, с последовательным расположением элементов управления, чтобы операторы могли быстро переходить к нужному экрану, не отвлекаясь на поиски. Плохо организованная навигация, требующая нескольких переходов между экранами для доступа к часто необходимой информации, является серьезной проблемой производительности и безопасности в ситуациях, когда время ограничено.

Проект управления сигнализацией

Перенасыщение сигналами тревоги, когда операторы перегружены сотнями одновременных срабатываний сигналов тревоги, часто вызванных единственным событием, являющимся основной причиной, является одной из наиболее серьезных проблем безопасности, связанных с HMI, в промышленных операциях. Руководство EEMUA 191 для систем сигнализации и стандарт ISA-18.2 содержат подробные рекомендации по рационализации, приоритезации и управлению сигналами тревоги. Ключевые принципы проектирования включают ограничение количества сигналов тревоги теми, которые действительно требуют действий оператора, назначение четких уровней приоритета (высокий, средний, низкий) с определенным временем реагирования, подавление сигналов тревоги, которые являются предсказуемыми последствиями известных состояний процесса, и обеспечение того, чтобы представление списка сигналов тревоги делало наиболее важные и действенные сигналы тревоги немедленно видимыми, а не скрытыми в прокручиваемом списке уведомлений с низким приоритетом.

Кибербезопасность HMI: все более критическое соображение

Поскольку системы HMI перешли от изолированных частных сетей к платформам, подключенным к Ethernet, интегрированным с ИТ-системами предприятия и, в некоторых случаях, подключенным к Интернету для удаленного доступа, кибербезопасность стала действительно критической проблемой. Промышленные системы HMI и сети SCADA являются известными объектами кибератак, включая программы-вымогатели, а несколько громких инцидентов на объектах водоочистки, энергетики и производства продемонстрировали реальные последствия недостаточной промышленной кибербезопасности.

Основные меры кибербезопасности для систем HMI включают сегментацию сети между сетью HMI/SCADA и корпоративной ИТ-сетью (обычно реализуемой с использованием демилитаризованной зоны или архитектуры DMZ), надежную аутентификацию для доступа к HMI, включая разрешения пользователей на основе ролей, регулярное обновление программного обеспечения и операционных систем HMI, отключение неиспользуемых портов связи и служб, удаление учетных данных по умолчанию и контроль доступа к съемным носителям для предотвращения проникновения вредоносного ПО через USB-накопители. Серия стандартов IEC 62443 обеспечивает наиболее полную основу для промышленной кибербезопасности, включая конкретные рекомендации по безопасности систем HMI и SCADA.

Что следует учитывать при выборе системы HMI

Выбор подходящего аппаратного и программного обеспечения HMI для нового или модернизированного приложения предполагает баланс технических требований, экологических ограничений, поддержки поставщиков и долгосрочного жизненного цикла. Следующие факторы заслуживают тщательной оценки, прежде чем переходить на конкретную платформу.

• Совместимость ПЛК и системы управления: HMI должен поддерживать встроенные коммуникационные драйверы для вашей существующей или планируемой платформы ПЛК. Хотя OPC UA обеспечивает универсальный путь интеграции между большинством современных систем, встроенные драйверы обычно обеспечивают более высокую производительность, более простую настройку и более тесную интеграцию. Убедитесь, что драйвер поставщика HMI для вашей марки ПЛК активно поддерживается и поддерживает используемую вами версию встроенного ПО.
• Экологические рейтинги: Панели HMI, монтируемые на машине, должны быть рассчитаны на условия окружающей среды в месте их установки. Классы IP65 или IP66 обеспечивают защиту от водяных струй и проникновения пыли, что обычно требуется в пищевой промышленности, на открытом воздухе и при мойке. Номинальные значения температурного диапазона имеют значение в приложениях с экстремальными условиями окружающей среды — как горячими, так и холодными.
• Размер и разрешение экрана: Размер экрана должен соответствовать объему информации, которую необходимо отобразить, и расстоянию просмотра оператора. 7-дюймовой панели достаточно для одномашинного интерфейса с несколькими параметрами; для сложного обзора процесса требуется как минимум 15-дюймовый дисплей, а на рабочих станциях SCADA в диспетчерской обычно используются мониторы с диагональю 24 дюйма или больше. Широкоэкранные дисплеи с высоким разрешением позволяют отображать больше информации на экране без ущерба для читаемости.
• Среда разработки программного обеспечения: Оцените программное обеспечение для разработки HMI на предмет простоты использования, доступных графических библиотек, возможностей написания сценариев или программирования, инструментов моделирования для тестирования без работающего оборудования, а также качества документации и технической поддержки. Настройка HMI продолжается — операторам нужны дополнительные экраны, изменение параметров и добавление нового оборудования — поэтому среда разработки должна быть доступна для группы технического обслуживания, а не только для специализированных интеграторов.
• Жизненный цикл оборудования и наличие запасных частей: Промышленные панели HMI должны обслуживаться, а запасные части должны быть доступны в течение как минимум 10–15 лет. Перед покупкой проверьте опубликованные обязательства поставщика по жизненному циклу продукта и наличие запасных частей для конкретной модели, которую вы рассматриваете. Выбор платформы у поставщика, который прекращает выпуск продуктов, часто приводит к болезненным и дорогостоящим проектам миграции через несколько лет.
• Масштабируемость: Подумайте, сможет ли выбранная вами сегодня платформа HMI расти вместе с вашим предприятием. Система, которая отвечает текущим потребностям, но в течение двух лет достигает количества тегов или ограничений экрана, требует ненужных затрат на модернизацию. Выбор платформы с четким путем обновления — от автономной панели до ПК и SCADA — в рамках одной экосистемы поставщика сокращает усилия по миграции по мере роста требований.

Будущее технологии человеко-машинного интерфейса

Технология HMI быстро развивается благодаря достижениям в области подключения, вычислительной мощности и дизайна интерфейсов. Некоторые тенденции активно меняют то, как выглядят и работают интерфейсы промышленных операторов, и их понимание помогает организациям принимать дальновидные технологические решения, а не инвестировать в платформы, которые устареют через несколько лет.

Подключенные к облаку платформы HMI и SCADA обеспечивают централизованное хранение данных, удаленный мониторинг и аналитику в масштабах, которые были непрактичны для традиционных локальных архитектур. Интеграция промышленного Интернета вещей (IIoT) позволяет системам HMI объединять данные не только от ПЛК, но и от интеллектуальных датчиков, периферийных устройств и систем мониторинга состояния, предоставляя операторам более полную картину состояния оборудования и производительности процессов. Интерфейсы дополненной реальности (AR), где операторы просматривают данные HMI, наложенные на реальное оборудование, через интеллектуальные очки или камеры планшетов, начинают появляться в рабочих процессах технического обслуживания и проверки, уменьшая необходимость выполнять бумажные процедуры или отводить взгляд от оборудования для проверки показаний. Искусственный интеллект и машинное обучение интегрируются в платформы SCADA и HMI, чтобы обеспечить прогнозное управление сигналами тревоги, обнаружение аномалий и рекомендации по операционной оптимизации, которые поддерживают операторов, а не просто сообщают необработанные данные.

Благодаря всем этим изменениям основная функция человеко-машинный интерфейс остается прежним: сделать невидимое видимым, перевести сложность машин в человеческое понимание и предоставить операторам информацию и контроль, необходимые для обеспечения безопасного и эффективного функционирования процессов. Технология продолжает развиваться, но принципы проектирования, которые делают HMI по-настоящему полезными — ясность, скорость, последовательность и ориентация на то, что действительно нужно оператору — остаются такими же актуальными, как и прежде.