Jak Przemysł 4.0 napędza technologię HMI

140

W kontekście przemysłowym interfejs człowiek-maszyna (HMI) umożliwia operatorowi interakcję z maszyną lub procesem. Pokazuje stan maszyny i umożliwia operatorowi wprowadzanie poleceń.

Interfejs HMI można jednak wdrożyć na wiele sposobów, wykorzystując bardzo różne poziomy technologii.

Druga rewolucja przemysłowa – która trwała od 1870 do około 1970 roku – przyniosła masową produkcję z wykorzystaniem energii elektrycznej. W tym środowisku interfejsy HMI składały się z wyświetlaczy, analogowych mierników panelowych, przełączników i przycisków. Jednak nadejście trzeciej rewolucji przemysłowej, od około 1970 roku, oznaczało, że produkcja stała się zautomatyzowana. Operatorzy musieli zrozumieć i reagować na stan dużej liczby elementów instalacji oraz ich wzajemne interakcje w czasie rzeczywistym.

Oznaczało to, że reprezentowanie każdej zmiennej instalacji za pomocą dyskretnych urządzeń, takich jak przełączniki i lampki, nie było już praktyczne, ponieważ związane z tym liczby szybko przekroczyłyby możliwości zarówno panelu sterowania, jak i operatora. W każdym razie ilość dostarczanych informacji była poważnie ograniczona, a przede wszystkim konstrukcja panelu sterowania była całkowicie nieelastyczna.

Odpowiedzią było zebranie wszystkich wyjść czujników instalacji na kineskopie lub, gdy stały się one dostępne, na płaskim wyświetlaczu. Operatorzy mogli reagować na wyświetlany stan instalacji za pomocą klawiatury i myszy lub, ostatnio, ekranu dotykowego. Należy zauważyć, że nie wyeliminowało to całkowicie dyskretnych elementów wejściowych i wyjściowych (I/O), które w rzeczywistości nadal odgrywają rolę obok bardziej zaawansowanych rozwiązań HMI.

Jednak cyfryzacja i rozwój Przemysłu 4.0 od około 2014 roku oznaczały, że proste rozwiązania z płaskimi panelami stały się niewystarczające. Z różnych powodów, które przeanalizujemy, środowiska Przemysłu 4.0 generują ogromne ilości danych, które muszą być prezentowane operatorom w łatwo przyswajalnych formatach. Muszą oni otrzymywać informacje, a nie dane. Operatorzy muszą również reagować w bardziej zniuansowany i wyrafinowany sposób.

Wszystko to oznacza, że chociaż większość interfejsów HMI nadal opiera się na płaskich wyświetlaczach, ich sprzęt, oprogramowanie i moc obliczeniowa znacznie różnią się od tych sprzed, powiedzmy, 20 lat. Systemy z płaskimi panelami to już nie wszystko; niektóre aplikacje korzystają obecnie z technologii rzeczywistości rozszerzonej (AR) i rzeczywistości wirtualnej (VR).

W związku z tym przyjrzymy się teraz naturze i ilości danych generowanych przez instalacje Przemysłu 4.0, dlaczego stanowi to wyzwanie dla projektowania HMI oraz dostępnych obecnie rozwiązań programowych i sprzętowych, aby sprostać temu wyzwaniu. Dokonamy również przeglądu najnowszych trendów związanych z AR i VR oraz ich wpływu na projektowanie HMI.

Przemysł 4.0 i duże ilości danychPrzemysł 4.0 i duże ilości danych

Termin Przemysł 4.0 został po raz pierwszy wprowadzony w 2011 roku przez niemieckich naukowców w celu promowania postępów w dziedzinie sztucznej inteligencji i automatyzacji produkcji w porównaniu z wcześniejszymi technologiami. Określany również jako czwarta rewolucja przemysłowa, 4IR lub inteligentna produkcja, opiera się na wynalazkach trzeciej rewolucji przemysłowej – lub rewolucji cyfrowej – która przyniosła nam komputery, bardziej funkcjonalną elektronikę, Internet i wiele więcej. Przemysł 4.0 wykracza poza dotychczasowe możliwości dzięki kilku podstawowym rodzajom przełomowych technologii, które mogą być stosowane w całym łańcuchu wartości:

Łączność, dane i moc obliczeniowa: Technologia chmury, Przemysłowy Internet Rzeczy (IIoT), blockchain, inteligentne sieci, urządzenia brzegowe.

Systemy autonomiczne pracują nad określonymi zadaniami autonomicznie, bez interakcji z człowiekiem, wykorzystując algorytmy sztucznej inteligencji. W produkcji systemy autonomiczne mogą zbierać informacje z otaczającego środowiska, dostosowywać się i podejmować decyzje oparte na danych bez interwencji człowieka.

Zaawansowana robotyka to systemy, które łączą zaawansowanie sprzętowe robotów z inteligentnymi czujnikami (np. ultradźwiękami, czujnikami światła, czujnikami dotykowymi itp.), co ułatwia ich szkolenie w zakresie wykonywania powtarzalnych i nie powtarzalnych zadań w środowisku produkcyjnym.

Analityka produkcji: Do analizowania danych zebranych z procesów produkcyjnych i podejmowania opartych na danych decyzji dotyczących produktów, procesów, zapasów i aktywów, a także wnioskowania o potrzebach klientów i trendach rynkowych. Zaawansowana analityka w systemach konserwacji predykcyjnej może skrócić czas przestoju sprzętu o 50% i zwiększyć produkcję o 20%.

Interakcja człowiek-maszyna: Rzeczywistość wirtualna (VR) i rzeczywistość rozszerzona (AR), robotyka i automatyka, autonomiczne pojazdy sterowane, symulacje takie jak cyfrowe bliźniaki.

Zaawansowana inżynieria: Produkcja addytywna (np. druk 3D), energia odnawialna, nanocząsteczki.

Rozwiązania z zakresu cyberbezpieczeństwa mają na celu ochronę danych biznesowych, w tym procesów produkcyjnych, zapasów, aktywów, kosztów i danych klientów.

Celem Przemysłu 4.0 jest poprawa produkcji, redukcja kosztów i optymalizacja procesów poprzez tworzenie inteligentnych maszyn i systemów produkcyjnych, które są połączone, zautomatyzowane i dokładnie analizowane.

Wpływ danych Przemysłu 4.0 na interfejsy HMI

Jeśli weźmiemy pod uwagę te czynniki, zobaczymy, że terminal HMI Przemysłu 4.0 – i jego operator – będzie narażony na znacznie wyższy poziom przychodzących danych niż tradycyjny rozproszony system sterowania (DCS), system kontroli i akwizycji nadzoru (SCADA) lub terminal HMI z programowalnym sterownikiem logicznym (PLC).

Po pierwsze, ilość sprzętu różnych typów i różnorodnych aplikacji, które muszą być obecnie zarządzane, jest znacznie większa. Po drugie, ilość danych generowanych przez każdą maszynę może być znacznie większa. Przykładowo, maszyna, która niegdyś przekazywała w czasie rzeczywistym dane o swojej przepustowości i bieżących warunkach pracy, może teraz dostarczać dalszych danych o stanie, związanych na przykład z temperaturą silnika i wibracjami, aby informować o analizach konserwacji predykcyjnej.

Producent interfejsów HMI i komputerów wbudowanych, firma Advantech, postrzega łączność i Big Data jako kluczowe kwestie w projektowaniu interfejsów HMI dla Przemysłu 4.0: „W inteligentnej produkcji wymagana jest większa liczba funkcji kontrolnych do przetwarzania większej złożoności danych i większych ilości danych. Interfejsy HMI muszą obsługiwać protokoły komunikacyjne nowej generacji, aby zapewnić stabilność i natychmiastową transmisję danych między sterownikami PLC”.

„Co więcej, analiza dużych zbiorów danych jest cenionym atutem przy opracowywaniu strategii transformacji cyfrowej, więc pozyskiwanie danych ma kluczowe znaczenie dla produkcji i operacji fabrycznych. Interfejsy HMI są również wymagane do zapewnienia wydajnej łączności z komputerami PC lub czujnikami w celu transmisji danych przez Ethernet lub Wi-Fi, ale także do obsługi programów monitorowania i systemów gromadzenia danych, takich jak SCADA”.

Jak standaryzacja pomaga w projektowaniu interfejsów HMI dla Przemysłu 4.0

W tradycyjnych systemach sterowania procesami lub produkcją interfejsy HMI mają tendencję do używania szerokiego spektrum kolorów, z niepotrzebną grafiką, rozpraszaniem uwagi i brakiem ogólnej świadomości sytuacyjnej. Takie wyświetlacze mogą cierpieć z powodu niespójnej nawigacji, prezentowania danych, które są trudne do zrozumienia, niewłaściwego przedstawiania alarmów i braku metodologii wyświetlania.

Może to prowadzić do złych procedur operacyjnych, takich jak działanie według alarmów, gdzie operator reaguje tylko na alarmy, nie rozumiejąc pierwotnej przyczyny warunków alarmowych.

W innych przypadkach źle zaprojektowany interfejs HMI spowoduje możliwe do uniknięcia zakłócenia i zwiększy prawdopodobieństwo mniej niż optymalnej reakcji na nienormalną sytuację.

Standard projektowania HMI ISA-101 jako rozwiązanie: W 2003 roku Międzynarodowe Stowarzyszenie Automatyki (ISA) zleciło grupie użytkowników końcowych, operatorów i inżynierów rozpoczęcie prac nad standardem.

W 2015 roku, dwanaście lat później, opublikowali oni ISA-101 HMI Design Standard, zatytułowany „Human Machine Interfaces for Process Automation Systems”. Jest to zestaw wytycznych, zasad i filozofii dotyczących tworzenia grafiki na panelach HMI. Standard ten ma na celu stworzenie bardziej funkcjonalnego, łatwego do zrozumienia i opartego na informacjach interfejsu operatora.

Kluczowe sposoby, w jakie ISA-101 stara się zdefiniować wysokowydajny interfejs HMI obejmują :

Właściwe wykorzystanie kolorów: Zamiast intensywnej i kolorowej grafiki, wysokowydajny interfejs HMI jest opracowany w skali szarości, a kolor ma przyciągać uwagę. Na ekranie w skali szarości użycie koloru ma na celu bardzo szybkie wskazanie nieprawidłowej sytuacji. Wykazano, że nowe zastosowanie samego koloru spowodowało 48% poprawę w wykrywaniu nieprawidłowych sytuacji przed wystąpieniem alarmów.

Pompa będzie wyświetlana jako biała, gdy pracuje, i ciemnoszara, gdy jest zatrzymana. Jeśli nie wysyła informacji zwrotnych, będzie wyświetlana w kolorze średnio szarym.

Wykorzystanie informacji zamiast danych:
Wiele interfejsów HMI ma dziesiątki lub więcej punktów danych widocznych na ekranie, ale operator nie jest w stanie określić, co te dane oznaczają.

Wskaźnik ciśnienia może wskazywać 900 psi, ale czy to dobrze, czy źle? Wykorzystując wskaźnik normalnego zakresu ze zmienną procesową, operator może podjąć szybką decyzję o podjęciu działań w celu skorygowania sytuacji, która odbiega od normy.

Wykresy trendów mogą być nakładane na obraz wyświetlacza zbiornika. Daje to operatorowi natychmiastowy przegląd danych historycznych, umożliwiając mu dokonanie niezbędnych korekt procesu, zanim produkt przekroczy specyfikację lub dojdzie do przepełnienia zbiornika.

Bardzo ważną koncepcją w wysokowydajnych interfejsach HMI jest utrzymanie prostego i przejrzystego ekranu. Wystarczy proste przedstawienie zbiornika z zaworem i pompą.

Standard definiuje również hierarchię wyświetlaczy. Stworzenie hierarchicznego systemu wyświetlaczy daje operatorom ogólną świadomość sytuacyjną i możliwość drążenia do bardzo konkretnych punktów danych, gdy jest to konieczne.

Cztery poziomy hierarchii to

1.Ogólna świadomość sytuacyjna
2. Bardziej szczegółowy widok
3. Szczegóły wyposażenia
4. Diagnostyka

Sprzęt HMI

Obecnie główny terminal HMI obejmuje trzy podstawowe funkcje sprzętowe: urządzenie lub urządzenia wejściowe, wbudowaną elektronikę sterującą lub inteligencję oraz urządzenie lub urządzenia wyjściowe.

Urządzenia wejściowe Oprócz klawiatury i myszy, typy wejść obejmują ekran dotykowy, rozpoznawanie gestów, aktywację głosową i przyciski.

Ekrany dotykowe: Wybór typu ekranu dotykowego HMI zależy od wymagań użytkowników. Jeśli aplikacja wymaga precyzyjnych i dokładnych funkcji wielodotykowych, takich jak powiększanie, przeciąganie, przesuwanie i szczypanie gestów na ekranie dotykowym, idealnym rozwiązaniem są projekcyjne pojemnościowe ekrany dotykowe (P-CAP).

Chociaż pojemnościowe ekrany dotykowe są bardziej czułe i responsywne niż rezystancyjne ekrany dotykowe, wymagają bezpośredniego kontaktu z obiektem przewodzącym, takim jak palec lub specjalny rysik. W środowiskach przemysłowych, w których operatorzy muszą nosić rękawice, rezystancyjne ekrany dotykowe (RTS) działają lepiej, a jednocześnie są niezawodne i opłacalne.

Interfejsy aktywowane głosem: Interfejsy aktywowane głosem, znane również jako systemy rozpoznawania głosu, umożliwiają użytkownikom interakcję z systemami HMI za pomocą poleceń głosowych. Interfejsy te mogą być bardzo korzystne w sytuacjach, w których użytkownik nie jest w stanie korzystać z tradycyjnych urządzeń wejściowych, takich jak klawiatury, myszy lub ekrany dotykowe. Interfejsy aktywowane głosem stały się bardziej popularne w ostatnich latach ze względu na postępy w przetwarzaniu języka naturalnego i algorytmach uczenia maszynowego. Znacznie poprawiły one dokładność i szybkość reakcji systemów rozpoznawania mowy.

Interfejsy oparte na gestach pozwalają użytkownikom na interakcję z systemami HMI poprzez ruchy fizyczne i gesty. Interfejsy te zyskały popularność ze względu na ich intuicyjny charakter i potencjał zapewnienia bardziej wciągającego i naturalnego doświadczenia użytkownika. Systemy rozpoznawania gestów zazwyczaj opierają się na różnych czujnikach i kamerach do śledzenia i interpretowania ruchów użytkownika, umożliwiając systemom HMI odpowiednią reakcję.