1.Wprowadzenie do przetwornic częstotliwości (przetwornice o zmiennej częstotliwości) W sferze nowoczesnego sterowania przemysłowego......
CZYTAJ WIĘCEJInterfejs człowiek-maszyna — prawie powszechnie nazywany HMI — to punkt styku między operatorem a maszyną lub zautomatyzowanym systemem. W najprostszym ujęciu HMI to dowolne urządzenie lub oprogramowanie, które umożliwia monitorowanie, kontrolowanie i interakcję ze urządzeniami lub procesami przemysłowymi. Definicja ta obejmuje szeroką gamę form fizycznych: panel z ekranem dotykowym zamontowany na maszynie produkcyjnej w fabryce, graficzny pulpit nawigacyjny na stacji roboczej w sterowni, interfejs internetowy, do którego można uzyskać dostęp za pomocą tabletu, a nawet prosty panel z przyciskami i lampkami kontrolnymi. Wszystkie te elementy łączy podstawowy cel polegający na tłumaczeniu złożonych stanów maszyny i przetwarzanych danych na formę, którą człowiek może odczytać i na której może działać, oraz przekładaniu ludzkich poleceń z powrotem na sygnały, które maszyna może wykonać.
W nowoczesnej automatyce przemysłowej system HMI jest jednym z najbardziej krytycznych pod względem operacyjnym elementów każdego obiektu. Bez dobrze zaprojektowanego interfejsu operatora nawet najbardziej wyrafinowany programowalny sterownik logiczny (PLC) lub rozproszony system sterowania (DCS) staje się trudny w obsłudze, monitorowaniu i skutecznym rozwiązywaniu problemów. Interfejs HMI to miejsce, w którym operatorzy spędzają godziny pracy, gdzie potwierdzane są alarmy, gdzie reguluje się parametry procesu i gdzie na pierwszy rzut oka widać stan całej linii produkcyjnej. Właściwe ustawienie interfejsu HMI — pod względem doboru sprzętu, projektu oprogramowania i układu ekranu — ma bezpośredni wpływ na wydajność operatora, czas reakcji, a ostatecznie na bezpieczeństwo i produktywność operacji.
Zrozumienie, jak działa przemysłowy system HMI, wymaga zrozumienia warstw sprzętu i oprogramowania, które łączą operatora z procesem fizycznym. Interfejs HMI nie steruje bezpośrednio maszyną — ta rola należy do sterownika PLC, systemu DCS lub innego sprzętu sterującego znajdującego się pod nim. Zamiast tego HMI odczytuje dane z systemu sterowania, wyświetla je operatorowi i przekazuje dane wejściowe operatora z powrotem do systemu sterowania w postaci poleceń lub zmian parametrów.
Interfejs HMI komunikuje się z podstawowym sprzętem sterującym — zazwyczaj sterownikami PLC lub sterownikami DCS — za pośrednictwem przemysłowych protokołów komunikacyjnych. Typowe protokoły obejmują między innymi Modbus RTU, Modbus TCP/IP, EtherNet/IP, PROFIBUS, PROFINET, DeviceNet i OPC UA. Oprogramowanie HMI odwzorowuje określone rejestry, znaczniki lub adresy danych w sterowniku PLC na elementy graficzne na ekranie — więc gdy wartość czujnika temperatury zmienia się w pamięci sterownika PLC, odpowiedni wskaźnik lub wyświetlacz numeryczny na ekranie HMI aktualizuje się w czasie rzeczywistym. Kiedy operator naciśnie wirtualny przycisk na ekranie dotykowym HMI, HMI zapisuje wartość w odpowiednim rejestrze PLC, na podstawie którego sterownik PLC działa zgodnie ze swoją logiką sterowania.
Najważniejszym elementem każdego systemu HMI jest baza danych znaczników — ustrukturyzowana lista wszystkich punktów danych (tagów), z których HMI odczytuje i zapisuje w podłączonym systemie sterowania. Każdy znacznik ma nazwę, typ danych, adres komunikacyjny, jednostki inżynieryjne i parametry skalowania. Dobrze zorganizowana baza danych tagów jest podstawą niezawodnej konfiguracji HMI; źle nazwane, niespójnie skonstruowane lub niepoprawnie zaadresowane znaczniki są jednym z najczęstszych źródeł problemów z interfejsami HMI w środowiskach przemysłowych. Nowoczesne pakiety oprogramowania HMI umożliwiają import znaczników bezpośrednio ze środowiska programowania PLC, co ogranicza błędy ręcznego wprowadzania danych i zapewnia synchronizację bazy danych HMI z konfiguracją systemu sterowania.
Wizualna strona HMI składa się z ekranów graficznych — zwanych stronami, widokami lub ekranami, w zależności od platformy oprogramowania — które przedstawiają proces w sposób, który operator może szybko zinterpretować. Diagramy przebiegu procesu, animowane reprezentacje sprzętu (pompy, które wydają się wirować podczas pracy, zawory zmieniające kolor po otwarciu lub zamknięciu), wykresy trendów, listy alarmów i formularze wprowadzania danych to standardowe elementy projektu przemysłowych ekranów HMI. Panele czołowe — standardowe okna wyskakujące, które pokazują wszystkie istotne dane dotyczące pojedynczej pętli sterowania lub elementu wyposażenia — umożliwiają operatorom dotarcie do szczegółowych informacji bez zaśmiecania głównych ekranów przeglądu procesu.
Sprzęt HMI występuje w kilku różnych obudowach, każdy dostosowany do różnych środowisk aplikacji i wymagań operacyjnych. Właściwy wybór zależy od złożoności monitorowanego procesu, warunków środowiskowych w miejscu instalacji i wymaganego poziomu funkcjonalności.
Samodzielne panele HMI — czasami nazywane panelami operatora lub terminalami interfejsu operatora (OIT) — to samodzielne jednostki, które łączą wyświetlacz, ekran dotykowy lub wejście klawiatury, procesor i sprzęt komunikacyjny w jednej wzmocnionej obudowie przeznaczonej do bezpośredniego montażu na maszynie. Są dostępne w szerokiej gamie rozmiarów ekranów, zazwyczaj o przekątnej od 4 cali do 21 cali i są dostępne w różnych stopniach ochrony IP do użytku w środowiskach zakurzonych, mokrych lub agresywnych chemicznie. Panele te obsługują dedykowane oprogramowanie sprzętowe HMI, a nie system operacyjny ogólnego przeznaczenia, co czyni je prostszymi w konfiguracji i bardziej stabilnymi w dłuższej perspektywie niż rozwiązania oparte na komputerach PC. Wiodący producenci w tej dziedzinie to między innymi Siemens (SIMATIC HMI), Rockwell Automation (PanelView), Mitsubishi Electric (seria GOT), Schneider Electric (Magelis) i Weintek.
Systemy HMI oparte na komputerach PC uruchamiają oprogramowanie HMI na platformie komputera przemysłowego — albo standardowym komputerze stacjonarnym lub komputerze montowanym w szafie, komputerze panelowym (komputer PC wbudowany w obudowę z ekranem dotykowym) lub przemysłowym cienkim kliencie. Systemy oparte na komputerach PC oferują znacznie większą elastyczność i moc obliczeniową niż samodzielne panele HMI: mogą obsługiwać bardziej złożoną grafikę, obsługiwać większą liczbę znaczników, integrować się z bazami danych i systemami korporacyjnymi oraz uruchamiać wiele aplikacji jednocześnie. Kompromisami są wyższy koszt początkowy, bardziej złożone zarządzanie IT (aktualizacje systemu operacyjnego, oprogramowanie antywirusowe, cyberbezpieczeństwo) i potencjalnie krótsze cykle życia sprzętu niż dedykowane panele HMI. Interfejs HMI oparty na komputerze PC jest preferowanym podejściem w przypadku dużych, złożonych systemów nadzoru i stacji roboczych w sterowniach.
Coraz częściej nowoczesne platformy HMI obsługują zdalny dostęp za pośrednictwem przeglądarek internetowych lub dedykowanych aplikacji mobilnych, umożliwiając operatorom i inżynierom monitorowanie danych procesowych i otrzymywanie powiadomień o alarmach na smartfonach lub tabletach z dowolnego miejsca w sieci zakładu — lub coraz częściej za pośrednictwem bezpiecznych połączeń zdalnych spoza zakładu. Internetowy interfejs HMI zmniejsza potrzebę fizycznej obecności przy panelu w celu wykonywania rutynowych zadań monitorowania i umożliwia szybszą reakcję na alarmy wykraczające poza godziny pracy. Dostęp zdalny wiąże się jednak z kwestiami cyberbezpieczeństwa, którymi należy ostrożnie zarządzać, a interfejsy mobilne na ogół lepiej nadają się do monitorowania niż do skomplikowanych operacji kontrolnych, które korzystają z precyzji instalacji dedykowanego panelu.
Terminy HMI i SCADA (kontrola nadzorcza i gromadzenie danych) są często używane razem — a czasami zamiennie — co powoduje znaczne zamieszanie. Są to powiązane, ale odrębne pojęcia, a zrozumienie różnicy jest ważne dla każdego, kto specyfikuje przemysłowe systemy sterowania lub pracuje z nimi.
Interfejs HMI w najściślejszym tego słowa znaczeniu to lokalny interfejs operatora dla pojedynczej maszyny lub obszaru procesu — wizualizuje dane i akceptuje dane wejściowe operatora dotyczące sprzętu, do którego jest bezpośrednio podłączony. SCADA to architektura systemu wyższego poziomu, która agreguje dane z wielu interfejsów HMI, sterowników PLC, zdalnych jednostek końcowych (RTU) i innych urządzeń obiektowych w całym obiekcie, zakładzie lub rozproszonej geograficznie operacji, zapewniając scentralizowany nadzór i kontrolę. Systemy SCADA zazwyczaj obejmują funkcję historyczną służącą do długoterminowego rejestrowania danych, zaawansowanego zarządzania alarmami, narzędzi raportowania i integracji z systemami informatycznymi obowiązującymi w całym zakładzie.
W praktyce większość nowoczesnych pakietów oprogramowania SCADA zawiera pełne środowisko programistyczne HMI, a ekrany HMI, których operatorzy używają w systemie SCADA, są budowane przy użyciu tych samych narzędzi i zasad, co samodzielne interfejsy HMI maszyny. Rozróżnienie dotyczy bardziej skali i architektury niż samego interfejsu operatora. Mała komórka produkcyjna może wykorzystywać tylko samodzielny panel HMI bez warstwy SCADA nad nim. Duży zakład przetwórczy będzie korzystał z oprogramowania SCADA działającego na stacjach roboczych opartych na komputerach PC, z dziesiątkami indywidualnych interfejsów HMI maszyn dostarczających dane do centralnego systemu SCADA.
Podczas oceny systemów HMI — niezależnie od tego, czy są to panele sprzętowe, czy platformy oprogramowania — najważniejsze do porównania są następujące obszary funkcji w przypadku dowolnego zastosowania przemysłowego:
| Obszar funkcji | Samodzielny panel HMI | Interfejs HMI oparty na komputerze PC | Platforma SCADA |
| Pojemność znacznika | Setki do małych tysięcy | Tysiące do dziesiątek tysięcy | Nieograniczony (licencjonowany) |
| Rejestrowanie danych / Historyk | Podstawowy / ograniczony | Umiarkowane | Pełny wieloletni historyk |
| Zarządzanie alarmami | Podstawowa lista alarmów | Dobrze | Zaawansowany, zgodny z EEMUA 191 |
| Dostęp zdalny | Ograniczone / przez VNC | Dobrze | Pełny dostęp dla wielu klientów |
| Wytrzymałość sprzętu | Wysoka (stopień ochrony IP65/IP66) | Umiarkowane (industrial PC) | Różnie (środowisko sterowni) |
| Typowe zastosowanie | Pojedyncza maszyna/komórka | Obszar procesowy/linia | W całym zakładzie / w przedsiębiorstwie |
Technologia HMI jest stosowana w praktycznie każdym sektorze działalności przemysłowej i infrastrukturalnej. Zrozumienie zakresu zastosowań pomaga wyjaśnić, jakie różne konfiguracje HMI muszą zapewniać w praktyce.
Jakość projektu ekranu HMI ma bezpośredni wpływ na skuteczność monitorowania procesu i reagowania na niego przez operatorów. Zły projekt interfejsu HMI — zagracone ekrany, niespójne użycie kolorów, nadmierna animacja i trudne do odczytania listy alarmów — jest dobrze udokumentowanym czynnikiem przyczyniającym się do incydentów przemysłowych i błędów operatorów. Dobry projekt HMI nie polega na tym, aby ekrany wyglądały imponująco; chodzi o szybkie, jasne i pozbawione dwuznaczności udostępnianie właściwych informacji.
Metodologia wysokowydajnych interfejsów HMI (HPHMI), opracowana i spopularyzowana przez konsorcjum ASM oraz praktyków branżowych, takich jak Bill Holliday i Ian Nimmo, zapewnia ustrukturyzowane podejście do projektowania przemysłowych interfejsów HMI, w którym priorytetem jest świadomość sytuacyjna i szybkie wykrywanie anomalii, a nie złożoność wizualna. Jego podstawowe zasady obejmują stosowanie wyciszonej, neutralnej palety kolorów dla normalnych stanów operacyjnych (szare tło, szare elementy procesu), rezerwowanie jasnych kolorów – szczególnie czerwonego i żółtego – wyłącznie dla nienormalnych warunków i alarmów, minimalizowanie stosowania wypełnień i gradientów, które utrudniają szybką ocenę wartości analogowych, oraz organizowanie ekranów wokół przepływu procesu, a nie geografii sprzętu. Kiedy operatorzy widzą jasne kolory na wysokowydajnym ekranie HMI, od razu wiedzą, że coś wymaga uwagi – co jest niemożliwe, gdy ekran jest już pełen kolorowych animacji i elementów graficznych podczas normalnej pracy.
Dobrze zaprojektowane systemy HMI organizują ekrany w przejrzystą hierarchię. Poziom 1 to przegląd zakładu lub obszaru — pojedynczy ekran pokazujący stan całego procesu na wysokim poziomie, zaprojektowany tak, aby był czytelny na pierwszy rzut oka z odległości kilku stóp. Ekrany poziomu 2 pokazują bardziej szczegółowo poszczególne jednostki lub sekcje procesu. Ekrany poziomu 3 pokazują szczegółowe panele czołowe sprzętu, pętle sterujące i konkretne odczyty przyrządów. Poziom 4 obejmuje ekrany konserwacyjne i diagnostyczne. Nawigacja pomiędzy poziomami powinna być szybka i logiczna, ze spójnym rozmieszczeniem elementów sterujących nawigacją, tak aby operatorzy mogli szybko przejść do potrzebnego ekranu bez konieczności ciągłego przewijania. Źle zorganizowana nawigacja, która wymaga wielu przejść między ekranami, aby uzyskać dostęp do powszechnie potrzebnych informacji, stanowi poważny problem w zakresie produktywności i bezpieczeństwa w sytuacjach, w których czas ma krytyczne znaczenie.
Zalanie alarmami – gdy operatorzy są przytłoczeni setkami jednoczesnych aktywacji alarmów, często wywoływanych przez zdarzenie z jednej przyczyny źródłowej – to jeden z najpoważniejszych problemów związanych z bezpieczeństwem związanym z HMI w zakładach przemysłowych. Wytyczne EEMUA 191 dotyczące systemów alarmowych i norma ISA-18.2 zawierają szczegółowe wytyczne dotyczące racjonalizacji alarmów, ustalania priorytetów i zarządzania. Kluczowe zasady projektowania obejmują ograniczenie liczby alarmów do tych, które rzeczywiście wymagają działania operatora, przypisanie jasnych poziomów priorytetów (wysoki, średni, niski) ze zdefiniowanymi czasami reakcji, tłumienie alarmów, które są przewidywalnymi konsekwencjami znanych stanów procesu oraz zapewnienie, że prezentacja listy alarmów sprawia, że najbardziej krytyczne i możliwe do podjęcia działania alarmy są natychmiast widoczne, a nie ukrywane na przewijanej liście powiadomień o niskim priorytecie.
W miarę jak systemy HMI przeszły z izolowanych sieci własnych na platformy połączone z siecią Ethernet, zintegrowane z systemami informatycznymi zakładu i, w niektórych przypadkach, połączone z Internetem w celu uzyskania zdalnego dostępu, cyberbezpieczeństwo stało się naprawdę krytycznym problemem. Przemysłowe systemy HMI i sieci SCADA są znanymi celami cyberataków, w tym oprogramowania ransomware, a kilka głośnych incydentów w zakładach uzdatniania wody, energetyce i zakładach produkcyjnych pokazało rzeczywiste konsekwencje nieodpowiedniego cyberbezpieczeństwa przemysłowego.
Podstawowe środki cyberbezpieczeństwa dla systemów HMI obejmują segmentację sieci pomiędzy siecią HMI/SCADA a korporacyjną siecią IT (zwykle wdrażaną przy użyciu strefy zdemilitaryzowanej lub architektury DMZ), silne uwierzytelnianie dostępu do HMI, w tym uprawnienia użytkowników oparte na rolach, regularne instalowanie poprawek oprogramowania HMI i systemów operacyjnych, wyłączanie nieużywanych portów i usług komunikacyjnych, usuwanie domyślnych poświadczeń i kontrolowanie dostępu do nośników wymiennych, aby zapobiec wprowadzaniu złośliwego oprogramowania za pośrednictwem dysków USB. Seria norm IEC 62443 zapewnia najbardziej wszechstronne ramy dla cyberbezpieczeństwa przemysłowego, w tym szczegółowe wytyczne dotyczące bezpieczeństwa systemów HMI i SCADA.
Wybór odpowiedniego sprzętu i oprogramowania HMI do nowej lub modernizowanej aplikacji obejmuje zrównoważenie wymagań technicznych, ograniczeń środowiskowych, wsparcia dostawcy i względów długoterminowego cyklu życia. Poniższe czynniki wymagają dokładnej oceny przed podjęciem decyzji o wyborze konkretnej platformy.
Technologia HMI szybko się rozwija, napędzana postępem w zakresie łączności, mocy obliczeniowej i projektowania interfejsów. Kilka trendów aktywnie zmienia wygląd i działanie przemysłowych interfejsów operatorów, a ich zrozumienie pomaga organizacjom podejmować wybiegające w przyszłość decyzje technologiczne, zamiast inwestować w platformy, które za kilka lat staną się przestarzałe.
Platformy HMI i SCADA połączone z chmurą umożliwiają scentralizowane przechowywanie danych, zdalne monitorowanie i analizy na skalę, która była niepraktyczna w przypadku tradycyjnych architektur lokalnych. Integracja przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT) umożliwia systemom HMI agregowanie danych nie tylko ze sterowników PLC, ale także z inteligentnych czujników, urządzeń brzegowych i systemów monitorowania stanu, dając operatorom bogatszy obraz stanu sprzętu i wydajności procesów. Interfejsy rzeczywistości rozszerzonej (AR) — w których operatorzy przeglądają dane HMI nałożone na rzeczywisty sprzęt za pośrednictwem inteligentnych okularów lub kamer w tabletach — zaczynają pojawiać się w procesach konserwacji i inspekcji, zmniejszając potrzebę wykonywania procedur papierowych lub odwracania wzroku od sprzętu w celu sprawdzenia odczytów. Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe są integrowane z platformami SCADA i HMI, aby zapewnić predykcyjne zarządzanie alarmami, wykrywanie anomalii i zalecenia dotyczące optymalizacji operacyjnej, które wspierają operatorów, a nie tylko raportują surowe dane.
Dzięki tym wszystkim zmianom podstawową funkcją interfejs człowiek-maszyna pozostaje niezmieniona: uczynić niewidzialnym widocznym, przełożyć złożoność maszyn na ludzkie zrozumienie oraz zapewnić operatorom informacje i kontrolę, których potrzebują, aby procesy przebiegały bezpiecznie i wydajnie. Technologia wciąż ewoluuje, ale zasady projektowania, które sprawiają, że interfejs HMI jest naprawdę użyteczny – przejrzystość, szybkość, spójność i skupienie się na tym, czego faktycznie potrzebuje operator – pozostają aktualne jak nigdy dotąd.