HMI do zadań specjalnych

Przenośne i stacjonarne komputery coraz lepiej spełniają potrzeby przemysłowych interfejsów człowiek-maszyna. Jednocześnie przewidywany postęp w rozwoju urządzeń wskazujących oraz wyświetlaczy daje nadzieję na jeszcze lepszą wydajność.   
Coraz częściej urządzenia pośredniczące w kontaktach pomiędzy ludźmi i maszynami narażone są na działanie wysokich temperatur, dużej wilgotności oraz silnych drgań. Dzięki wielu innowacjom w konstrukcji interfejsów operatorskich, procesów produkcyjnych oraz zastosowaniu nowych technologii można sobie dać radę z coraz większymi wymaganiami. W artykule posłużymy się przykładem przenośnych interfejsów operatora. David Krebs, dyrektor ds. urządzeń przenośnych oraz bezprzewodowych w VDC twierdzi, że dzisiejsze przenośne interfejsy operatora stanowią niewielką część całego rynku urządzeń automatyki. Nowinki, takie jak jasne i czytelne wyświetlacze oraz wzrost zastosowań sieci bezprzewodowych w przemyśle, mogą to jednak zmienić. Według Krebsa można spodziewać się dwucyfrowego wzrostu wartości rynku urządzeń mobilnych w najbliższych pięciu latach.    

Armor C12 firmy DRS Technologies
Przedstawiciel VDC zaznacza również, że urządzenia tego typu powinny mieć klasę odporności na infiltrację IP54. A zatem być odporne na działanie pyłu i wody. Dodaje jednak, że to minimum jest często niewystarczające, a dla urządzeń HMI wymagana jest lepsza ochrona. 
Proste czynności, znaczące efekty   
Jak podkreśla Ed Brown, menadżer ds. technicznych w Monitouch HMI, aby zapewnić długą i bezawaryjną pracę HMI, szczególnie w trudnych warunkach eksploatacyjnych, należy rozpocząć od podstaw. Monitouch oferuje szeroką gamę interfejsów operatora, które działają pod własnym, firmowym systemem operacyjnym. Urządzenia tego producenta zostały sprawdzone w wielu zastosowaniach, takich jak: fabryki produkujące opony, urządzenia służące do wiercenia tuneli, w przemyśle włókienniczym oraz samochodach osobowych. Tym, co charakteryzuje trudne warunki eksploatacyjne, są między innymi: silne wibracje, duże wahania temperatury oraz wymagany zakres temperatury pracy od 0 do 50°C. Splot wpływu temperatury i wibracji może prowadzić do uszkodzenia urządzenia, jeśli nie zostaną przeprowadzone odpowiednie czynności zapobiegawcze.  
W takich warunkach kluczowe są działania podjęte na poziomie tablicy rozdzielczej – zaznacza Brown. – Przykręcamy tablicę, sprawdzamy, czy wszystkie połączenia są sztywne i czy nie ma żadnych luźno zwisających kabli.  

Komputer przemysłowy firmy Glacier Computers
Okablowanie może być problemem nawet, jeśli wszystkie elementy są dokładnie dokręcone. Niektóre przewody, szczególnie umieszczone na krawędziach tablicy, mogą zostać uszkodzone poprzez drgania powodujące ocieranie o tablicę. Poprawa tego rodzaju drobnych niedoskonałości prowadzi do znacznego wydłużenia czasu pracy urządzenia HMI. Praktyki te mogą okazać się korzystne również dla urządzeń pracujących w lżejszych warunkach.  
Produkcja wytrzymałych HMI staje się prostsza dzięki ciągłym postępom technologicznym, które napędzane są coraz większym rynkiem zbytu na te urządzenia. David Garner, product menadżer ds. komputerów przemysłowych, integracji urządzeń, systemów SCADA oraz sterowania w Wonderware uważa, że dobrym przykładem są pamięci półprzewodnikowe.  
Ceny pamięci Flash wyraźnie spadły przy jednoczesnym rozwoju tej technologii – mówi Garner. – Koszty powinny spadać w dalszym ciągu, mniej więcej o połowę w ciągu kilku lat, jeśli obecne trendy zostaną utrzymane. Spadające ceny redukują koszty pamięci półprzewodnikowych i sprawiają, że są one tańsze niż dyski obrotowe. W efekcie HMI są bardziej niezawodne, gdyż dyski obrotowe są wyjątkowo awaryjne w ciężkich warunkach pracy.  
Coraz tańsze oraz coraz pojemniejsze pamięci półprzewodnikowe pozwalają na pracę urządzenia bez klasycznych dysków twardych. Dodatkową zaletą jest postrzeganie przez system operacyjny pamięci półprzewodnikowej w ten sam sposób, jak standardowego dysku. Nie zachodzi więc potrzeba zmiany zainstalowanego oprogramowania.  
Zastosowanie pamięci półprzewodnikowej procentuje również na inne sposoby. Interfejsy operatorskie często wykorzystywane są w bardzo zapylonych lub wilgotnych pomieszczeniach, a czasami są narażone na działanie różnego typu cieczy. W takich warunkach dokładne uszczelnienie urządzenia jest niezbędne, więc eliminacja ciepła wytworzonego przez klasyczny dysk twardy jest istotnym zagadnieniem. David Kaley, menadżer ds. marketingu w Omron Electronics zauważa, że uszczelnienie całego układu pomaga również urządzeniom HMI w spełnieniu kolejnego wymagania. Otóż interfejsy powinny zapewnić ochronę przed działaniem różnych cieczy, zgodnie ze standardami IP65.  
W aplikacjach, gdzie stosowana jest duża ilość płynu, na przykład zmywającego, HMI musi być dobrze zabezpieczony – mówi Kaley.
Spełnienie wymagań poziomu IP65 zapewnia ochronę przed dużym strumieniem wody pod niskim ciśnieniem
Spełnienie takich wymagań wpływa również na wybór materiałów używanych w konstrukcji HMI, twierdzi Eric Lai, menadżer ds. produktów w Advantech Industrial Automotion. Zaznacza on, że urządzenia przeznaczone do pracy w najcięższych warunkach mają maskownice wykonane z materiałów odpornych na korozję, jak aluminium lub stal nierdzewna. Również podstawa montażowa pokryta jest zazwyczaj materiałem nierdzewnym.  

Tablet Armor X10 firmy DRS Technologies
Najważniejsza jest komunikacja   
Interfejs operatora może być zabezpieczony przed zgubnym wpływem otaczającego środowiska, lecz nadal musi spełniać swoje podstawowe zadanie: pośredniczyć w komunikacji pomiędzy ludźmi i maszynami. Wymaga to odpowiednich urządzeń wejściowych oraz wyjściowych.  

Stacja robocza Guardian firmy Industrial Computing
W przypadku urządzeń wejściowych mamy generalnie do wyboru ekrany dotykowe lub klawiatury numeryczne (ew. czasami pełne klawiatury, takie jak w komputerach PC), przy czym pierwsze rozwiązanie jest zdecydowanie bardziej popularne. Kerry Sparks, specjalista ds. marketingu urządzeń polowych w Eaton twierdzi, że stosunek zastosowań ekranów dotykowych do klawiatur wynosi pięć lub nawet sześć do jednego. Jednym z powodów takiego stanu rzeczy jest możliwość łatwego przeprogramowania ekranu dotykowego w celu dostosowania do danego urządzenia.   
Jednym z rozwiązań służących ochronie ekranów dotykowych jest zastosowanie powłok wykonanych z folii poliestrowych. Można je zerwać, gdy zostaną zarysowane. Również dla tych, którzy wymagają klawiatury numerycznej lub alfanumerycznej, istnieje szereg rozwiązań, które mogą uprościć codzienną pracę. Przykładowo, firma Barentec zachęca do zastosowania technologii modułowych urządzeń wejściowych. Diane Beresen, wiceprezes ds. sprzedaży twierdzi, że produkty oferowane przez Barentec zapewniają ponad 50 milionów aktywacji urządzenia w zakresie temperatur od -40 do 125°C. Zaznacza również, że urządzenia te zostały już sprawdzone w wielu aplikacjach, m.in. w: pomieszczeniach do oczyszczania półprzewodników, na polach roponośnych oraz hodowlach kurczaków.  
Wraz ze wzrastającym zainteresowaniem przetwórstwem żywności oraz produkcją leków urządzenia HMI będą musiały sprostać większym wymaganiom związanym z procesami sterylizacji i mycia pomieszczeń, w których znajdują się – twierdzi Diane Beresen.  
Według Joela Easta, dyrektora ds. rozwoju w iKey Industrial Peripherrials współcześnie rośnie zainteresowanie klawiaturami wodoszczelnymi oraz pyłoszczelnymi. iKey zajmuje się produkcją urządzeń przeznaczonych do zastosowań w wybuchowym oraz niebezpiecznym otoczeniu. Zazwyczaj wymaga to umieszczenia komputera lub HMI w dobrze izolowanej osłonie. Bariery pomiędzy HMI a urządzeniem wejściowym mogą zabezpieczyć przed wieloma potencjalnymi zagrożeniami, podobnie jak sama konstrukcja klawiatury.  
– Jeśli urządzenie wejściowe zostanie uszkodzone bądź kable ulegną przecięciu lub przepaleniu, musi istnieć gwarancja, że nie zaczną iskrzyć, a w konsekwencji nie wywołają zapłonu w wybuchowym środowisku – tłumaczy East.  

Ręczny panel seroo GP2000
W przypadku urządzeń wyjściowych konstruktorzy HMI trafiają na pewne wyzwania. Wyświetlacze ciekłokrystaliczne są obecnie najpopularniejszą technologią w tym segmencie rynku. Zalety LCD to między innymi możliwość wyświetlania wielokolorowych obrazów oraz niskie zużycie energii. To ostatnie stanowi dużą zaletę w urządzeniach zasilanych akumulatorami, małymi jednostkami lub urządzeniami, które nie korzystają z wentylatorów. Ekrany LCD nie mają jednak pewnych właściwości, które mogą być przydatne w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Przykładowo, ze względu na zasadę działania, tj. transmisję spolaryzowanego światła poprzez warstwę ciekłego kryształu, nie działają poprawnie w ostrym świetle słonecznym. Oczywiście można ten problem obejść, co prowadzi jednak do kolejnych ograniczeń w zastosowaniu tego produktu.  

Przemysłowy monitor LCD TuffTouch firmy Stealth Computer
Konstrukcja ekranu, który mógłby być wykorzystany w świetle słonecznym, wymaga zwiększenia natężenia prądu zasilającego, co powoduje zwiększoną emisję ciepła – mówi Harold Muma, menadżer ds. marketingu w Siemens Energy and Automotion.  
Kolejnym zagadnieniem związanym z ekranami LCD jest temperatura, w jakiej mogą poprawnie pracować. Problem może stanowić w szczególności dolna granica, jak zauważa Tom Miller, dyrektor wykonawczy Society for Information Display (SID). Jednym z najczęściej stosowanych źródeł światła w ekranie LCD jest katodowa lampa fluorescencyjna, której uruchomienie w temperaturach rzędu 0°C może być trudne. Ponadto materiał ciekłokrystaliczny staje się bezużyteczny tuż poniżej tej temperatury. Jednym z rozwiązań może być zastosowanie podgrzewaczy lub ciepła odpadowego z innych urządzeń elektronicznych. Bardziej perspektywicznym wyjściem wydaje się jednak zastosowanie innych, nowszych technologii. Jedna z najbardziej obiecujących to organiczne diody emitujące światło (OLED). Ponieważ są same w sobie emisyjne, nie wymagają dodatkowego źródła światła. Co za tym idzie, zużywają mniej energii niż ekrany LCD. Diody OLED mogą mieć możliwość wyświetlania kolorów w pełnym przemysłowym zakresie temperatur. Jednak Tom Miller ostrzega, że wnioski te oparte są na wstępnych wynikach badań. Zauważa jednak, że ta nowa technologia będzie w niedługim czasie szeroko dostępna nawet w wymagających aplikacjach.  
– W niedługim czasie ekrany OLED trafią na samochodowe tablice rozdzielcze – podsumowuje Miller.  

Guardian V100 firmy Industrial Computnig
Firmy oferujące urządzenia wyjściowe nie czekają na nowe technologie. Już teraz wykonują zdecydowane kroki, aby poprawić niedociągnięcia ekranów LCD. W komputerach przemysłowych pracujących w naprawdę ciężkich warunkach, jako źródło światła wykorzystywane są półprzewodnikowe diody LED. Są bardziej wytrzymałe oraz zużywają mniej energii, niż lampy fluorescencyjne. Pozwalają również na większe zużycie mocy ze względu na dużą jasność ekranu bez przekraczania dozwolonych granic emisji ciepła. Przykłady takich rozwiązań można znaleźć wśród produktów Industrial Computing oraz Tactical Systems.
Możliwości połączenia z Ethernetem  
Jest jeszcze jedna forma urządzenia wyjściowego, którą warto rozważyć. Jak każde inne urządzenie na terenie zakładu przemysłowego – HMI wymaga połączenia z Ethernetem, w celu łatwej transmisji danych. Możliwość połączenia z siecią jest jednym z najczęściej przytaczanych argumentów nakłaniających do stosowania systemu operacyjnego Windows, zamiast potencjalnie stabilniejszego systemu firmowego danego urządzenia. System Windows automatycznie obsługuje wiele zagadnień związanych z łącznością sieciową. Użytkownik nie musi w nie ingerować, jak działoby się to w przypadku systemu firmowego. Co więcej, stosując Windows, dokumenty, takie jak: instrukcje obsługi, mogą być archiwizowane w formie elektronicznej i przechowywane w jednej centralnej lokalizacji. Z kolei przeglądarki internetowe czy czytniki dokumentów ułatwiają użytkownikowiHMI czytanie i korzystanie z takich dokumentów.  

Edukacyjny panel EverSwitch firmy Barantec
Współcześnie odchodzi się od stosowania systemów firmowych na rzecz gotowych pakietów – twierdzi Craig Resnick, dyrektor ds. rozwoju w ARC Advisory Group. – Nie oznacza to, że interfejsy operatorów obsługiwane są przez najnowsze wersje systemu Windows. Takie postępowanie szybko doprowadziłoby do znacznego wzrostu wymagań sprzętowych urządzenia, a co z tym idzie potrzeby instalacji wydajniejszego systemu chłodzenia oraz pojemniejszych baterii. W zamian sprzedawcy oferują lżejsze systemy, jak Windows CE lub Windows XP.  

Obramowanie EverSwitch ExProof firmy Barantec
Kolejnym z bardziej znaczących trendów jest zastosowanie komunikacji bezprzewodowej. Dzięki takiemu rozwiązaniu można połączyć HMI z maszyną bez konieczności montażu specjalnych osłon. Dodatkową zaletą jest fakt, że urządzenie przenośne staje się rzeczywiście mobilne. Jak zauważa Harold Muma, zastosowania komunikacji bezprzewodowej oraz innych nowoczesnych technologii są jednak wolniej adaptowane w inżynierii procesowej, niż w innych aplikacjach. Częściowo jest to spowodowane potrzebą niezawodności i bezpieczeństwa przyjętego rozwiązania. Oczywiście problemy te nie będą powstrzymywały nowych technologii w nieskończoność. Nowe rozwiązaniazostaną zaadaptowane, kiedy technologia zostanie porządnie przetestowana w warunkach przemysłowych.  
Hank Hogan  
Artykuł pod redakcją Marcina Stachury, doktoranta w Instytucie Automatyki i Robotyki Politechniki Warszawskiej