Prawidłowo pomyślany interfejs HMI, będący ogniwem pomiędzy maszyną a obsługującym ją człowiekiem, w bardzo dużym stopniu wpływa na łatwość używania tak interfejsu, jak i maszyny oraz na wydajność pracy. Powinien też sprzyjać zharmonizowanemu połączeniu między obydwoma stronami.
Systemy interfejsów człowiek-maszyna (Human-Machine Interface ? HMI) umożliwiają użytkownikowi sterowanie i obsługę maszyny, systemu lub przyrządu. Zaawansowane systemy HMI pozwalają na niezawodne działanie urządzeń technicznych w każdej aplikacji, takich jak koleje dużych prędkości, centra obróbki CNC czy produkcji półprzewodników, a także w diagnostyce medycznej i środowisku laboratoryjnym. Pojęcie systemów HMI obejmuje wszystkie elementy, które człowiek dotyka, widzi, słyszy lub których używa do realizacji funkcji sterowania i otrzymywania sygnałów zwrotnych po realizacji tych działań.
Zaprojektowanie systemu HMI
System HMI o wysokiej niezawodności ? taki, który jest opłacalny i zapewnia bezpieczne, ciągłe oraz intuicyjne działanie ? opiera się na wykorzystaniu najlepszych praktyk inżynierskich w procesach projektowania, tworzenia układu panelu, produkcji, testowania oraz zapewnienia jakości. Kluczowa, dogłębna wiedza oraz zgodność ze wszystkimi stosowanymi normami dotyczącymi ergonomii, bezpieczeństwa i funkcjonowania aplikacji przemysłowych, muszą być obecne na każdym etapie projektowania i cyklu produkcyjnego. Jasne zdefiniowanie wymagań funkcjonalnych, poziomu doświadczenia operatora oraz wszelkich komunikacji/interakcji z innymi systemami, tworzą punkt startowy dla procesu projektowania, intensywnie wykorzystującego wiedzę inżynierską i doświadczenie projektantów.
Wybór funkcji interfejsu jest determinowany zarówno przez narzędzia potrzebne do skutecznego sterowania sprzętem przez operatora, jak i wymagania całej aplikacji.
Ile funkcji będzie sterowanych za pomocą interfejsu? Jedną da się obsługiwać przez przycisk, stacyjkę czy przełącznik obrotowy, ale funkcje wielokrotne mogą wymagać kilku wyświetlaczy ekranowych, pokazujących operatorowi dostępne opcje. Jaki rodzaj sygnałów zwrotnych ? wzrokowe, słuchowe czy dotykowe ? będzie najlepiej służył operatorowi w prawidłowej realizacji zdefiniowanych funkcji?
Wprowadzanie sygnałów sterujących/danych wejściowych może być realizowane zarówno w prosty sposób, za pomocą wyłącznika zał./wył., jak i przez ekran dotykowy. Systemy HMI wykorzystujące takie ekrany są coraz bardziej popularne w aplikacjach transakcji publicznych, ponieważ mogą uprościć złożone operacje i tolerują umiarkowany stopień niedokładności obsługi. Zdefiniowanie wymagań dotyczących sposobu wprowadzania sygnałów sterujących/danych wejściowych pomoże w podjęciu decyzji o wyborze techniki sterowania, najlepiej dopasowanej do specyficznej aplikacji.
Sygnały zwrotne są kluczowe dla skuteczności i wydajności pracy operatora. Mogą być wzrokowe, słuchowe, dotykowe lub stanowić dowolną kombinację tych trzech, niezbędną dla danej aplikacji. Stanowią kwestię zasadniczą w systemach, gdzie nie pojawia się ruch mechaniczny, takich jak ekran dotykowy lub urządzenie pojemnościowe, w których nie reaguje się żadnymi ruchomymi elementami. W niektórych przypadkach sygnały zwrotne potwierdzają realizację zamierzonego działania, podczas gdy w innych są uzupełnieniem funkcjonalności.
<—newpage—>Interfejs i wzajemne połączenia
Środowisko aplikacyjne ? dotyczące zarówno lokalizacji fizycznej, jak i środowiska przemysłowego ? determinuje wymagania dotyczące trwałości systemu HMI. Zagrożenia środowiskowe obejmują: wilgotność, ekstremalne temperatury, zużycie eksploatacyjne, wandalizm oraz ogólne warunki uproszczonej obsługi w trudnym środowisku pracy, jakim jest hala fabryczna.
System HMI powinien nie tylko być wystarczająco odporny na wpływ wspomnianych czynników, ale i pod względem żywotności dorównywać obsługiwanemu sprzętowi. Na przykład w systemie do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (Magnetic Resonance Imaging ? MRI) interfejs HMI powinien działać bezawaryjnie przynajmniej przez dziesięć lat.
Przy projektowaniu systemu HMI podstawą jest dokładna znajomość ergonomii technicznej, projektowania i norm produkcyjnych. Wiedza ta obejmuje:
-> normy techniczne, takie jak MIL-STD-1472F, która ustala kryteria projektów ergonomicznych dla systemów, podsystemów, sprzętu i urządzeń wojskowych;
-> normy krajowe (w Stanach Zjednoczonych ? federalne, ustanowione przez Ustawę o Niepełnosprawnych Amerykanach, czyli Americans with Disabilities Act);
-> wytyczne dla przemysłu, takie jak np. S2-93, określone przez SEMI, światowe zrzeszenie producentów półprzewodników, obejmujące sprzęt do wytwarzania półprzewodników.
Dodatkowe specyfikacje dla HMI są zdefiniowane przez ANSI, IEEE, Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (International Organization for Standarization ? ISO) i inne.
Klucz do skutecznego wdrożenia systemu HMI wymaga dobrze uzasadnionej definicji i zrozumienia roli operatorów. Czy operator będzie użytkownikiem biernym/działającym intuicyjnie? Jeśli tak, to komendy i funkcje powinny być proste, a interfejs łatwy do zrozumienia. Dla tego typu użytkowników ważna jest także powtarzalność, zaś poszczególne akcje powinny się pojawiać konsekwentnie, od jednego użycia do drugiego. Z kolei dla użytkownika będącego ekspertem, dla którego pożądany jest bardziej rozbudowany układ sterowania obsługiwanym sprzętem, w interfejsie można zawrzeć wielokrotne warstwy lub poziomy, z bardziej zaawansowanymi i szczegółowymi informacjami.
Niezależnie jednak od tego, w odniesieniu do każdego użytkownika ? od intuicyjnego po eksperta ? kwestia ergonomii interfejsu powinna obejmować następujące zagadnienia: układ panelu, dobór podzespołów HMI, prezentację informacji, odbiór sygnałów zwrotnych oraz kwestie BHP.
Układ panelu. Powinien być tak zaprojektowany, aby dostarczyć operatorowi grupy funkcjonalne informacje związane z aplikacją ? w sposób konsekwentny, jednoznacznyi przewidywalny. Ponadto system musi wymagać od operatora inicjowania działań i informować go na bieżąco o ich realizacji za pomocą sygnałów zwrotnych. Układ panelu powinien być tak zorganizowany, aby operator nie miał wątpliwości, jakie elementy należy kolejno uruchamiać.
<—newpage—>Dobór podzespołów interfejsu HMI. Projektanci HMI mogą uprościć sobie poszukiwania odpowiedniego wyłącznika lub podzespołu HMI dzięki dokładnemu przeanalizowaniu wymagań aplikacyjnych, które determinują:
-> parametry elektryczne;
-> preferencje dotyczące sposobu sterowania (chwilowe, trwałe, przełączanie obrotowe itd.);
-> konfigurację fizyczną oraz wymagania montażowe;
-> wymagania specjalne, takie jak np. odpowiednie podświetlenie panelu, oznaczenia, stopień ochrony itd.
Schemat kolorów. Kluczem do skutecznego wykorzystania kolorów jest prostota. Należy unikać zbyt wielu barw lub błyskających sygnałów alarmowych. Dla kluczowych akcji trzeba się trzymać modelu ?sygnalizacji świetlnej na skrzyżowaniach?, w której:
-> kolor czerwony to stop/awaria/błąd;
-> kolor żółty ? ostrzeżenie;
-> kolor zielony ? OK/start/uruchomienie/przepuszczenie.
Sygnały zwrotne dla użytkownika. Dla ergonomicznego, przemysłowego interfejsu HMI sygnały zwrotne są kluczowym elementem. Musimy być pewni, że efekty naciśnięcia przycisku sterowniczego, użycia wyłącznika lub wprowadzenia komendy będą dla operatora absolutnie jasne. Należy określić, czy sygnały zwrotne będą miały charakter wzrokowy, słuchowy, dotykowy, czy może staną się kombinacją wielu technik.
Sterowanie kursorem (trackball, joystick, keypad, touchpad itd.). Wybór pomiędzy różnymi technologiami sterowania jest w pierwszym rzędzie określany przez rozdzielczość urządzenia sterującego, wymaganą dla danej aplikacji. Trackball czy joystick umożliwiają sterowanie ziarniste, piksel po pikselu, o znacznie większej rozdzielczości niż ta dostępna w typowym komputerowym manipulatorze typu point–and-click (?wskaż i kliknij?).
Wyłączniki i przełączniki mechaniczne (przycisk, przełącznik kołyskowy, przełącznik suwakowy, stacyjka, przełącznik obrotowy itd.). Dla przycisków możliwa jest opcja ich podświetlenia, wskazującego stan wyłącznika (otwarty/zamknięty) tam, gdzie pożądana jest szybka wizualizacja i identyfikacja.
Autor: John J. Pannone jest wiceprezesem firmy EAO ds. sprzedaży systemów HMI.
Tekst pochodzi z nr 4/2016 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.
