Narzędzia do stosowania interfejsu człowiek-maszyna (HMI)

Interfejsy człowiek-maszyna stają się coraz bardziej skomplikowane i wyszukane, najważniejsze jest jednak to, co kryje się za ekranami.

Budowanie sprawnego interfejsu człowiek-maszyna (HMI) dla konkretnych zadań jest przedsięwzięciem bardzo indywidualnym. Każda instalacja jest inna, ma różne wymagania, cele i potrzeby. Już samo uzyskanie prawidłowych ekranów interfejsu dla wyznaczonych zadań oznacza dogłębne zrozumienie konkretnych procesów i wszystkich otaczających je systemów? następnie odwzorowanie tych procesów, za pośrednictwem którego zaangażowane w nich osoby mogą je nadzorować i modyfikować.

Zadanie to jest jednocześnie proste i złożone. Proste dlatego, że współczesne pakiety oprogramowania systemu sterowania operatorskiego są kompletne i przyjazne dla użytkownika, tak zaprojektowane, aby umożliwić wykonanie wielu zadań bezpośrednio po ich zainstalowaniu. Ponieważ jednak niewiele zastosowań działa na zasadzie ?foremki do wycinania ciastek?, większość pakietów oprogramowania HMI umożliwia również w szerokim stopniu dopasowanie ich do specjalnych potrzeb.

 

System HMI powinien dostarczać operatorowi i menedżerowi coraz bardziej drobiazgowych informacji (fotografia dzięki uprzejmości Omron Electronics).

 

Wybór narzędzia

Oprogramowanie systemu sterowania operatorskiego może zawierać dowolne narzędzia pomagające uprościć opracowanie współczesnych systemów interfejsu. Niezależnie od tego, czy będzie to Excel czy XML, Visual Basic czy OPC, C++ czy C#, udostępniają one środki pozwalające zrealizować wszystko, co tylko użytkownik może przewidzieć lub zapragnąć. Te standardowe języki programowania pozwalają tworzyć animacje, przenikać ściany ogniowe, podróżować po Internecie oraz przetwarzać dane ? to tylko kilka z możliwych zastosowań.

Wybieranie metody tworzenia lub ulepszania konkretnego interfejsu HMI zależy w dużej mierze od własnych upodobań i możliwości. Sposób realizacji jest praktycznie nieograniczony. Ktoś może utworzyć aplikację w języku Visual Basic, ale musi zastosować OPC do komunikacji wykonawczej. W przypadku prostej aplikacji może wystarczyć konfiguracja, z jaką aplikacja jest dostarczana, podczas gdy bardziej wyrafinowane systemy wymagają ulepszeń z zastosowaniem języka C++ lub C#. Biblioteki symboli i kontrolek ActiveX, stosowane w większości pakietów oprogramowania HMI (dostępne jako dodatki), pomagają w dalszym dostosowaniu aplikacji. Niektórzy dostawcy oferują pakiety o strukturze pionowej dla specjalnych gałęzi przemysłu. Przykładami są przemysł półprzewodników i samochodowy.

Wybór narzędzia do programowania może należeć do przedsiębiorstwa. Firmy często pragną stosować wspólne narzędzie programistyczne i jednakowe podejście w całym obszarze ich działalności w celu zapewnienia spójności. Na przykład w dużym przedsiębiorstwie najczęściej opracowuje się standardy korporacyjne obowiązujące we wszystkich jego zakładach na całym świecie. Zgodnie ze strategią aplikacje towarzyszące, wykraczające poza standardowy pakiet HMI, prowadzone są w ujednoliconej formie, a następnie ponownie podłączane do dowolnego stosowanego w zakładzie pakietu oprogramowania w celu rozszerzenia jego funkcji.

Języki programowania stosowane do tworzenia logiki dostępnej za pośrednictwem systemu sterowania operatorskiego mają własne cechy. Logika drabinkowa jest bezpośrednia i rozumiana przez wiele osób w Ameryce Północnej. Visual Basic jest bardzo intuicyjny i łatwiejszy do nauczenia się niż większość języków. C++ nie jest tak interaktywny, jest bardziej skomplikowany i trudniej go stosować. Znanym i powszechnym narzędziem jest XML. Ma on ubogą składnię, dość łatwo go opanować. Może być stosowany w wielu gałęziach przemysłu do konstruowania systemów sterowania różnego rodzaju.

Jednakże programowanie nie zawsze jest konieczne. Większość systemów sterowania operatorskiego jest zorientowana na daną konfigurację i zaprojektowana w taki sposób, że nieprogramista lub osoba posiadająca minimalne podstawy w dziedzinie programowania może małym nakładem pracy wygenerować odpowiednio skuteczny system. Za pomocą przyjaznych dla użytkownika interfejsów graficznych (GUI), gotowych ekranów, które można wypełniać treścią, po niewielkim przeszkoleniu większość inżynierów może łatwo stosować funkcje konfiguracyjne i własne narzędzia skryptowe.

Paul Shelton z działu marketingu automatyki Produkty HMI Siemensa tak to ocenia: ? Użytkownik nie musi się przejmować, jak wygląda kod, czy oprogramowanie generuje VBA, XML albo jeszcze coś innego. Dążymy do minimalizowania czasu potrzebnego na konfigurację, dostarczając zestaw narzędzi łatwo konfigurowanych i rozszerzanych, jeżeli jest to potrzebne w danym zastosowaniu.

Dwa główne rozwiązania programowe HMI firmy Siemens to WinCC, produkt w pełni realizujący standard SCADA (system sterowania i zbierania danych) i tworzący historię, oraz ProTool, narzędzie do konfigurowania panelu.

? Gdybyśmy wykonywali zadania za pomocą naszych narzędzi konfiguracyjnych ? mówi Shelton ? prace dostosowawcze niezbędne do zakończenia projektu powinny zostać ograniczone. Korzystając z pakietu konfiguracyjnego HMI, powinniśmy być w stanie powiedzieć: W porządku, tu jest pompa, przeciągnąć myszą inteligentny obiekt na ekran, wprowadzić kilka parametrów i gotowe. Jeżeli chcemy wprowadzić dodatkowe właściwości lub dodać skrypty, łatwo to wykonać w zaawansowanych opcjach konfigurowania. Gdy konfiguracja jest zakończona, nowy, dostosowany obiekt można łatwo dodać do własnej biblioteki, wyodrębnić wspólne parametry konfiguracyjne i dzięki temu skrócić czas opracowania. Ale gdybyśmy chcieli uzyskać dostęp do dodatkowych szczegółów, istnieje i taka możliwość.

 

Efektem postępu, jaki dokonał się w urządzeniach skrywanych za ekranami, jest staranna, animowana grafika, pełne, punktualne raporty i o wiele, wiele więcej niezbędnych funkcji (fotografia w tle dzięki uprzejmości FKI Logistex; zrzuty ekranowe w kierunku ruchu wskazówek zegara od górnego lewego rogu za zgodą: GE Fanuc, Omron Electronics, National Instruments, Rockwell Automation i Wonderware).

 

Konfigurowanie, skrypty, programowanie

W przypadku gdy gotowe narzędzia konfiguracyjne nie są wystarczające, dodawanie prostych skryptów i dołączanie dodatków może przynieść pożądane wyniki. ? Języki skryptowe pozwalają nam zrobić więcej ? podpowiada Thad McCoy, pracownik Omron Electronics przygotowujący kursy/szkolenia. Jednym z przykładów są kontrolki ActiveX: ? Można pobrać kontrolkę ActiveX MP3 z Internetu i opatrzyć skryptem objaśniającym, że gdy spełniony jest określony warunek, zostanie uruchomiony ten szczególny odtwarzacz wyznaczonego pliku MP3. Tego rodzaju dodatki są często ważne w przypadku takich funkcji jak alarmowanie. To działa bardzo dobrze.

 

Tarczowy manipulator przełącznika

Wyświetla dane słowa w określonym adresie jako wartość numeryczną; wartość zwiększa się lub zmniejsza używając przycisków + i ?,

 

Przyciski + i ? mogą być umieszczone na górze lub na dole; opcja wyświetlania pola dialogowego potwierdzenia zapisu; ustalanie hasła.

 

 

 

Miernik
analogowy

Wyświetla dane adresu
określonego słowa w 
3-kolorowym mierniku
analogowym; miernik
może być pełnotarczo-
wy, półtarczowy lub
ćwierćtarczowy.

Ustawianie kolorów granic i zakresów; kolory zakresów i kolor tła można określić pośrednio.

 

 

 

 

Miernik poziomu

Wyświetla dane adresu
określonego słowa w
3-kolorowym mierniku
poziomu.

 

 

Ustawianie kolorów granic i zakresów; kolory zakresów i kolor tła można określić pośrednio; opcja wyświetlania linii skali.

 

 

 

Wykres
prowadzony linią

Wyświetla dane słowa w określonym adresie słowa jako wykres prowadzony linią łamaną.

 

 

 

Ustalanie maksymalnych/minimalnych wartości granicznych i wyświetlanie różnymi kolorami linii mieszczących się w zakresie i wykraczających poza zakres; opcja określania wykresów rynkowych; opcja wyświetlania linii skali.

 

Biblioteki symboli zawarte w oprogramowaniu i pochodzące od dostawców zewnętrznych czynią budowanie HMI łatwiejszym i szybszym (fotografie dzięki uprzejmości Omron Electronics i Wonderware).

 

Kontrolki ActiveX umożliwiają użytkownikom osiągnięcie większej funkcjonalności za pomocą ich systemów sterowania operatorskiego. Te zasobniki grafiki oraz elementów mogą być wykorzystywane do wizualizacji lub uruchamiania procesu. Są dostępne z wielu źródeł, umożliwiają użytkownikom dołączanie lub uruchamianie programów innych producentów. Istnieją kontrolki ActiveX zapewniające dostęp do baz danych, zgłaszanie alarmów, wyznaczanie podstawowych tendencji i inne.

Jeżeli funkcjonalność języka skryptowego jest wystarczająca, większość aplikacji można zbudować za pomocą samych skryptów. ? Nie zawsze trzeba zawsze programować ? wyjaśnia Keith Jones, menedżer ds. produktu, pracujący w dziale wizualizacji w firmie Wonderware ? ale w każdej aplikacji potrzebny jest element dostosowania. Każda operacja wymaga dodania przypisanych jej obrazków i elementów. Zawsze będzie istnieć potrzeba przygotowania kilku skryptów, nawet tak prostych jak jednowierszowa instrukcja uruchamiająca aplikację po naciśnięciu przycisku. Oprogramowanie InTouch produkcji Wonderware wykorzystuje skrypty, które zazwyczaj są łatwiejsze w użyciu niż programowanie.

Oprogramowanie InTouch służy do sporządzania dla operatorów i menedżerów wizualizacji rzutu poziomego instalacji w pobliżu procesu, zapewniając jednocześnie sprzęganie i podłączanie do przyrządów kontrolnych instalacji. ? Użytkownik konfiguruje to, co jest mu potrzebne, aby sprawdzić współdziałanie z jego procesem. Jeżeli chce podłączyć przenośnik, może to zrobić sam za pomocą modułu WindowMaker programu InTouch lub pobrać go z istniejącej biblioteki. Obecnie istnieje wiele bibliotek. Techniką przeciągania i upuszczania można wprowadzać je do własnej aplikacji, podłączać do kilku punktów We/Wy lub znaczników, a uruchomią się jednocześnie z przenośnikiem.

Moduł SymbolFactory In-Touch zawiera około 3000 pozycji, poczynając od prostych rur, aż do pieców. Dostawcy zewnętrzni oferują kolejne tysiące.

 

Gdy potrzeby są większe

Równie ważna jak łatwe tworzenie aplikacji z minimalnym użyciem programowania jest możliwość jej rozszerzania w miarę potrzeb. ? Żaden pojedynczy pakiet HMI w takiej formie, w jakiej przygotował go producent, nie może zaspokoić wszystkich potrzeb ogółu klientów ? uważa Pradeep David, menedżer ds. operacji, Produkty HMI, w Rockwell Software. ? Dlatego wszystkie nasze produkty HMI mają licencje na stosowanie Visual Basic, a Visual Basic dla aplikacji (VBA) jest w nie wbudowany. Na przykład w przemyśle stalowniczym często wykorzystuje się w aplikacjach bardzo szybkie obliczenia. Visual Basic zapewnia narzędzia niezbędne do rozszerzenia HMI. W przypadku potrzeby wykonania czegoś więcej niż oferuje nasze ?wyjęte z pudełka? oprogramowanie HMI, RSView zawiera model obiektowy (dostęp do niego można uzyskiwać za pośrednictwem VBA) do tworzenia znaczników, ekranów i modyfikowania zewnętrznego sposobu działania HMI. To skuteczny sposób, aby oprogramowanie HMI robiło coś, do wykonywania czego nie było pierwotnie przeznaczone.

Od oprogramowania HMI często żąda się, aby robiło coś więcej. Obecnie realizowane jest to poprzez automatyzację funkcji i oferowanie użytkownikowi dodatkowych możliwości. Norma Dorst, menedżer ds. platformy LabVIEW w National Instruments, przedstawia następujące spostrzeżenia: ? Dzięki elastycznemu oprogramowaniu o wiele łatwiej integrować system. Na najniższym poziomie musi ono realizować integrację We/Wy. Od sterowników programowalnych aż po systemy akwizycji danych (DAQ) HMI musi zapewnić integrację z tą warstwą.

 

  Czego szukać w oprogramowaniu HMI 

 

  Przeglądając pakiety oprogramowania HMI i narzędzia przez nie wykorzystywane, należy zwrócić uwagę na kilka zagadnień.

  • Czy oprogramowanie jest łatwe w użyciu?
  • Czy łatwo je konfigurować?
  • Czy pakiet jest rozszerzalny?
  • Czy akceptuje elementy opracowane przez użytkownika integruje je z gotową aplikacją?
  • Czy oprogramowanie będzie kompatybilne z przyszłymi wersjami?
  • Jaka jest przydatność użytkowa pakietu?
  • Czy jest to znany program, w którym integrator systemu mógłby z łatwością pracować?
  • Czy łatwo realizowanie są połączenia We/Wy?
  • Czy pakiet jest skalowalny?
  • Czy można go modułowo rozszerzać?
  • Czy bloki kodu można łatwo zastosować ponownie?

 

 

Według Normy Dorst HMI musi ponadto integrować się z warstwą komunikacyjną i warstwą zarządzania systemem. W tych warstwach wchodzą w grę takie narzędzia, jak XML, Net i ActiveX pomagające osiągnąć integrację i współdziałanie niezbędne w systemie sterowania operatorskiego. LabVIEW produkcji NI ułatwia porozumiewanie się oprogramowania HMI z arkuszem XML oraz komunikowanie się za pośrednictwem Internetu. ? Jeśli nie potrzebujecie tak wyrafinowanej komunikacji, nie musicie martwić się o takie funkcje. Jednak niektóre systemySCADA wymagają takich możliwości. Większość dostawców HMI troszczy się o warstwy poziomu zarządzania, ale warstwy wbudowane są nie mniej ważne.

Systemy HMI muszą być również gotowe do otwartego komunikowania się z elementami wszystkich typów. To zróżnicowanie i fakt, że dostawcy mają w ofercie nierównorzędne urządzenia sprawiają, że dzisiaj niezbędne są inne narzędzia programowe, takie jak pochodzące od OPC Foundation. OPC działają jako pośrednicy: obdarzone zarówno możliwościami klienta, jak i serwera, łączą obiekty z urządzeniami. Serwery OPC umożliwiają komunikowanie się pakietów innych producentów z odmiennym sprzętem poprzez dostarczanie informacji od klientów i tłumaczenie ich w zrozumiałym formacie.

Pradeep David z firmy Rockwell zauważa: ? Wszystkie pakiety HMI muszą być serwerami i klientami OPC, ponieważ niewielu użytkowników końcowych wie, z którymi lub z iloma dostawcami sprzętu będą musiały się porozumiewać ich systemy. Wiele systemów sterowania operatorskiego musi komunikować się w górę, z warstwą MES (Manufacturing Execution System ? systemu prowadzenia produkcji), oraz w dół, z urządzeniem lub elementem. OPC jest mechanizmem, który realizuje to zadanie.

 

Rozszerzanie aplikacji

Roy Kok, dyrektor marketingu produktu HMI/SCADA dla grupy produktowej GE Fanuc Intellution, zaleca zwracanie uwagi na elastyczność oprogramowania HMI. ? Istotne jest, aby w jak największym stopniu dało się wbudować dostosowaną funkcjonalność. Użytkownik musi być w stanie przerobić nasze standardowe oprogramowanie na coś, co jest wyłącznie jego. GE Fanuc Automation oferuje dwa pakiety oprogramowania HMI: Cimplicity HMI, zorientowany dyskretnie, sterowany zdarzeniami pakiet programowy, najlepszy do zastosowań w przemyśle samochodowym i aplikacjach sterowania maszyn, oraz iFix, system zorientowany procesowo, sterowany czasowo, przeznaczony do sterowania analitycznego i ciągłego, powszechnego w takich zastosowaniach procesowych, jakie występują w przemysłach naftowym i gazowniczym, oraz do przygotowania wody i oczyszczania ścieków. Oba produkty przeznaczone są na rynki hybrydowe, takie jak: rynek żywności i napojów, zarządzanie budownictwem oraz energetyka.

Według Koka powinniśmy być w stanie zainstalować w komputerze standardowy pakiet oprogramowania HMI, taki jak Cimplicity HMI, bez potrzeby samodzielnego programowania. ? Nie trzeba przygotowywać skryptów ani stosować VBA, aby przygotować aplikację. Wszystko polega na wskazywaniu i klikaniu, wybraniu nazw opisowych, narysowaniu rysunków i powiązaniu czynności. Ten rynek potrzebuje produktu łatwego w użyciu.

? Obserwujemy jednak coraz większą i większą integrację systemów ? HMI przestało być tylko narzędziem monitorowania instalacji ? kontynuuje. ? Porozumiewa się ono z relacyjnymi bazami danych, dzięki czemu może dostarczać informacje o zamówieniu lub harmonogramie. Komunikuje się i współdziała w górę i w dół. Mamy klientów, którzy chcą, aby ich produkt HMI odzwierciedlał wyłącznie spojrzenie operatora na prowadzoną działalność.

? Większość produktów zapewnia metody dołączania dodatków i tworzenia programów w celu ulepszenia lub rozbudowania funkcji HMI ? zauważa McCoy z firmy Omron. CX Automation Suite z rodziny oprogramowania HMI firmy Omron oferuje zintegrowane modułowe rozwiązania HMI oparte na systemie Microsoft Windows. Narzędzia te obejmują programowanie, symulację, komunikację, SCADA oraz funkcje aplikacji. Za pomocą pojedynczego modułu CX-Supervisor użytkownicy mogą dostosować wszystkie elementy systemu HMI. ? Ma on podobną budowę i odbiór jak Visual Basic ? mówi McCoy. ? Jest bardzo intuicyjny, przeprowadza użytkownika przez proces krok po kroku. Kontrolki ActiveX zapewniają łączenie się i komunikowanie z poszczególnymi urządzeniami.

Podobnie jak większość pakietów, CX-Automation Suite umożliwia wbudowanie do HMI kontrolek ActiveX pochodzących od innych producentów. Za pomocą Visual Basic użytkownik może napisać mały program wykonujący określoną czynność. Dostarczana kontrolka ActiveX gwarantuje łatwą i niezawodną komunikację pomiędzy Microsoft Excel a Visual Basic.

 

W kierunku systemów HMI o zerowych nakładach pracy

Gdzie leży kres możliwości rozwoju HMI?

Obowiązującym słowem jest ?współzależność?. HMI stanowi jeden i jedyny aspekt całego systemu automatyki i musi być postrzegane w tym kontekście. Jest najważniejszym fundamentem dla wszystkich pozostałych funkcji automatyki zakładu.

Według Roya Koka z GE systemy HMI zmierzają w kierunku zapewnienia operatorowi wglądu w prowadzoną działalność za pomocą jednego pakietu oprogramowania. Dlatego systemy HMI będą mieścić wiele treści w grafice pochodzącej od innych producentów. ? Pakiety oprogramowania muszą być niezawodnymi, bezpiecznymi zasobnikami ActiveX. Jeśli mamy obcą zawartość wewnątrz zasobnika grafiki, musimy brać pod uwagę naruszenie niezawodności własnego środowiska HMI. Można kupić i pobrać kontrolkę ActiveX z Internetu, a następnie zainstalować ją w naszym systemie graficznym. Ponieważ nie była ona nigdy testowana w naszym systemie, nie sprawdzaliśmy, jak działa z innymi funkcjami, może ewentualnie spowodować zawieszanie się systemu. Zasobniki muszą wychwytywać i izolować powstające problemy oraz zapobiegać ich oddziaływaniu na inne elementy aplikacji.

? Obecnie można zbudować niewiarygodne, wyrafinowane systemy HMI ? zauważa Dorst z NI. ? Naprawdę nie ma już żadnych ograniczeń. Jednak ostrzega: ? Jeżeli ilustrujecie coś, co nie jest użyteczne dla operatora, a tylko ma być ładne ? wówczas to nie ma sensu. Jeśli jednak pomaga operatorowi zrozumieć zachodzące procesy i poprawia jego dokładność, to taki element jest niezbędny. Im lepiej będziecie mogli zilustrować te zagadnienia, tym lepszy będzie ostateczny projekt instalacji lub maszyny. Jest ona również przekonana, że Visual Studio. Net firmy Microsoft wprowadziło nowy punkt widzenia do rozwoju HMI. ? Użytkownicy VB i VC++ (Microsoft Visual C++) pragnęli języka bardziej strukturalnego, do budowania bardziej wyrafinowanych aplikacji. Visual Studio. Net tworzy platformę pośrednią między bardziej rozbudowanym VB a znacznie łatwiejszym C i C++. Ludzie powoli, ale stale migrują do Visual Studio. Net i jestem przekonana, że będzie on szerzej stosowany w przyszłości.

Podsumowanie: przyszłość przyniesie zarazem więcej i mniej. Bez wątpienia będziemy mieć do czynienia z dalszym uproszczeniem procesu projektowania ? tę koncepcję David z firmy Rockwell określa mianem ?HMI o zerowych nakładach pracy?. Opracowywane są systemy dosłownie ?bezopisowe?. ? Nie tworzycie znaczników. Tworzycie pojęciowo blok w takim programie, jak [Autodesk Auto] CAD lub [Microsoft] Visio. Blok ten jest tłumaczony poprzez pewne interfejsy na logikę drabinkową lub inny kod HMI. W tym znaczeniu wykonuje on pracę za was. Użytkownik będzie musiał poświęcić niewiele czasu na opracowanie HMI. Oczywiście, jeszcze tego nie osiągnęliśmy, jestem jednak przekonany, że pojawi się sporo przedsięwzięć w tej dziedzinie ? wyjaśnia.

W miarę jak użytkownicy końcowi staną się bardziej zaawansowani i wyedukowani w zakresie produktów HMI, będą poszukiwać lepszego dostosowania w procesach i systemach poprzez modyfikowanie gotowego oprogramowania w celu ściślejszego dopasowania go do operacji. Struktura oprogramowania HMI zapewnia możliwość i środki do realizacji takich celów.

GE Fanuc Automation ? www.abmicro.pl lub www.astor.com.pl/gefanuc
National Instruments ? www.ni.com/poland
Omron Electronics ? www.europe.omron.com/pl_pl/cor/
Rockwell Software ? www.rockwellautomation.pl
Siemens Energy & Automation ? www.siemens.pl
Wonderware ? www.astor.com.pl/wonderware