Od rozwiązań elektroniki użytkowej do interfejsów człowiek-maszyna

Wykonawcy maszyn, projektanci rozwiązań HMI i użytkownicy komputerów przemysłowych zauważyli, że „inteligentne” telefony i inne rozwiązania elektroniki użytkowej zmieniają oczekiwania operatorów co do sposobu interakcji z maszynami i zasad tworzenia interfejsu.
Technologie przemysłowych interfejsów człowiek-maszyna (HMI) korzystają z przyspieszonego pojawiania się zaawansowanych rozwiązań występujących w technologiach użytkowych skierowanych do odbiorców indywidualnych. Ekrany następnej generacji, urządzenia wejściowe, oprogramowanie i procesory, skierowane do użytkowników indywidualnych, powodują ciągły wzrost oczekiwań użytkowników przemysłowych co do lepszych osiągów i większej łatwości użytkowania. Czy jesteście na to gotowi?
– Aplikacje przemysłowe są pod wpływem rozprzestrzeniającego się sprzętu i oprogramowania konsumenckiego, głównie „inteligentnych” telefonów – mówi Andy Gryc, starszy dyrektor sprzedaży produktu w QNX Software Systems. QNX jest twórcą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego QNX Neutrino dla wbudowanych systemów sterowania. – Aktualny wysyp urządzeń firmy Apple (iPhone i iPod) i w mniejszym stopniu Blackberries, Android i Pre otwierają użytkownika końcowego na wysokiej jakości intuicyjne interfejsy komunikacji człowieka z urządzeniem – twierdzi Gryc. – Ci użytkownicy końcowi to te same jednostki, które obsługują wyposażenie przemysłowe. Oczekiwania związane z tym, co przemysłowe interfejsy człowiek-maszyna powinny dostarczać i jak łatwa ma być ich obsługa, są początkiem śledzenia oczekiwań dzisiejszych użytkowników urządzeń.

Struktura HMI QNX Software Systems zawiera „technologie konsumenckie”, podczas gdy reszta: czas rzeczywisty i odporność, są wystarczające, aby osiągnąć tradycyjne wymagania przemysłowe. System inteligentnego sterowania energią pokazuje technologię do wspierania warstw i multimediów inkorporacji Adobe Flash Line
Gryc powiedział, że widział wykwalifikowanych inżynierów, którzy „zapomnieli”, jak obsługiwać oscyloskop i próbowali użyć funkcji pinch-and-spreed (ściśnij i rozszerz) dostępnej w urządzeniach firmy Apple, aby przybliżyć zarejestrowany przebieg. – Podobnie wymogi łączności rozszerzają się tak, jak ma to miejsce dla urządzeń konsumenckich – mówi Gryc. – Część przemysłu stawia ostatnio niecodzienne wymagania, takie jak adaptacja technologii aplikacji przechowywania w to, co normalnie rozważane byłoby w odniesieniu do wyizolowanego systemu.
Organizacje zajmujące się technologiami informatycznymi (IT) i obserwatorzy techniki są przyzwyczajeni do stałego napływu nowinek, ale w ostatnich miesiącach obserwuje się przyspieszenie pojawiania się innowacji. Zapowiedź pojawienia się produktu o nazwie iPad (komputer typu tablet) firmy Apple spowodowała przyciągnięcie uwagi konsumentów lubiących gadżety, a ujawnienie cztery miesiące wcześniej przez firmę Microsoft istnienia projektu komputera typu tablet o nazwie Courier spowodowało burzę w świecie techniki. Redaktor czasopisma PC World Ian Paul powiedział, że nie jest jasne, czy urządzenie firmy Microsoft typu tablet, wyposażone w dwa ekrany, które pełni funkcje organizatora dnia, ujrzy kiedykolwiek światło dzienne, ale Courier wygląda, jakby mógł zrewolucjonizować podejście do osobistych urządzeń biznesowych.

Nowy może być iPad firmy Apple, ale nie komputery PC typu tablet. W 2006 roku Fujitsu zapowiedziało produkt o nazwie LifeBook T4215 typu tablet PC z systemem operacyjnym Windows, który miał ekran o przekątnej 12,1 cala
Jeszcze wcześniej komputery PC typu tablet zdominowały coroczny pokaz podczas Consumer Electronics Show (CES), dzieląc scenę z „inteligentnymi” telefonami, czytnikami książek elektronicznych, komputerami typu netbook i czułymi na ruch konsolami do gier. Zainteresowanie takimi gadżetami pokazuje oczekiwania ludzi odnośnie sposobu wchodzenia w interakcje z maszynami. Corey McAtee, dyrektor produktu w firmie BECKHOFF Automation, powiedział: – Na rynku konsumenckim jedną z nowych dominujących technologii jest multi-touch. Powinniśmy widzieć, że wkrótce technologia ta wkroczy na rynki przemysłowe. Kiedy tak się stanie, użytkownicy zobaczą dynamiczną zmianę w funkcjonalności HMI. Technologia multi-touch lub multi-sensing pozwala na jednoczesne użycie obydwóch dłoni lub dwóch palców na wyświetlaczu dla wykonania operacji, tak jak inżynierowie próbowali to zrobić z oscyloskopem.
Przewaga urządzeń i technologii elektroniki osobistej zwiększa akceptację HMI, daje użytkownikowi większe zadowolenie, większą swobodę w dostępie do informacji – mówi Cheryl Ades Anspach, dyrektor produktu w firmie Rockwell Automation. – Są użytkownicy stosujący małe interfejsy w maszynach, które wcześniej nie miały żadnego. W przeszłości było bardzo trudno przekonać kogoś, że informacja prezentowana w sposób graficzny jest znacznie bardziej intuicyjna niż tradycyjne światło lampki sygnalizacyjnej i naciśnięcie przycisku. – Obecnie większość ludzi ma doświadczenia z pierwszej ręki z graficznymi interfejsami człowiek-maszyna, użytkownicy lepiej rozumieją ich wartość – dodaje Cheryl Ades Anspach.

Wzrastająca znajomość przeglądarek internetowych zwiększa wymagania dostępu do informacji poprzez strony internetowe. Na zdjęciu pokazany jest zrzut ekranu z programu (Site Editio i Machine Editio) FactoryTalk View – Point z FactoryTolk View firmy Rockwell Automation
Podczas gdy 10 czy 15 lat temu odejście od mechanicznego wciskania klawiszy na klawiaturach elektronicznych i monitorach mogło napotkać na opór, dziś tradycyjny interfejs może wpędzić użytkownika końcowego we frustrację. – Kiedy użytkownicy widzą szybsze procesory, wyświetlacze o większym rozmiarze i inne technologie dostępne na rynkach komercyjnych, niektórzy z nich oczekują, że rynek przemysłowy zaoferuje im to samo w tym samym czasie – twierdzi Cheryl Ades Anspach. Dostawcy przemysłowi widzą trudności w tego typu migracji, szczególnie w selekcjonowaniu i ekonomicznie uzasadnionym wdrażaniu konsumenckich technologii do rozwiązań HMI.
Kluczowe zmiany technologii
Cheryl Ades Anspach przytacza następujące zalecenia, które prawdopodobnie zarysują się w temacie wyświetlaczy przemysłowych:

  • wzrost szybkości i pojemności kompaktowych pamięci typu flash, dysków twardych i SSD,
  • napędy optyczne (jak zmieniają się technologie – Od kiedy DVD zastąpiło CD, możliwości rozszerzyły się do odczytu i zapisu, a prędkość wzrosła – to będzie przeniesione na obszar przemysłowy – przewiduje Cheryl Ades Anspach),
  • procesory, napędy i inne technologie zdolne do zniesienia wyższych temperatur,
  • szybsze procesory,
  • większe rozmiary wyświetlaczy.

Rozmiary ekranów wciąż są powiększane w zastosowaniach konsumenckich (laptopy skierowane do graczy i płaskie ekrany telewizorów). Także inne właściwości ekranów są ulepszane. Nawiązując do DisplaySearch, firmy prowadzącej badania rynku, iPad firmy Apple ma 9,7-calowy ekran o rozdzielczości 1024×768 pikseli, podświetlenie diodami LED, z technologią IPS TFT (zapewniającą szeroki kąt widzenia bez utraty jakości obrazu). Analityk DisplaySearch powiedział: – To całkiem oczywiste, że technologie związane z wyświetlaczami były sprawą nadrzędną dla firmy Apple, ponieważ stosują one technologię nazywaną IPS (in-plane swiching), mają szeroki kąt widzenia – 178o. Można więc trzymać je prawie w dowolny sposób i wciąż mieć wspaniały obraz ze świetnymi kolorami i kontrastem.

Rzekomo Microsoft pracuje nad nowym komputerem PC typu tablet nazwanym Courier, który ma dwa ekrany dotykowe i otwiera się jak książka Źródło PC World
– Firma Apple zauważyła także, że iPad wykorzystuje ekrany ze szkła niezawierającego arsenu, co jest obecnie standardem pochodzącym od Corning, i ekrany LCD niezawierające rtęci, co jest jedną z zalet ekranów podświetlanych od tyłu diodami LED – powiedział analityk DisplaySearch. – Przednia powierzchnia wyświetlacza pokryta jest warstwą niebazującą na substancjach oleistych, zapewniającą odporność na ślady palców, co było wprowadzone w produkcie iPhone 3G. Firma Apple twierdzi także, że ma największy pojemnościowy wyświetlacz z funkcją multi-touch, z „tysiącami czujników, aby dostarczyć taką samą precyzyjność „odczuwania” dotyku, jaka jest zastosowana w iPod Touch i iPhone.
Firma Apple wybrała także wyświetlacz o proporcji 4:3 dla swojego ekranu, a nie skorzystała z możliwości wyboru konstrukcji o proporcjach 16:9 lub 16:10. – W świecie wyświetlaczy, który poszedł w kierunku rozwiązań o większej szerokości, jest to przedsięwzięcie niespotykane – twierdzi analityk. Ale podczas gdy użytkownicy laptopów dawno temu skierowali się w stronę rozwiązań z szerokimi ekranami, operatorzy przemysłowych HMI jeszcze w tę stronę nie poszli. – Dostawcy 17-calowych wyświetlaczy zmniejszają inwestycje w wyświetlacze o tym rozmiarze i przechodzą w kierunku większych rozmiarów – mówi Ades Anspach z Rockwell. – Jakkolwiek jest to uzasadnione ekonomicznie, adaptacja tej technologii może być ograniczona, ponieważ niektórzy użytkownicy wprowadzili standardy na 17-calowych wyświetlaczach i musieliby przeprojektować maszyny w celu wdrożenia większych ekranów.

Większa znajomość graficznych interfejsów człowiek-maszyna pomaga polepszyć interfejsy. Pokazany jest PanelView Plus 400 firmy Allan-Bradley z Rockwell Automation
Bruce DeVisser, dyrektor sprzedaży produktów do wprowadzania danych za pomocą dotyku w Fujitsu Components America, powiedział, że inne technologie przedostają się do obszaru przemysłowego. – Wdrożenie informacji zwrotnych pochodzących z systemów wibracji wyświetlaczy dotykowych (jak wibracja w telefonach komórkowych) jest bardzo użyteczne w głośnych środowiskach przemysłowych. Także przechodzą na grunt fabryk specjalne powłoki chroniące przed plamami. – Wyświetlacz w trybie uśpienia nie przyciąga uwagi użytkownika, jeśli jest pokryty odciskami palców. Na rynku przemysłowym projektanci stwierdzili, że posiadanie rozwiązań chroniących przed plamami jest dobrym chwytem reklamowym – mówi DeVisser.
Przeszkody w przenoszeniu technologii
Co utrudnia przenoszenie technologii od konsumentów do sektora przemysłowego? Ades Anspach z Rockwell Automation powiedziała, że: elektronika dla konsumentów wymaga szybkich wzrostów o dużym wolumenie i produkcji w relatywnie krótkim czasie. Wręcz przeciwnie – produkty przemysłowe mają mały wolumen, który musi być dostępny przez dwa, trzy i więcej lat. Dostawcy widzą, jakie produkty wprowadzić do przemysłu, obserwują poziom akceptacji i trendów długoterminowych wraz z aspektem niezawodnościowym, produktywnością i ograniczeniami kosztów. Ten proces dotyczy wszystkich aspektów operatorów interfejsów, włączając w to wyświetlacze, procesory i pamięci.
Dla przykładu – pamięci w panelach operatorskich powoli zmieniają się z kart typu Compact Flash (CF) na typ ScanDisk (SD). – Ta powolna migracja przynosi zyski zarówno dostawcom, jak i odbiorcom interfejsów operatorskich. Nikt nie chce tak wielu różnych typów kart pamięci, aby wspierać ich ogólny dostęp. Także nie wszystkie technologie komercyjne mają sens w przypadku rynków przemysłowych – twierdzi Anspach. – Aktualnie urządzenia o pojemności 1 TB nie mają żadnego praktycznego zastosowania w aplikacjach.
Czasami technologia musi się rozwijać zanim budowniczowie maszyn i wykonawcy systemów sterowania wbudowanego będą mogli zobaczyć, jak wdrożyć ją w przemyśle. Tak jest w przypadku procesorów wielordzeniowych i innych urządzeń. McAtee mówi, że wszystkie komputery przemysłowe firmy BECKHOFF i technologie HMI są pochodnymi technologii początkowo wdrożonych na rynku odbiorców indywidualnych i biurowych jakkolwiek komponenty te są zmieniane w wysokiej mocy kontrolery, które dobrze funkcjonują na poziomie zakładów przemysłowych. Ostatnie przykłady dotyczą procesorów wielordzeniowych, w tym procesorów Intel Core 2 Quad, oszczędnych energetycznie procesorów Atom firmy Intel, użycia dysków typu SSD i wysokiej rozdzielczości dużych 24-calowych monitorów z szerokim ekranem.
McAtee twierdzi też, że zaawansowane technologie w rozwiązaniach przemysłowych firmy BECKHOFF to zastosowanie większej mocy procesorów w komputerach, co pozwala na spełnienie wyższych wymogów oprogramowania, a w stosunku do przemysłowych ethernetowych protokołów komunikacyjnych stosowanych przez firmę BECKHOFF – technologia EtherCat została zapoczątkowana równocześnie z rozwiązaniami konsumenckimi. – Jako że stają się dostępneprocesory 8-, 16- i wielordzeniowe, będą one wkrótce dodane do przemysłowego szeregu – dodaje McAtee.
Wielordzeniowe procesory wspierają rozwój paneli PC, które integrują w jednym urządzeniu sterowniki programowalne z rozwiązaniami HMI. Wspierają one także wyrafinowaną grafikę i inne programy wyświetlaczy wysokiego poziomu, co jest kolejnym aspektem migracji technologii konsumenckich na poziom przemysłu.
Dyrektor produktu Ryan Gunderson z firmy Rockwell Automation widzi wzrost funkcjonalności wyświetlaczy jako ulepszenie sprzętowych rozwiązań dotykowych. – Jak na ironię, HMI z ekranami dotykowymi są szeroko dostępne na rynku przemysłowym przez więcej niż dekadę, ale dopiero ostatnio w elektronice dla użytkowników indywidualnych. Jednym z zysków, którego oczekujemy w panelach przemysłowych, jest większa liczba aplikacji dodawanych, takich jak przeglądarka plików PDF firmy Adobe, odtwarzacze multimediów i przeglądarki lepiej przygotowane pod ekrany dotykowe, a nie tylko, jak zazwyczaj, mysz i klawiatura.
Gryc twierdzi, że QNX Software System dostarcza struktur HMI, które zawierają zaawansowane funkcje łączności i technologie konsumenckie, podczas gdy reszta: czas rzeczywisty i odporność, są wystarczające, aby osiągnąć tradycyjne wymagania przemysłowe. „Inteligentny” system sterowania energią bazujący na systemie czasu rzeczywistego QNX Neutrino, dla przykładu, ma interfejs człowiek-maszyna wyposażony w technologię Adobe Flash Lite.
– Flash Lite pozwala na czerpanie zysków z narzędzi programu Flash, który zawiera wszystkie elementy potrzebne do zbudowania przejrzystego, efektywnego interfejsu wspierającego podział na warstwy i multimedia, dostępnego zwykle w aplikacjach dla użytkowników indywidualnych – mówi Gryc.
Scott Miller, dyrektor biznesowy w Rockwell Automation, zgadza się, że wzrost znajomości przeglądarek internetowych podniósł wymagania w stosunku do przemysłowych aplikacji bazujących na przeglądarkach stron internetowych. – Osiągnięcie tego poziomu dostępności wzywa do ścisłej integracji oprogramowania HMI z systemem sterowania i wyświetlania informacji o produkcji dla szerszej rzeszy publiczności – twierdzi Miller. – Począwszy od inżynierów zdalnie diagnozujących maszyny, a skończywszy na dyrektorach sprawdzających status produkcji, rozszerzanie rozwiązańHMI o klientów serwisów internetowych i łączenie ich w rozwiązanie programowe inicjatywy inteligentnej produkcji znacznie zwiększa dostęp do specyficznych informacji.
McAtee z firmy BECKHOFF twierdzi: – Jeśli połączyć wielodotykową funkcjonalność z szerokimi formatami ekranów o przekątnej 24 cale, sprzedawcy urządzeń i projektanci maszyn będą mogli usunąć wszystkie fizyczne przyciski z paneli, pozwalając zarządzać każdą funkcjonalnością maszyny bezpośrednio za pomocą panelu dotykowego. To może pozwolić łatwo przewijać i powiększać tablice rozdzielcze i menu poza możliwości konwencjonalnych technologii dotykowych.
Inżynierowie zakładów przemysłowych i technicy chcą, aby interfejsy ich maszyn przemysłowych były tak „inteligentne” i intuicyjne, jak wciąż polepszające się rozwiązania w urządzeniach dla indywidualnych odbiorców.
Artykuł pod redakcją dr. inż. Krzysztofa Jaroszewskiego, adiunkta w Katedrze Automatyki Przemysłowej i Robotyki Wydziału Elektrycznego Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie